《Horticulturae》：Mediterranean Intercropping Production Systems: Challenges and Opportunities
Ermelinda Silva,
Sara Najjari,
Oren Shelef,
Roza Belayneh Ayalkibet,
Frane Strikic,
Mario Bjeli?,
Rosalina Marr?o,
Valeria Borsellino,
Marcello D’Acquisto and
Alexandre Gon?alves
+ 3 authors
编辑推荐：
本文系统综述了地中海地区间作实践的优势与局限，探讨了其对作物产量质量、土壤性质、微生物组、病虫害控制及经济效益的影响，旨在为实现可持续集约化农业（SDG 2）提供科学见解。
地中海间作生产系统：挑战与机遇
引言
在第二次绿色革命的推动下，现代集约化农业依赖大面积单一种植，虽然提高了产量，但也导致了生物多样性减少、水资源短缺和土壤退化等一系列环境问题。为应对这些挑战，并响应联合国2030年可持续发展目标（SDG 2）——消除饥饿、实现粮食安全和改善营养并促进可持续农业，农业实践正转向更可持续的模式。间作，即在同一地块上同时种植两种或多种作物，是可持续农业的重要支柱。它通过利用物种间的有益相互作用，增加农业多样性，打破现代集约农业的单一性，从而构建更具韧性的生产系统。地中海地区以其独特的干热夏季和湿冷冬季的气候条件，是研究和发展间作系统的理想区域。
1.1. 间作的优势与劣势
间作能显著改善土壤状况。植物根系活动增加，改善了植物-土壤-微生物的相互作用，有利于优化土壤结构。例如，在果园间作中，植被覆盖有助于增加土壤大孔隙，从而减缓地表径流，提高水分渗透和保持能力。豆科植物的应用可影响土壤微生物学，通过生物固氮（每年可固氮100-300 kg N/ha-1）来平衡生物群落，并间接控制害虫线虫。在摩洛哥的一项研究中，在雨养橄榄园中间作蚕豆，由于蚕豆的生长周期与橄榄休眠期重叠，避免了资源竞争，反而使橄榄生长量和叶面积增加了22-30%。此外，间作还能吸引有益昆虫和传粉者，对许多自交不亲和的水果物种尤为重要。
尽管优势明显，间作也存在挑战。不同物种间对光照、水分和养分的竞争可能导致某些作物减产。额外的冠层湿度可能引发病虫害爆发，存在化感作用的潜在风险。同时，当系统内不同作物对施肥、灌溉和植保有不同需求时，会给农业技术管理（特别是机械化操作）带来困难，增加管理复杂性。
1.2. 间作中使用的作物
豆科植物和一年生谷物是间作中最常用的作物组合。豆科物种因其生产潜力、对光、水和养分的高效利用，以及与菌根的共生关系而备受青睐。这种共生关系有利于其他物种的发育，并改善根际条件，特别是在与果树等多年生作物结合时。常见的间作作物包括大麦、燕麦、高粱、豌豆、扁豆、三叶草、芸苔属植物、向日葵或服务作物混合物。间作的成功与否，取决于如何管理系统中可供两种作物利用的资源动态，使其彼此产生积极的相互作用。
3.1. 生产力/产量
间作系统是提高作物生产力的可行策略，其机制包括提高养分利用效率、优化空间排列、有益调节小气候条件以及相互保护的协同效应。产量的增加归因于间作作物比单独种植时能更有效地捕获和转换光辐射、水和养分等资源。常用的评估工具是土地当量比（LER），当LER大于1时，表明间作系统的土地利用效率高于单作。
在摩洛哥，研究发现与小麦和香菜相比，使用蚕豆间作改善了橄榄产量。小麦会与橄榄树竞争水分和养分，而蚕豆因其生长周期在橄榄休眠期，避免了竞争，并通过生物固氮丰富了土壤氮素。在葡萄牙的研究中，与豆科服务作物间作的橄榄树，在2017至2019年间产量增加了34%。这得益于豆科物种相对于橄榄树的物候期错开，其残体分解后养分被树木吸收，同时覆盖物有助于降低土壤温度并增加水分可用性。另一项葡萄牙研究也观察到，播种自繁殖一年生豆科物种可使4年累积产量提高37%、53%和95%。
意大利的研究将野生芦笋与超高密度和高密度橄榄园间作，发现两种系统中芦笋的总生产力均高于对照单作。在葡萄园中，与葫芦巴间作的“Thompson Seedless”葡萄，其单株产量、可溶性固形物含量和总糖量均有所增加，总酸度降低。葫芦巴固定大气氮的能力改善了土壤性质和微生物活性，从而促进了葡萄树的生长。然而，也有研究指出，使用豆科混合物和禾本科混合物等服务作物，可能通过改变产量构成因素而导致葡萄减产。尽管间作显示出增产潜力，但要实现大规模应用，开发新型机械化技术至关重要。
