燕麥與豆科作物間作的產量、經濟效益與碳足跡分析

馬懷英 王 上 楊亞東 馮曉敏 曾昭海 任長忠 臧華棟* 胡躍高

(1.中國農業大學 農學院，北京 100193； 2.農業農村部農作制度重點實驗室，北京 100193； 3.吉林省白城市農業科學院，吉林 白城 137000)

吉林省西部地區位于我國干旱半干旱農牧交錯區，盡管耕地與光熱資源豐富，但土地鹽堿化和沙化程度較高，生態環境脆弱[1]。該地區是我國雜糧雜豆的傳統特色種植區域，也是燕麥的主產區之一，但燕麥生產中存在肥料施用過量、碳排放較高、經濟效益低等一系列問題[2]。同時，由于豆科作物收獲后殘茬較少，冬春季節農田地表缺少覆蓋，大風導致揚塵嚴重。因此，構建和優化新型種植制度對解決上述問題具有重要意義。

間作在我國傳統農業生產中占有重要地位，大量研究表明間作可以增加農田生態系統多樣性，提高作物產量和資源利用效率[3]。在豆禾間作系統中，豆科作物具有固氮作用，可在保證自身氮素需求的同時，改善與其間作的禾本科作物的氮素供應[4]，從而降低間作系統氮肥投入。研究表明在吉林省西部地區已經構建了燕麥‖箭筈豌豆、燕麥‖綠豆、燕麥‖花生和燕麥‖大豆等多種間作模式[5-9]。然而前人研究主要集中在不同管理措施下間作模式的產量及經濟效益等方面，針對燕麥與不同豆科作物間作模式的比較研究較少，尤其是基于生命周期評價法(life cycle assessment, LCA)對碳足跡的評價[5-7,9]。因此，限制了該區域以燕麥為核心的豆禾間作模式的優化與推廣。

碳足跡是指某種產品在其生命周期內積累的或生產過程中直接或間接造成的CO2排放總量，以二氧化碳當量表示[10]，通常用LCA評價法對作物生產系統中的碳足跡進行評價[11]。利用LCA評價法對間作系統碳足跡的研究已有系列報道，如：與單作相比，小麥‖玉米可減少約7.0%的碳排放[12]，大豆‖甘蔗單位面積碳足跡減少3.2%～30.4%[13]，花生‖棉花單位面積碳足跡減少11.0%[14]。目前，在我國東北地區關于碳足跡的評價主要圍繞水稻、玉米和大豆等單一作物種植模式[15]，對于燕麥與豆科作物間作模式的碳足跡評價尚未見報道。本研究通過大田試驗結合LCA評價法，定量評估燕麥與不同豆科作物間作模式的產量、經濟效益和碳足跡，旨在篩選出適宜吉林省西部地區的最佳燕麥與豆科作物間作模式，以期為該區域種植制度創新提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在吉林省白城市農業科學院(45°37′ N, 122°48′ E)試驗基地進行。試驗區地處吉林省西部半干旱區，屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為4.9 ℃，年均降雨量為407.9 mm，且季節分布不均，主要集中在7—8月，年均日照時數為2 919.4 h，無霜期為157 d[16]。

1.2 試驗設計

本研究通過2011—2014年系列大田試驗，分別構建燕麥‖綠豆、燕麥‖花生和燕麥‖大豆3種間作種植模式，各間作模式均設置對應的單作種植模式，詳細種植模式與栽培管理，見表1。所有試驗均采用隨機區組設計，每個處理重復4次。供試燕麥及豆科作物品種分別為：燕麥(‘白燕2號’)、綠豆(‘白綠8號’)、花生(‘白院花1號’)和大豆(‘白農12號’和‘96136品系’)，所有作物種子均選取當地主推品種，由白城市農業科學院提供。所有試驗中，燕麥均采用條播，行距30 cm，播種量150～200 kg/hm2。豆科作物采用穴播，行距40～60 cm，株距8～10 cm。各處理不施氮肥，基施磷肥(P2O5)55 kg/hm2、鉀肥(K2O)45 kg/hm2、硫酸亞鐵4.5 kg/hm2、硼酸1.0 kg/hm2，豆科作物種子播前均以根瘤菌(購自寧夏諾德曼公司)拌種，保證充分結瘤固氮。農事管理均參照當地常規進行。

