全 文 :中国生态农业学报 2013年 1月 第 21卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2013, 21(1): 54−60
* 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB100406)、国家环保部项目(20100920-04)和国家自然科学基金项目(31270485)资助
陈欣(1961—), 女, 博士, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为农业系统中生物的互惠及其效应。E-mail: chen-tang@zju.edu.cn
收稿日期: 2012−10−27 接受日期: 2012−10−29
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2013.00054
农业系统中生物多样性利用的研究现状与未来思考*
陈 欣 唐建军
(浙江大学生命科学学院 杭州 310058)
摘 要 “现代农业”生产力高, 但生物多样性简单化、生物之间的相互作用及其生态学效应常常被忽略, 其生
产力的稳定性主要依赖于化学肥料、农药、灌溉和高产品种等的投入。传统农业则是利用当地生物多样性(物
种多样性和遗传多样性)和生物之间的相互作用来产出食物和维持系统的稳定。因而现代农业能否借鉴传统农
业对生物多样性利用的经验, 将工业化模式的现代农业转换为生物多样性利用与现代技术相结合的农业受到
关注。本文分析了农业系统中生物多样性的特点及农业方式对农业生物多样性的影响; 综述了农业系统中生
物多样性利用模式与效应方面的研究进展; 讨论了在现代农业系统中, 利用生物多样性需要开展的研究, 即
区域上如何布局农业景观多样性, 农田内如何根据生物之间的互惠关系配置物种多样性的种养体系, 如何建
设与生物多样性利用相应的田间设施和发展新型的农业机械、并建立以信息化为基础的管理体系。
关键词 现代农业 生物多样性利用 物种间相互作用 遗传多样性 农业景观多样性
中图分类号: S18; Q149 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2013)01-0054-07
Utilization of biodiversity in agriculture: today and tomorrow
CHEN Xin, TANG Jian-Jun
(College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)
Abstract Currently, world agriculture was faced with drastic challenges to produce sufficient food while minimizing negative
environmental effects of crop cultivation. Unlike traditional agriculture, which used local biodiversity and species interactions to
sustain food production, modern agriculture used fewer high-yield crop varieties and largely ignored species interactions. Modern
agriculture relied on chemically-driven modern varieties and irrigation to ensure high production. At the same time, modern high
production induced negative environmental effects, pest resistance to pesticides and high agro-production costs. Whether and how
biodiversity integrated into modern agriculture was a recent trend of research. Here, we reviewed the researches on the utilization of
biodiversity in agriculture in the last decades. We then proposed future researches on intensified development of sustainable global
agriculture with integrated biotechnology, precision agro-technology and biodiversity utilization. Unlike natural ecosystems,
agro-ecosystem species consisted of productive biota (e.g., crops, forest trees and animals), resource biota (e.g., pollinating insects
and crop-related wild species) and destructive biota (e.g., weeds and insect pests). Productive biota cultured by farmers dominated
agro-systems and contributed to food production. Thus designing productive biota diversity was critical for biodiversity utilization of
agro-systems. Utilization of productive biota diversity in agriculture included applications of genetic, species and landscape diversity.
Studies indicated that uses of multi-gene varieties and mixtures of varieties were the key approaches to genetic diversity. This
effectively controlled diseases in coffee, barley, wheat and rice crops. Genetic diversity mechanisms controlled diseases via resistant
plant pathogen dilution or physical isolation. For species diversity utilization, intercropping and co-culture of crops and animals were
the two common approaches. Legume-cereal intercropping and rice-fish co-cultures were the two successful examples of species
diversity use in agro-systems. Species intercrops or co-cultures reduced the applications of chemical fertilizers and pesticides and
promoted super-harvests. Positive species interactions and complementary resource uses explained why intercrops and co-cultures
promoted super-harvests. For example, super-harvests often occurred in legume-cereal intercrops mainly as a result of facilitative
root interactions, including nitrogen transfers and nutrient mobilizations. In rice-fish systems, fish reduced rice pests whereas rice
moderated fish water environment which in turn enhanced pest removal. This positive relationship between rice and fish resulted in
第 1期 陈 欣等: 农业系统中生物多样性利用的研究现状与未来思考 55
reduced pesticide use. Experiments also indicated that complementary use of nitrogen (N) in rice-fish systems resulted in low N
fertilizer use and low N release into the environment. Within agricultural areas, diverse croplands in mosaic patterns maintained
natural habitats (e.g., small grassland) and field margins helped develop diverse agro-landscapes. Studies showed agro-landscape
diversity potentially provided shelter and alternative foods for resource biota in agro-systems. Although biodiversity utilization in
agriculture was successful in many traditional agro-systems, studies on successful integration of biodiversity into modern agriculture
were rare. For example, studies were needed in landscape diversity designs for large-scale agriculture. Positive species interactions
and complementary resource uses also needed consideration in the development of modern agriculture such as intercrop or species
co-culture systems. Field facility for diverse species co-existence needed sufficient construction. New machinery suitable for
intercrop or species co-culture systems needed development as well. Information-based precision agro-technology suitable for
intercrop or species co-culture systems likewise needed development.
