耕作制度（有机 vs. 常规）、轮作与间作对肯尼亚中部杂草种子库(weed seedbank)的影响

《International Journal of Agronomy》：Influence of Farming Systems (Organic vs. Conventional) With Crop Rotation and Intercropping on Weed Seedbank in Central Kenya

　　

摘要：杂草种子库(weed seedbank)是长期杂草压力的关键驱动因子，且深受耕作制度(farming system)、作物轮作(crop rotation)及间作(intercropping)的影响。本研究评估了有机(ORG)与常规(CONV)耕作制度——各设高（113–145 kg N·ha?1，60–83 kg P·ha?1）和低（31–45 kg N·ha?1和13–27 kg P·ha?1）施肥水平——对肯尼亚中部高地(Central Highlands of Kenya)楚卡(Chuka)和锡卡(Thika)两处长期试验点（始建于2007年）杂草种子库密度、组成、优势度及多样性的影响。2017—2019年，在三年轮作周期下的六个作物季，每季结束后采集0–20 cm土层样品，设CONV-high、CONV-low、ORG-high和ORG-low四个处理。采用幼苗萌发法(seedling emergence method)定量杂草种子库，鉴定杂草种并计算总密度、香农多样性指数(Shannon diversity index, H′)、均匀度(evenness, EH)，并运用主成分分析(principal component analysis, PCA)评估处理效应。作物轮作影响所有杂草种密度，响应取决于作物序列与耕作制度。高施肥系统（ORG-high和CONV-high）通常支持更高总杂草密度，这与较多有机肥/矿质肥投入及有利于高肥力指示种如Bidens pilosa、Amaranthus hybridus、Galinsoga parviflora、Stellaria media和Commelina benghalensis有关；低施肥系统则关联低肥力种如Portulaca oleracea、Tagetes minuta和Schkuhria pinnata。优势种在Chuka为B. pilosa、G. parviflora、S. pinnata、Eleusine indica和Setaria verticillata，在Thika为A. hybridus、B. pilosa、E. indica和S. media，其优势度随连续轮作总体下降。ORG-high中间作Baby corn/Mucuna及Maize/Mucuna，ORG-low中间作Maize/Beans和Kales/Swiss chard较相应单作和CONV-low显著降低了杂草密度。有机系统杂草多样性(H′最高约2.0)与均匀度(EH> 0.8)高于常规系统，表明群落功能更多样、优势种驱动较弱。结果表明，整合轮作、策略性间作及针对性养分管理可减少问题杂草种子库积累与单一优势度，同时维持兼容于可持续低除草剂小农户系统的多样化杂草群落。

论文解读：耕作制度（有机vs.常规）、轮作与间作对肯尼亚中部杂草种子库影响的研究

研究背景：杂草是全球作物减产（约40%）的主要原因之一，除草剂过度使用引发抗药性与环境风险。杂草种子库(weed seedbank)反映历史及当前杂草种群动态，受耕作制度(farming system)、轮作(crop rotation)、施肥与除草方式调控。作物轮作改变选择压减少特定杂草持续优势，间作(intercropping)通过提高光、水、空间资源竞争抑制杂草，而不同施肥水平可筛选高/低肥力指示杂草种。肯尼亚中部高地小农户依赖手工除草，了解有机与常规养分管理结合轮作/间作对杂草种子库的影响对制定可持续杂草综合治理(integrated weed management, IWM)策略至关重要。基于此，研究人员在肯尼亚Chuka和Thika两处长效试验田开展研究，比较有机(ORG)与常规(CONV)系统下高、低施肥水平对杂草种子库密度、组成、优势度及多样性的影响，并评估轮作与间作(Mucuna覆盖作物、豆类间作)的抑草效果，论文发表于《International Journal of Agronomy》。

