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华北平原粮食生产高投入高产出导致了巨大的资源环境压力和生态代价。传统麦玉两熟制所导致的地下水位日趋下降、农田温室气体排放加剧和经济效益低下等都严重威胁着农田生态健康与农业可持续发展。针对这些问题,于2003年在中科院栾城试验站开展了替代轮作种植模式的田间定位研究,具体模式包括：①粮棉薯模式(甘薯→棉花→甘薯→冬小麦-夏玉米)；②粮棉油模式(黑麦草-棉花→花生→冬小麦-夏玉米)；③粮油模式(花生→冬小麦-夏玉米)；④麦玉模式：(冬小麦-夏玉米)(对照)⑤棉花连作模式(对照)。基于2003-2014年共12年的试验数据,结合土壤水量平衡模型,对不同种植模式的农田水分消耗特征,周年地下水净消耗量及对地下水位的影响、经济水分利用效率等节水效益以及轮作节水机理进行了深入探讨,并利用“农田生态系统碳足迹”方法,评价了不同种植模式的固碳减排效果。主要研究结论如下：(1)合理的替代轮作模式有明显节水效果。5种种植模式年均周年耗水量由大到小依次为麦玉模式(724.5mm)>粮棉油模式(647.4mm)>粮油模式(615.0mm)>粮棉薯模式(560.6mm)>棉花连作模式(522.5mm)。与麦玉模式相比,粮棉薯模式、粮油模式、粮棉油模式分别节水22.6%、15.1%和10.6%,粮棉薯模式为最具节水潜力的轮作制度。(2)不同作物轮作产生了土壤水分的时空互补。①上茬生育期降水与需水耦合度高的作物(如棉花、花生、甘薯等)可为下茬作物冬小麦提高良好的水分条件,达到时间上的土壤水分互补。②与麦玉模式相比,粮油模式、粮棉油模式、粮棉薯模式的周年灌溉量分别减少90mm、45mm、116mmm,三种模式0-120cm土壤贮水量变化与麦玉模式无明显差异,但120-180cm土层土壤贮水量变幅较小且高于麦玉模式,故与耗水层次浅的作物轮作,可为冬小麦等后茬深根作物的生长提供良好的水分环境,实现空间上的土壤水分互补。(3)合理的替代轮作模式可有效缓解地下水位的下降。5种种植模式导致的年均地位水位下降量从大到小依次为：麦玉模式(1.20myr-1)>粮棉油模式(0.84myr1)>粮油模式(0.70myr1)>粮棉薯模式≈棉花连作模式(0.40m yr-1)。麦玉模式导致的年均地下水位变化值分别是粮棉油模式、粮油模式、粮棉薯模式的1.4倍、1.7倍和3倍。在兼顾粮食作物、经济作物、饲料作物情况下,粮棉薯模式导致的地下水位累积下降量最低。若近10年来,用粮棉薯模式全部替代传统高耗水的麦玉模式,可节约7m的地下水资源。(4)合理的替代轮作模式能有效降低农田碳足迹。5种种植模式的单位面积、单位生物量、单位经济产值碳足迹的评价结果均显示为：麦玉模式>粮油模式>粮棉油模式>粮棉薯模式≈棉花连作模式。粮棉薯模式具有最低的单位面积碳足迹、单位生物量碳足迹、单.位经济产值碳足迹,分别为3971.45kg CO2eq hm-2yr-1,0.24kg CO2eq kg-1yr-1,0.22kg CO2eq￥-1yr-1,分别为麦玉模式相应值的30.6%、26.7%和21.4%。因此,在华北平原发展多样化的种植制度是该地区节能减排,发展农业的清洁能源生产的最主要途径。(5)合理的替代轮作模式具有更高经济效益和经济水分利用效率。粮棉薯模式的年均经济效益最高,为麦玉模式的2.4倍；粮棉油、粮油及棉花连作模式的经济效益分别为麦玉模式的1.6倍、1.4倍和1.3倍。5种种植模式轮作周期内的年均经济水分利用效率由高到低依次为粮棉薯模式(11.0￥m-3)>粮粮油模式(8.5￥m-3)>粮油模式(7.3￥m-3)>麦玉模式(5.5￥m-3)≈棉花连作模式(5.2￥m-3)。发展多样化的轮作模式可有效提高单位水分消耗的经济回报。在华北平原发展科学的轮作替代种植模式是缓解地下水位迅速下降、促进该地区种植业节能减排、增加农田经济效益,同时又可适度保证粮食生产量的重要途径之一。