优化玉米基饲草种植模式协同提升华北平原经济利润与能量利用效率并降低水足迹

《Environmental Technology & Innovation》：Optimizing maize-based forage planting patterns improved economic profit and energy use efficiency while reducing water footprints in the North China Plain

　　

目前结果暗示，通过将传统玉米–小麦双作制度（maize–wheat double cropping system, MW）转换为三种优化的玉米基种植模式[即青贮玉米–小麦（silage maize–wheat, SW）、青贮玉米–黑麦草（silage maize–ryegrass, SR）、青贮玉米–青贮玉米–黑麦草（silage maize–silage maize–ryegrass, SSR）]，特别是SSR，有望从经济利润、水足迹和能量消耗角度显著增强华北平原（North China Plain, NCP）南部饲草生产的可行性。结果表明，SSR在所研究的玉米基种植模式中产生最大的干生物量、鲜饲草生物量和粗蛋白产量，其次为SR、SW和MW。SSR产生最高的经济利润、能量输出、净能量输出、能量利用效率（energy use efficiency, EUE）和能量生产力（energy productivity, ENP），其次也为SR、SW和MW。然而，SW、SR和SSR的总水足迹（total water footprint, WF_total）分别比MW低13.0%、6.1%和12.9%。因此，综合考虑经济利润、水足迹和能量消耗，将玉米–小麦双作制度转换为玉米基饲草种植模式，特别是青贮玉米–青贮玉米–黑麦草种植模式，可能是提高优质饲草产量、促进华北平原及其他具有相似农业气象区域农业和畜牧业资源高效利用与可持续发展的有前景的解决方案。

研究背景：全球人口可能增至约9.7×10⁹，其中半数可能生活在缺水地区；食物、水和能源短缺对农业可持续发展构成挑战。农业生产需同时满足粮食安全、资源高效利用、环境友好和社会经济可行。已有研究常从经济分析、水足迹（water footprint, WF）或能量评估单一角度评价农业管理，缺乏多维度综合评估。华北平原（North China Plain, NCP）畜牧集约化增强，需要自给自足的高质量饲草。玉米–小麦双作制度（maize–wheat double cropping system, MW）是该区主导制度，生产全国60%玉米，但高灌溉、高化肥、农药和机械投入导致地下水下降、硝酸盐积累和环境污染，且仅收获玉米籽粒，与畜牧集约化不匹配。双玉米可增加地上生物量并作为高蛋白饲草；黑麦草（Lolium perenne L.）高产且营养丰富，可纳入玉米基系统以利用冬春休闲资源。但尚缺乏从经济利润、水足迹和能量消耗角度综合评估将黑麦草纳入玉米基种植系统。基于此，Yakang Jin、Gaocai Chen等研究人员比较MW与SW、SR、SSR，假设转换为玉米基饲草轮作系统，尤其SSR，可提高经济利润和能量利用效率并降低水足迹，为NCP及类似区域农牧可持续提供支持。

关键技术方法：采用2023年10月至2025年10月于中国安徽省亳州市利辛县恒战家庭农场的2年田间定位试验，地点位于NCP南部，33°05′N，116°3′E。设置MW、SW、SR、SSR四种模式，随机完全区组设计，3次重复，小区25 m×6 m。作物品种为Bangyu 100、Ludan 9088、Baimai 1811和Dongmu 70。测定鲜饲草生物量（fresh forage biomass yield, FFBY）、干生物量（dry biomass yield, DBY）和粗蛋白产量（crude protein yield, CPY）；用micro-Kjeldahl法测N，粗蛋白按N×6.25计算；进行经济成本收益、蓝水/绿水/灰水足迹和能量投入产出评估；采用双因素重复测量方差分析（ANOVA）和最小显著差数法（LSD）检验轮作期、种植模式及互作。

