全球禾-豆生產(chǎn)系統(tǒng)作物多樣性變化特征及其影響

胡憶雨 鄒 軍 吳 堯 王小慧 楊雨豪 陳 阜 尹小剛*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；2.浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，杭州 310058)

隨著全球人口不斷增加，糧食需求日益增長；與此同時(shí)受生態(tài)環(huán)境問題、居民消費(fèi)水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境等多重影響,全球糧食生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性波動(dòng)變化大，糧食安全依然面臨巨大挑戰(zhàn)[1-8]。研究表明維持作物多樣性是增強(qiáng)作物適應(yīng)氣候變化能力，提高作物生態(tài)系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境壓力的忍耐力，保持作物產(chǎn)量穩(wěn)定，提高資源利用效率、降低生產(chǎn)成本、增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和促進(jìn)農(nóng)民增收的有效途徑[9-13]。然而隨著全球農(nóng)業(yè)集約化程度不斷提升，作物生產(chǎn)系統(tǒng)單一化程度越來越高，導(dǎo)致作物病蟲害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加、化肥農(nóng)藥生產(chǎn)投入增加的同時(shí)，也使得農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物多樣性下降，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)業(yè)生態(tài)效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響[14-21]，作物多樣性的降低被認(rèn)為是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[22]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)通過不同作物種間相互作用來維持作物生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將其與集約化農(nóng)業(yè)適度融合，有利于豐富區(qū)域內(nèi)作物多樣性，提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)自然災(zāi)害的抵御能力[23-27]。此外，全球?qū)Χ箍谱魑镄枨蟮娜找嬖黾?，提高豆科作物生產(chǎn)能力，迫在眉睫[28]。國內(nèi)外學(xué)者在作物多樣性及其對(duì)作物生產(chǎn)的影響方面開展了很多研究，研究表明通過間、混、套作提升作物多樣性具有高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、控制病蟲草害和保障大田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)[29-35]。禾豆輪作和間、套作增加了作物多樣性，有利于提升地力、減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)化肥與農(nóng)藥的依賴、提高系統(tǒng)內(nèi)作物產(chǎn)量和提高資源利用效率[36-38]。目前，探究全球主要禾本科作物和豆科作物的變化特征對(duì)于優(yōu)化全球種植結(jié)構(gòu)的研究鮮有報(bào)道。本研究基于1961—2017年全球主要禾本科作物和豆科作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析全球主要禾本科作物和豆科作物生產(chǎn)變化特征及其多樣性變化，旨在探索作物多樣性變化對(duì)作物生產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的影響，以期為我國種植制度調(diào)整提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中的作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)均來源于FAO統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫FAOSTAT[39]，包括1961—2017年全球各大洲及國家主要禾本科作物(小麥、玉米、水稻)和豆科作物(大豆、干豆、花生、鷹嘴豆、豇豆、豌豆(干)、小雜豆、蠶豆、小扁豆、樹豆、羽扇豆、野豌豆、班巴拉豆和角豆)逐年收獲面積、產(chǎn)量和單位面積產(chǎn)量等數(shù)據(jù)；2002—2017年全球各大洲及國家的農(nóng)藥、化肥等農(nóng)業(yè)投入數(shù)據(jù)。本研究以各大洲為例分析全球主要禾本科和豆科作物生產(chǎn)系統(tǒng)作物多樣性變化特征及其對(duì)作物生產(chǎn)的影響?？紤]到中國作物生產(chǎn)的規(guī)模很大，單獨(dú)分析中國的作物多樣性變化對(duì)我國未來種植結(jié)構(gòu)調(diào)整意義重大，因此，把亞洲分為中國和亞洲其他國家(地區(qū))兩部分。

1.2 分析方法

1.2.1作物多樣性變化

規(guī)模優(yōu)勢(shì)指數(shù)SAI (Scale Advantage Index)[40]反映一個(gè)地區(qū)某種作物的種植規(guī)模優(yōu)勢(shì)，在一定程度上可以反映作物的比較優(yōu)勢(shì)狀況。

(1)

(2)

