旱地棉麦种植系统多样化下的能量预算、经济可行性与生产力

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Energy budgeting, economic feasibility and productivity of diversified cotton–wheat cropping systems in dryland areas

　　

资源高效农业生产对于在当前气候变率下提升能量效率、增强农业生态系统韧性及保障粮食安全至关重要。为此，研究人员在为期两个周期（2022–2023 与 2024–2025）的田间试验中评估了棉（Gossypium hirsutum L.）–麦（Triticum aestivum L.）种植系统中的能量效率，并将绿豆（Vigna radiata L.）、马铃薯（Solanum tuberosum L.）和玉米（Zea mays L.）作为后续作物，依据能量指标、生产力与土壤质量特征进行评价。在供试系统中，棉–麦–马铃薯序列的能量产出最高（76.8×104 MJ ha?1），依次为棉–麦–玉米（47.19×104 MJ ha?1）与棉–麦–绿豆（43.66×104 MJ ha?1）；能量生产力（0.63 kg MJ?1）与输入输出比（12.15）亦以棉–麦–马铃薯系统最大。反之，棉–麦–休耕轮作能量消耗最低（32,451 MJ ha?1），其后为棉–麦–绿豆（46,785 MJ ha?1）与棉–麦–玉米（56,724 MJ ha?1）。尽管棉–麦–马铃薯轮作投入较高（63,264 MJ ha?1），其能量产出仍达 768,810 MJ ha?1。将绿豆纳入棉麦系统对提升土壤肥力、促进能量效率及贡献粮食安全具有关键作用。上述发现为棉麦系统资源生产力提供关键见解，并识别出兼顾能量效率与最大盈利性的最适种植策略。

研究背景与立项依据

在全球人口持续增长与气候变率加剧的背景下，依赖高强度投入（化肥、农药、柴油机械、电力灌溉）的集约化农业生产虽提升了粮食供给，却伴随温室气体（GHG）排放上升与自然资源耗竭。中亚旱地尤以乌兹别克斯坦锡尔河州古利斯坦区为代表的棉麦两熟连作系统，长期面临土壤盐渍化（EC 2–4 dS m^?1）、有机质偏低（0.5–0.7%）、养分透支与休耕期资源浪费等问题；传统棉–冬麦–休耕（Cotton–Winter Wheat–Fallow）模式能量产出受限、经济回报低且无法维持土壤质量。研究人员据此假设：通过后续作物多样化（引入豆科、块茎、禾本科）可优化资源分配、提高能量使用效率（Energy Use Efficiency, EUE）并兼顾盈利，从而在旱地条件下建立气候韧性种植系统。该文发表于《Frontiers in Sustainable Food Systems》，正是回应“在资源约束区如何用能量预算思维重构棉麦系统”这一可持续食物系统核心议题。

主要技术方法概述（不超过250字）

研究人员于乌兹别克斯坦锡尔河州古利斯坦区（40°25′N, 68°40′E，海拔271 m）试验站开展两周期（2022–2023、2024–2025）裂区设计田间试验，3次重复共24个48 m²小区，设对照（棉–麦–休耕）与三处理（后续分别接绿豆、马铃薯、玉米）。统一灌溉（4次沟灌，750–800 m³ ha^?1）、植保与当地农艺标准，肥料按作物推荐量条施。产量折算为小麦等价产量（WEY，依市场价比率聚合）；能量输入汇总人力、柴油、机械、电、水、种子、农药、农家肥与化肥（当量取自 Devasenapathy 等与 Chaudhary 等），输出计籽粒、秸秆、藤蔓等生物量能值；计算能量输入输出比、能量生产力（Energy Productivity, EP）、比能量（Specific Energy）、系统生产力（kg ha^?1 day^?1）、系统盈利（? ha^?1 day^?1）、相对生产/经济效率（RPE/REE）；土壤于0–30 cm层测 pH、EC、有机质（OM）、容重、速效氮磷钾；ANOVA 与 LSD_0.05 检验。

