《European Journal of Agronomy》：Soil quality and economic performance of contrasting crop rotations based on double-rice cultivation in tropical China
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•在热带双季稻系统中评估了六种对比性的冬季作物种植模式。•作物多样化提高了水稻产量和土壤质量，但在系统功能之间产生了明显的权衡。•绿肥增强了微生物活性，使表层土壤质量提高了76%，水稻产量提高了23%。•以蔬菜为主的轮作提高了轮作毛利润，但依赖于更多外部投入。引言粮食生产压力
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在热带双季稻系统中评估了六种对比性的冬季作物种植模式。
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作物多样化提高了水稻产量和土壤质量，但在系统功能之间产生了明显的权衡。
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绿肥增强了微生物活性，使表层土壤质量提高了76%，水稻产量提高了23%。
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以蔬菜为主的轮作提高了轮作毛利润，但依赖于更多外部投入。
引言
粮食生产压力的增加加速了全球种植系统的集约化进程，特别是在实行多季种植以最大化土地生产力的地区（van Dijk et al., 2021）。尽管集约化管理显著提高了水稻产量，但对外部投入的过度依赖改变了土壤养分动态并削弱了关键的土壤生态功能（Brunelle et al., 2024, Cui et al., 2018）。然而，这些投入密集型系统也给土壤生态系统带来了相当大的压力。长期集约化耕作可能通过减少有机质积累、损害土壤物理条件以及改变微生物功能来破坏土壤生态平衡，从而动摇土壤健康和生态系统功能的基础（Shen et al., 2021）。这些土壤属性的累积退化削弱了农业生态系统的韧性，对集约化种植系统的长期可持续性和生产力构成严重威胁。这一问题在热带地区尤为严重，因为高温、充沛降水和全年耕作加速了土壤养分周转和有机质分解。
多样化种植系统被认为是一项具有关键生态效益的农业措施，有助于增强生物多样性、强化生态系统服务并改善土壤质量（Liu et al., 2023a, Yan et al., 2024a, Yang et al., 2024b）。在中国南方，传统上在水稻田中种植红花草和田菁的做法长期被用于提高水稻产量和改善土壤肥力（Zhang et al., 2023a, Zhang et al., 2023b）。大量研究强调了豆科绿肥通过向农业生态系统引入生物来源的有机资源来改善养分供应和作物表现的潜力（Yang et al., 2019）。一项全球荟萃分析表明，基于豆科的作物多样化可提高水稻产量15.7%，同时促进土壤碳固持（Yao et al., 2025b）。尽管绿肥的生态优势已得到广泛验证，但不同冬季作物，特别是以蔬菜为主的轮作，对土壤质量和后续水稻生产力的长期影响仍缺乏充分认识。特别是，在多样化水稻系统中，土壤质量变化与作物生产力之间的关联机制尚未得到充分阐明。这一知识空白对于热带低地水稻系统尤为重要，因为在该系统中，集约化耕作和高外部投入越来越严重地威胁着土壤质量和生产可持续性。因此，必须系统评估绿肥和蔬菜种植在热带农业系统中对土壤质量和水稻产量的影响，以优化种植系统、提高粮食产量并改善土壤生态功能。
先前的研究表明，轮作实践可以通过改善土壤养分条件——包括有机碳、全氮和养分有效性——来提高土壤质量，同时促进胞外酶活性并重塑微生物群落组成和功能特征（Liu et al., 2025, Sun et al., 2024）。然而，目前仍缺乏对绿肥和蔬菜如何影响这些土壤过程以及在水稻轮作系统中如何影响作物产量的系统性认识。此前的研究表明，作物产量受土壤质量指数（SQI）影响，两者之间存在显著的正相关关系。因此，有必要探索热带水旱轮作系统中SQI与作物产量之间的关系。
