論文標題： “作物多樣性與可持續農業”專題直播問答
期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering
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導語
FASE編輯部有幸邀請到了李隆教授（中國農業大學）和Wopke van der Werf副教授（荷蘭瓦格寧根大學）為期刊組織了“作物多樣性與可持續農業”專輯，已于今年九月份正式出版（Vol. 8, Iss. 3, 2021）。近期，應廣大讀者要求，我們又陸續邀請相關作者進行文章在線直播講解，讓科學知識得到更廣泛地傳播，為讀者提供“面對面”的交流。直播內容后期會進入回放狀態，讀者可隨時查看。答疑解惑部分我們將會整理成文，希望能為讀者提供更好的服務。
以下為第一場直播問答，提問者以作者網名形式呈現，回答者為主講人李隆教授。因為時間原因，有些作者的問題沒有在直播現場進行解答，后期我們也邀請了李隆教授進行了補充回答。文字整理過程中難免出現錯漏，敬請批評指正！
文章亮點
• 中國農業綠色轉型需要重構種植體系。
• 利用作物多樣化提升生態系統服務是實現可持續農業的關鍵。
• 作物多樣化可改善田塊、農場和景觀尺度上的生態系統服務。
• 種植體系的設計應適應地域特征與社會經濟需求
直播問答
1. Feng：不同豆科植物結瘤固氮的促進物質是否有差異？玉米根系分泌物中的染料木素是促進蠶豆結瘤固氮提高氮利用率的主要原因，而小麥根系分泌物中沒有染料木素所以不能促進間作系統的氮利用率。那玉米與其他豆科植物如大豆、豇豆間作是否也能夠通過染料木素起相同的促進作用呢？玉米與豆科植物間作是否都會有類似的效應？
答：黃酮類物質在共生結瘤過程中起著關鍵作用。關于豆科植物根系分泌結瘤信號物質，國內外大量研究主要集中在大豆、苜蓿和菜豆等作物上，對蠶豆根分泌黃酮類信號物質的研究很少。豆科作物根系分泌物黃酮類物質作為信號物質，具有一定的特異性，不同作物具有不同的信號物質。因此，我們在田間條件下發現，玉米和大豆間作后，大豆的固氮能力并沒有像蠶豆和鷹嘴豆那樣顯著提高。我們目前尚沒有做添加染料木素對其它豆科作物結瘤作用的研究，這與前面問題類似，即結瘤固氮的信號物質可能具有特異性。
2. 朱國?。河袥]有針對中藥材的相關研究？
答：我們當前主要集中于作物系統范疇的研究，有關中藥材的相關研究是個值得探討的問題。我們國內有些單位，比如福建農林大學的林文雄教授團隊在這方面做了一些研究，我讀過他們發表在Plant and Soil的研究文章，感興趣可以去關注。云南農大朱有勇院士團隊林下中藥材三七間作生產技術也做得很好，你可以關注一下。
3. 今天：李老師，您好！報告非常精彩，受益匪淺。我有一個小問題想請教您，在干旱區間作體系如何灌水施肥？比如灌溉和施肥是按照玉米還是小麥來進行？灌水施肥理論依據是什么？田間如何科學管理？有間套作種植的學術交流群嗎？求加入。
答：這也是個具有挑戰性的問題。干旱地區，尤其是西北綠洲農業區都是灌溉農業，沒有灌溉就沒有農業。河西走廊、河套平原一帶小麥和玉米間套作（帶田）在上世紀80–90年代種植面積大，灌溉不區分具體作物，可以同時灌溉，且灌水用量相對較大。因此，像河西走廊這樣缺水的生境條件下，政府不允許進行小麥-玉米這樣的間作模式。生產實踐中常用的施肥方法是分開施肥，比如施氮肥，先給小麥施氮肥1/3，余下2/3氮肥施給玉米條帶。灌水與施肥用量的多少及時間均是依據間作中不同作物的生育期長短及生長特性所制定的。間作的田間管理要比單作復雜很多，同時相應的機械化配套設備需跟上。我們有個項目群，但該項目已結題，新項目尚未啟動。你也可以關注我們的“間套作與現代農業”公眾號，后面我們可以考慮建立相關的交流群。
