熊友才:植物种间竞合与达尔文农业

熊友才:植物种间竞合与达尔文农业
2023年04月22日 10:21 市场资讯

  主题为“和而不同,思想无界”的CC讲坛第53期演讲2023年4月15日在北京举行。来自兰州大学生态学院 博士生导师熊友才教授出席,并以《植物种间竞合与达尔文农业》为题发表演讲。

  以下为演讲全文:

  兰州大学位于我国的西北部,那里是最大的大自然了,那里就是诗和远方,心中有诗和远方,就有梦想,今天我要跟大家分享的是关于大自然的故事。

  这个故事要从西北这个诗和远方开始,西北自古以来土壤贫瘠,干旱冷凉,广种薄收,靠天吃饭,这就是我们西北广大的少数民族地区旱地农业发展的一个困境。

  为了提高粮食产量,多产点粮食,有病虫,要打药,土壤肥力不行,要施肥,过度的打药施肥,造成环境污染问题,然后就是连作障碍,水土流失,这都是旱作农业发展的一个大的困境。

  作物单作,一块大田种的全是玉米或者全是小麦,全是马铃薯,由于它们的习性是一样的,对养分的需求是一样的,所以造成有用元素大量地吸收,没有用的元素占优势,所以造成了严重的内卷化,导致土壤和生产系统的不可持续。

  这个问题就是我们旱作农业面临非常大的问题。以化肥为例,我们国家采取了很多措施,要减肥减药。化肥减量,实际上是一个非常困难的事情,过去几年一直在增长。

  我们要思考一个关键的问题,就是怎样实现绿色生产,不打农药,少施化肥,或者是其他的连作障碍,水土流失等等这些问题,还是要从一个基本的生态学理论上面找到答案。

  基本的生态学的祖先就是一百六十四年之前达尔文提出的“进化论”,当时他发现了多个物种在一起的时候,这些物种能够生长得好,能够有很好的生长发育表现。那么对于单独种植的植物来说,它有很多优势,所以这就是在生存竞争法则或者叫做自然选择压力下,物种的形成过程其实上就包含着物种多样性的形成。

  农业种植的多样化给我们带来了革命性的进步,所以这是解决西部旱地农业发展的关键理论基础。

  我们要从这个理论基础上找原因,经过过去一百六十四年的发展,旱地农业以生态学为基础的物种与物种之间的关系,它有一套理论,我给大家先介绍一下。

  物种和物种之间它既有竞争,它也有合作,跟我们人和人之间是一样的,我们人和人之间都有竞争合作关系,只不过在不同的条件下,不同的时间内,这种关系在演变,有时候以竞争为主,有时候以合作为主,但是两者都是有的。

  物种与物种之间的竞争合作关系,竞合关系有正正相互关系,也就是放在一起种,它都长好了,都获益了,或者说一方获益,一方吃亏,但总体上来都获益了,比如说在单位面积的土壤上,它的总的产出是增加了,所以这就是正负关系。那么还有一个正零关系,也就是说一方获益,另外一方不吃亏,也不获益,所以叫正零关系。所以植物之间的关系,种间关系就包含正正关系,正零关系和正负关系。

  那么它也有偏害共生,但是对于作物的种间关系来说,我们主要这三大关系进行演变,这是一个总的理论基础。

  我们举一个简单的例子,比如说我们将豆科作物和禾本科作物(什么叫禾本科作物?玉米、小麦,这就是禾本科作物,豆科作物就是各种豆类)种在一起的时候,它们起到一个相互促进的作用,所以这就是典型的正相互作用,所以豆禾间作带来巨大的生产效应,是我们在达尔文理论在农业生产上面一个很好的实践应用。

  豆科作物它有根瘤菌,它能够把空气中的氮固定成可利用的氮,在土壤当中供给玉米所使用,禾本科作物所使用,禾本科作物它又能够有它的根系的下扎深度,和豆科作物也不一样,所以在水分竞争方面它有一个互补效应。

  那么这两个物种充分说明了两个物种种在一起的时候,尤其是禾豆间作的时候,它有一个巨大的正正相互作用效应。

  我们如何避免竞争,来充分利用它的合作关系,这就是农业生产上面经常要提到的作物间作系统。

  尽量减少竞争,要充分利用合作关系,最广泛的目前是禾豆间作系统,当然有禾禾间作、还有豆豆间作,方式很多。

  那么这就讲到了禾豆间作,也就是说有平行间作、交叉间作,还有零星的交叉式的点缀式混作,这种间作它不利于收获,也不利于播种,更不利于的机械化操作,所以在生产实践上用的少,这几个是在不同时期,在间作系统当中可以利用机械化操作这个原理,在过去多少年当中就被大量实践所证实,理论基础就在于与地下根系相互缠绕,根系相互作用为主所导致的相互作用现象。

