来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2021/11/19 10:33:22
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FASE | 前沿直播:“作物多样性与可持续农业”专题直播问答

论文标题: “作物多样性与可持续农业”专题直播问答

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

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导语

FASE编辑部有幸邀请到了李隆教授(中国农业大学)和Wopke van der Werf副教授(荷兰瓦格宁根大学)为期刊组织了“作物多样性与可持续农业”专辑,已于今年九月份正式出版(Vol. 8, Iss. 3, 2021)。近期,应广大读者要求,我们又陆续邀请相关作者进行文章在线直播讲解,让科学知识得到更广泛地传播,为读者提供“面对面”的交流。直播内容后期会进入回放状态,读者可随时查看。答疑解惑部分我们将会整理成文,希望能为读者提供更好的服务。

以下为第一场直播问答,提问者以作者网名形式呈现,回答者为主讲人李隆教授。因为时间原因,有些作者的问题没有在直播现场进行解答,后期我们也邀请了李隆教授进行了补充回答。文字整理过程中难免出现错漏,敬请批评指正!

文章亮点

• 中国农业绿色转型需要重构种植体系。

• 利用作物多样化提升生态系统服务是实现可持续农业的关键。

• 作物多样化可改善田块、农场和景观尺度上的生态系统服务。

• 种植体系的设计应适应地域特征与社会经济需求

直播问答

1. Feng:不同豆科植物结瘤固氮的促进物质是否有差异?玉米根系分泌物中的染料木素是促进蚕豆结瘤固氮提高氮利用率的主要原因,而小麦根系分泌物中没有染料木素所以不能促进间作系统的氮利用率。那玉米与其他豆科植物如大豆、豇豆间作是否也能够通过染料木素起相同的促进作用呢?玉米与豆科植物间作是否都会有类似的效应?

答:黄酮类物质在共生结瘤过程中起着关键作用。关于豆科植物根系分泌结瘤信号物质,国内外大量研究主要集中在大豆、苜蓿和菜豆等作物上,对蚕豆根分泌黄酮类信号物质的研究很少。豆科作物根系分泌物黄酮类物质作为信号物质,具有一定的特异性,不同作物具有不同的信号物质。因此,我们在田间条件下发现,玉米和大豆间作后,大豆的固氮能力并没有像蚕豆和鹰嘴豆那样显著提高。我们目前尚没有做添加染料木素对其它豆科作物结瘤作用的研究,这与前面问题类似,即结瘤固氮的信号物质可能具有特异性。

2. 朱国健:有没有针对中药材的相关研究?

答:我们当前主要集中于作物系统范畴的研究,有关中药材的相关研究是个值得探讨的问题。我们国内有些单位,比如福建农林大学的林文雄教授团队在这方面做了一些研究,我读过他们发表在Plant and Soil的研究文章,感兴趣可以去关注。云南农大朱有勇院士团队林下中药材三七间作生产技术也做得很好,你可以关注一下。

3. 今天:李老师,您好!报告非常精彩,受益匪浅。我有一个小问题想请教您,在干旱区间作体系如何灌水施肥?比如灌溉和施肥是按照玉米还是小麦来进行?灌水施肥理论依据是什么?田间如何科学管理?有间套作种植的学术交流群吗?求加入。

答:这也是个具有挑战性的问题。干旱地区,尤其是西北绿洲农业区都是灌溉农业,没有灌溉就没有农业。河西走廊、河套平原一带小麦和玉米间套作(带田)在上世纪80–90年代种植面积大,灌溉不区分具体作物,可以同时灌溉,且灌水用量相对较大。因此,像河西走廊这样缺水的生境条件下,政府不允许进行小麦-玉米这样的间作模式。生产实践中常用的施肥方法是分开施肥,比如施氮肥,先给小麦施氮肥1/3,余下2/3氮肥施给玉米条带。灌水与施肥用量的多少及时间均是依据间作中不同作物的生育期长短及生长特性所制定的。间作的田间管理要比单作复杂很多,同时相应的机械化配套设备需跟上。我们有个项目群,但该项目已结题,新项目尚未启动。你也可以关注我们的“间套作与现代农业”公众号,后面我们可以考虑建立相关的交流群。

4. 董楠:李老师,间作对水稳性大团集体的增加,是短期效应(每年都增加)还是长期效应(连续种植几年之后才会增加)?

