作物轮作提升产量与水分生产力的全球田间试验综合解析：潜力驱动因素与可持续农业优化策略

为解决单一耕作导致的产量瓶颈及水资源低效利用问题，研究人员通过整合全球1217组田间试验数据，系统量化了作物轮作对五大主粮产量(Yield)、水分生产力(WPc)和蒸散发(ETc)的影响。研究发现轮作使产量提升13.2%、WPc提高17.6%并降低ETc 6.2%，其中马铃薯响应最显著，且多作物序列与≥2年轮作周期效果最优。该研究为优化可持续集约化农业的水-粮协同管理提供了实证依据。

　　

在全球粮食安全与水资源短缺的双重压力下，传统农业的高投入模式已接近生产力极限。据估计，全球近50%农田面临退化风险，19%耕地因过度开发遭受污染。保护性农业的三大支柱——免耕、残茬保留和作物轮作中，前两者的效益已被广泛研究，但轮作对水-粮协同调控的机制始终缺乏系统认知。这种知识空白严重制约了农业可持续集约化策略的优化，特别是在气候变化加剧水资源竞争的背景下。

为填补这一空白，中国的研究团队在《Agricultural Water Management》发表了全球首项整合产量与水分利用指标的轮作效应研究。研究人员从83篇文献中提取1217组田间对照数据，覆盖小麦、玉米、马铃薯、大豆和水稻五大主粮作物。采用响应比(RR)元分析方法，量化了轮作对产量(Yield)、作物水分生产力(WP_c)和蒸散发(ET_c)的影响，并解析了作物种类、轮作策略、环境因子和管理措施的调控作用。

关键技术方法包括：(1)通过Web of Science和CNKI数据库检索获取全球田间试验数据；(2)使用GetData软件从图表提取标准化数据；(3)应用MetaWin 2.0进行加权元分析，采用9999次自助法计算95%置信区间；(4)建立分类框架分析土壤性质(SOC、TN、pH)、气候条件(MAP、MAT)和农艺措施(氮肥、耕作方式)的调节效应。

【主要研究结果】

3.1 作物轮作的总体效应
轮作使全球主粮产量显著提升13.2%，WP_c提高17.6%，同时降低ET_c 6.2%。马铃薯表现最优，产量增幅显著高于其他作物，而大豆和水稻响应较弱。多作物轮作序列和豆科轮作作物分别带来19.8%和15.3%的产量增益。

3.2 轮作时序策略的影响
实验持续时间>20年时产量增益最大(18.7%)，而完整轮作周期≥2年是维持效益的关键阈值。1年周期虽降低ET_c 12.4%，但仅当周期延长至2年以上才能同步提升WP_c和产量。

3.3 土壤环境的调控作用
酸性土壤(pH<6.5)中产量提升达19.1%，显著高于中性或碱性土壤。SOC>6.5 g kg^-1和TN>1 g kg^-1的土壤表现出更强的水分生产力响应。

3.4 气候与管理的边界条件
干旱区(MAP<500 mm)的WP_c提升幅度(24.3%)是湿润区的2.1倍。氮肥阈值效应明显，<120 kg ha^-1时产量增益达19.3%，而高氮条件则削弱效益。与传统耕作相比，轮作与保护性耕作(免耕/残茬)结合未显现协同效应。

【结论与讨论】
该研究首次揭示了作物轮作通过优化水分分配实现"增产节水"的双重机制：ET_c的降低主要源于蒸发抑制，而持续的水分生产力提升则归因于作物蒸腾效率改善。特别是在资源限制条件下(如干旱环境、酸性土壤、适度氮肥)，轮作表现出更强的适应性。值得注意的是，轮作效益与保护性农业其他措施(如免耕)的有限协同性，提示其应作为独立管理模块进行优化。

研究提出的"2年周期+多作物序列"模式，以及针对不同环境条件的精准轮作策略(如干旱区优先选择豆科轮作)，为联合国可持续发展目标(SDGs)中的零饥饿和清洁用水目标提供了可操作的田间解决方案。未来研究需拓展至经济作物体系，并加强在非洲、南美等数据稀缺区域的验证，以完善全球可持续农业的水-粮协同调控理论。