农业面临着粮食安全、生物多样性下降、气候平均状态随时间的变化等三重挑战。农民和决策者通过种植制度和土地管理的有关措施，能够最大限度地提高生产力和农业系统效率，并限制环境破坏。种植系统中作物和土壤间互作提供了广泛的环境、经济和社会效益。可持续的土地管理需要提高资源利用率，也需要减少温室气体排放，提高农药肥料的使用效率等。苏格兰政府这5年期的研究说明了生态学原理和基于自然的解决方案（NBS，nature-based solutions）在提高农业可持续性上的潜力，以及应对气候平均状态随时间的变化导致的多种全球问题上的作用。

　　利用生态学原理分析和设计种植系统，能够启发我们对耕作系统的新认识，加深对作物和系统多样性的理解，也能为作物育种提供新目标与方向。分析在给定系统中耕作系统如何响应作物和系统多样性的增加，使我们更准确地了解农业效益潜在的生理机制，以及如何通过管理和作物育种来增强这些效益。苏格兰的研究显示，将生态学原理和NBS应用于农业系统中，不仅提高了产量，也增强了土壤和总系统的功能。

　　多样功能的植物种群和相关生物之间的互作有助于系统过程的内部调节，包括提高土壤质量、利用遗留养分、有益于碳和水循环、初级生产、微生物-植物组合、害虫和病原体调节、授粉和可耕地食物网恢复力，来提升作物产量，同时减少对农用化学品投入的依赖（图1）。可持续种植中心（CSC，Centre for Sustainable Cropping）长期平台（图2）也是很好的应用示例。

　　农药能够控制作物害虫，但也会造成作物损失，全球18%的作物损失来自于农药。以蚜虫为例，蚜虫能在很短时间内进化出对杀虫剂的抗性，对气候平均状态随时间的变化具有适应性，因此控制蚜虫的重点是增强其天敌的活动。在变化的环境条件下，害虫和天敌种群中的种内和种间多样性程度是生物害虫控制成功的决定性因素。提高田间和景观尺度的植被和生境多样性是保护性生物控制的基础，为多样化的天敌群体在时间和空间上提供更多种类的食物资源，从而发挥天敌群落的多种功能（捕食、寄生和致病），克服害虫抗性，减少对杀虫剂的依赖。

　　利用生态学原理可以有明显效果地设计间作或多物种覆盖的种植系统和轮作种植系统，并给出土壤环境角度的系统评估（图3）。为实现农业系统的可持续性和温室气体减排，主要方案有少耕免耕，化肥减施，器械燃料及农药减投，改善蓄水和固碳等。但这些方案也存在不足，需要在种植过程中权衡利弊，如少耕固然能够改善土壤物理条件，蓄水固碳等，但是也会导致作物产量降低、根区酸化等后果，施用石灰能够改良土壤酸性，增加氮利用效率等，但是对土壤碳储量和矿物质生物有效性等土壤功能的影响是复杂且争论未决的。为了评估管理措施和品种对土壤功能、ECO功能的影响，需要一个评估框架和简单、有效且可复制的土壤健康指标，供全球的土地管理人员在不同的时间和地点开展现场应用。

　　过度施肥会导致水气污染和土壤养分过剩等问题。原文给出了如何通过管理措施和品种选择来充分的利用养分。如添加碳源，减施化肥，使用海藻、绿肥及矿物肥料的替代品等，但可能会增加土壤中的重金属和有毒元素浓度。在追求零污染农业系统的过程中，需要着重考虑土壤中生物间的复杂相互作用，例如细菌、原生动物、线虫、菌根、弹尾虫和蚯蚓间的互作及其对植物与土壤的影响（图4）。从而缓解投入减少导致的营养缺乏，以及氮磷供应过量导致的环境污染，也防止替代肥料中不利元素的积累。

　　现代栽培品种虽有较高的生产力，但需要较高的投入，且无法遗传适应可持续耕作方法。为了充分的利用生态管理措施，需要充分了解作物性状（根毛、菌丝）如何优化系统功能来育种作物，在适宜管理下何种基因型可实现可持续生产。主要考虑的系统功能包括轮作、减少耕作、混合种植和减少化学品投入（除草剂、农药和肥料）。针对这些性状的育种应在广泛的种植区域中开展，而不能仅在特定或选择的区域进行试验。

　　（1）豆类作物种植制度的食品与市场安全风险种植环境优化，采取最佳农艺措施，加强育种工作和蛋白质营养供应（图5）。（2）区分粮食作物和饲料作物种植系统间的差异，并针对性地充分的利用两类种植系统以实现可持续性。

　　（3）支持豆类食品体系多样化措施的政策种植者独立推广，鼓励豆类种植和豆类产品生产，限制无机氮肥的使用，增加研究投资和发展。

　　农业面临着粮食安全、生物多样性下降、气候平均状态随时间的变化等挑战。利用生态学原理可以在一定程度上完成种植系统多尺度的多样化，减少投入，增强系统适应性以应对气候平均状态随时间的变化引起的非生物和生物胁迫，增加系统中动植物及微生物多样性，减少燃料使用和增加土壤碳固存以缓解大气二氧化碳积累。苏格兰种植系统的例子表明，改善种植系统的可持续性有很大的潜力，通过优化管理措施并推广运用于世界各地的农业ECO，能够创造出更具适应性、可持续性和多样性的农业生态系统。

　　由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中13种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

　　特别声明：本文转载只是出于传递信息的需要，并不代表代表本网站观点或证实其内容的真实性；如别的媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者若不希望被转载或者可以联系转载稿费等事宜，请与我们接洽。

　　FESE 前沿研究：结合微生物还原性脱卤与过硫酸盐活化氧化以实现卤化有机污染物的深度转化

　　FME前沿专辑：2022年第一期 (Mar. 2022, Volume 17 Issue 1)

　　更多

　　致敬卅载，感谢共筑：Current Oncology 创刊30周年纪念