1.3 作物籽粒產量測定和穩定性計算

燕麥測產為每個小區隨機選取2 m2的樣方風干后測定其籽粒產量。

豆科作物測產為每個小區隨機選取2 m雙行，風干后大豆和綠豆測定籽粒產量，花生測定莢果產量。

采用年際間產量變異系數對單作與間作處理中各作物的產量穩定性進行評估[17]，變異系數越高代表作物的年際間產量穩定性越差。

表1 燕麥與豆科作物間作模式下作物栽培及田間管理概況Table 1 Crop cultivation and field management for oat and legumes intercropping systems

1.4 間作作物競爭力計算

采用作物競爭力[18]來計算3種間作模式中燕麥與綠豆、花生和大豆的相對競爭力，計算公式為：

式中：A，燕麥相對于豆科作物的競爭力；Y1s和Y1i分別為試驗中燕麥單作和間作籽粒產量，kg/hm2；Y2s和Y2i分別為試驗中豆科作物單作和間作籽粒產量，kg/hm2；Z1i和Z2i分別為試驗中間作燕麥和間作豆科所占地比例。當A>0時，則表明燕麥競爭力大于豆科作物；當A<0時，則表明燕麥競爭力小于豆科作物。

1.5 土地當量比計算

采用土地當量比(land equivalent ratio, LER)來衡量間作模式的產量優勢[19]。計算公式為：

式中：Y1i和Y1m分別表示燕麥單作和間作的產量，kg/hm2；Y2i和Y2m分別表示豆科作物單作和間作的產量，kg/hm2；LER1和LER2分別代表燕麥和豆科作物的偏土地當量比。

1.6 碳足跡計算方法和經濟效益評價

采用生命周期評價法(life cycle assessment, LCA)對3種間作模式下的單位面積碳足跡進行評估。計算公式為：

式中：CFT，單位面積碳足跡，kg/hm2；i，第i種生產資料；Ai，第i種生產資料的投入量；EFi，第i種生產資料的CO2排放參數，見表2。農資投入為作物種子、化肥和灌溉用電，其中化肥包括磷肥和鉀肥。由于本研究中微肥施用量較少，且目前缺乏標準的微肥碳排放參數數據庫，因此未對其進行碳排放核算。

表2 燕麥與豆科作物間作模式農資投入的碳排放參數Table 2 Carbon emission index of agricultural materialsinput for oat and legumes intercropping systems

首先，根據市場價格將不同豆科作物產量轉化為燕麥當量產量；然后依據碳足跡評價方法，計算不同種植模式單位當量產量碳足跡[20]。不同作物當量產量計算公式如下：

式中：OEY，燕麥當量產量，kg/hm2；PL，豆科籽粒的市場價格，元/kg；PO，燕麥籽粒的市場價格，元/kg；YL，豆科作物產量，kg/hm2。參照當地市場平均價格，燕麥、綠豆、花生和大豆籽粒價格分別為3.0、7.0、6.0和5.0元/kg。

基于作物籽粒產量的單位當量產量碳足跡計算公式為：

式中：CFY，單位當量產量碳足跡，kg/kg；CFT，單位面積碳足跡，kg/hm2；TY，單位面積作物籽粒產量，kg/hm2。

對燕麥與綠豆、花生和大豆間作模式的經濟效益進行核算，總支出包括種子、化肥、機械和勞動力成本等，成本價格根據當地實際情況進行估算。各作物籽粒價格同碳足跡計算。

1.7 數據分析

用Microsoft Excel 2017對各作物產量、土地當量比和經濟效益等數據進行分析。用SPSS 20.0對數據進行統計學分析，用最小顯著差數法(Least Significant Difference, LSD;α=0.05)進行相關數據的多重比較。

2 結果與分析

2.1 燕麥與豆科作物間作和單作的產量

如表3所示，由于間作模式中單種作物的實播面積低于其對應單作處理，因此間作模式中各作物產量均低于其單作。燕麥與綠豆、花生和大豆間作模式中，間作燕麥的平均產量分別為單作燕麥的62.4%(P<0.05)、87.1%(P<0.05)和51.3%(P<0.05)；間作綠豆、花生和大豆的平均產量分別為對應單作處理的55.4%(P<0.05)、54.1%(P<0.05)和64.1%(P<0.05)。3種間作模式相比，燕麥‖花生中燕麥產量下降最少，豆科作物中大豆產量下降最少。

