熊友才：植物种间竞合与达尔文农业_新浪财经

　　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。