論文標(biāo)題： “作物多樣性與可持續(xù)農(nóng)業(yè)”專題直播問(wèn)答

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

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導(dǎo)語(yǔ)

FASE編輯部有幸邀請(qǐng)到了李隆教授（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)）和Wopke van der Werf副教授（荷蘭瓦格寧根大學(xué)）為期刊組織了“作物多樣性與可持續(xù)農(nóng)業(yè)”專輯，已于今年九月份正式出版（Vol. 8, Iss. 3, 2021）。近期，應(yīng)廣大讀者要求，我們又陸續(xù)邀請(qǐng)相關(guān)作者進(jìn)行文章在線直播講解，讓科學(xué)知識(shí)得到更廣泛地傳播，為讀者提供“面對(duì)面”的交流。直播內(nèi)容后期會(huì)進(jìn)入回放狀態(tài)，讀者可隨時(shí)查看。答疑解惑部分我們將會(huì)整理成文，希望能為讀者提供更好的服務(wù)。

以下為第一場(chǎng)直播問(wèn)答，提問(wèn)者以作者網(wǎng)名形式呈現(xiàn)，回答者為主講人李隆教授。因?yàn)闀r(shí)間原因，有些作者的問(wèn)題沒(méi)有在直播現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行解答，后期我們也邀請(qǐng)了李隆教授進(jìn)行了補(bǔ)充回答。文字整理過(guò)程中難免出現(xiàn)錯(cuò)漏，敬請(qǐng)批評(píng)指正！

文章亮點(diǎn)

• 中國(guó)農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型需要重構(gòu)種植體系。

• 利用作物多樣化提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵。

• 作物多樣化可改善田塊、農(nóng)場(chǎng)和景觀尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

• 種植體系的設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)地域特征與社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求

直播問(wèn)答

1. Feng：不同豆科植物結(jié)瘤固氮的促進(jìn)物質(zhì)是否有差異？玉米根系分泌物中的染料木素是促進(jìn)蠶豆結(jié)瘤固氮提高氮利用率的主要原因，而小麥根系分泌物中沒(méi)有染料木素所以不能促進(jìn)間作系統(tǒng)的氮利用率。那玉米與其他豆科植物如大豆、豇豆間作是否也能夠通過(guò)染料木素起相同的促進(jìn)作用呢？玉米與豆科植物間作是否都會(huì)有類似的效應(yīng)？

答：黃酮類物質(zhì)在共生結(jié)瘤過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。關(guān)于豆科植物根系分泌結(jié)瘤信號(hào)物質(zhì)，國(guó)內(nèi)外大量研究主要集中在大豆、苜蓿和菜豆等作物上，對(duì)蠶豆根分泌黃酮類信號(hào)物質(zhì)的研究很少。豆科作物根系分泌物黃酮類物質(zhì)作為信號(hào)物質(zhì)，具有一定的特異性，不同作物具有不同的信號(hào)物質(zhì)。因此，我們?cè)谔镩g條件下發(fā)現(xiàn)，玉米和大豆間作后，大豆的固氮能力并沒(méi)有像蠶豆和鷹嘴豆那樣顯著提高。我們目前尚沒(méi)有做添加染料木素對(duì)其它豆科作物結(jié)瘤作用的研究，這與前面問(wèn)題類似，即結(jié)瘤固氮的信號(hào)物質(zhì)可能具有特異性。

2. 朱國(guó)?。河袥](méi)有針對(duì)中藥材的相關(guān)研究？

答：我們當(dāng)前主要集中于作物系統(tǒng)范疇的研究，有關(guān)中藥材的相關(guān)研究是個(gè)值得探討的問(wèn)題。我們國(guó)內(nèi)有些單位，比如福建農(nóng)林大學(xué)的林文雄教授團(tuán)隊(duì)在這方面做了一些研究，我讀過(guò)他們發(fā)表在Plant and Soil的研究文章，感興趣可以去關(guān)注。云南農(nóng)大朱有勇院士團(tuán)隊(duì)林下中藥材三七間作生產(chǎn)技術(shù)也做得很好，你可以關(guān)注一下。

3. 今天：李老師，您好！報(bào)告非常精彩，受益匪淺。我有一個(gè)小問(wèn)題想請(qǐng)教您，在干旱區(qū)間作體系如何灌水施肥？比如灌溉和施肥是按照玉米還是小麥來(lái)進(jìn)行？灌水施肥理論依據(jù)是什么？田間如何科學(xué)管理？有間套作種植的學(xué)術(shù)交流群?jiǎn)?？求加入?/p>

