间套作种植提升农田生态系统服务功能

　　摘要:间套作是指在同一块土地上同时种植两种或两种以上的作物，能够充分利用有限资源，提升单位面积物质产出，同时还具有多重其他生态效益，是一种基于生物多样性的可持续农业发展范式。生态系统服务是评价生态系统功能的重要突破口，也是当前生态学领域研究的热点问题。从生态系统服务的角度论述间套作种植提升农田生态系统服务功能，并从物质产出、土壤肥力维持、生物多样性保护、水土保持、病虫草害和有害污染物控制等方面论述了间套作种植提升农田生态系统功能的实践及机制。在此基础上，构建了间套作农田生态系统服务功能评价的理论框架和指标体系，并提出了间套作种植农田生态系统未来应加强的研究方向。

　　关键词:间套作;农田;生态系统服务;物质生产;生物多样性;水土保持;有害物控制;土壤肥力

　　农田生态系统是在人类干预和控制下形成的人工生态系统，具有多种经济、社会和生态功能［1，2］。农业的集约化、单一化种植，虽然显著提升了我国粮食产量，并创造了利用世界5%的土地养活世界22%人口的奇迹，却严重制约了农田其他重要生态服务功能的发挥［3-5］。在全球环境变化的大背景下，提升农田生态系统服务功能，探索低投入、高能效利用和能够自我维持的可持续农业发展模式倍受关注［6-7］。间套作是指在同一块土地上同时种植两种或两种以上作物的一种种植模式。据统计，全球间套作农田面积在1×109hm2以上，约占耕地面积的3%［8-9］，在没有扩大土地面积的前提下提高了粮食产量，为解决世界人口的温饱问题做出了重要贡献。常见的间套作模式主要包括带状间作和套作两种，其中，带状间作是指在同一块田地上的不同行，同时种植两种或两种以上的作物，该模式能够充分地利用有限的土地资源［8］;而套作则是指当一种作物生长到一定阶段(通常是快要成熟时) ，在其行间播种另一种或几种作物，从而能够充分利用光热资源，增加复种指数，提高粮产量［9］。

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　　1.提升农田生态系统物质产品产出

　　很多研究表明，与单一种植农田相比，间套种植模式下，通过共生作物在时间和空间上的合理搭配，农田生态系统能有效提高资源利用率和单位面积粮食产出［16，20-23］。据报道，与玉米单一种植相比，玉米和大豆间套作可以提高光能的截获，降低水分的蒸发，保持土壤含水量［23］，同时，通过调节大豆的密度和布局，还能够增加玉米的 产 量［24］。如Li等 研 究 发 现，玉米与蚕豆或小麦间作，增施有限的磷肥即可促进玉米增产25%—40%［8］。

　　2.改善农田生态系统环境条件

　　许多研究表明，间套作种植在改善农田生态系统环境方面具有重要的意义，主要表现为:通过提高养分的利用效率和改善土壤质地，减少化学肥料投入;通过减少病虫草害的发生，降低除草剂、杀虫剂和杀菌剂的应用;此外，间套作种植还能够在控制有害重金属和有机污染物方面发挥重要作用。

　　2．1维持土壤肥力，提高养分利用效率

　　间套作种植能够提高作物对养分的吸收和利用效率。小麦与玉米间套种植可提高小麦对N、P和K的吸收和利用，从而可使小麦产量提升40%—70%［43］。间套作种植提高养分吸收利用率主要表现在以下几个方面:1)改善农田土壤物理性状，促进植物根系发育，如Latif等对豆科植物和玉米间套作的研究表明，豆科植物的引入能够降低土壤容重和通透阻力，促进间套作系统根系的生长发育［28］。2)改善土壤化学性质［44］，提高微生物活性和土壤有效氮含量［45］，改变农田生态系统土壤的N、P等营养元素在土壤中的转化和转移［43，46-47］，从而提高肥料的吸收和利用效率。3)豆类植物根系分泌物还可以酸化根际土壤，促进难溶性土壤磷的活化及玉米对磷的吸收利用［8］。4)间套作农田土壤氮素的淋溶和挥发等流失会适当的降低［43，48］，这也能够使土壤系统内更多的氮素被有效利用。5)豆科植物与固氮微生物形成根瘤共生体进行固氮作用也能够有效提高系统内的氮素含量［45］。

