科研进展

科研进展

亮文解读 | 间套作: 养活更多的人并有利于农田生态系统的可持续性

发布时间:2021-10-19 发布人:唐静月 浏览次数:1737
作物多样性与可持续农业:机制、设计和应用

Crop Diversity and Sustainable Agriculture

专 辑 文 章 介 绍

 · 第二篇 · 

 

图片

英文题目Intercropping: feed more people and build more sustainable agroecosystems

中文题目:间套作: 养活更多的人并有利于农田生态系统的可持续性

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

发表年份:2021年

第一作者:杨浩

通讯作者:李隆

图片 :  lilong@cau.edu.cn

作者单位:中国农业大学资源与环境学院

Cite this article

Hao YANG, Weiping ZHANG, Long LI. INTERCROPPING: FEED MORE PEOPLE AND BUILD MORE SUSTAINABLE AGROECOSYSTEMS. Front. Agr. Sci. Eng., 2021, 8(3): 373‒386 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021398
 

Highlights

1. 间作在可持续农业中发挥了重要作用,本文综述了间作在农田生态系统中的重要作用;

2. 生态学原理的应用有助于我们更好的理解间作优势的可能机制,是发展推广作物多样性间作种植的关键。
 

研究内容

推进可持续农业:从单一化到多样化

       目前,保证粮食安全依然面临严峻挑战。传统集约化农业通过使用高产作物单一栽培、增加水肥农药投入提高粮食产量,并为满足粮食安全做出了巨大贡献。然而,也带来一系列负面环境影响。增加农田生态系统生物多样性,维持农田生态系统稳定性,能够用最小的环境成本换来更高的产量和产量稳定性。间作作为增加农田生态系统生物多样性的重要方式,由于其在增产增效中的优势,在中国,拉丁美洲,非洲地区广泛分布。发挥豆科作物在减少化肥投入,增加土壤肥力中的作用,将豆科作物纳入间作体系得到越来越多的关注。

间作增强农田生态系统服务功能

       与自然生态系统相反,集约农业生态系统有许多独特的特征,如植物多样性的减少,矿物肥料和农药投入的增加,以及高产品种的单一栽培。与集约农业相比,间作能够强化农田生态系统服务功能,包括提高产量和产量稳定性,促进资源高效利用,抑制病虫害,缓解气候变化,控制土壤污染和增加农田生物多样性(图1)。

       一项meta分析发现,间作能够提高土地利用效率,552个土地当量比数据中有434个大于1。在另一项包括涵盖41个国家126项研究的分析中,间作相比单作提高了38%的生物量(平均土地当量比为1.38)。此外,禾本科/豆科间作能够获得更高的产量稳定性。在增加产量的同时,豆科作物的参与能够减少氮肥的投入,并提高氮肥利用效率。减少氮肥的投入可以减轻硝酸盐和亚硝酸盐对土壤的影响,并减少一氧化氮和一氧化二氮的排放。深根系和浅根系植物间作增加了养分获取和氮利用效率,从而减少了硝酸盐淋洗。禾本科/豆科间作还能够促进对土壤中磷的利用,增加磷肥回收率。

       植物多样性通过阻隔病虫害的迁移传播,改善寄主关系,增加害虫天敌的多样性来控制病虫害的发生。与单作玉米相比,玉米与豆科作物间作显著降低了螟虫和秋粘虫的严重程度。玉米/烟草间作、玉米/甘蔗间作和玉米/马铃薯间作显著降低玉米叶枯病发病率。

       土壤肥力和碳固存影响全球气候变化,因此,保持土壤肥力和减少农业碳排放可以缓解全球气候变化。相比于单作,长期间作增加了土壤有机碳和有机氮含量,并且间作能够减少农业生产中的碳排放。此外,间作在土壤修复中发挥着重要作用,能够改善土壤中的重金属污染。

       间作在增加作物多样性的同时,也增加了农田生态系统中其他生物类群的多样性。在地上部增加了授粉者(蜜蜂,苍蝇,蝴蝶等)的多样性。在地下部增加了土壤动物的数量和多样性并改变了土壤微生物的群落组成,增加了土壤微生物的相对丰度。
 

图片

图1. 间作强化生态系统服务功能
 

间作强化农田生态系统功能的潜在机制

       补偿效应和选择效应通常用来解释生物多样性增加生态系统服务功能的机制(图2)。补偿效应包括生态位分离和种间促进,而选择效应通常由于多样性高的群落中包括更多的高产物种。地上生态位差异是由光驱动的,而地下生态位差异总是由水和养分的有效性驱动的。
 

图片

图2. 补偿效应与选择效应增加间作体系生产力

       间作能够增加光截获量,提高光能利用效率,以此提高体系生产力。不同作物间作驱动了地下部根系生态位的分化,提高间作体系的资源利用效率。另外,通过不同生育期的作物间作,通过时间生态位分离,缓解禾本科对豆科作物的竞争,减少共生时间,提高大豆的产量。种间促进通常由资源的互补利用引起,包括水分和养分。在干旱和半干旱地区,间作往往通过根系分布的空间和时间互补或菌根网络来提高水分利用效率。豆科作物中生物固定的氮可以转移到相邻的禾本科作物中,而玉米根分泌物能够促进蚕豆结瘤固氮。豆科作物可以分泌羧酸盐、酸性磷酸酶和质子,从而增加土壤磷的有效性,改善邻近玉米的磷营养。作物的铁、锌、铜等必需微量元素参与了植物许多必需的生理过程。玉米花生间作能够通过根际相互作用改善花生铁营养(图3)。
 

图片

图3. 间作体系中的生态位分离与种间促进
 

结论与展望

       间作在以较低的环境代价获得更高的粮食产量及保证粮食安全的同时,有效提升了粮食生产的长期可持续性。在未来的研究中,间作中实施适当的作物搭配,合理的带幅选择和小型机械的配合使用能够解决目前农村劳动力不足的现状。间作的长期效应需要长期试验数据的论证与支持。对土壤健康、农田生态系统多功能性的量化以及更大尺度间作模型的建立有助于我们更好的理解间作优势的可能机制,是发展推广间作的关键。
 

图片

图4. 间作在粮食安全和可持续农业中的重要作用
 

文章链接

       原文链接:https://journal.hep.com.cn/fase/EN/10.15302/J-FASE-2021398