研究结果：
3.1 降水变化：通过干旱指数（drought index, DI）划分降水类型，2023年为湿年，2024和2025年为干年；降水季节和年际变化不规则，2024年6月、2025年2/4/7/11月极干，2023年12月、2024年2/7/8月、2025年1/6/9月极湿。
3.2 经济分析：
3.2.1 种植成本：MW玉米总成本5.61×10³ CNY ha^?1 yr^?1，SW和SR青贮玉米为4.77，SSR双季青贮玉米为8.52；小麦约8.46，黑麦草在SR和SSR分别降低16.5%和28.3%。全轮作SSR总成本比MW增3.7%，SW和SR降6.0%和15.9%；肥料、机械和种子是主要成本。
3.2.2 经济收益：轮作期和种植模式显著影响DBY、FFBY和CPY，交互影响FFBY；2024–2025低于2023–2024。模式趋势为MWSSR>SW>MW；SW、SR、SSR使GR增15.0%、28.3%、46.2%，EP增30.0%、59.9%、76.5%。
3.3 水足迹：蓝水足迹（WF_blue）、绿水足迹（WF_green）、灰水足迹（WF_gray）和WF_total受种植模式及与轮作期交互显著影响，WF_green也受轮作期影响。WF_blue趋势为SWgreen趋势为SSRgray在SW、SR、SSR比MW低11.1~14.3%，三者无显著差异；WF_total在SW、SR、SSR比MW降13.0%、6.1%、12.9%，SSR与SW无显著差异。
3.4 能量评估：通过能量当量核算，玉米/青贮玉米总能量输入MW为29.68 GJ ha^?1，SW和SR接近，SSR增60.3%；肥料占58.4~60.6%，其中N占50.1~52.0%。小麦总输入37.14~40.81 GJ ha^?1，比SSR黑麦草高19.7~31.5%。全轮作SR和SSR总能量输入比MW增3.9%和17.6%，SW与MW无显著差异。能量输出（energy output, EO）、净能量输出（net energy output, NEO）、EUE和EP受轮作期和模式显著影响，交互影响ENP；2024–2025较低。模式趋势为MW
讨论总结：从经济角度看，中国饮食向高蛋白动物性食品转变，增强畜牧集约化和优质饲草需求。MW玉米籽粒产量在报道范围内，但低于部分meta分析；南方NCP季节性涝旱可能限制产量。青贮玉米生物量和粗蛋白高于MW，SSR最高。EP以SSR最高，但RIC以SR最高，因总成本较低。肥料、机械和种子是主要成本；若减肥，EP可增约17.1~33.2%，并减少温室气体（greenhouse gas, GHG）排放。机械化、地下水亏缺和劳动力短缺可能推高成本，需优化种植制度。从水足迹看，WF_total受种植模式影响而不受轮作期影响。两年平均WF_total为SW 122.23、SR 131.94、SSR 122.34 m³ Mg^?1，均低于MW 140.46 m³ Mg^?1。WF_blue占29.5~47.1%，WF_gray占29.5~37.5%，WF_green占24.4~33.9%。SW和SSR具节水潜力，尤其绿水和灰水，且提高饲草供应和EP，利于水资源保护和粮食安全。从能量看，玉米/青贮玉米总能量输入28.63~29.68 GJ ha^?1 yr^?1，在中国报道范围内，但高于立陶宛、印度旁遮普和孟加拉；肥料和电为主要贡献。SSR总能量输入增17.6%因双季青贮玉米投入高；SR/SW与MW无显著差异。EO、NEO、EUE最高为SSR>SR>SW>MW，SSR和SR具前景。局限与未来：SSR经济利润最高因优质饲草价格高，但饲草价格可能波动；灰水仅考虑N肥污染，可能低估；部分农药无能量当量，影响能量评估；灌溉设施和机械设备的水/能耗估算有不确定性；2年试验无法揭示多种农艺管理互作；未考虑土壤质量变化，植物源碳输入不同可能影响有机碳固存和土壤质量。未来需长期综合评估经济利润、水足迹、能量消耗、碳固存和土壤质量。

研究结论翻译：目前结果暗示，通过将传统MW转换为三种优化的玉米基种植模式，特别是SSR，有望从经济利润、水足迹和能量消耗角度显著增强NCP南部饲草生产可行性。SSR产生最大DBY、FFBY和CPY，其次为SR、SW、MW；SSR的EP、EO、NEO、EUE和ENP最高，其次也为SR、SW、MW；SW、SR、SSR的WF_total分别比MW低13.0%、6.1%和12.9%。因此，转换MW为玉米基饲草模式，尤其SSR，可能是提高优质饲草产量、促进NCP及类似农业气象区农牧资源高效利用与可持续发展的有前景方案。