《European Journal of Agronomy》：Synergistic effects of alternate intercropping on crop productivity and soil carbon storage enhance systemic sustainability
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可持续农业模式下交替间作系统的综合效益研究：在黄淮海平原开展三年定位试验，对比分析玉米-小麦（M-W）、大豆-小麦（S-W）、常规间作（M/S(C)-W）和交替间作（M/S(Alt)-W）系统对产量、经济收益、能源碳平衡及土壤质量的影响。结果表明交替间作系统（SPI 22.2）显著提升夏季主粮（玉米+大豆）产量（+13.0-23.8%）和冬季小麦产量（较M-W提高19.5%），改善土壤理化性质（0-20cm有机碳+11.9%），实现经济收益与生态效益的协同增效。
雷阳|金文军|陈晓飞|孙瑞东|雷伟霞|魏建浩|孔令聪|王大刚|黄志平|胡国宇|杜向北
安徽省农业科学院作物研究所，安徽省生物育种实验室，合肥230031，中国
摘要
面对传统单一种植和静态间作中平衡经济与生态目标的挑战，一种创新的年度条带轮换系统受到了越来越多的关注。然而，该系统在黄淮海平原的表现仍不明确。因此，我们进行了为期三年的实验，评估了四种种植系统：玉米-小麦（M-W）、大豆-小麦（S-W）、传统种植（M/S(C)-W）和交替种植（M/S(Alt)-W（其中玉米和大豆条带每年轮换），以研究其生产力、盈利能力、能源和碳预算以及土壤质量。间作略微降低了玉米产量，但增加了大豆产量，从而提高了夏季生产力（谷物产量增加13.0–23.8%，能源产量增加19.5–31.3%）。从第二年开始，M/S(Alt)-W下的玉米和大豆产量显著高于M/S(C)-W，表明交替间作随着时间的推移逐渐提高了生产力。同时，包含豆科植物的系统的小麦产量始终高于M-W系统，其中S-W系统的增幅最大（平均增加19.5%），而M/S(Alt)-W系统在第三年的产量增幅也显著提高。包含豆科植物的系统还改善了土壤的物理化学性质：S-W系统在0–20厘米深度的土壤容重最低（降低了7.5%），而M/S(Alt)-W系统在20–40厘米深度的土壤容重和有机碳（SOC）及SOC储量方面改善最为显著（0–20厘米：+11.9%，+7.6%；20–40厘米：+17.8%，+12.9%）。可持续性分析揭示了可持续性绩效指数（SPI）提升的不同机制。S-W系统（SPI 13.6）表现出权衡：较低的投入和豆科植物的特性提高了资源利用效率、减少了排放并改善了土壤质量，但相对较低的产量限制了粮食安全和收益保障。相反，M/S(C)-W系统（SPI 15.6）表现出协同效应，较高的产量抵消了较大投入带来的潜在碳排放风险。在相同的投入下，M/S(Alt)-W系统进一步提高了年产量和SOC积累，实现了最高的SPI（22.2），有效协调了生产力与生态效益。我们得出结论，M/S(Alt)-W代表了一种可持续的、多目标的清洁生产系统，适合在区域范围内推广。
引言
黄淮海平原（HHHP）是中国主要的粮食生产区之一，在国家粮食安全和可持续农业发展中发挥着关键作用（Shi等人，2013年）。几十年来，该地区普遍采用夏季种植玉米、冬季种植小麦（M-W）的双季种植系统，形成了典型的高投入-高产出密集型耕作模式（Tuan等人，2011年）。然而，人口增长、资源短缺和环境退化带来的压力暴露了这一系统的根本弱点，包括产量不稳定、资源分配效率低下、土壤养分失衡以及过量的碳排放（Liu，2023年）。这些问题共同削弱了该地区农业的长期韧性和可持续性。因此，寻找能够在保持高生产力的同时提高资源利用效率并减少环境影响的替代种植系统，已成为区域农业可持续转型的紧迫科学和战略重点（Al-Shammary等人，2024年）。
豆科植物由于能够生物固定大气中的氮，并且对合成肥料的依赖程度较低，因此在提高土壤肥力、促进养分循环和减少温室气体排放方面具有巨大潜力（Stagnari等人，2017年）。这些特性使豆科植物成为多样化种植系统和推进农业可持续性的关键组成部分（Zhao等人，2022年）。然而，其主要限制在于其产量通常低于谷物作物。来自多个地区的实证研究表明，在M-W系统中用豆科植物替代玉米往往会降低整体生产力和经济效益，限制了其在主要粮食生产区的应用（Nie等人，2023年；Yang等人，2025年）。为了在生产和生态目标之间取得平衡，玉米-大豆间作成为了一个有前景的替代方案（Du等人，2018年）。然而，在传统的间作配置中，由于作物条带多年保持不变，导致养分利用不均衡和种间竞争加剧，可能会削弱生产力和系统稳定性（Chi等人，2019年；Chi和Dong，2024年）。一些研究甚至表明，这种静态间作可能会降低系统产量（Sun等人，2021年）并增加N2O的排放风险（Raji和D?rsch，2020年）。最近在中国北方（辽宁和山东省）进行的田间实验表明，豆科植物和非豆科植物条带每年轮换的交替间作系统可以同时改善土壤质量、盈利能力和季节性生产力，从而促进可持续农业生产（Chi等人，2023年；Lv等人，2025年；Zou等人，2021年；Zou等人，2023年）。然而，这种动态条带配置在HHHP地区是否也能带来类似的好处仍不确定。此外，还需要研究这种系统是否会对后续的冬季小麦产生持续影响，从而将其效益扩展到整个年度种植周期，进而提高区域农业的长期可持续性。
