出品 | 科普中國(guó)

制作 | 雷可欣（重慶大學(xué)新聞學(xué)）、趙序茅（蘭州大學(xué)青年研究員）

監(jiān)制 | 中國(guó)科普博覽

俗話說(shuō)得好，“男女搭配，干活不累”。在原始社會(huì)，男女因生理等方面的差異，自然衍生出明確的社會(huì)分工——男耕女織，這種合作形式在過(guò)去大大提高了當(dāng)時(shí)社會(huì)的工作效能。

事實(shí)上，人類社會(huì)的這種“搭配”方式，同樣適用于農(nóng)作物生產(chǎn)，不過(guò)它有一個(gè)新的名字——間作，一起來(lái)看看他們是如何分工協(xié)作的吧～

什么是間作系統(tǒng)

早在公元前一世紀(jì)，人類為了提高土地生產(chǎn)率，發(fā)明了在同一田地上，于同一生長(zhǎng)期內(nèi)分行或分帶相間種植兩種及以上作物的種植方式，即“間作”。

間作作為一種較為常見(jiàn)的多樣化種植體系被廣泛的應(yīng)用于農(nóng)田可持續(xù)性生產(chǎn)中。研究表明，這一種植方式通過(guò)利用生態(tài)學(xué)原理提升植物間正相互作用和互補(bǔ)性，降低種間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，從而提高間作系統(tǒng)生產(chǎn)力。

然而，盡管人類運(yùn)用種間技術(shù)的歷史由來(lái)已久，但在半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中不同植物種間互作關(guān)系是如何影響土地生產(chǎn)力方面卻長(zhǎng)期處于模糊認(rèn)識(shí)中。

近距離拍攝的綠色大豆田旁邊的成熟小麥丨圖源：veer

不過(guò)，我國(guó)科學(xué)家的一項(xiàng)最新研究成果卻有助于幫助解開這個(gè)謎題。

2022年5月10日，蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院牽頭，并聯(lián)合草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在著名期刊《Agricultural Water Management》上發(fā)表了題為“Water use of intercropped species: Maize-soybean, soybean-wheat and wheat-maize”（玉米-大豆、大豆-小麥和小麥-玉米間作模式的水分利用）的研究成果，明確了在半干旱區(qū)合理配置具有水分互補(bǔ)特性的多樣化種植模式有助于發(fā)揮植物種間正相互作用，以提高土地生產(chǎn)力。

間作如何提高土地生產(chǎn)力？

《孟子》的《公孫丑章句上》中提到“乘勢(shì)待時(shí)，事半功倍”，強(qiáng)調(diào)要學(xué)會(huì)利用有利的形勢(shì)，成就雙倍的功績(jī)。

根據(jù)間作原理，植物若能恰當(dāng)利用正相互作用和補(bǔ)償機(jī)制，就能在生長(zhǎng)事宜上獲得養(yǎng)分富集、資源分享、生態(tài)位互補(bǔ)及降低種間競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)。

此次研究基于以上背景，針對(duì)我國(guó)西北干旱區(qū)水分匱乏問(wèn)題展開。通過(guò)在田間設(shè)置玉米-大豆，小麥-大豆以及玉米-小麥間作系統(tǒng)，研究了不同間作組合種間競(jìng)爭(zhēng)軌跡和土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、不同間作組合光合生理特性和生長(zhǎng)速率，并探究了種間水分互補(bǔ)性對(duì)半干旱區(qū)間作系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。

“物競(jìng)天擇，適者生存”。任何兩個(gè)不同物種之間為爭(zhēng)奪同一資源，都會(huì)展開競(jìng)爭(zhēng)，尤其當(dāng)兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)物種的生活習(xí)性越相似時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)就越激烈，且常常勝負(fù)分明。面對(duì)半干旱區(qū)資源匱乏的情況，競(jìng)爭(zhēng)則更為顯著，物種多樣性也顯得尤為缺乏。

但研究發(fā)現(xiàn)，較之單作系統(tǒng)，與大豆間作能顯著提高玉米、小麥的生物量和最大生長(zhǎng)速率（Imax）。

大豆和玉米作物丨圖源：veer

也就是說(shuō)，在玉米-大豆、大豆-小麥的組合搭配方式中，玉米、小麥都同大豆“脾氣相投”，在整個(gè)生長(zhǎng)期中受大豆的“激勵(lì)作用”共同進(jìn)步，而非優(yōu)勝劣汰。

