蘇本營(yíng)，陳圣賓，李永庚，楊文鈺，*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130;2.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京 210042;3.中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100093)

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是在人類(lèi)干預(yù)和控制下形成的人工生態(tài)系統(tǒng)，具有多種經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)功能［1，2］。農(nóng)業(yè)的集約化、單一化種植，雖然顯著提升了我國(guó)糧食產(chǎn)量，并創(chuàng)造了利用世界5%的土地養(yǎng)活世界22%人口的奇跡，卻嚴(yán)重制約了農(nóng)田其他重要生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮［3-5］。在全球環(huán)境變化的大背景下，提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，探索低投入、高能效利用和能夠自我維持的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式倍受關(guān)注［6-7］。間套作是指在同一塊土地上同時(shí)種植兩種或兩種以上作物的一種種植模式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球間套作農(nóng)田面積在1×109hm2以上，約占耕地面積的3%［8-9］，在沒(méi)有擴(kuò)大土地面積的前提下提高了糧食產(chǎn)量，為解決世界人口的溫飽問(wèn)題做出了重要貢獻(xiàn)。常見(jiàn)的間套作模式主要包括帶狀間作和套作兩種，其中，帶狀間作是指在同一塊田地上的不同行，同時(shí)種植兩種或兩種以上的作物，該模式能夠充分地利用有限的土地資源［8］;而套作則是指當(dāng)一種作物生長(zhǎng)到一定階段(通常是快要成熟時(shí))，在其行間播種另一種或幾種作物，從而能夠充分利用光熱資源，增加復(fù)種指數(shù)，提高糧產(chǎn)量［9］。

研究表明，間套作種植能夠有效提高資源利用率和糧食產(chǎn)量［10-12］，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力［13］，增加水土保持能力［14］，提高土壤肥力［15］，同時(shí)能夠抑制病蟲(chóng)草害的發(fā)生［16-18］，是生態(tài)農(nóng)業(yè)與可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向之一［1，18］。然而，從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)角度論述間套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能的報(bào)道國(guó)內(nèi)外卻較為少見(jiàn)。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究，(1)從系統(tǒng)物質(zhì)生產(chǎn)、土壤肥力維持、生物多樣性保護(hù)、水土保持、病蟲(chóng)草害和有害污染物控制等方面綜述間套作種植對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提升的貢獻(xiàn)和作用，(2)提出了農(nóng)田多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的間套作評(píng)價(jià)指標(biāo)和分析框架，旨在為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和更好地發(fā)揮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提供理論依據(jù) (圖 1)［19］。

1 提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)產(chǎn)品產(chǎn)出

很多研究表明，與單一種植農(nóng)田相比，間套種植模式下，通過(guò)共生作物在時(shí)間和空間上的合理搭配，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能有效提高資源利用率和單位面積糧食產(chǎn)出［16，20-23］。據(jù)報(bào)道，與玉米單一種植相比，玉米和大豆間套作可以提高光能的截獲，降低水分的蒸發(fā)，保持土壤含水量［23］，同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)大豆的密度和布局，還能夠增加玉米的產(chǎn)量［24］。如 Li等研究發(fā)現(xiàn)，玉米與蠶豆或小麥間作，增施有限的磷肥即可促進(jìn)玉米增產(chǎn)25% —40%［8］。

圖1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能涵義［19］Fig.1 Values of agro-ecosystem services［19］

以往的研究主要通過(guò)土地當(dāng)量比，對(duì)間套種植提高資源利用效率，提升生產(chǎn)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)［20-23］。土地當(dāng)量比可以表示為［10］:

式中，LER表示土地當(dāng)量比;Yji表示j作物在間套作農(nóng)田中的單位面積產(chǎn)量;Yjs表示j作物在單一栽培農(nóng)田中的單位面積產(chǎn)量;i表示間套作模式，s表示單一種植模式。當(dāng)土地當(dāng)量比大于1時(shí)，則表示間套作農(nóng)田比單一栽培農(nóng)田生產(chǎn)率高;相反土地當(dāng)量比小于1則表明比單一栽培農(nóng)田生產(chǎn)率低［10］。絕大多數(shù)的研究表明合理的間作套種土地當(dāng)量比均大于1，表明間套作種植能夠提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能。根據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道，LER大多在1.02—1.82之間，但也有報(bào)道稱(chēng)，不合理的間套作土地當(dāng)量比則會(huì)小于1(表1)。

間套作種植模式的增產(chǎn)作用首先可通過(guò)種內(nèi)和種間關(guān)系進(jìn)行解釋?zhuān)魑镌谏L(zhǎng)空間和時(shí)間上的差異和互補(bǔ)，使作物更充分地利用和吸收光照、水分和養(yǎng)分等生長(zhǎng)所必須的資源，并轉(zhuǎn)化成自身的光合物質(zhì)［22］。已有報(bào)道，間套種植由于作物對(duì)光照的競(jìng)爭(zhēng)而形成適宜其光截獲的冠層結(jié)構(gòu)［25-26］;由于對(duì)地下水分和營(yíng)養(yǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致兩作物根系的分布呈明顯的“偏態(tài)”不均衡分布［27］，共生物種根系的差異性分布從而形成了適宜吸收營(yíng)養(yǎng)元素和水分的獨(dú)特根系分布群［28-29］。但也有報(bào)道稱(chēng)，不合理的間套作會(huì)造成共生作物對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)加劇，從而降低作物單位面積的物質(zhì)產(chǎn)出［30］。合理的時(shí)間、空間和物種搭配是間套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)產(chǎn)出服務(wù)功能提升的前提。