答:这个问题很好!我们以往在河西走廊一带的研究表明,这种间作中表层0–20 cm土壤水稳性大团聚体大概4至5年后会出现大于单作的情况,这两年我们在东北的研究结果也表明大概到第4年会出现上面这种现象。但是,其他土壤性状,比如土壤碳、氮等指标的变化相对比较缓慢。

5. 秘一先-草业学院:通过结构方程模拟出是因为哪种微生物起的作用,但是能说明什么呢?怎么应用呢?这种菌的功能我们也没办法鉴别,请问李老师怎么看这个事情呢?

答:首先这种结构方程不是模拟,是我们应对这种复杂的过程中,依赖前人的相关研究经验及结论建立这种模型来体现每种初始变量,如具有不同肥力的土壤类型,间单作等因素变化对因变量的贡献度。我们也做了相关微生物群落结构变化的研究,比如,在宁夏红寺堡的试验中,间作种植通过降低 Nitrospirae 相对多度增强了对大团聚体形成;在甘肃靖远的试验中,间作种植通过增加土壤中的 AMF 生物量促进了大团聚体的形成;在甘肃武威的定位试验中,间作种植则通过增加土壤中的 Sordariales 相对多度促进大团聚体的形成,详情请参阅我们发表在Plant Soil 上一篇题为“Crop diversity facilitates soil aggregation in relation to soil microbial community composition driven by intercropping”的文章。至于应用方面,如何调控微生物群落结构,还需要更多的探索。

6. Cai ZL, NWAFU:李老师你好,想了解一下在设施环境或者温室环境的蔬菜栽培里使用豆类作物的间作套种这个目前有所推进吗?虽然温室土壤中不缺乏氮素,但是的确磷素和钾素损失巨大,若是可以了解有茄果类作物和豆科作物在温室中进行套作的研究将会开启一个新的角度。

答:是的,这是个很好的思路。大棚蔬菜间作实际上已有不少研究,六七年前我在一家书店见到过一套《蔬菜间作套种新技术》,有南方版,北方版。说明这方面还是有很多成熟的技术。大棚土壤硝酸盐的累积,会导致叶菜类硝酸盐含量增加,进而对人体健康造成威胁。我们十多年前也做过玉米与空心菜的间作研究,希望降低空心菜硝酸盐的含量。研究结果表明,玉米对氮素的竞争很强,空心菜硝酸盐的含量确实大幅下降了,比如空心菜单作硝酸盐的含量大概3000 ppm, 与玉米间作后降低到约1300 ppm,相关论文发表在《环境科学学报》 (王晓丽, 李隆, 江荣风, 等. 玉米/空心菜间作降低土壤及蔬菜中硝酸盐含量的研究. 环境科学学报, 2003, 23(4): 463–467)。

7. 杨欢:李老师,您好,替代式间套作的土地利用强度大还是叠加式间套作呢?

答:你说的替代式是英文中“replacement”,添加式是“addition”,对吧?间套作设计有两种方式:一种是在单作里面空出几行来种植其他作物,即替代式;另一种是单作里面直接加行去种其他作物,即添加式。理论上讲,添加式竞争养分更厉害,对土地的利用强度更大。但我们没有做过相关的实验研究。

8. 全志发:李老师您好!水稻间套作这方面的研究有做吗?

