《Field Crops Research》：Cotton yield increases while risk decreases with bahiagrass integration in a cropping system
编辑推荐：
摘要专业翻译
背景：将多年生作物阶段整合入一年生作物轮作系统可能提升生产力并降低减产风险，但来自美国东南部沿海平原的长期证据仍然有限。
方法：一项为期21年的田间试验比较了三种棉花种植系统：（1）巴哈雀稗-巴哈雀稗-花生-棉花轮作中跟随巴哈雀稗的棉花（C_BG
摘要专业翻译
背景：将多年生作物阶段整合入一年生作物轮作系统可能提升生产力并降低减产风险，但来自美国东南部沿海平原的长期证据仍然有限。
方法：一项为期21年的田间试验比较了三种棉花种植系统：（1）巴哈雀稗-巴哈雀稗-花生-棉花轮作中跟随巴哈雀稗的棉花（C_BG）；（2）常规花生-棉花-棉花轮作中跟随花生的棉花（C_P）；（3）常规花生-棉花-棉花轮作中跟随棉花的棉花（C_C）。研究人员采用混合效应模型（Mixed-effects Models）、气候与时期分层分析（Climate- and Period-Stratified Analyses）、Finlay-Wilkinson回归（Finlay-Wilkinson Regression）、恢复力指标（Resilience Metrics）及极端产量概率（Extreme-Outcome Probabilities）来评估系统表现。
结果：C_BG处理的皮棉（Lint）产量中位数最高（1427 kg/ha），分别超出C_P和C_C处理8.1%和14.9%。模型估计均值呈现相同排序（C_BG = 1414，C_P = 1289，C_C = 1227 kg/ha；p < 0.001），且去趋势后差异仍然显著（p < 0.01）。C_BG的产量优势在降雨、温度及时间类别中均得以维持。Finlay-Wilkinson分析表明C_BG具有中等环境响应性，而C_P比C_C更具响应性。在干旱年份，C_BG表现出最高的恢复力中位数（1.02）及恢复力≥1的概率（0.59）。高产结果的概率在轮作间变异较小（C_BG、C_P和C_C分别为25%、22%和21%），而低产结果的概率以C_BG最低（34%），相比之下C_C为39%，C_P为44%。
结论：将巴哈雀稗整合入作物轮作系统在广泛环境条件下提升了棉花皮棉产量。这些效益主要与低产结果概率的降低相关，表明在提升平均生产力的同时降低了减产风险。
论文主体解读文章
一、研究背景与问题提出
美国东南部棉花（Gossypium hirsutum L.）生产系统正面临多重压力：产量停滞不前、投入成本持续上升、气候变异性加剧以及土壤逐步退化。该区域以佛罗里达、阿拉巴马和佐治亚州为核心，棉花与花生（Arachis hypogaea L.）占据大田作物种植面积的绝大部分（佛罗里达约85%，佐治亚约65%，阿拉巴马约45%），普遍采用三年制花生-棉花-棉花轮作模式。该区域土壤多为质地粗疏的沿海平原土壤，有机碳含量、养分保持能力和持水能力天然偏低，在连续一年生作物种植下极易退化。
在此背景下，将暖季型多年生禾草——巴哈雀稗（Bahiagrass, BG；Paspalum notatum Flüggé）——引入一年生轮作系统，形成四年制巴哈雀稗-巴哈雀稗-花生-棉花轮作，被视为一种结构性多样化策略。短期和中期的研究表明，BG基系统可提升花生和棉花产量、增加覆盖作物生物量、减少灌溉和肥料需求、促进深层根系发育和养分循环，并降低生产风险。这些效益归因于多年生禾草发达的根系系统，其可增加土壤有机质、改善土壤团聚体和持水能力、增强养分储存及水分利用效率，同时多年生阶段还能打破病虫害和线虫循环。然而，多数研究期限较短（不足5年），且Katsvairo等（2009）报道BG基轮作在建立初期并无产量优势，长期遗留效应是否能够转化为持续性的产量分布改变——包括更高的稳定性和更低的减产风险——仍缺乏长期证据。
因此，本研究利用一项长达21年的田间试验，系统比较BG基轮作与常规花生-棉花-棉花轮作中三种棉花种植系统的产量表现，旨在回答BG整合是否通过提高高产概率或降低低产概率来提升产量，并评估其在水分胁迫条件下的风险缓解价值。研究人员假设BG基轮作会产生累积遗留效应，影响产量形成、提升皮棉产量并降低极端低产事件的发生概率。
二、研究开展与主要结论
研究在佛罗里达大学北佛罗里达研究与教育中心（NFREC, Quincy, FL；30°36′ N, 84°33′ W）开展，试验始于2000年，土壤为Dothan砂质壤土（fine-loamy, kaolinitic, thermic Plinthic Kandiudult）。试验采用条区（split-block）设计，三次重复，灌溉为主区因子、轮作为副区因子，副区尺寸为45.7 m × 18.3 m。研究比较了三种棉花系统：BG基轮作中跟随花生的棉花（C_BG）、常规轮作中跟随花生的棉花（C_P）和常规轮作中跟随棉花的棉花（C_C）。全生育期采用保护性耕作，棉花施氮总量为80–85 kg N/ha，巴哈雀稗以22–34 kg/ha播种量建植。
