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摘 要： 摘要為探索作物多樣性變化對作物生產的影響，利用規模優勢指數等方法系統分析19612017年全球主要禾本科與豆科作物生產和農業投入等特征。結果表明：1)19612017年，全球玉米和水稻收獲面積顯著增加，歐洲、亞洲和非洲的主要禾本科作物規模優勢指數呈上升趨勢;
摘要為探索作物多樣性變化對作物生產的影響，利用規模優勢指數等方法系統分析1961—2017年全球主要禾本科與豆科作物生產和農業投入等特征。結果表明：1)1961—2017年，全球玉米和水稻收獲面積顯著增加，歐洲、亞洲和非洲的主要禾本科作物規模優勢指數呈上升趨勢;大豆是全球種植規模最大的豆科作物，1961—2017年來大豆收獲面積顯著增加，南美洲和北美洲的豆科作物規模優勢指數呈上升趨勢;全球主要禾本科和豆科作物產量和單產水平均顯著提高。2)2002—2017年，全球農業生產中氮肥、磷肥、鉀肥和農藥投入總量均明顯增加，其中中國和亞洲其他國家(地區)農業生產投入總量最大。3)2002—2017年，在主要禾本科作物規模優勢明顯地區，主要禾本科作物規模優勢指數的增加會導致單位面積化肥和農藥投入量顯著提高，而豆科作物規模優勢指數的增加會使單位面積化肥和農藥投入量顯著減小。因此，在中國等主要禾本科作物多樣性指數大的地區，可適當提高豆科作物多樣性對于減少化肥農藥投入、提升作物生產系統的可持續發展。
關鍵詞主要禾本科作物;豆科作物;種植結構;作物多樣性;規模優勢指數
隨著全球人口不斷增加，糧食需求日益增長;與此同時受生態環境問題、居民消費水平和社會經濟環境等多重影響，全球糧食生產系統穩定性波動變化大，糧食安全依然面臨巨大挑戰[1-8]。研究表明維持作物多樣性是增強作物適應氣候變化能力，提高作物生態系統對不同環境壓力的忍耐力，保持作物產量穩定，提高資源利用效率、降低生產成本、增加農業產值和促進農民增收的有效途徑[9-13]。然而隨著全球農業集約化程度不斷提升，作物生產系統單一化程度越來越高，導致作物病蟲害發生風險增加、化肥農藥生產投入增加的同時，也使得農田生態系統作物多樣性下降，對農業面源污染和農業生態效率產生嚴重影響[14-21]，作物多樣性的降低被認為是制約農業可持續發展的重要因素[22]。傳統農業通過不同作物種間相互作用來維持作物生態系統的穩定性，將其與集約化農業適度融合，有利于豐富區域內作物多樣性，提高農業生態系統對自然災害的抵御能力[23-27]。此外，全球對豆科作物需求的日益增加，提高豆科作物生產能力，迫在眉睫[28]。國內外學者在作物多樣性及其對作物生產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穩產、控制病蟲草害和保障大田生態系統穩定性的優勢[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、減少農業生產對化肥與農藥的依賴、提高系統內作物產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于優化全球種植結構的研究鮮有報道。本研究基于1961—2017年全球主要禾本科作物和豆科作物生產數據，統計分析全球主要禾本科作物和豆科作物生產變化特征及其多樣性變化，旨在探索作物多樣性變化對作物生產系統可持續發展的影響，以期為我國種植制度調整提供參考。
1材料與方法
1.1數據來源
本研究中的作物生產數據均來源于FAO統計數據庫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、產量和單位面積產量等數據;2002—2017年全球各大洲及國家的農藥、化肥等農業投入數據。
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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系統作物多樣性變化特征及其對作物生產的影響。考慮到中國作物生產的規模很大，單獨分析中國的作物多樣性變化對我國未來種植結構調整意義重大，因此，把亞洲分為中國和亞洲其他國家(地區)兩部分。
1.2.2作物多樣性變化對作物生產的影響本研究基于線性回歸模型分析作物多樣性變化對農藥、化肥投入和全球作物生產的影響。
2、結果與分析
2.11961—2017年全球主要禾本科和豆科作物生產變化特征
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)，其中亞洲其他國家(地區)上升幅度較大，增速為84.9萬hm2/年，2017年收獲面積為7580萬hm2;其中歐洲和北美洲小麥收獲面積均顯著減少，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)，其中亞洲其他國家(地區)增加幅度較大，增速為60.6萬hm2/年，2017年收獲面積為11450萬hm2。