4. 董楠：李老師，間作對水穩性大團集體的增加，是短期效應（每年都增加）還是長期效應（連續種植幾年之后才會增加）？
答：這個問題很好!我們以往在河西走廊一帶的研究表明，這種間作中表層0–20 cm土壤水穩性大團聚體大概4至5年后會出現大于單作的情況，這兩年我們在東北的研究結果也表明大概到第4年會出現上面這種現象。但是，其他土壤性狀，比如土壤碳、氮等指標的變化相對比較緩慢。
5. 秘一先-草業學院：通過結構方程模擬出是因為哪種微生物起的作用，但是能說明什么呢？怎么應用呢？這種菌的功能我們也沒辦法鑒別，請問李老師怎么看這個事情呢？
答：首先這種結構方程不是模擬，是我們應對這種復雜的過程中，依賴前人的相關研究經驗及結論建立這種模型來體現每種初始變量，如具有不同肥力的土壤類型，間單作等因素變化對因變量的貢獻度。我們也做了相關微生物群落結構變化的研究，比如，在寧夏紅寺堡的試驗中，間作種植通過降低 Nitrospirae 相對多度增強了對大團聚體形成；在甘肅靖遠的試驗中，間作種植通過增加土壤中的 AMF 生物量促進了大團聚體的形成；在甘肅武威的定位試驗中，間作種植則通過增加土壤中的 Sordariales 相對多度促進大團聚體的形成，詳情請參閱我們發表在Plant Soil 上一篇題為“Crop diversity facilitates soil aggregation in relation to soil microbial community composition driven by intercropping”的文章。至于應用方面，如何調控微生物群落結構，還需要更多的探索。
6. Cai ZL, NWAFU：李老師你好，想了解一下在設施環境或者溫室環境的蔬菜栽培里使用豆類作物的間作套種這個目前有所推進嗎？雖然溫室土壤中不缺乏氮素，但是的確磷素和鉀素損失巨大，若是可以了解有茄果類作物和豆科作物在溫室中進行套作的研究將會開啟一個新的角度。
答：是的，這是個很好的思路。大棚蔬菜間作實際上已有不少研究，六七年前我在一家書店見到過一套《蔬菜間作套種新技術》，有南方版，北方版。說明這方面還是有很多成熟的技術。大棚土壤硝酸鹽的累積，會導致葉菜類硝酸鹽含量增加，進而對人體健康造成威脅。我們十多年前也做過玉米與空心菜的間作研究，希望降低空心菜硝酸鹽的含量。研究結果表明，玉米對氮素的競爭很強，空心菜硝酸鹽的含量確實大幅下降了，比如空心菜單作硝酸鹽的含量大概3000 ppm, 與玉米間作后降低到約1300 ppm，相關論文發表在《環境科學學報》 (王曉麗, 李隆, 江榮風, 等. 玉米/空心菜間作降低土壤及蔬菜中硝酸鹽含量的研究. 環境科學學報, 2003, 23(4): 463–467)。
7. 楊歡：李老師，您好，替代式間套作的土地利用強度大還是疊加式間套作呢？
答：你說的替代式是英文中“replacement”，添加式是“addition”，對吧？間套作設計有兩種方式：一種是在單作里面空出幾行來種植其他作物，即替代式；另一種是單作里面直接加行去種其他作物，即添加式。理論上講，添加式競爭養分更厲害，對土地的利用強度更大。但我們沒有做過相關的實驗研究。
8. 全志發：李老師您好！水稻間套作這方面的研究有做嗎？
答：我們沒有做相關研究，但我們南方的各位老師均有做，比如華南農大的王建武，蔡昆爭、章家恩等教授所在的生態農業團隊做了很多這方面的研究，例如水稻間作后對硅的吸收 (如：Ning C, Qu J, He L, et al. Improvement of yield, pest control and Si nutrition of rice by rice-water spinach intercropping. Field Crops Research, 2017, 208: 34–43)，增加抗倒伏能力等方面的研究。
