DOI: https://doi.org/10.1126/science.ady0764
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41343604
تاريخ النشر: 2025-12-04
المؤلف: Jessica O’Malley وآخرون
الموضوع الرئيسي: الممارسات الزراعية وأنظمة الزراعة المختلطة
نظرة عامة
تجربة ‘LegacyNet’، التي أجريت عبر 26 موقعًا، استكشفت تأثيرات تنوع الأنواع في المراعي العشبية عالية الإنتاج من خلال تغيير تركيبة الخلطات المزروعة لتشمل ما يصل إلى ستة أنواع (أعشاب، بقوليات، وأعشاب طبية) تحت مدخلات نيتروجين معتدلة. كشفت النتائج أن الخلطات متعددة الأنواع تفوقت بشكل كبير على الممارسات التقليدية، مثل زراعة الأعشاب الأحادية مع استخدام أسمدة نيتروجين أعلى ومجتمعات الأعشاب-البقوليات ذات النوعين. تم عزو الزيادات المحسنة في الإنتاجية في هذه الخلطات المتنوعة إلى التفاعلات المفيدة بين الأعشاب والبقوليات، وكذلك بين البقوليات والأعشاب، حيث أصبح ميزة الإنتاج أكثر وضوحًا في البيئات الأكثر دفئًا. تشير هذه الأبحاث إلى أن تحسين تصميمات خلطات المراعي يمكن أن يؤدي إلى إنتاج علف أكثر استدامة وتحسين مرونة المراعي في مواجهة تغير المناخ.
باختصار، تظهر الخلطات عالية الإنتاج من الأعشاب والبقوليات والأعشاب الطبية أداءً متفوقًا مقارنة بممارسات إدارة المراعي التقليدية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الحاجة الملحة لممارسات زراعية مبتكرة لمواجهة التحديات المزدوجة للأمن الغذائي والاستدامة البيئية في ظل استنزاف الموارد وتغير المناخ. يعتمد إنتاج الماشية المجترة، وهو قطاع مهم ضمن الزراعة، غالبًا على أنظمة المراعي عالية المدخلات التي يمكن أن تؤدي إلى آثار بيئية ضارة، بما في ذلك انبعاثات غازات الدفيئة وفقدان التنوع البيولوجي. بالمقابل، تم اقتراح المراعي متعددة الأنواع كبديل مستدام، يمكن أن تحقق إنتاجية عالية مع مدخلات نيتروجين أقل. ومع ذلك، لا يزال هناك فجوة حاسمة في فهم ما إذا كانت هذه الأنظمة المتنوعة يمكن أن تتطابق مع إنتاجية الزراعة الأحادية التقليدية عالية المدخلات عبر مناخات مختلفة.
للتحقيق في ذلك، أنشأ المؤلفون LegacyNet، وهو شبكة منسقة من 26 تجربة مراعي عبر المناطق المعتدلة في أمريكا الشمالية وأوروبا وآسيا ونيوزيلندا. قامت التجارب بتغيير تركيبة ستة أنواع علفية عالية الإنتاج (نوعان من الأعشاب، نوعان من البقوليات، ونوعان من الأعشاب الطبية) لتقييم جدوى الخلطات متعددة الأنواع في المراعي الإنتاجية. تهدف الدراسة إلى تحديد تأثيرات تنوع النباتات على الإنتاجية، وتقييم ما إذا كانت الخلطات ذات التنوع الأعلى يمكن أن تتفوق على الممارسات التقليدية، واستكشاف كيف يؤثر المناخ على الفوائد المحتملة للإنتاجية لهذه الأنظمة المتنوعة.
