亮文解读 | 中国多样化种植体系设计: 理论、方法与实施

英文题目：Designing diversified cropping systems in china: theory, approaches and implementation

中文题目：中国多样化种植体系设计: 理论、方法与实施

期刊名称：Frontiers of Agricultural Science and Engineering (FASE)

发表年份：2021年

第一作者：丛汶峰

通讯作者：张福锁

 :  zhangfs@cau.edu.cn

作者单位：中国农业大学资源与环境学院、中国农业大学国家农业绿色发展研究院、中国农业大学教育部植物与土壤互作重点实验室

编译者：程嘉莉，丛汶峰

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Wen-Feng CONG, Chaochun ZHANG, Chunjie LI, Guangzhou WANG, Fusuo ZHANG. DESIGNING DIVERSIFIED CROPPING SYSTEMS IN CHINA: THEORY, APPROACHES AND IMPLEMENTATION. Front. Agr. Sci. Eng., 2021, 8(3): 362‒372 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021392
 

       尽管高投入-高产出的集约化农业为满足粮食安全做出了巨大贡献，但其所带来的环境负面效应依然严峻。因此，迫切需要发展一种创新的、高度可持续、可抵御气候风险的农业生产系统，以减少不可再生资源的过度消耗和集约化农业的负面环境影响，同时确保提供足够的安全和营养的食物以满足人口快速增长的需要。作物多样化（如间作）已被广泛证实可通过利用生态位分化和物种互作的正效应来提高粮食产量和养分利用效率，同时减少环境影响。因此，可利用作物多样化而增强生态系统服务以实现可持续农业。

2. 作物多样性的优势

       作物多样化指的是通过间作、轮作和覆盖作物的方式在农田中同时种植多种作物，或在非作物生境中增加树篱、花带等。作物多样化依靠生态原理，例如物种间的正相互作用来增加作物产量并减少对化学肥料和农药的依赖。与集约农业相比，作物多样化可改善田块、农场和景观尺度上农业生态系统的多种生态系统服务。

3. 多样化种植体系设计的框架、原理和方法

3.1 设计框架

       作物多样化设计首先需要同时考虑当地的自然禀赋与限制因素（包括光、温度、土壤和水），以及农业绿色发展的多目标需求（例如，粮食安全、资源节约、环境可持续性和农民收入），最后采用自上而下和自下而上的方法相结合来设计多目标多样化种植体系。自上而下的方法主要使用景观、农场、田地和个体尺度的模型工具，结合本地试验数据以及专家知识与农民经验，进行事前和事后评估以及新型体系设计。自下而上的方法主要基于生态学与植物营养学的知识，例如养分循环，植物与土壤的相互作用，地上和地下的反馈，种间互补与促进。最终通过模型和生态学原理筛选出理论上优化的种植体系，将在一个特定地区实施多样化种植体系落地示范，以推动中国的农业绿色转型（图1）。
 

       通过有利的作物分配和种植顺序（例如，间作、轮作和覆盖作物）来增加种植系统的时间和空间多样性，从而应用了作物多样化计划的生态学原理，例如种间的互补性和促进作用以及植物-土壤的反馈。种间的互补和促进作用是在田块尺度上协同提高地上和地下资源利用效率的关键原则：有益的作物组合可以利用不同作物的互补效应，并采用不同的策略来改善整个多样化系统的资源。植物-土壤反馈的原理为设计有益的轮作体系提供了科学指导，例如轮作可有效地促进养分循环同时最大程度减少病虫害。利用景观调控保险假说和资源连续性理论，通过配置农业景观的组成和异质性来设计多样化的景观，以有效地增加生态系统服务的存储，流动和稳定性。此外，农田附近的花带、树篱和其他非作物生境可通过促进生物虫害控制和昆虫授粉来提高粮食生产的可持续性。

3.3 方法

       设计理想的作物系统需要同时考虑农业生产中的生物物理过程、利益相关者的目标以及外部因素的影响。作物体系设计模型可以帮助生成各种可行且多样化的种植系统和管理计划（例如轮作和间作），并通过结合多目标优化算法来预测优化的土地利用和农业管理组合（图2）。作物体系设计模型可以评估多目标之间的权衡和协同作用，设计结果可与利益相关者进行交流和沟通，以评估设计的可行性。
 

4. 在中国实施多样化体系设计的战略规划

       实施作物多样化的关键是根据区域特征（自然资源与限制因素/约束）以及社会和经济需求，针对性地提升和加强生态系统服务。在不同区域，需要将生态学原理、土壤-作物系统综合管理，作物体系模型以及机械化进行全面整合。总之，针对具体区域，作物多样化设计旨在同时协同实现安全、营养的粮食生产与环境保护（图3）。
 

5. 案例研究：在华北平原实施作物多样化的三步走策略

       作为我国粮食安全重要保障的华北平原，冬小麦-夏玉米轮作是主要种植体系，但该体系目前仍以高投入-高产出的集约化为特征。因此，该地区种植结构调整的关键目标是减少农用化学品的投入并提高资源利用效率，从而在保持高质量食品生产的同时提高环境的可持续性（图4）。

       第一步：田块尺度设计。通过采用间作和套种来优化冬小麦-夏玉米轮作体系，进一步减少水与养分的投入，并减少损失。

       第二步：田块尺度设计。引入长期轮作，以进一步加强养分循环，增强病虫害控制，并改善土壤健康。

       第三步：景观尺度设计。以通过增加生物多样性（例如花带）来促进生态系统服务，例如授粉和生物虫害防治。总体而言，这三步走策略将共同促进高质量粮食生产，环境可持续性和提高农民收入。
 

结论

       实现中国农业的绿色转型，以满足粮食安全与环境安全，需要从根本上将种植体系朝着多样化种植进行调整。该文章提出了实现多样化种植体系转型的理论框架，方法和和实施策略。实施作物多样化的关键是根据区域特征以及社会和经济需求，针对性地加强某些生态系统服务，借助生态学原理、土壤作物系统的综合管理、作物体系模型和机械化等进行全面整合。作物多样化的实施将为农业绿色转型期的国家树立榜样，并为全球可持续发展做出样板。

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