出品 | 科普中國

制作 | 雷可欣（重慶大學新聞學）、趙序茅（蘭州大學青年研究員）

監(jiān)制 | 中國科普博覽

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

事實上，人類社會的這種“搭配”方式，同樣適用于農(nóng)作物生產(chǎn)，不過它有一個新的名字——間作，一起來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，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的多樣化種植體系被廣泛的應用于農(nóng)田可持續(xù)性生產(chǎn)中。研究表明，這一種植方式通過利用生態(tài)學原理提升植物間正相互作用和互補性，降低種間競爭強度，從而提高間作系統(tǒng)生產(chǎn)力。

然而，盡管人類運用種間技術(shù)的歷史由來已久，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)力方面卻長期處于模糊認識中。

近距離拍攝的綠色大豆田旁邊的成熟小麥丨圖源：veer

不過，我國科學家的一項最新研究成果卻有助于幫助解開這個謎題。

2022年5月10日，蘭州大學生態(tài)學院牽頭，并聯(lián)合草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室在著名期刊《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“乘勢待時，事半功倍”，強調(diào)要學會利用有利的形勢，成就雙倍的功績。

根據(jù)間作原理，植物若能恰當利用正相互作用和補償機制，就能在生長事宜上獲得養(yǎng)分富集、資源分享、生態(tài)位互補及降低種間競爭的優(yōu)勢。

此次研究基于以上背景，針對我國西北干旱區(qū)水分匱乏問題展開。通過在田間設置玉米-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爭軌跡和土壤水分動態(tài)變化規(guī)律、不同間作組合光合生理特性和生長速率，并探究了種間水分互補性對半干旱區(qū)間作系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。

“物競天擇，適者生存”。任何兩個不同物種之間為爭奪同一資源，都會展開競爭，尤其當兩個競爭物種的生活習性越相似時，競爭就越激烈，且常常勝負分明。面對半干旱區(qū)資源匱乏的情況，競爭則更為顯著，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速率（Imax）。

大豆和玉米作物丨圖源：veer

也就是說，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”，在整個生長期中受大豆的“激勵作用”共同進步，而非優(yōu)勝劣汰。

而大豆就像無私奉獻、不求回報的長者，在促進小麥和玉米生長時，大豆的生物量和生長速率并沒有受到顯著影響。

不止如此，通過對各物種在一起生長的共生期以及補償生長期的光合特性進行研究，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，使玉米和小麥生長得更加旺盛、所結(jié)果實數(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互不謙讓的“冤家”，不僅如此，小麥的競爭力要略強于玉米。

在小麥-玉米間作模式下，小麥在共生前期生物量和生長速率遠高于玉米， 雖然玉米在小麥收獲后的補償生長期內(nèi)得到恢復，并逐漸超越，卻不能否認與小麥間作對玉米生長的抑制作用。

與此同時，玉米因為受到小麥的“打壓”，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，并且導致玉米無法在補償期內(nèi)得到恢復，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養(yǎng)，不過光“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，在水資源競爭方面，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，小麥成熟耗費大量水分，并作為在各層次中占優(yōu)勢的優(yōu)勢種，汲取了大豆和玉米條帶的土壤水分進行補償利用，導致大豆和玉米條帶的土壤含水量顯著降低。

七月中下旬小麥收獲后，大豆和玉米進入補償生長期，直到九月中旬，水分才得到了基本補充。

大豆與玉米田在春季成熟丨圖源：veer

孟子強調(diào)，“成功之路中，天時地利人和為三要素，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，才形成具有互補利用優(yōu)勢的間作物種組合，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，對間作物種性狀進行合理配置、選擇具有水分互補、利用優(yōu)勢的間作組合應用到半干旱區(qū)，有利于通過地下生態(tài)位互補來提高水資源利用效率，促進作物增產(chǎn)。

后期，該研究將繼續(xù)根據(jù)環(huán)境條件對間作物種性狀進行合理組合配置，在提高種間互補性的同時，降低其競爭強度。

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

蘭州大學生態(tài)學院生態(tài)學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。該研究受到國家自然科學基金委國際合作重點項目、甘肅省重點研發(fā)項目、甘肅省科學院應用開發(fā)項目基金支持。

編輯 | 王婷婷

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標簽： 半干旱區(qū) 生長速率 相互作用