封面文章 | 多样化种植对提升耕地质量的作用:进展与展望

学术   科学   2024-05-15 15:36   江苏  
作者:田慎重,管西林,宁堂原,孙 涛,张玉凤,边文范,董 亮,高新昊 
单位:山东省农业科学院农业资源与环境研究所,养分资源高效利用全国重点实验室,农业农村部黄淮海平原农业环境重点实验室,农业农村部废弃物基质化利用重点实验室;山东农业大学,农业农村部作物水分生理与抗旱种质改良重点实验室

卷期:《土壤学报2024年第61卷第3

我国长期单一粗放、高强度的耕地资源集约化利用方式及过量的化肥、农药等高投入,导致我国农业主产区土壤质量普遍下降,严重威胁着我国耕地可持续利用和国家粮食安全。在未来不断增长的粮食需求和耕地资源短缺背景下,多样化种植将会在提高生物多样性、生态服务功能和土地生产力等方面发挥越来越重要的作用。目前,人们对多样化种植如何通过土壤物理、化学、微生物等方面的改善提高土壤质量和维持土壤健康的理解还较为局限。


1 多样化种植的内涵和意义





多样化种植的内涵多从“多样性”角度论述,包含了时间和空间维度,蕴含丰富的生态学原理,是生物多样性、植物相互作用、土壤多功能性等原理的实际应用。国内外学者也将多样化种植描述为“作物多样化”、“作物多样性”或“多样化轮作”等。笔者认为,多样化种植的内涵除包含作物多样化或作物多样性含义外,还应包含种植方式的多样化和其多功能属性,即“多样化种植”为“在时间和空间的尺度上,在同一地块通过合理的轮作、间套作、混作或覆盖等方式增加作物多样性,实现提高生物多样性、系统生产力和生态服务功能的种植模式”。

多样化种植通过优化种间和营养生态位差异,增加农田生物多样性和稳定性,提高资源利用效率和系统生产力,对培肥地力、降低土传病害、提高农田生态系统功能等具有重要意义。   

 多样化种植较单一种植能够提高的土壤质量、生态系统稳定性和系统生产力(以间作为例)



2 多样化种植对提升耕地质量的重要作用





多样化种植无论从时间和空间尺度,从其生态属性和环境属性,还是“土壤-作物-环境”共同体层面均体现出对促进耕地土壤健康和提高生态服务功能的重要作用。多样化种植对提升耕地质量的重要作用主要表现在对土壤物理、化学性质的改善,增加土壤生物多样性等方面。

1)多样化种植改善土壤物理性状

一方面可利用不同作物地下根系形态差异及深浅搭配,通过生物耕作影响土壤结构;另一方面,多样化的作物种类带来的不同秸秆类型可通过直接还田、覆盖等形式影响土壤物理性质。

2)多样化种植改善土壤化学性质

多样性高的种植系统增加了植物养分和生产力,对土壤肥力起到正的反馈效应。如多样化种植可以增加碳输入的数量、质量和化学性状多样性,增强了生物-非生物相互作用,对土壤有机碳的形成和储存产生积极影响;多样化种植的种间互作能诱导作物的根系构型和矿质营养吸收相关基因的表达发生变化,形成空间上的营养生态位互补,增强根系吸收矿质营养的能力,同时,可以通过根系分泌物、真菌网络、功能微生物等改善根际环境,提高土壤中矿质营养生物有效性,增强了土壤、微生物和作物之间的生态联系,促进作物对矿质养分的吸收和利用。

3)多样化种植促进土壤生物多样性

多样化种植系统可以丰富AMF群落,改善土壤酶活性状况,提高土壤微生物群落多样性,提高土壤动物多样性和密度,改变土壤中病原菌群落和功能,控制土传病害的发生,维持土壤健康。    

 多样化种植系统改善土壤物理特性

 多样化种植系统促进土壤生物多样性,提高土壤生物功能



3未来展望





如何利用生态学原理设计更多样化、更有弹性的多样化种植体系发挥其对土壤质量提升的生态功能,如何强化作物多样化之间正的相互作用促进耕地土壤健康,如何处理好多样化种植下农机农艺结合及如何将多样化种植融入到现代集约化的农业生产体系中提升土地生产力,关系到多样化种植在耕地质量提升中发挥更大作用。建议未来应加强以下几个方面的研究和探索:

1)发展多功能型的多样化种植模式。

2)完善多样化种植提升耕地质量的理论体系。

3)建立适应现代农业发展的多样化种植技术体系。

4)多样化种植模式的可应用性和推广策略。       

 

作者简介

田慎重
博士,副研究员  
主要从事农田生态与固碳减排、废弃物资源化利用与循环农业、土壤改良培肥等方面的研究工作。成果获山东省科技进步奖、教育部科技进步奖等奖励6项,在国内外期刊发表学术论文60余篇,授权国际发明专利3项、国家发明专利6项,制定山东省地方标准5项。  

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