近日，Nature子刊Nature Sustainability在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院李隆教授課題組以“Long-term increased grain yield and soil fertility from intercropping”（長(zhǎng)期間套作增加糧食產(chǎn)量和土壤肥力）為題的研究論文。

集約化種植體系通常選擇高產(chǎn)品種，實(shí)行單作種植，并大量施用化肥和農(nóng)藥，從而獲得高產(chǎn)，在保障全球糧食安全中做出了重要貢獻(xiàn)。但也一直存在土壤退化，生物多樣性喪失、溫室氣體排放增加，面源污染等一系列環(huán)境問題。

與集約化農(nóng)業(yè)單一種植模式相比，多樣性種植體系可以降低化肥、農(nóng)藥用量，增加產(chǎn)量，已被大量研究所證實(shí)。間套作是在一塊地上同時(shí)種植兩種或者兩種以上作物的農(nóng)業(yè)種植方式，如玉米與小麥、蠶豆、大豆、鷹嘴豆、油菜等間套作是農(nóng)民普遍采用的間套作種植模式（圖1）。過去一系列的研究表明，間套作能在大幅提高作物產(chǎn)量的同時(shí)充分利用地上部的光熱資源和地下部水分養(yǎng)分資源，控制病害等，從而降低化肥和農(nóng)藥的施用量。然而，高產(chǎn)意味著從土壤中每年攜出的養(yǎng)分量大幅度增加，對(duì)土壤的利用強(qiáng)度加大，高產(chǎn)的趨勢(shì)是否能夠長(zhǎng)期維持？特別是土壤肥力如何變化？產(chǎn)量的年際間穩(wěn)定性如何？這些問題都是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題。

圖1 在西北灌區(qū)普遍采用的小麥/玉米（a）、鷹嘴豆/玉米（b）、油菜/玉米（c）、大豆/玉米（d）和蠶豆/玉米（e）間套作模式

為了回答這些問題，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院李隆教授團(tuán)隊(duì)和甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、寧夏農(nóng)林科學(xué)院研究人員合作，在甘肅武威、靖遠(yuǎn)和寧夏紅寺堡三個(gè)地點(diǎn)設(shè)置了四個(gè)不同基礎(chǔ)肥力梯度的間套作定位試驗(yàn)，其中一個(gè)定位試驗(yàn)始于2003年，其余三個(gè)始于2009年（圖2）。

圖2 李隆教授團(tuán)隊(duì)在甘肅武威白云村（Baiyun-1和Baiyun-2），甘肅靖遠(yuǎn)景灘鄉(xiāng)（Jingtan）和寧夏回族自治區(qū)紅寺堡（Hongsibu）的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)航拍圖

通過這些長(zhǎng)達(dá)10年以上的定位試驗(yàn)研究，證實(shí)無論是等量施肥（間作和單作施肥量相同）和優(yōu)化施肥（間作施肥量和玉米相同），間作體系產(chǎn)量高均高于單作，多年多點(diǎn)多作物組合平均，間作產(chǎn)量比單作增加22%（圖3a, b），且具有更大的時(shí)間尺度上的穩(wěn)定性。此外，隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾?，間作的增產(chǎn)效應(yīng)比單作更加明顯（圖3c）。

圖3. 不同作物組合的間作和相對(duì)應(yīng)單作作物在不同施肥水平下的多年多點(diǎn)平均產(chǎn)量比較（a, b），以及間作和單作作物平均產(chǎn)量隨年份的變化趨勢(shì)（c）。藍(lán)色為間作，紅色為單作

更為重要的是，所有試驗(yàn)土壤上的結(jié)果均表明，長(zhǎng)期間套作可以大幅度增加土壤的大顆粒（粒徑大于2 mm）團(tuán)聚體的含量。在部分土壤上還增加土壤有機(jī)質(zhì)和全氮等指標(biāo)。證實(shí)長(zhǎng)期間套作在改善土壤肥力中具有重要作用（圖4）。

圖4 長(zhǎng)期間套作無論是在等量施肥（a）還是優(yōu)化施肥（b）條件下，均顯著增加土壤中大于2mm 粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量

Nature Sustainability 在同日在線發(fā)表了康奈爾大學(xué)Matthew Ryan針對(duì)該研究的觀點(diǎn)文章，認(rèn)為“持續(xù)性和抵御力（resilience）是農(nóng)業(yè)的優(yōu)先選項(xiàng)。整合了4個(gè)田間試驗(yàn)共計(jì)46年的結(jié)果，用令人信服的數(shù)據(jù)，證實(shí)不同作物間作能夠增加產(chǎn)量及其穩(wěn)定性和土壤肥力。”他還認(rèn)為“該研究的獨(dú)特性在于考慮了土壤肥力指標(biāo)變化，并提出間套作產(chǎn)量增加可能部分是由于土壤肥力的增加”。他也認(rèn)為，間套作在現(xiàn)代集約化農(nóng)業(yè)中的作用發(fā)揮不夠，特別是在美國(guó)和西方國(guó)家。如果能夠大面積應(yīng)用，間套作在糧食安全和降低農(nóng)業(yè)的環(huán)境影響方面將有重大積極作用。

該研究工作基于1個(gè)歷時(shí)16年、3個(gè)歷時(shí)10年，設(shè)置在高、中、低肥力土壤上的不同作物間作組合，不同施肥水平的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，先后有多位合作者和研究生參與田間試驗(yàn)管理、數(shù)據(jù)收集和樣品分析。論文共同第一作者為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院已畢業(yè)博士研究生李小飛和王志剛，甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院包興國(guó)、孫建好、楊思存、王成寶、趙建華、車宗賢，寧夏農(nóng)林科學(xué)院王平和桂林國(guó)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的碩博士研究生武進(jìn)普、柳欣茹、田秀麗、王雨、李健鵬、王艷、夏海勇、梅沛沛、王曉鳳、于瑞鵬、青年教師張煒平，美國(guó)蒙大拿大學(xué)Ragan M. Callaway教授和美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校David Tilman教授為共同作者，李隆教授為通訊作者。該研究歷時(shí)10年以上，得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展（973）計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目多年的資助。

李隆教授課題組一直從事間套作體系作物多樣性與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能的研究，在該領(lǐng)域發(fā)表國(guó)際文章70多篇，其中2007和2016年在《美國(guó)科學(xué)院院刊》(PNAS)上分別發(fā)表了間套作體系種間磷素和氮素互惠機(jī)理的研究論文。Nature Sustainability 研究文章是李隆教授課題組在間套作研究領(lǐng)域的又一重要研究進(jìn)展。