耕作制度对太平洋西北部冬小麦-春豌豆轮作中杂草侵扰的影响

《Agronomy Journal》：Tillage regime affects weed infestation in a winter wheat–spring pea rotation in the Pacific Northwest

　　

摘要：与常规耕作相比，免耕可减少土壤侵蚀，在太平洋西北部旱作种植系统中被认为是一种更具可持续性的耕作方式。然而，该系统中杂草管理完全依赖除草剂，且抗除草剂杂草数量逐年增加。本研究利用1963年在俄勒冈州东部建立的一项长期试验（LTE），旨在探讨2021、2023和2024年耕作方式对杂草侵扰的影响。耕作处理包括：秋季铧式犁翻耕、春季铧式犁翻耕、最大程度耕作（圆盘耙+凿式犁）和免耕。在所有研究年份中，旱雀麦（Bromus tectorum L.）均为优势杂草种。三个研究年份中，免耕处理的平均总杂草盖度在数值上（27%）高于秋翻耕（9%）、春翻耕（7%）和最大程度耕作（6%）。与较严重的杂草侵扰相一致，免耕小区的小麦产量（1656、2458和5550 kg ha?1）低于春翻耕处理的小麦产量（2743、3278和6718 kg ha?1）。研究期间用于小麦田杂草防治的除草剂甲氧咪草烟被证实对旱雀麦已产生抗性。尽管存在抗除草剂的旱雀麦，耕作处理仍维持了作物生产力。为确保免耕系统的长期可持续性，需要更加依赖综合杂草管理措施，包括除草剂轮换、有效的桶混组合以及非化学防治措施。

题目：耕作制度对太平洋西北部冬小麦-春豌豆轮作中杂草群落及作物产量的影响——基于长期定位试验的整合分析

摘要：
耕作制度是影响旱作农业生态系统杂草群落结构与作物生产力的关键管理因素。在太平洋西北部（Pacific Northwest, PNW）旱作农业区，免耕（no-till）作为一种减少土壤侵蚀的保护性耕作方式被广泛推广，但长期免耕条件下杂草种群动态及其对作物产量的影响尚存争议。本研究依托1963年建立于俄勒冈州东部的长期定位试验（Long-Term Experiment, LTE），系统评估了2021、2023及2024三个生长季内四种耕作制度——秋翻耕（fall moldboard plow）、春翻耕（spring moldboard plow）、最大耕作（maximum tillage, 圆盘耙+凿式犁）及免耕——对冬小麦（Triticum aestivum L.）-春豌豆（Pisum sativum L.）轮作系统中杂草侵扰程度和作物产量的影响。研究结果表明，旱雀麦（Bromus tectorum L.）为各年份优势杂草种，且其对常用除草剂甲氧咪草烟（imazamox）已产生抗性。免耕处理在三年间均表现出最高的总杂草盖度（三年均值27%），显著高于秋翻耕（9%）、春翻耕（7%）和最大耕作（6%）。相应地，免耕处理的小麦产量（三年分别为1656、2458和5550 kg ha?1）持续低于春翻耕处理（2743、3278和6718 kg ha?1）。耕作处理间的差异主要来源于免耕与翻耕处理间的对比，而三种翻耕处理间的杂草抑制效果无显著差异。研究表明，在长期冬小麦-春豌豆轮作系统中，单一依赖除草剂的免耕管理模式面临抗性杂草加剧的风险，综合杂草管理策略（如除草剂轮换、桶混及非化学防除手段）的采纳对于维持免耕系统的长期可持续性至关重要。

一、研究背景与问题提出
土壤耕作在改善土壤通透性、降低容重的同时，长期连续翻耕（超过5年）会破坏土壤团聚体结构、加剧侵蚀并形成对耕作的依赖性。为应对上述问题，免耕和少耕等保护性耕作措施因具有提升土壤碳固存、改善土壤质量、减少温室气体排放和化石燃料消耗等优势而被广泛推广（MacLaren et al., 2021）。然而，保护性耕作的推广面临严峻挑战：杂草控制难度增大，尤其在抗除草剂杂草存在的背景下，杂草问题愈发突出。在常规和保护性耕作系统中，除草剂覆盖了美国超过90%的作物面积，是杂草防除的主要手段（Gianessi & Reigner, 2007）。但在免耕条件下，由于缺乏机械除草这一应急手段，杂草管理几乎完全依赖化学除草剂，抗性杂草的扩散风险显著增加。此外，作物轮作作为保护性农业的支柱之一，对杂草管理至关重要。春豌豆与冬小麦的轮作模式在俄勒冈州东北部半干旱地区（年降水量>450 mm）已有长期应用历史，豆科作物与禾谷类作物的轮作被证明能够提高小麦产量并抑制杂草发生。然而，关于不同耕作制度与该轮作系统杂草侵扰之间相互作用的研究仍相对匮乏，这构成了本研究的核心科学问题。

