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人才强校 | 张福锁团队在全球间套作增产模式方面取得重要进展

资环学院 2020年06月02日 报道 浏览次数:

本网讯 6月1日,植物科学期刊Nature Plants在线发表了我校国家农业绿色发展研究院张福锁院士团队题为“Syndromes of production in intercropping impact yield gains”的文章。该研究发现,在全球尺度上,间套作的设计及管理方式呈现两种不同的模式且显著影响间套作的增产效应。其中一种间套作模式为粮食作物与玉米间作、条带种植、分期播种和收获、共生期较短、肥料投入相对较高,增产效应高,该模式广泛在我国应用。另一种模式以矮谷物与豆科混作、同种同收、共生期长、肥料投入较低,增产效应低,该模式广泛在欧洲应用。以中国为代表的高投入-高产出玉米间套作模式具有更大的增产效应,是低投入-低产出的间套作模式的4倍,说明保障粮食安全的中国间套作模式值得全球借鉴。两种模式较单作均具有节肥增产的优势,说明间套作不仅能满足低投入农业的生态目标,同样也是高投入农业中保障粮食生产及生态可持续集约化的有效途径。

 

当今世界面临的挑战之一是为迅速增长的全球人口生产足够的粮食。现代集约化农业能提供较高的粮食产量,但也带来了巨大的环境风险。多样化的种植体系,例如间套作(即在同一块土地上种植两种或两种以上的作物)是发展可持续农业的可行策略。与单作相比,间套作具有提高养分吸收和产量的优势。然而,以往的研究只关注了间套作的土地当量比,而土地当量比是一个无量纲指标,不能直观地体现间套作相对于单作在每单位面积上所表现的产量优势。出于保障粮食安全的角度,我们不仅需要关注间套作的土地利用率,也需要关注间套作的产量优势。农田管理措施(如作物的选择、间套作作物的播种时间和收获时间、条带设置和肥料投入等)可影响间套作作物间的相互作用,但这些因素如何影响间套作体系的增产效应仍不清楚。因此,本研究通过整合分析定量全球尺度上间套作的增产效应,研究作物选择、时空配置、肥料投入等对间套作产量优势的影响。

 

图1 间套作模式示意图。a) 条带间作,b) 条带套作,c) 交替单行间作,d) 混作,e),  f),  g) 玉米/大豆间套作,h) 硬粒小麦/冬豌豆单行交替间作, i),  j) 小麦/小豆混作。照片来自于四川农业大学杜俊波教授,杨文钰教授,法国农科院Laurent Bedoussac博士,Loïc Viguier博士。

 

图2 不同间套作模式的净效应及其与生态位分离、氮肥投入、磷肥投入的关系。

玉米间套作体系的净效应(产量优势)为2.1 t ha-1,无玉米的间套作体系的净效应为0.5 t ha-1 ,前一种间套作体系在低氮与高氮条件下均高于后一种间套作体系。随着生态位分异的增加,两种间套作体系的净效应随之增加。玉米间套作体系的净效应随施氮量的增加而提高,但是无玉米的间套作体系的净效应不依赖于施氮量。有玉米或无玉米的间套作体系的净效应与施磷量无关。

图3 间套作体系相对于单作体系的土地利用率、氮肥及磷肥利用率。

玉米间套作体系和无玉米的间套作体系的LER、NFER、PFER均大于1,两种间套作模式的LER范围为1.16-1.29,NFER范围为1.19-1.33,PFER范围为1.19-1.36,说明两种间套作体系与单作相比,均节约了16-29%的土地和19-36%的肥料。

图4 间套作的净效应与管理因素之间的关系。

结果显示,在全球尺度上,间套作体系的管理呈现两种不同的模式。其中一种模式为玉米间套作,即玉米与矮的禾本科或豆科作物间作,具有不同的播种时间和收获时间,共生期较短、养分投入较高,该间套作模式的净产量优势较大。这一间套作管理模式广泛用于中国。另一种模式为无玉米的间作体系,主要是矮谷物与豆科作物间作,通常混合种植、同时播种并同时收获,且养分投入低,该间套作模式的净产量优势较低,主要用于中国以外的地区(以欧洲为主)。

我校资环学院李春杰为第一作者,张福锁院士与荷兰瓦赫宁根大学Wopke van der Werf为共同通讯作者。主要合作者为资环学院张朝春、李海港、瓦赫宁根大学Ellis Hoffand,Thomas Kuyper、于洋。项目研究得到了间套作国际合作项目(31210103906)、973项目(2015CB150400)、和磷专项(2017YFD0200200/2017YFD0200207)的资助。

张福锁院士团队与荷兰瓦赫宁根大学作物分析系和土壤生物系就间套作增产和资源高效利用的机理研究开展了多年的合作,合作培养数名研究生,近年来的相关研究结果相继在PNAS, Global Change Biology, New Phytologist, Journal of Ecology, Field Crops Research, European Journal of Agronomy等期刊上发表论文数十篇。

原文链接 https://www.nature.com/articles/s41477-020-0680-9

责任编辑:姜萍萍
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