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【专访.李隆】间套作将是发展集约化生态农业的重要措施!
  • 2017-12-19
  • 来源:农业环境科学
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【导读】如何增加农田生态系统的生物多样性?如何高效利用包括土地和养分在内的有限资源?...合理的间套作蕴含了丰富的生态学原理。今天专访-李隆:中国农业大学资源与环境学院教授、博士生导师。

今天专访 — 李隆

 

李隆:中国农业大学资源与环境学院 生态科学与工程系教授、博士生导师,中国生态学会农业生态专业委员会委员兼秘书长。

 

观  点

 

如何将间套作融入到现代集约化的农业生产体系中,特别是如何在粮食主产区现代化大农业中发挥重要作用?我认为有两个关键问题需要解决。

 

一是科学技术的知识储备,合理的间套作蕴含了丰富的生态学原理,我们需要将这些科学原理挖掘出来,丰富生态学理论,同时根据不同生态区域的具体条件进行种植模式的创新和生产过程全程配套机械的研发,做到农艺措施和农机的完全配套。

 

二是需要管理部门在思想上给予这一种种植模式充分的重视,充分认识到它的重要生态功能,在政策和导向上给予支持。

 

——李隆

 

访  谈

 

▼ 问:老师,您好!1987年您参与甘肃省科技攻关项目“甘肃省灌区粮食作物模式化栽培研究与应用”,由此开始了您对间套作的研究直到现在?那么您提到-合理的间套作必定蕴含着丰富的生态学原理,您相信这一传统模式将是发展集约化生态农业的重要措施, 并在现代农业中发挥越来越重要的作用?这也是您多年来一直研究间套作的原因?

 

李隆:是的。对间作套种的研究,我们已经坚持了30多年。合适的作物组合,通过各种生态学原理强化农田生态系统服务功能。我们研究间套作的目的,就是希望将其中的生态学原理挖掘和凝练出来,同时它也会促进发展集约化生态农业。

 

间套作实际上是间作和套种的总称。间作是指同一地块上,于同一生长期内,分行或分带相间种植两种或者两种以上作物的种植方式。套作是指在前作物生长后期的株行间,播种或者移栽后季作物的种植方式。两种种植方式都有两作物的共生期,所不同的是共生期的长短不同。间作套种是我国传统农业的精髓,由于至少两种作物同时生长在同一地块,因此能够有效地增加农田生态系统的生物多样性。

 

间套作和单作最大的不同就是同一时间内同一地块儿具有两种或者两种以上作物。因此,间套作和单作体系的最大不同也是间套作体系具有作物之间的种间竞争和种间促进作用,而单作体系只有种内个体之间的互作。这种种间的相互作用包括地上部和地下部。而高产和资源高效利用的关键,就在于如何协调这些作物之间的相互关系,也就是如何做到“合理”的间套作。

 

▼ 问:获得的是什么样的认识和理解呢?您说,在研究过程中,发现用生态学的理论来理解间套作体系,为发展可持续的绿色农业种植体系可以提供一些理论依据。同时,间套作体系的研究结果也为生态学增添了一些新的知识?

 

李隆是的。最初,我们想用生物多样性研究领域国际上最新进展和理论来指导我们的间套作研究,以作物种间相互作用为切入点,认识和理解间套作增产和养分资源高效利用的生态过程和机制。因此,我们课题组起名为“生物多样性与资源利用”。随着研究的不断深入,发现我们的研究结果不仅对于认识农业间套作体系生态过程具有一定的理解,而且对于生物多样性科学植物物种共存和种间相互作用也具有借鉴意义,也是生态学家感兴趣的。

 

绿色农业发展的关键在于资源节约、环境友好、生态保育和好的产品质量。间套作是一个典型的绿色农业种植体系。以氮素利用为例,合适的间作作物组合,大幅度提高产量的同时,由于两种作物对氮素需求的时间(不同时期)和空间上(深层和浅层)分异,相对于单作体系中作物个体氮素需求进程基本相同的特点,间套作两作物在时间和空间上互补利用土壤和肥料中的氮素,降低土壤中氮素残留的同时,还能提高对土壤和肥料氮素的利用率。