式(1)中:GSia，第i區(qū) 3種主要禾本科作物的收獲面積之和；GSi，第i區(qū)所有農(nóng)產(chǎn)品(主要禾本科和豆科作物)的收獲面積之和；GSa，全球3種主要禾本科作物的收獲面積之和；GS，全球所有農(nóng)產(chǎn)品(主要禾本科和豆科作物)的收獲面積之和。SAI1值越大，主要禾本科作物規(guī)模比較優(yōu)勢(shì)越明顯。

式(2)中:GSib，第i區(qū)14種豆科作物的收獲面積之和；GSi，第i區(qū)所有農(nóng)產(chǎn)品(主要禾本科和豆科作物)的收獲面積之和；GSb，全球14種豆科作物的收獲面積之和；GS，全球所有農(nóng)產(chǎn)品(主要禾本科和豆科作物)的收獲面積之和。SAI2值越大，豆科作物規(guī)模比較優(yōu)勢(shì)越明顯。

此外，本研究也分析了主要禾本科作物和豆科作物收獲面積、產(chǎn)量、單位面積產(chǎn)量、規(guī)模優(yōu)勢(shì)指數(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入等指標(biāo)隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)，并利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)。

1.2.2作物多樣性變化對(duì)作物生產(chǎn)的影響

本研究基于線性回歸模型分析作物多樣性變化對(duì)農(nóng)藥、化肥投入和全球作物生產(chǎn)的影響。

Y=aX+b

(3)

式(3)中：X，SAI1(主要禾本科作物規(guī)模優(yōu)勢(shì)指數(shù))和SAI2(豆科作物規(guī)模優(yōu)勢(shì)指數(shù))；Y，單位面積化肥、農(nóng)藥投入量及主要禾本科和豆科作物生產(chǎn)；a是回歸系數(shù)；b為常數(shù)項(xiàng)。利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)單位面積化肥、農(nóng)藥投入量及主要禾本科和豆科作物生產(chǎn)隨SAI1和SAI2變化的顯著性[41]。所采用的數(shù)據(jù)均為區(qū)域總的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，無法將農(nóng)藥和化肥投入等生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)到每個(gè)作物上。因此，主要關(guān)注區(qū)域尺度作物多樣性變化對(duì)作物生產(chǎn)的影響。截至2019年底，F(xiàn)AO只提供2002—2017年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入數(shù)據(jù)，因此作物多樣性變化對(duì)作物生產(chǎn)的影響研究主要基于該時(shí)段的數(shù)據(jù)來進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析。

本研究運(yùn)用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理運(yùn)算和圖表的繪制；運(yùn)用SPSS 26.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 1961—2017年全球主要禾本科和豆科作物生產(chǎn)變化特征

2.1.1收獲面積變化特征

由表1可知，小麥種植主要集中在亞洲和歐洲國家(地區(qū))，其中亞洲其他國家(地區(qū))上升幅度較大，增速為84.9萬hm2/年，2017年收獲面積為7 580萬hm2；其中歐洲和北美洲小麥?zhǔn)斋@面積均顯著減少，減速分別為86.9和8.4萬hm2/年。玉米種植主要集中在北美洲、非洲和中國，其中中國玉米面積增幅最大，增速為41.0萬hm2/年；其次為非洲和北美洲。水稻種植主要集中在中國和亞洲其他國家(地區(qū))，其中亞洲其他國家(地區(qū))增加幅度較大，增速為60.6萬hm2/年，2017年收獲面積為11 450萬hm2。

大豆是全球種植規(guī)模最大的豆科作物，主要集中在南美洲和北美洲，其中大豆收獲面積在南美洲上升幅度最大，增速為102.9萬hm2/年；其次為亞洲其他國家(地區(qū))和北美洲。干豆主要集中在亞洲其他國家(地區(qū))且其收獲面積上升幅度較大，增速為11.1萬hm2/年?；ㄉN植主要集中在中國和非洲，其中非洲花生的收獲面積極顯著增加，增速為11.8萬hm2/年。鷹嘴豆主要集中在亞洲其他國家(地區(qū))。豇豆種植主要集中在非洲，該地區(qū)收獲面積增速最快為17.4萬hm2/年。豌豆在歐洲的收獲面積減速為6.8萬hm2/年。小雜豆和蠶豆在亞洲其他國家(地區(qū))收獲面積顯著減少。小扁豆和樹豆在亞洲其他國家(地區(qū))收獲面積年均增速最快。其他豆科作物收獲面積總體呈極顯著減少或變化不顯著。羽扇豆、野豌豆和角豆種植主要集中在歐洲，三者收獲面積均極顯著減少。其中，中國豆科作物中花生和鷹嘴豆收獲面積均極顯著增加，其中花生面積增速最快，增速為6.8萬hm2/年；大豆、干豆、豌豆和蠶豆收獲面積均極顯著減少，減速分別為0.1萬、3.6萬、3.5萬和5.1萬hm2/年。