الطرق
تحدد هذه القسم الطرق المستخدمة في تجربة LegacyNet المشتركة، وهي مبادرة تعاونية تمتد عبر 26 موقعًا في 15 دولة تهدف إلى تقييم فوائد المراعي متعددة الأنواع ضمن دورات المحاصيل. كان تصميم التجربة يتكون من نهج من مرحلتين: مرحلة مراعي لمدة 15 شهرًا تليها مرحلة محصول لاحقة. تم اختبار مجتمعات نباتية متنوعة، بما في ذلك الزراعة الأحادية والخلطات التي تضم ما يصل إلى ستة أنواع من ثلاث مجموعات وظيفية (نوعان من الأعشاب، نوعان من البقوليات، ونوعان من الأعشاب الطبية)، لتحديد تركيبات الأنواع المثلى لتعظيم إنتاج العلف وتأثيرات الإرث. تم اختيار الأنواع المختارة بناءً على إنتاجيتها العالية من العلف وخصائصها التكميلية، مما يضمن تمثيلها للأنواع العلفية المحلية.
استخدمت مرحلة المراعي تصميمًا بسيطًا مع 33 مجتمعًا فريدًا، حيث تم تغيير النسب المزروعة لكل نوع بشكل منهجي. تم تكرار كل مجتمع، مع تعديل معدلات تطبيق الأسمدة النيتروجينية (N) لتقييم تأثيرها على إنتاجية الكتلة الحيوية. كانت القطع، التي تقيس حد أدنى 3 م × 5 م، عشوائية عبر المواقع، مع إجمالي 1,382 قطعة تم إنشاؤها. تم قياس إنتاجية الكتلة الحيوية من خلال الحصاد الميكانيكي، وتم تسجيل بيانات الطقس المختلفة لتحليل الظروف البيئية التي تؤثر على الإنتاجية. استمرت مرحلة المراعي في المتوسط 24 شهرًا قبل الانتقال إلى محصول لاحق، على الرغم من أن النتائج من هذه المرحلة اللاحقة غير مدرجة في التحليل الحالي.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الفوائد الكبيرة لخلط المجموعات الوظيفية في نظم المراعي، مما يؤدي إلى زيادة الإنتاج مقارنة بأنظمة الزراعة الأحادية. وجدت الدراسة أن الإنتاج لكل موسم نمو يختلف بشكل كبير عبر المواقع المختلفة، حيث تراوحت الإنتاجيات الوسيطة من 4.65 إلى 14.89 طن هكتار\(^{-1}\). غالبًا ما تفوقت قطع الخلطات على قطع الزراعة الأحادية، حيث حققت الخلطات المتوازنة من ستة أنواع (أعشاب-بقوليات-أعشاب طبية) إنتاجية أعلى بمقدار 3.13 طن هكتار\(^{-1}\) مقارنة بمتوسط زراعة أحادية مرجحة. تم عزو هذه الزيادة في الإنتاج إلى التفاعلات الإيجابية القوية بين الأنواع، لا سيما بين الأعشاب والبقوليات، مما يعزز استخدام الموارد ويقلل من القابلية للإصابة بالآفات.
كما أظهرت الأبحاث أن زيادة تنوع الأنواع داخل المجموعات الوظيفية يمكن أن تحسن الإنتاجية، حيث كانت الخلطات التي تضم أكثر من نوعين تتفوق باستمرار على التركيبات الأبسط. من الجدير بالذكر أن الخلطات المكونة من ستة أنواع حققت إنتاجية أفضل من مجتمعات الأعشاب-البقوليات ذات النوعين عبر ظروف مختلفة. تشير النتائج إلى أن المزارعين يمكنهم تحقيق إنتاجيات عالية مع مدخلات نيتروجين أقل من خلال اعتماد خلطات متنوعة، مما يقلل أيضًا من الآثار البيئية المرتبطة باستخدام الأسمدة النيتروجينية. تؤكد الدراسة على إمكانية الخلطات متعددة الأنواع لتعزيز إنتاجية العلف ومرونة مواجهة تقلبات المناخ، داعية إلى تنفيذها في ممارسات الزراعة المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1126/science.ady0764
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41343604
Publication Date: 2025-12-04
Author(s): Jessica O’Malley et al.
