轮作模式协同提升旱地马铃薯生产的土壤健康与环境可持续性

为解决西北旱区马铃薯连作导致的土壤退化、环境足迹增加及产量下降问题，研究人员通过10年田间试验，对比了马铃薯连作(PC)与小麦/绿肥-马铃薯(WgP)、豌豆/绿肥-马铃薯(PgP)等轮作体系。研究发现PgP轮作使土壤健康指数提升63.4%，马铃薯增产38.2%，温室气体(GHG)减排59.3%，综合效益指数(CEI)达41.5%，为旱区农业可持续发展提供了优化路径。

　　

在人口增长与生态脆弱的双重压力下，如何平衡粮食生产与环境可持续性成为全球性难题。中国西北旱区作为重要马铃薯生产基地，长期连作导致土壤微生物失衡、养分耗竭，产量波动达27%-85%，同时伴随高水肥投入带来的温室气体(GHG)和活性氮(Nr)排放。传统解决方案如增施农药化肥虽能短期缓解问题，却加剧土壤退化与环境污染，形成恶性循环。

针对这一困境，中国农业科学院的研究团队在甘肃定西开展了长达10年的田间试验，系统比较了马铃薯连作(PC)与小麦/绿肥-马铃薯(W_gP)、豌豆/绿肥-马铃薯(P_gP)等轮作模式的效果。研究成果发表在《Resources, Environment and Sustainability》上，揭示了作物轮作对旱地农业可持续发展的多重增益机制。

研究采用生命周期评价(LCA)与熵权TOPSIS法构建综合评价体系，结合非支配排序遗传算法(NSGA-II)优化种植结构。关键技术包括：1) 设置不同肥力土壤对照试验；2) 测定14项土壤健康指标；3) 量化水足迹(WF)与碳氮足迹；4) 多目标优化模型分析。

土壤健康指数
通过Cornell土壤健康评估体系发现，P_gP轮作使土壤健康指数提升至41.4%，显著高于PC的25.1%。土壤矿质氮、微生物量氮(MBN)和有效磷(AP)是主要驱动因子，表明豆科作物通过生物固氮改善了养分循环。

产量与经济效益
尽管轮作年均经济收益(NEB)比PC降低11.7%-45.9%，但单季马铃薯的NEB提升30.6%-41.9%。P_gP轮作使马铃薯产量达33.9 t/ha，蛋白质产量增加54.3%，凸显豆科作物在营养产出方面的优势。

环境足迹
P_gP轮作实现GHG减排55.6%，碳足迹(CF_yield)降低21.3%。水分利用效率(WUE)提高31.3%，但总水足迹(WF_total)因绿肥种植增加91.4%，反映生态效益与资源消耗的权衡。

区域优化方案
NSGA-II模型建议将种植结构调整为豌豆43.9%、马铃薯44.2%、小麦11.8%。该方案可使区域GHG减排81.5万吨CO₂-eq，氮肥节约8.2万吨，同时提升NEEB达68.5%。

这项研究创新性地证实了豆科作物轮作在旱区农业中的核心价值：通过生物过程替代化学投入，实现"土壤修复-产量提升-排放削减"的协同效应。研究提出的P_gP轮作模式，为中国西北地区农业绿色转型提供了可操作的解决方案，其多目标优化方法也为全球旱地农业可持续发展研究提供了范式参考。政策层面，该成果支持了中国政府"减麦扩薯豆"的种植结构调整政策，证实了生态保护与粮食安全协同推进的可行性。未来研究可进一步探索不同气候区的最佳轮作周期，并评估市场化条件下农民采纳的经济激励机制。