单年免控杂草策略（ACSY）对瑞典谷物农田传粉昆虫多样性的促进作用与风险评估

本综述深入探讨了“单年免控杂草（ACSY）”策略在瑞典谷物生产体系中的应用潜力。基于近2000个田间试验数据，研究证实ACSY可显著提升杂草生物量（约50%为传粉友好型物种），尤其在杂草丰度较低田块中效益显著。文章系统评估了地理区域、土壤类型及作物种类对效应的影响，强调了该策略在平衡农业生产与生物多样性保护（如提升传粉昆虫资源）方面的独特价值，为农业环境政策提供了低成本、易推广的缓解方案（mitigation method）。

　　

ABSTRACT

研究通过分析瑞典近2000个春播和秋播谷物田的杂草控制试验数据，探讨了单年免除杂草控制（ACSY）对杂草生物量的提升效果及其对传粉昆虫的潜在效益。结果表明，免控地块杂草生物量显著增加，其中约50%来自被归类为“传粉友好型”的30个物种（依据花粉和花蜜产量划分）。秋播作物中的增幅略高于春播作物。杂草生物量增长受地理区域和土壤类型轻微影响，而作物种类的影响较小。最重要的影响因素是田块中杂草的整体丰度。研究结论认为，单年免控策略最适用于杂草丰度较低的农田。考虑到低成本、可覆盖的广阔面积及假定的生物多样性效益，该策略可能成为一种优越的环境缓解方法。未来需进一步评估该缓解方法的潜力，包括农田内杂草花朵的传粉昆虫访问数据及潜在副作用（如后续年份的杂草控制挑战）。

Introduction

自农业起源以来，杂草控制一直是作物生产的重要组成部分。自1950年代广泛采用现代化学防控方法以来，常规农田中的杂草数量已维持在较低水平。然而，杂草控制仍是全球作物种植中的重要环节，涉及直接成本和产量损失。另一方面，杂草构成耕地生物多样性的重要组成部分，对昆虫和鸟类等其他生物具有重要意义。但目前尚不清楚耕地杂草对传粉昆虫（如野生蜜蜂和食蚜蝇）的重要性：某些物种已知能吸引传粉者，而其他物种自花授粉且不为传粉者提供回报。此外，数十年高效杂草控制导致的低杂草丰度表明，它们对传粉者可能相对不重要。但耕地的广阔面积（以一年生作物为主）仍可能对景观水平的传粉者丰度具有意义。

随着当前农业景观中传粉昆虫种群的衰退，人们开始关注耕地环境缓解措施，范围从有机农业等整体农业政策到播种花带以增强传粉者，或在田间进行花卉间作。一些缓解措施专门针对传粉者，而其他则有益于农业景观的整体生物多样性。此外，人们对杂草的生物多样性价值进行了重新考量，“良性杂草”和“有益杂草”等术语进一步证明了我们对杂草在农业生态系统中作用的看法正在发生变化。

本研究探讨了一种新的潜在传粉者促进方法：“单年免控杂草（ACSY）”。这将允许杂草暂时繁茂，但防止更长期的杂草种群建立，因为化学控制方法将在后续年份恢复。该方法基于当前较低的杂草种群密度、杂草控制并不总是经济合理的现状，以及单年种子产生不足以造成失控杂草情况的假设。

本研究利用1987个农业杂草控制田间试验的数据（包括化学处理和处理对照地块），旨在：评估在瑞典条件下应用ACSY时杂草生物量的潜在增加；评估这种增加在多大程度上涉及对传粉者有用的杂草物种；根据地理区域、土壤类型、作物和杂草密度评估增加情况，以识别可能导致杂草生物量大幅增加、进而导致杂草种群大量建立和作物产量威胁的潜在情况。

Material and methods

Field experiments

试验于1969–1994年在谷物作物中进行，主要位于瑞典南部，并曾用于一些先前出版物。试验通常由地区农业协会在其农场或签约私人农场的田块上进行。试验并非随机或系统分配至田块，而是偏向瑞典主要农业区的大规模农业和运营良好的农场操作。

试验旨在评估瑞典谷物作物中针对双子叶杂草的新除草剂。每个试验包括四个区块，区块内随机分布处理小区。处理小区大小为35–50?m²。比较的处理数量各异，涉及不同新旧除草剂、不同剂量等。所有试验有两个共同处理：未处理对照（无杂草控制）和标准除草剂处理（此后称为“处理”），从而允许跨时空比较效果。该时期的标准化除草剂为Oxitril，是以下成分的混合物：300?g?L^?1 dichlorprop、130?g?L^?1 MCPA、58?g?L^?1 ioxynil和9 38?g?L^?1 bromoxynil。