Key words Modern agriculture, Biodiversity utilization, Species interaction, Genetic diversity, Agro-landscape diversity
(Received Oct. 27, 2012; accepted Oct. 29, 2012)
全球农业正面临食物安全、资源短缺、环境破
坏和全球气候变化等多重挑战[1−3]。在过去的半个多
世纪, 以工业化为特征的现代农业对全球粮食的增
长做出了重要贡献 , 但与此同时也带来了资源破
坏、环境污染和成本增加等问题[4−5]。人们开始对现
代农业方式进行“反思(rethinking)”, 试图探讨通过
生物技术、精确农业技术和农业生物多样性利用技
术等多个方面相结合, 促使现代农业转型(agriculture
transformation), 建立全球可持续的集约化农业(sust-
ainable intensification of global agriculture)[6−8]。
传统农业是利用当地生物多样性(物种的多样
性和遗传的多样性)及生物之间的相互作用来产出
食物和维持系统的稳定, 而现代农业的生物多样性
简单化, 生物之间的相互作用及其效应常常被忽略[9],
其高的生产力主要依赖化学肥料、农药、灌溉、高
产品种和其他“绿色革命”技术的投入。能否和如何
将工业化模式的现代农业转换为生物多样性利用与
其他技术结合为模式的现代农业, 需要做较长时间
的研究与实践。本文分析了农业系统中生物多样性
的特点, 综述了农业生物多样性利用的研究进展, 并
讨论了现代农业系统中生物多样性利用的可行途径。
1 农业系统中生物的多样性
1.1 农业生物多样性的特点
农业是从各类自然生态系统逐渐开发利用而成,
并与自然生态系统重叠和交叉分布。迄今, 农业生产
区域分布于全球各地, 覆盖地球 38%的土地面积[10],
农业发展对全球生物多样性产生深刻影响[11]。各类
农业系统都有许多农业的边际土地, 如荒地、草山、
草坡和草滩、水域、农垦区湿地、小片山林地、路
边和田埂等, 其中许多是珍稀野生生物种相对富集
的地点, 作为生物多样性富集的“野生生境岛屿”保
存在农业区域中。因此, 农业系统中生物的多样性
是全球生物多样性整体研究不可缺少的重要组成部
分。调和农业生产与生物多样性保护之间矛盾一直
受到关注[11−14]。
由于农业生产的目标是最大程度地获取优质产
品以满足人口不断增长的需要, 因而农业系统中的
生物多样性与自然生态系统的明显不同。从生物组
分上看, 农业系统中的生物可分为 3 类: 生产性生
物(productivity biota), 如农作物、林木和饲养动物等;
资源性生物(resource biota), 如农林作物的野生种、
传粉昆虫、害虫天敌和有益微生物等; 破坏性生物
(destructive biota), 如杂草、害虫和病原物等[15]。生
产性的生物多样性是农业系统的生物主体, 资源性
生物多样性与生产性生物相伴随, 而破坏性的生物
多样性常常被控制在一定水平之下。
从生物多样性的层次看, 农业生物多样性也可
分为农作物品种的多样性(遗传多样性)、农作物种类
的多样性(物种多样性)和农地景观的多样性。由于大
多农作物品种是人工选育而来, 因而表现为基因型
纯合、个体之间差异小、多样性低, 群体整齐度和
均匀度均较高, 净生产力高但抗逆性弱等特点[16]。
农业生产过程中, 为了给栽种和养殖生物创造良好
的生长环境, 常常对非目标生物(杂草、害虫、病原
物和其他一些有益生物)进行控制, 因而农业区域内
物种的多样性较低。现代工业化农业在较大区域实
行单一种植带, 如美国等一些发达国家的玉米带、
棉花带和畜牧业带等, 导致生境和农地景观单一、
农业种养生物简单和野生生物多样性低。
1.2 农业生产方式与生物多样性
农业由人类对自然生态系统的利用和管理而形
成, 农业经历了由刀耕火种向传统农业和工业化农
业的转变 , 在这一过程中生物多样性发生明显变
化。Donald[17]的研究表明, 自然生境转为农田对全
球生物多样性产生重要影响, 但转为传统农业的生
产体系与转为工业化农业的生产体系相比, 对生物
多样性的影响相对较小。许多研究也表明, 与集约
56 中国生态农业学报 2013 第 21卷
化农业相比, 传统农业保留着较高的生物多样性。
如分布在热带地区的一些传统农业种植园, 将粮食
作物、饲料作物、果树、咖啡树和薪炭林等合理安
排种植 , 形成丰富的生产性生物多样性 (planned