答：這也是個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。干旱地區(qū)，尤其是西北綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)都是灌溉農(nóng)業(yè)，沒(méi)有灌溉就沒(méi)有農(nóng)業(yè)。河西走廊、河套平原一帶小麥和玉米間套作（帶田）在上世紀(jì)80–90年代種植面積大，灌溉不區(qū)分具體作物，可以同時(shí)灌溉，且灌水用量相對(duì)較大。因此，像河西走廊這樣缺水的生境條件下，政府不允許進(jìn)行小麥-玉米這樣的間作模式。生產(chǎn)實(shí)踐中常用的施肥方法是分開(kāi)施肥，比如施氮肥，先給小麥?zhǔn)┑?/3，余下2/3氮肥施給玉米條帶。灌水與施肥用量的多少及時(shí)間均是依據(jù)間作中不同作物的生育期長(zhǎng)短及生長(zhǎng)特性所制定的。間作的田間管理要比單作復(fù)雜很多，同時(shí)相應(yīng)的機(jī)械化配套設(shè)備需跟上。我們有個(gè)項(xiàng)目群，但該項(xiàng)目已結(jié)題，新項(xiàng)目尚未啟動(dòng)。你也可以關(guān)注我們的“間套作與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”公眾號(hào)，后面我們可以考慮建立相關(guān)的交流群。

4. 董楠：李老師，間作對(duì)水穩(wěn)性大團(tuán)集體的增加，是短期效應(yīng)（每年都增加）還是長(zhǎng)期效應(yīng)（連續(xù)種植幾年之后才會(huì)增加）？

答：這個(gè)問(wèn)題很好!我們以往在河西走廊一帶的研究表明，這種間作中表層0–20 cm土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體大概4至5年后會(huì)出現(xiàn)大于單作的情況，這兩年我們?cè)跂|北的研究結(jié)果也表明大概到第4年會(huì)出現(xiàn)上面這種現(xiàn)象。但是，其他土壤性狀，比如土壤碳、氮等指標(biāo)的變化相對(duì)比較緩慢。

5. 秘一先-草業(yè)學(xué)院：通過(guò)結(jié)構(gòu)方程模擬出是因?yàn)槟姆N微生物起的作用，但是能說(shuō)明什么呢？怎么應(yīng)用呢？這種菌的功能我們也沒(méi)辦法鑒別，請(qǐng)問(wèn)李老師怎么看這個(gè)事情呢？

答：首先這種結(jié)構(gòu)方程不是模擬，是我們應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜的過(guò)程中，依賴前人的相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)及結(jié)論建立這種模型來(lái)體現(xiàn)每種初始變量，如具有不同肥力的土壤類型，間單作等因素變化對(duì)因變量的貢獻(xiàn)度。我們也做了相關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)變化的研究，比如，在寧夏紅寺堡的試驗(yàn)中，間作種植通過(guò)降低 Nitrospirae 相對(duì)多度增強(qiáng)了對(duì)大團(tuán)聚體形成；在甘肅靖遠(yuǎn)的試驗(yàn)中，間作種植通過(guò)增加土壤中的 AMF 生物量促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成；在甘肅武威的定位試驗(yàn)中，間作種植則通過(guò)增加土壤中的 Sordariales 相對(duì)多度促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，詳情請(qǐng)參閱我們發(fā)表在Plant Soil 上一篇題為“Crop diversity facilitates soil aggregation in relation to soil microbial community composition driven by intercropping”的文章。至于應(yīng)用方面，如何調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)，還需要更多的探索。

6. Cai ZL, NWAFU：李老師你好，想了解一下在設(shè)施環(huán)境或者溫室環(huán)境的蔬菜栽培里使用豆類作物的間作套種這個(gè)目前有所推進(jìn)嗎？雖然溫室土壤中不缺乏氮素，但是的確磷素和鉀素?fù)p失巨大，若是可以了解有茄果類作物和豆科作物在溫室中進(jìn)行套作的研究將會(huì)開(kāi)啟一個(gè)新的角度。