2.1.2產(chǎn)量變化特征

由表2可知，玉米是全球產(chǎn)量最大的主要禾本科作物，其次為小麥和水稻。1961—2017年亞洲其他國家(地區(qū))小麥產(chǎn)量增速最快，增速為328.6萬t/年，2017年總產(chǎn)量為20 110萬t。北美洲玉米產(chǎn)量增速最快，增速為527.7萬t/年，2017年總產(chǎn)量為41 760萬t。亞洲其他國家(地區(qū))水稻產(chǎn)量增速最快，增速為639.6萬t/年，2017年總產(chǎn)量為47 816萬t。大豆是全球產(chǎn)量最大的豆科作物，其中南美洲和北美洲大豆產(chǎn)量增速最快，增速分別為290.0萬和158.9萬t/年，2017年總產(chǎn)量分別為18 450萬和12 773萬t；其次為亞洲其他國家(地區(qū))。亞洲其他國家(地區(qū))干豆產(chǎn)量增速最快，增速為14.0萬t/年，2017年總產(chǎn)量為1 416萬t。中國花生產(chǎn)量增速最快，增速為32.8萬t/年，2017年總產(chǎn)量為1 715萬t。亞洲其他國家(地區(qū))鷹嘴豆產(chǎn)量增速最快，增速為7.1萬t/年，2017年總產(chǎn)量為1 085萬t。非洲豇豆產(chǎn)量增速最快，增速為11.0萬t/年，2017年總產(chǎn)量為711萬t。其他豆科作物產(chǎn)量變化不顯著。其中，中國除干豆、豌豆和蠶豆外其他豆科作物產(chǎn)量均顯著增加。

2.1.3單產(chǎn)變化特征

1961—2017年，全球主要禾本科和豆科作物平均單產(chǎn)水平逐年提高，增速分別為53.1和21.3 kg/(hm2·年)，2017年分別為4 590和2 010 kg/hm2(圖1)。中國主要作物平均單產(chǎn)高于全球水平，主要禾本科作物平均單產(chǎn)增速為86.2 kg/(hm2·年)，豆科作物平均單產(chǎn)增速為30.7 kg/(hm2·年)。其他地區(qū)中，北美洲主要禾本科作物平均單產(chǎn)水平最高且增速最快，增速為76.7 kg/(hm2·年)，2017年平均單產(chǎn)為7 161 kg/hm2；其次為南美洲、歐洲和亞洲其他國家(地區(qū))，增速分別為63.7、60.3和40.3 kg/(hm2·年)；非洲和大洋洲單產(chǎn)年均增速較慢。南美洲和北美洲豆科作物平均單產(chǎn)水平最高且增速較快，增速分別為40.0和26.6 kg/(hm2·年)，2017年平均單產(chǎn)分別為3 088和2 944 kg/hm2；其次為歐洲，增速為26.4 kg/(hm2·年)；亞洲其他國家(地區(qū))、非洲和大洋洲單產(chǎn)年均增速較慢。

虛線表示以2002年為分界線劃分年份(FAO只提供2002—2017年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入數(shù)據(jù)),下同。The dotted line indicates that 2002 is the dividing line which used to divide the years (FAO only provides the data on agricultural production inputs from 2002 to 2017). The same below.圖1 1961—2017年全球主要禾本科作物(a)和豆科作物(b)單產(chǎn)變化特征Fig.1 Variation characteristics of the yield of main cereals (a) and grain legumes (b) globally from 1961 to 2017

