英文題目：Designing diversified cropping systems in china: theory, approaches and implementation

中文題目：中國多樣化種植體系設(shè)計: 理論、方法與實施

期刊名稱：Frontiers of Agricultural Science and Engineering (FASE)

發(fā)表年份：2021年

第一作者：叢汶峰

通訊作者：張福鎖

作者單位：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教育部植物與土壤互作重點實驗室

編譯者：程嘉莉，叢汶峰

盡管高投入-高產(chǎn)出的集約化農(nóng)業(yè)為滿足糧食安全做出了巨大貢獻，但其所帶來的環(huán)境負面效應(yīng)依然嚴峻。因此，迫切需要發(fā)展一種創(chuàng)新的、高度可持續(xù)、可抵御氣候風(fēng)險的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，以減少不可再生資源的過度消耗和集約化農(nóng)業(yè)的負面環(huán)境影響，同時確保提供足夠的安全和營養(yǎng)的食物以滿足人口快速增長的需要。作物多樣化（如間作）已被廣泛證實可通過利用生態(tài)位分化和物種互作的正效應(yīng)來提高糧食產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率，同時減少環(huán)境影響。因此，可利用作物多樣化而增強生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以實現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)。

2. 作物多樣性的優(yōu)勢

作物多樣化指的是通過間作、輪作和覆蓋作物的方式在農(nóng)田中同時種植多種作物，或在非作物生境中增加樹籬、花帶等。作物多樣化依靠生態(tài)原理，例如物種間的正相互作用來增加作物產(chǎn)量并減少對化學(xué)肥料和農(nóng)藥的依賴。與集約農(nóng)業(yè)相比，作物多樣化可改善田塊、農(nóng)場和景觀尺度上農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

3．多樣化種植體系設(shè)計的框架、原理和方法

3.1 設(shè)計框架

作物多樣化設(shè)計首先需要同時考慮當(dāng)?shù)氐淖匀环A賦與限制因素（包括光、溫度、土壤和水），以及農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的多目標需求（例如，糧食安全、資源節(jié)約、環(huán)境可持續(xù)性和農(nóng)民收入），最后采用自上而下和自下而上的方法相結(jié)合來設(shè)計多目標多樣化種植體系。自上而下的方法主要使用景觀、農(nóng)場、田地和個體尺度的模型工具，結(jié)合本地試驗數(shù)據(jù)以及專家知識與農(nóng)民經(jīng)驗，進行事前和事后評估以及新型體系設(shè)計。自下而上的方法主要基于生態(tài)學(xué)與植物營養(yǎng)學(xué)的知識，例如養(yǎng)分循環(huán)，植物與土壤的相互作用，地上和地下的反饋，種間互補與促進。最終通過模型和生態(tài)學(xué)原理篩選出理論上優(yōu)化的種植體系，將在一個特定地區(qū)實施多樣化種植體系落地示范，以推動中國的農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型（圖1）。

通過有利的作物分配和種植順序（例如，間作、輪作和覆蓋作物）來增加種植系統(tǒng)的時間和空間多樣性，從而應(yīng)用了作物多樣化計劃的生態(tài)學(xué)原理，例如種間的互補性和促進作用以及植物-土壤的反饋。種間的互補和促進作用是在田塊尺度上協(xié)同提高地上和地下資源利用效率的關(guān)鍵原則：有益的作物組合可以利用不同作物的互補效應(yīng)，并采用不同的策略來改善整個多樣化系統(tǒng)的資源。植物-土壤反饋的原理為設(shè)計有益的輪作體系提供了科學(xué)指導(dǎo)，例如輪作可有效地促進養(yǎng)分循環(huán)同時最大程度減少病蟲害。利用景觀調(diào)控保險假說和資源連續(xù)性理論，通過配置農(nóng)業(yè)景觀的組成和異質(zhì)性來設(shè)計多樣化的景觀，以有效地增加生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的存儲，流動和穩(wěn)定性。此外，農(nóng)田附近的花帶、樹籬和其他非作物生境可通過促進生物蟲害控制和昆蟲授粉來提高糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性。

3.3 方法

設(shè)計理想的作物系統(tǒng)需要同時考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的生物物理過程、利益相關(guān)者的目標以及外部因素的影響。作物體系設(shè)計模型可以幫助生成各種可行且多樣化的種植系統(tǒng)和管理計劃（例如輪作和間作），并通過結(jié)合多目標優(yōu)化算法來預(yù)測優(yōu)化的土地利用和農(nóng)業(yè)管理組合（圖2）。作物體系設(shè)計模型可以評估多目標之間的權(quán)衡和協(xié)同作用，設(shè)計結(jié)果可與利益相關(guān)者進行交流和溝通，以評估設(shè)計的可行性。

4. 在中國實施多樣化體系設(shè)計的戰(zhàn)略規(guī)劃

實施作物多樣化的關(guān)鍵是根據(jù)區(qū)域特征（自然資源與限制因素/約束）以及社會和經(jīng)濟需求，針對性地提升和加強生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。在不同區(qū)域，需要將生態(tài)學(xué)原理、土壤-作物系統(tǒng)綜合管理，作物體系模型以及機械化進行全面整合?？傊槍唧w區(qū)域，作物多樣化設(shè)計旨在同時協(xié)同實現(xiàn)安全、營養(yǎng)的糧食生產(chǎn)與環(huán)境保護（圖3）。

5. 案例研究：在華北平原實施作物多樣化的三步走策略

作為我國糧食安全重要保障的華北平原，冬小麥-夏玉米輪作是主要種植體系，但該體系目前仍以高投入-高產(chǎn)出的集約化為特征。因此，該地區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵目標是減少農(nóng)用化學(xué)品的投入并提高資源利用效率，從而在保持高質(zhì)量食品生產(chǎn)的同時提高環(huán)境的可持續(xù)性（圖4）。

第一步：田塊尺度設(shè)計。通過采用間作和套種來優(yōu)化冬小麥-夏玉米輪作體系，進一步減少水與養(yǎng)分的投入，并減少損失。

第二步：田塊尺度設(shè)計。引入長期輪作，以進一步加強養(yǎng)分循環(huán)，增強病蟲害控制，并改善土壤健康。

第三步：景觀尺度設(shè)計。以通過增加生物多樣性（例如花帶）來促進生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，例如授粉和生物蟲害防治?？傮w而言，這三步走策略將共同促進高質(zhì)量糧食生產(chǎn)，環(huán)境可持續(xù)性和提高農(nóng)民收入。 

結(jié)論

實現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型，以滿足糧食安全與環(huán)境安全，需要從根本上將種植體系朝著多樣化種植進行調(diào)整。該文章提出了實現(xiàn)多樣化種植體系轉(zhuǎn)型的理論框架，方法和和實施策略。實施作物多樣化的關(guān)鍵是根據(jù)區(qū)域特征以及社會和經(jīng)濟需求，針對性地加強某些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，借助生態(tài)學(xué)原理、土壤作物系統(tǒng)的綜合管理、作物體系模型和機械化等進行全面整合。作物多樣化的實施將為農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型期的國家樹立榜樣，并為全球可持續(xù)發(fā)展做出樣板。