夏季覆盖作物多样性对杂草生物量及碳氮吸收的调控机制研究

本文系统研究了不同覆盖作物组合（POLY/MUST/BWHT/FABA）在有机灌溉系统中对杂草生物量抑制及碳（C）、氮（N）吸收的动态影响。通过三年田间试验发现，多物种混播（POLY）与荞麦单作（BWHT）在生物量积累（最高达2.79 Mg ha−1）和杂草抑制（62%–72%）方面表现突出，而杂草群落通过调节C:N比（如红根苋17.9 vs 藜10.7）参与养分循环。研究强调了覆盖作物多样性在提升系统韧性中的协同作用，为生态农业优化提供理论依据。

摘要

本研究通过2018–2022年在加拿大阿尔伯塔省黏质土壤上进行的三年夏季覆盖作物-胡萝卜轮作试验，探究了覆盖作物多样性（单作与混作）对杂草生物量、碳氮吸收及土壤养分循环的影响。覆盖作物处理包括多物种混播（POLY）、芥菜单作（MUST）、荞菜单作（BWHT）、蚕豆单作（FABA）及无覆盖对照（CONT）。结果表明，覆盖作物性能受物种组成和年度气候条件共同调控。

1 引言

覆盖作物通过改善土壤结构、抑制杂草及调节养分循环提升农业生态系统服务。尽管多物种混播在增强系统韧性方面潜力显著，其在有机灌溉系统中的实际应用仍受限。本研究聚焦夏季覆盖作物在短生长窗口内的生态功能，重点评估其通过生物竞争与化感作用调控杂草群落及碳氮动态的机制。

2 材料与方法

试验采用随机区组设计，每年设置28个小区（5 m × 12 m），监测生物量、碳氮浓度及吸收量。植物样品经干燥粉碎后，通过干烧法测定全碳、全氮含量，并计算C:N比。杂草抑制率采用（对照区杂草生物量-处理区杂草生物量）/对照区生物量公式量化。数据统计分析结合参数检验（PROC MIXED）与非参数检验（Kruskal-Wallis）。

3 结果与讨论

3.1 覆盖作物生物量

POLY在2019年生物量最高（2.79 Mg ha⁻¹），而FABA与MUST在2021年生物量最低（0.60–0.64 Mg ha⁻¹）。生长周期与积温（GDD）显著影响生物量积累，2019年生长周期较长（57天）、GDD较高（756），生物量较2021年（41天，632 GDD）增加近一倍。结果印证了生物量生产与生态服务强度的正相关关系。

3.2 杂草生物量

POLY与BWHT对杂草抑制率最高（62%–72%），而FABA抑草效果最弱。常见杂草如红根苋（Amaranthus retroflexus）和藜（Chenopodium album）的生物量在覆盖作物处理下显著降低，其中BWHT对红根苋的抑制率达100%（2019年）。覆盖作物生物量每增加1 Mg ha⁻¹，杂草生物量降低30%–70%，但此关系受杂草物种组成年际波动影响。

3.3 总生物量分配

POLY与BWHT的覆盖作物贡献占总生物量比例最高（53%–69%），而MUST与FABA处理中杂草占比达68%–74%。在无覆盖对照（CONT）中，杂草完全主导生物量构成，凸显覆盖作物对资源分配的调控能力。

3.4 覆盖作物碳氮获取

FABA作为固氮 legumes，氮浓度最高（31.5 g kg⁻¹），C:N比最低（13.4）；BWHT的C:N比最高（21–36），可能导致土壤氮固存。POLY因包含豆科植物，氮吸收量显著高于单作（74 kg ha⁻¹）。碳氮吸收量与生物量呈正相关，且C:N比>25的处理（如2018年MUST）可能延缓有机质分解。

3.5 杂草碳氮贡献

杂草碳氮浓度年际变异显著：2018年杂草C:N比高达23.7，而2019–2021年降至13.1–14.3，预示其分解速率与养分释放潜力差异。红根苋在2021年氮浓度（22 g kg⁻¹）低于藜（37 g kg⁻¹），但C:N比更高（17.9 vs 10.7），反映物种间养分循环策略的分化。

3.6 系统级碳氮收支

覆盖作物与杂草共同驱动农田碳氮循环。POLY在2019年碳吸收量达2.21 Mg ha⁻¹，其中覆盖作物贡献50%以上；而CONT处理完全依赖杂草完成养分捕获。结果提示，合理配置覆盖作物物种可优化碳氮分配效率，但需警惕高C:N比材料引发的氮固定风险。

4 结论

覆盖作物多样性通过调节生物量生产与C:N比，协同影响杂草抑制及碳氮循环。多物种混播（POLY）与快速生长物种（如BWHT）在短期窗口中表现稳健，而杂草作为“自发覆盖作物”在养分捕获中具补充作用。未来研究需结合土壤微生物机制及长期生态效应，为精准管理提供依据。

作者贡献与致谢

研究由加拿大农业与农业食品部（AAFC）团队完成，受加拿大有机科学集群Ⅲ项目资助。感谢合作农场提供试验场地及技术团队的数据支持。