在秋播作物中，除草剂于春季生长开始时的施用率为4.5–5.0?L?ha^?1；在春播作物中，当作物具有3–4片叶时的施用率为2.5–3.0?L?ha^?1。该除草剂及这些比率对大多数一年生双子叶杂草物种有效。对禾本科物种、多年生物种、Viola arvensis和Fumaria officinalis的控制效果较差。

由于这些试验旨在研究一年生双子叶杂草的控制，多年生杂草比预期更罕见，一年生禾本科杂草也是如此。许多试验杂草较少，表明总体目标是在当时瑞典南部常规农业典型条件下应用和测试新除草剂。因此，未处理地块代表了瑞典南部应用ACSY时期望的合理样本。

在6月下旬至7月初，杂草被采集、按物种分类，并在每个处理小区的至少两个样本小区（每个0.25?m²）中测量其鲜重。根据试验采样协议，样本面积应足够大，以包含未处理地块中最常见物种的至少20株植物或枝条。一个物种在试验中的出现仅在每平方米≥5株植物时被记录。个体较少的物种被归类为“其他杂草”类别（占记录的总杂草生物量的10.7%）。

在本研究中，仅使用了未处理和处理地块的杂草生物量数据。这些数据于1990年左右从纸质记录转录为数字格式（纸质记录此后已被丢弃）。杂草生物量数据基于多个样本小区，此处用作四个重复处理小区每平方米的平均值（注意：数据还包含每平方米的数量）。因此，每个试验有一个未处理地块的物种级生物量值和一个处理地块的值。

试验的地理位置以县记录（确切位置未知），这对当前目的过于详细，因此使用了瑞典NUTS 2区域（合并县）。这些区域主要跨越南北温度递减梯度，以及东西降水递减梯度。秋播作物中有1064个试验，春播谷物中有923个试验。土壤类型通过土壤样本评估，并记为七种不同类型之一：沙质、细沙、粉质、壤质、粉质粘壤土、重粘土、有机质（242个试验缺少土壤数据）。处理地块中的杂草丰度用于构建四分位数，即杂草丰度最低的25%试验等。优先使用处理地块，因为它们对应于正常生产下的田块，也代表了农民在决定缓解策略时的视角。因此，每个试验获得1到4的评分，从最低到最高四分位数。

Species attributes

关于耕地杂草的传粉者使用信息难以获得，但花奖励可能构成代理指标。因此，使用了瑞典植物物种属性的最新汇编，其中考虑了花蜜和花粉的生产。物种被归入以下类别之一：无花蜜生产（0?g糖?m^?2?年^?1）且无可收集花粉；花蜜生产不显著（<0.2?g）或缺失但具有少量但显著的可收集花粉；花蜜生产小（0.2–5?g）或较低但具有大量可收集花粉；花蜜生产中等（5–20?g）；较大（20–50?g）；大（50–200?g）；非常大（>200?g）。Tyler等人的汇编缺少数据中三种杂草物种的信息。因此，从Baude等人（Taraxacum coll., Pilosella coll.）和Ouvrard & Jacquemart（Fumaria officinalis）提取了相应值。“传粉友好型杂草”被定义为属于4–6类（本研究中没有杂草属于7类）的物种，遵循Milberg等人的定义。

Statistical evaluation

计算了未处理地块和处理地块之间的生物量差异，这将代表应用ACSY时期望的每平方米生物量增加。

首先，分别计算所有传粉友好型杂草（指数4–6）和其他杂草（1–3）的每平方米生物量总和。然后通过从未处理地块减去处理地块来计算“增加”。因此，每个试验贡献一个数据点。

为实现正态性，增加数据进行了平方根变换。

其次，许多因素可能解释试验间生物量增加的变异。没有涉及有意识的“设计”：作物并非随机分布在区域或土壤类型中，且土壤类型本身在区域内并非随机等。鉴于数据的这些限制，选择了“估计统计”方法，专注于估计效应大小。因此，计算了五种不同试验组合的平均差异及其95%置信区间：秋播与春播试验；杂草丰度（在处理地块中）：4个不同类别；地理区域：NUTS 2区域；土壤类型：七种不同类型；作物物种：冬小麦、冬黑麦、冬大麦（秋播），以及春小麦、春大麦和燕麦（春播）。对于(ii)–(v)，分别呈现秋播和春播谷物的估计值。第三，为提供数据概览及每组变量的相对重要性，加上“年份”，使用Statistica 13进行了方差分量分析（Type II平方和）。

第四，对于单个物种，计算了所有试验中处理地块每平方米的平均值（带CI_95%）（即它们在化学处理的瑞典田块中的丰度）。此外，还平均了增加（未处理减去处理）（即应用ACSY时的丰度）。

