Crop Diversity and Sustainable Agriculture
Volume8 · Number3 · September 2021
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尽管几种主要作物高产品种大面积集约化种植，对全球粮食供给做出了巨大贡献，但过度使用化肥和农药，过度依赖少量高产品种，种植模式单一，作物种类少，已经造成了诸多负面影响，如水土流失、土壤退化和农业面源污染等[1]。同时，农业生产的扩张似乎已成为全球自然保护和生物多样性的主要威胁。正如“全球生物多样性展望4” [2]预测，到2050年，陆地和淡水生物多样性损失中，由粮食生产和农业相关的驱动因素的贡献将分别占到70%和50%左右[3]。此外，农业的发展和现代化导致人类赖以生存的植物物种总数下降[4]。目前，作为粮食种植的约6000个植物物种中，只有不到200个作物物种对全球粮食产量具有重要贡献，其中9个作物物种占作物总产量的67%。在过去几十年中，全球作物多样性一直在下降。国家尺度上，研究表明，一个国家所用的作物物种数很大程度上决定了这个国家粮食生产的稳定性[5]。在田块尺度上，一组基于长期大田试验的研究表明，作物多样性可提升产量的时间稳定性[6]。因此，在国家和田块尺度上保持作物多样性对于保障国家和全球范围内的粮食安全具有相当重要的意义。在田块尺度上，作物多样性包括时间（作物轮作）和空间多样性（例如，间作、农林复合系统、品种混作和覆盖作物）。与集约化单一作物种植相比，多样化的作物种植系统可以支持多种生态系统功能。例如，作物多样性可增加地上和地下的生物多样性，提高产量稳定性，减少病虫害，减少化学品的使用，提高土地利用率和养分资源的利用效率，并增强农业系统的抗逆能力。为了总结发展中国家和发达国家在作物多样性的研发和利用方面所取得的进展，我们邀请了国内外间套作研究的相关专家撰写文章，在《农业科学和工程前沿》杂志出版一期 “作物多样性与可持续农业”专辑，旨在总结该领域最新研究进展，展望今后研究与应用方面的重点，为农业绿色发展做贡献。间作，即在同一时间，同一地块内种植至少两种作物的种植方式。例如，间作中不同作物以交替行或条带装进行种植，是一种增加田间尺度上作物多样性的有效措施。近几十年来，在作物物种间作研究与实际应用方面取得了一系列进展。本期共邀请到10篇文章，作者来自比利时、中国、丹麦、法国、德国、希腊、意大利、荷兰、西班牙、瑞士、英国及墨西哥等国家。文章类型包括综述（Review）、研究（Research Article）、通讯（Letters）和观点（Opinion）等。论文作者主要是国际上在间套混种领域非常活跃的研究与应用方面的专家。例如，法国国家农科院（INRA）的Antoine Messean博士是欧盟“地平线2020”作物多样化研究项目DiverIMPACTS的主持人，他主持的项目为“通过轮作、间作和多熟制等实现作物多样化，结合价值链及其多方参与者，促进农业可持续发展”，获资助1000多万欧元。法国国际农业发展研究中心（CIRAD）的Eric Justes博士是欧盟“地平线2020”另外一个作物多样性化研究项目 ReMIX“基于作物物种间套作混种重新设计欧洲的种植系统”的主持人。德国卡塞尔大学（University of Kassel）的Maria Finckh教授多年来一直从事作物品种混作和有机农业的相关研究。丹麦罗斯基勒大学（Roskilde University）的Henrik Hauggaard-Nielsen教授是欧洲早期研究作物间作种间相互作用的知名学者，在该领域拥有丰富的专业知识，现在他转向与农民和价值链各部门的合作，使间作的研究成果在实际应用中发挥作用。张立祯教授在间套作光资源截获利用方面也具有重要贡献。除了这些知名科学家外，一些对间作种植研究感兴趣的年轻学者也为本专辑做出了贡献，如丛汶峰、刘屹湘、王旗以及杨浩等人。本专辑第一篇文章是“如何设计作物多样化的种植系统”，张福锁院士团队的丛汶峰和合作者认为有必要基于农业措施与生态原理对现有的作物种植系统进行优化，并加强有针对性的生态系统服务能力，以实现预期目标。此外，设计中还应考虑区域特征，并兼顾粮食安全，品质和环境保护等内容（https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021392）。许多研究都证明了作物多样化种植的优点。丛汶峰和合作者从田间、农场和景观三个尺度上描述了作物多样化种植的优点。杨浩、张炜平和李隆的综述对间作种植的多种生态功能进行了概述。这些结论表明，间作可提高作物生产力和稳定性，促进资源的有效利用，减少化肥投入，控制作物病虫害发生，减少农药的使用。同时，间作可通过在土壤中固持更多的碳进而减缓气候变化，减少农业面源污染，并增加了田块尺度上地上和地下部的生物多样性（https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021398）。Eric Justes 与合作者提出了“4C”原理，以帮助理解物种间的相互作用在间作中所产生的效应（https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021414）。4C分别是竞争（Competition）、互补（Complementarity）、合作（Cooperation）（促进（facilitation））和补偿（Compensation），它们往往同时或者分别在间作系统中发挥作用。借助生态学中的多样性效应概念可以进一步理解种间补偿和选择效应对间作的生产力优势的贡献（https:// doi.org/10.15302/J-FASE-2021398）。Luis Garcia-Barrios 与Yanus A. Dechnik-Vazquez通过详细剖析补偿效应和选择效应，提出了“相对多作物抗性指数”，进一步分析作物多样性系统产量与土地利用效率之间的关系，以及在两种不同水分有效性条件下，作物多样性系统增产的生态机制（https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021412）。Odette D. Weedon 与 Maria R. Finckh发现，在具有三种冬小麦品种的不同的易感病复合作物多样性系统中，对褐锈病以及2011年以来在欧洲流行的条纹锈病具有一定抗性，但其抗病性的强弱因评定标准和有机管理背景而异（https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021394）。比较作物间作和作物单作间的差异，对于正确理解与评价间作优势，以及间作中作物选择、间作设计、间作管理以及与生产实际和气候环境等相关因素之间的相互作用至关重要。