如果是豆科和禾本科作物的间作,合适的组合,除了上述的互补作用外,还可以发挥其生物固氮的潜力,进一步降低氮肥用量,我们在甘肃的研究表明,蚕豆/玉米间作可以节约至少每公顷50公斤氮肥。此外,间作套种还能够充分挖掘利用土壤中难溶性磷素,提高磷肥的回收率。

因此,间套作不仅高效地利用了资源,更重要的是降低了氮素面源污染的风险,环境更为友好。在更长的时间尺度上,间套作还能够增加水稳性团聚体的含量,增加土壤有机质和酶活性等,从而提高土壤肥力。这些结果为间套作作为绿色农业的种植模式提供了理论依据。

在自然生态系统,生物多样性增加生态系统生产力,生态学家认为植物种间促进作用(正的相互作用)可能是一个重要的机制。但是有关植物种间促进作用的机理过程并不是很清楚。我们在蚕豆/玉米间作中发现,蚕豆能够从土壤中将难溶性磷活化为可溶性磷,并帮助玉米吸收磷,从而促进了玉米的生长,对于蚕豆玉米的种间促进作用提供了机理解释。对于生态学研究领域植物多样性提高生产力的理论解释提供了证据。

▼ 问:2017年5月欧盟启动了由法国农业科学研究院(INRA)牵头组织欧盟13个国家参与的一个大的研究与应用项目,叫“基于间套混作重新设计欧洲的农作系统(Redesigning European cropping systems based on species mixtures)”,这在说明发达国家也已经认识到间套作在发展可持续生态农业中的重要性?那么结合我们国家当前农业环境现状,您觉得对间套作的研究方向或者说研究重点应该在哪儿呢?

李隆今年欧盟启动了由法国农业科学研究院(INRA)牵头组织欧盟13个国家参与的一个大的研究与应用项目—“基于间套混作重新设计欧洲的农作系统(Redesigning European cropping systems based on species mixtures)”,主要针对欧洲农作生产体系过于单一、过于依赖化学肥料和农药等外部投入的实际问题,利用间套作的科学原理设计更多样化、更有弹性的生态农业种植体系。说明发达国家也已认识到间套作在发展可持续生态农业中的重要性。

那么我们国家在农业生产越来越集约化的背景下,农田生态系统中作物物种趋向越来越严重的单一化,现代农业生产也追求整齐划一,造成了很多问题,诸如病虫害泛滥、连作障碍、农药用量越来越多;土壤肥力下降,化肥用量越来越多,由此还造成农业面源污染等问题。如何在不降低粮食产量的同时增加农田生态系统的生物多样性?做到用地和养地相结合?如何高效利用包括土地和养分在内的有限的资源?都是众所关注的重要问题。过去大量的研究已经表明间套作能够在一定程度上解决部分问题,因此间套作需要进一步的研究和发扬光大。

今后的研究重点可以划分为两类,一类为应用基础研究,另一类为应用研究。这里我主要谈谈间套作的应用研究,我觉得主要有如下几个方面:(1)在不降低主要粮食作物产量的前提下研究如何将豆科作物纳入主要种植体系,充分发挥豆科作物生物固氮的和培肥土壤的潜力,实现绿色作物生产。(2)不同生态区间套作作物组合配置、及其适应品种的筛选和选育。(3)间套作的农艺措施全程机械化配套机械的研发,包括播种、施肥、除草和收获等生产环节的农业机械。(4)利用禾本科和豆科作物的间、套、混作发展饲草生产,提高饲草产量和品质等;(5)利用间套作控制作物病虫害;(6)利用间套作缓解连作障碍等。

▼ 问:多年来对间套作不间断的科学研究,您和团队对间套作也有着新的发现?对于您刚才提到的如何在不降低粮食产量的同时增加农田生态系统的生物多样性?如何做到用地和养地相结合?如何高效利用包括土地和养分在内的有限的资源?这些备受关注的问题,在我们研究间套作的过程中,或者利用间套作已经解决了哪些问题呢?