主要技术方法：研究依托肯尼亚Chuka（Humic Nitisols，年降雨1500–2400 mm）与Thika（Rhodic Nitisols，年降雨900–1100 mm）2007年始建的长期农田系统比较试验(long-term farming system comparison trial)，设四处理——CONV-high（矿质肥+分解厩肥）、CONV-low（低量矿质肥+鲜厩肥FYM）、ORG-high（堆肥compost+磷矿rock phosphate+Tithonia浸提液与覆盖物+Mucuna间作）、ORG-low（腐解FYM+磷矿+Tithonia覆盖物+豆类间作），按推荐(RCB)随机区组设计布置重复。2017—2019年每季末用土钻取0–20 cm土层混合样，经3 mm筛、赤霉素(gibberellic acid, 1000 mg·L^?1)打破休眠后置温室用幼苗萌发法(seedling emergence method)持续3个月记录杂草苗，鉴定物种并计算密度、相对密度、香农多样性指数(Shannon–Wiener diversity index, H′ = ?Σp_i·ln(p_i))、均匀度(evenness, E_H= H′/ln(S))，以相对密度＞10%定义优势种。数据log转化后ANOVA及Tukey HSD(p＜0.05)检验差异，PCA分析物种–处理关联，R 4.3.2完成统计。

研究结果：

3.1. Weed Density and Dominance Under Different Farming Systems and Rotations（不同耕作制度与轮作下杂草密度及优势度）：作物轮作显著影响各系统杂草密度且依作物序列而异。ORG-high中Baby corn/Mucuna–French bean轮作降低Amaranthus hybridus（26.9%）、Stellaria media（25%）、Tagetes minuta（57.3%），升高Bidens pilosa（48.8%）、Eleusine indica（133.3%）、Oxalis corniculata（30.8%）；Baby corn/Mucuna–马铃薯轮作则降B. pilosa（56.5%）和S. media（57.8%），回升A. hybridus并增O. corniculata、Portulaca oleracea、T. minuta。ORG-low中Maize/Bean–菜豆轮作降A. hybridus（67.5%）、B. pilosa（13.4%）、S. media（25%），增E. indica（53.4%）。CONV-high中Baby corn–French bean降E. indica（28.3%）与S. media（53.33%），允许Fallopia convolvulus、A. hybridus与T. minuta再现；Baby corn–马铃薯亦降S. media（53.3%）但升A. hybridus（57%）；Maize–Cabbage降S. media（32%）升B. pilosa（65%）。CONV-low中Maize/Bean–菜豆、Maize/Bean–马铃薯及Maize–Kales/Swiss chard降A. hybridus（76.5%），B. pilosa于Maize–Cabbage轮作被完全消除，E. indica在Maize/Bean–菜豆及Maize–Kales/S. chard中升53%。Chuka站点ORG-high轮作降B. pilosa（5.4%）、Galinsoga parviflora（33.2%）、O. corniculata（41.7%）、Schkuhria pinnata（88.9%）；ORG-low降A. hybridus（25%）和G. parviflora（57.8%）；CONV-high降S. pinnata（56.2%）和Setaria verticillata（72%）但升B. pilosa（31.7%）；CONV-low整体降G. parviflora（38%）、S. pinnata（50%）、S. verticillata（47%），升A. hybridus（43.5%）和O. corniculata（50%）。结论：轮作可定向调节特定杂草密度，间作（Mucuna、豆类）在特定系统中显著降低目标杂草密度。

3.2. Impact of Farming Systems on Weed Species Density（耕作制度对杂草种密度的影响）：高投入系统（ORG-high、CONV-high）多数杂草种密度高于低投入系统，CONV-low多数种密度最低。Thika中Chenopodium album与Commelina benghalensis仅见于有机系统，P. oleracea仅见于低投入系统；Chuka中C. album与S. media仅见于高低投入有机与常规高系统，C. benghalensis仅见于常规系统。B. pilosa在CONV-high与ORG-high均值高于对应低投入系统。结论：施肥水平筛选喜高/低肥力杂草组合，有机高投入引入特定伴生杂草种。

