The Crop Journal | 甘肃农大柴强教授团队揭示时空集约化种植提升干旱农业生态系...

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（来源：小麦研究联盟）

在资源受限、气候波动显著的干旱农业生态系统中，如何在提高单位土地生产力的同时维持长期稳定的作物产出，是农业可持续集约化面临的重要问题。传统种植模式往往局限于单季单作或简单的空间间作，难以充分利用一年内不同时间窗口和空间层次的资源。将空间上的作物间作与时间上的多样化种植进行协同整合，有望进一步提高年内资源利用效率，但这种强化方式如何改变作物间的竞争与互补关系，并最终影响系统生产力和产量稳定性，仍缺乏长期田间证据。

近日，甘肃农业大学柴强教授团队The Crop Journal在线发表了题为“Annual cropping intensification through spatiotemporal integration improves productivity and temporal stability in an arid agroecosystem”的研究论文。该研究依托2018—2023年连续6年的田间试验，构建了从单季单作、时空尺度上双季的复种和间作，到时空一体化种植的集约化梯度，系统评估了不同多样化水平对作物生产力、产量时间稳定性、种间互作及生长轨迹的影响，揭示了时空集约化种植将早季竞争转化为晚季补偿性生长和系统互补的作用机制。

研究发现，随着年内作物种植周期增加并进一步实现空间与时间的协同配置，系统总产量总体呈上升趋势（图1）。其中，与小麦单作（W）相比，小麦—绿肥复种系统（W-G）总籽粒产量提高14.1%，小麦—玉米空间间作（W||M）提高117.9%；W||M较玉米单作（M）进一步提高1.8%。在此基础上，将小麦—玉米间作与麦后复种箭筈豌豆绿肥相结合，形成时空整合多样化系统（W-G||M），其总籽粒产量较W-G提高107.2%，较W||M提高8.5%，并获得了最高的系统总籽粒产量时间稳定性。所有多收获系统的土地当量比（LER）均高于1，表明多样化种植具有稳定的土地利用优势。值得注意的是，W||M的时空资源集约化效率（STRIR）最高，而引入绿肥后有所下降，说明增加作物种植周期并非简单地意味着绝对时空利用效率持续提高，而是存在产出效率与系统长期功能之间的权衡。

图1 不同种植系统及其组分作物籽粒与能量产量

进一步机制分析表明，时空整合多样化系统的生产力优势主要来源于互补效应（complementarity effect, CE）的扩大，而非选择效应（selection effect, SE）（图2）。从2020年开始，W-G||M系统的CE显著增强，并总体高于W||M，且互补效应与总籽粒产量和能量产量均呈显著正相关，而选择效应与生产力之间未观察到显著关系。此结果表明，时空整合种植的增产并非主要依赖某一种优势物种，而更多来自不同作物在空间、时间和生长上的互补。此外，绿肥对种植系统主栽作物生产力提升的贡献具有明显的累积效应，在试验开始阶段（2018—2019）并未产生明显的绿肥优势。

图2 两种集约化种植模式生物净效应的年际变化状况

作物生长轨迹分析进一步解释了这种互补效应的形成过程。W-G||M并未削弱间作系统早季作物小麦对玉米的竞争力，而集成应用豆科绿肥增强了晚季作物玉米在小麦收获后的恢复生长能力。尤其是在试验后期，W-G||M中玉米表现出更强的补偿性恢复生长，2020—2023年其收获后生长速率比W||M提高27.8%~92.6%。Logistic生长模型显示，自2020年起，W-G||M中小麦和玉米的最大生长速率均有所提高。结构方程模型进一步表明，早季作物通过加快物候进程、缩短达到最大生长速率的时间来降低选择效应；晚季玉米则主要依靠小麦收获后的补偿性恢复提高平均生长速率，并增强系统互补效应。由此，作物间早期竞争并未简单转化为系统损失，而是通过生长节律调整和收获后的恢复过程，为后续作物创造了更大的生长空间。

研究还发现，时空整合系统对系统稳定性的提升并不会均匀地传递到所有作物组分（图3）。总体而言，W-G||M具有最高的系统总籽粒产量时间稳定性，但这种稳定效应并不意味着每一种作物的产量波动都同步降低。这种“组分波动—系统稳定”的差异体现了多样化农业系统中的组合效应：不同作物对年际环境变化的响应并不同步，从而可以在系统层面形成一定的风险缓冲。

图3 不同种植模式及其组分作物的生产力稳定性

该研究表明，在干旱绿洲农业生态系统中，提升种植强度并不应简单理解为增加收获次数，而应更加重视空间与时间生态位的协同配置。将小麦—玉米空间间作与复种豆科绿肥时间尺度上的多样化相结合，可以在充分利用年内闲置热量窗口的同时，重构作物间的生长轨迹和互作关系，使早季竞争与晚季补偿形成连续的系统过程，从而实现较高的生产力与长期产量稳定性。研究同时指出，绿肥虽为不可直接收获的作物，其引入会降低以短期经济产出为核心的STRIR，但这一“效率损失”也可能代表对系统长期稳定性和生态功能的投入。因此，在推广该模式时，应综合权衡短期投入成本、机械化作业难度与长期生产力稳定性，而不能仅依据单一的土地—时间产出指标进行评价。

作者和基金项目

甘肃农业大学博士研究生刘志鹏为该文第一作者，柴强教授和殷文教授为共同通信作者。研究得到甘肃省科技计划项目（24ZDNA008、25JRRA347）、国家自然科学基金项目（U21A20218、32372238）、青年教师科研创新能力支持项目（SRICSPYF-BS2025119）等资助。甘肃农业大学绿洲农作制研究团队由柴强教授领衔，主要开展多熟种植、节水农业、循环农业及作物品质调优理论与技术研究。团队先后主持国家高技术研究发展计划（863计划）、国家科技支撑计划、农业农村部行业(农业)专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金等各类科研项目60余项，发表论文600余篇，其中PNAS、Nature Communications等SCI期刊收录200余篇。获得省部级一等奖3项、二三等奖10余项，培养硕士和博士研究生200余名。