全球：English

酷科学

科普 | 合理轮作--“全能”食物马铃薯

  • 日期：2021.01.08
  • |
  • 来源：TNC

大小、形状、颜色各异的马铃薯模型 | 摄影：曾楠/TNC


原产地在遥远的南美洲安第斯山脉的马铃薯，已经有数千年的人工种植历史，是世界上仅次于水稻、玉米和小麦的最重要的粮食作物。从历史上来看，马铃薯有着很多传奇故事，有着不普通的过去和实力，它因养活了众多的人口而改变了整个世界；在现代，它仍是人类主食中最重要的一员。马铃薯及各种马铃薯加工产品已成为全球经济贸易中的重要组成部分。

图源 | Alpha /flickr（左上）Ruocaled /flickr（右上）gogatsby /flickr（左下）单良 /TNC（右下） 


全世界有超过4500种不同形状、不同颜色的可食用马铃薯，还有100到180种野生土豆因太苦不能吃。目前全世界共有100多个国家种植马铃薯，全球年产量已超3亿吨, 在全球各地几乎都可以看到用它做成的美味佳肴。

墨西哥城市场上常见的红色马铃薯 | 摄影:单良 /TNC


马铃薯富含蛋白质、维生素C和钾，在消除饥饿、营养不良以及减少贫困中发挥着重要的作用，是保障粮食安全的一种关键作物。例如，作为全球最大的马铃薯消费国，中国预计在未来20年所需的粮食增产中，将有整整50%来自马铃薯[1]。

马铃薯也不仅仅是供人类食用的蔬菜、主食，它还有着更广泛的用途。实际上，全世界种植的马铃薯大半被加工成其它制品，如家畜饲料、生产淀粉、葡萄糖、酒精等主要工业原料等。

马铃薯种植在我国所面临的问题与挑战


马铃薯在我国的种植历史久远，是中国重要的粮食作物之一，在中国西南山区、西北、内蒙古自治区和东北都有广泛的种植。近些年，马铃薯的播种面积和产量都在不断扩大，其中播种面积从2000年的472.3万公顷增加到2015年的551.8万公顷，产量从2000年的1 325.5万吨增长至2015年的1 897.2万吨[2]。2015年，为满足国家粮食安全的需求，农业部提出了“马铃薯主粮化战略”，进一步推动了马铃薯产业的快速发展，马铃薯在中国粮食中所占的地位不断攀升，规模化和集约化种植程度不断提高。

然而，随着种植面积、种植投入的不断加大，马铃薯种植业面临着很多问题与挑战。如近年来的研究发现，随着马铃薯集约化种植程度的不断提高，马铃薯连作导致的土传病害日趋严重，病虫害控制难度加大，产量、品质下降问题十分突出[3]，土壤健康状况降低，严重制约了马铃薯产业的可持续健康发展。


马铃薯田 | 摄影：张丹 /TNC


改进措施：

兼顾马铃薯轮作的生态和经济效益


马铃薯与不同作物轮作是解决马铃薯病害严重和可持续种植的有效方法之一。马铃薯轮作不仅可以有效增加马铃薯的品质与产量，而且可以很大程度地保护土壤健康。


轮作

轮作是指在同一田地上按一定顺序连续种植不同作物的方法，这与高度集约化的单一连作模式相反。国内外已有大量试验证明轮作对马铃薯生产有巨大生态和经济效益，是实现农业可持续发展的必由之路[4]。

苗期马铃薯 | 摄影：曾楠 /TNC


在论文《马铃薯轮作的生态和经济效益——案例分析》中，中国TNC的专家运用成本-效益分析的方法，从生态效益与经济效益两方面对马铃薯为主的多样化种植模式进行了分析，结果发现，马铃薯与其他作物轮作可获得的经济和生态效益与连作相比多12571元/公顷（对农民来说真是好大一笔钱）。

此外，通过田间案例分析发现，在一年一作地区下，马铃薯三年轮作无论是在经济效益还是生态效益方面都比马铃薯两年轮作高。在两年轮作模式中，马铃薯-黑麦-燕麦这种两年三季的创新轮作模式，与同为两年轮作模式的一年一作相比，经济效益提高了158.88%，且单位产量的碳排放降低了24.91%，同时实现冬季地表覆盖，减少土壤侵蚀，与传统一年一作相比是一种经济和生态双赢的轮作模式。


