《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Push-pull farming system helps insure smallholder maize production under climate change
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农业生态学方法利用田间生物多样性，已被强调为减少产量差距的可持续途径，但关于其缓冲极端天气以及日益加剧的年际和季节内气候变率对生产影响能力的长期评估仍然稀缺。本研究分析了一项来自肯尼亚西部642对对照与推拉（push-pull）玉米田间配对的12年数据集，该地
农业生态学方法利用田间生物多样性，已被强调为减少产量差距的可持续途径，但关于其缓冲极端天气以及日益加剧的年际和季节内气候变率对生产影响能力的长期评估仍然稀缺。本研究分析了一项来自肯尼亚西部642对对照与推拉（push-pull）玉米田间配对的12年数据集，该地区长期气候趋势包括气温升高以及干旱和降雨加剧。在推拉系统中，玉米与一种饲用豆科植物间作，该植物可改善土壤肥力、抑制杂草并驱避害虫，同时田块四周种植饲用禾本科植物以吸引并抑制害虫。研究人员评估了推拉系统与气候效应在长雨季和短雨季中对产量、茎蛀虫（stemborer）害虫危害及寄生杂草密度的交互作用，以及这些因素如何驱动推拉系统对产量的影响。推拉系统玉米产量始终高于对照产量，但不同气候条件对两种田块类型的影响存在差异。在长雨季期间，高温年份推拉系统与对照田块间的产量差异更大。当长雨季早期干旱期较长时，推拉系统的产量效益也更高。在短雨季期间，推拉系统提高了产量，特别是在季节累积降雨量处于最优水平时，同时在极低或极高降水条件下仍可使产量翻倍。推拉系统与气候变量之间的交互作用部分由害虫和杂草介导。研究结果表明，采用推拉系统的小农户玉米生产不仅能提高产量，还能缓冲已经变得更加频繁和强烈的极端天气的不利影响。
**论文解读：推拉农业系统在气候变化下对小农户玉米生产的保障作用**
**一、研究背景与科学问题**
全球气候变化正导致气温升高、气候变率增大以及极端天气事件频发，对作物生产构成严重威胁。在不采取适应措施的情况下，预计热带地区作物产量将显著下降，而缩小产量差距对于保障粮食安全至关重要。农业生态学方法通过利用田间生物多样性，被认为是在减轻气候变化不利影响的同时增强作物生产韧性和提供经济效益的核心途径。田间多作物组合通常能够通过缓解部分难以解决的生产限制因素来提高产量，例如禾本科与豆科间作可减少土壤退化和物理退化，通过固氮等机制改善土壤肥力，并降低杂草、害虫和病害的发生率与影响。然而，目前关于多样化系统能否缓冲高温、干旱期和过量降雨等极端天气对作物生产影响的长期评估仍然不足。大多数研究仅基于少数几年的数据，难以区分潜在的机制，限制了对气候与作物多样化之间交互作用的评估，也限制了对能够保障农民应对气温升高、气候变率和极端天气可能性增大的气候智能型实践措施的识别与推荐。
推拉（push-pull）是一种多作农业系统，其中谷类作物与饲用豆科植物（Desmodium spp.）间作，该植物可改善土壤健康、驱避害虫（“推”）并抑制寄生杂草列当属（Striga）的滋生；田块四周种植饲用禾本科植物以吸引（“拉”）和抑制害虫。已有研究表明，推拉系统平均可提高产量200–300%，并为农民带来显著的经济效益。肯尼亚西部经历了气候变化和降雨变率增加，但在不利天气条件下推拉系统的有效性及其对玉米产量变率的影响尚未得到量化评估。
**二、研究内容与主要方法**
研究人员利用一项涵盖2005–2016年、来自肯尼亚西部八个地区642个农场的独特12年数据集，评估了推拉系统是否有助于小农户雨养玉米生产抵御不利天气条件。数据包括2352个农场-生长季配对的产量、鳞翅目害虫发生率和列当密度记录，其中每个农场的同一农户同时管理一块推拉系统田块和一块非推拉对照田块。气候变量基于CHIRPS降水数据（0.05°空间分辨率）和ERA5-Land日平均温度数据（约0.07°空间分辨率）计算。研究人员使用线性混合模型分析推拉系统与气候变量的交互作用对产量、列当计数和茎蛀虫危害发生率的影响，并采用分段结构方程模型区分推拉系统与气候对产量的直接效应以及通过害虫和杂草的间接效应。同时计算了产量、列当密度和茎蛀虫危害的平均值及尺度调整变异系数（aCV）以评估变率特征。需要说明的是，该数据来自肯尼亚西部八个子县的642个农场，长期气候趋势分析基于1981–2019年气候数据。