研究结果

系统生产力与经济效率：对照 WEY 16.7 t ha^?1，系统生产力 29.3 kg ha^?1 day^?1，净收益 ?38,000 ha^?1，B/C 4.14；绿豆处理 WEY 29.7 t ha^?1（＋78%），系统生产力 52.1，净收益 ?72,300，B/C 5.30；马铃薯处理 WEY 52.3 t ha^?1（＞3倍对照），系统生产力 91.8，净收益 ?134,550，B/C 7.02；玉米处理 WEY 32.1 t ha^?1，系统生产力 56.3，净收益 ?77,340，B/C 5.08。RPE/REE 以马铃薯最高（213.2%/254.1%），绿豆（77.8%/90.3%）与玉米（92.2%/103.5%）次之。结论：后续作物消除休耕空白，豆科兼获固氮增收，块茎类短期回报最强。

能量指标与生产力：对照能量输入 32,451 MJ ha^?1、输出 245,490 MJ ha^?1、比 7.56、EP 0.51 kg MJ^?1、比能量 1,943.17 MJ t^?1；绿豆输入 46,785、输出 436,590、比 9.33、EP 0.63、比能量 1,575.25；马铃薯输入 63,264、输出 768,810、比 12.15、EP 0.83、比能量 1,209.64；玉米输入 56,724、输出 471,870、比 8.32、EP 0.57、比能量 1,767.10。结论：马铃薯虽输入最高但边际能量回报最大，绿豆以中等输入获最优“固氮–节能”平衡，玉米居间。

土壤质量动态：对照相较试验前 EC 3.1→3.5 dS m^?1、OM 1.8→1.4 g kg^?1、Av-P 21.4→10.1 mg kg^?1、Av-K 125.6→76.5 mg kg^?1，呈盐渍化与养分衰退；绿豆处理 EC 降至 1.2、OM 升至 3.1 g kg^?1、容重 1.18 g cm^?3、Av-P 16.1、Av-K 90.2；马铃薯 EC 2.2、OM 2.1、容重 1.24；玉米 EC 2.3、OM 1.9、容重 1.27，Av-P 17.0 最高。结论：多样化尤其豆科集成显著逆转盐渍退化、改善孔隙与养分，降低对合成投入依赖。

讨论部分总结

研究人员指出化学肥料占系统能量输入主导（约47–60%），马铃薯接续使总输入较对照增94.9%但能量输出增213%，印证“高投入高回报”在块茎作物的特殊性；绿豆与玉米对气候胁迫更具韧性，豆科通过生物固氮减少外源氮肥能值，是旱地“低额外能耗–土壤改良”首选。玉米提供粮饲兼用平衡，马铃薯受水资源制约须谨慎扩张。能量预算思维下，多样化轮作一致优于休耕基线，但最优策略因目标而异：逐利选马铃薯，重修土壤健康与长期韧性选绿豆。

结论部分翻译

本研究中，棉–麦–马铃薯种植系统在作物产量、系统盈利性与能量产出上均优于其他供试系统。该轮作较高能量输入（63,264 MJ ha^?1）同时带来更高能量指标，且为最具能量效率的系统。四种情形中能量产出以棉–麦–马铃薯最高（76.8×10⁴ MJ ha^?1），依次为棉–麦–玉米（47.19×10⁴ MJ ha^?1）与棉–麦–绿豆（43.66×10⁴ MJ ha^?1）；能量生产力（0.63 kg MJ^?1）与输入输出比（12.15）亦属该序列最高。反之，棉–麦–休耕消耗最低（32,451 MJ ha^?1），其后为接绿豆（46,785 MJ ha^?1）与接玉米（56,724 MJ ha^?1）。总体而言，采用棉–麦–马铃薯策略可在气候变化下兼顾高生产力与能量效率，但其长期可持续性高度依赖水资源供给；并行地，绿豆轮作提供土壤肥力修复与韧性收益，抵消其较低即时能量产出。未来应优先构建投入高效、韧性与再生性强、低环境影响的产出导向型农业系统。