摘要为探索作物多样性变化对作物生产的影响，利用规模优势指数等方法系统分析1961—2017年全球主要禾本科与豆科作物生产和农业投入等特征。结果表明：1)1961—2017年，全球玉米和水稻收获面积显著增加，欧洲、亚洲和非洲的主要禾本科作物规模优势指数呈上升趋势;大豆是全球种植规模最大的豆科作物，1961—2017年来大豆收获面积显著增加，南美洲和北美洲的豆科作物规模优势指数呈上升趋势;全球主要禾本科和豆科作物产量和单产水平均显著提高。2)2002—2017年，全球农业生产中氮肥、磷肥、钾肥和农药投入总量均明显增加，其中中国和亚洲其他国家(地区)农业生产投入总量最大。3)2002—2017年，在主要禾本科作物规模优势明显地区，主要禾本科作物规模优势指数的增加会导致单位面积化肥和农药投入量显著提高，而豆科作物规模优势指数的增加会使单位面积化肥和农药投入量显著减小。因此，在中国等主要禾本科作物多样性指数大的地区，可适当提高豆科作物多样性对于减少化肥农药投入、提升作物生产系统的可持续发展。
关键词主要禾本科作物;豆科作物;种植结构;作物多样性;规模优势指数
随着全球人口不断增加，粮食需求日益增长;与此同时受生态环境问题、居民消费水平和社会经济环境等多重影响，全球粮食生产系统稳定性波动变化大，粮食安全依然面临巨大挑战[1-8]。研究表明维持作物多样性是增强作物适应气候变化能力，提高作物生态系统对不同环境压力的忍耐力，保持作物产量稳定，提高资源利用效率、降低生产成本、增加农业产值和促进农民增收的有效途径[9-13]。然而随着全球农业集约化程度不断提升，作物生产系统单一化程度越来越高，导致作物病虫害发生风险增加、化肥农药生产投入增加的同时，也使得农田生态系统作物多样性下降，对农业面源污染和农业生态效率产生严重影响[14-21]，作物多样性的降低被认为是制约农业可持续发展的重要因素[22]。传统农业通过不同作物种间相互作用来维持作物生态系统的稳定性，将其与集约化农业适度融合，有利于丰富区域内作物多样性，提高农业生态系统对自然灾害的抵御能力[23-27]。此外，全球对豆科作物需求的日益增加，提高豆科作物生产能力，迫在眉睫[28]。国内外学者在作物多样性及其对作物生产的影响方面开展了很多研究，研究表明通过间、混、套作提升作物多样性具有高产稳产、控制病虫草害和保障大田生态系统稳定性的优势[29-35]。禾豆轮作和间、套作增加了作物多样性，有利于提升地力、减少农业生产对化肥与农药的依赖、提高系统内作物产量和提高资源利用效率[36-38]。目前，探究全球主要禾本科作物和豆科作物的变化特征对于优化全球种植结构的研究鲜有报道。本研究基于1961—2017年全球主要禾本科作物和豆科作物生产数据，统计分析全球主要禾本科作物和豆科作物生产变化特征及其多样性变化，旨在探索作物多样性变化对作物生产系统可持续发展的影响，以期为我国种植制度调整提供参考。
1材料与方法
1.1数据来源
本研究中的作物生产数据均来源于FAO统计数据库FAOSTAT[39]，包括1961—2017年全球各大洲及国家主要禾本科作物(小麦、玉米、水稻)和豆科作物(大豆、干豆、花生、鹰嘴豆、豇豆、豌豆(干)、小杂豆、蚕豆、小扁豆、树豆、羽扇豆、野豌豆、班巴拉豆和角豆)逐年收获面积、产量和单位面积产量等数据;2002—2017年全球各大洲及国家的农药、化肥等农业投入数据。
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本研究以各大洲为例分析全球主要禾本科和豆科作物生产系统作物多样性变化特征及其对作物生产的影响。考虑到中国作物生产的规模很大，单独分析中国的作物多样性变化对我国未来种植结构调整意义重大，因此，把亚洲分为中国和亚洲其他国家(地区)两部分。
