山蚂蝗：帮助咖啡生产对于多变气候的适应
如何通过种植山蚂蝗作为覆盖作物进行杂草管理、土壤肥力，从而提高咖啡产量以及作为非洲农民的食物。
山蚂蝗有两种品种可以在热带条件下生长良好，它们分别是“绿叶”（Desmodium intortum）和“银叶”（Desmodium uncinatum）。山蚂蝗起源于中美洲，它是一种匍匐分枝的多年生植物，并喜欢生活在温暖气候，温度在25- 30°C（77-86°F），多适宜生长在南纬30°到北纬30°之间、海拔300 – 2500米（985-8202英尺）且年降雨量为700 – 3000毫米的地区（Heuzé 等，2017）。这种多年生植物根系较深，可以生长在中度干旱土壤且较为耐阴。自70年代初在肯尼亚种植以来，这种作物可以在当地的牧场或农场中找到。山蚂蝗已被测试在采用切割和运输牲畜系统的小农的饲料生产系统中具有优势（Heuzé等，2017）。随着人口增长和城市化导致土地面积减少，从而导致种植咖啡的土地也在减少，而山蚂蝗正被推广为与其他作物共同种植的间作作物，并且已有科学研究证明了其固氮优势。
当山蚂蝗与玉米间作时，可以导致寄生的独脚金杂草种子“自杀”，具体是通过给予一定的化学刺激使种子发芽，但无法使其附着在玉米植株上。这会一定程度上减少其种子数量，并最终耗尽可以侵害玉米植株的植株发芽率（Midega等人，2017）。豆科覆盖作物（如羊草）与它们减少土壤氮淋滤的能力呈正相关，从而可以进一步影响温室气体净排放，同时提高作物的生产力（Abdalla等人，2019）。
蚕蛹可以代替畜牧业的商业饲料
目前肯尼亚畜牧生产严重依赖商业饲料，其中大部分成分是谷物（包括玉米、小麦、大豆和向日葵籽）（Ayantunde等人，2005年）。全球对谷物的需求已经导致畜牧业的商业饲料价格上涨，并超出了商业可行性（Ayantunde等人，2005年）。此外，面对不断增加的生产成本，饲料价格几乎超出了许多小农的承受能力（Ayantunde等人，2005）。山蚂蝗已被证明富含矿物质（钙7.6 g/kg、钴120.7 mg/kg、铜17.9 mg/kg、铁264 mg/kg、镁1.6 g/kg、锰91.4 mg/kg、磷3.5 g/kg、钾17.8 g/kg、钠0.15 g/kg、锌25.3 mg/kg ）（Heuzé等人，2017）。此外，羊毛草中含有较低的膳食纤维，可以使牲畜消化更快，并拥有更低的能量损失和更少的甲烷排放（Heuzé等人，2017）。当降雨分布良好时，山蚂蝗已被证明可以每年生产17吨/公顷（6.9吨/英亩），并可以连续进行4次扦插（Rose和Kearney, 2019）。山蚂蝗中的单宁含量和蛋白质含量高，从而提高其生产率（Williams等人，2015）。
单宁在减少牲畜甲烷排放中的作用
IPCC关于农业排放报告中汇总了牲畜在饲养过程中与其自然消化系统相关的甲烷排放带来的巨大影响（IPCC, 2022）。其牲畜饲料类型决定了每头成年牛每天120 – 320升的总甲烷排放量（Anantasook等人，2015；Chen等人，2021）。目前人们已经对豆类饲料在牲畜消化系统中涉及牲畜甲烷排放的内部过程进行了评估（Williams等人，2015），并且发现具有高单宁含量的豆科作物被认为具有较低的甲烷排放。这是因为它们所含的旁路蛋白在动物瘤胃中结合而不会被分解，并可以顺利进入小肠并在那里被动物吸收，从而减少甲烷排放（Tolera和Sundstøl, 2000；Yanza等人，2021）。在一些混合瘤胃微生物连续培养实验中，发现其浓缩单宁的联胞菌含量与减少甲烷和氨的产生呈正相关（Williams等人，2015）。
