美国中西部大豆种植系统的经济与环境绩效评估：基于APSIM模型的可持续农业优化路径

为应对可再生燃料需求增长及玉米生产成本上升问题，研究人员通过APSIM模型模拟美国爱荷华州10种种植系统（含大豆-黑麦轮作等创新模式），发现早播与延长成熟期可使大豆增产8%，覆盖作物降低N2O排放90%，系统兼具经济竞争力与生态效益，为政策制定提供科学依据。

　　

随着全球对可再生燃料需求的激增和北美玉米生产成本的持续攀升，美国中西部农业正面临转型压力。这片被誉为"世界粮仓"的地区，长期依赖玉米-大豆轮作体系，但该模式在环境可持续性和经济适应性方面逐渐显现瓶颈。政策驱动下（如《通胀削减法案》45Z条款），大豆作为低氮肥需求的作物备受关注，但其连续种植对土壤健康、碳排放及经济效益的影响尚不明确。与此同时，南美经验表明大豆单作可能导致土壤有机碳(SOC)流失和氮素耗竭，而美国本土长期试验数据匮乏，亟需系统性评估。

为此，爱荷华州立大学（Iowa State University）的研究团队利用农业生产系统模拟器(APSIM)这一经过验证的生物物理模型，在爱荷华州四个区域开展为期30年的计算机模拟实验。研究比较了10种种植系统，包括传统玉米-大豆轮作、玉米连作，以及创新性的大豆-黑麦覆盖作物系统等，通过调整播种日期、成熟期组别等参数量化其对产量稳定性、氮/水利用效率及碳平衡的影响。

研究方法的核心在于APSIM模型的多模块协同模拟。该模型整合了作物生长、土壤水氮循环等算法，输入参数包含30年气象数据、土壤属性及管理措施（如免耕、覆盖作物种植日期）。输出指标涵盖谷物产量、系统氮利用效率(NUE)、N₂O排放量等环境指标，并通过成本收益分析计算经济利润。所有系统在相同基础条件下运行，确保结果可比性。

作物生产力与产量稳定性
模拟结果显示，将大豆播种期提前并选用长成熟期品种可使单产提升8.3%，打破传统5月15日播种的产量瓶颈。值得注意的是，大豆-黑麦覆盖作物系统在不延长大豆成熟期的情况下，仍能维持与传统轮作相当的产量水平（3.4-5.6 Mg/ha），且显著提高年度间产量稳定性。

环境绩效
黑麦覆盖作物的引入使系统氮利用效率提升27%，N₂O排放量较玉米连作降低90%。水分利用效率的改善主要源于早播大豆对生长季降水的更高效利用。然而，所有大豆主导系统均呈现SOC缓慢下降趋势，这与南美长期观测结果一致。

经济分析
在当前市场条件下，大豆单作与玉米连作净利润相当。覆盖作物系统的低成本特性（节省氮肥投入）与政策补贴潜力（如碳信用）使其具备风险抵御优势。值得注意的是，免耕措施在大豆系统中的实施成本低于玉米系统，因其秸秆量少更易管理。

这项发表于《Agricultural Systems》的研究首次系统评估了美国中西部大豆集约化生产的综合效应。结论指出：大豆-黑麦轮作系统具有"四优一劣"特征——低生产成本、环境氮损失少、水资源利用高效、实施风险低，但需关注SOC持续流失问题。这一发现为平衡粮食安全、农民收入与生态保护提供了量化依据，尤其为45Z政策下的农业补贴分配提供科学支撑。研究同时揭示，通过优化管理（如覆盖作物搭配局部氮肥补充）可能缓解SOC下降，这将成为未来实验研究的重点方向。论文通讯作者Carolina Freitas强调，该模拟框架可扩展至其他政策情景测试，为气候变化背景下的农业系统适应性规划提供工具支持。