2 改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境條件

許多研究表明，間套作種植在改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境方面具有重要的意義，主要表現(xiàn)為:通過(guò)提高養(yǎng)分的利用效率和改善土壤質(zhì)地，減少化學(xué)肥料投入;通過(guò)減少病蟲(chóng)草害的發(fā)生，降低除草劑、殺蟲(chóng)劑和殺菌劑的應(yīng)用;此外，間套作種植還能夠在控制有害重金屬和有機(jī)污染物方面發(fā)揮重要作用。

2.1 維持土壤肥力，提高養(yǎng)分利用效率

間套作種植能夠提高作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用效率。小麥與玉米間套種植可提高小麥對(duì)N、P和K的吸收和利用，從而可使小麥產(chǎn)量提升40%—70%［43］。間套作種植提高養(yǎng)分吸收利用率主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)改善農(nóng)田土壤物理性狀，促進(jìn)植物根系發(fā)育，如Latif等對(duì)豆科植物和玉米間套作的研究表明，豆科植物的引入能夠降低土壤容重和通透阻力，促進(jìn)間套作系統(tǒng)根系的生長(zhǎng)發(fā)育［28］。2)改善土壤化學(xué)性質(zhì)［44］，提高微生物活性和土壤有效氮含量［45］，改變農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤的 N、P等營(yíng)養(yǎng)元素在土壤中的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移［43，46-47］，從而提高肥料的吸收和利用效率。3)豆類(lèi)植物根系分泌物還可以酸化根際土壤，促進(jìn)難溶性土壤磷的活化及玉米對(duì)磷的吸收利用［8］。4)間套作農(nóng)田土壤氮素的淋溶和揮發(fā)等流失會(huì)適當(dāng)?shù)慕档停?3，48］，這也能夠使土壤系統(tǒng)內(nèi)更多的氮素被有效利用。5)豆科植物與固氮微生物形成根瘤共生體進(jìn)行固氮作用也能夠有效提高系統(tǒng)內(nèi)的氮素含量［45］。

表1 不同間套作種植土地當(dāng)量比［10，22，30-42］Table 1 Land Equivalent Ratio in different intercropping systems［10，22，30-42］

間套種植提高養(yǎng)分利用效率，維持土壤肥力的理論基礎(chǔ)為種間作用關(guān)系理論。首先，共生物種的協(xié)作效應(yīng)大于競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)可促進(jìn)共生作物對(duì)資源的高效利用;其次，共生作物復(fù)雜的種間相互作用使土壤理化性質(zhì)和微生物活性發(fā)生改變，營(yíng)造了更有利于其生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境，從而引起作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的高效吸收和利用。間套種植系統(tǒng)內(nèi)豆科作物的固氮作用也是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提高養(yǎng)分利用率和維持土壤肥力的重要途徑。養(yǎng)分利用率的提高和土壤肥力的維持還可降低農(nóng)田化學(xué)肥料的投入，從而減緩由于化肥施用所帶來(lái)的環(huán)境污染，有利于資源的持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 減輕雜草和病蟲(chóng)害發(fā)生

間套作種植能夠有效降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)病蟲(chóng)草害的發(fā)生。農(nóng)田生物多樣性的增加，有利于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)生物間的相互作用，使嚴(yán)重病蟲(chóng)草害爆發(fā)的可能性明顯降低［4］。有研究表明，間套作農(nóng)田里具有數(shù)量較高的害蟲(chóng)天敵，能夠有效的控制害蟲(chóng)的數(shù)量及其對(duì)作物的危害，從而減少殺蟲(chóng)劑的使用［9］。如Risch對(duì)已發(fā)表的150篇大田實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，所涉及到的198種作物害蟲(chóng)豐富度在間套作系統(tǒng)的表現(xiàn)為:其中的53%下降，18%呈上升趨勢(shì)，9%無(wú)顯著變化，20%表現(xiàn)為不確定［49］。間套作對(duì)害蟲(chóng)的控制機(jī)制主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面(圖2):首先，間套作改變了寄主植物的鄰居和小氣候環(huán)境，如間套作系統(tǒng)內(nèi)部溫度降低、濕度增大、光照下降將直接影響到害蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育［50］。再者，間套作增加了害蟲(chóng)的天敵數(shù)量，如大豆、豌豆和豇豆等豆類(lèi)與玉米間作套種能夠顯著降低花薊馬、黑蚜、白蟻等害蟲(chóng)的密度及其對(duì)豆類(lèi)及玉米的危害，這主要就是由間套作增加了害蟲(chóng)的天敵數(shù)量所引起［51］。

間套作對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)病害的發(fā)生和傳播的控制也有較多的報(bào)道［16，52］。Zhu等的研究表明，易發(fā)病水稻品種與抗病性品種間作套種，則易發(fā)病水稻枯萎病發(fā)病率可下降94%，作物產(chǎn)量提高89%［16］。小麥與天藍(lán)苜?；扉g作能夠降低全蝕病對(duì)小麥的影響;黑麥與小麥間作或大麥與燕麥混間作都能夠降低葉片真菌病菌的發(fā)生［53］。與單一栽培相比，豆類(lèi)和玉米混種或行間作均能夠有效的降低白葉枯病和銹病的發(fā)生，兩種間套作分別能夠降低白葉枯病23%和5%，銹病51%和25%［54］。Vieira等對(duì)菜豆與玉米間套種的研究也發(fā)現(xiàn)，間套種可以減輕葉斑病和炭疽病的發(fā)生［52］。間作套作控制病害發(fā)生主要是因?yàn)椴煌牟≡w及有害物質(zhì)有其特定的寄主，對(duì)不同遺傳特征的寄主有其不同的適應(yīng)性，因此多種作物混合種植能夠提供多重功能，限制病原體和有害物質(zhì)的迅速傳播和繁殖，另外，間套作小氣候環(huán)境的改變也將直接影響到作物病害的發(fā)生(圖2)。