1.2.2作物多样性变化对作物生产的影响本研究基于线性回归模型分析作物多样性变化对农药、化肥投入和全球作物生产的影响。
2、结果与分析
2.11961—2017年全球主要禾本科和豆科作物生产变化特征
2.1.1收获面积变化特征
由表1可知，小麦种植主要集中在亚洲和欧洲国家(地区)，其中亚洲其他国家(地区)上升幅度较大，增速为84.9万hm2/年，2017年收获面积为7580万hm2;其中欧洲和北美洲小麦收获面积均显著减少，减速分别为86.9和8.4万hm2/年。玉米种植主要集中在北美洲、非洲和中国，其中中国玉米面积增幅最大，增速为41.0万hm2/年;其次为非洲和北美洲。水稻种植主要集中在中国和亚洲其他国家(地区)，其中亚洲其他国家(地区)增加幅度较大，增速为60.6万hm2/年，2017年收获面积为11450万hm2。
大豆是全球种植规模最大的豆科作物，主要集中在南美洲和北美洲，其中大豆收获面积在南美洲上升幅度最大，增速为102.9万hm2/年;其次为亚洲其他国家(地区)和北美洲。干豆主要集中在亚洲其他国家(地区)且其收获面积上升幅度较大，增速为11.1万hm2/年。花生种植主要集中在中国和非洲，其中非洲花生的收获面积极显著增加，增速为11.8万hm2/年。鹰嘴豆主要集中在亚洲其他国家(地区)。豇豆种植主要集中在非洲，该地区收获面积增速最快为17.4万hm2/年。豌豆在欧洲的收获面积减速为6.8万hm2/年。小杂豆和蚕豆在亚洲其他国家(地区)收获面积显著减少。小扁豆和树豆在亚洲其他国家(地区)收获面积年均增速最快。其他豆科作物收获面积总体呈极显著减少或变化不显著。羽扇豆、野豌豆和角豆种植主要集中在欧洲，三者收获面积均极显著减少。其中，中国豆科作物中花生和鹰嘴豆收获面积均极显著增加，其中花生面积增速最快，增速为6.8万hm2/年;大豆、干豆、豌豆和蚕豆收获面积均极显著减少，减速分别为0.1万、3.6万、3.5万和5.1万hm2/年。
2.1.2产量变化特征
由表2可知，玉米是全球产量最大的主要禾本科作物，其次为小麦和水稻。1961—2017年亚洲其他国家(地区)小麦产量增速最快，增速为328.6万t/年，2017年总产量为20110万t。北美洲玉米产量增速最快，增速为527.7万t/年，2017年总产量为41760万t。亚洲其他国家(地区)水稻产量增速最快，增速为639.6万t/年，2017年总产量为47816万t。大豆是全球产量最大的豆科作物，其中南美洲和北美洲大豆产量增速最快，增速分别为290.0万和158.9万t/年，2017年总产量分别为18450万和12773万t;其次为亚洲其他国家(地区)。亚洲其他国家(地区)干豆产量增速最快，增速为14.0万t/年，2017年总产量为1416万t。中国花生产量增速最快，增速为32.8万t/年，2017年总产量为1715万t。亚洲其他国家(地区)鹰嘴豆产量增速最快，增速为7.1万t/年，2017年总产量为1085万t。非洲豇豆产量增速最快，增速为11.0万t/年，2017年总产量为711万t。其他豆科作物产量变化不显著。其中，中国除干豆、豌豆和蚕豆外其他豆科作物产量均显著增加。
2.1.3单产变化特征
1961—2017年，全球主要禾本科和豆科作物平均单产水平逐年提高，增速分别为53.1和21.3kg/(hm2·年)，2017年分别为4590和2010kg/hm2(图1)。中国主要作物平均单产高于全球水平，主要禾本科作物平均单产增速为86.2kg/(hm2·年)，豆科作物平均单产增速为30.7kg/(hm2·年)。其他地区中，北美洲主要禾本科作物平均单产水平最高且增速最快，增速为76.7kg/(hm2·年)，2017年平均单产为7161kg/hm2;其次为南美洲、欧洲和亚洲其他国家(地区)，增速分别为63.7、60.3和40.3kg/(hm2·年);非洲和大洋洲单产年均增速较慢。南美洲和北美洲豆科作物平均单产水平最高且增速较快，增速分别为40.0和26.6kg/(hm2·年)，2017年平均单产分别为3088和2944kg/hm2;其次为欧洲，增速为26.4kg/(hm2·年);亚洲其他国家(地区)、非洲和大洋洲单产年均增速较慢。
