鹰嘴豆中的食物-能量-利润-碳（Food–Energy–Profit–Carbon）耦合关系：通过播期与秸秆覆盖管理提高终花热胁迫下的产量与可持续性

《Cleaner and Circular Bioeconomy》：Food–energy–profit–carbon nexus in chickpea: Enhancing yield and sustainability under terminal heat stress through sowing date and mulch management

　　

终花热胁迫（terminal heat stress）通过缩短鹰嘴豆的生殖生长期并降低资源利用效率，威胁着南亚地区的鹰嘴豆生产，然而能够同时提高产量、经济效益和环境可持续性的实用策略尚不明确。为此，研究人员开展了一项为期两年的田间试验，设置了三个播期（11月1日、11月20日和12月10日）和四个秸秆覆盖量水平（0、2、4和6 t ha^-1）。结果表明，早播（11月1日）在规避终花热胁迫方面最为有效，与晚播（12月10日）相比，种子产量提高达19.3%，秸秆产量提高22.8%，净收益增加47.7%。能量动态同样得到优化，早播条件下记录到显著更高的 energy output（64,693 MJ ha^-1）、net energy（55,117 MJ ha^-1）、energy use efficiency（6.76）和 energy profitability（5.76）。同样重要的是，4–6 t ha^-1的秸秆覆盖使种子产量提高18.4–21.7%，灌溉和除草能量分别降低24.3%和83%，并将能量平衡转向可再生投入。从碳视角来看，早播使碳产出增加21.7%并提高了 carbon sustainability index（4.24），而覆盖措施使碳投入降低约11%，碳产出提高约17%，并将 carbon footprint 降至0.50 kg CO₂-e kg^-1种子产量。这些发现强调了将播期与有利温度条件相协调以及采用适度秸秆覆盖作为双重策略的重要性，以提高生产力的同时降低温室气体强度，从而为终花热胁迫下可持续鹰嘴豆生产提供一条气候智慧型路径。

该研究聚焦于终花热胁迫下鹰嘴豆生产系统中食物-能量-利润-碳的耦合关系，旨在通过播期与秸秆覆盖管理的优化，实现产量提升与可持续性的协同。研究背景方面，粮食、能源与环境安全是二十一世纪最紧迫的全球性挑战之一，尤其在干旱和半干旱地区，气候变化正日益威胁农业生产力的稳定性。气温升高、降雨不规律及极端天气事件加速资源退化并降低作物生产力，进而破坏粮食供应与资源利用效率。鹰嘴豆作为一种冷季豆科作物，在南亚、非洲及地中海地区广泛种植，其对生殖期高温极为敏感。在南亚和地中海地区，鹰嘴豆多依赖残墒雨养栽培，终花热胁迫与开花及灌浆期重合，严重缩短生殖窗口并阻碍种子发育。开花和结荚期超过30°C的阈值会加速发育进程、减少同化物分配并限制碳固定，而较凉爽的温度条件（约20–26°C）则有利于高效生物量积累与能量捕获。此外，由于劳动力限制、作物轮作安排或气候变率导致的延迟播种，常使作物遭遇超适温条件，加剧产量损失并降低投入利用效率。

在此背景下，研究人员于印度旁遮普农业大学卢迪亚纳校区的豆科研究农场开展了为期两年（2021–2022年和2022–2023年）的田间试验。该区域位于印度-恒河平原中部，属亚热带半干旱气候，是南亚主要的鹰嘴豆种植区之一，其热力和水分条件与印度北部及巴基斯坦东部部分地区相似，使其成为评估终花热胁迫缓解管理策略的基准地点。试验采用裂区设计，主区因素为三个播期（11月1日、11月20日和12月10日），副区因素为四个水稻秸秆覆盖水平（0、2、4和6 t ha^-1）。研究旨在独立评估播期和秸秆覆盖的主效应对鹰嘴豆生产力、经济收益、能量动态及碳足迹的影响，核心假设为早播可缓解终花热胁迫并提高产量与能量生产力，而秸秆覆盖可通过降低不可再生能源使用和碳足迹进一步改善系统表现。

