利用生长积温来模拟冬季覆盖作物地上生物量和氮积累的动态变化

《Agrosystems, Geosciences & Environment》：Use of growing degree days to model the dynamics of aboveground biomass and nitrogen accumulation of winter cover crops

覆盖作物生物质生产与氮积累与生长度日（GDD）的关系研究。通过分析八种覆盖作物在阿肯色州三个试验站的GDD累积与生物质、氮固定的关联，发现不同物种的GDD响应曲线差异显著。研究构建了逻辑模型，揭示 cereal rye 需要最高GDD达到最大积累，而 legume 类作物在终止前4周积累速率提升最明显。结论表明基于GDD的终止日期预测可有效优化覆盖作物管理策略，平衡生物质残留与生物固氮效益。

　　本研究探讨了覆盖作物在阿肯色州农业生产系统中的最佳终止日期，并通过生长积温（GDD）这一指标来评估不同覆盖作物物种的生物量积累和氮（N）固定潜力。覆盖作物作为现代农业管理中的重要实践，不仅有助于提升土壤健康，还能改善环境质量，并对后续主要作物的生长提供支持。随着农民对可持续农业的重视，覆盖作物的应用逐年增加，其在轮作体系中的作用也愈发明显。然而，为了最大化覆盖作物的效益，精确地确定其终止时间至关重要。本研究选取了八种常见的覆盖作物物种，包括奥地利冬豌豆（AWP）、巴拉纳斯三叶草、大麦、黑麦草、普通豌豆（Cahaba变种）、黑麦、红三叶草和毛豌豆，旨在揭示它们在不同气候条件下的生长特性，并通过GDD模型预测其最佳终止时间。

研究在阿肯色州的三个研究站——蔬菜研究站（VRS）、罗赫韦研究站（RRS）和松树研究站（PTRS）——进行了田间试验。这些地点代表了典型的中南部农业生产系统，且土壤类型各异，有助于评估不同环境条件对覆盖作物生长的影响。试验从2019年到2021年进行，覆盖作物的种植时间通常在秋季，以便在冬季保持土壤覆盖并减少侵蚀风险。在试验过程中，覆盖作物每两周被随机采集样本，用于测量生物量和总氮吸收。这些样本在60°C下干燥7天后进行称重，并计算每单位面积的生物量积累量。同时，通过将生物量样品研磨并通过1毫米筛网处理，进一步分析氮含量，以评估氮的固定情况。

研究采用非线性逻辑模型（logistic model）来分析生物量和氮吸收与GDD之间的关系。该模型能够灵活地描述生物量和氮积累的S型增长曲线，并提供可解释的参数，如最大值（Asym）、转折点（xmid）和斜率（scal）。通过对模型参数的分析，研究人员发现不同覆盖作物物种在达到生物量或氮积累最大值的GDD需求上存在显著差异。例如，黑麦草（cereal rye）需要最多的GDD才能达到其生物量和氮吸收的50%阈值，而黑麦（black-seeded oats）和毛豌豆（hairy vetch）则相对更快地积累生物量和氮。此外，研究还指出，在覆盖作物终止前的最后4周，生物量和氮吸收速率显著上升，尤其是对于豆科作物而言。这表明，终止时间的选择对覆盖作物带来的益处具有重要影响，包括土壤覆盖和生物固氮的效果。

研究结果表明，通过结合历史气象数据和未来天气预测，可以有效地确定覆盖作物的终止日期。这不仅有助于农民优化管理策略，还能在不同季节和气候条件下提高覆盖作物的使用效率。对于那些希望在春季尽早种植主要作物的农民而言，终止时间的调整可能会影响覆盖作物的生物量积累。例如，研究发现，若在推荐的终止时间前2至4周终止覆盖作物，黑麦草的生物量损失相对较小，而豆科作物的氮固定则会受到较大影响。因此，农民在选择覆盖作物终止时间时，应结合自身种植计划和环境条件，以确保最大程度地发挥覆盖作物的生态和经济价值。

此外，研究还指出，GDD模型虽然能够有效预测作物生长，但其仅考虑了温度对生长的影响，忽略了降水、太阳辐射和生物胁迫等因素。这意味着，模型的结果可能在不同地区的适用性存在差异，尤其是在气候条件差异较大的区域。例如，北达科他州的试验表明，若在推荐终止时间前4周终止黑麦草，其生物量积累可能减少74%。这种差异可能源于不同地区在温度、降水和光照等方面的差异。因此，未来的研究可以考虑使用基于过程的作物模型，如农业生产系统模拟器（APSIM），以更全面地评估覆盖作物在不同环境条件下的生长表现。

本研究的结果为农民提供了重要的决策支持工具，使他们能够根据覆盖作物的生长模式和当地气候条件，选择最合适的终止时间。这不仅有助于提高土壤肥力和减少侵蚀，还能优化氮肥的使用，降低合成肥料的投入成本。通过科学地管理覆盖作物的生长周期，农民可以在不影响主要作物种植时间的前提下，实现更高的农业产出和更可持续的生产方式。研究还强调，不同覆盖作物物种具有不同的生态功能，农民应根据自身的生产目标和土壤条件，选择最合适的覆盖作物类型和管理方式。

总体而言，覆盖作物在现代农业中的应用越来越广泛，其在土壤保护、养分循环和生态系统服务方面的作用不容忽视。通过结合GDD模型和田间试验数据，本研究为覆盖作物的管理提供了新的视角，有助于推动可持续农业的发展。未来的研究可以进一步探索覆盖作物混合种植对土壤和作物的影响，以及不同管理策略对经济效益的影响，从而为更广泛的农业生产系统提供科学依据和实用建议。