表3 燕麥與豆科作物間作和單作的產量Table 3 Yields of oat and legumes in sole crop and intercropping systems

從不同年際間作物產量穩定性來看，與綠豆、花生和大豆間作的燕麥，其產量變異系數分別為 8.79、25.41和14.72。除燕麥‖大豆間作中燕麥的產量變異系數低于單作外，其他2種間作模式均高于單作。間作綠豆和大豆的產量變異系數分別為8.41和5.15，對應的單作產量變異系數分別為 9.24 和10.97；間作花生的產量變異系數為11.13，對應的單作產量變異系數為4.68。綜上，燕麥‖大豆顯著降低作物的產量變異系數，在年際間具有較高的產量穩定性。

燕麥與豆科作物間的競爭力在年際間表現一致，3種間作模式中，燕麥與綠豆、花生和大豆的平均相對競爭力分別為0.13、0.66和-0.96，表明間作系統中燕麥的競爭力大于綠豆和花生，但小于大豆。不同間作模式中，燕麥對綠豆和花生的相對競爭力變化范圍較大，而對大豆的相對競爭力變化范圍較小。

2.2 燕麥與豆科作物間作的土地當量比

燕麥‖綠豆、燕麥‖花生和燕麥‖大豆均具有明顯的產量優勢，其土地當量比(LER)為1.11～1.63(圖1)。其中，燕麥‖花生和燕麥‖大豆年際間平均LER分別為1.41和1.46，比燕麥‖綠豆(1.19)高18.5%和22.7%。燕麥‖綠豆、燕麥‖花生和燕麥‖大豆3種模式中，燕麥的偏土地當量比分別為0.77、0.87和0.56，占比分別為64.7%、61.7% 和38.4%，表明在燕麥‖綠豆和燕麥‖花生中，燕麥產量對間作優勢的貢獻大于綠豆和花生，但在燕麥‖大豆中，燕麥產量的貢獻小于大豆。

和代表各間作模式中燕麥所占偏土地當量比的最大值和最小值；和代表各間作模式總土地當量比的最大值和最小值。 and represent the maximum and minimum values of partial LER of oat; and represent the maximum and minimum of the total land equivalent ratio of each intercropping pattern.圖1 燕麥與豆科作物間作模式土地當量比Fig.1 Land equivalent ratios of oat and legumes intercropping systems

2.3 燕麥與豆科作物間作和單作的碳足跡

由表4可知，燕麥‖花生和燕麥‖大豆的單位面積碳足跡分別為1 703.2和1 661.2 kg/hm2，比燕麥‖綠豆低18.6%和20.6%。燕麥‖花生和燕麥‖大豆的單位當量產量碳足跡分別為0.35和0.31 kg/kg，比燕麥‖綠豆低40.7%和47.5%。因此，與其他燕麥‖豆科作物間作模式相比，燕麥‖大豆具有較低的單位面積和單位當量產量碳足跡。

表4 燕麥與豆科作物間作模式下單位面積碳足跡和單位當量產量碳足跡Table 4 The carbon footprints of oat and legumes intercropping systems

2.4 燕麥與豆科作物間作和單作的經濟效益

如表5所示，燕麥‖綠豆、燕麥‖花生和燕麥‖大豆的平均經濟效益分別為7 533、12 015和13 673元/hm2。與燕麥單作相比，燕麥‖綠豆、燕麥‖花生和燕麥‖大豆的經濟效益分別增加94.7%、329.1%和264.1%，即間作模式的經濟效益均大于燕麥單作。燕麥‖花生和燕麥‖大豆的平均經濟效益分別比燕麥‖綠豆高59.5%和81.5%，表明燕麥‖大豆模式具有較高的經濟效益。

表5 燕麥與豆科作物間作模式的經濟效益Table 5 Economic benefits of oat and legumes intercropping systems