主要研究结论如下：C_BG的皮棉产量中位数最高（1427 kg/ha），超出C_P和C_C分别8.1%和14.9%；模型估计均值排序一致（C_BG = 1414，C_P = 1289，C_C = 1227 kg/ha；p < 0.001），去趋势后差异仍显著（p < 0.01）。C_BG的产量优势在干旱、正常、湿润等降雨类别以及凉爽、温和、温暖等温度类别中均得以维持，且在不同时间阶段（早期2002–2008、中期2009–2015、晚期2016–2022）中持续存在。在干旱年份，C_BG表现出最高的恢复力中位数（1.02）和恢复力≥1的概率（0.59）。高产结果概率在轮作间差异较小（C_BG、C_P、C_C分别为25%、22%、21%），而低产结果概率以C_BG最低（34%），C_C为39%，C_P为44%。研究的重要意义在于：BG整合主要通过降低低产事件概率来提升平均产量，即在提高生产力的同时降低减产风险，为沿海平原土壤上的轮作多样化提供了长期实证支持。
三、关键技术方法概述
研究采用了以下主要技术方法：一是线性混合效应模型（Linear Mixed-effects Models），以灌溉、轮作及其交互为固定效应，年份、年份内重复及重复内灌溉条带为随机效应，用于评估轮作对皮棉产量的影响；二是去趋势产量分析（Detrended Yield Analysis），通过以年份为随机截距的模型计算残差，以隔离年际间时间趋势对产量比较的干扰；三是气候与时期分层分析（Climate- and Period-Stratified Analyses），将生长季（4–11月）降雨和温度按三分位数划分为干旱/正常/湿润和凉爽/温和/温暖类别，并将年份划分为三个时间阶段，以评估轮作表现的环境依赖性；四是Finlay-Wilkinson回归（Finlay-Wilkinson Regression），以各重复环境（Year × Rep组合）中所有轮作的平均产量为环境指数，回归轮作产量以量化环境响应性斜率（β）；五是恢复力指标（Resilience Metrics）与极端产量概率分析，基于水分平衡（降雨减去参考蒸散量，PET按FAO-56 Penman-Monteith方法估算）构建水分胁迫指数划分干旱等级，并计算恢复力中位数、恢复力≥1概率及高/低产结果概率。所有稳定性与恢复力指标均采用非参数自助法（Bootstrap）生成95%置信区间进行推断。数据来源为佛罗里达自动天气网络（FAWN, Quincy站）2002–2022年逐日气象观测。
四、研究结果分述
（1）绝对产量与去趋势产量分析
混合效应模型显示轮作对皮棉产量影响显著（P < 0.001），而灌溉（P = 0.135）及轮作×灌溉交互（P = 0.832）均不显著，表明轮作响应在灌溉处理间保持一致。C_BG的绝对产量和去趋势产量均显著高于C_P和C_C，且C_P高于C_C。去趋势后差异仍然显著（p < 0.01），说明产量优势并非由年份趋势驱动，而是轮作系统的真实效应。
（2）气候与时期分层产量响应
在降雨三分位类别（干旱、正常、湿润）和温度三分位类别（凉爽、温和、温暖）中，C_BG均保持最高的平均产量，且95%置信区间不重叠于常规轮作。在时间阶段分析中（排除受飓风Sally严重影响的2020年），C_BG在早期、中期和晚期阶段均持续优于C_P和C_C，表明BG遗留效应具有长期持续性。
（3）稳定性与环境响应性
稳定性以可靠性指数（均值与标准误之比）量化，C_BG表现出最高的可靠性指数，表明其在平均产量与跨环境一致性方面实现了最佳组合。Finlay-Wilkinson回归显示C_BG的回归斜率（β）介于C_P和C_C之间，呈中等环境响应性；C_P的斜率高于C_C，表明C_P对有利环境更为敏感，而C_C则更为保守。自助法置信区间表明这些差异具有统计显著性。
（4）恢复力与极端产量概率
在干旱年份（水分胁迫指数≤-2），C_BG的恢复力中位数最高（1.02），恢复力≥1的概率为0.59，表明BG基轮作在干旱条件下不仅能够抵抗产量损失，还倾向于实现高于预期的产量表现。高产结果概率（定义为产量高于整体分布第75百分位数）在三种轮作间差异较小（C_BG为25%，C_P为22%，C_C为21%），而低产结果概率（产量低于第25百分位数）以C_BG最低（34%），C_C为39%，C_P为44%。这一结果表明BG整合的产量优势主要源于低产尾部概率的压缩，而非高产事件的增加。
五、讨论与结论总结
讨论部分指出，BG基轮作带来的产量提升和风险降低可归因于多年生禾草阶段对土壤功能的改善，包括增加土壤有机质、改善团聚体结构、增强持水能力和养分循环效率，以及打破病虫害循环等遗留效应。与短期研究不同，21年的长期数据证实这些效益具有持续性，且不受灌溉水平影响。研究还强调，稳定性和恢复力是独立于平均产量的维度，BG系统在干旱年份的高恢复力表明其具有缓冲极端气候的能力，这对气候变化背景下沿海平原棉花生产的风险管理具有重要意义。
研究结论部分指出：将巴哈雀稗整合入作物轮作系统在广泛环境条件下提升了棉花皮棉产量。这些效益主要与低产结果概率的降低相关，表明在提升平均生产力的同时降低了减产风险。研究为BG基轮作多样化策略在美国东南部沿海平原土壤上的长期农艺价值和风险缓解效益提供了严格的实证评估。
