玉米品种混作通过根系互作驱动的深度空间分配实现超产效应

为探究玉米品种混作提升产量的机制，研究人员通过两年田间试验结合FTIR光谱技术，首次量化了同种不同品种间根系的空间隔离现象。研究发现特定双品种组合（如LY66/XY335）可使籽粒产量提升9%，地上生物量增加12%，其超产效应源于根系可塑性响应导致的垂直分层（而非固有性状差异），为可持续农业中品种优化配置提供了理论依据。

　　

在追求农业可持续发展的背景下，如何通过生态学原理提升作物产量成为关键课题。尽管作物品种混作已被证明能降低病虫害风险并提高产量，但其内在机制——尤其是同种不同品种（cultivar）根系间的互作规律——长期处于"黑箱"状态。传统观点认为混作优势源于固有性状差异导致的资源互补（niche partitioning），但越来越多的证据表明，植物能通过根系可塑性（plasticity）主动调整生长策略以响应邻近植株。玉米作为全球主要粮食作物，其品种混作效应存在显著波动：部分组合可实现9%的增产，而另一些组合却表现平平。这种差异暗示着尚未揭示的生物学机制，而根系三维空间分布的量化技术瓶颈更阻碍了相关研究。

中国国家自然科学基金资助的研究团队在《Field Crops Research》发表的研究中，创新性地将傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术应用于玉米品种根系鉴别，通过2018-2019年田间试验系统分析了8个玉米品种单作与2-8品种混作的处理。研究测量了产量参数、根系表面积密度（root surface area density）、根长密度（root length density）等指标，并首次实现同种不同品种根系空间占比的精准量化。

Site description
实验在吉林梨树县开展，采用随机区组设计，监测了VE-V6（出苗-六叶期）等关键生育期的环境参数。

Grain yield and aboveground biomass
混作整体使籽粒产量和地上生物量较单作平均值分别提升3.1%和6.3%，但未超越年度最优单作品种。值得注意的是，特定双品种组合（LY66/XY335）表现出9%的籽粒增产和12%的地上生物量增长。通过Loreau-Hector分解模型证实，这种超产效应（overyielding）几乎完全源自正互补效应（complementarity effect），而非选择效应（selection effect）。

Root trait plasticity
混作促使0-0.2 m表层土壤的根系表面积、根长密度和根重密度显著增加，表明品种间互作触发可塑性响应。FTIR分析揭示，双品种混作中根系垂直分布出现超预期的空间隔离——某些组合（如XY998/JD50）中，一个品种根系向浅层集中而另一个向深层迁移，这种重新分配程度与产量呈正相关。

Discussion
研究颠覆了传统认知：根系隔离并非源于固有深度偏好，而是品种间互作诱导的可塑性行为。这种"非自我识别"（non-self recognition）机制可能通过降低竞争强度释放增产潜力。

Conclusion
该研究建立了"互作→根系可塑性→空间隔离→资源互补→超产"的因果链条，为精准设计高产混作品种组合提供了新范式。FTIR技术的创新应用更开辟了同种基因型根系互作研究的新路径。

Implication
区别于经典的生态位分化理论，该研究强调动态互作在农业系统中的核心地位，推动作物栽培学与植物行为生态学的深度交叉。未来研究可探索根系分泌信号分子在可塑性诱导中的作用机制。