biodiversity), 同时伴随着鸟类、传粉昆虫和天敌的
多样性[18]; 分布在传统稻鱼共生系统的水稻品种多
样性显著高于集约化水稻单作系统[19]。在苏格兰东
部, 区域尺度上传统农田的生物多样性高于其他生
产模式[20]。传统农业系统被认为是许多作物物种和
品种多样性的保护地和孵化器[21], 为此, 2002 年联
合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of
the United Nations, FAO)启动全球保护重要农业文
化遗产项目以促进生物多样性和传统知识的原生境
保护[22]。一项对阿曼苏丹国绿洲的调查表明, 107个
作物物种(归属 39个科, 包括 33个果树物种)在干旱
和半干旱条件下的小规模传统作物系统中成功保留
下来[23]; 另一项研究也发现, 在 5个大陆 8个国家的
传统农业系统中有 27个作物物种。可见, 传统农业
系统是作物多样性的重要保护地[24]。
随着规模化、工业化农业的进程, 农业系统中
生物多样性越来越简单。Robinson 等[25]对英国农场
变化与生物多样性的研究表明, 自 1946 年以来, 农
场规模不断扩大, 生产单一化和机械化使得作物产
量大幅度增加, 但生境多样性、作物多样性和农区
鸟类多样性大大降低。此外, 由于现代品种的推广
应用, 地方和农家品种逐渐消失, 如孟加拉由于高
产品种的应用使得 7 000 种传统水稻品种和生活在
水稻田里的很多鱼种类消失; 印度、菲律宾和非洲
等地也由于现代品种的使用导致大量作物遗传多样
丢失[16]。
2 农业系统中生物多样性的利用模式与效
应研究
有关农业生物多样性的利用模式与效应, 国内
外科学家从作物遗传多样性、物种多样性和区域农
地利用多样性 3个方面进行了大量试验和探讨。
2.1 遗传多样性的利用模式与效应
早在 20 世纪 50—60 年代人们开始探讨遗传多
样性的利用途径, 主要有多系品种的利用和品种的
混合栽种等[16]。多系品种是基于表现型一致而选择
的多种基因型组成的混合群体, 多品系在麦类和咖
啡等作物病害防治上应用取得了成功。作物品种混
合栽培是遗传多样性利用的另一重要途径, 大麦品
种混合种植防治白粉病、冬小麦品种混合种植控制
锈病、水稻品种混合种植控制稻瘟病等都取得了显
著效果[26−27]。Hajjar 等[28]综述了作物遗传多样性利
用的作用, 指出农业系统中配置作物遗传多样性对
增强农业抵抗病虫害、提高作物授粉和保持土壤(如
储存碳)等都有重要作用。Kiaer 等[29]对已报道的研
究进行整合分析(meta-analysis), 结果也表明, 谷物
品种多样性混合种植可增加谷物产量、增加抗病性
和对杂草抑制。Tang 等[30]通过试验发现, 水稻品种
多样性种植可以减低稗草发生, 其机理是通过品种
间隔种植可形成化感抑草和竞争抑草。
云南农业大学朱有勇等[27]对作物遗传多样性控
制病害的效应和机理进行了深入研究, 揭示出作物遗
传多样性种植控制病害的机理主要是多样性混栽群
体的遗传异质性、对病原物的稀释效应、抗性植株的
物理隔离效应、诱导抗性效应和协同进化等[27,31−33]。
2.2 物种多样性的利用模式与效应
农田作物的间作、套作或农田中引入其他物种
(如鱼、鸭和蟹等)是农业生物多样性利用的有效途
径 [16,34−35], 世界各国尤其是发展中国家在农业生产
中广泛采用两个或多个作物间套混合种植[36]。在南
美, 估计有 70%~90%的豆类和 60%的玉米是与其他
作物间作的; 在印度, 90%的木豆也是以间作形式种
植; 在尼日利亚, 许多作物如豇豆、花生、谷类、粟
类、棉花和玉米等均普遍以间作形式种植。中国的
间套种植模式十分丰富, 且历史悠久, 如西北地区
的小麦/玉米、小麦/大豆和蚕豆/玉米间套作; 华北的
玉米/花生间作; 黄淮海平原的小麦/玉米间作; 东北
的玉米/大豆间作; 西南地区的小麦/玉米、玉米/甘
薯、玉米/花生、玉米/大豆; 长江中下游地区的小麦/
豌豆、小麦/蚕豆、大麦/蚕豆和油菜/蚕豆间套作等。
在甘肃省河西走廊地区和蒙古、宁夏沿黄灌区, 小
麦/玉米间作较流行, 在云南省, 小麦/蚕豆、大麦/
蚕豆、油菜/蚕豆等小春作物和玉米/马铃薯、玉米/
魔芋、玉米/花生等夏粮作物多样性种植技术盛行。
稻田养鱼在东南亚有 6 000 年历史, 我国浙江永嘉
和青田等县的稻田养鱼历史可追溯到 1 200年前[37],
在日本, 稻田养鱼约有 100 年历史。此外, 从 20 世
纪初开始, 印度、马达加斯加、苏联、匈牙利、保
加利亚、美国以及一些亚洲国家都进行了稻田养鱼,
