《Agronomy for Sustainable Development》：Agroforestry protects arable crops from climate shock during critical early-season phenological stages
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气候变化对欧洲农业生产构成重大威胁，不利天气事件频发且强度增大，影响作物产量。农林复合系统（Agroforestry），即将木本元素整合到农业系统中，被认为是缓解和适应气候变化的重要农业生态学方法，但关键的机制和长期绩效问题仍未解决。本研究利用机理模型Hi-s
气候变化对欧洲农业生产构成重大威胁，不利天气事件频发且强度增大，影响作物产量。农林复合系统（Agroforestry），即将木本元素整合到农业系统中，被认为是缓解和适应气候变化的重要农业生态学方法，但关键的机制和长期绩效问题仍未解决。本研究利用机理模型Hi-sAFe模拟了英国东南部Wakelyns农场在中间排放情景（代表性浓度路径RCP4.5）和极高排放情景（RCP8.5）下100年（2001–2100年）的农林复合系统（silvoarable agroforestry）绩效，重点关注冬小麦（Triticum aestivum）和豌豆（Pisum sativum）的产量。研究评估了产量稳定性、潜在的微气候和物候机制，以及长期土地利用效率（土地等效比LER）。本研究首次证明，农林复合系统通过在关键早期物候窗口保护作物，充当气候冲击吸收器，在气候变化情景下防止灾难性产量失败。这些保护效应机制上与微气候调节（可能是遮荫）有关，该调节由新长出的核桃（Juglans regia）叶片在作物开花和灌浆早期阶段提供，而非在夏季高温峰值期。尽管统计评估的整体产量稳定性未显著增强，但极端下行风险的缓解为农场韧性带来了深远益处。对土地等效比的分析显示，初始生产力存在显著滞后，小麦需80年、豌豆需40年才达到一致的LER > 1，这凸显了经济采纳障碍，但也表明优化系统设计和适应性管理可加速生产力提升。总体而言，这些结果揭示了农林复合系统缓冲温带耕地作物免受气候诱导产量冲击的先前未被报道的机制和时间基础。
**研究背景与问题**
气候变化对欧洲农业生产的威胁日益加剧，极端天气事件频发，导致作物产量波动加剧。传统单一作物系统在应对高温、干旱等胁迫时脆弱性显著，尤其在北欧，尽管气候变暖可能带来部分增产，但极端事件仍使适应策略困难重重。农林复合系统（Agroforestry）通过将木本植物整合入农田，被认为兼具缓解与适应气候变化的潜力，但其具体机制（如微气候调节的时间窗口）和长期绩效（如产量稳定性、土地等效比动态）尚不明确。现有研究多基于热带地区，温带地区的实证和模拟证据稀缺，且未明确揭示树木在作物生命周期中何时以及如何发挥缓冲作用。为此，研究人员利用英国东南部Wakelyns农林复合农场（由Martin Wolfe教授于1992年建立，为英国最成熟的农林复合系统之一）的长期数据，旨在解决三个核心问题：（1）农林复合系统能否提高作物产量稳定性；（2）其缓冲效应的生物物理机制是什么；（3）系统空间配置和管理是否优化，使土地等效比（LER）>1，以及达到这一里程碑所需的时间。该研究发表在《Agronomy for Sustainable Development》。
**关键技术方法**
研究人员采用机理模型Hi-sAFe（三维过程模型，耦合STICS作物模型和树木模块，动态模拟资源竞争）模拟Wakelyns北田（2.57公顷，种植核桃Juglans regia和冬小麦/豌豆轮作）在RCP4.5和RCP8.5情景下2001–2100年的绩效。关键方法包括：基于2022年深钻取样测定土壤参数和水位（平均3.26 m深）；利用RACMO区域气候模型数据，经分位数映射校正风速偏差；通过树高、冠幅等实测数据验证模型；采用岭回归（Ridge regression）分析变量间多重共线性，识别驱动产量差异的环境因子和物候期；将生长季划分为四个时段，统计降水、相对湿度、最高温度、全球辐射的均值，并分析其与年份、农业类型（农林复合vs.单作）的交互作用。样本队列来源为Wakelyns农场东南英格兰地区。
**研究结果**
**3.1 模型验证**
Hi-sAFe模拟的核桃地上部生长轨迹（树高、冠幅等五个指标）均落入2023年实测17棵树95%置信区间内，表明模型可真实反映树木生长。模拟冬小麦平均产量为3.93±0.322 t/ha（2001–2100年，RCP8.5），高于Wakelyns实测的约3.2 t/ha（2009年），原因可能是模型使用了商用品种而非当地混合基因型YQ；豌豆模拟产量为1.73±0.634 t/ha，符合欧洲有机豌豆1–4.5 t/ha的范围。
