加拿大草原豆科间作系统的经济效益分析：资源优化与收入稳定的可持续农业策略

本综述系统评估了加拿大草原地区豆科作物间作（如豌豆-油菜、豌豆-燕麦、蚕豆-麦芽大麦等）的经济效益与农业可持续性。研究通过多地点田间试验证明，间作在减少氮肥施用（降低80%）、节约成本（116加元/公顷）的同时，保持了与单作相当的净收益（NR），并显著提升收入稳定性（通过变异系数CV衡量）。该研究为高成本化肥背景下降低农业经营风险、推动生态友好型种植提供了关键实证，对可持续作物生产（sustainable crop production）具有重要指导意义。

　　

引言

现代农业系统高度依赖合成农用化学品（如化肥和农药）以提高作物产量。然而，这些投入品的成本持续上升，增加了财务风险并危及农场利润。面对人口增长带来的粮食需求增加、环境外部性负面影响以及财务风险，作物多样化（crop diversification）成为提升生态和经济效益的重要策略。作物多样化可采取多种形式，包括轮作（crop rotation）、覆盖作物（cover crops）和间作（intercropping），作为集约化单作（monocropping）的替代方案。

间作指在同一块土地上同时种植不同作物物种，已证明在作物产量和稳定性、杂草抑制（weed suppression）、害虫控制（pest control）以及环境友好性方面具有显著优势。例如，间作可通过提高空间效率（减少能源使用）、降低对合成肥料的依赖、减少土壤侵蚀以及改善养分和水分利用效率来缓解气候变化的影响。此外，间作实践还增加土壤有机碳（soil organic carbon）和土壤持水能力，在保持作物产量的同时增强生物多样性。

在众多间作组合中，豆科-谷物（legume–cereal）和豆科-油籽（legume–oilseed）系统受到广泛关注。这些系统有潜力提高氮利用效率（N use efficiency），通过生物固氮（biological N fixation）改善土壤健康，并因豆科作物残茬的氮益处减少后续谷物和油籽作物的氮肥需求。例如，蚕豆-大麦和大麦-豌豆间作系统结合了豆科的固氮能力和谷物的高生产力，可能在减少对合成肥料依赖的同时保持或提高总产量。类似地，玉米-大豆间作利用大豆的氮供应来改善玉米的生长，特别是在营养需求高的地区。

除了上述益处，间作系统还提供产量稳定性（yield stability），这是评估波动气候和生物条件下种植策略韧性的关键指标。产量稳定性可能带来农场层面的收入稳定性（income stability）。研究表明，谷物豆科-大麦间作通常比单作谷物豆科表现出更少的变异性。

尽管间作具有生态效益，但其采用仍面临障碍。其中一个充分记录的障碍是兼容性管理的复杂性，以及在高度机械化农业系统中使用高度特定技术管理多种作物物种的挑战。这些挑战可能导致劳动力需求增加，从而影响间作的整体盈利能力。例如，收获后分离间作作物种子的成本是不可避免的，而间作两种籽粒大小相似的物种则带来额外的技术挑战。此外，由于两种作物的营养需求不同，理解和优化间作系统的输入也面临挑战。

豆科-油籽间作，如豌豆-油菜，可能在保留间作益处的同时克服一些采用障碍。这些组合提供更多的生长季除草剂选择，因为两种物种都是阔叶植物，并且由于种子大小不同，便于种子分离，这与传统的豆科-谷物间作（如豌豆和燕麦）不同。这些作物还具有互补的根系结构和生长模式，有助于优化土壤养分提取并提高对病虫害的韧性。此外，在低输入 scenario（如低氮施用）下，豌豆-油菜间作可以改善蛋白质基础产量和净收益（NR），与单作相比。

尽管间作的农艺益处（如高效资源利用、减轻害虫压力、减少作物倒伏以及增加产量和收获后残茬）已得到充分证明，但其财务结果仍知之甚少。鉴于氮肥的高成本和其他必需投入品成本的上升，识别财务可行的间作组合对其盈利能力、采用和长期环境影响至关重要。本研究旨在：（1）评估萨斯喀彻温省不同土壤条件下，不同氮肥水平的豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作的财务结果，以NR表示；（2）在加拿大西部的三个额外地点，比较豌豆-油菜、蚕豆-麦芽大麦、麦芽大麦-田豌豆和玉米-大豆间作系统与其相应单作的货币回报。还评估了间作和单作的氮肥施用率和应用成本。研究结果有助于种植者发现和划定给定常见流行替代方案的最商业可行的种植系统。

