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

集約化種植體系通常選擇高產品種，實行單作種植，并大量施用化肥和農藥，從而獲得高產，在保障全球糧食安全中做出了重要貢獻。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。

與集約化農業(yè)單一種植模式相比，多樣性種植體系可以降低化肥、農藥用量，增加產量，已被大量研究所證實。間套作是在一塊地上同時種植兩種或者兩種以上作物的農業(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量的同時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，從而降低化肥和農藥的施用量。然而，高產意味著從土壤中每年攜出的養(yǎng)分量大幅度增加，對土壤的利用強度加大，高產的趨勢是否能夠長期維持？特別是土壤肥力如何變化？產量的年際間穩(wěn)定性如何？這些問題都是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵科學問題。

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，中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院李隆教授團隊和甘肅省農業(yè)科學院、寧夏農林科學院研究人員合作，在甘肅武威、靖遠和寧夏紅寺堡三個地點設置了四個不同基礎肥力梯度的間套作定位試驗，其中一個定位試驗始于2003年，其余三個始于2009年（圖2）。

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

通過這些長達10年以上的定位試驗研究，證實無論是等量施肥（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），間作體系產量高均高于單作，多年多點多作物組合平均，間作產量比單作增加22%（圖3a, b），且具有更大的時間尺度上的穩(wěn)定性。此外，隨著試驗年限的增加，間作的增產效應比單作更加明顯（圖3c）。

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

更為重要的是，所有試驗土壤上的結果均表明，長期間套作可以大幅度增加土壤的大顆粒（粒徑大于2 mm）團聚體的含量。在部分土壤上還增加土壤有機質和全氮等指標。證實長期間套作在改善土壤肥力中具有重要作用（圖4）。

圖4 長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)性團聚體含量

Nature Sustainability 在同日在線發(fā)表了康奈爾大學Matthew Ryan針對該研究的觀點文章，認為“持續(xù)性和抵御力（resilience）是農業(yè)的優(yōu)先選項。整合了4個田間試驗共計46年的結果，用令人信服的數據，證實不同作物間作能夠增加產量及其穩(wěn)定性和土壤肥力。”他還認為“該研究的獨特性在于考慮了土壤肥力指標變化，并提出間套作產量增加可能部分是由于土壤肥力的增加”。他也認為，間套作在現(xiàn)代集約化農業(yè)中的作用發(fā)揮不夠，特別是在美國和西方國家。如果能夠大面積應用，間套作在糧食安全和降低農業(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個歷時16年、3個歷時10年，設置在高、中、低肥力土壤上的不同作物間作組合，不同施肥水平的長期定位試驗，先后有多位合作者和研究生參與田間試驗管理、數據收集和樣品分析。論文共同第一作者為中國農業(yè)大學資環(huán)學院已畢業(yè)博士研究生李小飛和王志剛，甘肅省農業(yè)科學院包興國、孫建好、楊思存、王成寶、趙建華、車宗賢，寧夏農林科學院王平和桂林國，中國農業(yè)大學的碩博士研究生武進普、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，美國蒙大拿大學Ragan M. Callaway教授和美國明尼蘇達大學、加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校David Tilman教授為共同作者，李隆教授為通訊作者。該研究歷時10年以上，得到國家自然科學基金重點項目、面上項目、國家重點基礎研究發(fā)展（973）計劃項目和國家重點研發(fā)計劃等多個項目多年的資助。

李隆教授課題組一直從事間套作體系作物多樣性與農田生態(tài)系統(tǒng)功能的研究，在該領域發(fā)表國際文章70多篇，其中2007和2016年在《美國科學院院刊》(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域的又一重要研究進展。