其次，许多关于山蚂蝗的研究表明，由于山蚂蝗的匍匐习性，当将其引入作物生产系统和作为奶牛所需蛋白质的供应时，它具不仅有很大的控制杂草的潜力，同时可以减少农业碳足迹（Baloyi等人， 2009）。目前大多数牲畜饲料生产实践都与严重依赖合成肥料的集约化工业和农业实践有关（Boadi和Wittenberg, 2012；Beauchemin, 2009）。如果再考虑到与长途运输相关的高碳足迹，那么可能会显著增加严重依赖商业饲料的集约化畜牧生产系统的总体碳足迹（Benchaar et al.， 2001）。因此，我们需要了解山蚂蝗如何进行控制杂草、支持咖啡生产以及提供牲畜饲料的能力。
科学证据支持山蚂蝗的有效性
人口增长和气候变化继续对可持续咖啡生产构成挑战和风险，需要在适应气候变化影响的同时增加收入。大多数咖啡农民会实行作物与牲畜混合生产方式。但是牲畜的饲料（特别是在干旱天气期间）一直是农民面临的主要问题。人们认为，手工除草等集约化咖啡生产做法会增加土壤易感性从而收到侵蚀，导致作物产量下降。因此，我们的研究重点是比较在肯尼亚咖啡生产实践中采用豆科覆盖作物作为杂草控制和气候智能型适应调整的策略，并将其与手工除草和除草剂的使用结果进行比较。我们采用完全随机区组设计，实验中一共有3个处理，并设置9×9米（30×30英尺）的地块。实验中包括手动除草、使用除草剂和采用豆科山蚂蝗作为覆盖作物进行处理。我们的研究目的是比较不同处理对杂草控制、咖啡产量和生物量产量的效果。其方差分析结果表明，使用豆科山蚂蝗作为覆盖作物的咖啡产量是使用除草剂处理的1.8倍，而且是手工除草的1.2倍，并且其咖啡生物量产量显著提高，这些结果表明采用覆盖作物有绝对的优势。减少定期除草和控制土壤侵蚀的需求可能是农民在气候变化时期应该接受使用豆科覆盖作物作为气候智能型农业优势的主要原因之一。
研究目的和研究设计
我们在内罗毕大学卡贝特咖啡种植园进行该实验。且其研究目的在于比较不同杂草控制方法的效果及其对咖啡产量和假单胞菌生物量产量的影响。本研究采用人工除草、除草剂处理和咖啡间作豆科山蚂蝗作为覆盖作物3种处理。实验设计采用随机完全区组设计，并在咖啡种植园内进行处理，使用9×9米（30×30英尺）的地块设置。并且地块中已经种植了咖啡灌木且生长均匀。种植SL14的咖啡品种行间距为2.7×2.7米（8.9×8.9英尺）。
实验设置和数据收集的信息
所有地块均在开始进行任何处理前进行人工除草，并在3个月后开始进行不同实验处理（手除草、除草剂处理、种植山蚂蝗覆盖作物）。试验地为平地，采用随机完全区设计重复3次处理，得出如下区块1 （A、B、C）、区块2 （A、C、B）、区块3 （C、B、A）、
即
- 咖啡灌木的豆科覆盖作物
- 农民在咖啡垄上进行人工除草
- 咖啡除草剂（草甘膦）进行除草
该研究在2019年至2020年之间进行了为期两年的实验，其中收集了有关杂草多样性、处理对杂草控制的有效性和咖啡产量的多项数据。
杂草多样性数据采用Shannon wiener杂草多样性方法进行获得。具体方法是通过在一个1×1米（3.3×3.3英尺）的矩形地块上将所有杂草连根拔起并进行品种鉴定，然后将其分为一年生、两年生和多年生并评估哪些是最优势的杂草物种。
咖啡的收获是定期进行的，由于每棵咖啡的产量不同，因此每个实验处理的总量是独立计算的。咖啡产量是基于每个处理每个季节的实际收成，然后除以灌木的数量进行计算的。
每隔4个月收获一次整个实验区块，并在其中选择1平方米进行称重并计算其的产量。生物量的权重采用’t’t Mannetje（2000）生物量计算方法确定，然后再推算每公顷的产量。
数据分析
采用描述性统计方法对土壤含水量进行评估，并将所有相应记录录入Excel数据表。然后根据GenStat程序库发布PL22.1使用GenStat 14.1软件进行处理最终数据。