2.2 1961—2017年全球主要禾本科和豆科作物生產(chǎn)系統(tǒng)作物多樣性變化特征

由圖2可知，1961—2017年，歐洲、非洲、中國和亞洲其他國家(地區(qū))的SAI1總體呈上升趨勢(shì)，其中歐洲、大洋洲和中國主要禾本科作物規(guī)模比較優(yōu)勢(shì)大；南美洲和北美洲的SAI2總體呈上升趨勢(shì)，其中南美洲、非洲和北美洲豆科作物規(guī)模比較優(yōu)勢(shì)大。中國的SAI1從1961年的0.95增加到2017年的1.24，SAI2從1961年的1.20減小到2017年的0.44。亞洲其他國家(地區(qū))、歐洲和非洲的SAI1明顯增加，分別從1961年的0.96、1.12 和0.82增加到2017年的1.09、1.25和0.87；北美洲、南美洲和大洋洲的SAI1明顯減小，2017年分別為0.84、0.56 和1.19。北美洲、南美洲和大洋洲的SAI2明顯增加，分別從1961年的0.95、0.80和0.05增加到2017年的1.38、2.04和0.55；亞洲其他國家(地區(qū))、歐洲和非洲的SAI2呈下降趨勢(shì)，2017年分別為0.78、0.41和1.31。

圖2 1961—2017年全球主要禾本科(a)和豆科作物(b)規(guī)模優(yōu)勢(shì)指數(shù)Fig.2 SAI of global main cereals (a) and grain legumes (b) from 1961 to 2017

2.3 全球主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入變化特征

由圖3和圖4可知，2002—2017年全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮肥、磷肥和鉀肥投入總量均明顯增加，全球農(nóng)藥投入量明顯增加；2002—2017年全球單位面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮肥和鉀肥投入量均明顯增加，磷肥投入量變化不明顯，2002—2017年全球單位面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)農(nóng)藥投入量明顯增加。其中中國和亞洲其他國家(地區(qū))氮肥投入總量最大，分別從2002年的2 530 萬和2 360萬t增加到2017年的2 980萬和3 400萬t。中國和亞洲其他國家(地區(qū))農(nóng)業(yè)生產(chǎn)磷肥投入總量最大，分別從2002年的1 040萬和880萬t增加到2017年的1 250萬和1 320萬t；其次為南美洲、北美洲、歐洲、非洲和大洋洲。中國和亞洲其他國家(地區(qū))農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鉀肥投入總量最大，分別從2002年的490萬和410萬t增加到2017年的1 080萬和860萬t；其次為南美洲、北美洲、歐洲、非洲和大洋洲。中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥投入總量最大，從2002年的77萬t到2017年的177萬t；其次為南美洲、北美洲、歐洲、亞洲其他國家(地區(qū))、非洲和大洋洲(圖6)。中國的單位面積氮肥、磷肥、鉀肥和農(nóng)藥投入總量最大，分別從159、65、31和5 kg/hm2增加到2017年的161、67、58和10 kg/hm2。

圖3 全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮肥(a)、磷肥(b)和鉀肥(c)總投入及單位面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮肥(d)、磷肥(e)和鉀肥(f)的變化Fig.3 Changes of the total inputs of nitrogen fertilizer (a), phosphate fertilizer (b), potash fertilizer (c), and the inputs of nitrogen fertilizer (d), phosphate fertilizer (e) and potash fertilizer (f) per unit globally

圖4 全球各地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)農(nóng)藥總投入(a)和單位面積農(nóng)藥用量(b)變化特征Fig.4 Changes of the total inputs of global pesticides (a) and the inputs of pesticides per unit (b)