3.3. Influence of Farming System and Crop Seasons on Dominant Weed Species（耕作制度与作物季对优势杂草种的影响）：相对密度＞10%定为优势种。两站最优势种均为B. pilosa；Chuka另含G. parviflora、S. pinnata、E. indica、S. verticillata；Thika另含A. hybridus、E. indica、S. media。轮作使G. parviflora、S. pinnata、S. verticillata优势度至2019年末下降（G. parviflora在ORG-high与CONV-high分别降31.5%、34.8%；S. verticillata在CONV-high降52%）；CONV-low中E. indica优势度升25%，A. hybridus降25%；高施肥下A. hybridus相对密度在ORG-high与CONV-high分别降52%、57%，S. media在CONV-high降46.2%。结论：轮作随季节推移削弱多数问题杂草优势度，不同施肥制度影响特定优势种演替。

3.4. Weed Species Diversity as Influenced by Organic and Conventional Farming Systems and Cropping Seasons in Thika and Chuka（有机与常规耕作制度及作物季对杂草种多样性的影响）：Thika香农多样性H′范围0.92–1.97，Chuka 1.33–2.06。CONV-high在Thika从2017年H′=1.88降至2019年0.94，Chuka从1.92降至1.43；ORG-high在Thika从1.76升至1.89，Chuka维持高位（2.02→2.04）。低投入下ORG-low多样性高于CONV-low（Thika 1.48 vs 1.32；Chuka 1.87 vs 1.55）。ORG-high与CONV-high、ORG-low与CONV-low H′比值分别为约2:1与2:1.4（Thika）和2:1.8与2:1.6（Chuka）。结论：有机系统维持或提升杂草多样性，常规高投入随时间降低多样性。

3.5. Shannon's Evenness Index(E_H) of Weed Species at Chuka and Thika（香农均匀度指数）：Thika E_H0.78–0.99，Chuka 0.82–0.99。CONV-high在Thika从0.99降至0.89（降10%），Chuka从0.97降至0.86（降11.3%）；ORG-low在Thika从0.91升至0.96（升5.5%），Chuka有机系统各季保持较高均匀度。结论：常规高投入降低杂草均匀度致群落偏优势种主导，有机系统维持较均衡群落。

3.6. Clustering of Weed Species as Influenced by Farming Systems（耕作制度影响的杂草种聚类/PCA）：Thika前两主成分解释80.4%变异，CONV-high与PC1、PC2负相关关联E. indica、S. media、A. hybridus、F. convolvulus、C. benghalensis；ORG-high正相关PC2关联Sonchus oleraceus、C. album、O. corniculata；ORG-low关联P. oleracea。Chuka前两主成分解释80.9%变异，CONV-high负关联PC1/PC2关联C. benghalensis、O. corniculata、F. convolvulus；ORG-high正关联PC2与S. media、C. album；ORG-low关联A. hybridus、T. minuta。结论：不同耕作制度形成特征性杂草组合，PCA可有效区分系统间杂草群落结构。

讨论与结论总结：肥料用量、轮作序列与作物种类共同塑造杂草组成与密度。ORG-high与CONV-high因高量有机肥/矿质肥及可能带入杂草籽的FYM(compost/FYM)，且高肥促高肥力指示杂草（B. pilosa、A. hybridus、G. parviflora、S. media、C. album、F. convolvulus、C. benghalensis），故总密度高于低肥系统；低肥系统富集低肥力指示杂草（P. oleracea、T. minuta、S. pinnata）。Mucuna及豆类间作通过快速覆蔽与资源竞争显著降低杂草密度（Maize/Mucuna降杂草约52%）。B. pilosa因强氮响应、高繁籽与散布机制成两站最普适优势种。轮作扰乱再生生态位(regeneration niche)抑制单优种形成，三年轮作末期G. parviflora、S. pinnata、S. verticillata优势度下降。有机系统因排斥单一强选择压（如广谱除草剂）及多样有机输入促杂草物种多样化，故Shannon多样性(H′达~2.0)与均匀度(E_H>0.8)高于常规系统，群落少由单优种主导。研究表明，整合作物轮作、策略性间作（Mucuna、豆类）及匹配土壤肥力的精准养分管理，可在减少难除杂草种子库累积与单一优势度的同时，维持兼容于低除草剂小农户可持续农业的多样化杂草群落，为热带小农区IWM提供实证依据。