李隆:要解决这些问题,有一个大的前提就是必须要将间套作与现代集约化农业发展结合起来进行。那么在我们研究间套作的进展中,在一定程度上解决了实现氮磷养分资源高效利用的作物物种种间合理搭配的一般性原则。有关间套作用地和养地结合、以及是否增加土壤肥力和土壤生物多样性的问题也取得了一些进展,但有待于我们进一步归纳总结。

 

具体我们在研究中,在植物种间互惠或者说促进作用方面取得了一些进展。主要有三点。(1)作物种间磷吸收的促进作用。磷在土壤中大多是以难溶性形态存在的,不同的植物物种对这些难溶性土壤磷获取能力不同。我们的研究表明,蚕豆是一种活化利用土壤难溶性磷能力很强的作物,而玉米的这种能力相对较弱,当两种作物间作到一起时,蚕豆促进了玉米的磷吸收,主要的原因是蚕豆根系能够分泌质子和低分子量有机酸,活化土壤中难溶性磷,帮助玉米吸收磷。(2)豆科/禾本科间作体系氮素高效利用的机制。现代集约化农业大量氮肥施用,抑制了豆科作物生物固氮的潜力,称之为“氮阻遏”。合适的间套作能够强化豆科作物的生物固氮,主要是相邻的禾本科植物竞争吸收土壤中的氮素,缓解这种 “氮阻遏”。我们近年来的研究还表明,玉米的根分泌物中的某些关键成分,对于蚕豆的结瘤固氮具有很好的促进作用。(3)发现作物种间相互作用与根系分布密切相关,作物地上部的对称性种间促进作用主要是由于间作的两种作物根系分布具有兼容性,而地上部竞争是由于作物根系间不兼容。

图片:小麦/玉米/蚕豆间作。当玉米相邻小麦时,生长受到了抑制;而当玉米以蚕豆相邻的时候,玉米的生长受到了促进。

▼ 问:您在文章中提到,经历了2千多年, 间套作从过去的低投入低产出, 演变为高投入高产出的现代农业模式, 显然间套作需要与现代农业有一个很好的结合。那么您认为当前如何将间套作融入到现代农业生产体系中呢?

李隆我们国家现代农业中间套作种植的模式和分布具有多样性。通过中文数据库(万方数据库)的检索, 我们对中文期刊发表的相关间作套种的种类分省进行了统计, 发现间作套种遍布我国每一个省份和地区(缺台湾、港澳等地区数据)。全国间套作种类有200多种,总的特点是东部间套作种类多于西部, 南方高于北方。但目前我国还没有有关间作套种种植面积的官方统计数据。

 

那么如何将间套作融入到现代农业生产体系中,特别是如何在粮食主产区现代化大农业中发挥重要作用?我认为有两个关键问题需要解决。一是科学技术的知识储备,合理的间套作蕴含了丰富的生态学原理,我们需要将这些科学原理挖掘出来,丰富生态学理论,同时根据不同生态区域的具体条件进行种植模式的创新和生产过程全程配套机械的研发,做到农艺措施和农机的完全配套。二是需要我们在思想上给予这一种种植模式充分的重视,充分认识到它的重要生态功能。无论是管理部门,还是农业技术部门如果都能够充分认识到间套作在增加作物产量、高效利用资源、降低化肥农药用量和培肥土壤方面的重要功能,为农民采用间套作种植模式提供各种政策上和技术上的支持,可能间套作研究与推广应用就有一个大的发展,就能在现代化大农业中发挥更重要的作用了。

▼ 问:您提到,间套作中作物组合和适当的品种选择是间套作成功的关键, 但这方面受到的关注比较小?同时间套作大面积的应用,您也多次提出需要发展相关的配套机械?

李隆应该说这是目前应用方面急需要解决的问题。合适的作物种或者品种的组合可以强化作物之间正的种间相互作用, 降低作物之间的竞争作用, 从而提高生产力。例如,蚕豆比较耐遮阴,能够活化磷、还具有生物固氮特性,和玉米间作后二者都获利,是一个互利互惠的体系。因此, 通过育种使作物具有某些有利于种间促进, 降低竞争的作物特性, 则是一个值得重视的问题。可以通过定向育种培育适宜的作物生育期, 根系大小和深浅,作物地上部高度及对遮光是否敏感等来实现。

 

除此之外,间套作大面积的应用还需要发展相关的配套机械,才能大面积推广应用。近年来四川农业大学杨文钰教授团队在玉米/大豆间作的机械化播种和收获方面取得了进展,为间套作大面积推广提供了经验。

▼ 问:在间套作推广应用过程中,大家也提出了疑问,有研究表明, 间套作增加作物产量的同时, 从土壤中移出大量的氮磷钾和微量元素。那么养分的大量移出, 是否会导致土壤肥力的退化? 这些直接关系到了我们多样性种植与农业的可持续发展 ?

