基于长期保护性农业的玉米-小麦-绿肥轮作中杂草群落组成和多样性：耕作、秸秆和氮肥的影响

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Weed community composition and diversity in long-term conservation agriculture-based maize-wheat-green gram rotation: Impacts of tillage, residue, and nitrogen

　　

• 与传统耕作相比，保留秸秆的免耕（ZT）配合适量氮素（N）施用减少了杂草丰度。
• 在保留秸秆的免耕条件下，较高的氮投入量使香农多样性、物种丰富度和均匀度均有所下降。
• 长期保留秸秆的免耕促进了少数阔叶一年生杂草的优势地位，使群落结构趋于均一化。
• 在保留秸秆的免耕条件下，适量氮量（推荐用量的75%–100%）增强了杂草抑制潜力。
• 小麦季降水较多可能比耕作强度和氮水平对杂草群落组成的影响更大。

**引言**

绿色革命期间的投入密集型农业生产体系在实现印度粮食安全方面发挥了关键作用。然而，绿色革命带来的第二代问题，包括土壤退化、环境恶化以及与人类健康相关的权衡取舍，促使农业研究人员、农民和决策者采用资源节约型技术。其中，保护性农业作为一种高产且可持续的农业体系应运而生，旨在提高农业生产力，同时保护农业生态系统中的环境和生物多样性（Thierfelder等，2018；Das等，2021；Sharma，2021）。保护性农业基于三个相互交织的原则，即最少土壤扰动、永久性有机土壤覆盖以及融入豆科作物的多样化轮作（粮农组织，2025年）。保护性农业于2000年代初引入印度，到2019年已覆盖约350万公顷，约占全国农业用地的2.5%（Kassam等，2022年）。

尽管保护性农业获得了广泛认可，但其有效性高度依赖于具体情境，并受多种相互作用因素的影响，包括地理位置、气候、土壤类型、作物类别、秸秆管理、免耕年限以及养分管理，尤其是氮用量（Lundy等，2015；Pittelkow等，2015；Nath等，2025）。此外，热带和亚热带地区的最新研究表明，保护性农业的效果强烈受外部投入水平和耕作管理强度的影响。在热带和亚热带农业生态系统中，保护性农业有可能改善长期可持续性；然而，多项研究报告了矛盾的研究结果（Giller等，2009；Lundy等，2015；Pittelkow等，2015）。这种不确定性在热带和亚热带地区比温带地区更为普遍（Lundy等，2015；Pittelkow等，2015）。因此，保护性农业不应被视为一种普遍适用的解决方案，而应被视为一个灵活的管理框架，需要根据当地的农业生态条件进行调整，并与互补的农学措施相结合。

耕作和养分管理等农业实践会影响农田中杂草的丰度和多样性（Travlos等，2018）。已有研究表明，减少耕作强度对杂草群落既有正面影响也有负面影响。耕作方式的变化，无论是减少频率和深度还是完全放弃耕作，都会引起杂草丰度和群落组成的显著变化（Derrouch等，2020；Nandan等，2020）。通常，频繁土壤扰动会导致一年生阔叶杂草物种丰度升高（Derrouch等，2021）。保护性农业下较少的土壤扰动有利于杂草种子在土壤表层积累，一年生种类会部分被多年生种类取代，类似于植物演替过程中所发生的情况（Nichols等，2015）。

已有报道称，采用保护性农业实践会增加（Trichard等，2013；Nandan等，2020）或减少（Thierfelder等，2012；Nichols等，2015；Imorou等，2026）杂草丰度，具体取决于所采用的管理实践和环境条件。此外，大多数研究仅描述了杂草丰度对保护性农业一项或两项原则的响应，且效果各不相同。例如，减少耕作可能会增加杂草丰度（Travlos等，2018），而作物多样性和土壤覆盖或覆盖作物则往往降低杂草丰度（Buchanan等，2016；Mahaut等，2019；Weisberger等，2019）。此外，地表秸秆覆盖物会增加土壤表层含水量，并可能促进杂草出苗，尤其是在土壤部分覆盖的情况下。此外，热带和亚热带气候下秸秆的快速分解会减少土壤覆盖，并可能通过提高土壤肥力刺激杂草出苗（Ranaivoson等，2017）。

