极端降雨条件下耕作强度梯度对玉米产量的驱动因子转变研究

《Applied Soil Ecology》：Extreme rainfall shifts the drivers of Zea mays yield across a tillage-intensity gradient

本研究针对气候变化导致极端降雨事件增多的背景下，如何平衡耕作强度以优化玉米产量这一关键问题，通过分析不同耕作方式（免耕NT、凿耕CT、翻耕MT）对土壤非生物特性和微生物群落的影响，揭示了耕作强度增加会提升土壤非生物因子（如土壤紧实容重）对产量的相对贡献，而降低土壤微生物的积极作用；研究发现中等强度的凿耕（CT）能在极端降雨条件下在免耕和翻耕之间提供最佳平衡，为应对气候变化下的农业管理提供了重要见解。

　　

在美国中西部等主要农业区，气候变化正悄然改变着降水模式。气候模型预测，未来该地区间歇性干旱和极端降雨事件将更加频繁。这对于严重依赖稳定气候条件的农业生产而言，无疑是一个巨大的挑战。耕作，作为农业生产中一项基础且关键的管理措施，其核心在于通过对土壤进行不同程度的扰动，为作物生长创造适宜的土壤环境。然而，不同的耕作方式犹如一把双刃剑。高强度的耕作（如翻耕）能有效准备苗床、提高地温，但长期来看却会牺牲土壤有机质、氮磷等养分，并破坏土壤结构。低强度的耕作（如免耕）有助于保持土壤结构、促进养分积累和微生物多样性，但也可能伴随除草剂依赖增加、早春地温偏低以及植物病原体积累等问题。因此，农民们始终在探寻一个微妙的平衡点：即选择何种强度的耕作，才能在促进作物生长的同时，最大限度地减少对土壤生态系统服务的长期损害。尤其当极端降雨这一变量加入后，耕作、土壤与作物产量之间的传统关系可能被重塑，而这正是当前研究的一个关键空白。

为了深入探究极端降雨如何改变耕作强度对土壤生态系统及玉米（Zea mays）产量的影响机制，研究人员Jacob R. Hopkins和Alison E. Bennett在《Applied Soil Ecology》上发表了一项重要研究。他们利用美国俄亥俄州两个具有长期耕作试验历史（分别始于1962年和1965年）的农场（伍斯特的Triplett-Van Doren试验点和西部的Western试验点）作为天然实验室。在2021年这个经历了春季相对少雨、随后夏季出现远超历史平均水平的强降雨（达到历史平均值的1.8至2.3倍）的生长季，研究人员在玉米生长关键时期（R5阶段）系统采集了土壤样品。研究设置了三种代表不同耕作强度的处理：免耕（NT，低强度）、凿耕（CT，中等强度）和翻耕（MT，高强度）。研究团队系统测量了土壤的非生物特性（包括pH值、土壤紧实容重（packed bulk density）、碳氮比（C:N ratio）和无机磷含量），并利用高通量测序技术深入分析了土壤细菌、真菌和丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF）的群落组成和多样性。最终，他们运用多组结构方程模型（Structural Equation Modeling, SEM）这一强大的统计工具，整合了耕作强度、土壤特性和微生物群落等多维度数据，旨在揭示它们如何共同影响玉米产量，并检验这些关系在不同地理位置的农场是否具有普遍性。

本研究的关键技术方法主要包括：在美国俄亥俄州两个长期耕作试验基地（Triplett和Western）进行田间试验设计，设置了免耕（NT）、凿耕（CT）和翻耕（MT）三种处理；在玉米R5生长期采集土壤样本，测定土壤pH、紧实容重、C:N比和无机磷等非生物指标；利用DNA提取和高通量测序（Illumina MiSeq平台）技术分析土壤细菌（16S rRNA基因）、真菌（ITS2区域）和丛枝菌根真菌（AMF，18S rRNA基因）的群落结构；并运用多组结构方程模型（SEM）分析耕作强度、土壤特性和微生物群落对玉米产量的直接和间接影响路径。