关键技术方法方面，研究人员采用了田间裂区试验设计结合能量-碳统一核算框架的方法体系。具体包括：基于标准能量当量系数（主要来自 Devasenapathy 等（2009）、Dagistan 等（2009）、Kumar 等（2021）、Rajanna 等（2023）及 Pradhan 等（2025）的 South Asian 半干旱及亚热带环境研究）将各类农业投入和产出转化为能量单位（MJ），计算能量投入、能量产出、净能量、能量利用效率（EUE）、能量生产力（EPD）、能量强度（EIN）、能量盈利能力（EPR）等指标；采用碳当量（CE）系数（源自 Lal（2004）、Jensen 等（2014）、Tilman 等（2001）及 Singh 等（2022）、Kumar 等（2023）、Rajanna 等（2023）的 South Asian 农业生态系统更新数据）量化各投入的碳排放，计算总碳投入、碳产出（基于地上部生物量种子+秸秆，按44%碳含量估算）、碳效率、碳足迹（CF）及碳可持续性指数（CSI）；使用 Fisher's 最小显著差数法（LSD，p=0.05）进行统计比较。

研究结果部分：

作物生产力：播期和秸秆覆盖的主效应均显著，但交互作用不显著。11月1日播种的种子产量较11月20日和12月10日分别高约7.8%和19.3%，秸秆产量分别高6.2%和22.8%。4 t ha^-1和6 t ha^-1覆盖处理表现相当，种子产量较无覆盖分别高18.4%和21.7%，较2 t ha^-1高约6%；秸秆产量分别高13.1%和14.7%。

经济效益：11月1日播种的毛收益和净收益较11月20日分别高8.6%和13.9%，较12月10日分别高23.5%和47.7%， benefit-cost（B:C）比率也显著更高。4 t ha^-1和6 t ha^-1覆盖的盈利能力相当，且显著优于0和2 t ha^-1处理。

能量消耗格局：鹰嘴豆栽培总平均能量投入为10,531 MJ ha^-1，间接不可再生来源（化肥、化学品、机械、养分）和直接可再生来源（柴油）分别约占36%和28%。随着覆盖量增加，可再生能量来源比例上升。灌溉能量随播期延迟而降低，但这是由于生育期缩短所致。操作层面，整地是最大且恒定的能量投入来源（3,855 MJ ha^-1），而灌溉、中耕操作和覆盖应用能量因处理而异。秸秆覆盖使灌溉能量从2,236 MJ ha^-1（无覆盖）逐步降至1,692 MJ ha^-1（6 t ha^-1），除草能量从260 MJ ha^-1降至45 MJ ha^-1。

能量产出与利用指数：11月1日播种的能量产出（64,693 MJ ha^-1）显著高于11月20日（高6.8%）和12月10日（高21.4%），净能量（55,117 MJ ha^-1）、能量利用效率（6.76）、能量生产力（0.18 kg MJ^-1）和能量盈利能力（5.76）也最高，而 specific energy（5.51 MJ kg^-1）最低。6 t ha^-1覆盖的能量产出（63,381 MJ ha^-1）和净能量（54,136 MJ ha^-1）最高，与4 t ha^-1相当且显著优于0和2 t ha^-1；其能量利用效率（6.85）和能量盈利能力（5.85）最高，specific energy（5.34 MJ kg^-1）最低。

碳预算：源-wise 碳投入格局显示，人工、柴油、种子、化肥、机械、化学品在各处理间贡献相似，但灌溉、中耕操作和覆盖应用的碳投入因处理而异。灌溉碳投入在早播条件下较高，但随覆盖量增加而降低，从353 kg CO₂-e ha^-1（无覆盖）降至273 kg CO₂-e ha^-1（6 t ha^-1）。11月1日播种的碳产出（7,860 kg CO₂-e ha^-1）较11月20日高6.8%、较12月10日高21.7%，碳效率（5.24）和碳可持续性指数（4.24）最高，碳足迹（0.53 kg CO₂-e kg^-1当量产量）最低。秸秆覆盖使总碳投入从974 kg CO₂-e ha^-1降至862 kg CO₂-e ha^-1，碳产出从6,566 kg CO₂-e ha^-1增至7,693 kg CO₂-e ha^-1；6 t ha^-1覆盖的碳效率（5.52）和碳可持续性指数（4.52）最高，与4 t ha^-1相当；4和6 t ha^-1覆盖的碳足迹最低（0.50 kg CO₂-e kg^-1当量产量）。

讨论部分总结与结论翻译：

作物生产力与盈利能力：11月1日早播的更高产量源于关键生育期更有利的农业气候条件，避免了终花热胁迫，支持了更好的光合活动和同化物向产量的分配。延迟播种使作物在生殖期遭遇超适温（>30°C），加速了发育进程、缩短了生物量积累并降低了碳同化效率。这些结果强调播期不仅调控产量，还调控整个能量-碳平衡。4–6 t ha^-1覆盖通过增强土壤水分保持和抑制杂草，提高了水分利用效率和资源可得性，维持了生殖期的土壤水分，降低了冠层温度和 vapor pressure deficit，缓解了水分和热胁迫。覆盖还改善了地下生物功能，刺激微生物活性、加速残茬分解、增强养分矿化，间接促进生物量生产和产量。