3.2. 作物品质
多项研究表明间作对作物品质有积极影响。在西班牙，橄榄园中间作蚕豆、野豌豆和豌豆，增加了杏仁的抗氧化活性和总多酚含量。在葡萄园中，使用葫芦巴间作提高了浆果的可溶性固形物和总糖，降低了总酸度。另一项研究测试了鼠尾草对葡萄的影响，发现葡萄挥发性化合物中酚类物质减少，而萜烯、醇类和C6衍生物增加。芳香植物对石榴品质也有积极影响，与罗勒和迷迭香间作减少了果实开裂，并增加了总可溶性糖、总酸度和花青素含量。
这些品质的改善与土壤质量的提升密切相关。豆科或芳香植物的使用改善了土壤的物理（容重、有效水含量、团聚体稳定性）、化学（pH、电导率、土壤有机质、N、P、K和微量元素）和生物（微生物活性）性质，从而对系统中主要作物的产量和品质产生积极影响。
3.3. 土壤质量
农业的过度集约化导致了土壤有机质下降和土壤生物多样性减少。间作的应用，特别是谷物和豆类的结合，似乎能增强共生固氮作用，并通过土壤微生物的活动促进作物生长。在西班牙的杏仁园中，间作蚕豆、野豌豆和豌豆改善了土壤物理性质、土壤有机碳含量、N、K、微量元素水平，并增加了微生物活性。一项全球荟萃分析发现，覆盖作物（特别是禾本科、芸苔属和豆科）使土壤颗粒有机碳（POC）平均增加了14.94%，矿物结合有机碳（MAOC）增加了5.56%。另一项研究显示，与百里香间作的杏仁园土壤湿度和有机碳增加，并且与单作相比，间作刺山柑和百里香显著减少了CO2排放。
在橄榄园中，与藏红花、野豌豆、燕麦和薰衣草间作，与常规耕作相比，所有间作系统的土壤碳含量均有所增加。豆科服务作物的应用改善了土壤水分状况，深根豆科植物如苜蓿和三叶草，能有效缓解渍水，并通过夜间将深层水分重新分配到干燥的表层土壤来提高水资源利用效率。豆科作物的使用还提高了土壤肥力，在建立地面覆盖处理4年后，0-10厘米土层中N的有效性增加。同时，豆科地块的土壤细菌和真菌种群数量也高于自然植被未施肥地块。在伊朗，大麦-杏仁树间作增加了土壤有机碳和全N、P、K含量。此外，间作还能促进葡萄树在受铜（Cu）污染土壤中的生长，降低铜的生物有效性，显示出其在植物修复方面的潜力。
3.4. 土壤微生物组
间作通过根系分泌物的分泌以及大量碳（C）和氮（N）向根际的转移，深刻影响土壤微生物组动态，从而增加了微生物丰度和分类多样性。在营养有限的环境中，土壤微生物群落在促进养分矿化和竞争性获取方面发挥着重要作用。通常，间作系统能增强土壤酶活性，提高微生物生物量指数，这与微生物分类多样性的增加和共现网络稳定性的增强显著相关。
研究表明，与单作相比，间作系统的微生物多样性增加了68.7%，细菌和真核生物群落的复杂性和稳定性也得到增强。宏基因组分析显示，微生物多样性（细菌和真菌群落）显著上升，特别是与土壤氮循环相关的微生物。在大豆间作情况下，由于微生物功能适应性的增强，对土壤氮循环相关功能基因的影响更强。这种多样性增加可能与异质性的地下根系分泌物和地上挥发性有机化合物的产生有关。例如，玉米-大豆间作增加了细菌群落多样性，并富集了如Gemmatimonas和Bradyrhizobium等微生物，它们分别负责将N2O还原为硝酸盐以及与大豆根系形成固氮共生体，从而增加土壤氮含量。研究还表明，间作能促进有益细菌（如Proteobacteria, Actinobacteriota）的生长，同时抑制病原菌（如Fusarium）的影响。
3.5. 间作对杂草、病虫害的影响
与单作相比，间作是控制杂草和病虫害的重要策略，因为它增加了生物多样性，并减少了对除草剂和农药的使用。一项针对272项作物昆虫食草危害估计的荟萃分析显示，与单作相比，间作表现出更低的食草危害。2023年的一项全球荟萃分析进一步证实，间作使天敌丰度增加36%，物种丰富度增加27%，同时使害虫丰度和密度分别降低38%和41，特别是在谷物-豆科组合或带状行设计中效果更佳。
杂草抑制是覆盖作物最一致且被充分证实的益处之一。在杏、橄榄和柑橘等地中海果园中，使用地下三叶草和毛叶苕子等豆科和禾本科物种，可减少年度杂草萌发和土壤杂草种子库的持久性。例如，在西西里的杏园中，地下三叶草使地表杂草生物量减少高达86%，种子库减少超过50%。
