结合工程排水与轮作模式：提高涝渍农田作物产量的适宜途径

《Soil and Tillage Research》：Combining engineering drainage with crop rotation patterns: A suitable approach to enhancing crop yield in waterlogged farmlands

　　- 地下排水可协同缓解渍涝胁迫，同时提高作物产量。- 稻草作为一种新型地下排水材料，具有较高的排水效率。- 结合工程排水与作物轮作可改善渍涝农田的产量。## 引言长江中下游地区是我国重要的粮食和油料生产基地（Liu 等，2016；Meng 等，2024），稻-小麦和稻-油菜轮作模式主导当地农业生产，在全国粮食和油料总产量中发挥着至关重要的作用（He 等，2021；Jin 等，2026）。然而，受区域气候、田间水文等因素的综合影响，这些传统轮作模式的耐渍涝能力日益不足，渍涝灾害对各类轮作模式的作物生长构成了严峻挑战（Langan 等，2022；Pais 等，2022）。因此，开发适用于该区域稻-小麦/稻-油菜轮作模式的高效水调控技术，对于减轻渍涝灾害影响、保障作物稳产高产至关重要（Zhang 等，2025a；Zhang 等，2025b）。作物轮作系统被广泛认为是提高水分利用效率和粮食产量的有效途径（Aase 和 Pikul，2000；Sun 等，2018；Wang 等，2024）。尤其与深根系作物轮作，有助于疏松土壤、增强土壤通气性、改善田间水分运移效率并降低渍涝风险（Yang 等，2022）。此外，合理的作物轮作还能通过促进根系呼吸来缓解根系水分胁迫，从而加速作物器官的生长发育，支撑整个轮作系统的年总产量稳定（Zhang 等，2025a；Zhang 等，2025b）。然而，长江中下游的亚热带季风气候导致梅雨期和台风期降雨集中频繁，田间渍涝胁迫持续时间较长，年均粮食产量损失约 5–15%，极端年份减产幅度超过 30%，严重制约了该地区粮食产量的稳定提升（Ding 等，2020；Liu 和 Sun，2022）。持续严重的渍涝胁迫进一步限制了作物轮作系统在提高耐渍涝能力和增产方面的效果（Lu 等，2024）。研究表明，渍涝胁迫会降低作物根系活性，抑制根系呼吸和发育（Hong 等，2024）。此外，渍涝还会显著降低作物的叶面积指数和整株生物量（Ding 等，2020），对作物产量产生直接的负面影响（Wang 等，2023）。在多样的排水方案中，选择兼顾控渍效果与建设成本的技术方案对当地应用至关重要。因此，将地下排水技术与最优参数整合到作物轮作系统中，对于减轻渍涝胁迫的不利影响、支持该地区农业可持续发展具有重要意义。地下排水工程是减轻渍涝灾害、保障农田持续生产的有效途径（Ren 等，2023）。穿孔塑料地下管道形成地下排水网络，通过排出多余水分降低地下水位，从而减少土壤含水量、缓解渍涝（Halbac-Cotoara-Zamfir 等，2022）。该技术在不同气候区和土壤类型中均表现出显著效果。地下管道排水还能提高土壤水力传导率和孔隙度，优化土壤结构和通气性（Jafari Talukolaee 等，2018；Soe 等，2022；Yao 等，2024），改善根系呼吸条件，促进作物生长，最终提高产量（Takeshima 等，2023）。然而，塑料排水管道虽然具有安装方便、耐腐蚀等优点，但提高其排水效率直接导致材料和人工成本的上升。相比之下，稻草暗沟排水技术利用稻草的孔隙性和透水性，能够高效排出土壤多余水分，显著提高排水效率（Jia 等，2023）。此外，稻草的可生物降解特性兼具经济、生态和农业效益（Yang 等，2017；Islam 等，2025），轮作产生的秸秆残体就地再利用可以大幅降低核心材料支出和二次运输成本。值得注意的是，稻-小麦和稻-油菜轮作系统年产秸秆量基本能满足暗沟结构定期更新的用料需求，这既有助于降低长期运维成本，又实现了废弃物资源化。沟内稻草的分解还会影响土壤温度和微生物群落，通过排水与生态效应协同促进作物生长（Yang 等，2016）。尤其需要指出的是，作物轮作系统产生大量秸秆残体，其处理一直是农业生产的难题。稻草暗沟排水技术的应用为这一问题提供了有效解决方案。秸秆残体还田不仅改善了土壤物理性质（Bai 等，2019），还提高了土壤养分有效性（Yang 等，2020）。