3.1. 耕作强度对土壤微生物群落的影响

研究发现，耕作强度显著改变了土壤细菌、真菌和AM真菌的群落结构和多样性。随着耕作强度的增加（从NT到CT再到MT），三种微生物的群落组成均呈现显著差异。具体而言，耕作降低了细菌和真菌群落的β多样性（群落间差异），但在西部农场，耕作增加了细菌和真菌的α多样性（局部丰富度）。指示物种分析显示，免耕（NT）土壤中富集了更多厌氧细菌（如Paraclostridium sp.）和植物病原真菌（如Fusarium sp.），而耕作（CT和MT）土壤则更有利于好氧细菌和腐生真菌的生长。AM真菌群落对耕作也很敏感，免耕地中以Glomus属为主，而耕作地中Archaeospora和Paraglomus属更为常见。这表明耕作作为一种物理扰动，过滤了土壤微生物的功能类群。

3.2. 耕作强度对土壤非生物特性及产量的影响

耕作强度对土壤非生物特性产生了复杂影响。总体趋势是，随着耕作强度增加，土壤pH值和土壤紧实容重显著升高，而土壤C:N比和无机磷含量则显著降低。在产量方面，与长期平均数据相比，2021年的极端降雨改变了耕作效应的方向：免耕（NT）从通常的高产变为最低产（产量：11.3 Mg/ha），而凿耕（CT）和翻耕（MT）的产量相对更高（分别为12.5 Mg/ha和12.2 Mg/ha）。这表明极端降雨条件下，免耕因排水不良导致产量下降约10%，而耕作处理由于土壤紧实容重较高、排水性较好，反而有利于稳定产量。

3.3. 土壤非生物和生物介导的耕作对产量的影响

结构方程模型（SEM）揭示了耕作影响产量的具体路径，且这些路径在两个农场间存在差异。在西部农场，耕作强度增加主要通过降低C:N比（正效应）和减少无机磷（负效应）来影响产量，同时，土壤紧实容重的增加对产量有显著正效应。耕作还通过改变土壤pH值间接影响微生物群落，进而对产量产生复杂效应。重要的是，随着耕作强度增加，土壤细菌和真菌群落对产量的正面贡献减弱。在Triplett农场，耕作强度增加对产量的主要正面路径是通过显著提高土壤紧实容重来实现的，而通过降低无机磷和改变AM真菌群落则产生了负效应。这表明，在极端降雨条件下，土壤物理性质（如紧实容重）对产量的直接影响可能超过了微生物和部分养分的影响。

本研究结论强调，耕作强度、土壤特性和气候条件之间存在复杂的相互作用，共同决定了作物产量。在极端降雨条件下，高强度的耕作（如翻耕）通过增加土壤紧实容重改善排水，从而对产量产生积极影响，但其代价是土壤养分（如磷）的流失和微生物有益功能的减弱。低强度的免耕（NT）虽然有利于微生物和养分保存，但在强降雨下却因排水不畅和厌氧环境导致减产。因此，简单地认为免耕或传统耕作孰优孰劣是不全面的。中等强度的耕作方式，如凿耕（CT），在此项研究中显示出其独特优势：它在一定程度上减少了土壤扰动，保留了部分微生物益处和养分，同时又通过适度的土壤结构调整避免了免耕在极端降雨下的排水问题，从而在变化的气候条件下提供了一个更为平衡和可持续的选择。这项研究的重要意义在于它将土壤视为一个完整的生态系统，强调了在制定农业管理策略时，必须综合考虑耕作强度、土壤生物、非生物特性以及未来气候变化趋势。研究结果提示，随着极端天气事件的增多，传统的耕作建议可能需要调整，中等强度耕作或类似的双赢策略可能成为未来农业适应气候变化的关键。未来的研究可以进一步探索其他作物、轮作系统以及像条耕这样的混合耕作方法在变化气候下的表现。