2.21961—2017年全球主要禾本科和豆科作物生产系统作物多样性变化特征
由图2可知，1961—2017年，欧洲、非洲、中国和亚洲其他国家(地区)的SAI1总体呈上升趋势，其中欧洲、大洋洲和中国主要禾本科作物规模比较优势大;南美洲和北美洲的SAI2总体呈上升趋势，其中南美洲、非洲和北美洲豆科作物规模比较优势大。中国的SAI1从1961年的0.95增加到2017年的1.24，SAI2从1961年的1.20减小到2017年的0.44。亚洲其他国家(地区)、欧洲和非洲的SAI1明显增加，分别从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明显减小，2017年分别为0.84、0.56和1.19。北美洲、南美洲和大洋洲的SAI2明显增加，分别从1961年的0.95、0.80和0.05增加到2017年的1.38、2.04和0.55;亚洲其他国家(地区)、欧洲和非洲的SAI2呈下降趋势，2017年分别为0.78、0.41和1.31。
2.3全球主要农业生产投入变化特征
由图3和图4可知，2002—2017年全球农业生产氮肥、磷肥和钾肥投入总量均明显增加，全球农药投入量明显增加;2002—2017年全球单位面积农业生产氮肥和钾肥投入量均明显增加，磷肥投入量变化不明显，2002—2017年全球单位面积农业生产农药投入量明显增加。其中中国和亚洲其他国家(地区)氮肥投入总量最大，分别从2002年的2530万和2360万t增加到2017年的2980万和3400万t。中国和亚洲其他国家(地区)农业生产磷肥投入总量最大，分别从2002年的1040万和880万t增加到2017年的1250万和1320万t;其次为南美洲、北美洲、欧洲、非洲和大洋洲。中国和亚洲其他国家(地区)农业生产钾肥投入总量最大，分别从2002年的490万和410万t增加到2017年的1080万和860万t;其次为南美洲、北美洲、欧洲、非洲和大洋洲。中国的农业生产中农药投入总量最大，从2002年的77万t到2017年的177万t;其次为南美洲、北美洲、欧洲、亚洲其他国家(地区)、非洲和大洋洲(图6)。中国的单位面积氮肥、磷肥、钾肥和农药投入总量最大，分别从159、65、31和5kg/hm2增加到2017年的161、67、58和10kg/hm2。
2.4全球作物多样性变化对作物生产的影响
由表3可知，作物多样性变化对中国作物生产影响尤为显著，SAI1每增加1个单位，单位面积氮肥、磷肥、钾肥和农药投入量分别增加198.0、104.4、224.8和13.8kg/hm2;SAI2每增加1个单位，单位面积氮肥、磷肥、钾肥和农药投入量分别减少121.0、62.1、116.0和7.0kg/hm2。在亚洲其他国家(地区)，SAI1每增加1个单位，单位面积氮肥、磷肥和钾肥投入量分别增加338.6、134.1和75.3kg/hm2，单位面积农药投入量显著减少1.1kg/hm2;SAI2每增加1个单位，单位面积农药投入量显著增加0.4kg/hm2。在欧洲，SAI1每增加1个单位，单位面积氮肥投入量减小211.7kg/hm2，单位面积农药投入量增加2.3kg/hm2;SAI2每增加1个单位，单位面积氮肥投入量显著增加44.8kg/hm2，单位面积农药投入量减小0.9kg/hm2。作物多样性变化对南美洲作物生产影响显著，SAI1每增加1个单位，单位面积氮肥、磷肥、钾肥和农药投入量分别减小88.6、49.9、48.9和16.1kg/hm2;SAI2每增加1个单位，单位面积磷肥和农药投入量分别显著增加0.9和9.0kg/hm2。在大洋洲，SAI1增加1个单位，单位面积钾肥显著减小70.2kg/hm2，单位面积农药显著增加3.1kg/hm2;SAI2每增加1个单位，单位面积农药投入量显著减小0.1kg/hm2。