  那么玉米单作或者豆科作物单作,它们的产量都不会高,但是把它放在一起的时候,它的产量和生物量得到显著提高,在根底下用隔板或者尼龙网把它隔离出来的时候,正相互作用现象就消失了,所以在盆栽条件下和大田生产条件下,这种现象都得到证实。

  机理是什么?关键是这里面有一个相濡以沫的关系,什么叫相濡以沫?也就是说在土壤贫瘠的条件下,比如说土壤当中的磷元素含量很低,这个时候植物缺磷,豆科作物和禾本科作物种在一起的时候,豆科作物可以酸化土壤,把它的pH值降低,又分泌了酸性磷酸酶和碱性磷酸酶,将不可利用的有机磷转化成可利用磷,这些磷元素含量增加,来促进玉米的生长;玉米反过来在其他方面对豆科作物也起到了相应的促进作用。所以就是机理当中的一个插曲。

  机理总体来说由于根系的相互缠绕,造成物质和能量的交换,造成可利用物质的增加,这样就达到了相互匹配的目的。好比上一桌饭,这一桌上面有米饭也有面食,一堆人过去吃,如果全是北方人来吃,那么大米可能就没人吃,如果全是南方人吃,大家都吃米饭去了,都就不要吃面食了,所以这一桌饭南方人和北方人都有,所以这桌饭就能够吃得好,大家都吃得开心,所以它们之间的食性上的互补,对养分的需求上的互补和空间上的互补,最好的一个促进效应。

  我们刚才讲了它的相互促进效应是非常显著的,也讲解了它的驱动机理,那么机理从正正相互作用到正负相互作用,到正零相互作用,其实是在变化的,我们人和人之间也是一样的,两个人在一起生活,如果说在艰难困苦的创业初期,大家都能够相濡以沫,这样来度过过难关,能够有很好的发展,这就是一个相互支撑,一个正正相互作用;条件改善了以后,就变成什么?正零相互作用,一个人无所谓,另外一个人还在拼命的挣钱,是吧?再到了条件好的时候,两个人就同床异梦了,是不是?所以这就像是一个相互竞争、相互不搭理的状态,一个不好的状态。

  在植物界它也是这样子,所以我们说万物一体,生态学的解释是无论是人类过程还是社会过程还是自然过程,很多东西都是相通的,也就是说植物与植物之间的相互作用,从正相互作用到负相互作用,也就是到竞争,是随着环境条件,可利用自然程度的不一样而发生变化的。

  
所以植物界所发生这些故事对我们人类是有启示的,在困难的创业初期要正相互作用,那么发展起来以后还要保持正相互作用。

  我们课题组过去十年左右的工作,我们做了一个简短的总结,我们这些规律对不对?我们把全世界172个不同的点,不同的国家和地区,不同的人,他们用不同的材料所做的结果进行一个整合分析,就发现这些结果跟我们的趋势是一样的,也就是说在资源可利用,资源条件比较困难的条件下,在逆境条件下,它们的相互作用,特别是生物量、产量、氮的吸收利用和磷的吸收利用,钾的吸收利用,基本上遵循着一个类似的趋势,条件改善了以后,就从合作变成了竞争,所以竞合关系它是一个整个宇宙界所面临的一个朴实的规律。

  这个规律我们是简单的总结,也有机理,是不是说玉米和豆科作物间作的时候,都是起到非常好的作用,都是获益者?

  不一定,就好像我们人一样的,我们上中学的时候,年轻的时候,父母叫我们不要跟不好的人在一起,人的高度,人的成长,经常和你周围的人是息息相关的,你和什么样的人在一起,你将来很可能成为一个什么样的人?