9. 黃山：李老師，您好！請問一下美國和歐洲的農業有什么問題？需要增加間套混種模式？能否簡單介紹一下美國與歐洲的農業？那6本書是否可以分享，我們也想學習一下… …
答：美國和歐洲農業整體比較先進，都是集約化大型農業，對化肥和農藥的依賴性較高，然而這也導致農業可持續性下降。通過間套種模式可增加農田的生物多樣性也是他們現階段追求的目標之一。比如，我們在報告中提到的歐洲作物多樣化集群項目，每個項目都由多國聯合來做，涉及整個歐洲；從原理、生產、應用等方面展開研究，改善供應鏈各環節存在的問題，目的是改善現有的種植體系，增加作物多樣性，提高農業的可持續性。
《生物多樣性大百科全書》我只參與了其中一個章節的書寫 (Li L., Zhang L. & Zhang F. Crop mixtures and the mechanisms of overyielding. In: Levin SA (ed) Encyclopedia of biodiversity, vol 2, 2nd ed. Academic, Waltham, 2013，pp 382–395)，因為版權等問題，我只能分享我自己寫的這個章節，重點在于間套作方面增產的機制與原理，可以分享給感興趣的各位老師和朋友。
10. 高震：不同品種間作有優勢嗎？
答：這個問題很好。生物多樣性有物種多樣性和遺傳多樣性，不同品種的作物間作增加了農田的遺傳多樣性。云南農大的朱有勇院士20多年前就在做不同品種水稻的間作，比如雜交稻和糯稻的間作。糯稻易感稻瘟病，而雜交稻抗稻瘟病，二者間作后能明顯控制糯稻的稻瘟病，這種間作優勢是非常明顯的，他們的研究結果已于2000年發表在Nature上，題目為“Genetic diversity and disease control in rice”，感興趣的同行可以去查看。但是如果沒有病害的話，不同作物品種間作則不如不同作物物種間作那樣有優勢，我們的研究發現一部分品種的玉米間作具有一些產量優勢，但不是所有作物間作組合都具有優勢。但是我們的研究也發現，品種多樣性可以增加產量的穩定性。
11. AI：李老師，您好！請問關于間套作等多樣化種植對農田溫室氣體排放的影響研究有沒有涉及？關于多樣化種植對溫室氣體排放的研究具體有什么建議？
答：這方面的工作我們做得比較少，請大家關注甘肅農大柴強老師團隊的研究，他們在溫室氣體排放、碳足跡等方面做了大量深入的研究，最近他們還在PNAS上發表了論文 (Chai Q, Nemecek T, Liang C, et al. Integrated farming with intercropping increases food production while reducing environmental footprint. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(38))，感興趣的同行可去下載閱讀。我們的少量研究表明，間作土壤中的碳是增加的，CO2的排放可能會降低，目前僅為推斷假設。此外，間作體系對土壤中氮素的利用是高的，所以氧化亞氮的排放預測也是降低的。
12. 馬軍一馬平川：請教一下向日葵間套作有可參考模式嗎？
答：我曾在內蒙古自治區杭景后旗考察時發現，當地推廣春小麥和油葵的間作，種植非常規范，產量優勢明顯。大概是6、8或12行的小麥與2–3行的油葵帶狀間作模式為宜。
13. shaozeqiang：感謝李老師的精彩報告！研究顯示根系分泌物染料木素促進蠶豆固氮，請教李老師，您認為促進玉米根系染料木素的主要原因是什么?
