《Agricultural Water Management》：Seasonal climate modulates water and nitrogen use efficiency and biodiversity contributions to yield stability in cereal/legume forage intercropping
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摘要：在全球人口持续增长和极端天气事件频发的背景下，确保稳定的农业生产同时减少环境影响是可持续农业面临的重大挑战。研究人员在中国西北宁夏盐池县进行了为期四年（2022–2025年）的田间试验，探究燕麦与箭筈豌豆或毛叶苕子间作在春播和夏播两种季节条件下的产量稳定
摘要：在全球人口持续增长和极端天气事件频发的背景下，确保稳定的农业生产同时减少环境影响是可持续农业面临的重大挑战。研究人员在中国西北宁夏盐池县进行了为期四年（2022–2025年）的田间试验，探究燕麦与箭筈豌豆或毛叶苕子间作在春播和夏播两种季节条件下的产量稳定性机制。研究量化了干物质产量（DMY）、粗蛋白产量（CPY）、水分生产力（WP）、氮素利用效率（NUE）以及生物多样性效应——包括互补效应（CE）和选择效应（SE）。结果表明，与单作相比，间作显著提高了产量稳定性，其中燕麦/箭筈豌豆间作表现出最佳的生产力-稳定性平衡。季节性气候条件重塑了稳定机制：春播条件下，水分生产力（WP）主导了产量稳定性；而夏播条件下，生物多样性效应的贡献上升。方差分配分析显示，WP、NUE和生物多样性效应共同解释了产量稳定性的变异，但其相对重要性因播种季节而异。研究强调，优化间作系统的产量稳定性需考虑季节性气候背景，这为干旱地区适应性饲草生产提供了理论依据。
1. 研究背景与科学问题
全球粮食安全面临人口增长与气候变化双重压力，极端天气频发导致作物减产风险加剧，提升产量稳定性成为增强农业系统气候韧性的关键。中国西北地区作为重要畜牧产区，饲草需求逐年增加，但该区域降水稀少且变率大、蒸发强烈，资源约束严重，饲草生产极易受气候波动影响，产量不稳定已成为制约畜牧业高质量发展的瓶颈。禾谷类/豆科间作被认为是一种能够提高生产力、土地利用效率和资源利用效率的有效策略，然而间作对生产力的影响因环境条件而异，可能为正、中性甚至负效应。特别是播种季节的变化——春播与夏播代表了截然不同的生长环境：春播通常温度较低、早期降雨少，夏播则温度较高、降水模式改变、养分周转更快——这种季节性差异可能深刻影响种间竞争与促进的平衡、豆科固氮、土壤氮矿化以及作物水分消耗，进而改变间作系统的产量稳定性。然而，目前尚缺乏多年田间试验定量评估在不同播种季节下，水分生产力（WP）、氮素利用效率（NUE）和生物多样性效应对饲草产量稳定性的相对贡献及其独特与共享的解释份额。因此，本研究旨在解答两个核心问题：（1）燕麦/箭筈豌豆和燕麦/毛叶苕子间作能否在春播和夏播季节均提升饲草产量稳定性；（2）季节性气候条件如何改变资源利用效率和生物多样性效应对产量稳定性的相对贡献。
2. 主要技术方法
研究人员于2022至2025年在宁夏大学四墩子实验站（宁夏盐池县，N37°46′26″，E107°26′16″，海拔1460 m）开展四年田间定位试验。采用随机完全区组设计，设置春播（SP）和夏播（SU）两个播种季节，每个季节包含五种种植体系：燕麦单作（SO）、箭筈豌豆单作（SC）、燕麦/箭筈豌豆间作（OC）、毛叶苕子单作（SH）、燕麦/毛叶苕子间作（OH），三次重复。研究人员测定了干物质产量（DMY）和粗蛋白产量（CPY）；基于土壤水分平衡法计算蒸散量（ET）并进一步求得水分生产力（WP）；采用凯氏定氮法测定氮浓度并计算氮素利用效率（NUE）；应用Loreau和Hector（2001）的方法分解生物多样性效应为互补效应（CE）和选择效应（SE）；运用多元回归、Lindeman-Merenda-Gold（LMG）相对重要性分析和方差分配（共性分析）等方法量化各因素的贡献。
3. 主要研究结果
3.1 季节性气候对产量及稳定性的影响
研究发现，间作系统的干物质产量（DMY）和粗蛋白产量（CPY）稳定性显著高于单作系统。其中，燕麦/箭筈豌豆间作（OC）在所有处理中展现出最优异的生产力-稳定性平衡，即在保持高产的同时具有最低的年际变异系数。
3.2 水分生产力（WP）的主导作用及其季节依赖性
在春播条件下，水分生产力（WP）是解释产量稳定性的最重要因素，其相对重要性远高于其他变量。这表明春季有限的水分供应使得水分利用效率成为驱动产量稳定的核心过程。
3.3 生物多样性效应的季节转换
在夏播条件下，生物多样性效应——特别是互补效应（CE）——对产量稳定性的贡献显著上升，超过了水分生产力（WP）的作用。这说明夏季更温暖、水分相对充沛的环境促进了种间的生态位分化和促进作用，从而增强了系统的缓冲能力。
3.4 氮素利用效率（NUE）的协同作用
氮素利用效率（NUE）在两个季节中对产量稳定性均有显著贡献，但其相对重要性低于WP或生物多样性效应。方差分配分析进一步揭示，WP、NUE和生物多样性效应共同解释了产量稳定性的绝大部分变异，且三者之间存在显著的交互作用，即它们并非独立发挥作用，而是共同调控着系统的稳定性。
4. 讨论与结论
研究讨论指出，季节性气候背景通过改变水资源可用性和种间关系，根本性地重塑了间作系统产量稳定性的维持机制。这一发现验证了生物多样性保险理论和胁迫梯度假说：在资源受限的春播环境中，高效利用有限水分（高WP）是保障稳定产量的首要途径；而在资源条件相对较好的夏播环境中，物种间的互补作用成为稳定产量的主要驱动力。研究结论强调，优化间作系统的产量稳定性不能采取“一刀切”的策略，必须充分考虑当地的季节性气候特征。对于中国西北干旱半干旱地区而言，燕麦/箭筈豌豆间作被证明是最具潜力的饲草生产模式，能够在不同播种季节下实现生产力与稳定性的最佳平衡。这些发现为制定适应气候变化的饲草生产管理策略提供了重要的理论依据和实践指导。