大豆是全球種植規模最大的豆科作物，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)和北美洲。干豆主要集中在亞洲其他國家(地區)且其收獲面積上升幅度較大，增速為11.1萬hm2/年。花生種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)。豇豆種植主要集中在非洲，該地區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)收獲面積顯著減少。小扁豆和樹豆在亞洲其他國家(地區)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產量變化特征
由表2可知，玉米是全球產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)小麥產量增速最快，增速為328.6萬t/年，2017年總產量為20110萬t。北美洲玉米產量增速最快，增速為527.7萬t/年，2017年總產量為41760萬t。亞洲其他國家(地區)水稻產量增速最快，增速為639.6萬t/年，2017年總產量為47816萬t。大豆是全球產量最大的豆科作物，其中南美洲和北美洲大豆產量增速最快，增速分別為290.0萬和158.9萬t/年，2017年總產量分別為18450萬和12773萬t;其次為亞洲其他國家(地區)。亞洲其他國家(地區)干豆產量增速最快，增速為14.0萬t/年，2017年總產量為1416萬t。中國花生產量增速最快，增速為32.8萬t/年，2017年總產量為1715萬t。亞洲其他國家(地區)鷹嘴豆產量增速最快，增速為7.1萬t/年，2017年總產量為1085萬t。非洲豇豆產量增速最快，增速為11.0萬t/年，2017年總產量為711萬t。其他豆科作物產量變化不顯著。其中，中國除干豆、豌豆和蠶豆外其他豆科作物產量均顯著增加。
2.1.3單產變化特征
1961—2017年，全球主要禾本科和豆科作物平均單產水平逐年提高，增速分別為53.1和21.3kg/(hm2·年)，2017年分別為4590和2010kg/hm2(圖1)。中國主要作物平均單產高于全球水平，主要禾本科作物平均單產增速為86.2kg/(hm2·年)，豆科作物平均單產增速為30.7kg/(hm2·年)。其他地區中，北美洲主要禾本科作物平均單產水平最高且增速最快，增速為76.7kg/(hm2·年)，2017年平均單產為7161kg/hm2;其次為南美洲、歐洲和亞洲其他國家(地區)，增速分別為63.7、60.3和40.3kg/(hm2·年);非洲和大洋洲單產年均增速較慢。南美洲和北美洲豆科作物平均單產水平最高且增速較快，增速分別為40.0和26.6kg/(hm2·年)，2017年平均單產分別為3088和2944kg/hm2;其次為歐洲，增速為26.4kg/(hm2·年);亞洲其他國家(地區)、非洲和大洋洲單產年均增速較慢。
2.21961—2017年全球主要禾本科和豆科作物生產系統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)的SAI1總體呈上升趨勢，其中歐洲、大洋洲和中國主要禾本科作物規模比較優勢大;南美洲和北美洲的SAI2總體呈上升趨勢，其中南美洲、非洲和北美洲豆科作物規模比較優勢大。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)、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)、歐洲和非洲的SAI2呈下降趨勢，2017年分別為0.78、0.41和1.31。
2.3全球主要農業生產投入變化特征
由圖3和圖4可知，2002—2017年全球農業生產氮肥、磷肥和鉀肥投入總量均明顯增加，全球農藥投入量明顯增加;2002—2017年全球單位面積農業生產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年全球單位面積農業生產農藥投入量明顯增加。其中中國和亞洲其他國家(地區)氮肥投入總量最大，分別從2002年的2530萬和2360萬t增加到2017年的2980萬和3400萬t。中國和亞洲其他國家(地區)農業生產磷肥投入總量最大，分別從2002年的1040萬和880萬t增加到2017年的1250萬和1320萬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)農業生產鉀肥投入總量最大，分別從2002年的490萬和410萬t增加到2017年的1080萬和860萬t;其次為南美洲、北美洲、歐洲、非洲和大洋洲。中國的農業生產中農藥投入總量最大，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)、非洲和大洋洲(圖6)。中國的單位面積氮肥、磷肥、鉀肥和農藥投入總量最大，分別從159、65、31和5kg/hm2增加到2017年的161、67、58和10kg/hm2。