答：是的，這是個(gè)很好的思路。大棚蔬菜間作實(shí)際上已有不少研究，六七年前我在一家書店見(jiàn)到過(guò)一套《蔬菜間作套種新技術(shù)》，有南方版，北方版。說(shuō)明這方面還是有很多成熟的技術(shù)。大棚土壤硝酸鹽的累積，會(huì)導(dǎo)致葉菜類硝酸鹽含量增加，進(jìn)而對(duì)人體健康造成威脅。我們十多年前也做過(guò)玉米與空心菜的間作研究，希望降低空心菜硝酸鹽的含量。研究結(jié)果表明，玉米對(duì)氮素的競(jìng)爭(zhēng)很強(qiáng)，空心菜硝酸鹽的含量確實(shí)大幅下降了，比如空心菜單作硝酸鹽的含量大概3000 ppm, 與玉米間作后降低到約1300 ppm，相關(guān)論文發(fā)表在《環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)》 (王曉麗, 李隆, 江榮風(fēng), 等. 玉米/空心菜間作降低土壤及蔬菜中硝酸鹽含量的研究. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 23(4): 463–467)。

7. 楊歡：李老師，您好，替代式間套作的土地利用強(qiáng)度大還是疊加式間套作呢？

答：你說(shuō)的替代式是英文中“replacement”，添加式是“addition”，對(duì)吧？間套作設(shè)計(jì)有兩種方式：一種是在單作里面空出幾行來(lái)種植其他作物，即替代式；另一種是單作里面直接加行去種其他作物，即添加式。理論上講，添加式競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)分更厲害，對(duì)土地的利用強(qiáng)度更大。但我們沒(méi)有做過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

8. 全志發(fā)：李老師您好！水稻間套作這方面的研究有做嗎？

答：我們沒(méi)有做相關(guān)研究，但我們南方的各位老師均有做，比如華南農(nóng)大的王建武，蔡昆爭(zhēng)、章家恩等教授所在的生態(tài)農(nóng)業(yè)團(tuán)隊(duì)做了很多這方面的研究，例如水稻間作后對(duì)硅的吸收 (如：Ning C, Qu J, He L, et al. Improvement of yield, pest control and Si nutrition of rice by rice-water spinach intercropping. Field Crops Research, 2017, 208: 34–43)，增加抗倒伏能力等方面的研究。

9. 黃山：李老師，您好！請(qǐng)問(wèn)一下美國(guó)和歐洲的農(nóng)業(yè)有什么問(wèn)題？需要增加間套混種模式？能否簡(jiǎn)單介紹一下美國(guó)與歐洲的農(nóng)業(yè)？那6本書是否可以分享，我們也想學(xué)習(xí)一下… …

答：美國(guó)和歐洲農(nóng)業(yè)整體比較先進(jìn)，都是集約化大型農(nóng)業(yè)，對(duì)化肥和農(nóng)藥的依賴性較高，然而這也導(dǎo)致農(nóng)業(yè)可持續(xù)性下降。通過(guò)間套種模式可增加農(nóng)田的生物多樣性也是他們現(xiàn)階段追求的目標(biāo)之一。比如，我們?cè)趫?bào)告中提到的歐洲作物多樣化集群項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目都由多國(guó)聯(lián)合來(lái)做，涉及整個(gè)歐洲；從原理、生產(chǎn)、應(yīng)用等方面展開(kāi)研究，改善供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，目的是改善現(xiàn)有的種植體系，增加作物多樣性，提高農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性。

《生物多樣性大百科全書》我只參與了其中一個(gè)章節(jié)的書寫 (Li L., Zhang L. & Zhang F. Crop mixtures and the mechanisms of overyielding. In: Levin SA (ed) Encyclopedia of biodiversity, vol 2, 2nd ed. Academic, Waltham, 2013，pp 382–395)，因?yàn)榘鏅?quán)等問(wèn)題，我只能分享我自己寫的這個(gè)章節(jié)，重點(diǎn)在于間套作方面增產(chǎn)的機(jī)制與原理，可以分享給感興趣的各位老師和朋友。