控制雜草也是間套作種植的一個(gè)重要生態(tài)效應(yīng)。Abraham和Singh對(duì)高粱與豇豆間套種的研究表明，與單一種植相比，高粱和豌豆間套作能夠截獲更多的光資源及N、P、K營(yíng)養(yǎng)元素從而降低了雜草的密度和干物質(zhì)量［55］;甘薯與玉米間套作，施肥能夠顯著的提高作物的葉面積指數(shù)、光截獲量和營(yíng)養(yǎng)元素的吸收量，從而抑制了雜草的生長(zhǎng)［56］;Saucke和Ackermann對(duì)豌豆和亞麻間套作的研究也表明，混間作與單作相比農(nóng)田雜草蓋度降低了52%—63%［17］;單行或雙行高粱、大豆間套作能夠有效的降低香附子密度(79%—96%)和生物量(71%—97%)［57］。最近的報(bào)道表明，玉米和豆類(lèi)間套作與玉米單一種植相比能夠有效降低雜草豐富度，這主要是由間套作種植系統(tǒng)中雜草可利用光資源顯著降低所引起的［58］。間套作對(duì)雜草的控制可以通過(guò)兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行解釋(圖2)，一是與雜草競(jìng)爭(zhēng)資源，包括對(duì)光照和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)，從而限制了雜草的生長(zhǎng)和繁殖;二是通過(guò)作物自身的化感作用營(yíng)造不利于雜草生長(zhǎng)繁殖的環(huán)境［59］。

圖2 間套作控制病蟲(chóng)草害示意圖Fig.2 Schematic diagram of pests，diseases and weeds control of intercropping

2.3 控制有害污染物

在重金屬污染農(nóng)田中，通過(guò)重金屬富集植物與非重金屬富集作物間套種植可有效減少重金屬在作物中的積累，減少對(duì)人體的危害，還可以通過(guò)非食用植物對(duì)重金屬的富集降低農(nóng)田中的重金屬含量［60］。Gove等的報(bào)導(dǎo)，Zn超富集植物遏藍(lán)菜與大麥間作，減少了大麥對(duì)Zn的吸收，同時(shí)降低了土壤中Zn的含量［61］。不同作物種植在一起會(huì)提高作物對(duì)重金屬的吸收，例如豌豆和大麥間套作種植，豌豆地上部的Cu、Pb、Zn、Cd和Fe濃度是分別是單作的1.5、1.8、1.4、1.4 和1.3 倍［62］;花生或鷹嘴豆與玉米、小麥間套作能加強(qiáng)雙子葉植物對(duì)鐵和鋅的吸收，并提高種子中的鐵、鋅濃度［63］。重金屬在作物中的積累將可能影響其品質(zhì)，甚至危害人身健康，因此在選擇間套作種植進(jìn)行重金屬污染土壤修復(fù)的研究中應(yīng)當(dāng)選擇合適的植物進(jìn)行搭配，所選植物種類(lèi)盡可能即可提高超富集植物對(duì)重金屬的吸收，又能夠降低與之間作的農(nóng)作物重金屬含量。

間套作種植還能夠促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)污染物的降解，玉米、三葉草、黑麥草混作栽培能夠顯著提高菲和芘的降解，其中玉米與黑麥草混作效果最好，60 d后98.2%菲和95.8%芘被去除［64］。南瓜、大豆、南瓜相互間作對(duì)土壤多氯聯(lián)苯降解影響的研究表明，與單作相比，間作對(duì)多氯聯(lián)苯的去除率提高了1.4%—13.5%［65］。其原因可能在于間套作系統(tǒng)能改變根際微環(huán)境的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性，特別是能通過(guò)根系分泌物和其他根際過(guò)程，從而改變根際微生物的種類(lèi)和數(shù)量，改變根際土壤酶的活性和植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)條件［8，66］，最終影響了有機(jī)污染物的根際降解和植物吸收。但其具體機(jī)理還有待于深入的研究。

3 提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

水土保持和生物多樣性保護(hù)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)揮的重要表現(xiàn)，研究表明，間套作種植可通過(guò)擴(kuò)大農(nóng)田地表植被覆蓋和土壤根系分布減少農(nóng)田水土流失的發(fā)生，可通過(guò)作物多樣性的提高營(yíng)造適宜更多昆蟲(chóng)和土壤生物生活的生境，從而保護(hù)更多的生物多樣性。

3.1 水土保持服務(wù)功能提升

水土流失包括水蝕和風(fēng)蝕，是指在水、重力、風(fēng)等外力作用下，水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失［67］。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是水土流失最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約有7.5×1011t肥沃土壤從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)流失［68］。因此，如何降低農(nóng)田(特別是丘陵旱地)土壤侵蝕是農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的最為關(guān)鍵的環(huán)境問(wèn)題之一，也是當(dāng)前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。