材料与方法

田间试验

两项独立的试验在加拿大西部的多个地点进行了5年（2018–2022）。在研究1（2021–2022）中，检验了萨斯喀彻温省不同土壤条件下，不同氮肥水平的豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作的货币益处，以NRs表示。在研究2（2018–2022）中，比较了具有不同豆科作物品种的谷物和油籽间作与单作系统。

两项研究采用了类似的农艺实践。在所有情况下，氮肥按每个研究详细描述中的处理指示施用。根据每个试验地点的土壤测试，在整个试验中统一施用其他营养素以确保充足性。

研究1. 使用不同水平氮肥的豌豆与油菜和燕麦间作

试验设计、作物农艺管理、作物性能和产量数据收集以及方法和材料已在先前出版物中详细说明；因此，这里仅提供试验摘要。

一项多地点田间试验在两个不同地点（Swift Current和Melfort）进行，以调查萨斯喀彻温省加拿大不同间作系统的财务效率，在2021年和2022年。一项经济分析比较了豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作与黄田豌豆（品种CDC Inca）、油菜（品种PV 200 CL）和燕麦（品种CDC Arborg）单作，其中间作接受0%、25%或50%的推荐单作氮率，单作接受其全推荐氮，除豌豆接受零氮。虽然豌豆作物未直接施用氮肥，但它仍从磷化合物中间接接收一小部分氮。这导致每个地点年份有六个间作和三个单作处理。试验设计为随机完全区组设计，具有四个重复，每个地点年份总共36个小区。Swift Current地点位于Brown土壤带，Melfort位于Black土壤带。小区大小为4 × 8平方米，使用25厘米行距的免耕Fabro Hoe Drill播种机播种。播种率对于豌豆、油菜和燕麦单作分别为125、200和300活种子平方米。豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作的播种率分别为推荐豌豆播种率的2/3和推荐油菜和燕麦播种率的1/2。间作在混合行中播种。豌豆在播种时接种。所有肥料在播种时一次施用。根据需要，在间作和单作中施用农药、杀菌剂和干燥剂（播种前和播种后）。作物在8月收获，日期因作物而异，收获后作物残茬留在土壤表面。手动使用Clipper种子清洁器分离间作小区的谷物。

研究2. 具有不同豆科作物品种的谷物和油籽间作

这项5年（2018–2022）间作研究在横跨三个省的三个地点进行：萨斯喀彻温省Swift Current；阿尔伯塔省Lethbridge；和曼尼托巴省Carman。间作作为4年作物轮作的一个阶段呈现。除Carman外，所有试验地点均于2018年建立。这些地点位于两个不同区域。Lethbridge和Swift Current位于南部草原，Carman位于红河谷地区。土壤在Lethbridge分类为Dark Brown Chernozem，在Swift Current为Orthic Brown Chernozem，在Carman为Hochfeld Black Chernozem。Lethbridge具有粘壤土质地，而Carman具有砂壤土质地，Swift Current具有壤土质地。

每个地点的间作和单作如下。在Swift Current和Lethbridge，间作包括蚕豆-麦芽大麦和麦芽大麦-田豌豆，单作包括蚕豆、豌豆和麦芽大麦。在Carman，间作包括玉米-大豆和豌豆-油菜，单作包括玉米、大豆和油菜。处理使用随机完全区组设计安排，具有四个重复。三个地点内的小区大小如下。Swift Current：14米 × 4米；Lethbridge：15米 × 4米；和Carman：14米 × 4米。除2019年Carman和2018–2019年Lethbridge肥料撒施外，每个地点肥料侧施。每个地点施用四种肥料，具有不同的氮、磷、钾和硫比例。根据种植的作物、前茬作物和土壤测试建议施用不同的肥料率。豌豆、蚕豆、大麦-豌豆间作和蚕豆-大麦混作从复合磷肥中接收少量氮。此外，每个地点每种作物在5年试验期间的平均播种率总结在表中。根据需要选择性喷洒除草剂、杀菌剂和杀虫剂。在给定试验年份中多次施用除草剂：播种前烧荒、出苗前烧荒和生长季内。每种作物的除草剂施用金额与喷洒除草剂所需的通行次数一起记录。杀菌剂输入分为两次施用，而杀虫剂输入仅限于一次施用。农药施用量在每个地点和每种作物之间不同。所有农药施用率以每公顷活性成分克记录。每年记录作物产量作为水分校正后的谷物产量，单位为千克每公顷。