10. 高震：不同品種間作有優(yōu)勢(shì)嗎？

答：這個(gè)問(wèn)題很好。生物多樣性有物種多樣性和遺傳多樣性，不同品種的作物間作增加了農(nóng)田的遺傳多樣性。云南農(nóng)大的朱有勇院士20多年前就在做不同品種水稻的間作，比如雜交稻和糯稻的間作。糯稻易感稻瘟病，而雜交稻抗稻瘟病，二者間作后能明顯控制糯稻的稻瘟病，這種間作優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，他們的研究結(jié)果已于2000年發(fā)表在Nature上，題目為“Genetic diversity and disease control in rice”，感興趣的同行可以去查看。但是如果沒(méi)有病害的話，不同作物品種間作則不如不同作物物種間作那樣有優(yōu)勢(shì)，我們的研究發(fā)現(xiàn)一部分品種的玉米間作具有一些產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，但不是所有作物間作組合都具有優(yōu)勢(shì)。但是我們的研究也發(fā)現(xiàn)，品種多樣性可以增加產(chǎn)量的穩(wěn)定性。

11. AI：李老師，您好！請(qǐng)問(wèn)關(guān)于間套作等多樣化種植對(duì)農(nóng)田溫室氣體排放的影響研究有沒(méi)有涉及？關(guān)于多樣化種植對(duì)溫室氣體排放的研究具體有什么建議？

答：這方面的工作我們做得比較少，請(qǐng)大家關(guān)注甘肅農(nóng)大柴強(qiáng)老師團(tuán)隊(duì)的研究，他們?cè)跍厥覛怏w排放、碳足跡等方面做了大量深入的研究，最近他們還在PNAS上發(fā)表了論文 (Chai Q, Nemecek T, Liang C, et al. Integrated farming with intercropping increases food production while reducing environmental footprint. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(38))，感興趣的同行可去下載閱讀。我們的少量研究表明，間作土壤中的碳是增加的，CO2的排放可能會(huì)降低，目前僅為推斷假設(shè)。此外，間作體系對(duì)土壤中氮素的利用是高的，所以氧化亞氮的排放預(yù)測(cè)也是降低的。

12. 馬軍一馬平川：請(qǐng)教一下向日葵間套作有可參考模式嗎？

答：我曾在內(nèi)蒙古自治區(qū)杭景后旗考察時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)赝茝V春小麥和油葵的間作，種植非常規(guī)范，產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。大概是6、8或12行的小麥與2–3行的油葵帶狀間作模式為宜。

13. shaozeqiang：感謝李老師的精彩報(bào)告！研究顯示根系分泌物染料木素促進(jìn)蠶豆固氮，請(qǐng)教李老師，您認(rèn)為促進(jìn)玉米根系染料木素的主要原因是什么?

答：染料木素作為豆科作物結(jié)瘤的一種黃酮類信號(hào)物質(zhì)，可能在根毛變形等結(jié)瘤的初始反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，強(qiáng)化了結(jié)瘤固氮的過(guò)程。我們的間作研究發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液中染料木素的濃度是增加的，但究竟是玉米的存在促進(jìn)了蠶豆分泌物染料木素增加了還是玉米本身分泌物中的染料木素增加了，我們?cè)谘芯恐胁](méi)有對(duì)此進(jìn)行區(qū)分實(shí)驗(yàn)研究，因?yàn)閮煞N作物的根系在營(yíng)養(yǎng)液中共同生長(zhǎng)。有對(duì)這方面感興趣的老師或同學(xué)可以繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)研究。

14. 衛(wèi)得杰：李老師，您好！請(qǐng)問(wèn)同一作物不同品種間作有什么優(yōu)勢(shì)？

答：這個(gè)問(wèn)題的回答請(qǐng)參考前面的第10個(gè)問(wèn)題。需要補(bǔ)充的是，品種之間的間作可能在機(jī)械化方面的障礙要小很多，管理相對(duì)也比較方便一些。

15. 白計(jì)玲：老師您好，請(qǐng)問(wèn)有針對(duì)西北黃土旱區(qū)覆蓋作物和填閑作物的研究嗎？

答：這方面的工作應(yīng)該有，比如西北農(nóng)林科技大學(xué)高亞軍老師做填閑覆蓋作物的研究?？梢躁P(guān)注一下。

16. shaozeqiang：請(qǐng)問(wèn)李老師間作盆栽實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，施肥量是按照哪種作物的需肥量進(jìn)行施用肥料？

答：我們的研究中，兩種作物同樣施肥。這取決于你要研究的科學(xué)問(wèn)題，如果你的研究不考慮肥料這項(xiàng)因素，那就充分滿足，達(dá)到不能減產(chǎn)的程度，大多研究都是按照高需肥量作物來(lái)設(shè)計(jì)的。

