气候变化对几种覆盖作物混合物抑制杂草的能力的影响

《Crop and Environment》：Climate change effects on the weed suppressive ability of several cover crop mixtures

　　本研究通过温室实验模拟气候变化（高温和干旱）对覆盖作物混合物及其杂草抑制效果的影响。结果显示，尽管覆盖作物生物量和土壤覆盖率在极端条件下大幅下降（最高降幅达80%），但所有混合物仍能有效抑制杂草，其中自编混合物（HOH-M-4和HOH-M-10）的杂草控制效率（WCE）最高达98%，显著优于商业混合物。 canonical对应分析（CCA）表明，Sorghum bicolor、Brassica carinata和Camelina sativa等物种具有更强的耐高温和抗旱特性，建议作为未来覆盖作物混合理想选择。

　　
气候变化对农业生态系统的影响日益显著，包括温度升高、二氧化碳浓度增加以及极端天气事件频发。这些因素不仅威胁到主要作物的产量，还可能加剧杂草与病虫害的威胁。为应对这一挑战，覆盖作物（CC）作为集成杂草管理（IWM）的重要策略被广泛研究。覆盖作物通过物理竞争、化感作用和生态调控等多途径抑制杂草生长，但其在极端气候条件下的稳定性仍存在争议。

本研究通过温室实验系统评估了高温（+5°C）与干旱（水分减少33%-66%）对六种覆盖作物混合物（含两种自主设计的混合物）及杂草抑制效能的影响。实验设计采用分 plot 方案，将干旱作为主处理，高温作为次处理，并通过重复实验控制环境变量。覆盖作物混合物涵盖4-11种不同物种，包括商业品牌（如TerraLife?系列）和自主配制的Hohenheim系列。研究同时引入两种典型杂草（一年 liners 和 酸模），模拟真实田间环境。

### 关键发现分析
1. **覆盖作物生长响应**
高温（+5°C）导致覆盖作物生物量平均下降46%，干旱处理使生物量减少幅度达50%-80%。值得注意的是，自主设计的混合物HOH-M-10在高温干旱联合胁迫下仍保持7.78 t/ha的生物量，显著高于商业混合物TL-NF-11（6.40 t/ha）和TL-AP-7（5.15 t/ha）。这表明物种组合的优化可能比单纯增加物种数量更能提升抗逆性。

2. **杂草抑制效能**
所有覆盖作物混合物在常规条件下（无胁迫）均实现82%-98%的杂草控制效率。但在高温干旱复合胁迫下，性能分化显著：
- **最佳表现**：HOH-M-4在中等干旱（水分减少33%）时达到96%的抑制效率，且在严重干旱（水分减少66%）下仍保持80%以上效能
- **商业混合物差异**：TL-NF-11在无胁迫时表现最优（98%），但遭遇高温干旱时效能骤降至62%
- **化感作用主导**：即使覆盖作物总生物量降至1 t/ha以下，通过化感物质（如苯氧azinoids）的释放仍能有效抑制杂草，这与MacLaren等（2019）的发现形成对比，后者强调生物量阈值与杂草控制的关系

3. **物种抗逆性特征**
典范相关分析（CCA）显示，Sorghum bicolor（苏丹草）、Brassica carinata（芥菜型油菜）和Camelina sativa（亚麻）等物种对高温干旱具有显著耐受性。这些物种在CCA排序中呈现集群特征，其共同点是具备：
- 较深的根系系统（平均根干物质占比达28%）
- 较高的热稳定蛋白合成能力
- 耐旱基因（如CDA1）的遗传优势

4. **水分与温度的交互效应**
温度升高会加剧干旱的负面影响。例如，在严重干旱（水分减少66%）下，高温处理使覆盖作物生物量较常温减少82%，而单纯干旱仅导致50%的生物量损失。这种协同效应在HOH-M-10混合物中尤为明显，其通过物种间功能互补（如C. sativa的氮固定与S. bicolor的遮荫效应）抵消了环境压力。

### 生态机制与农业启示
研究揭示了三个核心机制：
1. **化感抑制的阈值效应**：当单一物种的生物量低于0.5 t/ha时，化感作用占比提升至60%以上，这解释了为何HOH-M-4在低生物量下仍保持高抑制效能
2. **功能多样性优先**：自主设计的混合物虽物种数量较少（4种 vs 10种），但通过功能特化组合（如HOH-M-4包含高化感活性物种Vicia sativa占比50%）实现更优的逆境适应
3. **根系策略差异**：耐旱物种（如S. bicolor）的根系深度较常温增加40%，使其在干旱条件下仍能保持15%-20%的土壤覆盖度

对农业生产的具体建议包括：
- **混合物定制化**：根据具体气候风险（如热浪频率、干旱周期）设计混合物，优先选择具有快速启动机制（如Ornithopus sativus）和化感潜能的物种组合
- **播种策略优化**：研究显示4月播种较1月播种的覆盖作物存活率提高35%，建议根据当地气候波动调整播种期
- **阈值管理**：建立生物量与化感活性的动态平衡模型，当自然生物量下降至2 t/ha以下时，可通过补充施用化感试剂（如百万分比浓度BIO）维持杂草控制效能

### 理论创新与实践价值
本研究突破传统"物种数量-抑制效能"的线性假设，提出"功能互惠指数"（FHI）概念：
FHI = Σ（物种功能得分 × 相邻距离权重）
其中功能得分涵盖氮固定（Nf）、遮荫（Sh）、化感（Ap）等维度。实验数据显示，HOH-M-10的FHI值（4.32）是TL-NF-11（2.87）的1.5倍，这解释了为何在逆境下自主混合物表现更优。

该成果为气候变化背景下的覆盖作物管理提供了新范式：传统认为高物种多样性（如HOH-M-10）更具韧性，但本实验表明通过功能优化（FHI最大化）的小型混合物（如HOH-M-4）同样能实现高效 weed suppression。这提示未来研究应更多关注功能性状而非单纯物种数量。

### 结论与展望
研究证实覆盖作物系统具有显著的气候适应潜力，其性能下降幅度仅为预期值的60%-70%。但同时也暴露出传统评价体系的局限性——现有生物量测量方法无法准确反映化感物质等非生物量性状的贡献。建议后续研究：
1. 开发多性状综合评价体系，整合生物量、化感潜力、根系结构等参数
2. 建立气候-作物动态响应数据库，模拟不同区域未来30年的气候情景
3. 探索生物炭协同应用，通过物理屏障（土壤覆盖度）与化学抑制（化感物质）的复合效应提升系统稳定性

该研究为应对气候变化下的农业生产提供了重要技术路径，证实通过科学设计的覆盖作物系统，可在生物量显著减少的情况下维持高水平的杂草控制效能，这对保障粮食安全和生态可持续性具有重要实践价值。