与纯种作物相比，覆盖作物混合物的幼苗出土活力、建立成功率以及生物量产量的稳定性

《Field Crops Research》：Seedling emergence vigor, establishment success, and biomass yield stability of cover crop mixtures compared to pure stands

覆盖作物混合种与纯种在种子萌发、生物质产量及生态系统服务中的差异研究。两年田间试验表明，混合种在稳定生物质产量（2021-2022年土地等效比1.44）和应对不利气候方面优于纯种，尤其在Brassica-Fabaceae组合中，通过互补功能提升土壤覆盖（最高100%）、抑制杂草（降幅达100%）及氮素固定（203 kg N·ha?1）。混合种通过缓冲气候波动（2020-2021年降雨量298 mm vs 379 mm）和减少单种作物风险（如2021年印度芥菜苗期冻害），显著提高氮素利用效率（r=0.61）和土壤有机碳积累。建议在气候不确定性高的地区推广Brassica-Fabaceae混合模式。

　　### 本文解读：覆盖作物混作与纯作对生态服务的潜力与挑战

覆盖作物（Cover Crops, CCs）在温带地区具有增强农业系统可持续性的潜力。然而，由于不利的天气条件，覆盖作物的建立往往面临挑战，这成为其广泛应用的主要障碍之一。覆盖作物混作（mixtures）被认为可以降低建立失败的风险，从而减少生物质产量的时空波动，这对稳定提供生态系统服务至关重要。然而，目前仍不清楚覆盖作物混作是否比纯作更具优势，以及是否更成功的建立能带来更高的生物质产量和更全面的生态服务。因此，本研究旨在分析覆盖作物混作与纯作之间的种子萌发动态、最终萌发率和萌发活力（即萌发速度），探讨萌发成功与最终生物质产量之间的关系，并评估混作与纯作对土壤覆盖、杂草控制、氮素截留和氮肥绿肥服务的影响。

#### 覆盖作物混作与纯作的生态系统服务潜力

覆盖作物在温带地区常被用于实现传统作物轮作的多样化。在这些地区，覆盖作物通常在轮作间隔期种植，即在收获主作物和播种下一季作物之间。其关键目标包括减少硝酸盐淋失和地下水污染、改善土壤性质和防止水土流失、提升土壤有机质和碳储存、以及提高养分可用性。在覆盖作物终止后，它们可以被翻入土壤或作为覆盖物保留。覆盖作物混作被认为能通过功能互补性提高生态系统服务的效率，并缓冲不良效应。然而，尽管覆盖作物混作具有潜力，并且受到欧盟政策的支持（如欧盟法规641/2014），其在温带地区的应用仍受到限制。覆盖作物的建立失败，尤其是由于不利天气条件，是其推广的主要障碍之一。此外，实践中覆盖作物大多以纯作形式种植，这可能影响其生态服务的稳定性。

#### 研究背景与目标

在法国西南部，覆盖作物的生长周期通常从8月持续到4月，平均只有38%的土壤被覆盖。这种不充分的土壤覆盖增加了土壤侵蚀和硝酸盐淋失的风险，导致需要大量矿物氮肥（例如，小麦和谷物玉米分别需要169和184公斤/公顷的氮肥）。因此，研究如何通过混作提高覆盖作物的建立成功率和生态服务提供具有重要意义。

覆盖作物主要包括十字花科（Brassicaceae）、豆科（Fabaceae）和禾本科（Poaceae）植物。这些植物在农业生态系统中提供不同的服务，如十字花科植物通常作为氮素截留作物，豆科植物则通过生物固氮提供氮肥，而禾本科植物则在土壤中高效吸收氮素。由于矿物氮肥成本的上升，豆科覆盖作物受到越来越多的关注，以减少氮肥投入。然而，豆科植物的C/N比通常较低（<25），能够在生长后期快速释放氮素，而非豆科覆盖作物（如十字花科和禾本科）则通常具有较高的C/N比（>25），在生长后期才动员氮素。因此，混作可以结合不同作物的优势，如豆科植物的固氮能力和十字花科植物的快速生长，从而优化氮素的获取和释放。

#### 研究方法与实验设计

本研究在法国西南部的INRAE实验站进行了为期两年的田间试验（2020–2022），测试了11种纯作和6种两物种混作的十字花科、豆科和禾本科植物。覆盖作物在秋季播种，并在8个月内生长，随后通过破碎机或滚筒碾压终止。终止后，覆盖作物被翻入土壤，并进行收获。研究采用了方差分析（ANOVA）对数据进行统计分析，以评估不同处理间的差异。

实验设计包括两种不同的覆盖作物混作，其中一种是十字花科与豆科植物的混作，另一种是豆科与非豆科植物的混作。覆盖作物的播种密度根据其纯作密度调整，每种植物在混作中以50%的纯作密度播种。此外，研究还考虑了土壤结构、播种深度、气候条件和土壤肥力等因素对覆盖作物建立的影响。

