50年来，用于农业种植的作物物种数在全球范围内下降。目前，在世界各地的农业生产中玉米、水稻、小麦和大豆这四种作物的集约化大规模单一种植占主导地位。然而，集约化农业单一种植往往造成土壤退化，增加作物病虫害爆发的风险，同时造成环境污染。间作通过种植两种或两种以上的作物增加农田生物多样性，可以获得更高的产量，从而提高土地利用效率；间作也可以在减少化肥和农药使用的同时维持产量。最近的研究表明，具有较高有效作物群体和物种多样性的国家，其全国农业总产量的时间稳定性更强。然而，在长期时间尺度上，间作的产量效益是否会降低，维持或者增加尚不清楚。所以我们研究了长期间套作对体系产量、产量时间稳定性、产量时间趋势及土壤肥力的影响。
本研究在甘肃的武威市白云村（Baiyun-1，Baiyun-2）、白银市景滩村（Jingtan）和宁夏红寺堡（Hongsibu）进行了4个长期定位试验（图1）。这些试验包含的种植方式如下：玉米/小麦间作、玉米/蚕豆间作、玉米/大豆间作、玉米/鹰嘴豆间作、玉米/油菜间作、蚕豆/小麦间作以及相应的单作。根据不同的施肥量，将这些试验分为两大类：等量施肥试验（包括Baiyun-1和Hongsibu的部分处理，在这些试验中，单作和间作的施肥量一致）和优化施肥试验（包括Baiyun-2，Jingtan和Hongsibu，在这些试验中，所有间作处理根据单作玉米的推荐施肥量获得最优的施肥量）。在以上所有试验中，我们测定了单作和间作作物的产量、土壤化学养分、土壤团聚体大小、产量时间稳定性和农民的净效益。
1. 间作具有产量优势
总体来看，间作的平均产量比相应作物单作高22.3%，平均土地当量比为1.22（图2a，b和表1）。间作体系更高的产量表明作物收获后更多的养分被移出，这也就降低土壤硝态氮含量，减少硝态氮淋溶和水污染。
图2 等量施肥和优化施肥试验中平均籽粒产量和产量时间趋势比较（a：等量施肥试验平均籽粒产量；b：优化施肥试验平均籽粒产量；c：平均产量时间趋势）
四个试验点均有蚕豆玉米间作体系。在土壤肥力最高的Baiyun-1和Baiyun-2试验中，蚕豆玉米间作分别增产29.0%和33.9%，在中等肥力的Jiangtan试验中增产26.3%，在低肥力的Hongsibu试验中增产10.3%（表1）。这个结果与之前的meta分析结果一致，即间作的产量效益往往在高肥力土壤上更大。
2. 作物产量增加幅度随种植年限的延长而增加
本研究发现间作产量随着种植年限显著增加，间作比单作多增产1.1 t/ha。综合四个试验和所有的作物组合，间作产量每年平均增加2.52%，而单作产量每年平均增加1.67%（图2c）。该结果表明间作产量优势不仅是可持续的，而且是不断增加的。
表1 等量施肥和优化施肥试验中不同作物体系单作和间作的籽粒产量和增产率
3. 间作产量稳定性更高
平均而言，在等量施肥和优化施肥试验中，间作产量年际间的时间稳定性均显著高于单作（图3）。这种田块尺度上的结果与在草原和森林观察到的植物多样性对时间稳定性影响的结果一致，也与在国家尺度上的研究结果一致，即作物多样性更高的国家，国家作物总产量的时间稳定性更高。但是，有些作物单作产量的时间稳定性与某些间作的产量稳定性一样高，这也就表明间作对产量稳定性的影响可能取决于作物种类和作物组合。
图3 间作和相应单作籽粒产量平均时间稳定性（a：等量施肥试验；b：优化施肥试验）
4. 间作增加土壤肥力
维持和增加土壤肥力是农业可持续的关键。虽然，在草地的长期试验中已经发现，多年生植物混作后，更高的多样性能够增加土壤肥力，包括土壤团聚体和碳氮的增加，但是，在一年生作物收获后伴随着养分携出情况下，长期间作是否能够增加土壤肥力？因此，我们研究了间作对土壤物理结构（大团聚体含量）、土壤有机质和全氮含量的影响。
大团聚体的形成能够增加土壤养分。因此，我们主要关注大团聚体。对于等量施肥试验，在Baiyun-1试验中间作土壤大团聚体的含量比相应单作高66.5%，Hongsibu试验间作比单作高9.7%（图4a）。对于优化施肥试验，在Baiyun-2，Jingtan和Hongsibu试验中，间作土壤大团聚体含量比单作土壤分别高19.4%，10.1%和9.1%（图4b）。而且，间作土壤中的小粒径团聚体的含量比单作低。在所有的试验点，间作均显著降低了＜0.106mm团聚体的含量，表明间作有助于促进小团聚体聚合向大团聚体转化。间作后大团聚体的增加可能是产量长期增加的机制。
图4 间作和相应单作土壤大团聚体（a：等量施肥试验；b：优化施肥试验）
对于等量施肥试验，相比于单作，Hongsibu试验间作土壤有机质和全氮分别增加11.6%和9.1%，而在Baiyun-1试验，土壤有机质，全氮和pH均没有改变（图5a）。在优化施肥试验中，Hongsibu和Jingtan试验均发现间作显著增加土壤有机质和全氮（图5b）。而Baiyun-2试验中，间作对土壤有机质和全氮没有影响，但降低土壤pH（图5b）。因此，我们的研究结果表明间作增加土壤碳氮，尤其是在贫瘠的土壤，这种效应和在多年生草地上的研究结果一致。总的来说，我们发现间作在所有的试验点均增加土壤大团聚体含量，在部分试验点增加土壤有机质和全氮。
图5 间作相比于单作土壤化学性质的相对变化（a：等量施肥试验；b：优化施肥试验）
5. 间作增加农民收益
经济效益决定了农民对作物和种植方式的选择。因此，我们利用现有的作物价格，投入和人工成本去估算农民的收益。综合所有的试验时间和地点，相比于单作，以玉米为主栽作物的间作使农民的净收益增幅24-75%，平均增加47%，相当于每公顷增加645美元（表2）。净收益也因种植制度、地点和作物组合有很大的不同。例如，玉米的经济效益最高，油菜最低。
表2 等量施肥和优化施肥试验中不同作物体系单作和间作的净效益
随着世界人口的增长，人类对粮食的需求量不断增大，这势必导致土地开荒的增加。开荒增加是加剧物种灭绝的主要原因，也是大约三分之一的农业温室气体排放的来源。通过间作等可能的农业增产措施可以减少对土地开荒的需求，从而提供环境效益。另一方面，间作在保持目前产量的同时，减少19%-36%的化肥施用，减少农药的使用，并增加作物授粉。我们的结果表明间作可以提高退化农田土壤的肥力。同样地，间作具有降低环境危害，并增加粮食供应和经济收益。因此，我们建议在一个国家广泛采用间作还可能增加其现有农田尺度上的作物总产量、这些农田土壤肥力以及国家粮食供应的稳定性和安全性。
间作虽然在劳动力密集的农业中非常有效，但在以机械为主的大规模现代农业中可能难以实施，因为在商业上没有合适的大型机械来种植和收获用条状间作种植的各种作物。除非有合适的机械设备，否则间作的潜在全球效益似乎不太可能实现。
