2023年1月3日，中国农大国家农业绿色发展研究院张福锁院士团队在国际顶尖学术期刊美国科学院院报（PNAS）在线发表了题为“间套作的生产功能”（The productive performance of intercropping）的研究论文，该研究证明了间套作可节省土地生产更多样化的农产品。研究表明，虽然间套作的籽粒产量和热量产量略低于产量最高的单作（仅低4%），但间套作较最高产的单作具有相当甚至更高的蛋白质产量，且间套作在蛋白质增产方面的优势在低氮投入下表现的更明显。此外，间套作还能提高作物体系的抗逆性和养分利用效率，进一步增强生态系统服务功能。因此，间套作是保障多样化作物生产和实现农业绿色可持续发展的有效途径。

随着全球人口对粮食和食物热量及蛋白质的需求增高，农业绿色生产要求作物体系具有更高的产量，与此同时要有更小的资源环境代价。另外，粮食生产和供应越来越趋于单一化，而不是多样化，作物物种丰度的降低削弱了作物种植体系的可持续性和稳定性。而间套作体系是作物多样化种植的一种典型代表方式，能以较少的投入生产较多的粮食，同时降低资源环境代价。以往研究表明间套作相比于单一种植能提高土地利用效率，但关于间套作是否能比单位面积最高产的单作生产出更高的粮食，尚不清楚，即间套作是否表现出超额增产（transgressive overyielding）。本研究针对上述问题，通过整合分布于全球不同地区的226个间套作田间试验，分析了衡量间套作生产功能的3个指标，即土地当量比（land equivalent ratio, LER）、超额增产指数（transgressive overyielding index, TOI）和净效应比（net effect ratio, NER）。同时，将以上3个衡量间套作生产功能的指标分别基于籽粒产量、热量产量和蛋白质产量进行分析，并研究作物组合和氮肥投入对间套作生产功能指标的影响。

间套作的土地利用效率比单作高19%，而且间套作的籽粒产量比基于两个单作作物的预期产量高28%，但间套作的籽粒产量和热量产量比单作的最高产量略低（低4%，图1）。然而，间套作的蛋白质产量与单作的最高产量相当或更高。在较低氮素供应条件下玉米/豆类间作的蛋白质产量明显高于最高产的单作。

图1 衡量间套作生产功能的指标：土地当量比、净效应比和超额增产指数。基于籽粒产量的LER, NER（LERgrain, NERgrain）和TOI（分别基于籽粒产量TOIgrain、热量产量TOIcalorie和蛋白产量TOIprotein）。

间套作的超额增产指数（TOI）与土地当量比（LER）和净效应比（NER）呈正相关（图2），说明间套作可以协同提高总体的作物产出，增加作物产品多样性。有近一半的玉米/豆类间作的蛋白质产量比单作的最高蛋白质产量高10%，且在低氮供应条件下，玉米/豆类间作在蛋白质产量方面的优势更明显（图3）。

图2 土地当量比（LER）、净效应比（NER）和超额增产指数（TOI）之间的关系（A-C）以及不同作物组合中各个指标大于1的比例（D）。

图3 超额增产指数（TOI）大于1的概率与两个单作作物产量的比值（A）、单作作物的蛋白产量比值（B）之间的关系以及超额增产指数（TOIgrain、TOIprotein）与氮肥投入水平之间的关系（C, D）。

学校资环学院李春杰副教授为论文第一作者，张福锁院士与荷兰瓦赫宁根大学Wopke van der Werf为共同通讯作者，学校资环学院张朝春教授、内蒙古农业大学李海港教授、瓦赫宁根大学Tjeerd-Jan Stomph教授，法国农科院David Makowski教授参与了该研究。该项研究得到了北京市高精尖学科建设项目、中国农业大学2115人才发展计划张福锁院士团队、国家自然科学基金（no. 32002127）以及国家留学基金委员会和海南大学资助的农业绿色发展项目（no. 201913043）等项目的资助。

近20年来，张福锁院士团队与瓦赫宁根大学作物系统分析团队在间套作绿色增产增效机制研究、交叉创新人才培养等方面开展了卓有成效的合作。有关研究结果相继在《自然植物》（Nature Plants）, 《全球变化生物学》（Global Change Biology）, 《新植物学家》（New Phytologist）, 《生态学杂志》（Journal of Ecology）, 《农业系统》（Agricultural Systems）, 《田间作物研究》（Field Crops Research）, 《欧洲农学杂志》（European Journal of Agronomy）等期刊上发表。同时推动了荷兰、法国、英国、丹麦、德国等欧盟国家引进中国间套作经验，建立适合它们地区的新的间套作体系以及系统的研究。

2019年以来，依托中荷农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD计划），间套作合作研究已拓展到与瓦赫宁根大学的植物科学、土壤质量、作物体系设计、智能化田间操作、生态系统服务、农业经济和政策等多个研究团队的交叉创新研究，为综合评价间套作生态环境效益提供了理论基础，为集成模型分析、机理研究和设计系统功能强的间套作种植模式提供理论和技术支撑，也为我国农业绿色发展提供新思路。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2201886120