#### 研究结果与分析

研究结果表明，覆盖作物的建立成功率在不同年份和不同作物种类之间存在显著差异。例如，在2020–2021年，由于不利的气候条件，十字花科植物的建立成功率较低，而豆科植物的建立成功率相对稳定。在2021–2022年，气候条件改善，覆盖作物的建立成功率显著提高，尤其是十字花科植物。然而，覆盖作物混作与纯作在建立成功率上没有显著差异，这表明混作并不能显著提高种子萌发的活力。

覆盖作物的最终生物质产量在不同年份和不同作物种类之间也存在显著差异。例如，在2020–2021年，豆科植物的生物质产量较高，而在2021–2022年，十字花科植物的生物质产量显著增加。混作在某些情况下表现出更高的稳定性，例如，十字花科与豆科混作在2021–2022年显示出更高的生物质产量，而豆科与非豆科混作则在2020–2021年表现较弱。这表明混作的生态服务潜力可能受到年份和作物种类的显著影响。

此外，研究还发现，覆盖作物混作在土壤覆盖、杂草控制和氮素截留方面表现出与纯作相似的效果。例如，在2021–2022年，所有覆盖作物都能有效减少杂草生物量，达到100%的杂草抑制效果。同时，覆盖作物能够通过氮素截留和/或绿肥作用提供氮肥，与未种植覆盖作物的休耕处理相比，氮素捕获量可达203±18公斤/公顷。这些结果表明，覆盖作物在减少氮肥投入方面具有重要潜力。

#### 生态系统服务的稳定性与多样性

覆盖作物混作在生态系统服务的稳定性方面表现优于纯作。例如，混作在不同年份和不同环境条件下能够提供更稳定的生物质产量，这可能与其功能互补性有关。混作中包含至少一种耐胁迫的物种时，其稳定性会显著提高。此外，混作在某些情况下能够实现超越纯作的产量（即“超越产量”），但在其他情况下则可能因竞争关系而表现出较低的产量。

研究还发现，覆盖作物的建立成功率与其最终生物质产量之间存在显著的正相关关系。例如，十字花科植物的建立成功率与最终生物质产量呈正相关（r = 0.61, p < 0.001），而豆科植物的建立成功率则与后期气候条件密切相关。因此，选择具有较高建立成功率的作物组合可能有助于提高覆盖作物的生态服务潜力。

#### 研究的生态意义与农业应用

研究结果表明，覆盖作物混作在农业系统中具有重要的生态意义。首先，混作能够提高土壤覆盖率，减少土壤侵蚀和氮素流失。其次，混作能够通过功能互补性提高氮素捕获和释放的效率，从而减少对矿物氮肥的依赖。此外，混作在某些情况下能够提供更稳定的生物质产量，这对于维持土壤有机碳含量和生态系统服务的持续性至关重要。

在农业实践中，覆盖作物混作可能成为一种重要的可持续农业策略。尤其是在高投入管理、气候不确定性较高的系统中，混作能够确保良好的建立、稳定的生物质产量和关键的生态系统服务。然而，当前覆盖作物混作的推广仍受到限制，这可能与农民对混作成本的担忧有关。因此，研究如何优化覆盖作物混作的播种密度和物种比例，以提高其建立成功率和生态服务的稳定性，对于可持续农业的推广具有重要意义。

#### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究提供了覆盖作物混作与纯作之间关系的重要数据，但仍存在一些局限性。例如，研究仅关注了两种主要作物类型（十字花科和豆科）的混作，未涵盖其他可能的作物组合。此外，研究未充分探讨不同播种密度对覆盖作物混作性能的影响，这可能限制了其在实际应用中的推广。因此，未来的研究需要进一步评估不同作物组合、播种密度和管理措施对覆盖作物性能的影响，以提供更全面的农业可持续性策略。

此外，研究还发现，覆盖作物混作的生态服务潜力可能受到土壤肥力和气候条件的显著影响。例如，在高氮素土壤中，十字花科植物可能因竞争优势而表现出更高的产量，而在低氮素土壤中，豆科植物可能更具优势。因此，农业实践应根据土壤条件和气候条件调整覆盖作物混作的播种比例，以优化其生态服务潜力。

#### 结论

综上所述，覆盖作物混作在温带农业系统中具有重要的生态和农业价值。尽管混作与纯作在建立成功率上没有显著差异，但混作在稳定生物质产量和提供生态系统服务方面表现出更大的潜力。特别是在高氮素土壤和有利气候条件下，混作能够显著提高生物质产量和氮素捕获能力，从而减少对矿物氮肥的依赖。因此，推广覆盖作物混作可能是实现农业可持续性的重要策略，尤其是在气候不确定性和高投入管理的农业系统中。然而，混作的推广仍需进一步研究和实践验证，以优化其播种密度和物种组合，确保其在不同环境条件下的稳定性和有效性。