　　2．2减轻杂草和病虫害发生

　　间套作种植能够有效降低农田生态系统病虫草害的发生。农田生物多样性的增加，有利于生态系统的稳定性，通过系统内生物间的相互作用，使严重病虫草害爆发的可能性明显降低［4］。有研究表明，间套作农田里具有数量较高的害虫天敌，能够有效的控制害虫的数量及其对作物的危害，从而减少杀虫剂的使用［9］。如Risch对已发表的150篇大田实验结果进行总结发现，所涉及到的198种作物害虫丰富度在间套作系统的表现为:其中的53%下降，18%呈上升趋势，9%无显著变化，20%表现为不确定［49］。间套作对害虫的控制机制主要表现在两个方面(图2) :首先，间套作改变了寄主植物的邻居和小气候环境，如间套作系统内部温度降低、湿度增大、光照下降将直接影响到害虫的生长发育［50］。再者，间套作增加了害虫的天敌数量，如大豆、豌豆和豇豆等豆类与玉米间作套种能够显著降低花蓟马、黑蚜、白蚁等害虫的密度及其对豆类及玉米的危害，这主要就是由间套作增加了害虫的天敌数量所引起［51］。

　　3.提高农田生态系统服务

　　水土保持和生物多样性保护是生态系统服务功能发挥的重要表现，研究表明，间套作种植可通过扩大农田地表植被覆盖和土壤根系分布减少农田水土流失的发生，可通过作物多样性的提高营造适宜更多昆虫和土壤生物生活的生境，从而保护更多的生物多样性。

　　3．1水土保持服务功能提升

　　水土流失包括水蚀和风蚀，是指在水、重力、风等外力作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失［67］。农田生态系统是水土流失最为严重的生态系统类型。据统计，全球每年约有7．5×1011t肥沃土壤从农田生态系统流失［68］。因此，如何降低农田(特别是丘陵旱地)土壤侵蚀是农业发展面临的最为关键的环境问题之一，也是当前农业可持续发展面临的巨大挑战。

　　3．2生物多样性保护加强

　　生物多样性是指生命有机体及其借以生存的生态复合体的多样性和变异性，主要包括:遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性［75］。农田生态系统作为人类干扰最为严重的生态系统类型，其生物多样性主要表现为种植作物及多种动物、植物和微生物的多样性［76］。在过去的几十年里，世界范围内的生物多样性丧失呈现出空前水平，农业活动是造成生物多样性丧失的一个重要驱动因素［6，77］，如何通过栽培措施保持农田生态系统生物多样性面临着巨大的挑战［76］。

　　4农田生态系统多服务功能的间套作评价理论框架及指标

　　4．1理论框架的构建

　　在综述间套作对农田生态系统服务功能的提升和贡献的基础上，构建了农田生态系统多服务功能的间套作评价指标体系及理论框架。生态系统服务功能评价指标主要涉及物质生产、土壤肥力维持、病虫害控制、生物多样性保护、水土保持和有害污染物控制等6个。对间套作农田生态系统进行多服务功能评价时，首先将单作时的各个生态系统服务功能都标准化为100%，与之相比，间套作时的生态系统服务功或高于100%或低于100%(图3)。

　　4．2间套作农田生态系统服务功能的量化与标准化

　　参考土地当量比的方法，设计了各个生态系统服务功能在间套作和单作间的比较方法。具体量化方法为:(1)物质生产功能的量化值以土地当量比(LER)进 行表示［10］; (2)土壤肥力维持和生物多样性保护功能的量化值分别以间套作土壤可利用营养元素含量和农田生物多样性指数与相应作物净作土壤的可利用营养元素和生物多样性指数比值的平均值表示［45，78］。

　　结束语

　　研究表明，到2030年我国人口将达到16亿，这意味着我国粮食年增长率要稳定在580Mt左右［5］，才能满足和人民的需求。然而在全球气候变化［83］、土地、水、营养等资源匮乏［6］、环境污染加剧［3］的影响下，粮食增产将面临着巨大的挑战［7］。如何在这种形式下，提高农业资源利用率和土地产出率实现粮食增产，是科学家和政府共同关注的焦点问题。间套作农田生态系统不但具有为人类的生存与发展提供坚实物质基础和食物保障的产品服务功能，还具有巨大的环境服务功能价值和生态安全价值［1］，能够在解决世界粮食安全和农业可持续发展等方面做出一定的贡献。

　　References:

　　［1］PowerAG．Ecosystemservicesandagriculture:tradeoffsandsynergies．PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyB:BiologicalSciences，2010，365(1554) :2959-2971．

　　［2］SwintonSM，LupiaF，RobertsonGP，HamiltonSK．Ecosystemservicesandagriculture:cultivatingagriculturalecosystemsfordiversebenefits．EcologicalEconomics，2007，64(2) :245-252．

　　［3］GuoJH，LiuXJ，ZhangY，ShenJL，HanWX，ZhangWF，ChristieP，GouldingKWT，VitousekPM，ZhangFS．SignificantacidificationinmajorChinesecroplands．Science，2010，327(5968) :1008-1010．

　　苏本营1，陈圣宾2，李永庚3，杨文钰1，*

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