玉米-豆科间作在黄河三角洲滨海盐碱农田实现生产力、经济效益与碳减排之间的权衡

《Agriculture》：Maize–Legume Intercropping Achieves Trade-Offs Between Productivity, Economic Return and Carbon Mitigation in Coastal Saline-Alkali Farmland of the Yellow River Delta

　　

为缓解滨海盐碱土壤对作物生产的限制，并探索脆弱盐碱生态系统高效低碳种植模式，在中国山东省东营市黄河三角洲滨海盐碱农田开展了一项为期三年的连续田间试验。以单作玉米（CM）为对照，研究人员系统比较了玉米-大豆间作（M/S）和玉米-花生间作（M/P）的生产力、能量预算、经济效益、碳足迹（CF）和碳可持续性指数（CSI），并基于净生态系统经济收益（NEEB）进一步评估了其综合效益。结果表明，与CM相比，M/S和M/P的三年平均经济产量分别降低了14.6%和14.0%，相应的能量产量降低了12.0%和9.1%。值得注意的是，M/S和M/P的玉米当量产量显著提高了9.4%。相对于CM，M/S和M/P的三年平均净收入分别增加了18.3%和29.9%。在碳相关环境效益方面，M/S和M/P的单位玉米当量产量CF分别降低了14.0%和18.1%，单位经济效益CF分别降低了13.9%和18.0%，而CSI分别提高了6.0%和8.4%。采用Z-score方法的综合评价表明，M/P使NEEB提高了9.4%，并获得高于CM的综合得分，而M/S的Z-score略低于CM。总体而言，M/P表现出最优的多维性能，是滨海盐碱地区一种有前景的生态友好型种植模式。

土壤盐碱化是全球农业可持续性的重大挑战，全球盐渍土面积超过10亿公顷。滨海盐碱地因受海水影响，具有高盐含量、高pH和养分失衡等特点，严重限制土地生产力。中国滨海盐碱地主要分布于东部沿海经济带，面积超过1300万公顷。黄河三角洲地区传统小麦-玉米轮作系统普遍存在产量低而不稳、水肥利用效率低、土壤退化严重和高碳排放强度等问题。长期单作和过量水肥投入进一步加剧了土壤压实、养分失衡和温室气体排放。传统改良措施成本高且生态破坏性大，难以实现生产力、经济效益和环境可持续性的协调发展。因此，优化种植模式被视为这些脆弱滨海农业生态系统可持续利用的低成本途径。玉米-豆科间作可通过生态位互补和豆科生物固氮提高资源利用效率、经济效益和环境绩效。然而，与单作相比，间作可能导致粮食产量下降，且条带种植增加田间管理复杂性，其在滨海盐碱条件下的利弊尚缺乏量化研究。为此，研究人员在黄河三角洲典型滨海盐碱农田开展了三年连续田间试验，旨在评估玉米-大豆间作（M/S）和玉米-花生间作（M/P）相比单作玉米（CM）在生产力、能量预算、经济效益、碳足迹（CF）和碳可持续性指数（CSI）方面的表现，并基于净生态系统经济收益（NEEB）进行综合评估。该研究发表在《Agriculture》期刊，为盐碱地区低碳可持续种植模式提供了实证依据。

试验于2023—2025年在山东省东营市黄河三角洲现代农业试验示范基地（37°45′ N, 118°30′ E）进行，供试土壤为滨海潮土盐碱土。采用随机完全区组设计，设单作玉米（CM）、玉米-大豆条带间作（M/S）和玉米-花生条带间作（M/P），重复3次。通过田间测产测定经济产量和生物量，并按市场价格折算玉米当量产量（MEY）；能量投入产出基于投入品能量折算系数计算；经济效益按产量×价格减去投入成本；碳足迹（CF）采用生命周期评价估算，包括农业投入间接排放、机械作业排放和农田直接N₂O排放（IPCC方法）；碳可持续性指数（CSI）为碳输出与碳排放之比；NEEB为总收入减去碳成本；以Z-score法进行多指标综合评价。数据采用SAS 9.2进行方差分析和Tukey HSD多重比较。

