李小飛，韓迎春，王國平，王占彪，馮璐，楊北方，范正義，雷亞平，熊世武，邢芳芳，李亞兵

（中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所/ 棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽455000）

棉花是我國重要的經(jīng)濟作物，在整個國民經(jīng)濟中占有非常重要的地位，除西藏、青海、黑龍江三省外均有種植。 據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)庫資料顯示， 我國棉花常年種植面積約400 萬公頃，平均籽棉產(chǎn)量為3 800 kg·hm－2[1]。 目前中國棉花的單產(chǎn)和總產(chǎn)居于世界第一位，新疆棉花單產(chǎn)及總產(chǎn)在中國遠遠高于全國平均水平，2016 年新疆棉區(qū)單產(chǎn)每公頃高達1 991 kg， 總產(chǎn)達到359 萬t，占全國棉花總產(chǎn)量的67%[2]。 但是近十年來由于對糧食作物的重視、蔬菜種植面積的擴大，我國棉花種植面積呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢。 例如，2007 年我國植棉面積為593 萬hm2，但截止2016年，我國植棉面積下降到338 萬hm2[2]。 棉花與糧食作物及其他作物之間的爭地矛盾已成為制約棉花生產(chǎn)的重要因素之一。 依靠兩熟和多熟種植可以實現(xiàn)在有限的耕地上同時滿足糧、棉、油、菜、飼料等多種農(nóng)產(chǎn)品的需求[3]。棉田間套復合種植體系不僅能有效地緩解糧棉、經(jīng)棉和果棉爭地矛盾，同步實現(xiàn)棉花與其他作物增產(chǎn)增收[4]，而且還可以作為協(xié)調(diào)作物產(chǎn)量與生物多樣性保護二者之間矛盾的有效手段[5]。 因此，在農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展研究中越來越受到人們的重視和應用[6]。

1 棉田間套復合體系發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢預測

早在20 世紀60―70 年代， 我國棉田就由一熟制改革調(diào)整為麥棉、油棉和豆棉兩熟制。20世紀80 年代中后期， 在鞏固兩熟制的基礎上，基本實現(xiàn)了糧菜棉、糧飼棉等三熟制。 21 世紀初， 全國棉田兩熟和多熟種植面積占總棉田面積的2/3，復種指數(shù)達到156%。 近年來，為了實現(xiàn)棉花輕簡化和機械化生產(chǎn)， 我國棉田間套復合種植所占的比例穩(wěn)中有降，復種指數(shù)降低[7]。隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整， 棉田間套復合體系也表現(xiàn)出了多元性和多樣性， 已形成穩(wěn)定的種植制度。總體來看，棉田套作模式已經(jīng)由過去的麥棉套作改為棉花與多種作物套作， 歸納起來有四大作物搭配類型，即棉菜型、棉果型、棉藥型、棉油糧（飼）型[7]。

雖然目前我國還沒有間作套種面積的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，但從一些報道也可以說明間作套種在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中仍然占有一定地位[8]。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國常年間（套）作種植面積約2 800 萬hm2[9]?；谵r(nóng)戶尺度上的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，較2009 年相比，2014 年我國間（套）作和農(nóng)林復合系統(tǒng)的種植面積并沒有呈現(xiàn)大幅度降低的趨勢[10]。 棉田一年一熟制為主的種植制度已初現(xiàn)弊端， 棉花/ 綠肥套作可以很好地解決冬季地表裸漏問題，降低養(yǎng)分淋溶，提高肥力，具有巨大的應用前景[11]。 中國西南部旱地面積比率高，復種程度高，是典型的旱作多熟農(nóng)業(yè)區(qū)，間（套）作年種植面積達358萬hm2，對該地區(qū)糧食增產(chǎn)起到了重要作用[12]。此外， 國家政策也大力支持和推廣輪作和間作套作，支持因地制宜開展生態(tài)型復合種植，科學合理利用耕地資源，促進種地養(yǎng)地結(jié)合。 因此，綠色生態(tài)可持續(xù)的大背景下，間作套種在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。

