摘要:間套作是指在同一塊土地上同時(shí)種植兩種或兩種以上的作物，能夠充分利用有限資源，提升單位面積物質(zhì)產(chǎn)出，同時(shí)還具有多重其他生態(tài)效益，是一種基于生物多樣性的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展范式。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)功能的重要突破口，也是當(dāng)前生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的角度論述間套作種植提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，并從物質(zhì)產(chǎn)出、土壤肥力維持、生物多樣性保護(hù)、水土保持、病蟲(chóng)草害和有害污染物控制等方面論述了間套作種植提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能的實(shí)踐及機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了間套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)的理論框架和指標(biāo)體系，并提出了間套作種植農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)的研究方向。

　　關(guān)鍵詞:間套作;農(nóng)田;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù);物質(zhì)生產(chǎn);生物多樣性;水土保持;有害物控制;土壤肥力

　　農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是在人類(lèi)干預(yù)和控制下形成的人工生態(tài)系統(tǒng)，具有多種經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)功能［1，2］。農(nóng)業(yè)的集約化、單一化種植，雖然顯著提升了我國(guó)糧食產(chǎn)量，并創(chuàng)造了利用世界5%的土地養(yǎng)活世界22%人口的奇跡，卻嚴(yán)重制約了農(nóng)田其他重要生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮［3-5］。在全球環(huán)境變化的大背景下，提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，探索低投入、高能效利用和能夠自我維持的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式倍受關(guān)注［6-7］。間套作是指在同一塊土地上同時(shí)種植兩種或兩種以上作物的一種種植模式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球間套作農(nóng)田面積在1×109hm2以上，約占耕地面積的3%［8-9］，在沒(méi)有擴(kuò)大土地面積的前提下提高了糧食產(chǎn)量，為解決世界人口的溫飽問(wèn)題做出了重要貢獻(xiàn)。常見(jiàn)的間套作模式主要包括帶狀間作和套作兩種，其中，帶狀間作是指在同一塊田地上的不同行，同時(shí)種植兩種或兩種以上的作物，該模式能夠充分地利用有限的土地資源［8］;而套作則是指當(dāng)一種作物生長(zhǎng)到一定階段(通常是快要成熟時(shí)) ，在其行間播種另一種或幾種作物，從而能夠充分利用光熱資源，增加復(fù)種指數(shù)，提高糧產(chǎn)量［9］。

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　　1.提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)產(chǎn)品產(chǎn)出

　　很多研究表明，與單一種植農(nóng)田相比，間套種植模式下，通過(guò)共生作物在時(shí)間和空間上的合理搭配，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能有效提高資源利用率和單位面積糧食產(chǎn)出［16，20-23］。據(jù)報(bào)道，與玉米單一種植相比，玉米和大豆間套作可以提高光能的截獲，降低水分的蒸發(fā)，保持土壤含水量［23］，同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)大豆的密度和布局，還能夠增加玉米的 產(chǎn) 量［24］。如Li等 研 究 發(fā) 現(xiàn)，玉米與蠶豆或小麥間作，增施有限的磷肥即可促進(jìn)玉米增產(chǎn)25%—40%［8］。

　　2.改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境條件

　　許多研究表明，間套作種植在改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境方面具有重要的意義，主要表現(xiàn)為:通過(guò)提高養(yǎng)分的利用效率和改善土壤質(zhì)地，減少化學(xué)肥料投入;通過(guò)減少病蟲(chóng)草害的發(fā)生，降低除草劑、殺蟲(chóng)劑和殺菌劑的應(yīng)用;此外，間套作種植還能夠在控制有害重金屬和有機(jī)污染物方面發(fā)揮重要作用。

　　2．1維持土壤肥力，提高養(yǎng)分利用效率

　　間套作種植能夠提高作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用效率。小麥與玉米間套種植可提高小麥對(duì)N、P和K的吸收和利用，從而可使小麥產(chǎn)量提升40%—70%［43］。間套作種植提高養(yǎng)分吸收利用率主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)改善農(nóng)田土壤物理性狀，促進(jìn)植物根系發(fā)育，如Latif等對(duì)豆科植物和玉米間套作的研究表明，豆科植物的引入能夠降低土壤容重和通透阻力，促進(jìn)間套作系統(tǒng)根系的生長(zhǎng)發(fā)育［28］。2)改善土壤化學(xué)性質(zhì)［44］，提高微生物活性和土壤有效氮含量［45］，改變農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤的N、P等營(yíng)養(yǎng)元素在土壤中的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移［43，46-47］，從而提高肥料的吸收和利用效率。3)豆類(lèi)植物根系分泌物還可以酸化根際土壤，促進(jìn)難溶性土壤磷的活化及玉米對(duì)磷的吸收利用［8］。4)間套作農(nóng)田土壤氮素的淋溶和揮發(fā)等流失會(huì)適當(dāng)?shù)慕档停?3，48］，這也能夠使土壤系統(tǒng)內(nèi)更多的氮素被有效利用。5)豆科植物與固氮微生物形成根瘤共生體進(jìn)行固氮作用也能夠有效提高系統(tǒng)內(nèi)的氮素含量［45］。

