在预计的气候变化背景下，温带环境中大麦与豌豆间作系统的土壤水分与碳动态

本研究通过耦合HYDRUS与RothC模型，评估苏格兰冬小麦-豌豆间作与单作系统在RCP 8.5气候情景下的长期水碳动态。结果显示间作较单作显著提升土壤表层（0-5cm）碳储量16%（1.91 vs 1.63 kg/m2），通过增强植物蒸腾（干旱年增加18%）和减少土壤蒸发（降低4%）实现水分高效利用，并增强系统对气候变率的适应性。该发现为温带农业可持续管理和碳汇政策制定提供理论依据。

　　
本文聚焦于温带环境中大麦与豌豆间作（intercropping）相较于单作（monoculture）的水分与碳动态长期影响，通过耦合土壤水分模型（HYDRUS 5）与土壤碳模型（RothC），首次揭示了此类间作系统在应对未来气候极端化（以RCP 8.5情景为例）中的潜在作用。研究覆盖了2022-2023年的田间试验数据及2024-2050年的气候情景模拟，结论对可持续农业政策制定具有重要参考价值。

### 一、研究背景与科学问题
全球变暖导致温带地区干旱频率增加与水资源压力加剧。英国苏格兰地区作为典型温带气候代表，其年均降水量800毫米，但2022年因极端干旱导致大麦单作减产风险显著上升。现有研究表明间作可通过互补根系结构增强水分利用效率，但长期（25年以上）动态及碳积累效应仍不明确。本文创新点在于：
1. **双模型耦合**：首次将水分模型HYDRUS与碳模型RothC结合，量化水分-碳耦合机制
2. **气候情景外推**：基于英国气候预测数据（UKCP18），模拟2050年前极端干旱频率增加30%情景下的系统响应
3. **多尺度验证**：通过田间同位素追踪（2022-2023）验证模型精度，再外推至长期预测

### 二、方法体系与技术创新
#### 1. 实验设计
- **地点**：苏格兰邓迪附近Balruddery农场（海拔67-163米， Cambisol土壤类型）
- **处理**：大麦单作（Barley monoculture）vs. 70%大麦+30%豌豆间作（Barley-Pea Intercropping）
- **观测周期**：2022-2023年短期田间试验（覆盖作物轮作+免耕）
- **深度范围**：重点研究0-30厘米根系活跃层，其中0-5厘米碳动态单独建模

#### 2. 模型耦合框架
- **水分模块（HYDRUS 5）**：
- 采用修正Richards方程，考虑非饱和流特征
- 植物参数化：大麦LAI=3.5，豌豆LAI=2.1（动态调整）
- 根系模型：基于V rugt分布函数，设置大麦/豌豆最大根深分别为80/50厘米
- **碳模块（RothC）**：
- 划分4类活性有机质（DPM/RPM/HUM/BIO）
- 水分驱动分解速率（a值）与微生物活性（b值）关联系数达0.83
- 引入每日土壤含水量数据更新碳转化参数

#### 3. 数据同化与验证
- **水分验证**：采用Kling-Gupta效率（KGE）>0.70，均方根误差（RMSE）<5%达标
- **碳验证**：R2=0.95，RMSE=0.05 kg/m2（95%置信区间±6%）
- **不确定性分析**：通过 Bootstrapping 法评估模型参数95%置信区间

### 三、关键发现与机制解析
#### 1. 短期（2022-2023）水分动态
- **蒸发强度**：单作夏季蒸发量达251毫米/季，间作减少至230毫米（降幅8%）
- **蒸腾效率**：间作在干旱年份（2022年）蒸腾量提升18%（达263毫米/季），水分利用指数（WUE）提高至2.3 kg/m3/mm
- **土壤储水**：0-30厘米土层储水量波动幅度从单作的±12%降至间作的±8%

#### 2. 长期（2024-2050）碳动态
- **碳封存速率**：间作系统年均碳增量达0.0056 kg/m2（比单作快1.8倍）
- **垂直分布特征**：0-5厘米层碳密度年增幅达0.03%（显著高于20-30厘米层的0.001%）
- **碳稳定性**：间作系统碳密度较单作增加16%（达1.91 vs 1.63 kg/m2），且置信区间不重叠（p<0.05）

#### 3. 气候适应性机制
- **干旱响应**：间作通过互补根系（大麦浅根+豌豆深根）使土壤含水量在干旱季保持±3%波动，而单作可达±15%
- **水分重分配**：2022年试验显示间作系统将30%土壤水分从表层（0-5cm）转移至次表层（5-30cm）
- **碳输入增益**：豌豆固氮使土壤有机质输入量增加23%，配合大麦残体分解速率提升17%

### 四、政策启示与技术路径
#### 1. 水资源管理优化
- **灌溉策略**：间作系统在干旱年灌溉需求减少12-15%，建议采用动态配额管理（D=0.8×单作需水量）
- **渠道设计**：结合间作系统可降低径流峰值达30%，适合建设生态沟渠（建议间距50米）

#### 2. 碳汇潜力开发
- **核算标准**：按每公顷年固碳量0.056吨计算，间作系统可满足英国2030年10%的NDC目标
- **技术包**：建议推广"大麦-豌豆-燕麦"轮作模式（M轮作），配合生物炭施用（年量50 kg/ha）

#### 3. 农业政策建议
- **补贴结构**：对间作面积给予200英镑/ha年补贴，碳汇交易额外奖励80英镑/ha
- **保险机制**：开发基于SPEI指数的水分胁迫保险产品（建议保费率2.5%）
- **技术推广**：建立数字化管理平台（建议覆盖50%苏格兰农田）

### 五、研究局限与未来方向
#### 1. 当前局限
- **模型参数化**：豌豆根系分布参数引用中国数据（差异±15%）
- **碳计量范围**：仅考虑0-5厘米表层碳（占总碳量78%）
- **气候情景单一**：未考虑RCP 4.5情景对比

#### 2. 深化方向
- **垂直碳汇研究**：开发深层（>30cm）碳封存监测技术（如核磁共振成像）
- **多系统耦合**：整合宏观经济模型（如Agri моделирование）评估成本效益
- **适应性进化**：筛选耐旱豌豆品种（当前品种在干旱胁迫下减产率达40%）

### 六、结论
本研究证实间作系统在温带环境下具有显著的水-碳协同调控能力：通过互补根系网络（大麦浅根+豌豆深根）优化水分分配，2022年试验显示表层土壤含水量波动降低40%；长期模拟表明，间作系统可在2050年前实现16%的土壤碳增益，且这种增益具有持续累积效应（每10年碳储量递增8%）。建议将间作纳入英国"气候韧性农业"国家战略，重点在苏格兰、英格兰东北等干旱风险区推广。