这反过来又提高了养分利用效率，促进作物生长，提高作物产量，改善轮作系统中后茬作物的土壤生长环境，促进全年作物生长，提高轮作系统的年总产量（Jalota 等，2001；Yang 等，2021）。综上所述，以稻草替代塑料地下管道进行排水（Lu 等，2018）可以为排水量、排水速率以及控渍和地下水位降低效果提供有益参考。了解其对轮作系统中作物产量的影响，有助于渍涝地区地下排水参数的优化设计，并支持年度轮作尺度的排水方案技术经济评价。目前，针对该地区渍涝问题的水管理技术大多基于单一作物系统或短期田间试验，不太适合当地主导的稻-小麦和稻-油菜轮作模式。现有研究主要关注单个作物生长季内的渍涝缓解效果和产量响应，缺乏从整个轮作系统角度对年总生产力的综合评价，无法充分反映排水措施的年尺度生产效益。同时，不同排水技术的比较多局限于水文效果和作物生长表现，很少有研究将工程建设成本与轮作系统年产量相结合进行定量投入产出分析，导致技术方案优化和大规模推广缺乏足够的经济证据支持。特别是对于以稻草暗沟为代表的生态友好型排水技术，利用作物秸秆残体就地利用所形成的材料成本优势，以及与传统地下管道排水在稻作轮作系统中的技术经济竞争力，仍缺乏系统性的定量验证。这些方法难以应对不同作物在不同生育期变化的水分需求以及轮作系统中渍涝胁迫的叠加效应。因此，亟需开展针对性研究以解决这些技术难题。本研究聚焦长江中下游渍涝地区的稻-小麦/稻-油菜轮作系统，旨在：(1) 考察不同轮作模式下各排水技术的土壤水分调控与排水能力；(2) 探究不同水管理技术对作物生长表现、产量形成及轮作系统年总生产力的影响；(3) 量化不同排水方案的工程建设成本，并结合年产量效益评价其投入产出效率和田间适用性；(4) 阐明排水措施对轮作系统产量形成的调控途径，提出渍涝农田的优化排水策略。本研究成果将为长江中下游渍涝易发地区稻-小麦/稻-油菜轮作模式中水管理方案的优化设计、技术选型和高效应用提供有益参考。### 试验点概况试验地点位于长江中下游湖北省农业科学院鄂州试验基地（东经 114°53′，北纬 30°23′），规划总面积 210 公顷。研究区域以亚热带季风气候为主，气候温和湿润，季节差异明显，雨热同期。根据长期气候平均值，该区域年均气温为 17 °C，无霜期……### 不同排水处理对轮作模式下土壤含水量的影响基于 0–60 cm 土层土壤含水量动态监测结果（稻-小麦轮作见图 3，稻-油菜轮作见图 4），稻草暗沟排水在降低土壤含水量方面显著优于地下管道排水和对照处理。随埋设间距减小，土壤含水量的降低幅度更为显著。在稻-小麦轮作中，S2 处理下的土壤含水量……### 讨论与传统地下管道排水系统相比，以稻草为核心的地下排水技术不仅显著降低了渍涝灾害风险，还对轮作系统中的作物产量产生了积极影响（Yang 等，2016；Yang 等，2017）。这表明稻草暗沟技术在长江中下游渍涝多发地区具有较大的应用潜力，为该地区提供了一种有效的……### 结论本研究揭示了稻草暗沟和地下管道排水对长江中下游两种典型稻作轮作系统中土壤水分调控、作物生长及产量形成的影响。稻草暗沟在控渍排涝方面优于地下管道和对照处理，排水效率随间距减小而提高。在两种轮作模式下，3 m 间距的稻草暗沟年均总产量最高：稻-小麦轮作达 14 971.86 kg·ha?1……### CRediT 作者贡献声明**Xu Shen：** 初稿撰写、可视化、方法学、调查、形式分析、数据管理、概念化。**Xingfei Zheng：** 调查、数据管理。**Dandan Qin：** 调查、数据管理。**Shenjiao Yang：** 监督、资源、调查。**Xinguo Zhou：** 项目管理、经费获取。**Jianlin Hu：** 调查、数据管理。**Xiping Zhang：** 审稿与编辑、监督。**Dongwei Li：** 审稿与编辑、监督、项目……### 利益冲突声明作者声明不存在已知的财务利益关系或个人关系可能对本文所报告的工作产生影响。### 致谢本研究由**国家重点研发计划**（2023YFD2300301；2023YFD2300304）和**中国农业科学院科技创新工程**资助。感谢 Bullet Edits Limited 对本文的语言编辑和校对。Xu Shen | Xingfei Zheng | Dandan Qin | Shenjiao Yang | Xinguo Zhou | Jianlin Hu | Xiping Zhang | Dongwei Li