而大豆就像無(wú)私奉獻(xiàn)、不求回報(bào)的長(zhǎng)者，在促進(jìn)小麥和玉米生長(zhǎng)時(shí)，大豆的生物量和生長(zhǎng)速率并沒(méi)有受到顯著影響。

不止如此，通過(guò)對(duì)各物種在一起生長(zhǎng)的共生期以及補(bǔ)償生長(zhǎng)期的光合特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與大豆間作也顯著提高了玉米和小麥葉片的氮含量、葉綠素含量和光合速率，使玉米和小麥生長(zhǎng)得更加旺盛、所結(jié)果實(shí)數(shù)量更多更飽滿。

春季玉米田附近的大豆成熟丨圖源：veer

然而，小麥與玉米卻是一對(duì)互不謙讓的“冤家”，不僅如此，小麥的競(jìng)爭(zhēng)力要略強(qiáng)于玉米。

在小麥-玉米間作模式下，小麥在共生前期生物量和生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)高于玉米， 雖然玉米在小麥?zhǔn)斋@后的補(bǔ)償生長(zhǎng)期內(nèi)得到恢復(fù)，并逐漸超越，卻不能否認(rèn)與小麥間作對(duì)玉米生長(zhǎng)的抑制作用。

與此同時(shí)，玉米因?yàn)槭艿叫←湹摹按驂骸?，其葉片氮素積累、葉綠素含量、光合速率也出現(xiàn)了顯著下降，并且導(dǎo)致玉米無(wú)法在補(bǔ)償期內(nèi)得到恢復(fù)，使玉米產(chǎn)量遭受了極大的削弱。

三種作物搶水喝

我們可以看出，在大豆的幫助下，大豆、玉米和小麥都獲得了充足的營(yíng)養(yǎng)，不過(guò)光“吃飯”不“喝水”也是不行的，尤其是在水資源匱乏的西北半干旱地區(qū)。

那么，在水資源競(jìng)爭(zhēng)方面，大豆-小麥、大豆-玉米、小麥-玉米這三種間作組合又有什么表現(xiàn)呢？

首先，在整個(gè)生育期，與大豆間作都顯著提高了玉米和小麥條帶0-100cm的土壤含水量。

但到了七月份，小麥成熟耗費(fèi)大量水分，并作為在各層次中占優(yōu)勢(shì)的優(yōu)勢(shì)種，汲取了大豆和玉米條帶的土壤水分進(jìn)行補(bǔ)償利用，導(dǎo)致大豆和玉米條帶的土壤含水量顯著降低。

七月中下旬小麥?zhǔn)斋@后，大豆和玉米進(jìn)入補(bǔ)償生長(zhǎng)期，直到九月中旬，水分才得到了基本補(bǔ)充。

大豆與玉米田在春季成熟丨圖源：veer

孟子強(qiáng)調(diào)，“成功之路中，天時(shí)地利人和為三要素，涵蓋了成功路上的一切”。

于自然界而言，“天時(shí)與地利”為農(nóng)作物生產(chǎn)的環(huán)境條件，“人和”代表人為的物種配置。研究結(jié)果表明，作物多樣性正是依賴于物種配置和環(huán)境條件，才形成具有互補(bǔ)利用優(yōu)勢(shì)的間作物種組合，例如大豆-小麥、大豆-玉米的豆-禾間作體系有利于提升作物生產(chǎn)力。

因此，對(duì)間作物種性狀進(jìn)行合理配置、選擇具有水分互補(bǔ)、利用優(yōu)勢(shì)的間作組合應(yīng)用到半干旱區(qū)，有利于通過(guò)地下生態(tài)位互補(bǔ)來(lái)提高水資源利用效率，促進(jìn)作物增產(chǎn)。

后期，該研究將繼續(xù)根據(jù)環(huán)境條件對(duì)間作物種性狀進(jìn)行合理組合配置，在提高種間互補(bǔ)性的同時(shí)，降低其競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度。

合作共贏是人類立足社會(huì)的一大法寶，這一法寶移至自然界也同樣適用?？茖W(xué)家們戮力同心，間作系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在這樣的通力合作之下，哪怕是極為惡劣的環(huán)境中，也能生長(zhǎng)出哺育一方果實(shí)。

蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院生態(tài)學(xué)博士研究生王偉為文章第一作者，熊友才教授為文章通訊作者。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目、甘肅省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、甘肅省科學(xué)院應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目基金支持。

編輯 | 王婷婷

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標(biāo)簽： 半干旱區(qū) 生長(zhǎng)速率 相互作用