研究表明，與豆科植物間套作能夠有效地減少地表徑流，控制水土流失，保障農(nóng)田生產(chǎn)力［9，69］。Zougmore等對(duì)高粱和豇豆間套種植的研究表明，與單一種植相比，間作套種可減少20%—55%的水土流失［70］。間套種植配合秸稈還田、作物殘?bào)w覆蓋，則能夠更有效地減少地表徑流和表層土壤流失，流失率減少達(dá)94%［71］。Ali等對(duì)豆科植物間套作與單一種植進(jìn)行對(duì)比研究也發(fā)現(xiàn)，間套作能夠降低地表徑流，減少土壤、有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失，土壤流失量與有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素的損失呈顯著的正相關(guān)關(guān)系［72］。Chen等對(duì)中國(guó)北方多風(fēng)區(qū)農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，合理的小麥和土豆間作套種可有效地控制風(fēng)蝕和土壤流失［73］。帶狀間套種植也已被該區(qū)域作為控制水土流失的有效措施［74］。間套作種植提升農(nóng)田水土保持服務(wù)功能的機(jī)制在于擴(kuò)大了農(nóng)田地表的植被覆蓋和土壤根系在土壤中的分布范圍，地表植被覆蓋的增加可有效地削弱風(fēng)雨對(duì)土壤的沖擊力，從減少土壤和營(yíng)養(yǎng)的流失;根系分布范圍的擴(kuò)大能夠提升根系對(duì)土壤的固持作用，從而減輕坡地土壤的水土流失。

3.2 生物多樣性保護(hù)加強(qiáng)

生物多樣性是指生命有機(jī)體及其借以生存的生態(tài)復(fù)合體的多樣性和變異性，主要包括:遺傳多樣性、物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和景觀多樣性［75］。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為人類(lèi)干擾最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型，其生物多樣性主要表現(xiàn)為種植作物及多種動(dòng)物、植物和微生物的多樣性［76］。在過(guò)去的幾十年里，世界范圍內(nèi)的生物多樣性喪失呈現(xiàn)出空前水平，農(nóng)業(yè)活動(dòng)是造成生物多樣性喪失的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素［6，77］，如何通過(guò)栽培措施保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性面臨著巨大的挑戰(zhàn)［76］。

研究表明，通過(guò)同一作物的不同基因型搭配種植［16］或不同功能型作物間套種植［78］可有效提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性。與單一栽培相比，間套作能夠提高作物根際微生物的多樣性［45］和土壤動(dòng)物多樣性［78］。Schmidt和Curry對(duì)小麥與三葉草間作農(nóng)田土壤蚯蚓數(shù)量進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，間作農(nóng)田土壤單位面積蚯蚓數(shù)量是單一種植土壤的3.6倍［79］。Jones和Sieving的研究表明，與單一栽培相比，間套作農(nóng)田食蟲(chóng)鳥(niǎo)類(lèi)顯著增加，有利于控制農(nóng)田蟲(chóng)害的發(fā)生［80］。另外，作物間作套種也能夠提高傳粉昆蟲(chóng)多樣性的增加，提高作物授粉比率，從而有利于作物產(chǎn)量的形成［81］。間套種植保護(hù)生物多樣性的機(jī)制在于作物多樣性的提高營(yíng)造了適宜更多昆蟲(chóng)和土壤生物生活的生境［78］，直接促進(jìn)了生物多樣性的提升。另外，土壤肥力自我調(diào)節(jié)的加強(qiáng)［45］，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失的降低［47］及有害物質(zhì)(殺蟲(chóng)劑和除草劑)的降低［16，82］間接地提升了農(nóng)田生物多樣性，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的提高，對(duì)于生物多樣性保護(hù)具有重要意義。

4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多服務(wù)功能的間套作評(píng)價(jià)理論框架及指標(biāo)

4.1 理論框架的構(gòu)建

在綜述間套作對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提升和貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多服務(wù)功能的間套作評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及理論框架。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要涉及物質(zhì)生產(chǎn)、土壤肥力維持、病蟲(chóng)害控制、生物多樣性保護(hù)、水土保持和有害污染物控制等6個(gè)。對(duì)間套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行多服務(wù)功能評(píng)價(jià)時(shí)，首先將單作時(shí)的各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能都標(biāo)準(zhǔn)化為100%，與之相比，間套作時(shí)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功或高于100%或低于100%(圖3)。

4.2 間套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的量化與標(biāo)準(zhǔn)化

參考土地當(dāng)量比的方法，設(shè)計(jì)了各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在間套作和單作間的比較方法。具體量化方法為:(1)物質(zhì)生產(chǎn)功能的量化值以土地當(dāng)量比(LER)進(jìn)行表示［10］;(2)土壤肥力維持和生物多樣性保護(hù)功能的量化值分別以間套作土壤可利用營(yíng)養(yǎng)元素含量和農(nóng)田生物多樣性指數(shù)與相應(yīng)作物凈作土壤的可利用營(yíng)養(yǎng)元素和生物多樣性指數(shù)比值的平均值表示［45，78］。具體公式可表示為:

圖3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的間套作評(píng)價(jià)理論框架Fig.3 Theoretical framework to evaluate the ecosystem services of intercropping cropland

式中，E'為某一功能的量化值，n為間套物種數(shù);Min分別為間套作農(nóng)田土壤可利用營(yíng)養(yǎng)元素含量和生物多樣性指數(shù);Mj為j作物凈作農(nóng)田土壤可利用營(yíng)養(yǎng)元素和生物多樣性指數(shù)。

(3)病蟲(chóng)草害控制、水土保持和有害污染物控制的量化值則以間套作農(nóng)田病蟲(chóng)草害、水土流失和有害物質(zhì)發(fā)生降低的比率加 1 進(jìn)行表示［9，16，55，65，70］，具體公式為:

