中国东北水分受限旱地条件下玉米/大豆间作行配置设计中土地利用率优势与时间稳定性的关联

《Agricultural Systems》：Linking land use advantage and temporal stability for row configuration design in maize/soybean intercropping under water-limited dryland conditions in northeastern China

　　长期模拟显示土地利用优势与时间稳定性之间存在权衡关系。玉米和大豆等面积占比可同时兼顾土地利用优势与稳定性。边界行相互作用决定了依赖于配置方式的间作效益。四行玉米与四行大豆间作获得了最佳的整体平衡。引言在雨养农业区，降水有限和降雨量的年际变化大是制约作物生产力和时间稳定性的主要因素（Rockstr?m 等，2010年）。在持续的气候变化背景下，极端天气事件的频率和强度不断增加，预计将进一步加剧产量波动（IPCC，2021年；Lesk 等，2016年）。玉米和大豆是全球最重要的禾谷类作物和豆类作物。玉米/大豆间作作为一种典型的禾谷类/豆类间作体系，已被广泛认可为提高资源利用效率和农业生产力的有效策略。玉米和大豆在冠层结构、根系分布和养分获取策略上的差异可产生显著的种间互补性（Xu 等，2020年；Zhang 等，2022a年）。此前基于玉米/大豆间作体系654个观测值进行的全球荟萃分析报告，平均土地当量比（LER）为1.32，取值范围从第一四分位的1.11到第三四分位的1.44，表明具有显著的土地利用优势（Xu 等，2020年）。因此，玉米/大豆间作日益被推广为提高雨养农业体系生产力和气候适应性的前景性方法。然而，在受水分限制的雨养地区，仅提高平均生产力可能无法保证可持续的农业生产，因为农民经常面临由气候变化引起的大幅年际产量波动。因此，生产的时间稳定性，即作物种植体系在多变环境下维持相对一致产量的能力，已成为农业可持续性中同等重要的组成部分。间作优势的幅度受多种因素影响，包括作物空间配置、养分和水分管理、环境条件和作物性状。在这些因素中，空间配置起着关键作用，因为它调节冠层结构（Li 等，2021年）、种间相互作用（Ren 等，2016年）和资源捕获（Wang 等，2020年），从而影响产量形成。众多研究表明，改变作物比例和条带宽度可显著影响作物产量和体系生产力（Ren 等，2016年；Liu 等，2018年；Wang 等，2020年）。这些空间排列可通过组分作物的土地利用比例和边界行比（BRR，定义为条带内某组分作物边界行数占总行数的比例）（Wang 等，2020年）来改变。较高的BRR可增加受相邻物种影响的作物行数比例。然而，不同配置之间往往存在权衡。例如，增加玉米的比例可能提高体系总产量，但同时加剧对大豆的竞争性抑制。类似地，较窄的条带一般可增强边界行效应和种间互补性，而过窄的条带则可能降低机械化田间作业的可行性。在中国，玉米/大豆条带间作日益得到推广，特别是在农民希望在保持高产量的同时增加大豆产量的地区。然而，目前实际中采用的行配置和条带宽度各不相同，在不同气候条件下其长期表现的定量评估仍然有限。因此，量化不同大豆土地利用比例和BRR下的长期产量、土地当量比（LER）及其时间稳定性，对于设计玉米/大豆间作体系至关重要。迄今为止，评价间作表现主要依赖土地当量比（LER）作为评价标准（Li 等，2023年）。尽管这一指标能有效量化土地利用效率，但关于体系表现的长期时间稳定性信息有限。这一局限性在受水分限制的旱地农业中尤为重要，因为降水的年际大幅波动可能导致作物生产出现显著变异。因此，在长期气候变率下，土地利用优势最高的配置不一定能提供最大的时间稳定性。尽管生产的时间稳定性日益被承认为农业可持续性的关键组成部分（Stomph 等，2020年），但在间作研究中仍缺乏同时考虑长期生产力和时间稳定性的综合指标。此外，大多数关于间作配置设计的研究均基于短期田间试验（Ren 等，2016年；Liu 等，2018年；Raza 等，2021年）。由于特定配置的表现受气候条件强烈影响，仅从有限年份得出的结论可能无法充分反映其在多变环境下的长期行为。过程性作物模型通过机理性描述作物生长、发育和资源竞争过程，提供了一种有效的替代方案，从而能够在长期气候条件下系统评估管理策略（Zhang 等，2022b年）。