在谷物作物中混播稀有可耕地植物作为杂草管理的新方法——恢复生态学与杂草科学相结合

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【字体：大中小】 时间：2025年11月28日 来源：Journal of Applied Ecology 4.8

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　　本研究在德国西南部进行了三年田间试验，比较了播种RAP种子混合物和土壤转运两种方法对杂草控制和小麦产量的影响。结果显示，播种RAP（尤其是高密度播种）能显著减少杂草覆盖率（最高77%），但对小麦产量（2.5-3.5 t/ha）无显著影响。土壤转运方法RAP覆盖率波动较大，但优于对照组。研究证实RAP可通过资源互补抑制杂草，建议在生态管理系统中采用播种RAP策略。

　　
本研究聚焦于德国西南部农田中引入稀有作物（Rare Arable Plants, RAP）对杂草控制及作物产量的影响。研究团队通过对比播种RAP种子与迁移表层土壤两种方法，在常规耕作和高强度管理两种不同农田环境中进行了为期三年的试验，并延伸至第四年以验证结果。核心发现表明，合理引入RAP可通过资源竞争抑制杂草生长，同时保持作物产量稳定，为可持续农业提供新思路。

### 研究背景与意义
欧洲农田生态多样性持续衰退，过去数十年约50%的野生作物种类消失，主因是化学除草剂滥用和单一作物轮作。欧盟《绿色协议》及《从农场到餐桌》战略提出需通过生物多样性增强农业生态服务。研究团队选择Swabian阿尔卑斯山区的两个典型农田作为试验场：Hirrlingen为低强度管理区（禁用化肥和农药），Bettenreute为高强度管理区（常规化肥和化学防控）。该区域曾是稀有作物丰富区，但近三十年80%的物种灭绝，凸显生态修复的紧迫性。

### 研究方法
1. **试验设计**：采用随机完全区组设计，设置四类处理：对照组（无干预）、表层土壤迁移组、低密度种子播种组（RAP single）、高密度种子播种组（RAP double）。每个处理重复四次，确保统计显著性。
2. **种子选择**：基于当地土壤种子库和《德国植物红皮书》优先选择濒危物种，如紫花苜蓿（*Bupleurum rotundifolium*）、斑毒堇（*Delphinium consolida*）等20余种稀有作物。
3. **数据采集**：
- **植被调查**：每年在拔节期（BBCH 55-75阶段）采用Braun-Blanquet覆盖度评分法，记录所有物种的覆盖率及动态变化。
- **产量测定**：在Hirrlingen（2021）和Bettenreute（2023）分别测定大麦千粒重和单位面积产量，通过耳数、籽粒数等参数推算总产量。
4. **统计分析**：运用SAS 9.4软件进行混合模型方差分析（ANOVA），结合Tukey-HSD多重比较检验处理间差异，并采用线性回归评估RAP覆盖率与杂草生物量/覆盖率的关联。

### 关键研究结果
1. **RAP引入成效**：
- **播种法**：高密度播种（RAP double）使55%的播种物种成功定殖（如*Buglossoides arvensis*、*Lathyrus tuberosus*），覆盖率达17%-40%，显著高于土壤迁移组（11%）及对照组（0%）。
- **土壤迁移法**：从捐赠地（Rangendingen）引入富含RAP的表层土，三年内成功定殖15%的物种（如*Agrostemma githago*、*Melampyrum arvense*），但覆盖率波动较大（年际变化-4.5%至-50%）。

2. **杂草抑制效果**：
- RAP double处理在Bettenreute使杂草覆盖率最大降幅达77%，显著优于其他处理。统计分析显示RAP覆盖率与杂草覆盖度呈显著负相关（R2=0.12，p<0.05）。
- 土壤迁移组在首年杂草抑制效果明显（2021年覆盖率降低25%），但后续年份效果减弱，可能与土壤种子库补充周期有关。