式中，E'為某一功能的量化值，Min為間套作農(nóng)田病蟲(chóng)草害、水土流失和有害污染物發(fā)生的量;Mj為相應(yīng)j作物凈作農(nóng)田病蟲(chóng)草害、水土流失和有害物質(zhì)發(fā)生的量。

將已進(jìn)行量化的各服務(wù)功能結(jié)合其功能權(quán)重的大小進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，最終得出間套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多服務(wù)功能的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的公式可表示為:

其中E是綜合評(píng)價(jià)指標(biāo);E'j是間套作農(nóng)田第j功能的值;n是功能的個(gè)數(shù);wj，是第j功能的權(quán)重，取值范圍為(0，1)，且n個(gè)權(quán)重之和為1，權(quán)重的值越大則認(rèn)為這個(gè)功能相對(duì)越重要。權(quán)重的值采用經(jīng)驗(yàn)法或調(diào)查統(tǒng)計(jì)法確定。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究表明，到2030年我國(guó)人口將達(dá)到16億，這意味著我國(guó)糧食年增長(zhǎng)率要穩(wěn)定在580Mt左右［5］，才能滿(mǎn)足國(guó)家和人民的需求。然而在全球氣候變化［83］、土地、水、營(yíng)養(yǎng)等資源匱乏［6］、環(huán)境污染加劇［3］的影響下，糧食增產(chǎn)將面臨著巨大的挑戰(zhàn)［7］。如何在這種形式下，提高農(nóng)業(yè)資源利用率和土地產(chǎn)出率實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)，是科學(xué)家和政府共同關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。間套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不但具有為人類(lèi)的生存與發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)物質(zhì)基礎(chǔ)和食物保障的產(chǎn)品服務(wù)功能，還具有巨大的環(huán)境服務(wù)功能價(jià)值和生態(tài)安全價(jià)值［1］，能夠在解決世界糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面做出一定的貢獻(xiàn)。

隨著全球變化加劇、生物多樣性喪失、環(huán)境污染嚴(yán)重及農(nóng)田土壤肥力下降等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)，間套作種植在溫室氣體調(diào)節(jié)、碳固持和水循環(huán)調(diào)節(jié)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面的研究及套作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展及其對(duì)全球變化響應(yīng)方面的研究都有待加強(qiáng)。

［1］Power A G.Ecosystem services and agriculture:tradeoffs and synergies.Philosophical Transactions of the Royal Society B:Biological Sciences，2010，365(1554):2959-2971.

［2］Swinton SM，Lupia F，Robertson G P，Hamilton SK.Ecosystem services and agriculture:cultivating agricultural ecosystems for diverse benefits.Ecological Economics，2007，64(2):245-252.

［3］Guo JH，Liu X J，Zhang Y，Shen JL，Han WX，Zhang WF，Christie P，Goulding K WT，Vitousek P M，Zhang F S.Significant acidification in major Chinese croplands.Science，2010，327(5968):1008-1010.

［4］Altieri M A.The ecological role of biodiversity in agroecosystems.Agriculture，Ecosystems and Environment，1999，74(1/3):19-31.

［5］Fan M S，Shen JB，Yuan L X，Jiang R F，Chen X P，Davies WJ，Zhang F S.Improving crop productivity and resource use efficiency to ensure food security and environmental quality in China.Journal of Experimental Botany，2012，63(1):13-24.

［6］Tilman D，Cassman K G，Matson P A，Naylor R，Polasky S.Agricultural sustainability and intensive production practices.Nature，2002，418(6898):671-677.

［7］Godfray H C J，Beddington J R，Crute I R，Haddad L，Lawrence D，Muir J F，Pretty J，Robinson S，Thomas SM，Toulmin C.Food security:the challenge of feeding 9 billion people.Science，2010，327(5967):812-818.

［8］Li L，Li SM，Sun J H，Zhou L L，Bao X G，Zhang H G，Zhang F S.Diversity enhances agricultural productivity via rhizosphere phosphorus facilitation on phosphorus-deficient soils.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2007，104(27):11192-11196.

［9］Lithourgidis A S，Dordas CA，Damalas CA，Vlachostergios D N.Annual intercrops:an alternative pathway for sustainable agriculture.Australian Journal of Crop Science，2011，5(4):396-410.

［10］Agegnehu G，Ghizaw A，Sinebo W.Yield potential and land-use efficiency of wheat and faba bean mixed intercropping.Agronomy Sustain Development，2008，28(2):257-263.

［11］Metwally A A，Shafik M M，EI-Habbak K E，Abdel-Wahab SI.Yield and land equivalent ratio of intercropped soybean with maize under different intercropping patterns and high population densities.Egyptian Journal of Agronomy，2009，31(2):199-222.

［12］Pypers P，Sanginga JM，Kasereka B，Walangululu M，Vanlauwe B.Increased productivity through integrated soil fertility management in cassavalegume intercropping systems in the highlands of Sud-Kivu，DR Congo.Field Crops Research，2011，120(1):76-85.

［13］Horwith B.A role for intercropping in modern agriculture.BioScience，1985，35(5):286-291.

［14］Leihner D E，Ruppenthal M，Hilger T H，Castillo J A F.Soil conservation effectiveness and crop productivity of forage legume intercropping，contour grass barriers and contour ridging in cassava on Andean Hillsides.Experimental Agriculture，1996，32(3):327-338.

［15］Fustec J，Lesuffleur F，Mahieu S，Cliquet JB.Nitrogen rhizodeposition of legumes.Agriculture Sustainable，2010，3(1):869-881.

