科研进展

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亮文解读 | 量化物种混作的优势

发布时间:2021-11-16 发布人:唐静月 浏览次数:73
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

 · 第十篇 ·

英文题目:Comparing performance of crop species mixtures and pure stands

中文题目:量化物种混作的优势

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

发表年份:2021年

第一作者:Wopke VAN DER WERF

通讯作者:Wopke VAN DER WERF

图片 wopke.vanderwerf@wur.nl

作者单位:Wageningen University

Cite this article

Wopke VAN DER WERF, Lizhen ZHANG, Chunjie LI, Ping CHEN, Chen FENG, Zhan XU, Chaochun ZHANG, Chunfeng GU, Lammert BASTIAANS, David MAKOWSKI, TjeerdJan STOMPH. COMPARING PERFORMANCE OF CROP SPECIES MIXTURES AND PURE STANDS. Front. Agr. Sci. Eng., 2021, 8(3): 481‒489 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021413

 

Highlights

1. 本文综合了上千篇已发表的文章,得出一些普适性的观点,提出了一些量化间作优势的指标。

2. 对一些量化指标的背景,含义,限制以及未来发展的方向进行了描述和预测。

 

研究背景

       合理地评估间作优势对选择适合间作的品种、设计合理的间作模式和评价间作的生产状况和农田小气候条件至关重要。以往的研究提出了五花八门的评价指标和方法,本文回顾了一些对生产时间、农业可持续发展有重要意义的指标和方法。

1. 土地利用效率

       比较间作单作生产力最常用的指标是土地当量比 (land equivalent ratio,LER),它表示单作作物在相同面积上获得与对应间作体系相同产量所需的土地面积。一般来说,LER定义为间作体系中各作物与对应单作相对产量之和 (图1):

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其中Yi为作物间作时的产量,Mi为作物单作时的产量,i为间作体系中的各个作物。

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图1. 土地当量比 (LER) 图解

假设单作玉米产量为12吨·公顷-1,单作大豆为3吨·公顷-1。另假设某50%玉米、50%大豆间作体系中,间作玉米产量为9吨·公顷-1,间作大豆为1.5吨·公顷-1。要达到与间作体系同样的产量需要0.75公顷的玉米和0.5公顷的大豆。因此,土地当量比为1.25,即间作生产与单作相同产量时少占用20%的土地。

       近年来部分研究利用整合分析对间作的土地当量比做出了若干估计,多项研究结果表明间作土地当量比大于1。这表明间作节约了土地,即间作减少了获得相同产量所需的土地面积。值得注意的是,LER是一个比值指标,它的价值是基于相同生长条件下间作作物和单作作物产量的比值,并没有提供实际产量。

2. 植物密度效应

       种植密度对间作的产量影响较大。相对密度(relative density,RD)定义为作物间作时的种植密度(以间作总面积为单位)除以作物单作时的种植密度:

其中D1, IC为物种1间作时的密度,D1, SC为物种1单作时的密度,物种2同理。

       多项整合分析发现,间作体系LER随相对密度的增加而增加。对于这一现象(至少)有两种解释: (1)单作作物种植密度过低,因此没有充分利用资源和高产;(2)由于物种间的互补性(生态位差异),间作密度较单作增加。

3. 测产量与预期产量的比较

       土地当量比能够反映间作对土地的节省程度,但它不能反映作物间作时是否取得了比预期更高的产量以及间作作物所占的比例。回答这个问题的一种方法是计算净效应,即间作体系实测产量和预期产量之间的差值。这种净效应定义为:

NE = ∑ NEi = ∑(Yi− piMi)

       其中Yi为作物间作时的产量;Mi为作物单作时的产量;pi为预期产量比例。

       需要注意的是,只有当混作的产量或产量单位允许被加和时,总净效应才有意义。多项整合分析发现,与单作相比,间作体系净效应更高,即间作产量更高。接下来需要进一步研究体系中哪些作物是高产的主导因素,并阐明影响间作产量因素间的相对重要性,如物种组成、肥料投入、空间配置、时间生态位差异以及相对密度。

4. 超产效应

       超产效应即混作的产量高与其中高产物种的单作产量:

       获得超产需要通过利用物种间的补偿效应,通过一些低产物种取代高产作物体系中的一些个体。以往的研究发现在中等氮水平下,小麦/蚕豆间作能够获得相比于对应单作更高的产量,在高氮水平下,小麦产量最高,在低氮水平下,蚕豆产量最高。对于哪些物种组合在哪些环境条件下能够通过何种组合和密度管理方式获得超产依然是亟待研究的问题。

       设计超产体系面临两个关键问题:1. 产量预测的准确性。2. 匹配超产体系的物种不一定符合市场和社会的需求。其次,通过LER,NE,TOI来评价长期生产中的超产效应是否合理依然有待证明。

5. 资源利用效率

       为了验证间作是否节约了资源,提出了水当量比(WER)和肥料当量比(FER)这两项指标。与土地当量比类似,水肥当量比代表单作作物在相同面积上获得与对应间作体系相同产量所需的水肥量。同样的,WER和(N)FER与LER具有相同的局限性,它们均表示间作作物与单作作物水肥的相对利用效率,并不是实际利用效率。

       其中水当量比定义为:

其中WU1、WU2和WUIC分别是单作作物1、2和间作作物的用水量。

       间作体系的耗水量往往大于单作作物。在这种情况下,WER小于LER。如果间作作物间在水分吸收方面有一定的互补性,即使间作的用水量大于单作,WER也可能大于1。在旱地耕作中,间作作物和单一作物的用水量通常没有差别,因此WER值与LER值相同。这意味着节约用水是节约土地的结果。但也有例子表明间作提高了水分利用效率。

        肥料当量比与水当量比定义类似。衡量指标不关注产量,而是氮利用或与养分相关的其他产量成分,如蛋白质含量、脂肪含量等。研究人员未来需要对间作体系肥料养分的利用和转化效率进行整合分析,以便更好地量化农业中如何在不造成产量损失的情况下减少肥料的使用,并评估间作的高产在多大程度上与高收获指数和强资源转换有关,同时在另一方面提高资源吸收。为了实现这种整合分析,需要进一步发展相关理念和指标。

6. 高产

        LER常被用作反映高产的指标,但正如上文的讨论,LER更多被用来展示土地利用效率。反映高产的最佳方法是比较实测产量和预期产量,上文中提到的净效应就是其中一种指标。除此之外,还可以用实测产量和预期产量之间的净效应比或相对产量代替净效应。由于单位为kg·ha−1,净效应的优势在于其现实意义,而净效应比和相对产量的优势在于其按比例缩放作物产量,使得这些相对指标能够更加可靠地描述物种和生产环境之间的变化。因此,在整合分析中,上述比值指标可能是更可靠的度量标准。

7. 竞争

       混作物种间会竞争资源,且一个物种产量的增加往往会在某种程度上以其他物种产量的损失为代价。这种竞争的优势往往是动态的,随着时间的推移,一个物种会替代另一个物种成为优势种。前人文献中提出了几种衡量物种竞争能力的指标,如竞争比率或侵占力。这些竞争指数可以用来分析作物间作时的生产性能,但需要注意的是,竞争依赖于密度,而许多竞争指数忽略了密度和组分相对比例的影响。
 

结  论

       间作能够提高土地利用效率,提高产量和养分资源利用率,抑制病虫害,控制杂草,促进土壤健康,因此成为发展可持续农业生产体系的重要方式。总结前人发表的文献,提出更合理的评价方式,对间作未来的发展具有重要意义。
 

文章链接

       原文链接:https://doi.org/10.15302/J-FASE-202141