《Agronomy》：Rapeseed Cover with Cropping System Adjustment Improves Yield and Soil Multifunctionality in Groundwater Overexploited Areas of the North China Plain
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华北平原（North China Plain，NCP）地下水超采区长期面临农业用水与粮食安全之间的平衡难题。尽管季节性休耕可降低水分消耗，但同时导致土地与气候资源利用不足、风蚀与粉尘扩散等环境风险以及粮食产量损失。将覆盖作物与多熟种植制度相结合，为在保障粮食安
华北平原（North China Plain，NCP）地下水超采区长期面临农业用水与粮食安全之间的平衡难题。尽管季节性休耕可降低水分消耗，但同时导致土地与气候资源利用不足、风蚀与粉尘扩散等环境风险以及粮食产量损失。将覆盖作物与多熟种植制度相结合，为在保障粮食安全的同时提升土壤生态功能与资源利用效率提供了重要途径。本研究开展田间试验，设置两种一年一熟制度，即休耕（FM）或冬油菜（RM）后接春玉米，以及两种两年三熟制度，即休耕（FMWM）或冬油菜（RMWM）后接春玉米、翌年再接冬小麦与夏玉米。研究人员评估了冬油菜覆盖与种植制度调整对土壤水分动态、土壤多功能性、籽粒产量及作物水分生产力的影响。与相应休耕处理相比，冬油菜使休闲期耗水量增加12.6–36.2 mm。然而，后续玉米季的丰沛降水补偿了冬油菜覆盖导致的土壤水分亏缺。平均而言，春玉米耗水量较夏玉米高86.6 mm。因此，春玉米较高的耗水量与丰沛降水的补偿效应抵消了冬油菜的额外用水，使各处理两年累计耗水量无显著差异。冬油菜提高了土壤速效养分含量与酶活性。冬油菜覆盖下土壤碱解氮、速效钾和速效磷含量以及蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均显著高于相应休耕处理。因此，冬油菜覆盖下土壤多功能性指数总体亦较高。此外，RMWM获得最高籽粒产量，两年累计籽粒产量较FM、RM和FMWM分别提高56.1%、47.6%和8.9%。RMWM下作物水分生产力达1.7 kg m?3，分别提高56.4%、47.8%和9.4%。总体而言，冬油菜覆盖与两年三熟相结合的制度在未显著增加两年累计耗水量的前提下改善了土壤功能并提高了籽粒产量与作物水分生产力，为华北平原地下水亏缺区优化农业用水与保障粮食安全提供了可行的种植制度选择。
**研究背景与问题**
全球气候变化与资源约束加剧对可持续粮食生产构成日益严峻的挑战。气候变暖、干旱、高温及降水变率增大不仅增加了作物生产的不确定性，也加剧了水资源可利用量与作物需水之间的失衡。高产粮食生产长期依赖集约化种植与灌溉等资源投入，在支撑粮食生产的同时也增加了农业用水、促进了温室气体排放，并可能削弱土壤维持养分循环与长期生产力的能力。这一问题在水资源受限的农业区域尤为突出，如华北平原（North China Plain，NCP），减少农业用水往往意味着降低灌溉投入或实行季节性休耕，可能增加籽粒减产风险，形成节水与粮食生产之间的权衡。因此，优化种植制度以强化土壤功能、提高资源利用效率并维持籽粒生产力，是可持续农业的核心议题。