［16］ Zhu Y Y，Chen H R，F(xiàn)an JH，Wang Y Y，Li Y，Chen JB，F(xiàn)ang JX，Yang SS，Hu L P，Leung H，Mew T W，Teng P S，Wang Z H，Mundt C C.Genetic diversity and disease control in rice.Nature，2000，406(6797):718-722.

［17］Saucke H，Ackermann K.Weed suppression in mixed cropped grain peas and false flax(Camelina sativa).Weed Research，2006，46(6):453-461.

［18］Shennan C.Biotic interactions，ecological knowledge and agriculture.Philosophical Transactions of the Royal Society B:Biological Sciences，2008，363(1492):717-739.

［19］Millennium Ecosystem Assessment.Ecosystems and Human Well-Being:Synthesis.Washington，D C:Island Press，2005.

［20］James R A，Robert K O.Yield of corn，cowpea，and soybean under different intercropping systems.Crop Science Society of America，1982，75(6):1005-1009.

［21］Ghanbari A，Dahmardeh M，Siahsar B A，Ramroudi M.Effect of maize(Zea mays L.)-cowpea(Vigna unguiculata L.)intercropping on light distribution，soil temperature and soil moisture in and environment.International Journal of Food，Agriculture and Environment，2010，8(1):102-108.

［22］Echarte L，Maggiora A D，Cerrudo D，Gonzalez V H，Abbate P，Cerrudo A，Sadras V O，Calvino P.Yield response to plant density of maize and sunflower intercropped with soybean.Field Crops Research，2011，121(3):423-429.

［23］Undie U L，Uwah D F，Attoe E E.Effect of intercropping and crop arrangement on yield and productivity of late season maize/soybean mixtures in the humid environment of South Southern Nigeria.Journal of Agricultural Science，2012，4(4):37-51.

［24］Waddington SR，Mekuria M，Siziba S，Karigwindi J.Long-term yield sustainability and financial returns from grain legume-maize intercrops on a sandy soil in subhumid north central Zimbabwe.Experimental Agriculture，2007，43(4):489-503.

［25］Gao Y，Duan A W，Qiu X Q，Sun JS，Zhang JP，Liu H，Wang H Z.Distribution and use efficiency of photosynthetically active radiation in strip intercropping of maize and soybean.Agronomy Journal，2010，102(4):1149-1157.

［26］He H M，Yang L，F(xiàn)an L M，Zhao L H，Wu H，Yang J，Li CY.The effect of intercropping of maize and soybean on microclimate.Computer and Computing Technologies in Agriculture，2012，369:257-263.

［27］Zhang E H，Huang G B.Temporal and spatial distribution characteristics of the crop root in intercropping system.Chinese Journal of Applied Ecology，2003，14(8):1301-1304.

［28］Gao Y，Duan A W，Qiu X Q，Liu Z G，Sun J S，Zhang J P，Wang H Z.Distribution of roots and root length density in a maize/soybean strip intercropping system.Agricultural Water Management，2010，98(1):100-212.

［29］Zhang H B，Ren W J，Yang W Y，Wu X Y，Wang Z，Yang J Z.Effect of different nitrogen levels on morphological and physiological characteristics of relay-planting soybean root.Acta Agronomica Science，2007，33(1):107-112.

［30］Fan F L，Zhang F S，Song Y N，Sun JH，Bao X G，Guo TW，Li L.Nitrogen fixation of faba bean(Vicia faba L.)interacting with a non-legume in two contrasting intercropping systems.Plant and Soil，2006，283(1/2):275-286.

［31］LI Q Z，Sun J H，Wei X J，Christie P，Zhang F S，Li L.Overyielding and interspecific interactions mediated by nitrogen fertilization in strip intercropping of maize with faba bean，wheat and barley.Plant and Soil，2011，339(1/2):147-161.

［32］Zhang G G，Yang Z B，Dong ST.Interspecific competitiveness affects the total biomass yield in an alfalfa and corn intercropping system.Field Crops Research，2011，124(1):66-73.

［33］Vishwanatha S，Koppalkar B G，Anilkumar SN，Desai B K，Naik V.Economics and yield advantages of pigeonpea and sunflower intercropping system influenced by fertilizer management.Research Journal of Agricultural Sciences，2011，2(3):248-251.

［34］Mason SC，Leihner D E，Vorst J J.Cassava-cowpea and cassava-peanut intercropping.Ⅰ.Yield and land use efficiency.Agronomy Journal，1984，78(1):43-46.

［35］Carruthers K，Prithiviraj B，F(xiàn)e Q，Cloutier D，Martin R C，Smith D L.Intercropping corn with soybean，lupin and forages:yield component responses.European Journal of Agronomy，2000，12(2):103-115.

［36］Liu Y H，Zhang L F.Quantitative evaluation of land use efficiency under different cropping patterns.Scientia Agricultura Sinica，2006，39(1):57-60.

［37］Banik P，Midya A，Sarkar B K，Ghose S S.Wheat and chickpea intercropping systems in an additive series experiment:Advantages and weed smothering.European Journal of Agronomy，2006，24(4):325-332.

［38］Caviglia OP，Sadras V O，Andrade F A.Yield and quality of wheat and soybean in sole-and double-cropping.Agronomy Journal，2011，103(4):1081-1089.

［39］Sarlak S，Aghaalikhani M，Zand B.Effect of plant density and mixing ratio on crop yield in sweet corn/mungbean intercropping.Pakistan Journal of Biological Sciences，2008，11(17):2128-2133.