2 棉田間套復合體系提升生態(tài)系統(tǒng)服務功能

生態(tài)系統(tǒng)服務功能是指生態(tài)系統(tǒng)形成和所維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用，是人類賴以生存的基礎。 可歸納為提供產(chǎn)品功能、調(diào)節(jié)功能、文化功能和支持功能[13]。 棉田間套復合種植能夠提升生態(tài)系統(tǒng)服務功能，如增加生物多樣性、 系統(tǒng)生產(chǎn)力和經(jīng)濟效益，提高光熱利用效率，改善作物品質(zhì)和控制病蟲草害等（表1）。

2.1 增加生物多樣性

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為人類干擾最為嚴重的生態(tài)系統(tǒng)類型。 在過去的幾十年里，世界范圍內(nèi)的生物多樣性加速降低，農(nóng)業(yè)活動是造成生物多樣性降低的1 個重要驅(qū)動因素，通過栽培措施保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性面臨著巨大的挑戰(zhàn)[13]。在棉田間套復合種植體系中，不同種類作物的生物學特性以及各個生育期內(nèi)對環(huán)境的影響也不盡相同，無論是從外部表現(xiàn)、內(nèi)部冠層結(jié)構(gòu)，還是根系在土壤空間的分布上，徹底改變了單作棉田生物結(jié)構(gòu)單一的問題，因此增加了作物時間和空間上的多樣性。 同時，地上部多樣性與地下部多樣性存在緊密聯(lián)系，多樣性種植體系勢必會對地下部多樣性產(chǎn)生影響，包括根系化學成分、分泌物組成和微生物群落結(jié)構(gòu)等[14]。 在砂培條件下研究3∶1 式麥棉套作棉花根系分泌物對土壤微生物的影響，結(jié)果表明棉花根系分泌物可以改變微生物群落結(jié)構(gòu)，細菌和真菌的數(shù)量分別比對照高49.8%和52.9%， 增加地下部微生物的多樣性[15]。微生物群落組成的變化與土壤氮素礦化速率和氮有效性密切相關[16]。

表1 棉田間套復合種植強化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能Table 1 Cotton-based intercropping systems enhance agroecosystem services and functioning

2.2 增加系統(tǒng)生產(chǎn)力和經(jīng)濟效益

近來的研究表明，與單一作物的連續(xù)種植相比，棉田間套復合體系具有生產(chǎn)力優(yōu)勢[17-18]。 土地當量比（Land equivalent ratio, LER）常被用來評價間（套）作體系是否具有間作優(yōu)勢[19]，定義為獲得與間作相同產(chǎn)量時所需要的單作的土地面積。當LER ＞1，表明間作具有生產(chǎn)力優(yōu)勢[20]。在黃河流域地區(qū)，不同行比配置模式的麥/ 棉套作LER為1.28～1.39， 地上部氮素累積量比單作高出40%～70%，表現(xiàn)出了明顯的間作優(yōu)勢[17,21]。 Feng等[22]對比不同棉花種植模式下的投入量和產(chǎn)出量，結(jié)果表明，麥棉兩熟種植能夠增加系統(tǒng)周年經(jīng)濟效益10.9%～74.4%。 蒜套春棉由于具有較高的經(jīng)濟效益， 因此在魯西南棉區(qū)被普遍采用[23-24]。 在長江流域地區(qū)，與單作棉花相比，麥/棉套作、麥后移栽棉和麥后直播棉平均小麥和棉花周年經(jīng)濟產(chǎn)量 （小麥籽粒產(chǎn)量與籽棉產(chǎn)量）增產(chǎn)120.2%～162.6%[25]。 黨小燕等[26]研究新疆地區(qū)不同作物與棉花間作對土地當量比的影響，表明棉花與鷹嘴豆、花生、洋蔥、蘿卜間作后LER 分別為1.02、1.30、1.12、1.68，均大于1。此外，國際上也有相關的報道。印度棉花/洋蔥間作時棉花的等價產(chǎn)量（Cotton equivalent yield）為1 974 kg·hm－2，顯著高于單作棉花的1 779 kg·hm－2[27]。 Jayakumar 和Surendran[28]也得出相似的研究結(jié)果：棉花/ 洋蔥和棉花/ 黑豆間作時棉花等價產(chǎn)量分別比單作棉花高出21.2%和13.3%。 在非洲，1∶1 和1∶2行比模式豇豆/ 棉花間作體系的LER 分別為1.4 和1.3[29]。 因此，合理的棉花間（套）作LER均大于1，表明棉花間（套）作種植能夠提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能。然而，不合理的間（套）作也會造成共生作物對資源的競爭加劇， 從而降低作物單位面積的物質(zhì)產(chǎn)出[30]。合理的時間、空間和物種搭配是棉田間套復合體系增加生產(chǎn)力的前提。