　　2．2減輕雜草和病蟲(chóng)害發(fā)生

　　間套作種植能夠有效降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)病蟲(chóng)草害的發(fā)生。農(nóng)田生物多樣性的增加，有利于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)生物間的相互作用，使嚴(yán)重病蟲(chóng)草害爆發(fā)的可能性明顯降低［4］。有研究表明，間套作農(nóng)田里具有數(shù)量較高的害蟲(chóng)天敵，能夠有效的控制害蟲(chóng)的數(shù)量及其對(duì)作物的危害，從而減少殺蟲(chóng)劑的使用［9］。如Risch對(duì)已發(fā)表的150篇大田實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，所涉及到的198種作物害蟲(chóng)豐富度在間套作系統(tǒng)的表現(xiàn)為:其中的53%下降，18%呈上升趨勢(shì)，9%無(wú)顯著變化，20%表現(xiàn)為不確定［49］。間套作對(duì)害蟲(chóng)的控制機(jī)制主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面(圖2) :首先，間套作改變了寄主植物的鄰居和小氣候環(huán)境，如間套作系統(tǒng)內(nèi)部溫度降低、濕度增大、光照下降將直接影響到害蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育［50］。再者，間套作增加了害蟲(chóng)的天敵數(shù)量，如大豆、豌豆和豇豆等豆類(lèi)與玉米間作套種能夠顯著降低花薊馬、黑蚜、白蟻等害蟲(chóng)的密度及其對(duì)豆類(lèi)及玉米的危害，這主要就是由間套作增加了害蟲(chóng)的天敵數(shù)量所引起［51］。

　　3.提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

　　水土保持和生物多樣性保護(hù)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)揮的重要表現(xiàn)，研究表明，間套作種植可通過(guò)擴(kuò)大農(nóng)田地表植被覆蓋和土壤根系分布減少農(nóng)田水土流失的發(fā)生，可通過(guò)作物多樣性的提高營(yíng)造適宜更多昆蟲(chóng)和土壤生物生活的生境，從而保護(hù)更多的生物多樣性。

　　3．1水土保持服務(wù)功能提升

　　水土流失包括水蝕和風(fēng)蝕，是指在水、重力、風(fēng)等外力作用下，水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失［67］。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是水土流失最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約有7．5×1011t肥沃土壤從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)流失［68］。因此，如何降低農(nóng)田(特別是丘陵旱地)土壤侵蝕是農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的最為關(guān)鍵的環(huán)境問(wèn)題之一，也是當(dāng)前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。

　　3．2生物多樣性保護(hù)加強(qiáng)

　　生物多樣性是指生命有機(jī)體及其借以生存的生態(tài)復(fù)合體的多樣性和變異性，主要包括:遺傳多樣性、物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和景觀(guān)多樣性［75］。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為人類(lèi)干擾最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型，其生物多樣性主要表現(xiàn)為種植作物及多種動(dòng)物、植物和微生物的多樣性［76］。在過(guò)去的幾十年里，世界范圍內(nèi)的生物多樣性喪失呈現(xiàn)出空前水平，農(nóng)業(yè)活動(dòng)是造成生物多樣性喪失的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素［6，77］，如何通過(guò)栽培措施保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性面臨著巨大的挑戰(zhàn)［76］。

　　4農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多服務(wù)功能的間套作評(píng)價(jià)理論框架及指標(biāo)

　　4．1理論框架的構(gòu)建

　　在綜述間套作對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提升和貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多服務(wù)功能的間套作評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及理論框架。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要涉及物質(zhì)生產(chǎn)、土壤肥力維持、病蟲(chóng)害控制、生物多樣性保護(hù)、水土保持和有害污染物控制等6個(gè)。對(duì)間套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行多服務(wù)功能評(píng)價(jià)時(shí)，首先將單作時(shí)的各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能都標(biāo)準(zhǔn)化為100%，與之相比，間套作時(shí)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功或高于100%或低于100%(圖3)。

　　4．2間套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的量化與標(biāo)準(zhǔn)化

　　參考土地當(dāng)量比的方法，設(shè)計(jì)了各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在間套作和單作間的比較方法。具體量化方法為:(1)物質(zhì)生產(chǎn)功能的量化值以土地當(dāng)量比(LER)進(jìn) 行表示［10］; (2)土壤肥力維持和生物多樣性保護(hù)功能的量化值分別以間套作土壤可利用營(yíng)養(yǎng)元素含量和農(nóng)田生物多樣性指數(shù)與相應(yīng)作物凈作土壤的可利用營(yíng)養(yǎng)元素和生物多樣性指數(shù)比值的平均值表示［45，78］。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　研究表明，到2030年我國(guó)人口將達(dá)到16億，這意味著我國(guó)糧食年增長(zhǎng)率要穩(wěn)定在580Mt左右［5］，才能滿(mǎn)足和人民的需求。然而在全球氣候變化［83］、土地、水、營(yíng)養(yǎng)等資源匱乏［6］、環(huán)境污染加劇［3］的影響下，糧食增產(chǎn)將面臨著巨大的挑戰(zhàn)［7］。如何在這種形式下，提高農(nóng)業(yè)資源利用率和土地產(chǎn)出率實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)，是科學(xué)家和政府共同關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。間套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不但具有為人類(lèi)的生存與發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)物質(zhì)基礎(chǔ)和食物保障的產(chǎn)品服務(wù)功能，還具有巨大的環(huán)境服務(wù)功能價(jià)值和生態(tài)安全價(jià)值［1］，能夠在解決世界糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面做出一定的貢獻(xiàn)。

　　References:

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　　蘇本營(yíng)1，陳圣賓2，李永庚3，楊文鈺1，*