优化前茬作物轮作周期提升稻田系统生产力与环境可持续性的综合研究

为解决粮食增产与环境保护的矛盾，研究人员通过长期田间试验评估了小麦-油菜轮作周期调整对稻作系统的影响。结果表明，3R（3年油菜-1年小麦轮作）和2W（2年小麦-1年油菜轮作）模式可提升产量60.4%–82.2%，降低碳足迹(CF)0.3%–5.7%，并改善土壤健康。该研究为长江流域可持续集约农业提供了优化方案。

　　

在全球粮食安全与生态环境双重压力下，如何实现农业高产与可持续发展已成为关键科学问题。长江流域作为中国重要粮食产区，长期依赖水稻-小麦(W)或水稻-油菜(R)单一种植模式，导致土壤退化、生物多样性下降及温室气体排放加剧。传统耕作方式虽提高了土地利用率，却伴随过量农药化肥使用等环境代价。这一矛盾在人口密集、资源有限的农业区尤为突出，亟需探索既能保障产量又降低环境成本的创新种植模式。

河南省农业科学院信阳分院的研究团队通过为期4年的田间试验，系统比较了8种轮作模式（包括休耕-水稻对照F、常规油菜-水稻R、小麦-水稻W及其周期调整组合3R/2R/RW/3W/2W）对系统生产力、经济效益和生态环境的影响。研究发现，优化前茬作物种植周期可显著提升系统综合效益，相关成果发表在《The Crop Journal》。

研究采用生命周期评估(LCA)量化碳足迹，结合土壤健康评分体系(Cornell Soil Health Assessment)和熵权TOPSIS多指标综合评价法。关键技术包括：静态箱法监测CH₄/N₂O排放、土壤碳库变化测定（0-20 cm层SOC）、能量平衡分析及经济效益核算。所有数据通过SPSS 24.0进行方差分析和Duncan检验。

系统生产力
通过等效产量(EqY)、蛋白质产量(PC)和能量产出(EnY)评估发现：3R轮作使水稻等效产量提升82.2%，年经济效益增加84.4%；2W轮作分别提升70.0%和65.9%。能量利用效率显示，油菜基轮作体系净能量比小麦基体系高71.0%–79.1%，其中3R模式的能量产出达414.9 GJ ha^-1。

温室气体与碳足迹
油菜基轮作显著降低N₂O排放，而CH₄排放无显著差异。3R轮作土壤碳储量增幅最大（8.6 t CO_2-eq ha^-1 year^-1），抵消51.6%的温室气体排放。多维碳足迹分析表明，3R模式单位面积CF(CF_a)比常规W轮作降低31.1%。

土壤健康
基于10项指标（容重BD、速效磷AP等）的评分显示，3R轮作土壤健康得分达80.0，是休耕对照的2.5倍。主成分分析表明SOC与NO₃^--N、AP与微生物量碳(MBC)呈强相关性，证实油菜残留物对土壤微环境的改良作用。

多功能评价
熵权TOPSIS综合评分排序为3R>2R>R>2W>RW>3W>F>W。玫瑰图分析揭示油菜基轮作对土壤健康的提升贡献率达47.5%，而小麦基轮作在产量稳定性(SYI)方面表现更优。

该研究证实，调整前茬作物轮作周期可通过"油菜调控效应"实现多目标协同：其发达的根系和残留物输入增加土壤碳汇，高经济价值弥补了生产投入，而3-4年的轮换周期有效打破连作障碍。3R和2W模式分别作为油菜基和小麦基体系的优化方案，为长江流域及类似生态区提供了"增产-减排-养地"三位一体的技术范式。这一发现不仅为农业系统结构调整提供实证依据，更从种植制度设计层面响应了"双碳"战略目标，对实现粮食安全与生态安全的平衡具有重要实践价值。