2.3 提高光熱利用效率

光合有效輻射PAR（Photosynthetically active radiation） 是指太陽輻射中能被作物吸收并用來進行光合作用的那部分能量。 作物群體光能利用率與群體冠層結(jié)構(gòu)密切相關，直接影響其光合特性，進而影響生物學產(chǎn)量。 不同類型作物輻射利用效率存在顯著差異，不同類型作物搭配組合可構(gòu)建合理的冠層結(jié)構(gòu)，改善冠層輻射傳輸，提高群體光能利用率[31]。Du 等[32]研究不同麥棉種植模式對冠層光能截獲和利用效率的影響，結(jié)果表明麥棉兩熟種植能夠改善棉花的冠層結(jié)構(gòu)，提高冠層內(nèi)光的穿透性，群體的光合能力增加，光熱利用效率比單作棉增加，其中泗雜3 號和中棉所50兩個品種單作種植，棉花的光熱利用效率分別為1.20 和1.14 g·MJ－1，而套作棉、麥后移栽棉和麥后直播棉的變幅為1.19～1.93 g·MJ－1，高于相應的單作棉花。 較單作小麥和單作棉花，麥棉兩熟種植具有高的光截獲能力一方面是小麥作物充分利用了冬季和春季的光合有效輻射，而在單作棉花中這部分光合有效輻射極易被浪費掉，另一方面是兩熟種植中小麥作物的交錯設計更有利于光的截獲[33]。 然而，也有研究表明，間（套）作增加了系統(tǒng)的累積光截獲量，但光利用效率很少會受到種植方式的影響[33]。

2.4 改善棉花品質(zhì)

棉花纖維品質(zhì)主要由基因型決定，同時也受栽培措施和環(huán)境條件的影響[4]。 衡量和評價棉花纖維品質(zhì)的指標主要包括上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值、整齊度和伸長率等。 在麥棉套作體系中，Zhang 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，3∶1、3∶2 和4∶2 行比配置模式的麥棉套作下棉花的馬克隆值顯著高于單作棉花， 但單作棉花纖維長度、強度和整齊度指數(shù)與間作處理沒有顯著差異。 遼河流域棉花/ 花生間作可使棉花吐絮時間提前且集中，間作棉花纖維上半部平均長度增加0.73 mm，可紡性指數(shù)高6.67，斷裂比強度高0.72 cN·tex－1[34]。此外，在新疆對不同作物與棉花間作種植下棉花纖維品質(zhì)的研究也表明， 與單作棉花相比，棉花與洋蔥間作能顯著地提高棉花纖維上半部平均長度；棉花與線辣椒、鷹嘴豆、花生間作，纖維馬克隆值顯著地高于單作，但間作對棉花纖維的斷裂比強度、整齊度指數(shù)、伸長率、反射率、紡紗均勻性指數(shù)沒有顯著影響[35]。