除对杂草丰度的影响外，保护性农业实践，如免耕、多种作物轮作和秸秆覆盖，还会通过重塑生态和功能筛选机制来改变杂草群落结构，这些机制选择性地有利于少数杂草物种的萌发和出苗（Nath等，2017；Govindasamy等，2021；Ghosh等，2022；Imorou等，2026）。例如，将作物残茬以死覆盖物或活覆盖物的形式保留在土壤表面，会影响光照穿透，形成物理屏障，改变土壤条件，引发竞争和化感作用，从而改变杂草物种的萌发和出苗模式（Chauhan等，2012；Nichols等，2015）。这种生态变化往往导致难以控制的多年生杂草物种兴起（Shrestha等，2002；Sweeney等，2008）。

此外，有报道称施肥对杂草物种有显著影响（Allan等，2015；Blackshaw等，2004；Nie等，2009；Cheimona等，2016）。一般而言，低投入的多样化生产体系似乎通过降低除草剂使用、减少土壤翻耕和肥料投入来降低对杂草的选择压力，从而有利于杂草多样性增加（Gough等，2000；Suding等，2005；Bilalis等，2010）。相反，高投入的集约化体系通常通过化学和农学干预措施更有效地抑制杂草，从而导致杂草群落组成出现偏斜，少数未被所采用管理措施控制的杂草占据优势（Travlos等，2018；Berbec等，2020）。此外，高投入体系往往创造均质化且营养丰富的环境，尤其是氮素，有利于少数高竞争力物种，从而降低杂草多样性（Mwangi等，2024；Schumacher等，2020）。

土壤氮素供应量的差异对杂草丰度和多样性有显著影响，高氮施肥既有正面效应也有负面效应（Shrestha等，2002；Sweeney等，2008；Vasquez等，2008；Sans等，2011；Santín-Montanyá等，2013；Davis，2017；Travlos等，2018）。较高水平的氮施肥会通过选择性有利于特定物种而牺牲其他物种来影响杂草物种组成（Das和Yaduraju，1999；Storkey等，2010；Huang等，2013）。而较低的肥料投入则会降低作物的竞争力，使多种杂草物种能够与作物共存。

施肥还通过间接影响种子死亡率来影响杂草物种，包括通过改变萌发、微生物活性、作物竞争和杂草种子产量等途径（Davis，2017）。养分供应的增加可以改善杂草生长、繁殖成功率和种子产量，并提高存活率，从而补充土壤种子库。氮作为一种环境信号，可打破种子休眠并触发萌发，从而在萌发的幼苗得到有效控制时减少休眠种子库（Sweeney等，2008；Kumar等，2024）。化学肥料与有机肥相结合的平衡施肥和综合施肥可以增强作物竞争力，抑制杂草生长和种子产量，并促进微生物活性，加速杂草种子库衰败和杂草种子死亡（Davis，2017；Wagner和Mitschunas，2022）。然而，施肥对杂草种子死亡率的总体影响取决于具体情境，且通常具有物种和体系特异性。

显然，杂草多样性和群落组成的变化在空间和时间上并非均匀一致，在中期到长期的保护性农业中会发生变化。传统的杂草研究主要关注杂草控制，而对杂草群落动态和多样性关注较少。近期的研究大多考察了杂草群落对保护性农业原则的短期到中期响应，而对杂草群落的长期变化关注有限。此外，尽管适当的氮素施肥是保护性农业下可持续作物管理的重要组成部分（Vanlauwe等，2014；Lundy等，2015；Pittelkow等，2015），但长期保护性农业与氮素施肥对杂草群落相似性（均一化）和差异性的联合影响仍知之甚少，尤其是在印度-恒河平原的多样化作物轮作中。

