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国家层面上对间作套种作为高效利用资源的种植方式给予了高度重视。《国务院办公厅关于加快转变农业发展方式的意见(国办发〔〕59号)》中特别强调,“大力推广轮作和间作套作。支持因地制宜开展生态型复合种植,科学合理利用耕地资源,促进种地养地结合。”
过去的研究表明间套作不仅能够大幅度提高作物产量,而且能够充分利用地上部的光热资源,充分挖掘和利用地下部水分养分资源,强化农田生态系统服务功能。近年来,国内外对其资源高效利用的研究取得了显著进步,特别是地下部资源高效利用方面...
文章来自：《中国生态农业学报》年第4期
▎全文共字，图表3个，阅读大概需要20分钟。
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文李隆中国农业大学资源与环境学院/植物?土壤相互作用教育部重点实验室/生物多样性与有机农业北京市重点实验室北京
间套作是我国传统农业的精髓
必然蕴含重要的科学原理
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间套作已存在多年,是我国传统农业的精髓,必然蕴含重要的科学原理。过去的研究表明间套作不仅能够大幅度提高作物产量,而且能够充分利用地上部的光热资源,充分挖掘和利用地下部水分养分资源,强化农田生态系统服务功能。
近年来,国内外对其资源高效利用的研究取得了显著的进步,特别是地下部资源高效利用方面。
在间套作研究方面,包括作物多样性与农业可持续发展,地下部作物种间信号的传递,地上地下部多样性的互反馈调节机制,以及作物生长模型等。在应用方面,包括豆科作物纳入农业生产体系发展生态集约化农业,利用间套作发展有机农业,利用种间相互作用提高磷肥利用率和增加作物可食部分的微量元素含量等。并认为间套作中的机械化、育种等问题的解决将有利于间套作的进一步发展。
文章重点
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首先综述了相关研究的进展:间套作作为增加农田生态系统生物多样性的重要措施,具有重要的生态功能,如提高作物产量,增加作物生产力的稳定性,充分利用地上部光热资源和土壤水分、土壤和肥料中的氮素和磷素以及微量元素等。随后,对间套作提高资源利用效率的机制进行了分析,包括水分需求上的时间和空间生态位互补,豆科/禾本科间作体系中的豆科作物生物固氮和禾本科作物对土壤氮素利用上的互补和促进作用;磷活化能力强弱搭配的间作体系中,磷活化能力强的作物对活化能力弱的作物的促进作用;双子叶和单子叶植物的搭配,改善双子叶植物的Fe、Zn等微量元素的含量等。最后,对间套作进一步研究方向和应用提出了一些看法和思路。
以下为文章主体内容
1
间套作与现代农业
间、混、套作是我国传统农业的精髓。
早在公元前1世纪之前的西汉《汜胜之书》就有相关记载，在公元6世纪《齐民要术》中,进一步记述了桑园间作绿豆(Vignaradiata)、小豆(Vignaangularis)、谷子(Setariaitalica)等豆科和非豆科作物;
明代《农*全书》中有了关于大麦(Hordeumspp.)、裸麦(Hordeumvulgare)和棉花(Gossypiumspp.)套作,麦类作物和蚕豆(Viciafaba)间作;
清朝的《农蚕经》记述了麦与大豆(Glycinemax)的套作;
至建国前,玉米(Zeamays)与豆类间作在全国各地已都有分布。
经历了2千多年,间套作从过去的低投入低产出,演变为高投入高产出的现代农业模式,在现代农业中仍然具有一定的地位。
我国现代农业中间套作种植的模式和分布具有多样性。20世纪80年代全国旱地套作面积0.17亿hm2,间套作面积0.25亿~0.28亿hm2,除西藏、青海外,全国都有分布。北方棉区麦棉套种面积由年的13万hm2发展到年的万hm2,进入90年代,全国间套作面积发展到万hm2。
我国间作套种的种类分布很广泛。通过中文数据库(万方数据库)的检索,我们对中文期刊发表的相关间作套种的种类分省进行了统计后,发现间作套种遍布我国每一个省份和地区(缺台湾、港澳等地区数据)。总的特点是东部间套作种类多于西部,南方高于北方。
目前我国还没有有关间作套种种植面积的官方统计数据。然而,从如下的一些零星报道也可以从一个侧面说明间作套种在我国现代农业中仍然具有一定的地位。
年京津冀鲁豫晋小麦套种玉米.7万hm2,占玉米面积的57.1%,占小麦玉米两熟的74.4%。
20世纪70年代随着我国人口和粮食压力的不断增加,农业科技工作者在总结农民经验的基础上进行了大量的田间试验,通过优化不同作物之间的搭配,在一熟制地区创造了一种禾本科/禾本科作物间作套种的高产种植方式,典型例子就是在西北大面积种植的小麦/玉米带田,单位面积作物产量大幅度增加。
如在甘肃河西走廊、宁夏和内蒙古的河套平原,利用这种种植方式实现了每m2耕地生产kg粮食的“吨粮田”。年在甘肃省这种“吨粮田”的面积就达到了10多万公顷;在宁夏引*灌区,小麦/玉米间作生产的粮食占全宁夏粮食总产的43.3%,占宁夏引*灌区粮食总产的53.8%。
然而,由于西北地区缺水问题的加剧,高产但耗水量较高的小麦/玉米间套作种植面积大幅度下降,取而代之的是耗水量较低的豌豆(Pisumsativum)/玉米带田,是河西走廊灌区近年大面积推广应用的新型间套作模式。