Results

总共记录了66个分类单元作为试验中的杂草，其中30个被归类为传粉友好型。大多数物种为严格意义上的一年生杂草，两个为自播作物（Trifolium pratense和Brassica rapa/Brassica napus）。

Increase in weed biomass under ACSY

正如预期，未化学处理杂草的地块（“未处理”）比除草剂处理地块（“处理”）具有更多杂草生物量。因此，免除杂草控制导致杂草生物量增加。对大多数物种而言，这涉及10倍的增加，但物种间差异很大。例如，Equisetum arvense的生物量平均翻倍，而Sinapis arvensis、Capsella bursa-pastoris和Thlaspi arvense增加了100倍以上。

总体而言，传粉友好型杂草约占增加的50%，并且通常它们增加到与其他杂草相同的程度。

秋播作物中的增加较大，其中生物量增加的较大部分由传粉友好型杂草组成。

Variables affecting the increase

在考虑的变量中，杂草丰度解释了生物量增加的大部分变异，其次是区域、作物、土壤类型和年份。

处理地块中的杂草生物量。正如预期，具有更多杂草（在化学处理对照地块中）的试验，在未喷洒对照地块中表现出更大的杂草生物量增加。在两个杂草最少的四分位数（即试验的0–50%）中，增加为50–90?g/m²。50–75%四分位数的杂草量是两倍，而具有最高杂草生物量的试验（四分位数75–100%）是四到五倍。

区域差异。杂草生物量增加在区域间变化。但在比较春播和秋播作物时，杂草生物量增加的区域差异不一致。一个显著结果是，两个最南区域主要有利于非传粉友好型杂草。这在秋播谷物中尤为如此。然而，更北的区域则有利于传粉友好型杂草。

土壤类型。土壤类型也影响杂草生物量的增加，细沙、粉质和壤质土壤具有更大的增加。同时，传粉友好型杂草和其他杂草的增加没有一致差异。

作物。作物差异仅在秋播作物中明显，黑麦显示出的杂草生物量增加小于冬小麦。

Discussion

当前基于近2000个瑞典杂草田间试验的研究，得出了与ACSY相关的四个发现。首先，预期的杂草生物量增加在物种间从2倍到100倍不等。这种变异的部分原因可能是对所用除草剂的敏感性不同。其次，传粉友好型杂草和其他杂草之间仅存在微小差异。因此，增加的相当一部分可能对传粉者有益。第三，增加通常在秋播谷物中最大，这通常涉及较高比例的传粉友好型杂草。预期秋播作物比春播作物更长的生长季节会产生更多杂草生物量，但并未预料到这种增加中有多少可能有益于传粉者。第四，由于地理区域、土壤类型或作物物种，杂草增加仅存在 modest 差异，但具有丰富杂草（在处理地块中）的试验导致生物量增加更大。令人鼓舞的是，响应似乎不受大多数农业因素的影响，因此如果实施ACSY，这些可以忽略。然而，不能忽略的是田块中杂草的丰度，挑战在于找到一个阈值，超过该阈值则应避免ACSY。

需要考虑一些注意事项。首先，数据是多年前收集的，此后环境条件（气候）和农业实践发生了变化。例如，春播作物的使用减少，而秋播作物略有增加。这种转变不太可能 substantially 改变杂草 flora 的组成，但值得指出的是，禾本科杂草变得更加突出。历史上使用的除草剂不再销售（如Oxitril，这些试验中使用的标准除草剂），而新的已被引入。这在多大程度上影响下面提出的结论仍是一个见仁见智的问题。其次，本研究使用生物量增加作为花卉资源增加的代理指标。尽管繁殖力和生物量之间可能存在正相关关系，但这并非普遍存在。第三，本研究未考虑对ACSY潜在成功至关重要的更大空间尺度，即该方法在景观水平上增加传粉者密度的程度。然而，这可能主要取决于该方法未来的潜在普及程度。

成功的ACSY依赖于一些假设，其中只有第一个在当前研究中得到检验。第一，单年免除杂草控制将增加对传粉者有用的杂草花朵数量。随着约一半的生物量增加来自被归类为传粉友好型的杂草物种，这一假设似乎成立。第二，耕地杂草被传粉者访问。在最近的瑞典研究中，许多熊蜂搜索常规和有机种植的田块，并且100多种传粉昆虫在放置在耕地内的彩色盘陷阱中被捕获。第三，通过单年免除杂草控制，杂草情况不会在短期和长期内失控：“让精灵跳出瓶子”。这无法从当前数据评估，因此需要未来研究。但通过选择杂草量相对较少的田块，预期增加在大多数情况下将是 modest 的。第四，由于单年无杂草控制而增加的杂草，在后续年份可以轻松处理。除非处理特别难以控制的杂草，如禾本科杂草和除草剂耐受性杂草，这在当前瑞典农业中似乎是可管理的，这一假设应在田间条件下评估。此外，ACSY季节后期的杂草控制可能是防止杂草种群建立的一个选项。未来研究可能在景观尺度上找到平衡，介于产量损失、特定年份ACSY田块比例、ACSY到田块的时间复发以及生物多样性效益（尤其是关于传粉服务）之间。