因此，在综合应用保护性农业原则和氮素施肥的条件下评估杂草丰度、多样性和群落组成——这一条件更接近农民田间实际状况——对于理解耕作和氮素施肥如何交互作用塑造杂草群落具有重要意义。为弥补这些知识空白，本研究在印度-恒河平原玉米-小麦-绿豆轮作体系下的一项长期保护性农业试验中进行，该轮作体系是印度-恒河平原以水稻-小麦种植系统为主模式的可持续替代方案。

本研究的主要目的是阐明在长期采用传统耕作和保护性农业实践、不同氮素施肥梯度的条件下，杂草丰度、多样性和群落组成的变化情况。本研究是首次在玉米-小麦-绿豆种植体系中，对保护性农业实践和氮素施肥的联合影响下杂草群落结构进行全面评估的研究之一。本研究假设，保护性农业实践（免耕、秸秆保留和作物多样化）与氮素施肥的联合实施将（i）减少杂草丰度，以及（ii）通过选择性有利于某些杂草物种而抑制其他物种来改变杂草多样性和群落组成。研究结果旨在为长期保护性农业体系中制定因地制宜、可持续的综合杂草管理策略提供新的见解。

**实验站点**

本研究在印度农业研究委员会-印度农业研究院新德里校区（北纬28°38′23″，东经77°09′27″；平均海平面以上228.6米）进行，实验期为2018–2019年和2019–2020年两个作物季。实验地点位于亚热带半干旱气候区，长期年均降水量为710毫米，年均温度为25.3°C。该地区夏季炎热干燥（5月至6月），最高气温为……

**杂草植物多样性及密度**

在研究期间，不论处理如何，在玉米中记录了9种杂草，属于6个植物科，其中33.3%为双子叶植物（dicots），66.7%为单子叶植物（monocots）。一年生杂草最为优势，占所观测物种的89%（两个季节平均值）。在小麦中，所有处理共记录了14种杂草，属于10个科，其中85.7%为双子叶植物，其余为禾本科杂草（表2）。全部14种……

**杂草丰度（密度和生物量）及多样性**

在本研究中，耕作-秸秆-氮素管理显著影响了各作物中的杂草丰度和多样性（香农多样性、物种丰富度和均匀度）（表3、表4、图1、图2、图3、图4）。在小麦中，年份、耕作-秸秆-氮素处理及其交互作用显著影响了杂草发生和密度（表3）。年份间的差异可能归因于第二年降水增加了113%（附表S1），这可能……

**结论**

长期保护性农业，尤其是免耕保留秸秆配合75%或100%推荐氮用量，显著减少了杂草丰度、生物量、多样性、物种丰富度和均匀度，与传统耕作相比效果明显。这些管理实践主要决定了杂草群落结构，使其随时间推移向由少数阔叶物种支配的相对均一化群落转变。在……条件下杂草群落结构的这种转变……

**作者贡献声明（CRediT）**

Suman Sen：撰写——初稿、可视化、软件、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。Tapas Kumar Das：撰写——审阅与编辑、指导、方法论、形式化分析、概念构思。Anchal Dass：撰写——审阅与编辑、指导。Priyanka Saha：撰写——审阅与编辑、数据整理。C.P. Nath：撰写——审阅与编辑、形式化分析。Ranjan Bhattacharyya：撰写——审阅与编辑。Arti Bhatia：撰写——审阅与编辑。……

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

Suman Sen | Tapas Kumar Das | Anchal Dass | Priyanka Saha | C.P. Nath | Ranjan Bhattacharyya | Arti Bhatia | Rishi Raj | Ramanjit Kaur | Arkaprava Roy | Tarun Sharma | Rahul Sadhukhan | M.B. Reddy | Gunturi Alekhya