但以印度尼西亚、马来西亚、菲律宾和印度较为盛
行。目前在埃及、印度、印度尼西亚、泰国、越南、
菲律宾、孟加拉、马来西亚、日本和其他国家都有稻
田养鱼模式分布[38]。
研究表明, 作物间套种系统和稻田种养结合系
统中物种多样性的功能和机理主要是利用了物种
之间的互惠 (facilitation)和物种之间对资源的互补
利用[39−40]。Smith 等[41]设计了 6 种作物多样性轮作
模式, 进行了为期 3 年的研究, 发现作物多样性轮
作模式可提高作物总产量。Nyfeler 等[42]报道, 将 4
第 1期 陈 欣等: 农业系统中生物多样性利用的研究现状与未来思考 57
个物种混合种植并结合施肥 , 可获得持续超产
(overyielding), 其机理是不同物种混合种植可提高
资源利用效率。Li 等[43]研究表明, 大面积实行作物
间套作可降低病害的发生并提高作物产量; DeHaan
等[44]对 18 种多年生生物燃料作物进行的混植试验
也发现, 作物地上生物量均与多样性之间呈显著正
相关关系 , 与多年生羽扇豆(Lupinus perennis)的混
合种植后地上生物量提高尤为明显。Letourneau等[45]
通过对最近 10 年发表的 45 个研究结果进行了整合
分析, 指出作物多样性种植体系中, 尽管作物产量
效应较小, 但害虫的抑制效应、天敌的保护效应及
作物受害降低效应均比单作系统显著。
在我国, 中国农业大学资源与环境学院张福锁
教授和李隆教授的研究团队通过一系列深入研究 ,
揭示出作物种间根际互惠是作物间套种系统超产和
养分等资源高效利用的重要机制, 因而从作物间套
种效应与机理的角度阐明了农田生态系统生物多样
性作用原理[39,46]。浙江大学生命科学学院生态研究
所陈欣教授研究小组对“稻鱼共生系统”进行了长期
试验研究发现, 与水稻单作相比, 稻鱼共生系统中
水稻产量和水稻单作相比没有显著差异, 但水稻产
量稳定性却显著增强, 稻鱼共生系统对农药和化肥
需求减少了 68%和 24%; 田间试验进一步证实了稻
鱼共作系统中水稻和鱼之间的互利关系, 鱼减少了
水稻病虫草害, 而水稻改善了鱼的生存环境, 稻和
鱼之间的这种正相互关系降低了稻鱼共生系统稳定
性对农药的依赖; 此外, 研究也表明水稻和鱼之间
存在氮素的互补利用, 减少了氮肥投入和氮素流失;
从而揭示了物种间的正相互作用及资源的互补利用
是稻鱼共生系统可持续的重要生态学机制[40]。
2.3 农业景观多样性的模式与效应
农业区域内农地利用方式镶嵌格局分布、田块
之间保留小生境和多样性的农田边界是维持农业景
观多样性的主要途径[47−49]。农田镶嵌格局分布主要
是在农业区域内, 按照条带状或斑块状适当安排不
同的作物类型或耕作制度, 田块镶嵌可增加农业景
观的复杂性和农业系统生物多样性, 并发挥这些生
物多样性的功能[50]。研究表明, 农田镶嵌格局分布
需要同时考虑农田内的生物多样性和农田间的生物
多样性, 并考虑田块大小, 田块过大或过小均不利
于农业景观多样性功能的发挥。如 Norton等[51]对实
行有机农业的 89个农场和实行常规农业的 161个农
场进行了比较研究, 发现有机农场的景观复杂性高
于无机农场 , 有机农场内 , 小田块和大田块镶嵌 ,
田块之间有绿篱、草地等相隔, 有机农场景观的多
样性并不降低农田的总利用面积, 而且不使用化学
农药和肥料。
农田之间保留一些小生境也是农业景观多样性
的模式之一, 即在地块连片的作物地上, 保留植被
镶嵌。如在瑞典农业区, 农业与非农田之间交错带
的设立, 增加了农区昆虫的多样性 [52]; 又如在澳大
利亚, 在马铃薯地种植带状荞麦, 可为马铃薯害虫
的天敌提供栖息地; 在英国的粮食作物地留出一条
带状自然植被, 让粮食作物害虫的天敌甲虫获得栖
息地。
农田边界(field margins)即农田过渡带, 通常由
草带、篱笆、树、沟渠、堤和沟渠等景观要素组成,
农田边界最初主要用于农田分割, 确定不同农田的
拥有者, 但越来越多的研究发现, 农田边界上自然
生长或种植的各种植物, 既可为节肢动物如步甲、
蜘蛛和隐翅虫等提供多样、稳定的栖息地和越冬场
所, 也能为寄生蜂和大黄蜂等提供食物 [53], 还能为
爬行动物、小型哺乳动物、鸟类等提供食物和栖息
地[54]; 此外, 农田边界能起到防风固沙、防止水土流
失、控制杂草、降低虫害与病害、防止水体遭受除
草剂和杀虫剂污染及水体富营养化等作用[55]。
3 现代农业系统中生物多样性利用的思考
随着全球人口的激增及对食物需求的增加, 小