华北平原是我国主要粮食产区之一，冬小麦–夏玉米复种制度长期占主导地位，对国家粮食安全贡献显著。然而，维持该制度下的高年产量依赖于密集的水肥投入。特别是冬小麦生长季降水仅约100 mm，远低于约450 mm的潜在需水量。长期依赖地下水灌溉导致地下水位持续下降并形成区域性地下水降落漏斗。长期集约化种植与高水肥投入还可能导致土壤有机碳耗竭、养分失衡及土壤生物活性降低，削弱土壤调节水养供应与维持作物生产力的能力。因此，在减少农业用水的同时维持土壤功能与籽粒生产力，已成为华北平原可持续种植制度的核心挑战。尽管季节性休耕降低了耗水型冬小麦种植频率、减轻了地下水压力，但造成光热资源浪费并增加了风蚀与有机碳损失风险；此外，休耕减少了植物源碳输入，可能降低土壤有机碳含量，进而限制土壤多功能性的提升。因此，在休闲期提升土壤多功能性对于缓解休耕对土壤健康的不利影响至关重要。
覆盖作物用于减少裸地暴露时段，主要用以减少土壤侵蚀、改善土壤肥力与水分管理并提升农业生态系统生物多样性。通过维持植被覆盖及根系与植物残体的持续输入，覆盖作物可减少土壤侵蚀与养分损失，同时促进土壤有机碳积累、养分循环与微生物活性，从而改善土壤健康并为后茬作物提供资源。然而，这些效应强烈依赖于环境条件。在水资源受限区域，覆盖作物生长期间的额外耗水可能抵消土壤改良的益处并影响后茬作物生产力。已有研究报道覆盖作物降低土壤容重并增加孔隙度；同时，活跃生长的覆盖作物蒸腾增加耗水并可能使表层土壤干燥；相反，植被覆盖与作物残体可抑制土壤蒸发。因此，覆盖作物对土壤水分的影响在不同环境中存在差异。在华北平原将覆盖作物纳入节水种植制度时，平衡休闲期耗水与土壤功能改善十分重要。覆盖作物的效益还取决于其区域适应性与生物量生产能力。在华北平原，冬季低温与有限的季节性休闲窗口对越冬覆盖作物的越冬能力、生物量积累及与现有种植制度的兼容性构成相当大的限制。研究人员未发表的前期田间观测表明，在黑麦草、毛叶苕子、二月兰与冬油菜中，冬油菜可成功越冬，并表现出相对较高的生物量生产潜力、发达的主根与良好的地表覆盖。已有研究表明，油菜覆盖作物可促进紧实土壤中后茬玉米根系生长，而冬油菜在华北地区可提供有效的地表覆盖并减少风蚀。此外，其发达的根系以及根系生长与生物量翻压带来的有机碳输入可能有助于土壤养分循环并改善土壤功能。冬油菜还可在玉米播种前于盛花期翻压入土，从而利用季节性休闲窗口而不延误后茬作物建植。这些特征使冬油菜成为裸地休闲的有前景替代方案。将冬油菜覆盖与种植制度调整相结合，可能为平衡用水、土壤功能与籽粒生产力提供途径。
调整种植强度是减少农业用水与地下水压力 的重要手段，而作物序列调整也可提高年际种植周期的生产力。长期集约化种植与低作物多样性会降低土壤生物多样性并削弱生态系统功能，而较高的轮作多样性可促进土壤团聚体形成、碳积累与微生物过程，从而改善土壤功能。在华北平原，与完全休耕或一年一熟制度相比，两年三熟制度可通过降低冬小麦种植频率减少农业用水，同时维持相对较高的粮食生产，为平衡节水与粮食生产提供了可行选择。该制度形成的季节性休闲窗口还允许引入覆盖种植、秸秆还田与保护性耕作等生态管理措施。然而，与常规冬小麦–夏玉米复种制度相比，降低种植频率仍可能导致年籽粒产量的一定损失。因此，如何有效利用种植制度调整形成的季节性休闲窗口，在保持节水优势的同时增强土壤功能并维持系统生产力，是进一步优化这些种植制度的关键挑战。
尽管覆盖种植与种植制度调整均可缓解水资源约束并改善农业生态系统功能，但二者在华北平原地下水亏缺区是否具有互补效益尚不清楚。特别是，冬覆盖作物的额外耗水能否通过耗水的季节再分配得到补偿，以及这些用水变化是否与土壤养分循环相互作用以维持或提高系统生产力，相关证据仍然有限。
