【CC讲坛】熊友才：植物种间竞合与达尔文农业

熊友才

兰州大学生态学院 教授  博士生导师

达尔文的自然法则思想在作物间跨物种种植中是如何体现的？不同植物物种之间存在竞争与合作关系，人类可以趋利避害，利用种间合作关系可以提高生态系统服务功能。你为我“遮风”，我给你“挡雨”，逆境胁迫下作物间患难见真情，生态位互补与互促优势作用充分发挥，为我们呈现出了农业多样化种植的深邃之形。

今天我要跟大家分享的是关于大自然的故事。

西北自古以来土壤贫瘠，干旱冷凉，广种薄收，靠天吃饭，为了提高粮食产量，有病虫害要打药，土壤肥力不行要施肥，过多的打药施肥，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，我们一块大田里种的全是玉米，或者全是小麦，或者全是马铃薯，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的吸收，没有用的元素占优势，造成了严重的内卷化，导致土壤和生产系统的不可持续。

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一件事情，过去几年是一直在增长。

怎样实现绿色生产，不打农药，少施化肥，或者其他的连作障碍、水土流失等等问题，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，这些物种能够有很好的生长发育表现，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一个关键的理论基础。

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和物种之间，它既有竞争，也有合作，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，它有正正相互关系，也就是说放在一起种，它都长好了，都获益了，或者说正负关系，还有一个正零关系，也有偏害共生。但是对于作物的种间关系来说，我们主要以蓝色字体所显示的这三大关系进行演变，这是一个总的理论基础。

比如我们将豆科作物和禾本科作物种在一起的时候，它们两个起到一个相互促进的作用，所以这就是典型的正相互作用，是我们达尔文理论在农业生产实践上面一个很好的实践应用。

豆科作物它有根瘤菌，能够把空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，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有一个互补效应。

这两个物种充分的说明了两个物种种在一起的时候，它有一个巨大的正正相互作用效应。

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

间作结构用的最广泛的，目前是禾豆间作系统，当然有禾禾间作，还有豆豆间， 间作的方式很多。

玉米单作或者豆科作物单作，它们的产量都不会高，但是把它们放在一起的时候，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，把它隔离开的时候，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。

这个机理是什么？关键是这里面有一个相濡以沫的关系，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，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形成可利用磷。

这些磷元素的增加，促进了玉米的生长，那么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。

这个机理总体来说，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，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，就是最好的一个促进效应。

这个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。

我们人和人之间是一样的，如果说在艰难困苦的创业初期，大家都能够相濡以沫来度过难关，条件改善了以后就同床异梦了，是不是？所以这就像是一个相互竞争的，相互不搭理的状态，是一个不好的状态。

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，它是随着环境条件、可利用资源程度的不一样，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。

这是我们课题组过去十年左右，所做的工作的一个简短的总结，那么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，也就是说在逆境条件下，它们的相互作用，特别是生物量、产量、氮磷钾的吸收利用，基本上遵循着一个类似的趋势，条件改善了以后，它就从合作变成了竞争，所以竞合关系，它是整个宇宙界所面临的普世规律。

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，都是获益者呢？

不一定，就好像我们人一样的，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。

植物界体现的淋漓尽致，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。

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？蚕豆是个强竞争者，所以它跟玉米在一起的时候，玉米减产越严重，所以这里面要看它身边的“人”。

作为种间竞合关系，在农业生产上的应用的话，它们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，也就是说它们种在一起，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，所以这就是它增产的原因之一。

其中有一种作物它要先收获，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，和后期的收获以后的补偿生长期，玉米的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，这个图再把这个现象进一步的总结，这个实验连续做了四年。

发现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，所以总产量下降了。

但是玉米和豆科作物种在一起的时候，一般的豆科作物，它是获益的，它的土地当量比是 1.11，这个就说明了，物种的选择是非常重要的。

实际上间作系统能够提高生态系统的服务功能。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；第三个就是土壤肥力下降，它的可持续性方面，是遭到了一个严重的挑战。

第一个方面，禾豆间作为什么能够节能减排？农业生产温室气体排放比例占整个的排放量的 11%，所以我们在农业生产的节能减排，是非常关键的。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%，同时能够提高碳的排放效率，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，所以碳氮比高了，就像炒菜放盐放多了一样，所以还把它下调一下，它起到一个调节的驱动作用，能够节能减排。

这是一氧化亚氮，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，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，它的一氧化亚氮的排放量减少了，肥料氮的利用效率提高了，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。

这个就是我们所做的实验，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，那么苔藓是一种低等植物，长得非常的小。青苔就能够养地，所以我们把苔鲜结皮植入到禾豆间作当中，就发现它有非常好的水土流失抑制效应。

其他的生产效应就更多了，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，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，土壤结皮，它有非常强的阻拦效应，减少了养分的流失，增加土壤碳氮的储量。

在生态学效应方面的第三个效应，种一块地，长期种大豆，大豆长不好，长期种马铃薯，马铃薯也长不好，因为它们在常年的根作过程中，对需要的养分大量的吸收，不需要的养分逐渐积累，变多了，这是一个，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，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。

这个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，啥问题都解决了。

这就是一个跟我们人类社会非常相通的一个方面，那就是异地恋总是比同城恋，要面临的风险和幸福感完全不一样。

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，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， 闹饥荒 ，其它的作物全是颗粒无收，所以农民就能够收上几袋子放在家里，能够度过饥荒年代，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，它达到了 30%。

这种豆科作物在柑橘园里面在种的时候就发现，它有非常好的促进作用。

我们在四川南充所做的实验，柑橘的行间种了山黧豆，一种下去，其它的杂草都没有了，就不用除草了；第二个涝灾也没有了，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，品质也好 产量也高，这就是种间相互作用，种间合作关系的一个最好的例证。

它保护着柑橘不断的良好生长，获得产量和品质的提升，所以把它当成绿肥也好，当做是生态平衡器也好，当做是生态系统的工程师也好，它的作用是多方位的，所以这就是我们今天的最好的一个例证。

我们主张用植物的竞合关系，实现土壤培肥，能够防涝灾，也能够固碳，同时又抑制杂草，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，这要从根儿上来讲，用自然之法，遵循着自然过程的基本规律，来进行农业生产。

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。

谢谢大家。