ACSY的主要目的是增加农业景观中的花卉资源，假设这将导致野生传粉昆虫种群规模增加。关于ACSY和传粉者，至少有两个注意事项需要未来研究解决。第一，在土壤中筑巢的独居蜂可能会被增加的花卉资源吸引，在田内筑巢。年度耕作和耙地可能会破坏巢址， potentially 将田地变成种群汇。第二，熊蜂可能对季节内花卉资源的变化敏感。ACSY会在田块水平上增加还是减少传粉者的资源波动？在田块水平，如果引入ACSY，花卉资源在年份间可能会有更大的波动。在更大的空间和时间尺度上，ACSY的频率将影响花卉资源的稳定性。

值得强调的是，数十年谨慎的杂草控制导致低杂草密度，代表了一项应精心管理的长期投资。通过ACSY增强农业生态系统中的生物多样性意味着使用这部分投资。在资产负债表中，预期产量损失在评估耕地环境缓解时具有重要意义。事实上，许多产量损失低的田块可能低于杂草控制的短期经济阈值，因此成为ACSY的主要候选者。使用别处提出的模型，属于最低四分位数的试验中，春播和秋播作物的估计产量损失分别为1.8%和5.7%。如果考虑两个较低四分位数（0–50%），相应值分别<9.2%和<18.9%。很难 pinpoint 一个经济阈值，因为成本和收入可能差异巨大。先前的估计将其置于当前试验中2.5%的产量损失，表明在一些田块中通过ACSY节省了资金。

所有农业景观中的环境缓解策略都有其优缺点。花带覆盖面积小，暂时退出生产，涉及建立成本且包含有限的植物物种。增强作物和田边生物多样性有时涉及直接投资，并且也仅影响 modest 的面积。有机农业不仅涉及大面积，还涉及生产力损失。ACSY，如果谨慎应用，将覆盖相对较大的面积（整个田块），涉及众多杂草物种，且无投资成本。产量损失可能 modest，但后续年份的控制成本是否会增加仍有待澄清。

Which species to promote?

并非所有物种都是平等的，ACSY中的目标物种是那些具有高传粉指数、丰富且广泛分布、相对较弱竞争者（即良性杂草）且在ACSY后续年份易于控制的物种。因此，在最少危害和最大效益之间平衡。实际上，很难差异化地仅 benefit 一个物种，但一些物种仍然比其他物种更受欢迎。根据物种组成选择或避免田块 clearly 是一个选项。

当前数据表明，大多数传粉友好性最强的物种（指数6–7）在瑞典大多数耕地中缺失或罕见，因此让我们考虑指数5的丰富物种。在本研究中，Galeopsis spp., Fallopia convolvulus, Centaurea cyanus和多年生Cirsium arvense在大多数标准上得分高。但尤其是Galeopsis spp.与高产量损失相关。Cirsium arvense是一个特例，通常被认为对传粉者特别重要。假设是，具有深根系的多年生物种对干旱 much less sensitive，因此对传粉者在干旱年份特别重要。另一方面，Cirsium arvense历史上是一种重要杂草，今天在有机农业中仍然如此。尽管易于用除草剂控制，它可能仍然是选择ACSY田块时要避免的物种。

如果考虑传粉指数4，一些丰富物种成为焦点。Tripleurospermum inodorum是斯堪的纳维亚农业中最广泛和丰富的杂草之一，因此必须被认为相对难以控制，这得到许多除草剂抗性报告的进一步支持。因此，这可能是ACSY中要避免的物种。其他一年生物种——Myosotis arvensis, Lamium spp., Matricaria chamomilla——似乎不太可能引起ACSY后问题，多年生Sonchus arvensis也是如此。

Conclusion

瑞典耕地上杂草生物量的相当一部分由为传粉者提供花蜜和/或花粉的物种组成。通过单季免除杂草控制（ACSY），该生物量将增加。如果避免杂草丰富的田块，造成的产量损失将是 modest 的。为更好理解ACSY的潜力，需要进一步研究关于耕地内杂草花朵的传粉者访问。此外，需要进行 thorough 经济评估。

Author contributions

两位作者设计了研究并分析了数据。PM撰写了初稿，两位作者修订了手稿。

Data availability statement

数据发布在数据存储库中（Zenodo doi: 10.5281/zenodo.15581422）。