**三、研究结果**
**3.1 雨季特征与气候长期趋势**
在1981–2019年期间，长雨季平均始于第71天（范围55–75），止于第159天（范围144–171）；短雨季平均始于第267天（范围215–318），止于第336天（范围263–358）。两个雨季的累积降雨量均呈增加趋势。长雨季前20天内最大干旱期长度在80年代和90年代减少，但此后再度增加；第50天起的最大干旱期长度则呈现相反模式。短雨季中两个干旱期指标均略有下降。气温特别是日平均温度的90百分位数呈上升趋势。
**3.2 推拉系统与气候对产量、列当和茎蛀虫的交互效应**
跨季节而言，推拉系统玉米平均产量约为4.6 t·ha
?1，是对照产量（约2.1 t·ha
?1）的两倍；列当计数和茎蛀虫危害发生率在推拉系统中平均降低一个数量级以上。
长雨季的简约模型显示：对照产量随90百分位日平均温度升高而下降，而推拉系统产量保持稳定；列当计数在推拉系统中随温度升高更大幅度下降；茎蛀虫危害在对照中随温度升高而增加，在推拉系统中则降低。出乎意料的是，推拉系统产量随季节前20天最大干旱期长度增加而上升，而对照无此响应。累积降雨量以二次多项式方式影响两种处理产量，但推拉系统与对照间无显著交互。推拉系统效应在不同区域和年份间存在差异。产量随第50天后最大干旱期长度增加而下降。结构方程模型表明，推拉系统的直接效应最大，其次是气候与推拉系统的交互效应，最后是通过列当和茎蛀虫的间接效应。
短雨季的简约模型显示：推拉系统产量对降雨量的响应强于对照，即向最优降雨量上升更强、超过最优后下降也更明显。列当计数在两种处理中均从中等降雨量开始上升后在高降雨量下下降，对照在中等降雨量（300–500 mm）时列当计数特别高。茎蛀虫危害在推拉系统中随降雨增加而上升，对照中无显著变化。产量随季节前20天最大干旱期长度增加而下降。90百分位日平均温度在短雨季对产量无显著影响。
**3.3 产量、列当和茎蛀虫均值与变率分析**
推拉系统显著提高了产量（χ2
df=1 = 6556，P < 0.001），但尺度调整变异系数仅略高于对照。推拉系统显著降低了列当计数和茎蛀虫危害发生率，变率差异不显著。
**四、讨论与结论**
研究表明，推拉系统在高温生长季节中特别有效，并在降雨最优时带来额外收益；在次优降雨条件下，推拉系统的产量提升仍然显著。推拉系统与气候对产量的交互效应部分与对列当的交互效应一致，但与茎蛀虫危害的效应一致性较弱。高温效应可能通过覆盖作物缓冲土壤极端温度、减少列当萌发等直接和土壤介导的途径实现；结构方程模型显示直接效应占主导，这可能与土壤有机碳增加和土壤温湿度缓冲有关。在短雨季，推拉系统在中等降雨量下因有效抑制列当而获得额外产量优势，但在极端缺水条件下伴生植物可能与玉米竞争水分。
推拉系统使产量平均提高一倍以上，没有以牺牲产量稳定性为代价，杂草和害虫控制也保持一致的低水平。本研究的局限性包括：数据基于气候学雨季而非农场实际种植日期、降水数据的空间分辨率可能无法完全捕捉局部地形和植被效应、缺乏土壤和景观尺度数据。未来研究需要评估秋粘虫入侵后推拉系统与气候交互效应是否发生变化。
管理方面的启示在于：肯尼亚西部玉米种植区正经历升温和降雨增加以及温度和干旱期长度的变率增大。推拉系统的产量效益在气温持续上升的背景下将进一步提高，即使在降雨不足或过多以及干旱期较长时仍保持显著效益。然而，在极低和极高降雨量以及极长干旱期等极端情况下，推拉系统的缓冲能力存在局限，需要与其他气候适应措施（如抗旱品种和原位水分保持措施）相结合，以进一步提高产量和产量稳定性。
研究论文发表在《Agriculture, Ecosystems》期刊上。