答:我们没有做相关研究,但我们南方的各位老师均有做,比如华南农大的王建武,蔡昆争、章家恩等教授所在的生态农业团队做了很多这方面的研究,例如水稻间作后对硅的吸收 (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. 黄山:李老师,您好!请问一下美国和欧洲的农业有什么问题?需要增加间套混种模式?能否简单介绍一下美国与欧洲的农业?那6本书是否可以分享,我们也想学习一下… …

答:美国和欧洲农业整体比较先进,都是集约化大型农业,对化肥和农药的依赖性较高,然而这也导致农业可持续性下降。通过间套种模式可增加农田的生物多样性也是他们现阶段追求的目标之一。比如,我们在报告中提到的欧洲作物多样化集群项目,每个项目都由多国联合来做,涉及整个欧洲;从原理、生产、应用等方面展开研究,改善供应链各环节存在的问题,目的是改善现有的种植体系,增加作物多样性,提高农业的可持续性。

《生物多样性大百科全书》我只参与了其中一个章节的书写 (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),因为版权等问题,我只能分享我自己写的这个章节,重点在于间套作方面增产的机制与原理,可以分享给感兴趣的各位老师和朋友。

10. 高震:不同品种间作有优势吗?

答:这个问题很好。生物多样性有物种多样性和遗传多样性,不同品种的作物间作增加了农田的遗传多样性。云南农大的朱有勇院士20多年前就在做不同品种水稻的间作,比如杂交稻和糯稻的间作。糯稻易感稻瘟病,而杂交稻抗稻瘟病,二者间作后能明显控制糯稻的稻瘟病,这种间作优势是非常明显的,他们的研究结果已于2000年发表在Nature上,题目为“Genetic diversity and disease control in rice”,感兴趣的同行可以去查看。但是如果没有病害的话,不同作物品种间作则不如不同作物物种间作那样有优势,我们的研究发现一部分品种的玉米间作具有一些产量优势,但不是所有作物间作组合都具有优势。但是我们的研究也发现,品种多样性可以增加产量的稳定性。

11. AI:李老师,您好!请问关于间套作等多样化种植对农田温室气体排放的影响研究有没有涉及?关于多样化种植对温室气体排放的研究具体有什么建议?

答:这方面的工作我们做得比较少,请大家关注甘肃农大柴强老师团队的研究,他们在温室气体排放、碳足迹等方面做了大量深入的研究,最近他们还在PNAS上发表了论文 (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)),感兴趣的同行可去下载阅读。我们的少量研究表明,间作土壤中的碳是增加的,CO2的排放可能会降低,目前仅为推断假设。此外,间作体系对土壤中氮素的利用是高的,所以氧化亚氮的排放预测也是降低的。

12. 马军一马平川:请教一下向日葵间套作有可参考模式吗?

答:我曾在内蒙古自治区杭景后旗考察时发现,当地推广春小麦和油葵的间作,种植非常规范,产量优势明显。大概是6、8或12行的小麦与2–3行的油葵带状间作模式为宜。

13. shaozeqiang:感谢李老师的精彩报告!研究显示根系分泌物染料木素促进蚕豆固氮,请教李老师,您认为促进玉米根系染料木素的主要原因是什么?

答:染料木素作为豆科作物结瘤的一种黄酮类信号物质,可能在根毛变形等结瘤的初始反应中发挥重要作用,强化了结瘤固氮的过程。我们的间作研究发现营养液中染料木素的浓度是增加的,但究竟是玉米的存在促进了蚕豆分泌物染料木素增加了还是玉米本身分泌物中的染料木素增加了,我们在研究中并没有对此进行区分实验研究,因为两种作物的根系在营养液中共同生长。有对这方面感兴趣的老师或同学可以继续进行相关研究。

14. 卫得杰:李老师,您好!请问同一作物不同品种间作有什么优势?

答:这个问题的回答请参考前面的第10个问题。需要补充的是,品种之间的间作可能在机械化方面的障碍要小很多,管理相对也比较方便一些。

15. 白计玲:老师您好,请问有针对西北黄土旱区覆盖作物和填闲作物的研究吗?

答:这方面的工作应该有,比如西北农林科技大学高亚军老师做填闲覆盖作物的研究。可以关注一下。

16. shaozeqiang:请问李老师间作盆栽实验的时候,施肥量是按照哪种作物的需肥量进行施用肥料?