Wopke van der Werf 和合作者对间作中的定量评价方法，结合文献数据进行了综合比较（https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021413）。作物的种间相互作用对于间作优势的发挥起到了很大的促进作用，具体可分为地上部和地下部相互作用。其中，地上部相互作用包括作物对光和空间资源的竞争，这主要受作物本身的物种特征的影响。根系分泌物对轮作和间作中物种间的互作起到关键作用。王旗和合作者对玉米/花生间作和相应作物单作的生长阶段的光截获进行了研究，并发现间作中作物的光截获显著高于相应单作。而增加作物的种植密度并没有进一步增加间作系统的光截获（https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021403）。刘屹湘团队发现茴香的根系分泌物（Foeniculum vulgare)）可通过抑制病原体孢子的运动和萌发来减少烟草疫霉对烟草的侵染程度（https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021399）。在间作的应用研究方面，丛汶峰和合作者们针对不同作物多样性模式和作物品种组合，为中国不同地区制定了作物组合的推荐和建议。他们还提出了在华北平原实施作物多样化种植的三个步骤。虽然作物多样化种植有多种好处，但其推广和应用在价值链的各个环节都有技术上、机构上和制度上的障碍，这种情况在欧洲尤为突出。根据欧洲作物多样化集群项目的研究结果，Antoine Messéan和合作者们建议农业食品系统的各个部门之间需要进一步加强协调与合作，并建立多部门合作网络，以实现欧洲农业向生态农业的转型（https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021406）。此外，Henrik Hauggaard-Nielsen和合作者认为，通过举办食物链各个部门的参与式研究的研讨会，建立多部门网络，协调各部分的行动，可以克服作物多样性推广应用的障碍（https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021416）。这些为解决作物多样化实际应用提供了好的思路和途径。间作虽然在劳动密集型农业中非常有效，但在机械化、大规模现代农业中可能难以实施，因为大型的农业装备在种植和收获间作作物有难度[6]。因此，需要开发与之相匹配的机械，以便在大规模农业中实现作物多样性的实际应用。作为该专辑的组稿人，我们感谢所有供稿作者和审稿人对本期“作物多样性与可持续农业”专辑所做出的重要贡献。另外，我们还要特别感谢FASE 编辑团队的大力支持。
1 . Tilman D, Balzer C, Hill J, Befort B L. Global food demand and the sustainable intensification of agriculture. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108(50): 20260-20264
2. Secretariat of the Convention on Biological Diversity. Global Biodiversity Outlook 4. Montréal, 2014, 1-155. ISBN 92-9225539-8
3. FAO. The State of the World’s Biodiversity for Food and Agriculture. In: Bélanger J, Pilling D, eds. FAO Commission on Genetic Resources for Food and Agriculture Assessments. Rome: FAO, 2019, 1-576. ISBN 978-92-5-131270-4
4. Khoury C K, Bjorkman A D, Dempewolf H, Ramirez-Villegas J, Guarino L, Jarvis A, Rieseberg L H, Struik P C. Increasing homogeneity in global food supplies and the implications for food security. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(11): 4001-4006
5. Renard D, Tilman D. National food production stabilized by crop diversity. Nature, 2019, 571(7764): 257-260
6. Li X F, Wang Z G, Bao X G, Sun J H, Yang S C, Wang P, Wang C B, Wu J P, Liu X R, Tian X L, Wang Y, Li J P, Wang Y, Xia H Y, Mei P P, Wang X F, Zhao J H, Yu R P, Zhang W P, Che Z X, Gui L G, Callaway R M, Tilman D, Li L. Long-term increased grain yield and soil fertility from intercropping. Nature Sustainability, 2021. doi: 10.1038/S41893-021-00767-7
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李隆
博士，中国农业大学教授。30多年来，他一直致力于间套作体系作物种间竞争和促进作用研究。重点在间作体系生产力优势、产量稳定性、根系分布、根际过程、土壤磷活化、生物固氮及长期间套作种植条件下土壤肥力变化。他的研究兴趣是将农业间作中的研究结果上升为生态学理论知识。理解农田作物多样性如何增强生态系统服务和农业生态系统中的功能，为发展生态农业提供理论基础。他也致力于将间作的研究成果运用到农民的田间实践中。
博士，瓦格宁根大学副教授。他主要致力于如何将统计学和建模方法与实验相结合，以加深对农业生态系统功能的认识。自上世纪90年代，他的博士生在中国学习如何采用生物学方法控制棉虫对小麦/棉花间作的影响时，他第一次接触到了间作，就对其产生了极大的兴趣。他的理想是发掘间作的在增产和环保方面的潜力，而这种间作优势潜力的挖掘需要深入了解间作中作物间的运作方式和机制，使得间作种植可以在全球不同的生产情况下被广泛应用。
FASE诚挚感谢专辑组稿人，所有作者和审稿人对本专辑的鼎力支持和着重贡献！
