《Crop and Environment》：Review of the advancement and challenges of wheat-maize double cropping system in China
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本文系统综述了中国黄淮海平原小麦-玉米两熟制的发展历史、作物管理实践、产量表现、氮水投入、土壤改良及其在可持续农业集约化中的潜力。该体系作为我国重要集约种植模式，兼具高产、高效、环境友好等优势，但也面临水分氮肥管理优化、气候变化适应等挑战。未来需从系统优化、节水节肥技术创新、耐逆品种选育等方面，提升其韧性与可持续性。
粮食生产与种植体系演变
面对全球粮食短缺、气候变化与耕地资源紧张等多重压力，探索并优化种植体系以实现农业可持续发展至关重要。多重种植，特别是两熟制，作为一种高效的农作实践，因其能够显著提高光热资源利用率、促进养分循环、节约劳动力并提升产量，在全球范围内得到广泛应用。其中，中国黄淮海平原的冬小麦-夏玉米两熟制，是我国最大的两熟制体系，在保障国家粮食安全方面扮演着不可替代的角色。
两熟制的核心管理实践
小麦-玉米两熟制的成功实施，离不开精细化的田间管理。在播种与收获安排上，冬小麦通常在10月中旬播种，次年6月初收获；夏玉米则在麦收后立即播种，9月下旬收获，为下茬小麦留出约7-10天的整地时间。适期播种对作物充分利用有利气候条件、实现产量潜力至关重要。
耕作与秸秆还田是另一项关键措施。传统上，玉米收获后种麦前会进行约25厘米深的翻耕，而麦收后种玉米则多采用免耕。近年来，以减少土壤扰动、保护土壤结构为核心的保护性耕作（如旋耕、深松）以及秸秆全量还田技术逐渐推广。这些措施有助于改善土壤结构、增加土壤有机碳（SOC）固存、提升土壤肥力，并带来显著的农学与生态效益。
在养分管理方面，该体系对氮（N）素需求高。过去农民为追求高产往往过量施氮（每季300-350 kg N ha-1甚至更高），导致氮素利用效率（NUE）低下及一系列环境问题。研究表明，将施氮量优化至小麦180-240 kg N ha-1、玉米150-225 kg N ha-1，或在周年尺度上将总施氮量控制在420 kg N ha-1左右，可在基本不影响产量的同时，大幅降低活性氮损失和N2O排放。
水管理是该体系面临的突出挑战。黄淮海平原降水分布不均，约70%的降雨集中在7-9月的玉米生长季，导致冬小麦季严重缺水，约70%的需水依赖抽取地下水灌溉，引发了地下水位骤降等问题。过量灌溉不仅浪费水资源，还导致土壤养分淋失和温室气体排放增加。通过实施节水灌溉策略，如将灌溉次数从四次减少到两次（重点保证播前和拔节期供水），或采用微喷灌、地下滴灌等高效技术，可以显著减少灌溉水量（节省30%-50%），提高水分利用效率（WUE），同时维持甚至提高产量。
水氮协同效应对产量和资源利用效率具有重要调控作用。水分状况直接影响土壤氮素转化和作物吸氮能力；反之，氮素有效性也能刺激根系生长，增强作物吸水能力。集成水肥管理（如水肥一体化）被认为是减少氮素气态损失和淋溶、同步提高WUE和NUE的有效途径。
对土壤质量的改良效应
长期实施小麦-玉米两熟制能对土壤物理、化学和生物性质产生多方面的积极影响。在物理性质方面，小麦（深根系）和玉米（相对浅根系）在根系构型上的互补，促进了土壤剖面不同层次水分和养分的协同利用，有助于改善土壤结构。与单一种植相比，轮作能够降低土壤容重、增加孔隙度，并提高>2毫米大团聚体的比例，从而增强土壤结构的稳定性。
在化学性质方面，该体系，特别是结合秸秆还田措施，能显著促进土壤有机碳的积累。相比棉花连作，小麦-玉米轮作可使SOC储量增加8.4%。土壤有机碳是维持土壤肥力、影响作物产量和温室气体排放的关键因素。
在土壤生态功能方面，轮作改变了土壤微生物群落结构和功能。作物对根际微生物具有强烈的选择性，小麦-玉米轮作能够富集特定的有益功能微生物（如Niabella_Hub9和Dokdonella_Hub24），这些关键微生物“枢纽”被证实能正向驱动小麦产量的形成。同时，轮作也调节着参与碳、氮、磷转化的土壤胞外酶（如β-葡萄糖苷酶、磷酸酶等）的活性，进而影响土壤养分循环。
可持续性与韧性面临的挑战
尽管小麦-玉米两熟制优势明显，但其可持续性和韧性仍面临严峻考验。首先，水资源短缺与气候变化是核心限制因子。黄淮海平原干旱、高温、干热风、玉米生长后期渍涝等灾害频发，需通过选育耐逆品种、优化耕作施肥措施以及利用遥感技术进行精准监测预警来增强系统适应性。
其次，过度依赖水肥投入的现状亟待改变。在“双减”政策背景下，推广基于土壤测试的精准施肥、部分替代化肥的有机无机配施、以及微喷灌/地下滴灌等高效灌溉技术，是减少环境足迹、实现绿色生产的关键。
再者，社会经济因素也构成约束。以小农户为主的精耕细作模式是环境退化的主要驱动因素之一。适度扩大经营规模、推动高标准农田建设、加强对农民的技术培训、并引导多方利益相关者（农户、企业、政府、科研机构等）共同参与，对于平衡粮食生产与环境保护至关重要。
未来展望与发展方向
展望未来，提升小麦-玉米两熟制的韧性与可持续性需多管齐下。在系统优化层面，可探索“春玉米→冬小麦-夏玉米”两年三熟等替代模式，以更好地匹配降水分布，降低小麦季灌溉需求，提高周年水分利用效率。
在技术创新层面，应大力推广节水灌溉技术（如交替湿润干燥、亏缺灌溉、地下滴灌）和新型肥料产品（如添加硝化抑制剂、聚合物包膜、纳米技术），实现水肥资源的精准调控。
在管理优化层面，通过调整冬小麦播期和夏玉米收获期，可以实现周年降雨与作物需水在时空上的更好匹配，从而减少灌溉消耗。研究表明，将冬小麦播期和夏玉米收获期各推迟15天，可提高周年产量和WUE。
此外，未来研究还应聚焦于：培育高产、优质、抗逆、资源高效的作物新品种；整合遥感、大数据与人工智能技术，建立精准高效的水氮管理方案；以及改善耕地土壤的理化生物性状，从根本上提升该种植体系的生产稳定性和系统韧性。