规模生产的传统农业逐渐被规模化、生产力高的现
代农业取代。现代农业虽然生产效率高, 但生物多
样性简单化, 生物之间的相互作用及其效应常常被
忽略, 高产稳产要靠高投入(化学肥料、农药、灌溉
和高产品种)来维持[4−5,16]。因此, 在现代农业的基础
上, 吸收传统农业利用生物多样性的优点, 通过利
用生物多样性以增强现代农业生产的稳定性, 同时
将生物多样性的利用技术与现代农业技术(生物技
术、信息技术和机械技术)结合, 使农业模式转型成
为可能。设计以生物多样性为基础的新型现代农业
模式, 需要进行如下几个方面的探讨。
3.1 区域内农业景观多样性的布局
现实农田生态格局有两个极端, 一是连片的专
业化生产, 如美国中西部的玉米带; 另一极端是小
块多样种植, 如中国传统农民自给自足的生产方式,
这两种极端均不利于现代农业的可持续发展[16]。因
此, 需要兼顾发挥生物多样性的作用和生产力的提
高, 设计镶嵌式生产布局。在中国, 随着农村经济的
发展和农业人口的转移, 一些发达地区逐渐实行公
司规模化经营的农业模式, 这为农田景观多样性的
设置提供了前提。
3.2 多样性农业种养体系的配置
自然生态系统中物种之间的正相互作用(包括
58 中国生态农业学报 2013 第 21卷
对资源的互补利用)是生物多样性生态系统功能即“生
物多样性与系统生产力呈正相关”的重要机理[55−57],
也是农业系统利用生物多样性提高系统生产力的重
要依据。有研究也表明, 简单地增加农业系统的生物
多样性, 并不一定总是提高系统生产力[9], 如 Snapp
等[58]报道, 在一个为期 12 年的田间试验中, 发现作
物多样性并没有提高作物产量。Moonen和Bàrberi[59]
在其综述论文指出, 对于给定的农业生态系统, 配
置其生物多样性以增强生产力和和系统稳定性, 应
充分考虑每个物种或作物的功能, 简单地增加生物
多样性(物种或品种)将达不到应有的效果。Malézieux
等[60]综述了物种多样性的农作系统生产力, 也指出
只有通过合理设计配置物种多样性的模式, 才可在
较低的投入下获得可持续的产出。因此, 在利用物
种(或品种)的多样性建立作物种植体系时 , 要对物
种或作物品种的功能进行全面分析, 除了考虑生物
之间正相互作用(包括对资源的互补和促进利用)规
律、尽量避免种间强烈竞争外, 还应考虑农事操作的
可行。
现代农业种养体系中, 多样性的物种或品种配
置需要考虑以下 3 方面内容: 一是利用共存物种之
间相互庇护, 如安排抗病(虫)作物类型(品种)与感病
虫作物类型(品种)间套作, 这样前者对后者起到保
护作用 , 同时以抗性差异阻隔病虫害的扩展繁衍 ;
又如在高温干旱较频繁的区域, 将耐高温、耐旱植
株高大的直根系作物与个体小的作物种植在一起 ,
前者为后者起到遮护作用。二是利用物种之间对资
源相互促进利用特点, 如豆科/非豆科间作体系, 鹰
嘴豆通过根系分泌较多的酸性磷酸酶活化土壤有机
磷 , 使与之间作的小麦或玉米的磷营养得到改善 ;
在无机磷供应条件下 , 蚕豆活化利用土壤中难溶
性磷(如 Fe-P 和 Al-P), 可促进共存玉米对磷的吸
收 [40,47]。三是农事操作(栽插、收获)的可行程度, 与
单作系统相比, 作物多样化的种植体系农事操作复
杂一些, 如共存作物之间的生长期差异、产品成熟
期差异和植株高矮差异等均需要考虑。
3.3 田间设施和新型农业机械的发展
随着农村劳动力的转移, 现代农业向机械化和
信息化方向发展是必然趋势。将农业生物多样性的
利用纳入现代农业体系中, 对农田设施和农业机械
提出新的要求。如实行作物间套作的农田, 开沟、
起垄和播种等作业均与作物单作系统之间存在明显
不同, 因而需要研制相配套的农业机械, 包括同步
旋耕、起垄、开沟、播种和覆土装置的农机具; 同
时要研制适宜作物多样性的收获农机具。又如, 引
入水产生物的稻田系统, 需要建立利于水产生物避
难的田间设施(如沟、坑等)及防逃措施。浙江省德清
县近 10 年来实践的“稻鳖共生”模式, 是在现代农业
体系(规模化、机械化)中利用生物多样性的成功典
范。该模式实行公司规模经营约 166.67 hm2, 水稻的
栽插、收获和鳖的喂养均采用机械化。鳖和水稻共
同生活在同一空间, 鳖取食稻田里的虫子、虫卵和
草籽等 , 而水稻有了鳖这个“卫士”, 不再需要除草
和控病虫, 鳖的排泄物又是很好的有机肥, 因而整
个生产过程不需要施肥和用药。
3.4 信息化管理体系的建立
以信息化为基础的精确农业(precision agricul-
ture)技术被认为是现农业转型的重要技术之一 [8],
