《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Effects of functionally diverse seed mixtures on dry matter yield and forage quality of a central European grassland
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关于平衡农业生产与生物多样性保护的争论，因全球畜牧生产增长及草地利用集约化而日益激烈，这是因为高产草地虽产量可观但物种多样性较低。通过改良低多样性草地的饲草品质，可能成为兼顾农业需求与生物多样性促进的可行途径。随着本土种子商业化供应日益增加，在物种贫乏的草皮中
关于平衡农业生产与生物多样性保护的争论，因全球畜牧生产增长及草地利用集约化而日益激烈，这是因为高产草地虽产量可观但物种多样性较低。通过改良低多样性草地的饲草品质，可能成为兼顾农业需求与生物多样性促进的可行途径。随着本土种子商业化供应日益增加，在物种贫乏的草皮中补播豆科植物（legumes）与非豆科杂类草（non-legume forbs）已具可行性。然而，关于此类物种的建植及其对产量和饲草品质影响的知识仍十分有限。为此，研究人员设计了四种富含豆科植物和杂类草的种子混合物（称为"toppings"），并与两种标准禾草型农业混合物（"grass mixtures"）组合，在模拟割草和施肥农业管理的四年中宇宙（mesocosm）试验中加以检验。每年记录植物建植、干物质产量（dry matter yield）、作为饲草品质指标的代谢能（metabolizable energy, ME）以及功能多样性（丰富度richness、离散度divergence、均匀度evenness）。研究进一步探讨季节（春季、夏季、秋季）是否调节群落组成和功能结构对干物质产量及饲草品质的影响。试验表明，季节是干物质产量和代谢能变异的主要来源。干物质产量随豆科与杂类草盖度的增加而下降，而收获季节是生产力的主导驱动因素，春季产量最高、秋季最低。各topping×禾草混合物组合的混合样本代谢能随豆科-杂类草盖度增加呈上升趋势，而功能多样性的效应不一致，取决于混合物组成和收获季节。13个引入物种中有9个成功建植，其中红三叶草（Trifolium pratense）、白猪殃殃（Galium album）、百脉根（Lotus corniculatus）和长叶车前（Plantago lanceolata）最为丰富，表明它们适合进一步田间评估，而非立即大规模推广应用。
研究背景与问题
全球畜牧生产在过去数十年间大幅增长，而农业活动面积相对保持稳定，导致动物饲草需求持续增加，大量永久性草地被转为耕地，对自然栖息地、生物多样性和生态系统功能造成负面影响，加剧了动物生产可持续性的争论。提升草地饲草品质可能同时应对这些挑战并促进生物多样性，这在农业劣势地区尤为关键，因为草地是饲草的主要来源。传统上，中欧农业永久草地所用种子混合物仅含少数物种且以禾草为主，以追求高产和良好饲草品质，但由此形成的群落物种贫乏、功能多样性低，可能制约相关生态系统服务。尽管物种丰富的草地更具环境波动韧性，且商业种子混合物可通过纳入非豆科杂类草提高多样性，但关于哪些植物能良好建植并满足干物质产量和饲草品质农业需求的筛选知识仍不足。次优势物种往往难以自行定殖退化草地，需要补播和适宜的管理制度，而维持这些物种需要低强度管理，可能降低产量和农业生产力。关于物种补播在农业草地中跨管理强度和生物多样性水平对生物多样性、干物质产量和饲草品质影响的经验证据仍然有限。此外，物种丰富度较高的混合物可能导致饲草品质下降或含非期望物种，因此非豆科杂类草的补播在农业草地中并不常见。生物多样性-生态系统功能理论预测，混合草皮可通过互补效应（生态位分化、促进）和选择效应（质量比）匹配或超过单作生物量，但功能多样性、干物质产量和饲草品质之间的权衡关系尚需深入研究。该研究针对中欧典型的中等强度管理、物种贫乏草地（每年收割三至四次），探讨种子混合物中豆科与非豆科杂类草比例如何影响产量和饲草品质。
研究内容与结论
研究人员设计四种含10物种的豆科与杂类草混合物（toppings A–D），与两种标准禾草型商业混合物（BQSM D1和D2）组合，于2020年6月至2023年6月在德国南部Hohentengen（48°1′N，9°21′E，海拔570 m）开展为期四年的中宇宙试验，模拟中等强度草地管理的割草和施肥制度。试验采用随机区组设计，共64个中宇宙容器，每种topping×禾草混合物组合重复8次，另设3个裸土对照以监测土壤种子库。每年三次收获（晚春、仲夏、秋季），记录干物质产量、物种盖度、功能多样性指标（功能丰富度FRic、功能均匀度FEve、功能离散度FDiv），并对各组合混合样本进行湿化学分析测定代谢能（ME）。研究检验三个假设：（i）饲草品质与豆科和杂类草比例正相关；（ii）干物质产量和饲草品质与草地功能多样性正相关；（iii）种子混合物组成对产量和品质的影响随季节变化。
主要研究结果
