供稿者：魏珣，赵伊琳

当前，全球人口、气候等多重危机交织，饥饿问题不断加剧，一些农业增产措施同时带来化肥农药过度使用、土壤退化等环境问题。未来可持续农业发展必须聚焦于提高生产力的同时也要减少对环境的影响，加强对气候变化的适应力。作物轮作和间作策略在一定程度上可以最大化单位土地面积的作物产量与其生态功能等之间的平衡，但其具体的形成机制和经济环境效益尚未得到系统评估。

为深入研究间作和轮作两种传统的种植制度是否符合世界对未来可持续农业发展的需求，2023年12月15日，北京科技大学、北京中智生物农业国际研究院万向元团队魏珣教授，联合荷兰瓦赫宁根大学、中国人民大学等单位研究人员，在国际期刊Journal of Cleaner Production（TOP1区期刊，IF: 11.1）在线发表题为“How Maize-legume Intercropping and Rotation Contribute to Food Security and Environmental Sustainability (玉米-豆科作物间作和轮作如何贡献粮食安全与环境可持续性)” 研究论文。采用社会科学和文献计量分析方法，对1990-2022年发表的6574篇关于玉米-豆科作物间作和轮作文章的研究热点、趋势等进行了分析；结合全球农业生产实践，提出了玉米-豆科作物间作和轮作发展的U型历史路径，确定了需求牵引的不平衡的世界研究格局；详细调查了两种种植制度的经济和环境效益及其效益形成机制，并提出相关研究的未来发展趋势。文章指出，玉米-豆科作物间作和轮作系统特别是近年来出现的玉米-大豆复种模式相关研究，对激励和帮助面临粮食和环境不安全的国家和地区具有重要价值，为全球可持续发展提供一个可选的方向。

文章首先研究了玉米-豆科作物间作和轮作的历史演变、区域分布格局和发展趋势，详细分析了间作和轮作作为古老农业实践的起源，其在不同地区和农业系统中的应用，以及这些研究与实践随时间的演化和适应变化（图1）。

图1：1990-2022年玉米-豆科作物间作和轮作研究的发展趋势和全球特征

从时间分布上来看，玉米-豆科作物间作和轮作早在公元前6000前就有迹可循，随着绿色革命（Green Revolution）等新兴育种和栽培技术的出现逐渐淡出生产实践，但随着资源环境约束逐渐成为农业生产面临的重要问题，间作与轮作因其良好的可持续性再次成为研究与生产应用的热点。从空间分布来看，间作因低投入、高产出、减缓极端天气带来的灾害损失等特点，在中国、非洲等发展中和欠发达国家和地区更为流行，而轮作则更多作为一种保护性耕作手段在发达国家广泛应用。

在研究重点演化分析中，间作研究早期关注改善土壤肥力和提高产量，随着农业发展目标的多元化逐渐转向关注资源利用效率、种间关系和气候变化。轮作研究则从对土壤肥力、豆类残留物循环、抗生物胁迫能力的关注，转向将轮作作为保护性农业生产实践的重要手段。未来趋势分析显示，学术界将对水、肥利用效率、根系和土壤关系、微生物与作物互作等方面的持续投入，同时需要对间作和轮作以及玉米-大豆复种等新兴模式的效益及其背后机制进行深入研究（图2）。

图2：1990-2022年玉米-豆科作物间作和轮作研究的热点演变及研究趋势

通过对本领域研究的文献计量分析，文章指出间作和轮作的共性关键效益包括提高土壤质量、增加作物产量、提升生物多样性和减少温室气体排放，这些生产实践有助于建立更加可持续和环境友好的农业系统。其中，间作实质是同一个生长季中的空间高效利用，其效益还体现在高光效、减少土壤重金属毒性等；而轮作实质是同一个地块上的时间优化利用，在提高土壤健康水平方面效益显著。通过间作和轮作，可以更有效地利用自然资源，同时减少对化肥和农药的依赖，从而减少环境污染，帮助农业系统适应不断变化的气候和环境条件（图3）。

图3：玉米-豆科作物间作和轮作的关键效益机制

最后，文章还提出玉米-豆科作物间作和轮作相结合的模式——玉米-大豆复种，是应对可持续发展和粮食安全挑战的一种有效手段。玉米-大豆复种的模式可更好地平衡农业生产力提高和环境效益，但未来仍需解决目前制约其推广应用的关键问题，包括缺乏相适应的大型设备、除草剂等化学投入品不兼容以及对劳动力的依赖等。

北京科技大学生物农业研究院博士后赵伊琳为该论文第一作者，魏珣教授和万向元教授为共同通讯作者。该研究得到“十四五”国家重点研发计划、国家科技创新2030重大项目、北京市科技新星计划等资金项目的联合资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.140150

参考文献：

[1] X. Wei, Q. Liu, A. Pu, S. Wang, F. Chen, L. Zhang, Y. Zhang, Z. Dong, X. Wan. Knowledge Mapping of bioeconomy: a bibliometric analysis. Journal of Cleaner Production, 373 (2022), 133824, 10.1016/j.jclepro.2022.133824

[2] X. Wei, J. Luo, A. Pu, Q. Liu, L. Zhang, S. Wu, Y. Long, Y. Leng, Z. Dong, X. Wan. From biotechnology to bioeconomy: a review of development dynamics and pathways. Sustainability, 14 (2022), 10413, 10.3390/su141610413