2.4 全球作物多樣性變化對(duì)作物生產(chǎn)的影響

由表3可知，作物多樣性變化對(duì)中國作物生產(chǎn)影響尤為顯著，SAI1每增加1個(gè)單位，單位面積氮肥、磷肥、鉀肥和農(nóng)藥投入量分別增加198.0、104.4、224.8和13.8 kg/hm2；SAI2每增加1個(gè)單位，單位面積氮肥、磷肥、鉀肥和農(nóng)藥投入量分別減少121.0、62.1、116.0和7.0 kg/hm2。在亞洲其他國家(地區(qū))，SAI1每增加1個(gè)單位，單位面積氮肥、磷肥和鉀肥投入量分別增加338.6、134.1和75.3 kg/hm2，單位面積農(nóng)藥投入量顯著減少1.1 kg/hm2；SAI2每增加1個(gè)單位，單位面積農(nóng)藥投入量顯著增加0.4 kg/hm2。在歐洲，SAI1每增加1個(gè)單位，單位面積氮肥投入量減小211.7 kg/hm2，單位面積農(nóng)藥投入量增加2.3 kg/hm2；SAI2每增加1個(gè)單位，單位面積氮肥投入量顯著增加44.8 kg/hm2，單位面積農(nóng)藥投入量減小0.9 kg/hm2。作物多樣性變化對(duì)南美洲作物生產(chǎn)影響顯著，SAI1每增加1個(gè)單位，單位面積氮肥、磷肥、鉀肥和農(nóng)藥投入量分別減小88.6、49.9、48.9和16.1 kg/hm2；SAI2每增加1個(gè)單位，單位面積磷肥和農(nóng)藥投入量分別顯著增加0.9和9.0 kg/hm2。在大洋洲，SAI1每增加1個(gè)單位，單位面積鉀肥顯著減小70.2 kg/hm2，單位面積農(nóng)藥顯著增加3.1 kg/hm2；SAI2每增加1個(gè)單位，單位面積農(nóng)藥投入量顯著減小0.1 kg/hm2。

表3 2002—2017年全球化肥、農(nóng)藥投入量和作物產(chǎn)量與 SAI之間的線性回歸分析Table 3 Linear regression analysis between global fertilizers, pesticides inputs and crop yield with SAI

3 討 論

3.1 作物多樣性變化的驅(qū)動(dòng)因素

1961—2017年全球主要禾本科作物多樣性和豆科作物多樣性發(fā)生顯著變化，全球作物種植結(jié)構(gòu)和作物生產(chǎn)水平影響著作物多樣性的變化。亞洲始終是世界水稻生產(chǎn)的中心，其中孟加拉國、中國、印度和緬甸的水稻種植面積和產(chǎn)量總和分別占全世界的57%和61%[42-44]。小麥?zhǔn)鞘澜缟戏N植最廣泛的作物，目前全球小麥種植可以劃分為9個(gè)主要產(chǎn)區(qū)，分別為北美、歐洲、中亞、中國、北非、南亞、東非、南美和澳大利亞[45]。世界玉米的種植主要分布在美洲、北歐、亞洲以及非洲，北美洲是全球規(guī)模最大的玉米產(chǎn)區(qū)，目前美國、中國和巴西是全球玉米三大主產(chǎn)國[46-48]。近年來，全球主要禾本科生產(chǎn)進(jìn)一步向北美洲、中國和亞洲其他國家(地區(qū))集中使得中國、大洋洲和亞洲其他國家(地區(qū))的SAI1優(yōu)勢(shì)增加。全球的大豆產(chǎn)區(qū)主要集中在南美洲、北美洲、歐洲和亞洲，1961—2017年中國大豆產(chǎn)量相繼被美國、巴西、阿根廷超越，進(jìn)而全球大豆生產(chǎn)中心逐步向以美國、巴西和阿根廷為主的美洲國家集中，到2017年，美國、巴西和阿根廷的大豆種植面積和產(chǎn)量總和已分別達(dá)到全球的87.9%和80%以上[28,49-51]，進(jìn)而，使得該地區(qū)的SAI2優(yōu)勢(shì)增加[14-21，40]。自然和人文因素是造成全球作物種植結(jié)構(gòu)和作物生產(chǎn)水平變化的主要因素，其中，自然因素主要包括氣候條件和地理環(huán)境；人文因素主要包含科技、政策、市場(chǎng)環(huán)境和社會(huì)環(huán)境因素[49]，在未來，以氣候變化為主的自然環(huán)境因素的改變將會(huì)是影響全球作物生產(chǎn)以及作物多樣性變化的重要因素[52]。