2.4全球作物多樣性變化對作物生產的影響
由表3可知，作物多樣性變化對中國作物生產影響尤為顯著，SAI1每增加1個單位，單位面積氮肥、磷肥、鉀肥和農藥投入量分別增加198.0、104.4、224.8和13.8kg/hm2;SAI2每增加1個單位，單位面積氮肥、磷肥、鉀肥和農藥投入量分別減少121.0、62.1、116.0和7.0kg/hm2。在亞洲其他國家(地區)，SAI1每增加1個單位，單位面積氮肥、磷肥和鉀肥投入量分別增加338.6、134.1和75.3kg/hm2，單位面積農藥投入量顯著減少1.1kg/hm2;SAI2每增加1個單位，單位面積農藥投入量顯著增加0.4kg/hm2。在歐洲，SAI1每增加1個單位，單位面積氮肥投入量減小211.7kg/hm2，單位面積農藥投入量增加2.3kg/hm2;SAI2每增加1個單位，單位面積氮肥投入量顯著增加44.8kg/hm2，單位面積農藥投入量減小0.9kg/hm2。作物多樣性變化對南美洲作物生產影響顯著，SAI1每增加1個單位，單位面積氮肥、磷肥、鉀肥和農藥投入量分別減小88.6、49.9、48.9和16.1kg/hm2;SAI2每增加1個單位，單位面積磷肥和農藥投入量分別顯著增加0.9和9.0kg/hm2。在大洋洲，SAI1增加1個單位，單位面積鉀肥顯著減小70.2kg/hm2，單位面積農藥顯著增加3.1kg/hm2;SAI2每增加1個單位，單位面積農藥投入量顯著減小0.1kg/hm2。
3討論
3.1作物多樣性變化的驅動因素
1961—2017年全球主要禾本科作物多樣性和豆科作物多樣性發生顯著變化，全球作物種植結構和作物生產水平影響著作物多樣性的變化。亞洲始終是世界水稻生產的中心，其中孟加拉國、中國、印度和緬甸的水稻種植面積和產量總和分別占全世界的57%和61%[42-44]。小麥是世界上種植最廣泛的作物，目前全球小麥種植可以劃分為9個主要產區，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，北美洲是全球規模最大的玉米產區，目前美國、中國和巴西是全球玉米三大主產國[46-48]。近年來，全球主要禾本科生產進一步向北美洲、中國和亞洲其他國家(地區)集中使得中國、大洋洲和亞洲其他國家(地區)的SAI1優勢增加。全球的大豆產區主要集中在南美洲、北美洲、歐洲和亞洲，1961—2017年中國大豆產量相繼被美國、巴西、阿根廷超越，進而全球大豆生產中心逐步向以美國、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量總和已分別達到全球的87.9%和80%以上[28，49-51]，進而，使得該地區的SAI2優勢增加[14-21，40]。自然和人文因素是造成全球作物種植結構和作物生產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境;人文因素主要包含科技、政策、市場環境和社會環境因素[49]，在未來，以氣候變化為主的自然環境因素的改變將會是影響全球作物生產以及作物多樣性變化的重要因素[52]。
3.2作物多樣性變化對農業可持續發展的影響
在SAI1優勢大的地區，豆科作物多樣性增加有利于減少化肥農藥的投入;而主要禾本科作物優勢指數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，且小麥季重磷和玉米季重鉀配施模式有利于養分利用率和作物產量的提高[53]。在歐洲和南美洲，SAI1增加使得單位面積化肥投入量減少，這可能與當地化肥減量政策的有效執行有關[54-55]。近年來，南美洲的大豆等豆科作物種植面積擴大使原生態系統失衡、土壤養分流失，有研究表明在一定程度上增施磷肥能提高大豆產量[56-57]。這可能是南美洲的SAI2增加使得單位面積磷肥和農藥投入量增加顯著的原因。化肥和農藥作為農業生產中極其重要的一部分，在促進作物生產和保障糧食安全方面起到不可替代的作用，但其過多使用將對環境造成嚴重破壞[58]。因此，理清作物多樣性與作物生產和生態環境的平衡關系極為重要。歐洲在保障提高SAI2的同時增加作物生產力，這與該地區較高的科技水平和作物多樣性水平有關[49，59]。而在中國和大洋洲SAI1優勢較大的國家和地區，SAI2的增加會造成作物產量降低，這是由于該地區豆科作物單產水平低，增加種植面積必然導致作物產量降低，但可以通過適當提高豆科作物規模優勢來減少化肥農藥的使用量。發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、減少農藥用量，且很大程度上減輕生態環境的壓力和負擔[60-62]，具有提高作物生產力和養分利用率的優勢[32，37-38，63-70]。中國作為世界上人口最多的國家，糧食安全和農業綠色可持續發展面臨著嚴峻挑戰。通過構建適宜我國不同區域農業綠色發展的主要禾本科和豆科作物種植系統對推進農業綠色可持續發展和保障糧食安全意義重大。——論文作者：