近年来，关于种植系统可持续性的研究迅速扩展，但大多数研究仍局限于部分目标，通常只关注一个或几个方面，如粮食安全、经济绩效、资源利用效率、温室气体排放或土壤质量（Al-Shammary等人，2024年；Du等人，2018年）。这种碎片化的研究方法往往掩盖了不同可持续性目标之间的关键协同效应和权衡，而这些对于制定有效的农业政策和优化种植实践至关重要（Breure等人，2024年；Cui等人，2021年；He等人，2022年；Yang等人，2023年）。可持续性目标本质上是相互关联的，且经常存在冲突；例如，提高生产力的努力通常伴随着更高的能源消耗和温室气体排放，而减少投入可能会削弱经济效益或损害长期土壤质量和生态系统韧性（Kanter等人，2018年）。因此，基于狭隘关注点制定的管理策略可能会忽视这些权衡，最终降低系统的整体可持续性。为了解决这一限制，有必要系统地整合和定量评估关键指标，包括生产力、经济成果、能源和碳预算、土壤质量以及环境影响，以建立一个全面的框架来评估种植系统的整体可持续性（Xu等人，2024年）。这种方法不仅允许严格比较不同种植系统的综合表现，还明确了可持续性目标之间的相互作用和潜在冲突，为优化区域种植结构、改善资源分配和推进可持续农业发展提供了坚实的科学基础（Yang等人，2025年）。
因此，在安徽省淮北市（HHHP南部的主要种植区）进行了一项为期三年的田间实验，系统地比较了四种种植系统：M-W、夏季种植大豆-冬季种植小麦（S-W）、传统玉米-大豆间作与冬季小麦轮作（M/S(C)-W）以及交替种植玉米-大豆与冬季小麦轮作（M/S(Alt)-W）。本研究的目标是1）从多个方面评估这些系统，包括粮食安全、收益保障、资源效率、减排和土壤质量，从而量化可持续性目标之间的协同效应和权衡；2）将这些维度整合到一个全面的评估框架中，以评估每种种植系统提高整体可持续性的潜力。研究结果有望为选择符合区域发展目标的种植系统提供坚实的科学依据，并为HHHP及类似农业生态系统设计高效、资源节约和低碳的种植策略提供参考。
研究地点
研究地点
这项为期三年的连续田间实验于2022年6月至2025年6月在中国安徽省淮北市遂溪县（33°50′37″ N，116°33′47″ E）进行。该地点位于HHHP的南部，地势平坦，海拔高度为23.5米。该地区具有温暖温带半湿润季风气候，年平均气温约为14.9°C，年平均降水量约为835毫米。根据中国土壤分类标准
作物生产力
夏季作物的产量顺序为M/S(Alt)-W > M/S(C)-W > M-W > S-W（图2；表1）。三年平均来看，两种间作系统的表现均显著优于M-W系统，其中M/S(Alt)-W的谷物产量增加了23.8%，M/S(C)-W的谷物产量增加了13.0%；能源产量分别增加了31.3%和19.5%（P < 0.05）。
对于冬季小麦，S-W系统的产量最高，其次是M/S(Alt)-W和M/S(C)-W系统，M-W系统的产量最低。三年平均来看，M/S(Alt)-W系统的谷物产量
种植系统对系统生产力的影响
本研究表明，在夏季生长季节，间作系统通过增加大豆产量而显著提高了总生产力，同时仅略微降低了玉米产量。这一发现与大量证据一致，这些证据表明谷物-豆科植物间作通过互补的资源利用和积极的生物相互作用提高了土地利用效率（Chi等人，2019年；Du等人，2018年；Yang等人，2025年）。
结论
我们的研究发现，将大豆纳入种植系统可以提高后续小麦的产量，增强土壤的物理化学性质，并减少碳足迹，从而总体上提高了可持续性绩效指数（SPI）。在所评估的系统中，由于夏季大豆的种子产量较低，S-W系统在粮食安全和收益保障方面的表现受到限制。相比之下，M/S(C)-W系统通过提高系统生产力来弥补其较高的投入需求，实现了
CRediT作者贡献声明
陈晓飞：调查、数据管理。孙瑞东：调查、数据管理。雷伟霞：调查。魏建浩：数据管理。孔令聪：项目管理、资金获取。王大刚：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。黄志平：项目管理、资金获取。胡国宇：验证、调查。杜向北：写作——审稿与编辑、初稿撰写
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本项工作得到了国家大豆工业技术体系计划（CARS-04）的财政支持。