17. Feng: 謝謝李老師非常精彩的報(bào)告，既清晰地講解了試驗(yàn)設(shè)計(jì)和過(guò)程，也講清了相關(guān)的結(jié)論和應(yīng)用，更重要的是講清楚了您的研究思路。受益匪淺。還有另外一個(gè)問(wèn)題：間套種尤其是在林下間套中根據(jù)林下光資源特點(diǎn)選擇耐蔭的合適作物是基礎(chǔ)，但選擇間作物時(shí)一個(gè)個(gè)去試驗(yàn)可能效率太低，請(qǐng)問(wèn)間作物選擇時(shí)最重要的考慮因素有哪些？有沒(méi)有比較好的決策工具軟件供參考利用？

答：首先感謝您的肯定，你提的這個(gè)問(wèn)題很有新意。比如大家熟知的云南白藥中的一種中藥材三七，種植時(shí)可選擇與林木間作，達(dá)到合適的光照需求，避免強(qiáng)光對(duì)其造成損害，同時(shí)可以有效減輕三七的連作障礙。感興趣可以關(guān)注朱有勇院士的工作。再如，海南的胡椒樹是當(dāng)?shù)胤浅Ｓ刑厣慕?jīng)濟(jì)樹種，開(kāi)花時(shí)光照過(guò)強(qiáng)，會(huì)影響其結(jié)實(shí)率。當(dāng)?shù)剡x擇檳榔樹與胡椒樹間作，檳榔樹為胡椒樹遮光，增加了胡椒的結(jié)實(shí)率和品質(zhì)。相關(guān)工作可以關(guān)注中國(guó)熱帶農(nóng)科院香料飲料所的工作。

有關(guān)決策的工具軟件，據(jù)我所知，目前還沒(méi)有，期望后續(xù)有人能夠開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件。

18. 野生柳?。豪罾蠋熌?！剛聽(tīng)您介紹的盆栽實(shí)驗(yàn)，在利用同位素標(biāo)記來(lái)研究玉米與豆科間作的氮素轉(zhuǎn)移方面，大田實(shí)驗(yàn)上有沒(méi)有更深入的研究?

答：我們?cè)诖筇镌囼?yàn)中也進(jìn)行過(guò)類似的15N同位素標(biāo)記試驗(yàn)，但是在大田試驗(yàn)中影響因素復(fù)雜，只在玉米/花生間作中檢測(cè)到花生向玉米轉(zhuǎn)移了1.34 g/m2的氮素，占花生體內(nèi)總吸氮量的9.50%。此外，一些田間研究也發(fā)現(xiàn)豆科作物對(duì)其后茬作物的生長(zhǎng)影響較大，感興趣的老師和同學(xué)可以跟進(jìn)研究。

19. 閆世程：今天晚上聽(tīng)了您的報(bào)告，報(bào)告非常精彩，受益匪淺，再次感謝您的分享！您報(bào)告提到的《全球生物多樣性展望》叢書涉及到多樣化種植的章節(jié)的電子版能否分享一下？非常感謝！另外，我還想請(qǐng)教一下李老師，講座中您提到干旱區(qū)間套作種植耗水量大是限制河西地區(qū)小麥玉米間作的因素。如果這個(gè)問(wèn)題解決不了，肯定是整個(gè)干旱區(qū)間作種植發(fā)展的瓶頸。根據(jù)您的多年經(jīng)驗(yàn)是否有解決的辦法或可以實(shí)現(xiàn)降低耗水的途徑？

答：《生物多樣性大百科全書》（第二版）中撰寫的Crop mixtures and the mechanisms of overyielding章節(jié)PDF郵件發(fā)送給您。

關(guān)于您第二個(gè)問(wèn)題，小麥玉米間套作曾經(jīng)在河西走廊種植面積很大，由于河西走廊限水，更多的水分配給民勤，沒(méi)有更多的水灌溉。小麥玉米一般需要灌溉7次水，所以武威等地限制小麥玉米帶田種植。當(dāng)?shù)赝茝V了豌豆和玉米的間套作，種植面積很大，由于這種種植方式只需要灌溉4次，豌豆生長(zhǎng)期不需要灌溉，只在玉米生長(zhǎng)期灌溉4次即可。就是通過(guò)改變作物組合，就可以解決這個(gè)問(wèn)題。可以根據(jù)各地的條件，因地制宜，選擇合適的作物組合。