答：染料木素作為豆科作物結瘤的一種黃酮類信號物質，可能在根毛變形等結瘤的初始反應中發揮重要作用，強化了結瘤固氮的過程。我們的間作研究發現營養液中染料木素的濃度是增加的，但究竟是玉米的存在促進了蠶豆分泌物染料木素增加了還是玉米本身分泌物中的染料木素增加了，我們在研究中并沒有對此進行區分實驗研究，因為兩種作物的根系在營養液中共同生長。有對這方面感興趣的老師或同學可以繼續進行相關研究。
14. 衛得杰：李老師，您好！請問同一作物不同品種間作有什么優勢？
答：這個問題的回答請參考前面的第10個問題。需要補充的是，品種之間的間作可能在機械化方面的障礙要小很多，管理相對也比較方便一些。
15. 白計玲：老師您好，請問有針對西北黃土旱區覆蓋作物和填閑作物的研究嗎？
答：這方面的工作應該有，比如西北農林科技大學高亞軍老師做填閑覆蓋作物的研究?？梢躁P注一下。
16. shaozeqiang：請問李老師間作盆栽實驗的時候，施肥量是按照哪種作物的需肥量進行施用肥料？
答：我們的研究中，兩種作物同樣施肥。這取決于你要研究的科學問題，如果你的研究不考慮肥料這項因素，那就充分滿足，達到不能減產的程度，大多研究都是按照高需肥量作物來設計的。
17. Feng: 謝謝李老師非常精彩的報告，既清晰地講解了試驗設計和過程，也講清了相關的結論和應用，更重要的是講清楚了您的研究思路。受益匪淺。還有另外一個問題：間套種尤其是在林下間套中根據林下光資源特點選擇耐蔭的合適作物是基礎，但選擇間作物時一個個去試驗可能效率太低，請問間作物選擇時最重要的考慮因素有哪些？有沒有比較好的決策工具軟件供參考利用？
答：首先感謝您的肯定，你提的這個問題很有新意。比如大家熟知的云南白藥中的一種中藥材三七，種植時可選擇與林木間作，達到合適的光照需求，避免強光對其造成損害，同時可以有效減輕三七的連作障礙。感興趣可以關注朱有勇院士的工作。再如，海南的胡椒樹是當地非常有特色的經濟樹種，開花時光照過強，會影響其結實率。當地選擇檳榔樹與胡椒樹間作，檳榔樹為胡椒樹遮光，增加了胡椒的結實率和品質。相關工作可以關注中國熱帶農科院香料飲料所的工作。
有關決策的工具軟件，據我所知，目前還沒有，期望后續有人能夠開發相關軟件。
18. 野生柳丁：李老師您好！剛聽您介紹的盆栽實驗，在利用同位素標記來研究玉米與豆科間作的氮素轉移方面，大田實驗上有沒有更深入的研究?
答：我們在大田試驗中也進行過類似的15N同位素標記試驗，但是在大田試驗中影響因素復雜，只在玉米/花生間作中檢測到花生向玉米轉移了1.34 g/m2的氮素，占花生體內總吸氮量的9.50%。此外，一些田間研究也發現豆科作物對其后茬作物的生長影響較大，感興趣的老師和同學可以跟進研究。
19. 閆世程：今天晚上聽了您的報告，報告非常精彩，受益匪淺，再次感謝您的分享！您報告提到的《全球生物多樣性展望》叢書涉及到多樣化種植的章節的電子版能否分享一下？非常感謝！另外，我還想請教一下李老師，講座中您提到干旱區間套作種植耗水量大是限制河西地區小麥玉米間作的因素。如果這個問題解決不了，肯定是整個干旱區間作種植發展的瓶頸。根據您的多年經驗是否有解決的辦法或可以實現降低耗水的途徑？
答：《生物多樣性大百科全書》（第二版）中撰寫的Crop mixtures and the mechanisms of overyielding章節PDF郵件發送給您。
關于您第二個問題，小麥玉米間套作曾經在河西走廊種植面積很大，由于河西走廊限水，更多的水分配給民勤，沒有更多的水灌溉。小麥玉米一般需要灌溉7次水，所以武威等地限制小麥玉米帶田種植。當地推廣了豌豆和玉米的間套作，種植面積很大，由于這種種植方式只需要灌溉4次，豌豆生長期不需要灌溉，只在玉米生長期灌溉4次即可。就是通過改變作物組合，就可以解決這個問題?？梢愿鶕鞯氐臈l件，因地制宜，選擇合適的作物組合。