本研究将冬油菜覆盖引入通过改变种植制度形成的冬季休闲期，考察这些措施对土壤水分、土壤功能与籽粒产量的影响。研究目标为明确冬油菜覆盖与种植制度变化对（1）作物耗水与土壤水分动态、（2）土壤养分循环与土壤多功能性、（3）籽粒产量与作物水分生产力（WPc）的影响。
**主要关键技术方法**
本研究于2021—2024年在河北农业大学辛集试验站开展田间试验，以2022—2024年两个年度周期为观测期。采用随机完全区组设计，3次重复，小区面积10 × 9 m
2，设置FM、RM、FMWM和RMWM 4个处理。关键技术方法包括：用时域反射仪（TDR）测定0–200 cm剖面土壤体积含水量并计算土壤储水量（SWS）；采用土壤水分平衡方程计算作物耗水量（ETc）并计算作物水分生产力（WPc）；测定0–20 cm土层土壤全量与速效养分、有机碳（SOC）及蔗糖酶（SSC）、脲酶（SUE）、碱性磷酸酶（SCAP）、过氧化氢酶（SCAT）活性；采用标准化平均法构建土壤多功能性指数（SMI）；测定冬油菜盛花期地上部干生物量；测定冬小麦与玉米籽粒产量；开展经济分析；采用方差分析（ANOVA）与Fisher最小显著差数（LSD）检验进行统计分析。
**研究结果**
**3.1 对作物耗水与土壤水分动态的影响**
不同种植制度下作物耗水结果表明，2023年小麦季尽管冬油菜覆盖增加了休闲期耗水，但仍显著低于冬小麦；RM和RMWM较相应休耕处理FM和FMWM分别多耗水36.2 mm和12.6 mm。2023年玉米季丰沛降水部分补充了冬油菜生长期间消耗的土壤水。同时，FM和RM下春玉米耗水显著高于FMWM和RMWM下夏玉米，部分抵消了休闲期不同作物配置造成的耗水差异。2024年所有处理均种植春玉米，玉米季耗水处理间无显著差异，进一步减少了前期耗水差异的累积。因此，两年累计耗水量为1619.97–1627.95 mm，处理间无显著差异。种植制度改变了0–200 cm土壤剖面水分的时空分布，冬油菜处理土壤含水量低于相应休耕处理，玉米季开始后相对丰沛的降水补充了土壤水，补偿了冬油菜覆盖下形成的土壤水分亏缺。
**3.2 对土壤养分与酶活性的影响**
与相应休耕处理相比，冬油菜覆盖总体提高了土壤速效养分含量。基于两年均值，RMWM下土壤碱解氮（SAN）、速效钾（SAK）和速效磷（SAP）含量分别较FM高13.8%、10.6%和8.7%，较FMWM高6.9%、17.8%和7.9%；RM下SAN、SAK和SAP分别较FM高11.5%、5.7%和5.4%。冬油菜覆盖还提高了土壤酶活性，较FM，RM下SSC、SUE、SCAP和SCAT活性分别高17.6%、17.6%、18.3%和9.2%，RMWM下分别高20.8%、21.8%、29.8%和15.9%；较FMWM，RM和RMWM的SSC、SUE和SCAT活性亦较高。RM下SOC含量较FM高2.6%，而全氮（TN）、全磷（TP）和全钾（TK）含量在各制度间变化较小。
**3.3 对土壤多功能性的影响**
以土壤多功能性指数（SMI）评估的土壤多功能性在种植制度间存在差异。总体而言，冬油菜覆盖提高了土壤多功能性。RMWM在全部4个采样时期SMI值均相对较高，与FM和FMWM相比在若干时期差异显著（p < 0.05）；RM下SMI值总体亦较高，而FM在各采样时期SMI值均持续较低。
