温带短轮作林粮间作系统中树高与距离对作物产量的多年度影响研究

本研究针对短轮作林粮间作系统(ACS)中树木与作物资源竞争的核心问题，通过9年田间试验量化了杨树高度和距离对冬小麦、冬油菜等四种作物干物质产量的影响。研究发现树木竞争效应集中在距树行1米范围内，其中青贮玉米(C4植物)减产最显著(仅达参照产量6.8%)，而树高增加仅对春大麦产量有显著负效应。该研究为优化温带ACS系统设计提供了关键参数，建议通过调整采伐周期控制树高以平衡农林生产力。

　　

在全球气候变化与粮食安全双重挑战下，如何实现农林用地的高效协同成为可持续农业的核心议题。温带地区的短轮作林粮间作系统(Alley Cropping Agroforestry Systems, ACS)通过将速生杨树(Populus spec.)与农作物间作，既能生产生物质能源又能维持粮食生产，但其系统内树木与作物复杂的资源竞争机制长期缺乏量化研究。特别是在树木周期性生长过程中，树高变化如何通过遮荫和根系竞争影响不同光合途径(C3与C4)作物的生产力，这些关键参数对系统优化设计至关重要。

德国研究人员在《Agroforestry Systems》发表了一项历时9年(2016-2024)的定位研究，以北德温带气候区48米宽作物带的ACS为对象，采用广义线性混合效应模型(GLMM)分析了Max 1杨树克隆(Populus maximowiczii × P. nigra L.)高度(2.3-10.2米)与距离树行位置(1/4/7/24米)对冬小麦(Triticum aestivum)、冬油菜(Brassica napus)、青贮玉米(Zea mays)和春大麦(Hordeum vulgare)干物质产量的影响。研究通过标准化树高数据、建立相对产量(ACS产量/参照产量)模型，并控制年际气候变异等随机因素，首次揭示了温带ACS中树木竞争的时空动态规律。

关键技术方法包括：1) 在225米×12米树带与48米宽作物带构成的ACS中设置4重复样区；2) 使用绘图联合收割机采集1.5×8米样方内作物产量数据；3) 通过105℃烘干至恒重测定干物质产量；4) 采用glmmTMB包构建包含树高、距离和作物类型固定效应及年份随机效应的GLMM模型；5) 使用DHARMa进行残差诊断和模型验证。

主要研究结果

距离效应对作物产量的影响
所有作物在距树行1米处均出现显著减产，其中青贮玉米(C4植物)受影响最严重(平均仅达参照产量6.8%)，冬油菜、冬小麦和春大麦(C3植物)分别保留30.3%、36.4%和41.7%产量。竞争效应随距离急剧减弱，青贮玉米在4米处仍有显著减产，而C3作物在4米以远产量趋于稳定。这表明ACS中资源竞争存在明确的空间界限，与树木根系分布研究(细根主要分布在3米内)和遮荫模拟结果相印证。

树高动态的差异化效应
标准化树高分析显示，仅在1米距离内树高增加会显著降低作物产量，其中春大麦响应最敏感(p<0.05)，而青贮玉米和冬小麦无显著变化。这与C3作物光合效率在弱光下更高的理论预期形成有趣矛盾，研究者推测可能与春大麦关键生育期(拔节至灌浆)与杨树生长高峰重叠有关。

作物类型的适应性差异
青贮玉米(C4)表现出典型的距离依赖性减产模式，其产量从1米到24米呈梯度恢复；而三种C3作物的产量在超过4米后即进入平台期。这验证了C4植物对强光照的依赖性，也为ACS作物选择提供了依据——在近树带区域应优先种植耐荫性更强的C3作物。

讨论与意义
该研究通过长期定位观测，首次量化了温带ACS中树高-距离-作物类型的多维互作效应：1) 证实竞争效应集中在距树行1米范围内，为系统设计中的"缓冲区"设置提供了科学依据；2) 揭示树高控制对维持系统生产力的重要性，建议将杨树采伐周期控制在6年内以防止过度遮荫；3) 发现不同光合途径作物的响应差异，指导了间作系统的作物空间配置策略。

这些发现对推动ACS在温带地区的规模化应用具有双重价值：在实践层面，建议通过缩短轮伐期、优化作物布局(如近树带种植C3作物)来平衡农林产出；在政策层面，为欧盟"从农场到餐桌"战略中的可持续土地利用提供了实证支持。未来研究可结合根系动态监测与光能利用率测算，进一步解析资源竞争的生物物理机制。