  那么植物界体现得淋漓尽致,当玉米和蚕豆种在一起的时候,蚕豆可没那么客气,蚕豆对水分的吸收,它的初期的生长速率是非常强大的,也就是说在初期玉米长得非常不好,蚕豆长得很好,玉米吃亏了,但是这就决定了玉米和其他的豆科作物,我们所观测到的豌豆、大豆,还有鹰嘴豆、山黧豆等等,这些种在一起的时候,玉米都获益了。

  那么这主要是玉米身边的那个“人”有密切关系,看这个“人”是一个强竞争者,还是个弱竞争者,所以蚕豆是个强竞争者,所以它跟玉米在一起的时候,玉米棒子的尖端,一个尖秃尖越长越大,减产越严重,反之亦然,所以要看它的身边的“人”。

  我们再总结一下刚才讲的禾豆间作,作为种间竞合关系在农业生产上的应用,主要是从空间生态位和时间生态位这两个角度进行了解释。

  空间生态位,就是说它们种在一起都在地里生长的时候,由于豆科作物提供氮素,禾本科作物在水分吸收上面有平衡效应,所以两者之间它都会获得了一定的好处,所以这就是增产的原因之一,其中有一种作物要先收获,它生育期短一点,比如说玉米和大豆种在一起的时候,大豆是先收获的,然后玉米还要在地里长上1~2个月,所以在伴生期的生长和收获以后的补偿生长期,玉米对后期生长得到很大的补充,它前面长得不好没关系,后面的超补偿效应同样的获得高产高效。

  所以这种时间和空间上的生态位,就给我们一个很好的解释,这个实验做了四年,连续的,发现把玉米和小麦种在一起的时候,小麦是竞争力强,所以玉米吃亏了,所以小麦和玉米种在一起,整个的竞争大于合作,所以间作系统的总产量,比如说单位面积内的当量比下降了,总产量下降了,但是玉米和豆科作物种在一起的时候,一般豆科作物是获益的,所以它土地当量比是大约等于1.11,就说明了物种的选择是非常重要的,跟我们周围的人来决定我们的发展方向,来影响到我们的发展和提升一样。

  我刚才讲的是生产功能,实际上我们用专业一点的术语来讲,实际上间作系统能够提高生态系统的服务功能,包括生产功能,那么现在我接着讲生态功能。

  生态功能我们现在面临最大的生态问题,温室气体的排放,就是气候变暖,第二个就是水土流失,是吧?第三,土壤肥力下降,它的可持续性方面遭到严重的挑战。

  在生态方面,第一个方面就是禾豆间作,为什么能够节能减排?我说的这个“能”,是太阳光照到田里面去,植物利用太阳光进行光合作用,那么能不能够用相同的光产出更多的粮食,是不是排放更少的二氧化碳和一氧化亚氮?

  温室气体的排放,农业生产的温室气体排放占全世界整个的排放量的11%,中国农业生产所生产的温室气体排放要远远高于其他国家,所以我们在农业生产的节能减排是非常关键的,所以过去的实验证明,禾豆间作有恰当的物种配置,能够减少氮肥的投入,减少25%,同时能够来提高碳的排放效率,碳的排放效率的提高,意味着同样的产量,我们要减少它的排放量,所以效率的提高,意味着它减排了,那么种间竞争就起到一个相反的效果。

  所以竞合关系,在我们生态学方面,生态效应方面,主要是形成了一个微生物活性和土壤的碳氮比,所以合适的物种配置,它的根系的微生物,活性就增加了,那么土壤当中的碳氮比什么意思呢?

  就像我们炒菜放盐一样的,盐放多了是不行的,所以碳氮比高了,就像炒菜放盐放多了一样,把它下调一下,所以它起到一个调节的驱动作用,这样就能够节能减排,能够把不稳定的碳储存在稳定的碳当中,这样能够来减少温室气体的排放。

  一氧化亚氮了,是第二大排放温室气体,我们将大豆植入到地膜玉米当中去,能够减少一氧化亚氮的排放量,提高氮肥的利用效率,也就是说将尿素用氮15进行标记,把它施加到田里去,然后跟踪观测它的吸收转运和利用,我们得到一个结果,就是一氧化亚氮的排放量减少了,肥料氮利用效率提高了,所以它也是能够节能减排的。

  除了节能减排以外,它在水土流失方面也有非常重要的作用。这个我们所做的实验就是将禾豆间作把土壤结皮植入进去。结皮我们采用的是苔藓结皮,结皮有很多种,有生物结皮,非生物结皮,苔鲜是一种低等植物,长得非常的小,但是它是一种植物,我们在地里面农民种地要养地,所以就撂荒一年或者撂荒两年,这样地里面就长了苔藓,长了一些青苔,青苔就能够养地了,所以我们把苔鲜结皮植入到禾豆间作当中,就发现有非常好的一个水土流失的抑制效应。

