美国中西部玉米-大豆轮作与连作系统的权衡研究：产量、养分流失与土壤有机碳变化的综合评估

本研究通过农业生态系统模型ecosys，系统比较了美国中西部大豆-玉米轮作(S-C)与玉米连作(C-C)体系在氮肥施用梯度下的表现。研究发现：S-C在常规施氮量(151 kg N/ha)下通过大豆残茬提升土壤矿化率使玉米增产，但导致土壤有机碳(SOC)降低；同时减少N2 O和NH3 排放，经济收益在低氮条件下最高。该研究为优化种植模式提供多维度科学依据。

　　

在美国中西部被称为"玉米带"的广袤农田上，农民们两百年来始终面临着一个关键抉择：是年复一年种植玉米(连续玉米，C-C)，还是采用大豆-玉米轮作(S-C)？这个看似简单的选择背后，牵动着作物产量、土壤健康、环境可持续性和农民收入的多重平衡。随着合成氮肥的普及，C-C系统虽然能实现高产，却也带来了土壤退化、温室气体排放等隐形成本；而广泛应用的S-C系统虽被认为更可持续，但其对土壤碳库的长期影响和经济效益波动机制仍不明确。

针对这一农业核心问题，美国伊利诺伊大学等机构的研究团队在《Agriculture, Ecosystems 》发表重要成果。他们采用过程模型ecosys，整合伊利诺伊州7个长期试验点和3个通量塔数据，首次系统量化了两种种植体系在氮肥梯度下的"产量-环境-经济"三维权衡关系。

研究主要运用三项关键技术：1) 多站点校准的ecosys模型模拟碳-氮-水耦合过程；2) 基于10个伊利诺伊站点的N施肥-产量响应曲线验证；3) 结合市场价格的边际效益分析。样本数据来自伊利诺伊州长期定位试验和涡度协方差通量观测站点。

【模型性能验证】
ecosys模型成功重现了7个试验点C-C(R²
=0.70)和S-C(R²
=0.66)的玉米产量差异，并准确模拟了CO₂
通量动态。模型对N肥响应曲线的捕捉能力(RMSD<2.03 Mg/ha)为后续分析奠定基础。

【产量形成机制】
在常规施氮量(151 kg N/ha)下，S-C系统的大豆残茬虽比玉米少提供36%碳，但其47%更高的氮含量促进了次年春季土壤升温与净矿化，使玉米增产。这种优势随N肥增加而减弱——高N(250 kg/ha)时产量差异缩小至3%，揭示"氮肥掩盖轮作效应"现象。

【环境效应】
S-C表现出双重性：一方面，大豆残茬的快速分解导致SOC比C-C系统降低，尤其在常规N量时显著；另一方面，其减少19% N₂
O和23% NH₃
排放。氮淋溶呈现"跷跷板效应"：大豆季减少26%而次年玉米季增加17%。

【经济分析】
在典型市场价格(大豆410美元/吨，玉米178美元/吨)下，低N(50 kg/ha)时S-C比C-C每公顷多创收1133美元。但该优势随N肥增加递减，且在玉米价格飙升、豆-玉米价格比<2.2时消失，提示市场波动对轮作效益的敏感影响。

这项研究的重要价值在于揭示了中西部农业系统的复杂权衡规律：S-C在环境友好性和低投入效益上的优势，需要以土壤碳库损失为代价；而C-C虽能维持SOC，却需承担更高的环境成本。研究提出的"N肥-轮作互作效应"为精准施肥提供理论依据，而建立的市场价格响应模型则为农业政策制定提供量化工具。正如Bernacchi Carl等作者强调，未来应开发能同时提升SOC的轮作优化策略，这对实现"碳中和"背景下的可持续农业具有关键指导意义。