布基纳法索Piliostigma reticulatum种植密度对土壤性质及作物生产力的影响研究

《Agroforestry Systems》：Soil properties and crop productivity under varying density of planted Piliostigma reticulatum (DC) Hochst in Burkina Faso

本研究针对萨赫勒地区Piliostigma reticulatum密度下降导致的土壤管理潜力受损问题，通过设置4种灌木密度（0、500、1000和2000株·ha-1）的随机区组试验，结合平茬管理和谷物-豇豆混作系统，揭示了高密度种植（2000株·ha-1）可显著提升土壤有机质（OM）、全氮（Total N）和速效钾（Av_K）含量，并使高粱和豇豆产量分别提高127%和56%，为萨赫勒地区农林复合系统的可持续土壤管理提供了密度优化方案。

　　

在萨赫勒地区，农林复合系统一直是维持农业生态平衡和保障粮食安全的重要途径。其中，Piliostigma reticulatum作为一种广泛分布的本土灌木，不仅为当地社区提供牲畜饲料、手工艺原料和药用资源，还在改善土壤结构、提升养分循环方面发挥着关键作用。然而，近年来由于人类活动加剧和气候条件恶化，该物种的种群密度显著下降，导致其土壤修复潜力难以充分发挥。在这一背景下，如何通过科学管理恢复其生态功能，尤其是确定最优种植密度，成为实现区域农业可持续发展亟待解决的问题。

为此，研究团队在布基纳法索北苏丹尼安带的Kamboinsé实验站开展了一项长期田间试验。该研究采用完全随机Fisher区组设计，设置了4种不同的P. reticulatum种植密度（0、500、1000和2000株·ha^-1），并引入高粱（Sorghum bicolor L.）-豇豆（Vigna unguiculata (L.) Walp.）混作系统。灌木管理采用平茬（coppicing）措施，并将产生的地上生物量（Aboveground Biomass, AGB）作为覆盖物还田。研究重点评估了灌木生物量生产力、土壤化学特性（包括有机质、全氮、速效磷、交换性盐基离子等）及作物产量等指标。

本研究依托于国际农业研究机构的合作支持，主要技术方法包括：①基于完全随机区组设计的田间试验布局；②灌木平茬处理与生物量干重测定；③土壤样品分层采集（0–10 cm与10–20 cm）及化学分析（pH、有机碳Walkley-Black法、全氮Kjeldahl法、速效磷Bray I法及交换性盐基离子NH₄OAc提取法）；④作物产量按穴（zai pit）和全小区采收统计；⑤使用R软件进行方差分析（ANOVA）与多元回归分析，检验年份与密度对变量的影响。

Piliostigma reticulatum地上生物量生产

研究结果显示，单株生物量以500株·ha^-1处理最高（7.86 kg），但因总体株数较少，总生物量仍较低。而1000株和2000株·ha^-1处理分别实现了6252 kg·ha^-1和6460 kg·ha^-1的总生物量产量，较500株·ha^-1处理显著提高59%和64%。年份对生物量生产无显著影响。这一结果表明，高密度种植虽导致单株竞争加剧，但通过群体优势可提供更多有机物料资源，为土壤覆盖和养分回归提供基础。

Piliostigma reticulatum种植密度对土壤的影响

在0–10 cm土层中，2000株·ha^-1处理显著提高了土壤有机质（OM）、全氮（Total N）和速效钾（Av_K）含量，交换性盐基离子（除Ca²⁺、Mg²⁺外）也呈增加趋势。这与高密度处理下更多的凋落物输入、根系沉积和微生物活动促进有机质分解和养分释放密切相关。然而，在10–20 cm土层中，各密度处理间土壤参数无显著差异，说明灌木作用主要集中在表土。此外，2022年的土壤养分状况较2021年整体改善，可能与降雨量增加和有机质累积效应有关。

Piliostigma reticulatum种植密度对作物产量的影响

灌木密度对高粱籽粒和秸秆产量无显著提升，可能源于灌木与深根性高粱在浅层土壤中的水分养分竞争。然而，豇豆籽粒产量随灌木密度增加而显著提高，2000株·ha^-1处理达到381 kg·ha^-1，较对照（无灌木）增长56%。豇豆作为浅根和固氮作物，可能更受益于灌木改善的微环境与养分条件。2022年作物产量总体高于2021年，与降雨量分布和土壤养分状况改善一致。

土壤养分水平与作物产量的关系

多元回归分析表明，Sorghum grain yield与Total N（P<0.01）和交换性盐基总量（SBE, P<0.001）呈正相关，而与OM、Av_P及豇豆产量呈负相关。说明土壤养分有效性及作物间竞争关系共同影响产量形成。

研究表明，P. reticulatum以2000株·ha^-1的密度结合平茬管理，可显著提升系统生物量产出、土壤有机质与养分含量，并有效提高豇豆产量。这一密度为萨赫勒地区缓解作物残茬竞争使用（饲料、能源与土壤改良）提供了可行替代途径，对推广保护性农业与可持续土壤管理具有重要实践意义。然而，土壤中磷素缺乏仍限制作物高产，建议未来结合磷肥或有机改良剂使用。此外，深化微生物群落与酶活性研究将有助于揭示有机质周转机制，而不同土壤类型下的密度效应也需进一步验证。

该论文发表于《Agroforestry Systems》，为萨赫勒地区农林复合系统的优化设计提供了科学依据，也为应对气候变化下的农业可持续集约化提供了重要案例。