《Field Crops Research》：A general framework for designing and assessing sustainable and diversified cropping systems: Bridging knowledge-driven, model-aided, and participatory approaches
编辑推荐：
可持续耕作系统设计需整合生态知识、模型模拟与多方参与，提出五步迭代框架：目标识别-现有系统评估-知识收集-模型探索-参与决策，案例显示该框架在中国有效提升产量和经济效益，同时减少资源消耗。
梁正源|马 Bowen|于瑞鹏|霍月文|穆达雷·辛吉拉伊|应飞宇|李龙|张福锁|丛文峰
中国农业大学资源与环境科学学院，教育部养分利用与管理国家重点实验室，植物-土壤相互作用重点实验室，北京100193
摘要
背景
近几十年来，作物生产的专门化和集约化在生产力、社会经济和生态环境方面带来了可持续性挑战。为此，许多农业地区正在寻求更加多样化和可持续的种植系统。然而，系统化、全面且高效地探索和评估这些系统的方法仍然缺乏。
目标
我们旨在提出一个通用框架，用于设计和评估适用于特定地区可持续性目标和农业环境的多样化种植系统。
方法
我们回顾了广泛使用的可持续性目标，并分析了影响种植系统表现的关键因素。此外，我们评估了现有的设计方法——基于知识的设计、模型辅助探索和参与式创新——以识别它们的优点和局限性，并提出了一个综合框架来弥补现有方法的不足。
结果
该框架分为五个迭代步骤：(1) 确定可持续性目标和农业环境；(2) 通过农民调查对现有种植系统进行可持续性评估；(3) 收集与候选作物和当地条件相关的实际和科学知识；(4) 基于模型探索和评估多样化种植系统方案；(5) 通过利益相关者协商和田间试验进行参与式决策。该框架通过整合生态专业知识、先进的建模技术和基于利益相关者的适应性调整，解决了现有方法的局限性。我们以中国的一个案例研究为例进行了说明，在该研究中，利益相关者确定了三种能够提高系统生产力、经济效益同时减少资源使用的多样化种植系统。
意义
通过适当的调整，该框架可以支持在各种农业生态和社会经济环境中进行基于利益相关者的种植系统设计。
部分摘录
来自专门化和集约化种植系统的可持续性挑战
种植系统旨在为人类社会生产足够的食物、饲料、纤维和原材料，但它们也是农村社会经济的重要组成部分，并且是环境质量的关键驱动因素。过去几十年里，全球作物生产变得越来越专门化和集约化，这主要得益于绿色革命的推进。这场革命使得少数几种主粮（小麦、玉米和水稻）实现了单位土地的高产量
种植系统的可持续性目标及其决定因素
在某一地区，重新设计种植系统需要一套定量指标来评估事前和事后实现相关可持续性目标的程度。表1列出了用于评估种植系统的广泛使用的可持续性目标/指标。这些目标和指标可以分为三个领域：1) 供给、2) 社会经济和3) 生态环境。供给领域评估农业生产力
设计可持续和多样化种植系统的方法学空白
已经提出了多种方法来设计多样化和可持续的种植系统，包括基于知识的设计、模型辅助设计和多参与者参与式设计。每种方法都有其独特的优势，但也存在阻碍其实际应用的局限性。
基于知识的设计主要由农业生态学家进行，他们利用作物生态生理学的专业知识（例如，高产作物的生物量和养分积累）
设计可持续和多样化种植系统的综合框架
为了克服上述方法在应用上常常存在的局限性，我们提出了一个设计可持续和多样化种植系统的综合框架。该框架是分步骤的、迭代的，并且适用于全球任何农业地区，包括五个主要步骤（图2）：1) 确定可持续性目标和农业环境；2> 通过农民调查对现有种植系统进行可持续性评估；3> 收集实际和
利用人工智能（AI）编制知识数据库
所提出的用于评估和设计多样化种植系统的框架是系统化的，并且适用于任何特定的作物生产区域。设计过程的有效性在很大程度上依赖于本地数据的质量和可用性，包括生物物理、农艺和社会经济信息。然而，收集与种植系统创新相关的知识往往劳动密集且耗时，因为需要从不同来源记录大量数据
CRediT作者贡献声明
丛文峰：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。张福锁：监督、资源管理、项目行政。马 Bowen：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化。梁正源：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、概念化。霍月文：撰写——审稿与编辑。于瑞鹏：撰写——审稿与编辑。穆达雷·辛吉拉伊：撰写——审稿与编辑。李龙：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2022YFD1900202）、中法国际联合实验室“农业生态学-农业绿色发展”（2024YFE0105000）、中国留学基金委（编号201913043）、海南大学以及北京高级学科建设计划（农业绿色发展）的财政支持。