精确农业技术是利用全球定位系统(GPS)、地理信息
系统(GIS)、连续数据采集传感器(CDS)、遥感(RS)、
变率处理设备(VRT)和决策支持系统(DSS)等现代高
新技术, 获取农田小区作物产量和影响作物生长的
环境因素(如土壤结构、地形、植物营养、含水量和
病虫草害等)实际存在的空间及时间差异性信息, 对
田块进行精细管理[7]。在利用生物多样性的农业区
域内, 同样需要建立精确农业技术来对具体的种养
模式进行管理 , 如间作体系中各个作物的生长状
况、病虫害发生以及对环境要求等信息要分别建立,
这些与作物单作系统明显不同。此外, 针对生物多
样性利用模式的决策支持系统(DSS)也与作物单作
系统明显不同, 需要分别建立。
参考文献
[1] Brown M E, Funk C C. Food security under climate change[J].
Science, 2008, 319(5863): 580–581
[2] Godfray H C J, Beddington J R, Crute I R, et al. Food security:
The challenge of feeding 9 billion people[J]. Science, 2010,
327(5967): 812–818
[3] MacDonald G M. Climate change and water in southwestern
north America special feature: Water, climate change, and
sustainability in the southwest[J]. Proc Natl Acad Sci USA,
2010, 107(50): 21256–21262
[4] Tilman D, Cassman K G, Matson P A, et al. Agricultural sus-
tainability and intensive production practices[J]. Nature, 2002,
418(6898): 671–677
[5] Tilman D, Balzer C, Hill J, et al. Global food demand and the
sustainable intensification of agriculture[J]. Proc Natl Acad
Sci USA, 2011, 108(50): 20260–20264
[6] Tester M, Langridge P. Breeding technologies to increase crop
production in a changing world[J]. Science, 2010, 327(5967):
818–822
[7] Gebbers R, Adamchuk V I. Precision agriculture and food
security[J]. Science, 2010, 327(5967): 828–831
[8] Reganold T P, Smith D J, Batie S S. et al. Transforming U. S.
agriculture[J]. Science, 2011, 332(6030): 670–671
第 1期 陈 欣等: 农业系统中生物多样性利用的研究现状与未来思考 59
[9] Omer A, Pascual U, Russell N P. Biodiversity conservation
and productivity in intensive agricultural systems[J]. J Agron
Econ, 2007, 58(2): 308–329
[10] Foley J A, Ramankutty N, Brauman K A, et al. Solutions for a
cultivated planet[J]. Nature, 2012, 478(7369): 337–342
[11] Phalan B, Onial M, Balmford A, et al. Reconciling food pro-
duction and biodiversity conservation: land sharing and land
sparing compared[J]. Science, 2011, 333(6047): 1289–1291
[12] 陈欣, 唐建军, 王兆骞 . 农业活动对生物多样性的影响[J].