3 討 論

間作可以有效提高資源利用率，增加作物產量[3]。本研究中，不同燕麥‖豆科作物間作均顯著增加單位面積產量，與Hu等[12]和Fan等[21]的研究結果一致。主要原因是燕麥與豆科作物間作，可通過獲取豆科作物根際沉積氮，促進燕麥營養吸收和生長[22]。盡管受降雨等氣候因素的影響，作物產量在年際間表現不同，但從產量變異系數來看，燕麥‖大豆模式能夠有效提高作物產量穩定性，有明顯的增產和穩產效果。在間作系統中，一般采用LER對系統綜合生產力進行衡量。間作系統的LER通常>1.00，如小麥‖大豆的LER為1.23～1.26[23]，玉米‖花生的LER為1.10～1.16[24]。本研究中，燕麥與綠豆、花生和大豆3種豆科作物間作的LER為1.19～1.46，具有較強的間作優勢。此外，燕麥‖花生和燕麥‖大豆的LER均高于燕麥‖綠豆，可能是因為在燕麥‖綠豆中，綠豆始終處于競爭劣勢地位，導致其產量降低，而在另外2種間作模式中，花生和大豆的生長均未受到明顯抑制。

不同作物間作會產生種間競爭或互補作用，其競爭力決定了不同作物對自然資源的競爭優勢[25]。在大麥‖豌豆中，大麥競爭力大于豌豆，是該系統的主導作物[26]；在玉米‖大豆中，玉米競爭力大于大豆，是該系統的主導作物[27]，表明高稈作物在間作系統中具有更強的競爭優勢。本研究發現燕麥競爭力大于綠豆和花生，是間作系統的主導作物。另外，在豆禾間作系統中，禾本科作物可以刺激豆科作物的共生固氮作用，增加禾本科作物對土壤氮素的吸收，也促進了禾本科作物對光熱等自然資源的利用[28]。但在燕麥‖大豆中，大豆競爭力大于燕麥，為該系統的主導作物，主要是因為燕麥和大豆存在共生期差異，大豆相對于燕麥而言為晚熟作物，在燕麥收獲后，大豆生長得到補償恢復[29]，在一定程度上增加了其對空間資源的利用，從而增加了競爭力。

在農田生態系統中，單位面積碳足跡受生產區域、作物品種及種植模式等一系列因素的影響[30]，因此對農業生產過程中的碳足跡進行評價分析時，需要綜合考慮多種因素。Hillier等[31]研究發現，春燕麥和冬燕麥的單位面積碳足跡分別為1 136.7和1 422.7 kg/hm2。本研究中，燕麥‖綠豆、燕麥‖花生和燕麥‖大豆的單位面積碳足跡分別為2 093.1、1 703.2和1 661.2 kg/hm2，顯著高于發達國家農田生態系統碳排放，主要歸因于人工種植導致的其他農資投入量較高[32]。與單作相比，甘蔗‖大豆的單位面積碳足跡降低3.2%～30.4%[13]，小麥‖玉米的單位面積碳足跡降低7.8%～22.2%[33]，玉米‖花生的單位面積碳足跡降低2.6%～3.8%[34]。本研究中，與燕麥單作相比，3種間作的碳足跡均表現為下降趨勢，表明間作可以降低農田生態系統碳排放。禾本科作物與豆科作物間作時，可以充分利用豆科作物的生物固氮作用，減少由于氮肥生產及施用過程中造成的碳排放[35]。

豆科作物和禾本科作物間作可以提高農田經濟效益。已有研究發現，與單作相比，玉米與花生、綠豆和大豆間作，均具有較高的經濟效益[36-37]。本研究中3種間作模式下的經濟效益均高于燕麥單作，主要原因是間作可提高水肥等自然資源的時空互補利用，從而增加經濟效益[38]。燕麥‖花生和燕麥‖大豆模式中豆科作物產量的大幅提升是這2種模式經濟效益高于燕麥‖綠豆的主要原因。

4 結 論

本研究中3種間作模式均具有明顯的產量優勢，其中燕麥‖花生和燕麥‖大豆增產效應更強。燕麥的相對競爭力大于綠豆和花生，但小于大豆。燕麥‖花生和燕麥‖大豆的單位面積碳足跡分別為1 703.2和1 661.2 kg/hm2，經濟效益分別為 12 015 和13 673元/hm2，單位面積碳足跡比燕麥‖綠豆低18.6%和20.6%，經濟效益比燕麥‖綠豆高59.5%和81.5%。燕麥‖大豆顯著降低年際間產量變異系數，增加產量穩定性。綜上所述，燕麥‖大豆具有較強的增產穩產效果和較低的單位面積碳足跡。