Agronomic and Physiological Responses of Sorghum and Sweet Potato to Shea Tree Shade in Burkina Faso

技术摘要：布基纳法索乳木果树阴影对高粱与红薯的农艺及生理响应

问题陈述
在布基纳法索，将乳木果树（Vitellaria paradoxa）与谷物作物相结合的农林复合园地对于粮食安全至关重要。然而，乳木果树产生的阴影显著降低了光合有效辐射（PAR），导致了光照竞争以及伴生作物（如高粱 Sorghum bicolor）产量下降的记录现象。这种产量减少往往促使农民忽视幼苗再生或蓄意砍伐树木，从而威胁到这些农林复合园地的长期可持续性。虽然根茎类作物以耐阴著称，但目前缺乏关于乳木果树的林分特征——特别是胸径（DBH）和冠幅面积——如何差异化影响高粱与红薯（Ipomoea batatas）的农艺及生理表现的具体数据。本研究旨在解决以下需求：确定高粱产量变得不可行的关键树木尺寸阈值，并确定红薯是否可以作为一种有效的替代作物，以在不移除树木的情况下维持农林复合系统的生产力。

研究方法
研究在布基纳法索的纳齐农（Nazinon）地区，具体是在诺贝雷（Nobéré）和萨波内（Saponé）两个市镇进行的。研究采用随机区组设计（RCBD）来评估两种作物：一种是当地高粱品种，以及两种生物强化红薯品种（Erè 和 Tiébélé 2）。

• 树木分类： 根据胸径（DBH）将 V. paradoxa 树木分为三个直径等级（DC）：
  • DC1： 15–30 cm
  • DC2： 30–45 cm
  • DC3： ≥45 cm
• 实验处理： 作物分别种植在各直径等级树冠下（UCDC1, UCDC2, UCDC3）以及作为对照的开阔地（OA）。
• 测量指标：
  • 林分特征： 测量冠幅面积和 PAR 拦截量。
  • 形态特征： 记录茎/蔓长、叶片数和根颈直径，时间点分别为播种/种植后的 30、45、60 和 81 天。
  • 生理特征： 使用便携式设备（AP4 气孔计和 PhotosynQ Multispeq）测量气孔导度、叶绿素含量（SPAD）和线性电子传递（LEF）。
  • 产量： 记录高粱的籽粒/穗产量和红薯的块茎产量。
• 统计分析： 数据使用 Kruskal–Wallis 检验进行分析，随后使用经 Bonferroni 校正的 Dunn 事后检验，显著性水平设定为 5%。

主要结果

• 光拦截： 树木直径与 PAR 透射率之间存在显著负相关。DC1 树木（最小冠幅）透射了最高的 PAR（274 µmol photons m⁻² s⁻¹），而 DC2 和 DC3 的透射量显著较低（分别为 162.75 和 142.84 µmol photons m⁻² s⁻¹）。
• 高粱表现：
  • 高粱的生长和产量在开阔地（OA）最高。
  • 在树冠下，高粱在 DC1 下的表现显著优于 DC2 或 DC3。
  • 然而，即使在最小直径等级下，DC1 下的高粱产量仍显著低于开阔地（OA）。研究指出，即使在最小直径等级下，高粱的生长和生产量与开场地相比仍然较低。
  • 生理数据表明，虽然由于微气候有利，气孔导度在树冠下较高，但由于低光照可用性，线性电子传递（LEF）和整体生长受到限制，尤其是在 DC2 和 DC3 情况下。
• 红薯表现：
  • 与高粱相反，红薯在较大的直径等级（DC2 和 DC3）下的生长和产量优于 DC1 和开阔地。
  • 形态参数（茎长、叶片数）和块茎产量通常随树木直径等级的增加而增加。
  • 在 DC3 下记录到了最高的块茎产量。值得注意的是，在诺贝雷站点，开阔地和 DC1 下均未产生块茎，而生产则发生在 DC2 和 DC3 下。
  • 虽然 DC2 和 DC3 下的产量通常高于 DC1，但统计分析（表 7）显示，DC1 与 DC2 之间的产量差异并不显著（两者共享相同的上标字母），而 DC3 的产量显著高于其他等级。
  • 红薯品种在 DC2 和 DC3 的较浓阴影下表现出更高的叶绿素含量，这是对低光强的一种适应。
• 站点差异： 诺贝雷（降雨量较高，修剪较频繁）总体上更有利于高粱，而萨波内（降雨量较低，修剪较少）则更有利于红薯，这可能是由于水分可用性和冠层密度的差异所致。

核心贡献
本研究提供了实证证据，表明 V. paradoxa 阴影对伴生作物的冲击并非均匀分布，而是严格取决于其直径等级。

1. 阈值识别： 研究确定了 DC1（DBH < 30 cm）为关键阈值，在此阈值下高粱可以进行栽培且产量损失较小（相对于较大的树木），尽管产量仍显著低于开阔地。相反，DC2 和 DC3（DBH > 30 cm）会导致高粱产量大幅下降。
2. 作物替代策略： 研究证明，红薯是一种高效的耐阴替代作物，能够在较大的乳木果树（DC2 和 DC3）浓密树冠下茁壮成长，而在这些环境下谷物作物难以生存。
3. 生理见解： 研究阐明了虽然阴影改善了微气候条件（提高气孔导度），但 PAR 的减少是限制高粱等 C4 作物的主要因素。相反，红薯的 C3 特性及其形态可塑性使其能够利用阴影诱导的微气候和较低的光补偿点。

意义与主张
作者声称，这项研究为布基纳法索的农林复合园地提供了一种实用的、基于科学的管理策略。通过根据树木直径选择作物，农民可以在不移除或进行强度修剪树木的情况下，优化整个系统的生产力。

• 建议： 建议仅在 DC1 树木（DBH < 30 cm）下种植高粱，并避免在 DC2 和 DC3 下种植。
• 替代方案： 对于直径大于 30 cm 的树木（DC2 和 DC3），作者建议种植红薯，以防止乳木果产量损失（如果进行修剪会导致此情况），并避免谷物产量损失（如果在高大的树木下种植高粱会出现此情况）。
• 保护影响： 这种方法旨在通过提供经济激励（红薯产量）来保护较大的乳木果树，从而维持甚至增加园地中的树木密度，解决该地区木本植物减少的问题。

研究结论认为，基于树木直径等级管理农林复合系统，可以实现树木保护与作物生产的同步优化，为萨赫勒地区的粮食安全提供一条可持续路径。