［40］Hauggaard-Nielsen H，Gooding M，Ambus P，Gorre-Hellou G，Crozat Y，Dahlmann C，Dibet A，von Fragstein P，Pristeri A，Monti M，Jensen E S.Pea-barley intercropping for efficient symbiotic N2-fixation，soil N acquisition and use of other nutrients in European organic cropping systems.Field Crops Research，2009，113(1):64-71.

［41］Ghosh P K.Growth，yield，competition and economics of groundnut/cereal fodder intercropping systems in the semi-arid tropics of India.Field Crops Research，2004，88(2/3):227-237.

［42］Gao Y，Duan A W，Sun J S，Li F S，Liu Z G，Liu H，Liu Z D.Crop coefficient and water-use efficiency of winter wheat/spring maize strip intercropping.Field Crops Research，2009，111(1/2):65-73.

［43］Li L，Sun J H，Zhang F S.Intercropping with wheat leads to greater root weight density and larger below-ground space of irrigated maize at late growth stages.Soil Science and Plant Nutrition，2011，57(1):61-67.

［44］Song Y N，Zhang F S，Marschner P，F(xiàn)an F L，Gao H M，Bao X G，Sun H J，Li L.Effect of intercropping on crop yield and chemical and microbiological properties in rhizosphere of wheat(Triticum aestivum L.)，maize(Zea mays L.)，and faba bean(Vicia faba L.).Biology and Fertility of Soils，2007，43(5):565-574.

［45］Singha N B，Singha P P，Naira K P P.Effect of legume intercropping on enrichment of soil Nitrogen，bacterial activity and productivity of associated maize crops.Experimental Agriculture，1986，22(4):339-344.

［46］Kolawolea G O.Effect of phosphorus fertilizer application on the performance of maize/soybean intercrop in the southern Guinea savanna of Nigeria.Archives of Agronomy and Soil Science，2012，58(2):189-198.

［47］Yong T W，Yang W Y，Xiang D B，Wan Y，Liu W G，Wang X C.Effect of Wheat/Maize/Soybean and Wheat/Maize/Sweet potato relay strip intercropping on soil nitrogen content and nitrogen transfer.Acta Agronomica Science，2012，38(1):148-158.

［48］Oelbermann M，Echarte L.Evaluating soil carbon and nitrogen dynamics in recently established maize-soybean inter-cropping systems.European Journal of Soil Science，2011，62(1):35-41.

［49］Risch SJ.Intercropping as cultural pest control:prospects and limitations.Environmental Management，1983，7(1):9-14.

［50］Langer V，Kinane J，Lyngkaer M.Intercropping for pest management:the ecological concept//Koul O，Cuperus G W，eds.Ecologically Based Integrated Pest Management.Wallingford:CAB International，2007:74-110.

［51］Kyamanywa S，Ampofo JK O.Effect of cowpea/maize mixed cropping on the incident light at the cowpea canopy and flower thrips(Thysanoptera:Thripidae)population density.Crop Protection，1988，7(3):186-189.

［52］Vieira R F，de Paula Júnior T J，Teixeira H，Vieira C.Intensity of angular leaf spot and anthracnose on pods of common beans cultivated in three cropping systems.Ciência E Agrotecnologia，2009，33(S1):1931-1934.

［53］Vilich-Meller V.Mixed cropping of cereals to suppress plant diseases and omit pesticide applications.Biological Agriculture and Horticulture，1992，8(4):299-308.

［54］Fininsa C.Effect of intercropping bean with maize on bean common bacterial blight and rust diseases.International Journal of Pest Management，1996，42(1):51-54.

［55］Abraham C T，Singh S P.Weed management in sorghum-legume intercropping systems.The Journal of Agricultural Science，1984，103(1):103-115.

［56］Olasantan F O，Lucas E O，Ezumah H C.Effects of intercropping and fertilizer application on weed control and performance of cassava and maize.Field Crops Research，1994，39(2/3):63-69.

［57］Iqbal J，Cheema Z A，An M.Intercropping of field crops in cotton for the management of purple nutsedge(Cyperusrotundus L.).Plant and Soil，2007，300(1/2):163-171.

［58］Bilalis D，Papastylianou P，Konstantas A，Patsiali S，Karkanis A，Efthimiadou A.Weed-suppressive effects of maize-legume intercropping in organic farming.International Journal of Pest Management，2010，56(2):173-181.

［59］Olorunmaiye P M.Weed control potential of five legume cover crops in maize/cassava intercrop in a Southern Guinea savanna ecosystem of Nigeria.Australian Journal of Crop Science，2010，4(5):324-329.

［60］Wei Z B，Guo X F，Qiu J R，Chen X，Wu Q T.Innovative technologies for soil remediation:intercropping or co-cropping.Journal of Agro-Environment Science，2010，29(S1):267-272.

［61］Gove B，Hutchinsona J J，Younga SD，Craigonb J，McGrathc SP.Uptake of Metals by Plants Sharing a Rhizosphere with the Hyperaccumulator Thlaspi caerulescens.International Journal of Phytoremediation，2002，4(4):267-281.

［62］Luo C L，Shen Z G，Li X D.Root exudates increase metal accumulation in mixed cultures:Implications for naturally enhanced phytoextraction.Water，Air and Soil Pollution，2008，193(1/4):147-154.

［63］Zuo Y，Zhang F.Iron and zinc biofortification strategies in dicot plants by intercropping with gramineous species:a review.Agronomy for Stainable Development，2009，29(1):63-71.

［64］Xu SY，Chen Y X，Wu W X，Wang K X，Lin Q，Liang X Q.Enhanced dissipation of phenanthrene and pyrene in spiked soils by combined plants cultivation.Science of the Total Environment，2006，363(1/3):206-215.