Zhang 等（2022b年）开发的APSIM-strip模型明确表征了条带间作体系中的光截获和竞争过程，已被证明能准确模拟玉米/大豆间作体系中的作物生长和产量形成。在受水分限制的雨养地区开展的近期研究表明，APSIM-strip能有效模拟不同条带配置下作物生长和产量响应，包括玉米/花生间作体系中不同的行排列和土地利用比例（Guo 等，2024年；Wang 等，2026年）。这些进展展示了APSIM-strip在捕捉不同玉米/豆类间作配置下产量响应方面的潜在能力，并突出了其在评估替代空间排列方面的潜力。然而，APSIM-strip在玉米/大豆间作体系中准确再现玉米和大豆对大豆土地利用比例和BRR变化的产量响应的能力仍需进一步验证。本研究采用经过验证的APSIM-strip模型，在中国东北阜新地区——一个具有代表性的受水分限制的雨养农业区——对过去60年进行了模拟。我们假设空间配置调节着玉米/大豆间作中种间互补性与竞争之间的平衡，在土地利用优势与其时间稳定性之间形成权衡。因此，预计平衡的大豆土地利用比例结合适中的边界行比能在气候变率下提供这两项属性之间的有利平衡。研究目标为：（1）评估APSIM-strip在模拟玉米和大豆对大豆土地利用比例和边界行比变化响应的表现；（2）量化在具有不同大豆土地利用比例和边界行比的玉米/大豆间作配置下的作物产量、土地利用优势及其时间稳定性；（3）通过将LER与高稳定性系数框架相结合开发基于LER的高稳定性系数，并利用该指标在评估的场景中识别提供土地利用优势与时间稳定性之间最有利平衡的配置。研究区研究在辽宁省（42.11°N，121.65°E）的中国东北进行，该地区是受水分限制的雨养农业区的典型代表。该区域具有温带大陆季风气候特征，夏季炎热，冬季寒冷干燥。由于热量限制，每年只能种植一季作物。本研究的时段为1961年至2020年，研究期间年平均降水量为470毫米，其中超过80%发生在作物模型表现模拟的物候在玉米和大豆上与相应的田间观测值总体一致。对于玉米，播种到出苗、开花和成熟的天数根均方误差（RMSE）分别为1.2天、3.1天和4.0天，对应的归一化根均方误差（NRMSE）分别为12.0%、4.1%和3.0%。对于大豆，出苗、开花和成熟的RMSE值分别为1.4天、3.3天和3.6天，对应的NRMSE将土地利用优势与时间稳定性相结合用于间作配置评价极端高温和干旱事件的频率和强度不断增加，给半干旱地区的农业生产带来了更大的不确定性（IPCC，2021年；Lesk 等，2016年）。在这些条件下，增强生产的时间稳定性与提高生产力同样重要（Stomph 等，2020年）。本研究表明，间作配置在生产力方面和稳定性方面均存在差异。因此，基于……的优化策略结论APSIM-strip在模拟不同间作配置下玉米和大豆的物候和产量响应方面与田间观测值吻合良好。利用经过验证的APSIM-strip模型，本研究评估了在受水分限制的雨养条件下，具有不同大豆土地利用比例和边界行比的玉米/大豆间作配置的长期表现。结果表明，土地利用优势与其时间稳定性之间在不同……存在明显的权衡关系作者贡献声明**张月（Yue Zhang）：** 撰写——初稿，可视化，软件，经费获取，概念构思。**王小义（Xiaoyi Wang）：** 可视化，软件。**席世祥（Shixiang Xi）：** 可视化，软件。**杜洪君（Hongjun Du）：** 软件，调查。**冯晨（Chen Feng）：** 验证，项目管理，调查。**张哲（Zhe Zhang）：** 验证，调查。**郭二静（Erjing Guo）：** 可视化，调查。**白伟（Wei Bai）：** 撰写——审阅与编辑，验证，指导，调查，概念构思。**张丽珍（Lizhen Zhang）：** 撰写——审阅与编辑利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文所报告的工作。致谢本研究得到以下项目支持：**国家重点研发计划**（2023YFD1501200）、**国家自然科学基金**（No. 42305204）、**西北农林科技大学博士研究项目**（2452024071）和**中国气象局创新发展专项**（CXFZ2026J061）。Yue Zhang | Xiaoyi Wang | Shixiang Xi | Hongjun Du | Chen Feng | Zhe Zhang | Erjing Guo | Wei Bai | Lizhen Zhang | Zhanxiang Sun