3.1 Crop Yield（作物产量）
通过田间测产发现，与单作玉米相比，间作降低了经济产量和总生物量。M/S和M/P三年平均经济产量分别降低14.6%和14.0%，总生物量分别降低13.6%和11.4%；但M/P的玉米当量产量三年平均提高9.4%，M/S在2023年提高6.3%，其余年份无显著差异。表明间作以小幅产量损失换取了单位面积产出价值的提升。

3.2 Energy Budget（能量预算）
能量投入产出分析显示，M/S总能量投入比CM低3113.8 MJ ha^?1，而M/P因种子能量投入较高，总投入比CM高999.8 MJ ha^?1。间作降低能量产量，M/S和M/P三年平均能量产量分别比CM低12.0%和9.1%，净能量产量分别低12.2%和10.8%。

3.3 Economic Benefit（经济效益）
经济核算表明，间作提高了总收入和净收入。M/P的总收入三年平均比CM高9.2%，M/S在2023年高6.0%，其余年份无显著差异。三年平均净收入，M/S和M/P分别比CM高18.3%和29.9%，表明豆科作物的高经济价值显著提升了间作系统收益。

3.4 Carbon Footprint（碳足迹）
生命周期评价显示，间作减少了农业投入的间接碳排放。M/S和M/P分别比CM减少33.3和7.6 kg CO₂-eq ha^?1。单位能量产量、单位玉米当量产量和单位经济效益的CF在间作下显著降低，其中M/S和M/P的单位玉米当量产量CF三年平均分别降低14.0%和18.1%，单位经济效益CF分别降低13.9%和18.0%；而单位产量和单位生物量CF没有显著差异。

3.5 Carbon Sustainability Index（碳可持续性指数）
CSI计算表明，间作提高了农田碳可持续性。M/S三年平均CSI比CM高6.0%，M/P高8.4%，表明间作系统从弱碳源转向相对稳定的碳汇。

3.6 Net Ecosystem Economic Benefit（净生态系统经济收益）
NEEB评估显示，M/S在2023年NEEB比CM高6.2%，但三年平均无显著差异；M/P在2023和2025年分别高15.7%和8.9%，三年平均高9.4%，表明M/P在经济和生态效益协同方面表现更优。

3.7 Comprehensive Evaluation（综合评价）
采用Z-score法对产量、能量、经济、CF、CSI和NEEB等指标进行标准化综合评价，M/P的综合得分最高，比CM高3.3；M/S的得分比CM低3.6。表明玉米-花生间作在三个系统中整体表现最佳。

在讨论中，研究人员认为间作通过生态位互补和资源优化分配重塑了农田生产力结构。经济产量下降是因为玉米作为C4作物，其光合效率和生物量积累能力高于大豆、花生等C3作物；但豆科作物经济价值更高，从而提高了间作系统净收入。CF降低可归因于生物固氮替代化肥、优化土壤氮利用效率以及提高光能利用和碳汇能力。CSI提高表明间作系统增强了碳可持续性，从弱碳源转变为相对稳定的碳汇。NEEB增加主要归因于豆科作物价格优势、化肥投入减少和碳排放降低。Z-score综合评价证实玉米-花生间作在产量稳定性、经济收入、碳减排和综合可持续性方面实现了最优协同。需要指出，三年试验未观察到土壤性质的累积变化，可能因为滨海盐碱土缓冲能力较强，需长期定位监测以捕捉潜在长期效应；盐碱条件下残体分解和有机质矿化与肥沃土壤不同，相关碳转化过程有待进一步研究。实际推广中，条带间作的机械化播种、植保和收获仍存在农艺瓶颈。该研究整合能量分析、CF评估和NEEB，符合国际农田系统综合评价趋势，并验证了其在盐碱间作系统中的适用性。

研究结论为：本研究评估了典型滨海盐碱农田中单作玉米、玉米-大豆间作和玉米-花生间作系统的多维表现。研究结果为盐碱胁迫下的玉米-豆科间作提供了新见解，补充了主要来自高肥力土壤的现有知识。结果表明，玉米-豆科间作能够提高滨海盐碱环境下的系统整体表现。在测试的种植制度中，玉米-花生间作在生产、生态和经济之间实现了最佳的整体权衡，可作为滨海盐碱地区可持续农业发展的可行种植选择。