南方由于热量条件相对充足,更加适合发展间作套种。
据报道,西南地区的多样性种植模式主要是“麦?玉?薯”和“油?玉?薯”,年种植面积达多万公顷,近年来随着种植大豆经济效益的提高,“麦?玉?豆”种植模式发展很快,年四川省的推广面积突破了40万公顷。
年,南方间作大豆面积达万hm2,主要间作模式有“油?豆?稻”、“豆?稻”、“稻?豆”等多熟种植形式。广西间作套种面积迅速扩大,—年3年,累计面积达多万公顷。云南的间作套种更是提高产量、增加农民收入,降低化肥农药使用量的重要措施。
2
间套作强化生态服务功能
2.1
增加农田生物多样性
集约化农业生产体系通常以优化单一种植体系的生产力为首要目标。
在集约化农业生产体系中,作物多样性一般被降低到只有1种作物,并且在遗传上要求非常均一、整齐和对称,且都配置大量的化肥、农药等外部投入。这些种植体系由于对环境的负面影响而受到批评,造成诸如土壤侵蚀、退化,化学污染,生物多样性的丧失和化石能的过分利用等一系列问题。
间套作正是由于在同一地块同一时间至少生长两种或者两种以上的作物种,因而增加了农田的作物多样性。例如豆科作物与禾本科作物的间套作是国内外农业生产实践中常见的作物种间配置方式,如大豆和玉米,大豆和小麦,蚕豆和玉米,花生(Arachishypogaea)和玉米,谷子和花生,豌豆和玉米等。同时,还有各种非豆科/非豆科的间作套种模式也在生产中广泛应用,如马铃薯(Solanumtuberosum)和玉米,小麦和玉米的间作套种等。无论是从外部表现上,内部冠层结构,还是根系在土壤空间的分布上,彻底地改变了集约化农田的整齐划一的外观和内部结构,增加了农田作物的多样性。
作物多样性的改变,由于不同物种的根系分泌物组成不同,根系本身的成分也不同,从而引起土壤生物的多样性变化,例如蚯蚓(Lumbricusspp.)和微生物群落结构等。
2.2
增加生产力
生物多样性增加生态系统生产力。早在多年前,达尔文就曾提出更高植物物种丰富度的群落具有更高的初级生产力,这一观点被人们引用了将近一个世纪。
无论在人工构建的微生态系统,还是在半自然的草原生态系统,研究结果均表明生物多样性提高生态系统的功能,特别是生态系统生产力。
Cardinale等对44个不同草原生态系统生物多样性与系统生产力关系研究进行集合分析(Meta-analysis),发现79%的试验结果多样性高的群落比单一物种群落生物量高1.7倍的结论。最新研究发现生物多样性高的群落抑制了土壤有害微生物对植物生长的影响,进而增加了生态系统的生产力。同样在草原生态系统中,人为活动等因素驱动的生物多样性丧失,特别是功能群的丧失,降低了生态系统生产力。
在农田生态系统中,作物多样性(间套作)提高体系生产力(作物产量)已被大量研究所证实。例如,在北欧地区豌豆/大麦间作体系的籽粒产量显著高于单作体系,高达4.6t·hm?2,间作豌豆植株地上部氮累积量为73kg(N)?hm?2,显著高于单作豌豆的15kg(N)?hm?2,长期的豌豆/大麦间作可能会耗竭土壤氮,但耗竭速度慢于单作大麦。在东非的研究表明玉米/金钱草(Desmodiumspp.)间作的玉米籽粒产量比单作玉米高.1%。在印度,直播水稻与花生或者木豆(Cajanuscajan)间作,水稻的收益都要优于单作,与花生间作的水稻产量最大,为kg?hm?2;大豆/木豆间作的平均产量比单作大豆高60%。
我们的研究结果也表明,在高氮低磷且相对肥沃的土壤上,4年间作玉米的平均籽粒产量比单作玉米增加了43%,间作蚕豆的平均籽粒产量比单作蚕豆增加了26%。在小麦/玉米间作和小麦/大豆间作中,小麦籽粒产量分别增加40%~70%和28%~30%,玉米增产19%~32%,大豆增产0~12%。油菜(Brassicacampestris)/玉米、蚕豆/玉米、鹰嘴豆(Cicerarietinum)/玉米和大豆/玉米间作体系平均总的籽粒产量比相应的单作体系分别提高30.7%、24.4%、44.6%和39.1%。
另外在贫瘠的新开垦土壤上,我们的研究还表明蚕豆/玉米间作接种根瘤菌,间作玉米平均籽粒产量增幅30%~%,间作蚕豆平均籽粒产量增幅0~31%。
2.3
增加农田生产力的稳定性
在理论上,多样性与生态系统稳定性的关系已经争论半个多世纪。
但近年来生态学家通过大量田间原位和室内控制试验提供了大量证据,证明高的多样性提高系统生产力的稳定性。在自然生态系统中研究发现生物多样性与生态系统稳定性有显著的相关性,生物多样性越高,群落中草地生物量的变异系数越小,系统越稳定。无论处于哪个营养级,生物多样性增加系统的时间稳定性,特别是地上部生产力的稳定性。
农田生态系统中,间作提高体系的产量稳定性研究比较少。在印度,对94个高粱/木豆间作试验数据的分析发现,间作体系的产量稳定性高于单作体系,当人为给予胁迫时,单作木豆产量5年内有1年降低,单作高粱产量8年内有1年降低,而间作时的产量36年内仅仅有1年降低。欧洲的小麦/蚕豆间作体系比相应的单作体系产量更为稳定。在加纳木薯(Manihotesculenta)/玉米、木薯/大豆和木薯/豇豆(Vignaunguiculata)等间作中也观察到间作体系的稳定性高于单作作物。在非洲4个不同海拔的地区研究不同种植方式下玉米籽粒产量稳定性时,玉米/多年生作物间作与一年生豆科/玉米间作轮作的玉米籽粒产量变异系数最小,为9%~16%,不施肥的单作玉米为17%~30%。但是这些研究主要