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种间搭配,产量翻倍!

出品 | 科普中国

制作 | 雷可欣(重庆大学新闻学)、赵序茅(兰州大学青年研究员)

监制 | 中国科普博览

俗话说得好,“男女搭配,干活不累”。在原始社会,男女因生理等方面的差异,自然衍生出明确的社会分工——男耕女织,这种合作形式在过去大大提高了当时社会的工作效能。
事实上,人类社会的这种“搭配”方式,同样适用于农作物生产,不过它有一个新的名字——间作,一起来看看他们是如何分工协作的吧~什么是间作系统

 

早在公元前一世纪,人类为了提高土地生产率,发明了在同一田地上,于同一生长期内分行或分带相间种植两种及以上作物的种植方式,即“间作”。

间作作为一种较为常见的多样化种植体系被广泛的应用于农田可持续性生产中。研究表明,这一种植方式通过利用生态学原理提升植物间正相互作用和互补性,降低种间竞争强度,从而提高间作系统生产力。

然而,尽管人类运用种间技术的历史由来已久,但在半干旱区农业生态系统中不同植物种间互作关系是如何影响土地生产力方面却长期处于模糊认识中。
近距离拍摄的绿色大豆田旁边的成熟小麦丨图源:veer

不过,我国科学家的一项最新研究成果却有助于帮助解开这个谜题。

2022年5月10日,兰州大学生态学院牵头,并联合草地农业生态系统国家重点实验室在著名期刊《Agricultural Water Management》上发表了题为“Water use of intercropped species: Maize-soybean, soybean-wheat and wheat-maize”(玉米-大豆、大豆-小麦和小麦-玉米间作模式的水分利用)的研究成果,明确了在半干旱区合理配置具有水分互补特性的多样化种植模式有助于发挥植物种间正相互作用,以提高土地生产力。

 

间作如何提高土地生产力?

《孟子》的《公孙丑章句上》中提到“乘势待时,事半功倍”,强调要学会利用有利的形势,成就双倍的功绩。

根据间作原理,植物若能恰当利用正相互作用和补偿机制,就能在生长事宜上获得养分富集、资源分享、生态位互补及降低种间竞争的优势。此次研究基于以上背景,针对我国西北干旱区水分匮乏问题展开。通过在田间设置玉米-大豆,小麦-大豆以及玉米-小麦间作系

统,研究了不同间作组合种间竞争轨迹和土壤水分动态变化规律、不同间作组合光合生理特性和生长速率,并探究了种间水分互补性对半干旱区间作系统生产力的影响。

“物竞天择,适者生存”。任何两个不同物种之间为争夺同一资源,都会展开竞争,尤其当两个竞争物种的生活习性越相似时,竞争就越激烈,且常常胜负分明。面对半干旱区资源匮乏的情况,竞争则更为显著,物种多样性也显得尤为缺乏。

但研究发现,较之单作系统,与大豆间作能显著提高玉米、小麦的生物量和最大生长速率(Imax)。

大豆和玉米作物丨图源:veer

也就是说,在玉米-大豆、大豆-小麦的组合搭配方式中,玉米、小麦都同大豆“脾气相投”,在整个生长期中受大豆的“激励作用”共同进步,而非优胜劣汰。

而大豆就像无私奉献、不求回报的长者,在促进小麦和玉米生长时,大豆的生物量和生长速率并没有受到显著影响。

不止如此,通过对各物种在一起生长的共生期以及补偿生长期的光合特性进行研究,发现与大豆间作也显著提高了玉米和小麦叶片的氮含量、叶绿素含量和光合速率,使玉米和小麦生长得更加旺盛、所结果实数量更多更饱满。
春季玉米田附近的大豆成熟丨图源:veer

然而,小麦与玉米却是一对互不谦让的“冤家”,不仅如此,小麦的竞争力要略强于玉米。

在小麦-玉米间作模式下,小麦在共生前期生物量和生长速率远高于玉米, 虽然玉米在小麦收获后的补偿生长期内得到恢复,并逐渐超越,却不能否认与小麦间作对玉米生长的抑制作用。

与此同时,玉米因为受到小麦的“打压”,其叶片氮素积累、叶绿素含量、光合速率也出现了显著下降,并且导致玉米无法在补偿期内得到恢复,使玉米产量遭受了极大的削弱。

 

三种作物抢水喝

我们可以看出,在大豆的帮助下,大豆、玉米和小麦都获得了充足的营养,不过光“吃饭”不“喝水”也是不行的,尤其是在水资源匮乏的西北半干旱地区。

那么,在水资源竞争方面,大豆-小麦、大豆-玉米、小麦-玉米这三种间作组合又有什么表现呢?
首先,在整个生育期,与大豆间作都显著提高了玉米和小麦条带0-100cm的土壤含水量。

但到了七月份,小麦成熟耗费大量水分,并作为在各层次中占优势的优势种,汲取了大豆和玉米条带的土壤水分进行补偿利用,导致大豆和玉米条带的土壤含水量显著降低。

七月中下旬小麦收获后,大豆和玉米进入补偿生长期,直到九月中旬,水分才得到了基本补充。

孟子强调,“成功之路中,天时地利人和为三要素,涵盖了成功路上的一切”。

于自然界而言,“天时与地利”为农作物生产的环境条件,“人和”代表人为的物种配置。研究结果表明,作物多样性正是依赖于物种配置和环境条件,才形成具有互补利用优势的间作物种组合,例如大豆-小麦、大豆-玉米的豆-禾间作体系有利于提升作物生产力。
因此,对间作物种性状进行合理配置、选择具有水分互补、利用优势的间作组合应用到半干旱区,有利于通过地下生态位互补来提高水资源利用效率,促进作物增产。

后期,该研究将继续根据环境条件对间作物种性状进行合理组合配置,在提高种间互补性的同时,降低其竞争强度。合作共赢是人类立足社会的一大法宝,这一法宝移至自然界也同样适用。科学家们戮力同心,间作系统优势互补,在这样的通力合作之下,哪怕是极为恶劣的环境中,也能生长出哺育一方果实。

兰州大学生态学院生态学博士研究生王伟为文章第一作者,熊友才教授为文章通讯作者。该研究受到国家自然科学基金委国际合作重点项目、甘肃省重点研发项目、甘肃省科学院应用开发项目基金支持。
 



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