集约化种植体系通常选择高产品种，实行单作种植，并大量施用化肥和农药，从而获得高产，在保障全球粮食安全中做出了重要贡献。但也一直存在土壤退化，生物多样性丧失、温室气体排放增加，面源污染等一系列环境问题。
图1在西北灌区普遍采用的小麦/玉米（a）、鹰嘴豆/玉米（b）、油菜/玉米（c）、大豆/玉米（d）和蚕豆/玉米（e）间套作模式
与集约化农业单一种植模式相比，多样性种植体系可以降低化肥、农药用量，增加产量，已被大量研究所证实。间套作是在一块地上同时种植两种或者两种以上作物的农业种植方式，如玉米与小麦、蚕豆、大豆、鹰嘴豆、油菜等间套作是农民普遍采用的间套作种植模式（图1）。过去一系列的研究表明，间套作能在大幅提高作物产量的同时充分利用地上部的光热资源和地下部水分养分资源，控制病害等，从而降低化肥和农药的施用量。然而，高产意味着从土壤中每年携出的养分量大幅度增加，对土壤的利用强度加大，高产的趋势是否能够长期维持？特别是土壤肥力如何变化？产量的年际间稳定性如何？这些问题都是农业可持续发展的关键科学问题。
为了回答这些问题，中国农业大学资源与环境学院李隆教授团队和甘肃省农业科学院、宁夏农林科学院研究人员合作，在甘肃武威、靖远和宁夏红寺堡三个地点设置了四个不同基础肥力梯度的间套作定位试验，其中一个定位试验始于2003年，其余三个始于2009年（图2）。
图2李隆教授团队在甘肃武威白云村（Baiyun-1和Baiyun-2），甘肃靖远景滩乡（Jingtan）和宁夏回族自治区红寺堡（Hongsibu）的长期定位试验航拍图
通过这些长达10年以上的定位试验研究，证实无论是等量施肥（间作和单作施肥量相同）和优化施肥（间作施肥量和玉米相同），间作体系产量高均高于单作，多年多点多作物组合平均，间作产量比单作增加22%（图3a, b），且具有更大的时间尺度上的稳定性。此外，随着试验年限的增加，间作的增产效应比单作更加明显（图3c）。
图3. 不同作物组合的间作和相对应单作作物在不同施肥水平下的多年多点平均产量比较（a, b），以及间作和单作作物平均产量随年份的变化趋势（c）。蓝色为间作，红色为单作
更为重要的是，所有试验土壤上的结果均表明，长期间套作可以大幅度增加土壤的大颗粒（粒径大于2 mm）团聚体的含量。在部分土壤上还增加土壤有机质和全氮等指标。证实长期间套作在改善土壤肥力中具有重要作用（图4）。
图4 长期间套作无论是在等量施肥（a）还是优化施肥（b）条件下，均显著增加土壤中大于2mm 粒径的水稳性团聚体含量
Nature Sustainability在同日在线发表了康奈尔大学Matthew Ryan针对该研究的观点文章，认为“持续性和抵御力（resilience）是农业的优先选项。整合了4个田间试验共计46年的结果，用令人信服的数据，证实不同作物间作能够增加产量及其稳定性和土壤肥力。”他还认为“该研究的独特性在于考虑了土壤肥力指标变化，并提出间套作产量增加可能部分是由于土壤肥力的增加”。他也认为，间套作在现代集约化农业中的作用发挥不够，特别是在美国和西方国家。如果能够大面积应用，间套作在粮食安全和降低农业的环境影响方面将有重大积极作用。
该研究工作基于1个历时16年、3个历时10年，设置在高、中、低肥力土壤上的不同作物间作组合，不同施肥水平的长期定位试验，先后有多位合作者和研究生参与田间试验管理、数据收集和样品分析。论文共同第一作者为资环学院已毕业博士研究生李小飞和王志刚，甘肃省农业科学院包兴国、孙建好、杨思存、王成宝、赵建华、车宗贤，宁夏农林科学院王平和桂林国，中国农业大学的硕博士研究生武进普、柳欣茹、田秀丽、王雨、李健鹏、王艳、夏海勇、梅沛沛、王晓凤、于瑞鹏、青年教师张炜平，美国蒙大拿大学Ragan M. Callaway教授和美国明尼苏达大学、加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校David Tilman教授为共同作者，李隆教授为通讯作者。该研究历时10年以上，得到国家自然科学基金重点项目、面上项目、国家重点基础研究发展（973）计划项目和国家重点研发计划等多个项目多年的资助。
李隆教授课题组一直从事间套作体系作物多样性与农田生态系统功能的研究，在该领域发表国际文章70多篇，其中2007和2016年在《美国科学院院刊》(PNAS)上分别发表了间套作体系种间磷素和氮素互惠机理的研究论文。Nature Sustainability研究文章是李隆教授课题组在间套作研究领域的又一重要研究进展。
论文链接：https://rdcu.be/cyMwg