［65］Zhuo S，He H Z，Li H S，Qin ZX，Wen X Y，Li Y J.Effects of Rhizo-remediation polychlorinated biphenyl contaminated soil under intercropping system.Journal of Agro-Environment Science，2010，29(1):73-77.

［66］Li L，LIX L，Zhang F S.Facilitation of wheat to phosphorus uptake by soybean in the wheat-soybean intercropping.Acta Ecologica Sinica，2000，20(4):629-633.

［67］Van Oost K，Quine TA Govers G，De Gryze S，Six J，Harden JW，Ritchie JC，McCarty GW，Heckrath Kosmas GC，Giraldez JV，Marques da Silva JR，Merckx R.The impact of agricultural soil erosion on the global carbon cycle.Science，2007，318(5850):626-629.

［68］Montgomery D R.Soil erosion and agricultural sustainability.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2007，104(33):13268-13272.

［69］Xiang D B，Yong T W，Yang W Y，Yu X B，Guo K.Effects of planting system on soil and water conservation and crop output value in a sloping land of Southwest China.Chinese Journal of Applied Ecology，2010，21(6):1461-1467.

［70］Zougmore R，Kambou F N，Ouattara K，Guillobez S.Sorghum-cowpea intercropping:an effective technique against runoff and soil erosion in the Sahel(Saria，Burkina Faso).Arid Soil Research and Rehabilitation，2000，14(4):329-342.

［71］Wall G J，Pringle E A，Sheard R W.Intercropping red clover with silage corn for soil erosion control.Canadian Journal of Soil Science，1991，71(2):137-145.

［72］Ali I，Khan F，Bhatti A U.Soil and nutrient losses by water erosion under mono-cropping and legume inter-cropping on sloping land.Pakistan Journal of Agricultural Research，2007，20(3/4):161-166.

［73］Chen Z，Cui H M，Wu P，Zhao Y L，Sun Y C.Study on the optimal intercropping width to control wind erosion in North China.Soil and Tillage Research，2010，110(2):230-235.

［74］Liu X B，Zhang SL，Zhang X Y，Ding G W，Cruse R M.Soil erosion control practices in Northeast China:a mini-review.Soil and Tillage Research，2011，117:44-48.

［75］Ma K P.Discuss the concept of biodiversity.Chinese Biodiversity，1993，1(1):20-22.

［76］Butler SJ，Vickery J A，Norris K.Farmland biodiversity and the footprint of agriculture.Science，2007，315(5810):381-384.

［77］Tilman D，F(xiàn)argione J，Wolff B，D'Antonio C，Howarth R，Schindler D，Swackhamer D.Forecasting agriculturally driven global environmental change.Science，2001，292(5515):281-284.

［78］Rothwell A，Chaney K，Haydock P.The impact of cultivation techniques on earthworm populations.Soil Biology，2011，24:159-172.

［79］Schmidt O，Curry J P.Population dynamics of earthworms(Lumbricidae)and their role in nitrogen turnover in wheat and wheat clover cropping systems.Pedobiologia，2001，45(2):174-187.

［80］Jones G A，Sieving K E.Intercropping sunflower in organic vegetables to augment bird predators of arthropods.Agriculture，Ecosystems and Environment，2006，117(2/3):171-177.

［81］Frimpong E A，Gemmill-Herren B，Gordon I，Kwapong P K.Dynamics of insect pollinators as influence by cocoa production systems in Ghana.Journal of Pollination Ecology，2011，5(10):74-80.

［82］Bannon F J，Cooke B M.Studies on dispersal of Septoria tritici pycnidiospores in wheat-clover intercrops.Plant Pathology，1998，47(1):49-56.

［83］Schmidhuber J，Tubiello F N.Global food security under climate change.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2007，104(50):19703-19708.

參考文獻(xiàn):

［27］張恩和，黃高寶.間套種植復(fù)合群體根系時(shí)空分布特征.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，14(8):1301-1304.

［29］張含彬，任萬(wàn)軍，楊文鈺，伍曉燕，王竹，楊繼芝.不同施氮量對(duì)套作大豆根系形態(tài)與生理特性的影響.作物學(xué)報(bào)，2007，33(1):107-112.

［36］劉玉華，張立峰.不同種植方式土地利用效率的定量評(píng)價(jià).中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，39(1):57-60.

［47］雍太文，楊文鈺，向達(dá)兵，萬(wàn)燕，劉衛(wèi)國(guó)，王小春.小麥/玉米/大豆和小麥/玉米/甘薯套作對(duì)土壤氮素含量及氮素轉(zhuǎn)移的影響.作物學(xué)報(bào)，2012，38(1):148-158.

［60］衛(wèi)澤斌，郭曉方，丘錦榮，陳嫻，吳啟堂.間套作體系在污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(S1):267-272.

［65］卓勝，賀鴻志，黎華壽，秦之璇，溫賢有，李擁軍.植物間作體系根際修復(fù)土壤多氯聯(lián)苯的效應(yīng).農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(1):73-77.

［66］李隆，李曉林，張福鎖.小麥/大豆間作中小麥對(duì)大豆磷吸收的促進(jìn)作用.生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，20(4):629-633.

［69］向達(dá)兵，雍太文，楊文鈺，于曉波，郭凱.不同種植模式對(duì)西南坡地水土保持及作物產(chǎn)值的影響.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21(6):1461-1467.

［75］馬克平.試論生物多樣性的概念.生物多樣性，1993，1(1):20-22.