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英文題目：Designing diversified cropping systems in china: theory, approaches and implementation

中文題目：中國多樣化種植體系設(shè)計(jì): 理論、方法與實(shí)施

期刊名稱：Frontiers of Agricultural Science and Engineering (FASE)

發(fā)表年份：2021年

第一作者：叢汶峰

通訊作者：張福鎖

作者單位：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教育部植物與土壤互作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

編譯者：程嘉莉，叢汶峰

盡管高投入-高產(chǎn)出的集約化農(nóng)業(yè)為滿足糧食安全做出了巨大貢獻(xiàn)，但其所帶來的環(huán)境負(fù)面效應(yīng)依然嚴(yán)峻。因此，迫切需要發(fā)展一種創(chuàng)新的、高度可持續(xù)、可抵御氣候風(fēng)險(xiǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，以減少不可再生資源的過度消耗和集約化農(nóng)業(yè)的負(fù)面環(huán)境影響，同時(shí)確保提供足夠的安全和營養(yǎng)的食物以滿足人口快速增長的需要。作物多樣化（如間作）已被廣泛證實(shí)可通過利用生態(tài)位分化和物種互作的正效應(yīng)來提高糧食產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率，同時(shí)減少環(huán)境影響。因此，可利用作物多樣化而增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)。

2. 作物多樣性的優(yōu)勢(shì)

作物多樣化指的是通過間作、輪作和覆蓋作物的方式在農(nóng)田中同時(shí)種植多種作物，或在非作物生境中增加樹籬、花帶等。作物多樣化依靠生態(tài)原理，例如物種間的正相互作用來增加作物產(chǎn)量并減少對(duì)化學(xué)肥料和農(nóng)藥的依賴。與集約農(nóng)業(yè)相比，作物多樣化可改善田塊、農(nóng)場和景觀尺度上農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

3．多樣化種植體系設(shè)計(jì)的框架、原理和方法

3.1 設(shè)計(jì)框架

作物多樣化設(shè)計(jì)首先需要同時(shí)考慮當(dāng)?shù)氐淖匀环A賦與限制因素（包括光、溫度、土壤和水），以及農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的多目標(biāo)需求（例如，糧食安全、資源節(jié)約、環(huán)境可持續(xù)性和農(nóng)民收入），最后采用自上而下和自下而上的方法相結(jié)合來設(shè)計(jì)多目標(biāo)多樣化種植體系。自上而下的方法主要使用景觀、農(nóng)場、田地和個(gè)體尺度的模型工具，結(jié)合本地試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及專家知識(shí)與農(nóng)民經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行事前和事后評(píng)估以及新型體系設(shè)計(jì)。自下而上的方法主要基于生態(tài)學(xué)與植物營養(yǎng)學(xué)的知識(shí)，例如養(yǎng)分循環(huán)，植物與土壤的相互作用，地上和地下的反饋，種間互補(bǔ)與促進(jìn)。最終通過模型和生態(tài)學(xué)原理篩選出理論上優(yōu)化的種植體系，將在一個(gè)特定地區(qū)實(shí)施多樣化種植體系落地示范，以推動(dòng)中國的農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型（圖1）。

通過有利的作物分配和種植順序（例如，間作、輪作和覆蓋作物）來增加種植系統(tǒng)的時(shí)間和空間多樣性，從而應(yīng)用了作物多樣化計(jì)劃的生態(tài)學(xué)原理，例如種間的互補(bǔ)性和促進(jìn)作用以及植物-土壤的反饋。種間的互補(bǔ)和促進(jìn)作用是在田塊尺度上協(xié)同提高地上和地下資源利用效率的關(guān)鍵原則：有益的作物組合可以利用不同作物的互補(bǔ)效應(yīng)，并采用不同的策略來改善整個(gè)多樣化系統(tǒng)的資源。植物-土壤反饋的原理為設(shè)計(jì)有益的輪作體系提供了科學(xué)指導(dǎo)，例如輪作可有效地促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)同時(shí)最大程度減少病蟲害。利用景觀調(diào)控保險(xiǎn)假說和資源連續(xù)性理論，通過配置農(nóng)業(yè)景觀的組成和異質(zhì)性來設(shè)計(jì)多樣化的景觀，以有效地增加生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的存儲(chǔ)，流動(dòng)和穩(wěn)定性。此外，農(nóng)田附近的花帶、樹籬和其他非作物生境可通過促進(jìn)生物蟲害控制和昆蟲授粉來提高糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性。

3.3 方法

4. 在中國實(shí)施多樣化體系設(shè)計(jì)的戰(zhàn)略規(guī)劃

實(shí)施作物多樣化的關(guān)鍵是根據(jù)區(qū)域特征（自然資源與限制因素/約束）以及社會(huì)和經(jīng)濟(jì)需求，針對(duì)性地提升和加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。在不同區(qū)域，需要將生態(tài)學(xué)原理、土壤-作物系統(tǒng)綜合管理，作物體系模型以及機(jī)械化進(jìn)行全面整合?？傊槍?duì)具體區(qū)域，作物多樣化設(shè)計(jì)旨在同時(shí)協(xié)同實(shí)現(xiàn)安全、營養(yǎng)的糧食生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)（圖3）。

5. 案例研究：在華北平原實(shí)施作物多樣化的三步走策略

作為我國糧食安全重要保障的華北平原，冬小麥-夏玉米輪作是主要種植體系，但該體系目前仍以高投入-高產(chǎn)出的集約化為特征。因此，該地區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵目標(biāo)是減少農(nóng)用化學(xué)品的投入并提高資源利用效率，從而在保持高質(zhì)量食品生產(chǎn)的同時(shí)提高環(huán)境的可持續(xù)性（圖4）。

第一步：田塊尺度設(shè)計(jì)。通過采用間作和套種來優(yōu)化冬小麥-夏玉米輪作體系，進(jìn)一步減少水與養(yǎng)分的投入，并減少損失。

第二步：田塊尺度設(shè)計(jì)。引入長期輪作，以進(jìn)一步加強(qiáng)養(yǎng)分循環(huán)，增強(qiáng)病蟲害控制，并改善土壤健康。

第三步：景觀尺度設(shè)計(jì)。以通過增加生物多樣性（例如花帶）來促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，例如授粉和生物蟲害防治?？傮w而言，這三步走策略將共同促進(jìn)高質(zhì)量糧食生產(chǎn)，環(huán)境可持續(xù)性和提高農(nóng)民收入。 

結(jié)論

實(shí)現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型，以滿足糧食安全與環(huán)境安全，需要從根本上將種植體系朝著多樣化種植進(jìn)行調(diào)整。該文章提出了實(shí)現(xiàn)多樣化種植體系轉(zhuǎn)型的理論框架，方法和和實(shí)施策略。實(shí)施作物多樣化的關(guān)鍵是根據(jù)區(qū)域特征以及社會(huì)和經(jīng)濟(jì)需求，針對(duì)性地加強(qiáng)某些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，借助生態(tài)學(xué)原理、土壤作物系統(tǒng)的綜合管理、作物體系模型和機(jī)械化等進(jìn)行全面整合。作物多樣化的實(shí)施將為農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型期的國家樹立榜樣，并為全球可持續(xù)發(fā)展做出樣板。