经济分析

对于经济分析，使用12年平均（2012–2023）输入（即种子和肥料）和输出（即谷物）价格来量化间作和单作的总生产成本、总收入和NR。种子或肥料成本计算为施用率与相应平均价格的乘积。每年的农药价格不易获得；因此，基于价格和率的乘积的农药成本不可能。我们使用不同的方法获得12年平均农药成本。通过致电农药供应商在2021年组装农药价格。我们将这些价格和试验中的实际农药率相乘，以确定2021年每种作物的农药成本每公顷。萨斯喀彻温作物规划指南报告了每种作物的历史农药成本。估计的省级农药成本用于开发年份之间的农药成本比率，然后这些比率和2021年的实际试验农药成本用于计算其他年份的试验农药成本。例如，萨斯喀彻温作物规划指南中2020年和2021年油菜的农药成本分别为167和196加元每公顷。这两种成本的比率为85%。该比率乘以2021年试验中的实际农药成本，得到2020年油菜的农药成本。2019年油菜的实际农药成本通过2019年和2020年之间的省级农药成本比率和2020年的实际成本计算。我们开发了年份之间的类似比率，并继续估计其他年份的农药成本，以获得2012–2023年平均农药成本。其他作物的农药成本以类似方式计算。

类似地，使用从试验地点收集的田间活动数据和农场机械值确定每种作物的田间机械操作（即播种、肥料和除草剂施用以及收获）成本。然后使用基于2012–2023年萨斯喀彻温作物规划指南中报告的每种作物的农场机械操作成本开发的指数调整每年的机械成本。间作处理的农药和机械成本以相同方式从试验数据计算，但使用基于2012–2023年萨斯喀彻温作物规划指南中两种作物平均开发的指数。添加2012年至2023年的种子成本（种子价格 × 播种率）、肥料成本、土地投资成本和杂项成本到农药和机械成本中，以计算2012年至2023年的平均总作物成本（TC）。

种子价格的主要来源是萨斯喀彻温省的作物规划指南。如果数据不可用，则使用2012年至2023年的曼尼托巴种子价格作为替代。仅使用2015–2023年大豆和玉米的价格，因为早期没有记录市场价格数据。

计算氮、磷、钾和硫肥料的TC并添加到其余成本中。肥料成本计算为施用率与相应2012年至2023年平均肥料养分价格的乘积。作物规划指南还用于获取每种肥料养分（氮、磷、钾和硫）的12年平均价格。

在成熟时使用小区收割机收获间作和单作小区。使用Clipper种子清洁器手动将间作小区的收获谷物分离成 individual crops。记录谷物重量和谷物水分以计算每公顷谷物产量。分离谷物的估计成本为每公斤0.05加元，TC通过将该成本与间作的总产量相乘计算。间作运营成本的信息通过个人通信从Hickseeds检索。我们假设所有农场机械工作由农民操作，不包括定制工作成本。作物保险、公用事业和财产税未包含在每个轮作的TC中。未对与土地权益相关的利息成本做出津贴。

为了比较间作的货币方面，使用了三个标准。首先，比较了间作和单作的NR。NR分析包括田间操作中使用的所有输入，从播种前到收获。所有值以加元每公顷表示每种作物和间作。NR定义为支付所有货币成本（即种子、肥料、杂草和疾病控制的化学品、燃料和油、修理、运输、土地税以及可变投入的利息成本）、土地投资成本以及机械和建筑物的所有权成本（折旧、投资利息、保险和住房）和劳动力后剩余的收入。TC定义为与作物生产相关的所有上述货币成本。整个间作的回报提供了财务视角，以比较不同间作及其单作系统。