2.5 控制病蟲害

不同遺傳背景、農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟性狀的作物種植在一起，由于種間相互作用的增強，可改善作物營養(yǎng)狀況，增強作物的抗性，或降低植物病原菌孢子的擴散，最終降低病害大面積發(fā)生的風險[36]。 例如棉花/田箐（Sesbania aculeate L.）間作處理的熒光假單胞菌侵染率最高，但棉花根腐病病情指數(shù)最低。 與單作相比，間作棉花營養(yǎng)生長、開花和成熟時期根腐病病情指數(shù)分別降低0.61、1.06 和1.17 百分點[37]。 Zhang 等[38]研究棉田邊緣苜蓿防護林帶控制棉蚜的效果，結(jié)果表明棉田周邊種植苜蓿（Medicago sativa L.）對棉蚜有很好的控制效果，在棉蚜進入棉田的始期，苜蓿帶中已經(jīng)繁育了大量的天敵，總量達到棉田的6.9 倍。棉蚜進入棉田后的數(shù)量激增階段，苜蓿帶中棉蚜的主要天敵類群（瓢蟲類）總數(shù)量達到棉田的13.6倍。 棉花與苜蓿接壤種植時，棉花蚜蟲種群增長速率明顯低于未與苜蓿接壤種植的棉花，而棉花蚜蟲的天敵如蜘蛛、草蛉種群的增長速率則表現(xiàn)出相反的趨勢，表明選用苜蓿作為棉花的間作或鄰作作物，對調(diào)整捕食性節(jié)肢動物類天敵并利用其進行害蟲生物防治具有重要意義[39]。 Men 等[40]通過2 年的田間試驗也研究表明，麥棉兩熟套作種植時，小麥種植帶可以作為棉蚜天敵的“中轉(zhuǎn)站”。 小麥收獲后，這些棉蚜天敵遷移進入相鄰的棉花作物，有效抑制了棉田蚜蟲的大爆發(fā)。

2.6 抑制雜草生長

控制雜草也是棉田間套復合種植的另1 個重要生態(tài)效應。 在養(yǎng)分資源和光熱利用上，如果物種搭配組合中存在對雜草具有較強競爭能力的作物時，多作物的復合種植就可以降低雜草發(fā)生率[41]。 Iqbal 等[42]通過2 年的田間試驗研究表明，棉花與高粱、大豆和芝麻間作后，雜草香附子（Cyperus rotundus L.） 的密度比單作棉田降低70%～96%，生物量降低71%～97%，增加棉田總收益20%～60%。 大豆-棉花輪作種植也是高效控制香附子的有效途徑之一[43]。

3 棉田間套復合體系提升生態(tài)系統(tǒng)服務功能的潛在機制

大量研究一致表明，棉田間（套）作復合種植體系能夠增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)產(chǎn)出、提高資源利用效率、控制病蟲草害發(fā)生等。 這些強化的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能的發(fā)生必然與種間物種相互作用密切相關，包括（1）種間根系時空分布的異質(zhì)性；（2） 種間促進作用；（3）化感作用（圖1）。

3.1 生態(tài)位互補

生態(tài)位反映了物種在其所處的環(huán)境中的資源狀態(tài)。 棉田復合種植借助高稈和矮稈、禾本科和豆科、窄葉和寬葉、喜蔭和耐蔭等作物的配置，充分發(fā)揮不同作物之間的形態(tài)互補、 生育期互補、生態(tài)互補和邊緣優(yōu)勢，從而提高單位面積產(chǎn)量和光合效率[44]。麥棉套作共生期，小麥處于生殖生長時期，而棉花處于苗期，兩作物一高一矮搭配，分別占據(jù)不同的冠層生態(tài)位，造成單位面積間作累積截獲的光能顯著高于單作[33]。

圖1 棉田間套復合體系提升生態(tài)系統(tǒng)服務功能的潛在機制Fig. 1 Potential mechanisms for enhanced ecosystem services and functioning by cotton-based intercropping systems