  其他的生产效应就更多了,所以这种方式是一种立体式的生物多样性对作物的影响,主要是土壤结皮的植入来丰富了间作系统,它的真菌群落以及微生物多样性以及生长,特别是团聚体的组成变好了,所以这样就增加了它的土壤当中的碳的储量。

  它的最大的一个好处就是减少了地表径流,所以结皮植入和不植入相比较,土壤径流减少了70~80%,这是非常大的一个促进量,这也是我们对物种之间的竞合关系在生态学上的应用,当地表径流在坡面形成的时候,有土壤结皮,有非常强的阻拦效应,减少养分的流失,增加土壤碳氮的储量。

  在生态学效应方面的第三个效应,就是连作效应。一块地,长期种大豆,大豆长不好,长期种马铃薯,马铃薯也长不好,因为它们在常年的耕作过程中,对需要的养分大量的吸收,不需要的养分的逐渐积累变多了,然后对于微生物来讲,有害微生物就逐渐增多,有益微生物就逐渐变少,这是连作障碍带来的一个根本性的原因。那么间作系统能够很好的解决这个问题。

  我们在西北所做的实验,就是大豆和马铃薯间作的时候,它们两个单独居住的时候都不好,它们住在一起的时候,一下子啥毛病都没有了,啥问题都有解决了,是不是?这就是跟我们人类社会非常相通的一个方面,是不是?那就是异地恋总是比同城恋要面临着风险,幸福感完全不一样,是不是?

  所以自然界告诉我们很多道理,我们做人,我们社会的发展,生物界已经给我们了一个很好的启示,这是大的方面的生态效应,还有更多的惊喜在后面。

  山黧豆,是一种抗旱性非常强的旱地作物,上世纪六十年代,其他的作物全是颗粒无收,就是山黧豆,它的抗旱性超强,所以农民就能够收上几袋子放在家里度过饥荒年代,所以山黧豆是抗旱救命,救荒食物,它的蛋白质含量高达30%,是豆科蛋白之王,黄豆只有20%左右。

  这种作物它也抗涝、抗土壤贫瘠,这种豆科作物,我们在柑橘园里面种的时候,就发现它有非常好的促进作用。

  我们在四川南充所做的实验,就是在柑橘园里面,柑橘的行间种了山黧豆,一种下去,行间寸草不生,杂草都没有了,就不用防止除草了,涝灾也没有了,降下来的雨,它很快吸收利用,干旱也没有了,它利用它发达的根系,能够把水分固定在行间距之间,所以柑橘长的质量也好,品质产量也高。

  所以幼苗期我们采用的冬种山黧豆,春季鲜草覆盖,夏季枯草覆盖,秋季自然生发,所以它也不用收割,这就是种间相互作用,种间合作关系的一个最好的例证,它保护着柑橘不断地良好生长,获得产量和品质的提升,就好像是西游记一样的,唐僧被孙悟空保护,是不是?孙悟空什么苦活累活危险的活都干,最后保护唐僧去西天取经,所以山黧豆就相当于孙悟空的作用,所以把它当成绿肥也好,当做是生态平衡器也好,当做是生态系统工程师也好,它的作用是多方位的,所以这个就是我们今天最好的一个例证,我们主张用植物的竞合关系,实现土壤培肥,防涝灾,也能够固碳,同时又抑制杂草,所以这种方式能够以园养园,以草控草,有机替代,绿色防控,所以不打农药,不施化肥的目标就实现了。

  我们再展望一下,不光是中国西北,整个中国都需要绿色生产,都需要减药减肥,防止水土流失,都需要节能减排,从根上来讲,就是因为化肥、农药、地膜这些外来的投入品,投入到农田当中,给土壤造成了严重的破坏,所以我们能够不用这些人为的东西,用自然之法,遵循着自然过程的基本规律来进行农业生产,就是达尔文农业,主要是利用自然之法,从物种组成、空间时间配置等角度来优化整个系统的结构和功能,最后就实现了它们之间的合理配置和绿色生产。

  所以我们要遵循达尔文的理念,再造一个山川秀美的大西北,

  最后祝大家天天开心,有机会到大西北去看一看,关心一下兰州大学,能够到诗和远方的大西北描绘你的心灵。

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责任编辑:梁斌 SF055

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