《Frontiers in Plant Science》：Innovative management program for achieving high yield and emission reduction: a case study of wheat/maize rotation production in the North China Plain
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摘要专业翻译
引言： 在华北平原，主导性的小麦-玉米轮作体系中农业技术整合不足，导致产量损失、环境风险以及养分利用效率低下。因此，亟需可持续的管理策略，以在全年周期内平衡产量、提升养分利用效率并保护土壤氮素。
方法： 本项为期3年的田间试验研究了一种创新管理方
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引言： 在华北平原，主导性的小麦-玉米轮作体系中农业技术整合不足，导致产量损失、环境风险以及养分利用效率低下。因此，亟需可持续的管理策略，以在全年周期内平衡产量、提升养分利用效率并保护土壤氮素。
方法： 本项为期3年的田间试验研究了一种创新管理方案对小麦-玉米轮作中产量、生物量、绿色叶面积指数、养分动态、土壤残留养分以及环境成本的影响。试验包含两种不同的农艺技术整合管理处理，即：（1）按农户习惯进行土壤-作物管理（FP）；（2）整合知识与创新管理方案（IMP）。试验在两个生长季（冬小麦和夏玉米）内进行，以捕捉年际变异和系统层面的响应。
结果： 与FP处理相比，IMP处理显著提高了谷物产量、氮素利用效率（NUE）和磷素利用效率（PUE），分别提高12.7%、47.6%和47.7%；同时使活性氮损失（RNL）、温室气体（GHG）排放、氮足迹和碳足迹分别降低29.1%、11.0%、38.1%和20.5%。随机森林模型分析表明，IMP通过提高绿色叶面积指数以及改善氮、磷利用效率来提升产量，其中增强的养分吸收驱动了更高的利用效率。村级情景分析表明，IMP处理在减少养分投入的同时提高了产量和经济效益。
讨论： 本研究表明，IMP处理能够在华北平原集约化小麦-玉米体系中实现高产与低环境影响的协同，为可持续的小农户生产和区域农业管理提供了可操作的指导方案。
论文解读文章
一、研究背景与意义
农业面临着增加产量与降低环境成本的双重挑战。小麦和玉米是全球氮素消耗量最大的作物，其可持续生产对保障粮食安全尤为关键。华北平原（NCP）是我国重要的粮食主产区，小麦-玉米轮作是该区域占主导地位的双季种植制度。然而，该体系长期依赖高投入的施肥管理模式，导致土壤退化、产量增长受限。研究表明，限制作物产量的主要因素是土壤肥力管理和农艺措施，而非自然气候潜力。养分投入利用效率低下、养分供应与作物需求不匹配，是长期维持作物产量和土壤肥力的重大挑战。全球超过50%的氮肥投入因过量施用而未被有效利用；磷肥类型、作物与土壤条件之间的错配也导致大量磷素浪费；尽管土壤钾素储量丰富，但90%-98%的钾以矿物结合态存在，难以被植物吸收，导致许多农业系统出现钾素平衡赤字。过量施肥会导致减产、养分利用效率降低、养分失衡、土壤结构退化以及土壤生产力下降。长期过量施用氮肥还会阻碍氮素从营养器官向籽粒的再转运，导致氮素收获指数长期下降。小麦过早播种因生长过旺面临冻害风险，而推迟播种则抑制分蘖和穗发育；玉米种植密度过低直接导致收获穗数减少。化肥的大量施用和农业机械的使用导致温室气体排放过量。因此，开发新技术以提高小麦/玉米轮作体系的产量并降低环境成本，对于确保农业可持续发展至关重要。
农业是温室气体排放的主要来源，尤其是CO?，对全球气候和可持续发展构成严重威胁。中国作为主要发展中国家，于2020年提出了“双碳”目标。然而，全球农业和林业占人为温室气体排放总量的23%，凸显了农业在全球减排努力中的关键作用。在此背景下，协调农业减排与作物产量维持已成为一项关键挑战。现有农业实践因技术整合不足，在实现增产和降低环境成本的双重目标上受到制约。为应对这些制约，Chen等（2011）建立了综合土壤-作物系统管理（ISSM）框架。采用ISSM方法提高了玉米和小麦的谷物产量和氮素利用效率（NUE），并减少了活性氮损失（RNL）和温室气体排放。随后，Wang等（2021）提出了整合知识与产品策略（IKPS），将ISSM实践与产品相结合，以确保粮食和营养安全，同时减少蔬菜的环境影响。然而，蔬菜与小麦-玉米轮作体系在肥料投入强度、养分需求动态和环境成本特征方面存在根本差异。因此，当IKPS被转移到小麦-玉米轮作体系时，优先考虑栽培和养分优化，水管理因区域异质性（降雨、灌溉基础设施和政策）而被排除，耕作管理因其长期性也被排除。此外，小麦-玉米轮作体系中整合知识与肥料产品的现有技术策略仍不明确。