棉田間套復合群體不僅存在地上部冠層光熱資源的互補， 而且地下部存在根系系統(tǒng)的互補。 采用剖面法分層取樣，并結(jié)合圖像掃描分析，研究棗/ 棉間作模式對棉花根系分布的影響，表明單作棉花根系主要分布在水平0～20 cm、垂直0～20 cm 范圍內(nèi)；間作棉花根系主要分布在水平0～40 cm、垂直0～40 cm 范圍內(nèi)。 間作棉花單株根長密度總量較單作高1.8%，總根質(zhì)量較單作高15.5%，間作促進棉花根系分布更廣、更深，比單作棉花根系具有更大空間的生態(tài)位[45]，最終增加了根系吸收面積。 當養(yǎng)分資源受限時，間作作物仍然能夠獲得高產(chǎn)所需的養(yǎng)分和水分資源。 王立國等[46]研究表明，盛花期后，套作棉淺層根系干物質(zhì)質(zhì)量在盛花期前低于單作棉，深層根系干物質(zhì)質(zhì)量顯著高于單作棉， 根系總量也超過單作棉。麥棉共生期間自然套作群體中棉花根表面積、根長度和根干物質(zhì)質(zhì)量大于單作和隔根處理，小麥收獲后同一生育期紗網(wǎng)隔根處理的棉花根表面積、根長度和根干物質(zhì)質(zhì)量大于單作，后期自然套作根系的衰退較其他處理慢[47]。 在生育期內(nèi)土壤速效磷的時空分布特征表明麥棉兩熟種植能夠改變上層土壤速效磷的時空分布，這與作物根系分布的差異有關[48]。

3.2 種間促進作用

種間促進作用是指1 種作物促進另1 種作物生長或生存的現(xiàn)象[49]。在多樣性種植體系中，最明顯的是1 種作物通過根際過程改善資源有效性對鄰體植物生長的改善作用[5]。 棉田間套復合體系提高土壤養(yǎng)分有效性的現(xiàn)象在很多研究中有報道[50-51]。 分別用棉花根系分泌物和中性去離子水（對照）添加到土壤中培養(yǎng)15 d 后，添加棉花根系分泌物培養(yǎng)的土壤速效磷和速效鉀含量分別比對照增加19.2%和34.0%， 土壤酶活性比對照提高12.3%。 大田試驗進一步驗證了室內(nèi)模擬試驗的結(jié)果。 如套作棉花行間土壤速效磷、速效鉀和微生物的總量均高于單作[15]。因此，增加的這部分養(yǎng)分資源不僅可以滿足自身生長需求，而且還可以促進臨體植物（棉花）生長。Rochester 等[52]分別研究豆科、非豆科與棉花間套種植對土壤氮素損失以及氮素肥力的影響，發(fā)現(xiàn)與非豆科/ 棉花間作相比，豆科/ 棉花間套種植可以降低土壤氮素損失45%，增加土壤氮素有效性，提高棉花產(chǎn)量，同時降低化學氮肥施用量高達127 kg·hm－2。在核桃/棉花農(nóng)林復合系統(tǒng)中，樹齡較小的核桃/棉花間作的微生物生物量碳為375 mg·kg－1，高于單作棉花的163 mg·kg－1和單作核桃樹的88 mg·kg－1[53]。

3.3 化感作用

化感作用是植物通過釋放化學物質(zhì)抑制或促進臨體植物生長、發(fā)育與繁殖的現(xiàn)象。 棉花根系分泌物能夠促進土壤中磷和鉀向有效態(tài)轉(zhuǎn)化，速效磷和速效鉀含量分別比對照提高19.2%和34.0%[15]。 通過向盆栽棉花添加小麥根區(qū)化感物質(zhì)（酚酸類）[54]，研究化感物質(zhì)對棉苗生長的影響，結(jié)果表明：添加低濃度的化感物質(zhì)對棉苗的生長影響較小，而高濃度的化感物質(zhì)顯著抑制了棉苗的生長，主要表現(xiàn)在棉苗干物質(zhì)積累降低，根系內(nèi)源保護酶活性顯著下降， 丙二醛含量上升，電解質(zhì)滲出率升高。 因此，小麥根系分泌物產(chǎn)生的化感作用影響了棉苗的生長，從而導致了麥套棉弱苗晚發(fā)[55]。但孟亞利等[51]研究發(fā)現(xiàn)，麥棉套作地下部不僅存在小麥對棉花營養(yǎng)競爭的不利一面，同時還存在小麥根系促進棉花根際土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量提高的有利一面，且此效應將持續(xù)在全生育期影響套作棉花。