其次，使用变异系数（CV = 标准偏差/平均值 × 100）评估总收入稳定性。CV允许通过指示收入变异性与其平均值的程度进行相对比较。较低的CV表示更稳定的收入，而较高的CV表明更大的变异性。选择该指标是因为它考虑了平均收入水平的差异，从而能够一致评估不同种植系统和地点的收入稳定性。

最后，比较了每种作物的氮施用成本。记录了每种作物每年的氮肥施用率。施用量反映了各种作物的不同需求，受目标产量的氮去除、土壤矿质氮量、土壤类型以及间作系统中包含的作物等因素影响。氮肥成本的差异用于评估间作或单作系统之间的差异，特别是当两个系统的NRs在统计上不显著时。当两种种植系统显示其NRs没有差异时，重点放在导致施用较少氮肥率因此较低氮施用成本的系统上。

统计分析

关于TCs和NRs的数据进行平方根变换以满足模型正态性假设，然后在每个地点和每年单独分析，并跨年份，以及跨地点和年份使用混合模型程序与“nlme”R统计包进行分析。间作处理被视为固定因素，因为它们为研究的特定兴趣而故意选择，而重复被视为随机因素，因为它们在模型中随机分配在重复中。当F检验显著（P < 0.05）时，使用“lsmeans”和“multcompview”R包比较处理均值与最小二乘均值。

结果与讨论

研究1. 使用不同水平氮肥的豌豆与油菜和燕麦间作

Swift Current

豌豆、油菜和燕麦单作及其间作的年平均谷物产量、TCs和NRs呈现在表中。2021年NRs为负。负NRs源于较低的总收入，这可能是由于2021年干旱导致的产量减少。2021年生长季（5月、6月和7月）Swift Current的降水仅为104.4毫米，而同期2022年和长期平均分别为179.3和188.4毫米。所有氮率的豌豆-油菜间作的NRs显著低于豌豆和油菜单作，表明间作没有财务优势。类似地，豌豆-燕麦间作的NRs显著低于豌豆和燕麦单作。2021年的干旱条件可能限制了间作由于增加土壤水分竞争的任何潜在产量优势。

2022年，燕麦产生比豌豆和油菜更高的NRs。然而，三个单作在多年间显示统计上相似的NRs。2022年豌豆-油菜间作的NRs低于豌豆或油菜单作。然而，豌豆-燕麦间作的NRs与豌豆单作的NR相似。这表明在NRs方面，2022年豌豆-燕麦间作比豌豆-油菜间作更合适。多年平均，所有氮应用的豌豆-油菜和豌豆-燕麦处理与豌豆、油菜和燕麦单作相比具有相似的NR。这表明豌豆-燕麦间作相对于豌豆-油菜间作的益处仅在正常年份（如2022年）可见，但在干旱年份（即2021年）和多年间不可见。这些结果与之前的研究一致，该研究报告在Swift Current豌豆-燕麦间作比豌豆-油菜间作具有更好的生产力。此外，具有不同氮应用水平的豌豆-油菜或豌豆-燕麦间作在统计上相似，表明在该季节性降水较低的地点，不施用氮肥的间作可以提供与施用氮肥的处理相似的货币回报。

平均2021年至2022年的总收入变异性通过CV测量，豌豆-油菜间作和豌豆单作相似（35%对37%）；然而，豌豆-油菜CV高于油菜单作（35%对22%）。豌豆-燕麦CV高于豌豆单作（53%对37%）但与燕麦单作相似（53%对54%）。CV比较表明间作具有相似或更高的收入变异性。

此外，0氮下两种间作豌豆-油菜和豌豆-燕麦的氮施用为4.4千克每公顷，而油菜和燕麦单作分别为85和54千克每公顷。这导致间作时平均减少93.7%的氮施用。这种较低的氮施用率导致110加元每公顷的成本差异，单作平均成本118加元每公顷，间作成本8加元每公顷。间作较低的氮需求直接导致与氮施用相关的投入成本减少。通过减少氮率，间作可以减少氮施用的环境影响，如温室气体排放。