 

李隆其实间套作高产的同时, 作物通过根系向地下部的输入的有机物质也会相应增加, 由于地上部植物多样性产生的地下部土壤生物多样性, 也可能对土壤肥力具有正的反馈作用,特别是将公认的养地的作物-豆科作物纳入种植体系,对培肥地力,降低土传病害,具有重要意义,也是值得研究的科学问题, 并且与农业可持续发展密切相关。

我们在西北地区灌溉土壤上持续进行10多年的几个长期间套作定位田间试验,初步表明间套作相对于单作会提高土壤的肥力,包括土壤的物理性状,化学性质和酶的活性等。

▼ 问:未来对间套作的研究,您科研关注重点会在哪里? 

李隆我们的研究未来几年主要是关注两个方面的问题:一是长期间套作的可持续性问题。具体来说,间套作条件下农田生态系统生产力长期变化的趋势和稳定性如何?长期间套作条件下土壤肥力怎样变化?以及这些变化的机制是什么? 2014年我们有幸得到了国家自然科学基金重点项目的资助,将与甘肃农业科学院和宁夏农林科学院同事一起,以甘肃和宁夏灌区已经设置4个相对比较长(9-15年)的田间定位试验为依托,回答问题。

二是如何在我国的粮食主产区发挥豆科/禾本科间套作的优势,实现玉米生产的绿色发展。也就是说,如何在不减产的前提下,高效利用土壤和肥料中的养分,最大限度发挥豆科作物生物固氮潜力,实现化肥农药双减,改善土壤肥力和农田生物多样性?在2016年启动的国家重点研发专项“粮丰工程项目”的资助下,我们联合东北农业大学、吉林大学、辽宁农科院、山东农科院作物所、河南科技学院和四川农业大学,正在进行从东北到西南不同生态区域豆科/玉米间作的田间试验,分别在哈尔滨阿城、吉林长春、吉林梨树、辽宁阜新、山东济南、河南新乡和四川仁寿7个试验点进行田间试验,旨在为北方粮食主产区间套作应用提供一些科学和技术的储备。

图片:李隆团队—2017年在吉林梨树-中国农业大学梨树试验站进行的玉米/花生和玉米/大豆间作田间试验。是7个田间试验点中其中的一个。

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李隆课题组

 

课题组名称:生物多样性与资源利用。课题组研究方向:从事间套作体系资源高效利用的机制及长期效应的研究工作。

 

 

 

课题组负责人李隆先后主持6项国家自然科学基金资助项目,先后参与和主持国家重大基础研究(973)项目课题和国家科技支撑计划项目课题等7项国家级课题,曾主持中德和欧盟等国际合作项目,曾任联合国粮农组织农业生态顾问。现主持国家自然科学基金重点项目1项和国家重点研发专项课题1项,兼任中国生态学会农业生态专业委员会委员(兼秘书长)。

 

李隆出版专著《间套作体系豆科作物固氮生态学原理与应用》,发表文章150多篇,其中在《美国科学院院刊》(PNAS),Field Crops Research, Plant and Soil, New Phytologist, Oecologia, Annals of Botany, Agriculture, Ecosystems and Environment 等SCI刊物上发表间套作提高土壤养分资源利用效率研究和综述文章50多篇。应邀在2013年出版的《Encyclopedia of Biodiversity (2nd edition)》撰写一章专门介绍作物间套作及其增产的机制。文章被国际引用1800多次(Web of Science Core Collection)。先后获得省部级奖励6项。2017年获国家科技进步二等奖(排名第4)。

 

图片:李隆团队在甘肃武威进行的一个长期定位试验。团队成员与合作者合影。田间试验始于2003年,设置了小麦/蚕豆,小麦玉米和玉米蚕豆的间作,轮作和连作等处理。

 

图片:李隆团队在甘肃靖远的田间试验,团队成员与合作者合影。该试验始于2009年,处理包括蚕豆、大豆、鹰嘴豆和油菜等作物与玉米的间作,以及相应的作物单作。

 

以上访谈感谢 李隆老师!!

 

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