3讨论
3.1作物多样性变化的驱动因素
1961—2017年全球主要禾本科作物多样性和豆科作物多样性发生显著变化，全球作物种植结构和作物生产水平影响着作物多样性的变化。亚洲始终是世界水稻生产的中心，其中孟加拉国、中国、印度和缅甸的水稻种植面积和产量总和分别占全世界的57%和61%[42-44]。小麦是世界上种植最广泛的作物，目前全球小麦种植可以划分为9个主要产区，分别为北美、欧洲、中亚、中国、北非、南亚、东非、南美和澳大利亚[45]。世界玉米的种植主要分布在美洲、北欧、亚洲以及非洲，北美洲是全球规模最大的玉米产区，目前美国、中国和巴西是全球玉米三大主产国[46-48]。近年来，全球主要禾本科生产进一步向北美洲、中国和亚洲其他国家(地区)集中使得中国、大洋洲和亚洲其他国家(地区)的SAI1优势增加。全球的大豆产区主要集中在南美洲、北美洲、欧洲和亚洲，1961—2017年中国大豆产量相继被美国、巴西、阿根廷超越，进而全球大豆生产中心逐步向以美国、巴西和阿根廷为主的美洲国家集中，到2017年，美国、巴西和阿根廷的大豆种植面积和产量总和已分别达到全球的87.9%和80%以上[28，49-51]，进而，使得该地区的SAI2优势增加[14-21，40]。自然和人文因素是造成全球作物种植结构和作物生产水平变化的主要因素，其中，自然因素主要包括气候条件和地理环境;人文因素主要包含科技、政策、市场环境和社会环境因素[49]，在未来，以气候变化为主的自然环境因素的改变将会是影响全球作物生产以及作物多样性变化的重要因素[52]。
3.2作物多样性变化对农业可持续发展的影响
在SAI1优势大的地区，豆科作物多样性增加有利于减少化肥农药的投入;而主要禾本科作物优势指数增加使得化肥投入量增加。这可能与主要禾本科作物是高耗氮作物有关，且小麦季重磷和玉米季重钾配施模式有利于养分利用率和作物产量的提高[53]。在欧洲和南美洲，SAI1增加使得单位面积化肥投入量减少，这可能与当地化肥减量政策的有效执行有关[54-55]。近年来，南美洲的大豆等豆科作物种植面积扩大使原生态系统失衡、土壤养分流失，有研究表明在一定程度上增施磷肥能提高大豆产量[56-57]。这可能是南美洲的SAI2增加使得单位面积磷肥和农药投入量增加显著的原因。化肥和农药作为农业生产中极其重要的一部分，在促进作物生产和保障粮食安全方面起到不可替代的作用，但其过多使用将对环境造成严重破坏[58]。因此，理清作物多样性与作物生产和生态环境的平衡关系极为重要。欧洲在保障提高SAI2的同时增加作物生产力，这与该地区较高的科技水平和作物多样性水平有关[49，59]。而在中国和大洋洲SAI1优势较大的国家和地区，SAI2的增加会造成作物产量降低，这是由于该地区豆科作物单产水平低，增加种植面积必然导致作物产量降低，但可以通过适当提高豆科作物规模优势来减少化肥农药的使用量。发展主要禾本科和豆科作物种植体系以增加作物多样性，可以控制有害生物、减少农药用量，且很大程度上减轻生态环境的压力和负担[60-62]，具有提高作物生产力和养分利用率的优势[32，37-38，63-70]。中国作为世界上人口最多的国家，粮食安全和农业绿色可持续发展面临着严峻挑战。通过构建适宜我国不同区域农业绿色发展的主要禾本科和豆科作物种植系统对推进农业绿色可持续发展和保障粮食安全意义重大。——论文作者：