所有生长高度在20 cm的杂草都需要被连根拔起，并对每个小地块进行分组以进行识别，为每个存在杂草的地块随机选择1x1m（3.3×3.3英尺）的区域进行计算，特别是针对手工除草的实验地块。将拔除的杂草分为一年生、两年生和多年生。在1x1m（3.3×3.3英尺）的取样样地中，我们观察到最常见的杂草种类是苋属、鬼针草、波叶酸蓼和万寿菊共有30多种新兴植物，其生长高度为20厘米（7.9英寸）。常见的多年生杂草有饭包草、狗牙根、香头草、黑马唐和酢浆草。一些多年生杂草的匍匐习性使它们一旦生长扩大起来就较难拔除。相比之下，一年生植物产生的大量种子使其生长数量难以控制，特别是在雨季开始之后。
实验结果
每个子样地杂草长到20cm时开始收集杂草数据，并使用1x1m方形框架进行选样并将所有杂草连根拔起，然后对杂草进行分组。这是在有杂草的地块上进行的。将这些被连根拔起并将其分为一年生、两年生和多年生，然后使用东非杂草目录对每个物种进行识别和命名。
在阔叶一年生杂草中，最具优势的杂草种类为苋属（25%）、鬼针草20%）、波叶酸蓼（15%）和万寿菊（10%）。多年生杂草中优势杂草为饭包草（10%）、狗牙根（5%）、香头草（5%）、黑马唐（5%）和阔叶酢浆草（3%）。
将不同处理咖啡树的产量录入表格并进行比较，以显示不同处理之间的产量是否有显著差异。实验比较表明，在种植了山蚂蝗覆盖作物的地方，其咖啡产量比除草剂处理高1.8倍，比手工除草高1.2倍。在种植豆科山蚂蝗覆盖作物的地区，其咖啡果实成熟度更高，未成熟果实流产较少。
种植豆科山蚂蝗后，它可以完全覆盖了土壤，从而消除了任何机会杂草的出现。从长期来看，这可能是由于杂草种子库的减少，从而导致杂草的出现减少。山蚂蝗可以每4个月采收一次。使用1x1m（3.3×3.3英尺）地块选择方法，使用测量草地植被生物量的方法（’t’t Mannetje）来推断每公顷的产量。结果表明，在咖啡树之间的空间中收获山蚂蝗的咖啡产量潜力巨大，实际咖啡产量为每公顷15吨（每英亩6吨）并预计每年可收获，作物植株寿命可超过7年。
在你的咖啡种植园中引入山蚂蝗的好处
在理想的热带温暖天气条件下（特别是在雨季），杂草的生长成为咖啡生产的一个重要问题。CRF（2003）的研究表明，超过50%的咖啡产量损失可能归因于杂草的问题（Daramola, 2020）。CRF（2003）的研究表明，目前其中最令人困扰的杂草品种包括苋属、鬼针草、波叶酸蓼、万寿菊、饭包草、狗牙根、香头草、黑马唐、阔叶酢浆草、狼尾草、印加孔雀草。
我们的研究能够支持以往的研究结论，因为根据其发生规律确定的最优势杂草种类与以往的研究密切相关（CRF, 2003）。在手工除草的地区，杂草会迅速出现，这可能是由于土壤中的杂草种子库仍然十分充足。土壤一经过翻耕，其种子就暴露在阳光下并得到了有利于发芽的理想条件。在我们的研究期间，每年至少需要4次手工除草，而这样会给咖啡生产过程中农民带来相当大的成本。而且手工除草的过程可以使土壤松动，使土壤易于受到侵蚀，特别是在暴雨期间（Gachene等人，1997；Gao等人，2016）。
除草剂处理能够很好控制杂草，并在2周内将其杀死，而其他杂草的出现会有所延迟，其生长速度比手工除草的地区慢。但就其功效而言，使用除草剂可以杀死许多杂草，这可能就是为什么草甘膦在农民中很受欢迎的原因。然而，随着在杂草控制中经常使用草甘膦，杂草抗性的问题越来越大（Bain等人，2017）。然而，由于土壤没有了保护，因此在暴雨来临时，裸露的地面会受到土壤侵蚀（Aktar等人，2009）。草甘膦还与咖啡授粉所需的蜜蜂的生存和种群有关，因为它会影响蜜蜂的幼虫发育（Alyokhin等人，2020；Vázquez等人，2018a）。其他对生态系统的担忧与草甘膦对土壤的总体影响有关，草甘膦对蚯蚓和共生菌根真菌之间的地下相互作用也产生不利影响（Zaller等人，2015）。
在前2个月，山蚂蝗幼苗出现并会与杂草竞争，并将竞争杂草连根拔起。在4个月的时间里，蚂蝗就可以完全生根并覆盖了整个地面，从而使杂草无法发芽。