**3.4 对籽粒产量的影响**
不同种植制度对籽粒产量的影响随作物季与年份而变化，处理间差异在两年累计籽粒产量上更为明显。2023年小麦季RMWM下小麦籽粒产量较FMWM高22.3%。两个玉米季平均而言，RM和RMWM下玉米籽粒产量分别较FM和FMWM高5.8%和3.8%。两年累计籽粒产量两年三熟显著高于一年一熟。RMWM两年累计籽粒产量最高，较FMWM、RM和FM分别高8.9%、47.6%和56.1%；FMWM次之，较RM和FM分别高35.2%和42.5%；RM较FM亦高6.6%。
**3.5 对作物水分生产力的影响**
作物水分生产力（WPc）在种植制度间存在差异。2023年小麦季RMWM下WPc达2.3 kg m
?3，较FMWM高31.4%（p < 0.05）。玉米季FMWM和RMWM下WPc高于FM和RM。年尺度上，2022—2023年RMWM的WPc最高（1.9 kg m
?3），较FM和RM分别高103.3%和82.6%（p < 0.05）；FMWM次之（1.7 kg m
?3），但显著低于RMWM（p < 0.05）。2023—2024年RMWM的WPc再次最高（1.4 kg m
?3），较FM、RM和FMWM分别高7.8%、8.6%和4.7%，但处理间差异不显著（p > 0.05）。两年期间RMWM的WPc最高，较FM和RM分别高56.4%和47.8%（p < 0.05），FMWM次之，较FM和RM分别高42.9%和35.1%（p < 0.05）。总体而言，两年三熟制度在两年期间的WPc较高，以RMWM最高。
**讨论部分总结**
讨论4.1指出，种植制度对农业耗水的影响不仅取决于总耗水量，还取决于耗水在相继作物季间的分配及在轮作周期中的累积。本研究中作物配置显著改变了季节耗水，但这些差异未随轮作推进而持续。2022—2023年两年三熟制度处于冬小麦–夏玉米阶段，冬小麦耗水高于冬油菜与冬季休闲，而后续夏玉米耗水低于一年一熟制度中的春玉米，两季的相反响应部分相互抵消，使各处理年耗水量相近；2023—2024年所有处理均种植春玉米，玉米季耗水差异小，进一步削弱了前茬作物配置的影响。因此两年累计耗水量处理间无显著差异，种植制度调整主要是在作物季间再分配耗水，而非使系统耗水差异在轮作周期中累积。这一跨季模式与多样化轮作中报道的水分补偿一致。研究人员指出，尽管根系分布与吸水深度差异也可能参与该过程，但未直接测定，其贡献仍不确定。研究人员强调，覆盖作物期耗水不能直接等同于轮作净水分成本，其总体效应取决于该耗水在后续作物季被补偿的程度。与FMWM相比，RMWM两年累计耗水量无显著差异，但累计籽粒产量提高8.9%，系统WPc由1.6增至1.7 kg m
?3，增幅9.4%，其优势不在于用水更少而在于以相近水量生产更多籽粒。由于根系遗留与残体分解过程未直接测定，该机制仍有待验证。研究人员认为，在地下水受限条件下，种植制度优化应超越单一作物季或年份的最小化耗水，更重视耗水的季节分配及整个轮作周期的生产力回报，在约束系统总耗水的同时提高水分生产力。
讨论4.2指出，冬油菜覆盖与种植制度调整显著改变了土壤养分供应，冬油菜覆盖总体提高了土壤速效养分，而TN、TP、TK对种植制度响应较小，表明冬油菜覆盖的短期效应主要通过提高养分有效性而非大幅增加土壤养分总库体现，这可能与冬油菜生长期间持续的根系输入及盛花期翻压后残体分解有关。本研究中冬油菜盛花期地上部干生物量为6.97–7.39 Mg ha