**3.2 小麦产量（RCP8.5）**
农林复合系统的主要效应是在单作产量极低的“坏年”中保护小麦，如2026年（单作约2 t/ha，农林复合约4 t/ha）和2044年（单作约1 t/ha，农林复合约2.5 t/ha）。2080年前，农林复合导致约4.5%的小幅减产，但2080年后两者产量相近或农林复合略高，提示随极端气候加剧，农林复合可能从抑制转为促进产量。统计显示，产量随时间无显著下降趋势，且农林复合与单作间产量变异无显著差异（Levene检验p=0.478）。岭回归表明，产量差异主要由时段3（3月15日–5月31日）的复杂气候交互作用（高温、低湿、高辐射）驱动。物候分析显示，该时段恰逢核桃新叶萌发后、小麦开花灌浆前，树木的遮荫效应在热干条件下保护了敏感生殖过程。
**3.3 豌豆产量（RCP8.5）**
豌豆在农林复合系统中整体优于单作，平均增产26.8%，且随时间更明显，但统计上不显著。极端年份（如2053年、2077年、2083年、2089年）农林复合防止了产量崩溃，如2077年单作近零产量时农林复合仍保持较高产量。岭回归显示，关键时段为时段2（6月1日–6月30日），与核桃新叶萌发后豌豆开花灌浆期重叠。产量变异无显著差异（Levene检验p=0.633）。
**3.4 土地等效比（LER，RCP8.5）**
北田布局未最大化产量，小麦LER在2080年后才稳定>1，豌豆在2040年代后达到>1，但需40年（豌豆）和80年（小麦）从种植起达到LER>1，表明初始生产力滞后。在极端年份（如2026、2044、2077年）LER显著升高，原因是单作产量极低。豌豆种植在土地利用效率上优于小麦。
**3.5 RCP4.5情景**
小麦产量模式与RCP8.5类似：多数年份单作略优（平均5.3%），但2050年和2086年单作大跌时农林复合增产77%和20%。豌豆产量差异更大：RCP4.5下出现更多单作或双零产年份，但在2059年和2071年农林复合仍有产量而单作无；高产年份（如2041、2065年）单作优于农林复合15–25%，而低产年份农林复合优势明显。这表明农林复合对豌豆的保护在更极端气候（RCP8.5）下更强。
**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究首次证明农林复合系统在温带地区通过早期物候窗口（树木新叶萌发后作物开花灌浆期）的微气候调节（主要是遮荫）缓冲极端气候冲击，而非在夏季高温期。这一机制与热带研究一致，但温带证据仍稀缺。与Reyes等（2021）在地中海地区、Giannitsopoulos等（2025）在北爱尔兰的模拟结果相比，本研究的保护效应在豌豆上于RCP8.5下更为显著，而小麦保护效应在两情景间相似。LER的长期滞后反映了Wakelyns系统最初设计侧重于生物多样性而非最大产量，优化措施（如缩小树行间距、降低树下带宽度、种植葡萄等）可缩短达到LER>1的时间。此外，树木物候选择应使叶片萌发恰好早于作物生殖敏感期，核桃在英国表现优异，而白杨（Populus alba）过早发叶可能造成不必要遮荫。
**研究结论（翻译）**
通过对不同气候变化情景下长期农林复合系统绩效的模拟，评估产量稳定性、潜在微气候和物候机制及土地利用效率，本研究首次证明，农林复合系统可作为气候冲击吸收器，在急性胁迫年份防止灾难性产量失败。模拟显示，缓冲效应强度因作物和气候情景而异。对于小麦，农林复合在RCP4.5和RCP8.5下提供相似保护：多数年份单作略增产，但偶发坏年时农林复合持续维持更高产量，表明其通过降低下行风险而非提高平均年稳定性来稳定小麦生产。对于豌豆，保护效应在RCP8.5下更显著，农林复合几乎在所有年份优于单作，并显著减轻产量损失，表明在极端气候情景下农林复合对维持豌豆产量尤其重要。本研究还识别了支撑这些保护效应的微气候和物候机制：对于小麦和豌豆，产量缓冲发生在作物开花和灌浆的早期季节窄窗口期，此时作物对热和蒸散胁迫最敏感。树木叶片萌发与这一脆弱生殖期重合，通过微气候调节减少胁迫，进而限制产量损失严重程度。关于系统整体生产力，土地等效比（LER）显示显著初始滞后，仅在约40–80年后才持续超过1，但这反映Wakelyns系统的原始设计和管理，而非农林复合的固有局限。模拟表明，调整空间配置、选择替代物种或采用更适应性的树木管理策略可加速实现综合生产力增益。这些发现也为农民提供实用指导：因保护效应特异地发生在作物开花灌浆期，农林复合系统在树木叶萌发与这一早期敏感窗口重叠时表现最佳。过早展叶可能施加不必要遮荫，过晚则错过有效保护期。选择物候匹配的树种或品种，并相应管理，以对齐叶萌发与作物生殖期，是随着极端气候加剧增强作物韧性的务实、基于证据的策略。