生物多样性, 1999, 7(3): 234–239
Chen X, Tang J J, Wang Z Q. The impacts of agricultural ac-
tivities on biodiversity[J]. Chin Biodivers, 1999, 7(3):
234−239
[13] 陈欣 , 王兆骞 , 唐建军 . 农业生态系统杂草多样性保持的
生态学功能[J]. 生态学杂志, 2000, 19(4): 50–52
Chen X, Wang Z Q, Tang J J. The ecological functions of
weed biodiversity in agroecosystem[J]. Chin J Ecol, 2000,
19(4): 50−52
[14] 陈欣 , 唐建军 , 王兆骞 . 农业生态系统中生物多样性的功
能——兼论其保护途径与今后研究方向[J]. 农村生态环境,
2002, 18(1): 38–41
Chen X, Tang J J, Wang Z Q. Functions of biodiversity in
agroecosystem—Approaches to its conservation and orient-
ation of future research[J]. Rural Eco-Environ, 2002, 18(1):
38−41
[15] Altieri M A. The ecological role of biodiversity in agroec-
osystems[J]. Agric Ecosyst Environ, 1999, 74(1/3): 19–31
[16] 骆世明. 农业生物多样性利用的原理与技术[M]. 北京: 化
学工业出版社, 2010
Luo S M. Principles and techniques of the utilization of agricul-
tural biodiversity[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2010
[17] Donald P F. Biodiversity impacts of some agricultural com-
modity production systems[J]. Conserv Biol, 2004, 18(1):
17–37
[18] Altieri M A. Linking ecologists and traditional farmers in the
search for sustainable agriculture[J]. Front Ecol Environ,
2004, 2(1): 35–42
[19] Xie J, Wu X, Tang J J, et al. Conservation of traditional rice
varieties in a globally important agricultural heritage system
(GIAHS): Rice-Fish Co-Culture[J]. Agric Sci China, 2020,
10(5): 754–761
[20] Hawes C, Squire G R, Hallett P D, et al. Arable plant com-
munities as indicators of farming practice[J]. Agric Ecosyst
Environ, 2010, 138(1/2): 17–26
[21] Achtak H, Ater M, Oukabli A, et al. Traditional agroeco-
systems as conservatories and incubators of cultivated plant
varietal diversity: The case of fig (Ficus carica L.) in Mo-
rocco[J]. BMC Plant Biol, 2010, 10(1): 1–12
[22] Koohanfkan P, Furtado J. Traditional rice-fish systems as
Globally Indigenous Agricultural Heritage Systems (GIAHS)
[C]//Proceeding of the FAO Rice Conference. Int Rice Comm
Newslett, 2004, 53: 66–74
[23] Gebauer J, Luedeling E, Hammer K, et al. Mountain oases in
northern Oman: An environment for evolution and in situ
conservation of plant genetic resources[J]. Genet Resour Crop
Evol, 2007, 54(3): 465–481
[24] Jarvis D I, Brown A H D, Cuong P H, et al. A global perspec-
tive of the richness and evenness of traditional crop-variety
diversity maintained by farming communities[J]. Proc Natl
Acad Sci USA, 2008, 105(14): 5326–5331
[25] Robinson R A, Sutherland W J. Post-war changes in arable
farming and biodiversity in Great Britain[J]. J App Ecol, 2002,
39(1): 157–176
[26] Mundt C C, Brophy L S, Kolar S C. Effect of genotype unit
number and spatial arrangement on severity of yellow rust in
wheat cultivar mixtures[J]. Plant Pathol, 1996, 45(2): 215–222
[27] Zhu Y Y, Chen H R, Fan J H, et al. Genetic diversity and
disease control in rice[J]. Nature, 2010, 406(6797): 718–722
[28] Hajjar R, Jarvis D I, Gemmill-Herren B. The utility of crop
genetic diversity in maintaining ecosystem services[J]. Agric
Ecosyst Environ, 2008, 123(4): 261–270
[29] Kiaer L P, Skovgaard Ib M, Østergård H. Grain yield increase
in cereal variety mixtures: A meta-analysis of field trials[J].
Field Crop Res, 2009, 114(3): 361–373
[30] Tang J, Xie J, Chen X, et al. Can rice genetic diversity reduce
Echinochloa crus-galli infestation?[J] Weed Res, 2009, 49(1):
47–54
[31] Zhu M Y, Wang Y Y, Zhu Y Y, et al. Estimating genetic diver-
sity of rice landraces from Yunnan by SSR assay and its im-
plication for conservation[J]. Act Bot Sin, 2004, 46(12):
1458–1467
[32] Meung H, Zhu Y Y, Revilla-Molina I, et al. Using genetic di-
versity to achieve sustainable rice disease management[J].
Plant Dis, 2003, 87(10): 1156–1169
[33] Zhu Y Y, Fang H, Wang Y Y, et al. Panicle blast and canopy
moisture in rice cultivar mixtures[J]. Phytopathol, 2005, 95(4):
433–438
[34] 王寒, 唐建军, 谢坚, 等. 稻田生态系统多个物种共存对病
虫草害的控制[J]. 应用生态学报, 2007, 18(5): 1132–1136
Wang H, Tang J J, Xie J, et al. Controlling effects of multiple
species coexistence on rice diseases, pests and weeds in paddy
field ecosystem[J]. Chin J Appl Ecol, 2007, 18(5):1132−1136
[35] 章家恩, 陆敬雄, 黄兆祥, 等. 鸭稻共作生态系统的实践与
理论问题探讨[J]. 生态科学, 2005, 24(1): 49–51
Zhang J E, Lu J X, Huang Z X, et al. Discussion on practical
and theoretic issues of integrated rice-duck farming system[J].
Ecol Sci, 2005, 24(1): 49−51
[36] Francis C K. Biological efficiencies in multiple-cropping
systems[J]. Adv Agron, 1989, 42(1/2): 1–42
[37] 游修龄. 稻田养鱼——传统农业可持续发展的典型之一[J].