豆科和杂类草在草地中的建植情况： 13个播种的豆科和杂类草物种中有9个在四年研究期内良好建植，2个未出苗（Anthyllis vulneraria和Geranium pratense），另有2个个体极少（Pimpinella saxifraga和Medicago lupulina）。按平均丰度从高到低依次为红三叶草（Trifolium pratense）、白猪殃殃（Galium album）、百脉根（Lotus corniculatus）、长叶车前（Plantago lanceolata）、粗糙还阳参（Crepis biennis）、欧洲山萝卜（Knautia arvensis）、异株女娄菜（Silene dioica）、滨菊（Leucanthemum vulgare）和夏枯草（Prunella vulgaris）。各组合中成功建植的物种数量随时间下降，但在四个toppings间无差异。
豆科-杂类草盖度和功能多样性对草地产量的影响： 干物质产量随豆科-杂类草盖度增加而下降（χ2=25.9，df=12，p=0.011），该负相关在春季和秋季对两种禾草混合物均一致，而夏季各topping响应差异较大。季节是产量的主导驱动因素（χ2=262.3，df=4，p≤0.001），春季产量最高、秋季最低。功能丰富度（FRic）在春季对各组合产量均有正向效应（χ2=22.6，df=12，p=0.03），但后期变得不稳定。功能均匀度（FEve）和功能离散度（FDiv）对产量的影响不一致，常在不同组合和季节间正负转换。
豆科-杂类草盖度和功能多样性对饲草品质的影响： 代谢能（ME）范围为10.0–11.5 MJ·kg?1干物质。ME总体随豆科-杂类草盖度增加而上升（χ2=13.7，df=3，p=0.003），但topping A呈相反趋势。ME随功能均匀度增加而趋于下降（χ2=9.81，df=3，p=0.02），仅topping C呈正相关。功能离散度对ME的效应仅在特定组合中显著（χ2=15.5，df=3，p=0.0015），即topping C与D1组合及topping A与D2组合呈正相关。ME还受toppings、禾草混合物和收获季节交互作用显著影响（χ2=14.7，df=6，p=0.02），春季和秋季各处理间ME差异不显著，而夏季差异更明显，尤其topping D在D1中ME下降显著。
讨论与结论
干物质产量和饲草品质的所有数值均可认为满足动物营养和农业需求，但中宇宙条件（均质土壤、受控管理、边缘微气候）下绝对产量应视为上限指标。干物质产量随豆科-杂类草盖度增加而显著下降，但该效应相对于收获季节的主效应较弱，表明物候和年际气候变异主导了生物量。代谢能与豆科-杂类草盖度正相关，但topping A呈相反趋势，可能与物种特异性化学效应有关。功能多样性对饲草品质无普遍正向效应，较高功能均匀度反而与较低ME相关，这可能稀释了农业价值高的豆科植物（尤其红三叶草和百脉根）的相对贡献，符合质量比假说。物种多样性随时间下降表明试验草地尚未成熟，但半数成功建植的豆科和杂类草在四年后丰度仍增加，可能与割草频率不足以抑制竞争性禾草有关。高ME最可能归因于高产禾草的持续优势和高蛋白豆科植物（尤其红三叶草和百脉根）的大量盖度，而非功能多样性本身。季节效应显著，春季和秋季凉爽条件和幼嫩组织有利于较高饲草品质，夏季高温加速组织成熟和木质化降低消化率。研究结论指出：四年间13个引入物种中有9个成功建植，盖度主要随收获季节变化；ME随豆科-杂类草盖度增加而上升，而干物质产量主要由季节主导且与豆科-杂类草盖度呈弱负相关；群落水平功能多样性对ME无普遍正向效应，FDiv的效应仅在有限组合中出现，较高FEve趋于降低ME。鉴于中宇宙的局限性（浅根深度、边缘微气候、有限储水能力），绝对产量可能代表上限，ME推断为处理均值水平。研究人员建议开展田间验证，包括重复ME样本以检验物种同一性效应、评估功能多样性增加的情境特异性收益、纳入种子质量保障，并确定物种组成和管理时机是进一步田间评估多样饲草混合物的有前景方向。
关键技术方法
该研究采用四项主要技术方法：一是中宇宙（mesocosm）试验设计，在德国南部Hohentengen农场（48°1′N，9°21′E，海拔570 m）使用67个64升容器（72×38×29 cm3）填充当地土壤，采用随机区组设计，8种topping×禾草混合物组合各重复8次，模拟中等强度草地管理的割草（每年三次）和施肥（180 kg N·ha?1）制度；二是功能多样性指数计算，基于种子质量、冠层高度和叶面积三个性状，从Ecoflora数据库提取数据，使用R包TR8和FD中的dbFD函数计算功能丰富度（FRic）、功能均匀度（FEve）和功能离散度（FDiv）；三是饲草品质分析，对各topping×禾草混合物组合每次收获的混合样本进行湿化学分析（由德国LKV Grub实验室执行），测定产气量、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分和酸性洗涤纤维（ADF），并依据GfE（2008）公式计算代谢能（ME）；四是统计建模，使用glmmTMB拟合线性混合效应模型（LMMs）分析干物质产量和ME，以区组、中宇宙ID和年份为随机截距，采用DHARMa检验模型假设，使用emmeans进行Sidak校正的成对比较，并通过结构方程模型（SEM）评估变量间直接和间接路径关系。