山蚂蝗在土壤上可以进行广泛覆盖，并能够消除进一步杂草控制的需要，因为只有山蚂蝗能够在咖啡灌木下匍匐生长。咖啡灌木每4个月需要定期收获一次，并可以作为牲畜的饲料（Tolera和Abebe, 2007）。豆科山蚂蝗作为覆盖作物抑制杂草生长的能力有助于农民节省开销（Alvarez等人，2008）。覆盖作物提供了控制土壤侵蚀的积极效益，因为当有强降雨发生时，土壤表面径流可以由山蚂蝗作为覆盖作物进行控制（Tadesse等人,2016）。
人们一直担心咖啡长期单一栽培对土壤的长期影响，怀疑这样做会改变土壤的化学性质和微生物群落（Zhao等人，2018）。而豆类覆盖作物在影响土壤微生物多样性方面还有额外的优势。研究发现，土壤微生物多样性可以缓解咖啡等多年生作物种植导致的土壤衰退（Vukicevich等人， 2016）。咖啡正面临着重大的气候变化影响，因此如何解决其可持续性的问题是关键；从而有必要采取相应的适应性措施，提高农民在经济上较坏情况发生的抵御能力（Gomes等人，2020；Wagner 等人，2021）。在种植豆科山蚂蝗覆盖作物的咖啡中发现的咖啡产量可能归因于其固氮的原因。豆科植物可以通过与固氮细菌的共生关系，从根部增加土壤氮含量（mendonpada等人，2017；Andrews等人，2011；Didier Snoeck等人，2000）。
如何减少农业中甲烷排放一直是热点主题。在牲畜饲料中加入单宁含量高的豆类作物在减少牲畜肠道甲烷排放方面显示出积极的效果（Animut等人，2008；Kelln等人,2021）。对C3豆科植物和C4禾草之间潜在甲烷产量的比较研究表明，定期添加豆类饲料对减少牲畜肠道甲烷排放具有积极作用（Archimède等人，2011）。
因此，在小农种植制度中种植豆科山蚂蝗符合扩大气候智能型农业的经济效益的目标，它还可以促进合理利用土地并对适应气候变化做出了积极贡献（Bergtold等人，2019；Blanco–Canqui和Ruis, 2020）。收获用于畜牧生产的覆盖作物还大大增加了豆科草覆盖作物对于生态系统的服务（Blanco-Canqui等人，2020）。关于气候变化对咖啡生产影响的悲观预测（Bunn等人，2015）需要人们更多的关注，其中也包括提高农民的收入（Craparo等人，2015；DaMatta等人，2018）。因此，在寻找咖啡农提高气候适应能力的解决方案时，山蚂蝗豆科覆盖作物应该是一个合适的候选者（Bracken等人，2021；Ires，2021）。由于气候变化与咖啡生存的关系也必须考虑到农民的适应和缓解，政策制定者必须为此做出相当大的努力来解决农民面临的问题（Camargo, 2010；Kaye和Quemada, 2017）。
关于种植山蚂蝗优势的结论
综上所述，我们从以下五个方面来支持种植山蚂蝗：让农民更富有，并进一步保护环境。其原因是山蚂蝗可以支持生物固氮，并减少了对密集合成肥料使用的需求；并进一步为土壤生态系统进行服务（固氮、控制水分流失、控制土壤侵蚀和增加生物多样性）；它还进一步控制杂草数量（寄生的独脚金和其他非寄生的植物）、减少害虫压力（驱赶秋粘虫和玉米茎蛀虫）、为牲畜提供高蛋白饲料、减少了谷物作为商业牲畜饲料的竞争压力。
在适应和减缓气候变化方面，作为一种根系深厚的多年生植物，山蚂蝗具有很高的固碳潜力，并可以进一步减少由于密集土壤作业造成的甲烷排放，并具有很高的生物固氮潜力。它还具有浓缩单宁和旁路蛋白的蛋白质作为高价值的牲畜饲料并进一步减少牲畜的甲烷排放。
非洲咖啡农民的价值主张
因此，对于大多数非洲咖啡农来说，应在种植系统中扩大山蚂蝗的种植面积，以通过降低生产成本和减少寄生杂草和入侵害虫的风险来实现粮食安全的目标。同时农民还可以受益于山蚂蝗对于生态系统的服务和牲畜饲料的提供，而这也一直是畜牧生产盈利的瓶颈。
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