?1，为翻压入土后的有机物质输入与养分循环提供了来源。SOC在本研究中对种植制度响应相对有限，RM下SOC较FM高2.6%，其他处理间差异较小，表明在相对较短的观测期内速效养分与生化指标对冬油菜覆盖的响应强于SOC，而SOC含量的变化可能在更长时间尺度上才更明显；处理间SOC差异在2023—2024年较2022—2023年更明显。鉴于田间试验始于2021年10月而观测覆盖2022—2024年，所观测的SOC差异应解释为对种植制度调整的短期响应而非长期碳固持的证据。土壤酶活性对冬油菜覆盖的响应强于土壤养分库，表明冬油菜覆盖下与碳、氮、磷转化相关的土壤生化过程增强。研究人员指出，冬油菜生长期间根际碳输入与翻压后残体分解可能为土壤微生物提供额外碳源与能源基质，潜在刺激微生物介导的酶促养分转化并促进有机养分矿化与氮磷循环。这些单个土壤性质的改善共同促进了土壤多功能性的提升，RMWM在全部4个采样时期维持较高SMI值，RM下SMI总体高于FM，土壤对冬油菜覆盖的响应可能反映了连接植物输入、微生物介导、酶促转化与养分有效性提高的综合途径。但本研究聚焦土壤肥力的短期变化，未评估SOC组分的稳定性与土壤微生物群落结构的变化。
讨论4.3指出，RMWM下较高的系统籽粒产量源于种植制度调整与冬油菜覆盖在轮作周期中的共同作用，其中种植制度调整提供了产量增加的主要基础。两年三熟制度累计籽粒产量显著高于一年一熟，RMWM最高，该优势主要来自两年三熟制度中额外的小麦作物，提高了土地利用的时间强度并使季节性光热资源得到更持续利用，从而增加单位土地面积的累计籽粒产量。RMWM的产量优势亦体现在经济表现上，尽管生产投入成本较高，RMWM净经济收益最高（47,899.43 CNY ha
?1），较FMWM、RM和FM分别高7.8%、59.9%和49.4%，表明RMWM下额外的籽粒收益超过了其较高的生产成本。在两年三熟制度内，2023年RMWM下冬小麦产量较FMWM高22.3%，2024年春玉米产量高5.2%；在一年一熟制度内，RM两年累计籽粒产量较FM高6.6%。这些产量差异可能部分反映了冬油菜覆盖对后茬作物的潜在遗留效益，所观测到的土壤速效养分、酶活性与土壤多功能性的改善为进一步支持，但尚未建立直接因果联系，需跨多个轮作周期的长期研究确定这些效益能否持续。研究人员引用相关研究指出，保持植被覆盖占轮作时间的比例对土壤多功能性与谷物产量的影响强于单纯增加轮作内作物多样性，以冬油菜替代冬季裸地休闲可延长植被覆盖期并改善休闲期土壤生态过程，为后茬作物创造更有利的资源条件并最终提高轮作尺度的生产力。冬油菜覆盖相关的额外产量效益可能部分与土壤功能改善有关，较高的土壤酶活性可能指示更活跃的养分转化过程；但不同种植制度管理措施及相关土壤生态过程对系统生产力的相对贡献仍有待明确，未来研究可考察土壤微生物群落组成与功能、养分转化动态及作物养分吸收以解释冬油菜覆盖、土壤功能与系统生产力之间的关系。
**研究结论翻译**
华北平原地下水超采推动了种植强度降低与季节性休耕的转变。尽管裸地休闲可节水，但土地与气候资源利用不足，降低粮食生产并限制植物源物质对土壤的输入。因此，关键挑战在于更有效地利用休闲期，同时节水并维持粮食生产与土壤功能。本研究中，RMWM将冬油菜覆盖整合入两年三熟制度，在冬油菜–春玉米与雨养冬小麦–夏玉米序列间交替。该配置改善了耗水的季节分配，提高了土壤速效养分有效性并增强了土壤多功能性。尽管冬油菜生长增加了休闲期耗水，但后续降水补充与跨季水分补偿阻止了这些差异在轮作周期中累积，因此各种植制度两年累计耗水量无显著差异。同时，RMWM提高了土壤养分有效性并维持了相对较高的土壤酶活性与土壤多功能性。此外，RMWM在两年轮作中获得最高的累计籽粒产量与作物水分生产力。RMWM还获得最高的净经济收益，较FMWM高7.8%，进一步支持其经济可行性。该制度为华北平原地下水亏缺区平衡节水、粮食生产与土壤健康提供了可行选择。