3. **作物产量稳定性**：
- 研究区域大麦产量介于2.5-3.5 t/ha，未因RAP引入而显著下降。回归分析显示RAP生物量与产量呈弱正相关（R2=0.05），而杂草生物量对产量的影响较小（R2=0.12）。
- 高强度管理区（Bettenreute）产量（3.5 t/ha）显著低于常规产量（6.5 t/ha），推测因试验区同期未实施化学除草导致杂草生物量激增，验证了RAP替代化学防控的必要性。

### 生态机制解析
1. **资源竞争理论**：RAP与杂草在光、水、养分等资源利用上存在竞争，高密度播种（RAP double）通过空间挤占和资源抢占实现杂草抑制。例如，*Silene noctiflora*在Bettenreute单株覆盖率达29.7%，显著抑制同区域生长的*Agrostemma githago*。
2. **土壤微生物扰动**：表层土壤迁移组初期效果更佳，推测因引入富含微生物的表层土改变了土壤微生态，促进RAP种子萌发。后续研究需关注微生物群落动态。
3. **群落互作效应**：实验发现RAP与常见杂草（如*Stellaria media*、*Papaver dubium*）存在 allelopathic抑制关系，但未检测到直接化学抑制物质，可能通过遮荫或改变土壤pH间接作用。

### 实践应用建议
1. **管理策略优化**：
- **播种方案**：推荐采用混合播种（RAP single与RAP double结合），密度控制在2.3-7.5 g/m2，播种深度需匹配土壤类型（如黏土需镇压保墒）。
- **土壤改良**：表层土壤迁移适用于土壤种子库贫瘠区域，但需结合有机肥施用（年施用量200 kg/ha N-P-K）以提高定殖率。
2. **轮作制度设计**：
- 在冬夏轮作体系中优先引入一年生RAP（如*Silene noctiflora*、*Lathyrus tuberosus*），利用其生长周期错位抑制杂草。
- 研究表明冬季作物（如冬大麦）比夏季作物更利于RAP定殖，可能与越冬期土壤温度稳定有关。
3. **监测与维护**：
- 建议每两年补充播种RAP（密度调整±20%），维持种群覆盖率在15%-25%区间。
- 对持续3年未定殖物种（如*Campanula rapunculoides*）需评估是否适合本地生境。

### 理论创新与局限性
本研究首次系统对比了播种与土壤迁移两种RAP引入方式的生态效应：
- **理论突破**：证实RAP可通过资源竞争而非化学机制抑制杂草，且与作物产量无显著负相关（与Albrecht et al., 2016年结论相反）。
- **局限性与改进方向**：
1. 研究周期仅3-4年，未涵盖气候变率（如2023年气温异常升高2℃）对长期稳定性的影响。
2. 未量化RAP与有益昆虫（如传粉者、天敌）的互作关系，后续需结合昆虫学调查。
3. 土壤迁移组中RAP定殖率（15%）显著低于播种组（55%），需优化土壤预处理工艺（如低温冻藏处理提升种子活力）。

### 对政策与实践的启示
1. **政策层面**：建议将RAP引入作为欧盟"绿色协议"生物多样性指标的核心监测参数，要求农场记录RAP物种覆盖度而非仅数量。
2. **农业推广**：
- 高强度管理区（如Bettenreute）应优先采用播种法，结合宽行距（250 mm）和机械镇压提高播种效率。
- 低强度管理区（如Hirrlingen）可通过表层土迁移实现生态修复，但需配合轮作制度（建议冬作比例≥40%）。
3. **经济可行性**：RAP种子成本约€0.5-1.2/kg，需结合政府补贴（如德国"生物多样性津贴"）降低农户负担。

### 结论
本研究证实RAP引入在生态效益与农业经济间可实现平衡：播种法在短期（3年）内能有效抑制杂草（最高77%），且作物产量保持稳定。土壤迁移法虽启动较慢，但通过引入丰富土壤种子库可形成长效抑制机制。建议推广"播种+土壤改良"组合策略，并建立基于GIS的RAP物种适配数据库，为精准农业提供技术支撑。未来研究应纳入多环境对比（如东欧酸性土壤）及长期生态监测（10年以上）。

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