农业考古, 2006(4): 222–224
You X L. Rice-fish coculture—a typical model of sustainable
traditional agriculture[J]. Agr Archaeol, 2006(4): 222−224
[38] Fernando C H. Rice field ecology and fish culture: An over-
view[J]. Hydrobiol, 1993, 259(2): 91–113
60 中国生态农业学报 2013 第 21卷
[39] Li L, Li S M, Sun J H, et al. Diversity enhances agricultural
productivity via rhizosphere phosphorus facilitation on phos-
phorus-deficient soils[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2007,
104(27): 11192–11196
[40] Xie J, Hu L L, Tang J J, et al. Ecological mechanisms under-
lying the sustainability of the agricultural heritage rice-fish
coculture system[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2011, 108(50):
1381–1387
[41] Smith R G, Gross K L, Robertson G P. Effects of crop diver-
sity on agroecosystem function: Crop yield response[J]. Eco-
systems, 2008, 11(3): 355–366
[42] Nyfeler D, Huguenin-Elie O, Suter M, et al. Strong mixture
effects among four species in fertilized agricultural grassland
led to persistent and consistent transgressive overyielding[J].
J Appl Ecol, 2009, 46(3): 683–691
[43] Li C Y, He X H, Zhu S S, et al. Crop diversity for yield in-
crease[J]. PLoS One, 2009, 4(11): 1–6
[44] DeHaan L R, Weisberg S, Tilman D, et al. Agricultural and
biofuel implications of a species diversity experiment with
native perennial grassland plants[J]. Agric Ecosyst Environ,
2010, 137(1/2): 33–38
[45] Letourneau D K, Armbrecht I, Rivera B S, et al. Does plant
diversity benefit agroecosystems? A synthetic review[J]. Ecol
Appl, 2011, 21(1): 9–21
[46] Li S M, Li L, Zhang F S, et al. Acid phosphatase role in chick-
pea/maize intercropping[J]. Ann Bot, 2004, 94(2): 297–303.
[47] Benton T G, Vickery J A, Wilson J D L. Farmland biodive-
rsity: Is habitat heterogeneity the key?[J]. Trend Ecol Evol,
2003, 18(4): 182–188
[48] Devictor V, Jiguet F. Community richness and stability in ag-
ricultural landscapes: The importance of surrounding habi-
tats[J]. Agric Ecosyst Environ, 2007, 120(2/3): 179–184
[49] 谢坚, 屠乃美, 唐建军, 等. 农田边界与生物多样性研究进
展[J]. 中国生态农业学报, 2008, 16(2): 506–510
Xie J, Tu N M, Tang J J, et al. Advances in farmland field
margin systems and biodiversity research[J]. Chin Eco-Agric,
2008, 16(2): 506−510
[50] Tschrntke T, Klein A M, Kruess A, et al. Landscape perspec-
tives on agricultural intensification and biodiversity- ecos-
ystem service management[J]. Ecol Lett, 2005, 8(8): 857–874
[51] Norton L, Johnson P, Joys P, et al. Consequences of organic
and non-organic farming practices for field, farm and land-
scape complexity[J]. Agric Ecosyst Environ, 2009, 129(1/3):
221–227
[52] Duelli P, Obrist M K. Regional biodiversity in an agricultural
landscape: The contribution of seminatural habitat islands[J].
Basic Appl Ecol, 2003, 4(2): 129–138
[53] Pywell R F, Warman E A, Carvell C, et al. Providing foraging
resources for bumblebees in intensively farmed landscapes[J].
Biol Conserv, 2005, 121(4): 479–494
[54] Bence S L, Stander K, Griffiths M. Habitat characteristics of
harvest mouse nests on arable farmland[J]. Agric Ecosyst
Environ, 2003, 99(1/3): 179–186
[55] Cardinale B J, Palmer M A, Collins S L. Species diversity
enhances ecosystem functioning through interspecific faci-
litation[J]. Nature, 2002, 415(6870): 426–429
[56] Goudard A, Loreau M. Nontrophic interactions, biodiversity,
and ecosystem functioning: An interaction web model[J]. The
American Naturalist, 2008, 171(1): 91–106
[57] Isbell F I, Polley H W, Wilsey B J. Biodiversity, productivity
and the temporal stability of productivity: Patterns and proc-
esses[J]. Ecol Lett, 2009, 12(5): 443–451
[58] Snapp S S, Gentry L E, Harwood R. Management intensity-
not biodiversity-the driver of ecosystem services in a long-
term row crop experiment[J]. Agric Ecosyst Environ, 2010,
138(3/4): 242–248
[59] Moonen A C, Bàrberi P. Functional biodiversity: An agro-
ecosystem approach[J]. Agric Ecosyst Environ, 2008, 127
(1/2): 7–21
[60] Malézieux E, Crozat Y, Dupraz C, et al. Mixing plant species
in cropping systems: Concepts, tools and models: A review[J].
Agron Sustain Dev, 2009, 29(1): 43–62