农业可持续生产面临着平衡经济效益与环境健康的挑战,在中国生态脆弱的西北旱作农业区的矛盾尤为突出。中国种植了全球25%的马铃薯,其中接近50%集中在西北旱作农业区。然而,水资源严重短缺、土壤肥力低下、土壤质量下降是限制该地区马铃薯生产的主要因素。作物多样化轮作被认为是一种能够平衡农民收益与生态经济效益,实现可持续农业的有效措施。评估不同种植模式的综合效益指数对于实现西北生态脆弱区农业可持续生产至关重要。通过空间上优化作物种植格局,可将中国农业可持续发展指数提高23%～40%,但在西北旱作农业区域内最佳作物种植比例尚不清晰。试验地位于甘肃省定西市团结镇,在低和中等土壤肥力区上进行,代表了西北旱区85%的耕地情况。低肥力区开始于2012年结束于2021年;中肥力区开始于2013年结束于2022年。试验采用完全随机区组设计,每个处理重复3次,包括4种种植模式:马铃薯连作(Potato continuous cropping,PC)、小麦/绿肥-马铃薯(Wheat/green manure-potato,WgP)、豌豆/绿肥-马铃薯(Pea/green manure-potato,P_gP)、小麦/绿肥-豌豆/绿肥-马铃薯(Wheat/green manure-Pea/green manure-potato,W_gP_gP)。采用康奈尔土壤健康评价体系确定10年轮作后土壤健康指数;结合生命周期评价(Life cycle assessment,LCA)量化种植模式的环境排放;采用熵权-TOPSIS(Technique for order preference by similarity to ideal solution)法确定综合评价指数(Comprehensive evaluation index,CEI)以探究适宜该区域的最佳种植模式;并进一步利用非支配排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)对区域种植结构进行优化。研究结果表明,轮作显著提高了土壤健康指数,增幅为13.1%～63.4%。同时提高下茬马铃薯产量和净经济效益(Net economic benefit,NEB),分别增加了15.0%～38.2%和30.6%～41.9%。然而,轮作导致年均当量产量和NEB分别下降了23.3%～45.0%和11.7%～45.9%。此外,轮作减少了11.2%～26.1%的水分消耗,温室气体(Greenhouse gas,GHG)排放降低了33.6%～59.3%,下茬马铃薯养分利用效率提高了12.8%～38.4%,净生态经济效益(Net ecological economic benefit,NEEB)提高了36.3%～47.6%。CEI的排序为P_gP(41.5%)>W_gP_gP(33.2%)>W_gP(17.3%)>PC(9.7%)。调整西北旱作农业区作物种植结构,扩大豌豆和马铃薯轮作面积,可协同减少养分和水分消耗,降低GHG和活性氮(Reactive nitrogen,Nr)排放,同时提高作物产量和NEB。研究为旱作农业区提供了一个可持续的粮食生产实践范例,强调了轮作在提高作物产量、改善土壤健康以及碳氮减排中的重要性,为区域农业的绿色长效发展提供了理论依据。