利用作物間化感效應構(gòu)建復合體系，可以有效地防治棉花病蟲害的發(fā)生和危害，減少農(nóng)藥施用量[44]。 有研究表明大麥、小麥、向日葵等作物本身對雜草有化感作用， 可用來與其他作物間作，控制雜草生長，減少除草劑的用量[56]。棉花與高粱輪作，高粱根系的分泌液可以使棉花黃萎病病菌（大麗輪枝菌） 的種群數(shù)量減少或不能發(fā)育成菌絲，從而有效抑制棉花黃萎病的發(fā)生[57]。

4 問題和展望

相對于糧食作物的間（套）作（如小麥/ 玉米和蠶豆/ 玉米）[9]，基于棉花等經(jīng)濟作物的間（套）作研究仍顯相薄弱，且主要集中于單一作物的地上部生長和產(chǎn)量[22,25]、地下部根系分布[46,58-59]、或者相關農(nóng)藝措施（如密度、品種、施肥和施用縮節(jié)胺等）的影響[23,60-62]。聯(lián)系作物地上部生長、光熱資源利用和地下部根系時空分布，從生態(tài)位分異和種間相互作用角度研究棉田間套復合種植強化生態(tài)系統(tǒng)服務功能相對較少。

由于豆科作物特有的生物固氮功能，禾本科/豆科間（套）作被廣泛應用在低投入的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[63-64]。Rochester 等[52]研究表明，在棉花種植體系中引進豆科作物可以提高土壤有效氮含量，降低土壤緊實度， 有利于下茬作物根系生長發(fā)育，進而增加棉花產(chǎn)量。 因此，在棉田間套復合種植體系中引進豆科作物被認為是1 種綠色可持續(xù)的種植模式[65]。但是，涉及豆科的棉花間（套）作體系種間氮素互補利用特征鮮見報道。 今后應該加強這方面的研究，從種間相互作用對豆科作物的固氮量、固氮比例以及作物種間氮素轉(zhuǎn)移的調(diào)節(jié)作用等方面考慮。

大量研究表明，間套復合種植增加作物產(chǎn)量的同時，從土壤中帶走的養(yǎng)分也多于單作[66]，因此， 長期連續(xù)棉田間套復合種植是否會降低土壤肥力成為亟待研究的問題。 此外，多樣性種植也常伴隨著較高的地下部根系多樣性， 包括根系生物量和化學組成[14]。 基于此，長期的間作套種是否會通過地下部根系和微生物多樣性對土壤肥力產(chǎn)生正向反饋作用也是值得研究的科學問題。

農(nóng)業(yè)的根本出路在于機械化，間（套）作種植模式也必須要實現(xiàn)機械化才有生命力[67]。 由于勞動力成本的上升和農(nóng)村勞動力短缺現(xiàn)象的逐漸加劇，這一問題顯得越來越重要。 要實現(xiàn)間（套）作生產(chǎn)的機械化，一方面要求農(nóng)藝上有規(guī)范的高產(chǎn)高效的種間配置模式和行間距配置，另一方面具有相應的播種、 施肥和施藥以及收獲的機械。已有研究以“小麥- 玉米- 大豆”旱地新三熟帶狀復合種植模式為例，在西南丘陵小地塊上基本實現(xiàn)了該帶狀復合種植模式下的耕地、播種、管理和收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機械化作業(yè)， 效率高，質(zhì)量好[68]。為了進一步實現(xiàn)間（套）作的機械化，迫切需要在更多間（套）作模式和更廣泛區(qū)域上進行試驗和示范，使得間（套）作能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的機械化。