我国一年一作区面临着冬季地表裸露、风蚀的问题

我国北方一作区，由于冬季气候寒冷干燥，每年只能种一茬作物。在农作物生长期（5月-10月）以外季节，地表长期裸露，加之北方气候干、风力大，致使土壤风蚀严重，土地沙漠化日趋明显。


马铃薯轮作生态效益与经济效益评价


马铃薯轮作与连作相比，经济效益与生态效益均有不同程度的提高。


TNC案例描述

马铃薯种植种块 | 摄影：曾楠 /TNC


种植马铃薯是河北张家口当地农民脱贫致富的重要途径。由于缺少科学认识和生态观念，传统的马铃薯种植通常采用连作模式，且收获后土地裸露，一度导致了严重的土传障碍和冬季风蚀的问题，影响了马铃薯质量和土壤健康，威胁干旱地区马铃薯产业的可持续发展。


试验地采样 | 图片来源：中国农业科学院


2018年开始，大自然保护协会（TNC）联合中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所、先正达（中国）投资有限公司、雪川农业发展股份有限公司，共同启动了“张家口可持续农业项目”，在当地选择了一块已连续种植马铃薯多年的典型农田，用于探索平衡当地农业发展与环境效益的土豆最佳轮作模式，将轮作作物（燕麦、小麦、大豆等）纳入马铃薯的生产过程中，经过多年长期监测成本收益分析，将不同的轮作模式进行比较，分析不同轮作组合的可行性，以及作物经济和生态效益的变化。试验发现，马铃薯轮作有效改善了作物根系的土壤微生物多样性、平衡养分循环和土壤微生态。


注：病虫害控制率、GHGs（温室气体） 减排量、节氮量、节钾量以及节磷量为病虫害发生率、碳足迹、平均年需氮量、平均年需钾量以及平均年需磷量统一取值方向后指标名称


多样化设计的马铃薯轮作可以带来：


经济效益

  • 马铃薯病虫害发生率显著降低，有效降低农药的使用

  • 马铃薯水分利用率提高，节省灌溉成本 

  • 马铃薯需肥量减少，节约化肥成本 

  • 马铃薯产量提升，增加收入


生态效益

  • 有效提高土壤肥力 

  • 碳足迹远低于连作，根据欧洲能源交易所碳交易价格折合成碳交易成本，能够提供1973元/公顷的效益


试验田观摩现场 | 摄影：张丹 /TNC


马铃薯轮作不仅可以帮助农民节约成本、提高经济效益，同时还能因农田土壤健康提升、生态环境改善而节约的农业生产成本投入，并且可以极大地改善自然环境。


结语

干旱及半干旱区占我国国土面积的49%，是我国陆地生态系统最为脆弱的区域，年降雨量稀少且分布不均，水资源短缺、水土流失现象严重，土地面临严重的退化。特别是在气候变化背景下，我国干旱及半干旱地区的农业发展面临巨大挑战，调整产业结构和种植方式，推动农业绿色发展，是干旱半干旱地区农业发展的必然选择。


TNC希望与各合作伙伴一道，共同探索科学的马铃薯及其它主要作物轮作模式，为中国广大的干旱及半干旱区发展可持续农业提供示范，并将致力于应对区域内面临的水土流失、土壤健康状况恶化和资源过度消耗等主要环境问题。


References

[1] 国际马铃薯中心. POTATO. https://cipotato.org/potato
[2] 关佳晨, 蔡海龙. 我国马铃薯生产格局变化特征及原因分析 [J]. 中国农业资源与区划, 2019, 40(3): 92-100.
[3] 原霁虹. 马铃薯连作障碍的研究进展 [J]. 中国马铃薯, 2015, 29(1): 46-50.
[4] Barbieri P, Pellerin S, Seufert V, et al. Changes in crop rotations would impact food production in an organically farmed world [J]. Nature Sustainability, 2019, 2(5): 378–385.

最新新闻
小科普 | 加里曼丹岛最酷的8种灵长类动物（上）
两分钟微科普 | 什么是生境（habitat）？
两分钟微科普 | 什么是防潮闸（tide gate）？