能量预算：早播的有利温度（20–26°C）和土壤水分支持了更长的光合持续期和更大的生物量积累。晚播虽因生育期缩短而灌溉能量投入总量较低，但瞬时蒸腾需求高且终花热胁迫限制了生物量积累和能量利用效率。秸秆覆盖通过减少土壤蒸发和稳定微气候，降低了灌溉和中耕操作需求，物理阻隔抑制了杂草竞争，减少了除草能量投入；改善的微生物活性和根系发育提高了单位能量投入的产出。能量利用效率和能量盈利能力在4 t ha^-1覆盖后无显著增益，表明该水平已足够。

碳预算：早播的较高灌溉碳投入源于更长生育期累积的灌溉需求，但凉爽温度支持了更高效的光合作用和碳同化，避免了终花热胁迫，使碳产出更高、碳足迹更低。覆盖通过稳定土壤水分、调节土温波动、降低灌溉需求约22.7%及减少除草碳排放，显著降低了碳投入；同时改善的土壤水分和养分保持增强了生物量生产，使碳产出提高约17.2%。这些效应共同改善了碳投入结构，减少了对化石燃料灌溉和田间作业的依赖，增加了可再生投入比例。播期与覆盖的交互作用不显著，说明两者独立发挥作用：早播主要通过延长高效光合作用期提高碳产出，而秸秆覆盖主要通过限制灌溉和中耕能量使用来降低碳投入。

集成食物-能量-利润-碳耦合关系：研究表明鹰嘴豆生产力、能量动态、盈利能力和碳可持续性密切相关而非孤立运作。改善作物生产力的管理措施同时影响能量利用模式、经济收益和碳平衡，建立了终花热胁迫下的功能性食物-能量-利润-碳耦合关系。早播通过改善作物物候与环境的温度同步性，增强了光合活动、生物量积累和同化物分配，从而提高产量；生物量增加进而提升能量产出和净能量回报；同时更高的生物量积累增强了碳产出并改善碳可持续性，因产量增加使单位产量的碳足迹降低。秸秆覆盖通过改善土壤水热条件，减少蒸发、保蓄水分、抑制杂草，降低了灌溉和中耕能量需求，减少化石燃料消耗及相关碳排放；同时维持的土壤水分支撑了生殖生长和生物量积累，进一步提高生产力和盈利性。

研究结论部分翻译如下：

研究结果明确表明，鹰嘴豆生产力、盈利性、能量平衡和碳可持续性受播期和秸秆覆盖管理的强烈调控。早播（11月1日）始终比较晚播种提供6–21%的更高产量、9–48%的更高经济收益和7–21%的更高能量产出，这归功于开花和灌浆期避免了终花热胁迫。同样，4–6 t ha^-1的秸秆覆盖显著减少了灌溉和中耕能量使用，改善了土壤水分保持，并较无覆盖地块提高产量18–22%。这些改善转化为碳产出增加约17%和碳投入降低约11%，从而使碳足迹减少0.03 kg CO₂-e kg^-1种子产量。研究结果确立了通过早播使鹰嘴豆物候与有利温度条件同步，结合适度秸秆覆盖，能够创建一个互补且资源高效的生产系统，在维持高产的同时最大化能量和碳效率。这一双重策略不仅支持农场盈利性，还通过降低温室气体排放和优化可再生能源使用，推进了气候智慧型农业。研究进一步揭示，粮食生产、能量效率、盈利性和碳可持续性之间存在正向关联，生物量产量的提升同时增强了经济收益并降低了碳排放强度。这证明了综合农艺管理在强化终花热胁迫下食物-能量-利润-碳耦合关系中的重要性。尽管"11月1日"是本研究卢迪亚纳（旁遮普）条件下的最优播期，但其底层原理具有区域可转移性——即鹰嘴豆应足够早播以确保生殖发育在适度温度（约20–26°C）下进行。因此，确切的日历日期可能因南亚农业生态区的纬度、土壤类型和冬季 onset 而略有差异。这种气候调适有助于改善具有相似半干旱气候条件的农业生态区鹰嘴豆对终花热胁迫的适应性。