尽管提高土壤质量和水稻生产力仍是作物多样化的核心目标，但替代性冬季作物的实际应用最终取决于其经济表现。在热带低地水稻地区，作物多样化越来越被视为维持水稻生产力和农场收入的重要手段。豆科绿肥，如红花草和田菁，长期在中国南方被用于改善稻田土壤肥力并支持后续水稻生产（Zhang et al., 2023a, Zhang et al., 2023b, Yang et al., 2019）。然而，与温带低地水稻系统相比，热带双季稻系统的特点是温度更高、降雨更充沛且全年种植，这加速了养分周转和有机质分解（Shen et al., 2021, Liu et al., 2025）。在这种条件下，以蔬菜为主的轮作可以增加农场收入，但其对肥料、农药、灌溉和劳动力投入的更大依赖可能会部分抵消相关的农艺和环境效益（Li et al., 2022）。相比之下，豆科绿肥通常产生较低的冬季直接收益，但可以提高土壤肥力、养分循环和后续水稻表现（Yang et al., 2019, Yao et al., 2025b）。因此，需要开展整合水稻生产力、土壤质量和经济表现的系统层面评估，以识别热带低地双季稻系统中可行的多样化策略。我们假设：（1）作物多样化将通过改善土壤养分状况和生物功能来提高土壤质量；（2）土壤质量的改善与后续水稻生产力呈正相关；（3）作物多样化将在水稻生产力、土壤质量和经济表现之间产生可测量的权衡和协同效应。
章节片段
研究地点
试验于2016年建立并持续至2022年，地点位于中国海南儋州中国热带农业科学院热带作物遗传资源研究所的一试验站（19.50° N, 109.49° E）。该地点的气候条件具有热带季风区的典型特征，长期年平均温度为23.5 °C，年降雨量约为1815 mm。试验田的土壤类型为砖红壤，依据世界土壤资源参比基础分类（IUSS Working Group WRB, 2015）。
基于生物学参数的土壤肥力
在表层土壤中，绿肥和蔬菜种植系统使SOC（24.1–48.1%）和TN（6.5–35.2%）均有所增加。GMRR处理表现出最高的SOC（13.48 g kg?1）、TN（12.27 g kg?1）和MBC（103.63 mg kg?1）水平（表S4）。这些结果表明，GMRR有效地提高了土壤肥力和微生物活性（图1a；表S4）。深层土壤生化特性在各处理间无显著差异（图1b；表S4）。
总体而言，GMRR在改善方面表现出显著的有效性。
多样化种植系统对土壤质量的影响
本研究证明，在热带双季稻系统中，对比性的冬季作物轮作在土壤质量、水稻生产力和经济表现之间产生了不同的权衡。豆科绿肥主要改善了土壤生态功能和后续水稻生产，而以蔬菜为主的轮作则提供了更高的短期经济回报，但需要更多的外部投入。这些发现强调了从两
结论
基于为期五年的田间试验，评估了作物生产力和土壤性质，本研究证明，在热带双季稻系统中，对比性的冬季作物轮作在水稻生产力、土壤质量和经济表现之间产生了权衡。与休耕–双季稻系统相比，豆科绿肥使水稻产量提高了23.0%，并分别将产量稳定性和可持续性提高了8.5%和16.6%。这些效益主要与
CRediT作者贡献声明
Qi Liu（刘琦）：撰写——初稿、方法论、调查研究、获取资金、数据整理、概念构思。Wei Yao（姚伟）：方法论、调查研究、数据整理。Xiquan Wang（王西泉）：撰写——审阅与编辑。Yuehan Lu（陆跃涵）：撰写——审阅与编辑。Zhengjun Yan（严正军）：撰写——审阅与编辑。Butao Tian（田卜韬）：数据整理。Leanne Peixoto：撰写——审阅与编辑。Zhaohai Zeng（曾照海）：撰写——审阅与编辑、获取资金。Zhiqiang Qi（祁志强）：撰写——初稿、方法论、调查研究、获取资金
利益冲突声明
我们声明，不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能对本研究的工作产生影响。
致谢
本研究得到了海南省科技专项基金（ZDYF2025SXLH004）、三亚崖州湾科技城（SYND-2021–02）、海南省自然科学基金（320LH041）以及三亚崖州湾科技城海南特聘博士科研基金（HSPHDSRF-2022–05–001）的资助。
刘琦 | 姚伟 | 王西泉 | 陆跃涵 | 严正军 | 田卜韬 | Leanne Peixoto | 曾照海 | 祁志强 | 藏华东