答:我们的研究中,两种作物同样施肥。这取决于你要研究的科学问题,如果你的研究不考虑肥料这项因素,那就充分满足,达到不能减产的程度,大多研究都是按照高需肥量作物来设计的。

17. Feng: 谢谢李老师非常精彩的报告,既清晰地讲解了试验设计和过程,也讲清了相关的结论和应用,更重要的是讲清楚了您的研究思路。受益匪浅。还有另外一个问题:间套种尤其是在林下间套中根据林下光资源特点选择耐荫的合适作物是基础,但选择间作物时一个个去试验可能效率太低,请问间作物选择时最重要的考虑因素有哪些?有没有比较好的决策工具软件供参考利用?

答:首先感谢您的肯定,你提的这个问题很有新意。比如大家熟知的云南白药中的一种中药材三七,种植时可选择与林木间作,达到合适的光照需求,避免强光对其造成损害,同时可以有效减轻三七的连作障碍。感兴趣可以关注朱有勇院士的工作。再如,海南的胡椒树是当地非常有特色的经济树种,开花时光照过强,会影响其结实率。当地选择槟榔树与胡椒树间作,槟榔树为胡椒树遮光,增加了胡椒的结实率和品质。相关工作可以关注中国热带农科院香料饮料所的工作。

有关决策的工具软件,据我所知,目前还没有,期望后续有人能够开发相关软件。

18. 野生柳丁:李老师您好!刚听您介绍的盆栽实验,在利用同位素标记来研究玉米与豆科间作的氮素转移方面,大田实验上有没有更深入的研究?

答:我们在大田试验中也进行过类似的15N同位素标记试验,但是在大田试验中影响因素复杂,只在玉米/花生间作中检测到花生向玉米转移了1.34 g/m2的氮素,占花生体内总吸氮量的9.50%。此外,一些田间研究也发现豆科作物对其后茬作物的生长影响较大,感兴趣的老师和同学可以跟进研究。

19. 闫世程:今天晚上听了您的报告,报告非常精彩,受益匪浅,再次感谢您的分享!您报告提到的《全球生物多样性展望》丛书涉及到多样化种植的章节的电子版能否分享一下?非常感谢!另外,我还想请教一下李老师,讲座中您提到干旱区间套作种植耗水量大是限制河西地区小麦玉米间作的因素。如果这个问题解决不了,肯定是整个干旱区间作种植发展的瓶颈。根据您的多年经验是否有解决的办法或可以实现降低耗水的途径?

答:《生物多样性大百科全书》(第二版)中撰写的Crop mixtures and the mechanisms of overyielding章节PDF邮件发送给您。

关于您第二个问题,小麦玉米间套作曾经在河西走廊种植面积很大,由于河西走廊限水,更多的水分配给民勤,没有更多的水灌溉。小麦玉米一般需要灌溉7次水,所以武威等地限制小麦玉米带田种植。当地推广了豌豆和玉米的间套作,种植面积很大,由于这种种植方式只需要灌溉4次,豌豆生长期不需要灌溉,只在玉米生长期灌溉4次即可。就是通过改变作物组合,就可以解决这个问题。可以根据各地的条件,因地制宜,选择合适的作物组合。

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期刊信息

《农业科学与工程前沿》(Frontiers of Agricultural Science and Engineering,简称FASE)是由中国工程院、中国农业大学与高等教育出版社联合主办的国际化英文季刊。FASE于2014年正式创刊,采用开发获取模式,已被SCOPUS、ESCI,DOAJ等数据库收录,2020年SCOPUS数据库CiteScore1.8,位居农业领域Q2区,2020年12月被中国农学会评为“中国农林核心期刊(2020版)”(A类),2021年8月的即时影响因子达到1.33。现任主编是中国工程院院士、中国农业大学资源与环境学院教授张福锁。FASE作为中国工程院院刊的9个分刊之一,承担着面向国内外科研工作者报道农业科学与工程领域最新研究成果和前沿进展、开展学术交流、促进学科发展及提升我国在该领域的学术影响力、拓展学术交流的国际化平台等重要使命。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中13种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

高等教育出版社入选“中国科技期刊卓越行动计划”集群化项目。Frontier系列期刊中:13种被SCI收录;1种被A&HCI收录;6种被Ei收录;2种被MEDLINE收录;11种中国科技核心期刊;16种被CSCD收录。

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