3.2 作物多樣性變化對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的影響

在SAI1優(yōu)勢(shì)大的地區(qū)，豆科作物多樣性增加有利于減少化肥農(nóng)藥的投入；而主要禾本科作物優(yōu)勢(shì)指數(shù)增加使得化肥投入量增加。這可能與主要禾本科作物是高耗氮作物有關(guān)，且小麥季重磷和玉米季重鉀配施模式有利于養(yǎng)分利用率和作物產(chǎn)量的提高[53]。在歐洲和南美洲，SAI1增加使得單位面積化肥投入量減少，這可能與當(dāng)?shù)鼗蕼p量政策的有效執(zhí)行有關(guān)[54-55]。近年來，南美洲的大豆等豆科作物種植面積擴(kuò)大使原生態(tài)系統(tǒng)失衡、土壤養(yǎng)分流失，有研究表明在一定程度上增施磷肥能提高大豆產(chǎn)量[56-57]。這可能是南美洲的SAI2增加使得單位面積磷肥和農(nóng)藥投入量增加顯著的原因?；屎娃r(nóng)藥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中極其重要的一部分,在促進(jìn)作物生產(chǎn)和保障糧食安全方面起到不可替代的作用，但其過多使用將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[58]。因此，理清作物多樣性與作物生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的平衡關(guān)系極為重要。歐洲在保障提高SAI2的同時(shí)增加作物生產(chǎn)力，這與該地區(qū)較高的科技水平和作物多樣性水平有關(guān)[49,59]。而在中國和大洋洲SAI1優(yōu)勢(shì)較大的國家和地區(qū)，SAI2的增加會(huì)造成作物產(chǎn)量降低，這是由于該地區(qū)豆科作物單產(chǎn)水平低，增加種植面積必然導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低，但可以通過適當(dāng)提高豆科作物規(guī)模優(yōu)勢(shì)來減少化肥農(nóng)藥的使用量。發(fā)展主要禾本科和豆科作物種植體系以增加作物多樣性，可以控制有害生物、減少農(nóng)藥用量，且很大程度上減輕生態(tài)環(huán)境的壓力和負(fù)擔(dān)[60-62]，具有提高作物生產(chǎn)力和養(yǎng)分利用率的優(yōu)勢(shì)[32,37-38,63-70]。中國作為世界上人口最多的國家，糧食安全和農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通過構(gòu)建適宜我國不同區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的主要禾本科和豆科作物種植系統(tǒng)對(duì)推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展和保障糧食安全意義重大。

4 結(jié) 論

1961—2017年，在全球主要禾本科作物中小麥?zhǔn)斋@面積保持穩(wěn)定、玉米和水稻收獲面積增速快；全球豆科作物中大豆收獲面積最大且增速最快；全球主要作物單產(chǎn)和產(chǎn)量水平均顯著提升，其中小麥、玉米、水稻和大豆年均增速較快且產(chǎn)量較高；1961—2017年大洋洲、中國和亞洲其他國家(地區(qū))的SAI1總體呈上升趨勢(shì)且優(yōu)勢(shì)明顯；南美洲和北美洲的SAI2總體呈上升趨勢(shì)，其中南美洲、非洲和北美洲的SAI2優(yōu)勢(shì)明顯。2002—2017年全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮肥、磷肥、鉀肥和農(nóng)藥投入總量均明顯增加，其中亞洲(尤是中國)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入總量最大。在主要禾本科作物規(guī)模優(yōu)勢(shì)明顯的國家和地區(qū)，主要禾本科作物規(guī)模優(yōu)勢(shì)指數(shù)的增加導(dǎo)致單位面積化肥和農(nóng)藥投入量顯著提高，而豆科作物規(guī)模優(yōu)勢(shì)指數(shù)的增加使得單位面積化肥和農(nóng)藥投入量顯著減小。在中國，作物多樣性對(duì)作物生產(chǎn)的影響尤為顯著，SAI1每增加1個(gè)單位，單位面積氮肥、磷肥、鉀肥和農(nóng)藥投入量分別增加198.0、104.4、224.8和13.8 kg/hm2；SAI2每增加1個(gè)單位，單位面積氮肥、磷肥、鉀肥和農(nóng)藥投入量分別減少121.0、62.1、116.0和7.0 kg/hm2。研究結(jié)果表明，在中國等SAI1優(yōu)勢(shì)大的國家和地區(qū)，適當(dāng)提高豆科作物多樣性對(duì)于減少化肥農(nóng)藥投入、提升作物生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。