土传病害是作物生产的主要限制因素。与辣椒单作相比，大规模玉米-辣椒间作降低了辣椒疫霉Phytophthora capsici的病害水平。玉米根系分泌的抗菌化合物是抑制疫霉菌的因素之一。花生与中药材苍术间作，能有效抑制土传Fusarium种群。在橄榄园行间应用包含菊花、香菜、芝麻菜、黄香草木樨、驴食草、草地鼠尾草、箭叶三叶草和普通野豌豆的草本混合物，与常规土壤相比，增加了土壤对橄榄土传病原菌Verticillium dahliae的抑病性。
3.6. 经济分析
间作支持土壤健康、生物多样性和生态系统服务，这些日益受到社会的重视。对可持续实践的社会需求可以转化为与直接作物收入价值相当的非市场效益。间作系统还有助于缓解与集约化单一种植相关的环境风险。现有文献常关注间作对地中海农业系统可持续性的影响，以及更广泛的环境足迹减少。
然而，研究间作的经济效应凸显了多个分析要点，这对承担商业风险和更高管理复杂性的农民尤为重要。地中海间作系统提供了显著的经济和环境机遇，尤其是在适应当地条件和市场的情况下。一些研究主要分析间作在产量上相对于单作的增加，或使用土地当量比（LER）参数评估等量耕地上的生产力。但仅以产量衡量效率（如标准LER）不足以评估经济盈利能力，因为LER没有考虑作物经济价值的差异。其他研究评估了间作对总收入的影响，尽管这一结果在很大程度上取决于所采用的管理实践或生态等外部因素。研究表明，作物在光、水、土地资源时空上的适当互补性，可使间作利润最大化。
3.6.1. 经济效益与盈利性
间作可以提高土地利用效率，并提供比单作更高或更稳定的收入，特别是在低投入情景下。研究表明，间作可使总能量和收入分别增加38%和33%，同时减少22%的土地使用，使其成为一种有前景的农业可持续集约化战略。油料-豆科、橄榄-野生芦笋等间作系统的研究表明，与单一种植相比，毛利、LER（LER > 1）和经济韧性都有潜在改善。作物组合的选择和当地市场条件对最大化盈利至关重要，而市场准入、消费者偏好和价值链整合对于实现间作的经济潜力也至关重要。
3.6.2. 对产量和盈利性的负面因素
尽管有优势，间作也面临挑战，如劳动力需求增加、管理复杂性和机械化困难。盈利能力取决于较高的初始成本或工作量（例如，橄榄园内的野生芦笋劳动密集型作物，年工作量可能增加75%）。在作物对肥料、水和植保有不同要求的情况下，用机械化进行基本农艺操作的实践管理是困难的。此外，在早熟作物收获期间，可能会对长周期作物造成机械干扰，收获时还可能发生籽粒混合，从而产生额外的分离成本。因此，开发可适应带状间作的新型农机至关重要。除草剂的使用也很困难，因为大多数除草剂是作物专用的，而杂草和作物的萌发是同时发生的。虽然间作覆盖了大部分土地，导致杂草减少，但在某些情况下，所使用的作物并不能有效抑制杂草。在干旱温暖地区，如果未采取适应措施，水资源的限制也可能限制产量效益，导致几个百分点的潜在产量损失。氮肥管理也是一个非常敏感且复杂的因素，次优的氮肥剂量可能导致生产结果偏离农民的期望。
3.6.3. 政策与市场环境
欧洲绿色协议和共同农业政策（CAP）等政策框架日益支持多样化和可持续实践，但其实施情况因地区和农场结构而异。农民的观念、当地环境限制和知识差距可能会阻碍可持续导向实践的采用。相反，市场准入、消费者偏好和价值链整合对于实现间作的经济潜力至关重要。总体而言，政策支持和消费者对可持续产品的需求正在增长；然而，要扩大采用规模，需要更强的价值链整合和更有针对性的激励措施。欧盟项目如LEGUMINOSE和PRIMA资助的VALMEDALM项目，旨在通过研究豆科-谷物间作和推广特定的间作实践，增强农民采用这种气候智能型农业实践的能力，以协调经济盈利与生态管理和生物多样性保护。
结论
间作是协调粮食安全与环境保护、实现SDG 2的变革性途径。同时种植多种作物物种增加了农业多样性，并促进了更具韧性的生产系统，有效打破了现代集约化农业的单一性。在地中海地区使用间作，可以作为提高作物产量和品质、改善土壤质量和微生物组、控制杂草和病虫害的一种选择。在经济效应方面，间作可以增加总能量并减少土地使用，使其成为农业系统可持续集约化的一个有前景的战略。作为一种潜在的劳动密集型技术，它仍面临挑战和局限。向大规模应用的过渡面临重大障碍，主要涉及播种、杂草管理和收获方面的劳动强度和机械化缺口。为弥合科学证据与田间应用之间的差距，未来的工作必须优先进行长期经济评估、气候变化下的可扩展性研究，以及将间作产品整合到现代价值链中。最终，成功取决于一种参与式方法，通过可证明的盈利能力和本地化的政策激励，直接让农民参与进来，克服他们的疑虑。