Melfort

Melfort豌豆、油菜和燕麦单作及其间作的年平均谷物产量、TCs和NRs呈现在表中。2021年，豌豆（37加元每公顷）和燕麦（176加元每公顷）的NRs显著高于油菜（-337加元每公顷）。然而，2022年油菜（749加元每公顷）显示比豌豆（271加元每公顷）更高的NR。2021年油菜表现不佳 due to the drought conditions but had a more typical yield in 2022. 2021年所有氮应用的豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作的NRs为负且在统计上相似。再次，2021年生长季低降水总量为69.2毫米，而2022年收到总量203.8毫米。此外，长期标准为173.9毫米，意味着负NRs不仅由于2021年的干旱条件，而且由于2022年高于正常的降水。此外，结果表明施用氮肥的间作没有改善。然而，0氮和25%氮的豌豆-燕麦间作显示比任何豌豆-油菜间作显著更高的NRs，并且在2021年与该地点豌豆单作统计上相似。这表明2021年在该地点，0氮和25%氮的豌豆-燕麦间作比豌豆-油菜间作具有更高的财务适用性。此外，2021年豌豆-油菜间作的NRs为负且与油菜（-337加元每公顷）单作统计上相似，但显著低于豌豆（37加元每公顷）单作。豌豆-燕麦间作具有与豌豆单作相似的NRs但低于燕麦（176加元每公顷）。相反，2022年及多年间，不同氮水平的豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作的NRs为正，且它们在统计上相似。这意味着即使在水不受限制的条件下，氮添加并未改善间作的NRs。具有不同氮处理的豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作与其相应单作具有相似的NRs。这也表明在干旱情况下（如2021年）豌豆-燕麦间作表现优于豌豆-油菜间作，而2022年或当数据跨年组合时，豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作在NRs方面同样表现类似于其相应单作。

平均2021年至2022年的总收入变异性，豌豆-油菜间作低于油菜单作（48%对59%）但高于豌豆单作（48%对36%）。豌豆-燕麦间作的CV高于燕麦单作（34%对28%）但低于豌豆单作（34%对36%）。CV比较表明，虽然间作处理在所有年份提供与单作相似的NRs，但它们可以提供比一些单作（如油菜或豌豆）更少的收入变异性，从而改善风险管理。

此外，间作显著减少了氮肥购买和应用成本。虽然氮添加并未改善间作的NRs，但0氮率下两种间作豌豆-油菜和豌豆-燕麦的氮施用率为4.4千克每公顷，而油菜和燕麦单作分别为100和57千克每公顷，导致间作时平均减少94%的氮施用。这种较低的氮施用导致126加元每公顷的成本差异，单作平均成本135加元每公顷，间作成本8加元每公顷。间作减少了肥料氮投入成本，并在2022年及多年间提供与单作相似的NRs，但2021年（干旱年份）结果不同。这些发现表明间作可能提供小的财务回报，因为它们具有与单作相似的NRs但具有更好的收入稳定性。然而，这些回报将取决于地点特定因素，如2012年和2022年之间所见的气候。

跨地点和年份

跨地点豌豆、油菜和燕麦单作及其间作的年平均谷物产量、TCs和NRs呈现在表中。跨地点，2021年燕麦（15加元每公顷）的NRs高于油菜（-223加元每公顷）。2022年及所有年份跨地点，单作显示统计上相似的NRs。2021年跨地点，豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作的NRs为负且在统计上相似，除50%氮的豌豆-油菜NRs低于0氮或25%氮的豌豆-燕麦。2021年豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作的负NRs可以通过低谷物产量解释，这产生低收入。两种间作氮率之间无显著差异意味着豌豆-油菜或豌豆-燕麦间作均未从接收较高氮率获得财务优势，无论天气条件如何。2022年及跨地点和所有年份，豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作显示NRs无显著差异。这表明具有不同氮处理的豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作和单作在2022年及跨地点和所有年份平均表现相等。与我们的结果相反，一些研究表明间作可能产生每公顷更多谷物产量因此比单作更高回报。

豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作具有不同水平的竞争。豌豆和燕麦竞争强于豌豆和油菜竞争。这导致豌豆-油菜间作中豌豆作物部分高于豌豆-燕麦间作。这可能导致非生长季期间更大的氮矿化，最可能贡献豌豆-油菜间作比豌豆-燕麦间作更高水平的水可提取有机碳。豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作与其相应单作相比没有水可提取溶解氮的显著益处。由于是短期的，来自豌豆的氮益处最小，因此应进行长期研究以发现潜力。在豌豆-燕麦间作中，有高质量和数量的秸秆，这可能是与其组分作物相比更高总水可提取有机碳生产的原因。相反，豌豆-油菜间作与其组分作物相比具有相等或更低的水可提取有机碳。间作内的竞争可能贡献土壤质量的变化。从2021年到2022年，Swift Current土壤中总氮百分比和土壤有机碳分别增加7.14%和10.7%，而Melfort那些土壤性质减少。

总体，结果表明氮添加对豌豆-油菜和豌豆-燕麦间作跨地点和年份没有货币益处但变异性更大。例如，当跨地点分析时，豌豆-油菜间作CVs高于单作，豌豆（57%对38%）或油菜（57%对51%）。类似地，豌豆-燕麦间作CVs高于单作，豌豆（49%对38%）或燕麦（49%对43%）。然而，在氮施用和成本方面；间作处理使用显著少于油菜或燕麦单作的氮。0氮处理下两种间作豌豆-油菜和豌豆-燕麦的氮施用为4.4千克每公顷，而单作油菜和燕麦分别为93和56千克每公顷，导致间作时平均减少94%的氮率。这种较低的氮施用导致119加元每公顷的成本差异，单作平均成本127加元每公顷，间作成本8加元每公顷。

研究2. 具有不同豆科作物品种的谷物和油籽间作

Swift Current

年平均谷物产量、TCs和NRs呈现在表和图中。蚕豆-麦芽大麦间作显示正NR为247加元每公顷，而单作蚕豆和麦芽大麦显示较低NRs为-275和127加元每公顷。统计上，间作蚕豆-麦芽大麦显示与单作麦芽大麦相似的结果，而单作蚕豆显示显著损失。平均2018–2021年总收入变异性通过CV测量，蚕豆-麦芽大麦低于大麦单作（26%对29%），表明蚕豆-麦芽大麦间作处理不仅具有更高NRs而且更低收入变异性。测试的第二种间作系统，麦芽大麦-田豌豆，具有正NR为195加元每公顷，与其相应麦芽大麦单作相似。然而，平均总收入变异性，麦芽大麦-田豌豆低于大麦单作（21%对29%）但高于豌豆单作（21%对15%）。此外，两种间作蚕豆-麦芽大麦和麦芽大麦-田豌豆的氮施用率为12.8千克每公顷，而单作大麦为63.7千克每公顷，导致间作时减少79.9%的氮施用。这种较低的氮施用导致72.9加元每公顷的成本差异，单作成本91.1加元每公顷，间作成本18.2加元每公顷。间作中较低的氮施用直接导致与氮施用相关的投入成本减少，并可以减少肥料氮施用的环境影响。

Lethbridge

Lethbridge的结果表明所有种植系统的NR为负。两种间作，蚕豆-麦芽大麦和麦芽大麦-田豌豆显示负NRs，约-340和-459加元每公顷。单作麦芽大麦和豌豆表现相似于彼此及其间作，NRs在-553和-574加元每公顷之间。单作蚕豆显示最负NR为-744加元每公顷。虽然所有系统导致负收入，但两种间作与其相应单作相比更稳定。它们具有更低平均总收入变异性通过CV测量，蚕豆-麦芽大麦对大麦单作（34%对49%），麦芽大麦-田豌豆对麦芽大麦（28%对49%），和麦芽大麦-田豌豆对豌豆单作（28%对41%）。两种间作蚕豆-麦芽大麦和麦芽大麦-田豌豆的氮施用为14.7千克每公顷，显著低于单作大麦施用的76.8千克每公顷，导致间作时减少80.9%的氮施用。这种减少产生88.8加元每公顷的成本差异，单作成本109.8加元每公顷，间作成本21加元每公顷。虽然间作减少氮施用和相关成本，但整体负NRs反映财务压力，可能由研究期间干旱条件驱动。这些发现表明间作的财务回报取决于地点特定因素，如气候和市场