Primary Topic: Agronomic Practices and Intercropping Systems
Overview
The ‘LegacyNet’ experiment, conducted across 26 sites, explored the effects of species diversity in high-yielding forage grasslands by varying the composition of sown mixtures to include up to six species (grasses, legumes, and herbs) under moderate nitrogen inputs. The findings revealed that multispecies mixtures significantly outperformed traditional practices, such as grass monocultures with higher nitrogen fertilizer and two-species grass-legume communities. The enhanced yields in these diverse mixtures were attributed to beneficial interactions between grasses and legumes, as well as legumes and herbs, with the yield advantage becoming more pronounced in warmer environments. This research suggests that optimizing grassland mixture designs can lead to more sustainable forage production and improve the resilience of grasslands in the face of climate change.
In summary, high-yielding mixtures of grasses, legumes, and herbs demonstrate superior performance compared to conventional grassland management practices.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the urgent need for innovative agricultural practices to address the dual challenges of food security and environmental sustainability amid resource depletion and climate change. Ruminant livestock production, a significant sector within agriculture, often relies on high-input grassland systems that can lead to detrimental environmental impacts, including greenhouse gas emissions and biodiversity loss. In contrast, multispecies grasslands have been proposed as a sustainable alternative, potentially achieving high yields with lower nitrogen inputs. However, there remains a critical gap in understanding whether these diverse systems can match the productivity of traditional high-input monocultures across various climates.
To investigate this, the authors established LegacyNet, a coordinated network of 26 grassland experiments across temperate regions in North America, Europe, Asia, and New Zealand. The experiments manipulated the composition of six high-yielding forage species (two grasses, two legumes, and two herbs) to assess the viability of multispecies mixtures in productive grasslands. The study aims to determine the effects of plant diversity on yields, evaluate whether higher-diversity mixtures can outperform conventional practices, and explore how climate influences the potential yield benefits of these diverse systems.
Methods
The section outlines the methods employed in the LegacyNet common experiment, a collaborative initiative spanning 26 sites across 15 countries aimed at evaluating the benefits of multispecies grassland leys within crop rotations. The experimental design consisted of a two-stage approach: a 15-month grassland ley phase followed by a subsequent crop phase. Various plant communities, including monocultures and mixtures of up to six species from three functional groups (two grasses, two legumes, and two herbs), were tested to identify optimal species combinations for maximizing forage production and legacy effects. The species selected were chosen for their high forage yields and complementary traits, ensuring they were representative of local forage species.
The grassland phase utilized a simplex design with 33 unique communities, systematically varying the sown proportions of each species. Each community was replicated, with specific nitrogen (N) fertilizer application rates manipulated to assess their impact on biomass yield. The plots, measuring a minimum of 3 m × 5 m, were randomized across sites, with a total of 1,382 plots established. Biomass yields were measured through mechanical harvesting, and various weather data were recorded to analyze the environmental conditions affecting yield. The grassland phase lasted an average of 24 months before transitioning to a follow-on crop, although the results from this subsequent phase are not included in the current analysis.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant benefits of mixing functional groups in grassland ecosystems, leading to overyielding compared to monoculture systems. The study found that yield per growing season varied widely across different sites, with median yields ranging from 4.65 to 14.89 t ha\(^{-1}\). Mixture plots frequently outperformed monoculture plots, with six-species equi-proportional mixtures (grass-legume-herb) yielding 3.13 t ha\(^{-1}\) more than their weighted average monoculture. This overyielding was attributed to strong positive interactions among species, particularly between grasses and legumes, which enhance resource utilization and reduce susceptibility to pests.
The research also demonstrated that increasing species diversity within functional groups can optimize yields, as mixtures with more than two species consistently outperformed simpler combinations. Notably, six-species mixtures yielded better than two-species grass-legume communities across various conditions. The findings suggest that farmers can achieve high yields with lower nitrogen inputs by adopting diverse mixtures, which also mitigate environmental impacts associated with nitrogen fertilizer use. The study emphasizes the potential of multispecies mixtures to enhance forage yields and resilience against climate variability, advocating for their implementation in sustainable agricultural practices.