公民科学揭示覆盖作物可持续性效益优化路径：生物量与氮素同化的关键驱动因素分析

《Journal of Soil and Water Conservation》：Citizen science reveals opportunities for improving sustainability outcomes of cover crops

本文通过公民科学方法系统评估了美国五大湖地区253个农田中覆盖作物（cover crop）的生物量积累与氮素同化效应，揭示物种多样性（≥5种）与生态管理措施（如有机改良剂施用）对提升覆盖作物生产力的协同作用。研究首次量化了高多样性混播作物平均生物量（2.3 Mg ha?1）显著高于单一黑麦（1.3 Mg ha?1）的现象，并构建回归树模型识别关键驱动因子：生长度日（GDD）制约黑麦生长，而降水与有机改良剂评分共同调控低多样性混播作物表现。该研究为优化覆盖作物管理策略、增强农业生态系统韧性提供了实证依据。

　　

研究背景与方法创新

覆盖作物作为提升农业可持续性的关键措施，其生态效益（如土壤健康改善、养分循环强化）与生物量直接相关。现有研究多受限于遥感技术分辨率不足或田间试验规模有限，本文创新性采用公民科学参与式研究模式，联合美国五大湖地区102个农场的种植者，通过标准化田间评估协议（植物高度测量+地表覆盖摄影）和管理问卷调查，在2022-2023年间系统监测253块田地的覆盖作物表现。该方法经验证与传统破坏性采样高度吻合（黑麦R²=0.84，混播R²=0.79），实现了区域尺度覆盖作物生长动态的低成本精准量化。

覆盖作物性能分异特征

数据显示，混播作物（118块田）平均生物量（2.3 Mg ha^?1）和氮素积累量（58.4 kg N ha^?1）均达单一黑麦（108块田）的2倍，且高生物量阈值（≥2 Mg ha^?1）达标率显著优于黑麦（仅32%田地达到1 Mg ha^?1的硝酸盐保留阈值）。这种差异源于种植系统的协同效应：82%的混播作物种植于轮作包含小粒谷物的田地，其较长的生长窗口（平均生长度日873°C）为多物种生长提供优势；而黑麦多种植于玉米-大豆简化轮作系统，生长窗口受限。

驱动机制解析：回归树模型揭示关键杠杆点

通过回归树分析发现，物种 richness 是覆盖作物生物量的最核心驱动因子。包含5种以上越冬物种的混播作物表现最优（平均生物量3.9 Mg ha^?1），体现"生物保险效应"。对于低多样性覆盖作物（含黑麦），其表现受环境与管理历史交互作用调控：

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  黑麦生物量主要受生长度日（GDD）主导，GDD>873°C时生物量提高3倍，且在壤土/黏壤土/粉壤土中最大化；
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  低多样性混播作物（<5种）受降水制约显著，年降水量<74 cm时生物量下降65%，但定期施用有机改良剂（生态管理指数EMI>0.17）可缓冲干旱效应，使生物量损失降至22%。

生态管理实践的正反馈效应

研究首次通过生态管理指数量化历史管理对当前覆盖作物表现的影响。长期施用有机改良剂通过提升土壤有机质，增强水分渗透与养分循环能力，使低多样性混播在干旱条件下仍维持2.0 Mg ha^?1生物量。此外，种植方式的选择需结合土壤背景：有机质含量低的田地中，条播/撒播较飞播更利于保障出苗率。

公民科学范式的应用前景

本研究构建的参与式监测框架可转化为覆盖作物激励项目的绩效评估工具，推动从"面积补贴"向"效益补贴"转型。高多样性混播与生态管理的协同效应提示，将物种多样性阈值（≥5种）、生长度日指标等纳入管理指南，可针对性提升覆盖作物的碳固存与水质改善功能。未来需扩大样本多样性以增强普适性，尤其需纳入更广泛的管理实践类型。

结论

公民科学方法揭示了通过优化物种多样性与生态管理策略可显著提升覆盖作物可持续性产出。高多样性混播作物在多样化轮作系统中展现卓越生物量积累潜力，而黑麦的性能优化需重点延长生长窗口并适配土壤类型。该研究为制定情境适应性覆盖作物管理策略提供了实证基础，凸显了研究者-实践者协作模式在推动农业转型中的关键价值。