华北平原低产低效的农户占农户总数的比例较高，产量和养分利用效率的提升空间很大。对华北平原241个农田地块的分析结果显示，仅15%的冬小麦田和4%的夏玉米田实现了高产与氮高效利用的协同。科技小院（STB）的“零距离+参与式”模式不仅将技术采纳率从17.9%提高到53.5%，还促使小农户谷物产量提高30%以上，氮排放减少一半，为高效农业创造了可推广的模式。本研究针对小麦/玉米轮作体系开发了一种整合知识与产品管理的创新管理方案（IMP），旨在检验该方案能否提高产量并降低环境影响，以及结合科技小院的村级情景下该方案对农户增产减排的作用。
二、研究采用的主要技术方法
研究人员于2020年至2022年在山东省乐陵市开展了为期3年的田间试验，采用随机完全区组设计，设置两种处理：农户习惯土壤-作物管理（FP）和创新管理方案（IMP），每种处理4次重复。试验覆盖冬小麦和夏玉米两个生长季。研究人员通过测定作物不同生育阶段的绿色叶面积指数（GLAI）、干物质积累量、氮磷养分吸收与利用效率等指标，评估两种处理下的作物生长和养分动态。环境成本评估采用生命周期评价方法，计算了活性氮损失（包括NH?挥发、NO??淋洗和N?O排放）、温室气体排放、氮足迹和碳足迹。此外，研究人员在乐陵市4个代表性乡镇进行了农户问卷调查，共获得156份有效问卷，用于构建从田间到村级的多尺度评估框架，并通过随机森林模型分析影响产量的关键因素。
三、研究结果
3.1 冬小麦/夏玉米的产量与生长
与FP处理相比，IMP处理的周年产量（小麦和玉米）平均显著提高12.7%。两个生长季中，IMP处理的冬小麦产量分别提高13.1%和12.4%，夏玉米产量分别显著提高10.8%和14.7%。IMP处理下玉米穗数平均增加16.6%，这得益于创新管理方案设计中提高了夏玉米种植密度。2021-2022年度IMP处理的玉米穗粒数显著增加11.4%，2020-2021年度百粒重显著增加14.9%。冬小麦在2021-2022年度的千粒重显著提高7.4%。
3.2 养分积累、利用与残留
IMP处理的两年平均绿色叶面积指数较FP处理提高4.3%。在玉米季，IMP处理在多个生育阶段的GLAI均显著高于FP处理。IMP处理的两年平均干物质积累量提高5.8%。在养分积累方面，IMP处理的两年平均氮素和磷素积累量分别提高8.4%和19.5%，其中夏玉米季的氮磷积累量在多个生育阶段显著高于FP处理。在养分利用效率方面，IMP处理显著提高了氮素吸收效率（NupE）、氮素利用效率（NUE）、磷素吸收效率（PupE）和磷素利用效率（PUE），分别提高44.5%、47.6%、48.2%和47.7%。土壤残留养分方面，两年轮作期内各处理间土壤碱解氮含量无显著差异；IMP处理在部分土层和年份中显著影响了土壤有效磷和速效钾含量。
3.3 环境成本与经济效益
与FP处理相比，IMP处理的两年平均活性氮损失和温室气体排放分别降低29.1%和11.0%。其中N?O排放、NH?挥发和NO??淋洗分别降低23.4%、19.2%和35.7%。IMP处理使农业材料阶段（MTS）和田间耕作阶段（FTS）的氮肥及磷肥温室气体排放降低约24%。灌溉用电是温室气体排放的主要贡献来源，其次是田间施氮和氮肥生产运输。IMP处理的两年平均碳足迹和氮足迹分别降低20.5%和38.1%。冬小麦的碳足迹大于夏玉米，FP处理下冬小麦和夏玉米的碳足迹分别为1347和600 kg CO? eq Mg?1，IMP处理下分别降低18.8%和24.4%。随机森林模型分析表明，IMP通过提高绿色叶面积指数以及改善氮磷利用效率来提升产量，其中增强的养分吸收驱动了更高的利用效率。
四、讨论与结论
本研究通过3年田间试验和村级情景分析，系统验证了创新管理方案（IMP）在华北平原小麦-玉米轮作体系中的综合效益。研究表明，IMP处理通过优化播种量、种植密度、施肥量和施肥时期，配合叶面喷施锌肥和化学调控等措施，实现了作物产量和养分利用效率的协同提升，同时显著降低了活性氮损失、温室气体排放以及氮碳足迹。随机森林分析揭示了绿色叶面积指数和氮磷利用效率对产量提升的关键驱动作用。村级情景分析进一步表明，IMP处理在减少养分投入的同时提高了产量和经济效益，验证了该方案在实际生产条件下的适用性和推广潜力。本研究证明，IMP处理能够在华北平原集约化小麦-玉米体系中实现高产与低环境影响的协同，为可持续小农户生产和区域农业管理提供了可操作的指导方案。