二、研究目标与技术路线
本研究依托1963年在俄勒冈州亚当斯市哥伦比亚盆地农业研究中心建立的长期冬小麦-春豌豆轮作试验（LTWPE），旨在评估四种耕作制度（秋翻耕、春翻耕、最大耕作和免耕）在标准除草剂方案下对杂草种群和冬小麦产量的影响。试验采用裂区随机完全区组设计，设4次重复，主区为作物相位（小麦或豌豆），副区为耕作处理。杂草调查于2021年4月14日、2023年3月22日和2024年3月15日在春季苗后除草剂施用前进行，采用每副区10个随机放置的1 m×0.5 m样方框目测估算杂草盖度。2022年因劳动力短缺未开展杂草调查。样方内物种盖度类别包括小麦、自生小麦、自生豌豆、旱雀麦、鼠尾羊茅（Vulpia myuros）、多刺莴苣（Lactuca serriola）及总杂草。数据分析采用混合效应模型，以耕作处理为固定效应、重复为随机效应，各年份数据单独分析，使用R 4.5.2软件中的“lme4”和“lmerTest”包完成，并采用Tukey's HSD检验进行多重比较（显著性水平α=0.05）。

三、主要研究结果
1. 杂草群落组成的时间动态
杂草物种组成在年份间呈现明显的相对丰度变化。2021年旱雀麦为绝对优势种（相对丰度39%），其次为自生豌豆（25%）、鼠尾羊茅（24%）和多刺莴苣（7%）。2023和2024年旱雀麦仍居优势地位，相对丰度分别达48%和35%，多刺莴苣的占比显著上升至30%和33%。鼠尾羊茅在2023年和2024年几乎消失，这与除草剂程序中添加吡草醚（pyroxasulfone）有关。

2. 耕作处理对杂草盖度的影响
方差分析显示，耕作处理在三年中对旱雀麦、自生豌豆、总杂草盖度、小麦盖度和小麦产量均有显著影响（p<0.05），但鼠尾羊茅、多刺莴苣（2024年）和自生小麦（2023、2024年）不受耕作处理的影响。显著差异主要来自免耕与翻耕处理之间的对比。旱雀麦盖度在免耕处理中始终显著高于所有翻耕处理：2021年免耕31%对翻耕0.6%-2%，2023年6%对0%，2024年22%对0%-1%。总杂草盖度呈现出与旱雀麦一致的趋势，免耕在2021年（54%）和2023年（11%）显著高于翻耕处理（2021年9%-15%；2023年0.3%-1%），2024年虽数值更高（16%），但差异未达显著水平。多刺莴苣对耕作处理的响应在各年份间不一致：2021年秋翻耕处理盖度最高（3%）、免耕最低（0.5%）；2023年所有翻耕处理均低于免耕；2024年各处理间无显著差异。

3. 小麦产量对耕作处理的响应
玉米小麦盖度在免耕处理中 consistently 低于各翻耕处理，这与较高的杂草竞争压力相一致。小麦籽粒产量呈现相同趋势：免耕处理三年产量分别为1656、2458和5550 kg ha?1，均显著低于春翻耕处理（2743、3278和6718 kg ha?1）。2021年免耕产量还显著低于秋翻耕和最大耕作处理。三种翻耕处理间的产量在同年内差异不显著。2024年各处理产量约为2021和2023年的两倍，与当季降水量显著增加有关。

四、讨论与结论
免耕处理在三年中均产生数值上更高的总杂草盖度，其中旱雀麦为优势种且对除草剂甲氧咪草烟已产生抗性。抗性产生的原因与长期连年使用同一作用机制的除草剂有关，本研究试验地使用Clearfield小麦品种约20年，每年施用甲氧咪草烟进行禾本科杂草防除。近年来区域调查也证实了俄勒冈州东北部旱雀麦对咪唑啉酮类（Group 2）除草剂的广泛抗性（Ribeiro et al., 2024）。免耕下杂草种子集中于土壤表层，出苗率高，且缺乏翻埋等物理干扰，进一步加剧了杂草问题。而翻耕处理通过将种子深埋、干扰幼苗出土，实现了较好的杂草抑制效果。在除草剂方案一致的条件下，翻耕处理同时受益于化学防除和机械干扰的双重作用，因而表现出更低的杂草盖度和更高的小麦产量。值得注意的是，尽管春翻耕在产量表现上最优，但其对土壤结构和有机质的不利影响不容忽视。本研究为此提出了替代性或补充性策略：垂直耕作（vertical tillage）或减量耕作（reduced tillage）可在保持土壤碳和土壤性质的同时实现与翻耕相当的产量和杂草抑制效果；或者在免耕系统中进行周期性的策略性翻耕，既能控制旱雀麦，又可部分保留保护性耕作的土壤健康效益。此外，增加轮作多样性（如引入更多作物种类）也可显著降低杂草密度，在免耕系统中的效果尤为突出。综上，本研究揭示了长期免耕条件下旱雀麦抗药性增强和杂草群落演替的严峻态势，强调了在太平洋西北部半干旱生态系统中推行综合杂草管理（Integrated Weed Management, IWM）的紧迫性与必要性，为保护性农业的可持续发展提供了重要科学依据。