量化中大西洋沿海平原不同农场中冬季禾本科覆盖作物生物量的田块内异质性

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Quantifying the subfield heterogeneity in winter cereal cover crop biomass across farms in the Mid-Atlantic Coastal Plain

　　**摘要亮点**• 覆盖作物生物量越高的田块，观测到的田块内异质性越高。• 景观中的低洼位置通常覆盖作物生物量较少。• 在9米尺度上预测田块内覆盖作物生物量的模型比3米尺度上更准确。**引言**管理田块内作物产量的稳定性可能是大宗作物种植系统中提高经济效益同时改善环境效益的关键。近期研究发现，产量稳定且偏低的田块区域往往无利可图，且不成比例地贡献了约44%的活性氮环境损失，而不稳定产量区域在低产年又额外贡献了31%（Basso等，2016，Basso等，2019）。因此，通过在田块内调整施氮量并在低产区域降低施氮量来管理这些区域，可能带来不成比例的环境效益。尽管大多数关于田块内产量异质性的研究聚焦于经济作物，但越冬覆盖作物生物量积累的田块内异质性对经济作物生产力或养分流失、温室气体排放等环境效益也可能有同样重要的影响。越冬覆盖作物提供多种生态系统服务，如侵蚀控制、水质调节、土壤水分保持和土壤有机质积累（Daryanto等，2018）。然而，覆盖作物生物量在田间积累存在变异性，这对农民构成挑战并限制了覆盖作物所能提供的效益。覆盖作物积累的生物量与生态系统服务的强度相对应，因此生物量较少的覆盖作物提供的效益更少（Finney等，2016，Jian等，2020）。这种覆盖作物生物量积累的变异性在田间和跨田间都显而易见。在经济作物中，产量不稳定的区域通常与景观中的洼地有关，这些洼地在降水过多时可能遭受水淹，而在干旱时期则受益于较高的土壤水分（Maestrini和Basso，2018）。类似地，覆盖作物对后续经济作物产量的相关效益也存在变异性，并高度依赖于生长条件，尤其是水分可用性以及地形位置（Leuthold等，2024，Mu?oz等，2014）。多项研究表明经济作物和覆盖作物都受地形影响（Ladoni等，2015，Mu?oz等，2014，Singh等，2019），但很少有研究通过田间观测在大范围地理尺度上考察这些关系。此外，除了个别田间试验站外，覆盖作物生物量积累与地形属性、土壤及农艺管理之间的相互作用仍有待深入探索。美国中大西洋地区是覆盖作物采用的热点地区。马里兰州在覆盖作物采用方面处于领先地位，这得益于州出资的成本分摊项目（Wallander等，2021），该项目产生的覆盖作物生长变异可用于可变施氮量的决策支持工具（Thapa等，2022）。马里兰农业成本分摊计划（MACS）每年有26,000至31,000个种植覆盖作物的田块，其中大多数位于马里兰沿海平原（德尔马瓦半岛）（Cover Crop Program，2026）。许多研究利用这些数据通过遥感量化覆盖作物生物量积累，包括含氮量和生物量（Hively等，2011，Thieme等，2023，Thieme等，2020）。如果利用可靠的田间数据进行适当的校准，遥感能够将植物性状预测至未采样地点。然而，精准管理需要对多年生产田中覆盖作物生物量空间异质性的田块内驱动因素有更全面的了解。尽管德尔马瓦半岛的沿海平原地区地势平坦低洼，但遍布着数万处"德尔马瓦洼地"，即面积约0.5公顷、相对高差在0.5至2米之间的凹陷地形，其中大多数已转变为农业用地（Fenstermacher等，2014）。这些洼地可能导致作物生物量积累的变异，对于春季生长旺盛的越冬覆盖作物而言，当土壤水分较高时可能与积水条件重合，从而抑制生长。在本研究中，我们利用多光谱遥感表征了马里兰沿海平原两个大型流域中的覆盖作物生物量。我们致力于回答以下问题：1. 单个田块内覆盖作物生物量积累的异质性如何？2. 哪些天气、土壤和管理因素（如播种日期和播种方式）能解释整个田块层面覆盖作物生物量的变异性？3. 在德尔马瓦地区，表征覆盖作物生物量田块内异质性的最佳空间尺度是多少？4. 哪些地形和土壤变量最能预测或解释田块层面覆盖作物生物量值的变异？5. 通常观测到的地上生物量碳和氮积累速率是多少？我们假设在潮湿春季更易发生涝渍的景观位置，如田块中的低洼处或排水不良的"德尔马瓦洼地"，会抑制覆盖作物的生长。我们还假设有利的生长条件会导致覆盖作物生物量产生更大的变异。**各章节摘要****方法**本研究使用了多种私有和公开可获取的数据源，包括马里兰州农业部的覆盖作物成本分摊项目数据、Planet Labs卫星影像（Planet Team，2017）、从数字高程模型（DEM）衍生的初级和次级地形指标（美国地质调查局，2013），以及流域边界和来自gSSURGO的土壤调查数据（Soil Survey Staff，2020）。**结果**3米尺度下覆盖作物生物量田块内空间异质性的变异系数（CV）和范围的分布呈右偏态（图4）。覆盖作物生物量田块内产量的平均范围为1,045千克/公顷，平均变异系数为0.21（根据图4中的分布总结得出）。所有年份和所有田块的平均覆盖作物生物量为863千克干生物量/公顷。**讨论**我们的目标是利用遥感估算的覆盖作物生物量来确定田块和田块内尺度的生物量变异驱动因素。我们发现对主要假设有一定支持，即景观中低洼或排水不良的位置覆盖作物生物量较低，尽管这一发现并不总是保持一致（图7，表3）。我们还发现，覆盖作物生长量较高的田块往往具有更大的覆盖作物生物量变异性，表明这种变异**结论**我们的研究结果表明，中大西洋沿海平原地区谷物作物的遥感观测显示越冬覆盖作物生物量存在显著变异。我们发现，随着田块内最大生物量的增加，变异性也随之增加，并且我们发现某些情况下景观中低洼或排水不良的位置覆盖作物生物量较低。未来将土壤、地形与覆盖作物生物量积累数据跨区域联系起来的研究可以进一步提高理解**CRediT作者贡献声明****Alexandra Huddell：** 论文审阅与编辑、论文原创撰写、可视化、验证、监督、软件、资源、方法学、调查研究、正式分析、数据管理、概念构思。**Jyoti S. Jennewein：** 论文审阅与编辑、论文原创撰写、可视化、验证、监督、软件、资源、方法学、调查研究、正式分析、数据管理、概念构思。**Steven B. Mirsky：** 论文审阅与编辑、监督、资金支持**利益冲突声明**作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**作者感谢马里兰州农业部分享数据，并感谢Mary LaChina、Jordan Nicolette和Chris Hidalgo在数据准备方面提供的协助。本研究由美国农业部自然资源保护局保护创新拨款计划（项目编号：#NR21–13G022）和美国农业部国家食品与农业研究所农业与食品研究计划下的可持续农业系统协作农业项目资助完成。**作者：** Alexandra Huddell | Jyoti S. Jennewein | Steven B. Mirsky | W. Dean Hively | Alison Thieme | Brian Needelman