马拉维的马里科·马乔尼彻底改变了他的耕作方式。和许多非洲小农一样，他买不起化肥，多年来他的玉米产量直线下降。当他了解到可以从大气中捕获氮元素的“肥料树”时，他在玉米行之间种植了树苗。六年过去了，他的粮食产量增加了10倍，足够他的家人食用，还有剩余可以出售。起初，他的邻居们认为他疯了。现在他们中的许多人也采用了同样的做法。
在撒哈拉以南非洲的大部分地区，气温温暖，白天漫长且阳光充足。那里的作物本应长势良好，但与马乔尼一样，农民们正在苦苦挣扎，即使他们使用化肥也是如此。作为主要谷物的玉米，平均每公顷产量约为一吨，仅为美国中西部农民玉米产量的十分之一。原因很简单：撒哈拉沙漠以南的大部分土地土壤已经耗竭。它缺乏植物所需的有机质和养分。仅施用额外的化肥并不总是足以显着提高产量，在某些情况下实际上会进一步损害土壤。土壤退化继续以惊人的速度发生，导致一些地区本已很低的产量停滞不前或进一步下降。
这种情况令人担忧，因为全世界8亿营养不良人口中约有2.2亿生活在撒哈拉以南地区。最近的研究表明，大约十亿人口将在2050年翻一番，并将受到气候变化的严重打击。科学家们一致认为，如果不显着改善土壤，饥饿肯定会加剧。恢复土壤是提高农业生产力的首要任务。
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原则上，解决方案很简单。土壤需要用分解的植物和动物材料重建。这种有机质增加了氮和碳，有助于保持水分，并滋养保持土壤生产力的微生物。然而，在实践中，挑战比比皆是。大多数非洲农民无法创造或负担得起购买足够的作物残茬、堆肥或动物粪便来重建他们的土地。并且必须在土地继续耕种的同时进行恢复；在修复耕地的同时，家庭不能停止种植。农民们还面临着在提高产量的同时，避免过度使用水和化学品，并赚取足够的钱来维持家庭和社区的经济和社会稳定的艰巨任务。
马乔尼采用的方法属于一套被称为多年生化的策略，这种策略可能会在非洲产生巨大的影响。这些方法依赖于在粮食作物中或旁边种植树木、灌木或多年生草，以更新土壤，从而提高作物产量并改善粮食生产的长期可持续性。多年生植物向土壤提供碳和氮，有助于保持水分，减少侵蚀，抵抗害虫，并提高作物对化肥的吸收。这些技术与现代管理实践（包括免耕农业和有机农业）以及为提高耐旱性和抗病虫害能力而培育的现代作物品种配合良好。多年生植物还可以为农民提供牲畜饲料和燃料木材。
三种多年生化方法说明了农民如何可持续地提高玉米和高粱等重要主粮的产量，从而丰富土壤。尽管还存在其他方法，但这三种方法在撒哈拉以南非洲地区取得了成功，并具有在那里更广泛采用的巨大潜力。它们可以帮助在几年内将谷物产量从每公顷一吨提高到三吨。吸取的教训可以使世界其他营养贫乏的热带和亚热带土壤地区受益，包括南亚和南美洲的国家。
树木和豌豆
包括马乔尼在内的非洲农民最广泛采用的多年生化策略被称为常绿农业。农民在一年生作物的田地里种植某些种类的树木。它们富含氮的叶子掉落并为土壤表面施肥，其深根的活动为土壤增加了氮和碳。农民通常使用Faidherbia albida，一种原产于非洲大陆的类金合欢属植物。它主要在作物收获和种植之间的月份生长，因此它不会与作物争夺水分、养分或阳光。在人工收割作物的地区，农民可以随机种植树木，但他们也可以均匀地间隔树木，并保持足够的距离，以便拖拉机和联合收割机能够通过。近几十年来，赞比亚有超过10万农民将这些豆科肥料树融入了他们的玉米田中。在尼日尔和马里，农民在超过五百万公顷的粟米和高粱田中保护了自然生长的树苗，创造了半天然的公园绿地。其他几种树种也效果良好。
这些树木，有些高达30米，还可以吸收其他养分，如磷和钾，因为它们的根部挖掘的土壤层比作物使用的土壤层深得多。与氮一样，这些养分通过分解的落叶和根系活动提供给作物。此外，树木还可以保护作物免受炎热干燥的风的侵袭，从而减少地面水分的蒸发。这些好处可以将谷物产量提高一倍，如果与现代作物品种和化肥结合使用，则有助于将产量提高两倍。
东非有超过3万名农民采用了第二种多年生化类型，称为推拉系统。他们在玉米田中以及边缘周围种植特定的多年生植物。这些植物抑制害虫和杂草，但也可以缓解侵蚀，生产动物饲料并减少对化肥的需求。例如，东非的农民使用推拉系统来管理啃食玉米茎的茎螟幼虫和非洲独脚金，后者会从玉米根部窃取养分。农民在玉米行之间种植柱花草（Desmodium uncinatum），这是一种通常用于喂养牲畜的多年生豆科植物。它产生一种气味，可以驱赶或“推出”想要产卵的茎螟蛾。并且来自其根部的一种化学物质可以抑制独脚金。
为了进一步减少害虫损害，农民可能会在玉米田的边缘种植多年生紫狼尾草（Pennisetum purpureum），这也是一种有价值的牲畜饲料，以“拉入”茎螟。这种草为被柱花草驱赶的茎螟提供了一个有吸引力的地方来产卵，但它产生一种粘性树脂，可以捕获孵化的幼虫。
当茎螟和独脚金都是问题时，推拉系统可以将玉米产量提高一倍以上，而当只有茎螟是一个问题时，产量可以提高25%到30%。牲畜饲料和增加的土壤氮素是额外的好处。
马拉维和美国科学家开发了第三种方法——“双重”豆科植物系统——马拉维超过8000个农场采用了这种方法。在其最简单的形式中，农民种植一种矮小的、生长迅速的豆科植物，如花生或大豆，并添加木豆，另一种生长较高但生长速度慢得多且根系较深的豆科植物。花生或大豆在几个月内成熟，就在木豆超过它们的高度并阻挡阳光时。花生或大豆收获后，它们的叶子掉落并丰富土壤。木豆在一两个月后成熟并被收获，其叶子掉落，继续丰富土壤。由于这两种作物以不同的速度生长并利用不同深度的土壤，它们通常不会争夺养分或水分。该系统提高了农民一年可以收获的富含蛋白质的植物量，并在增强土壤的同时，比两种单独的作物需要更少的劳动力。并且它拓宽了农户的饮食。
木豆在收获后会重新生长。因此，在第二个季节，农民可以在重新生长的木豆中种植玉米，随后收获玉米和第二茬豌豆。在两个季节中，该系统生产三次豆科植物收获和一次玉米收获，提供的蛋白质比传统的玉米-豆科植物轮作多50%。
优化作物以适应当地条件
对于超过一百万已经将多年生植物融入日常耕作的非洲农民来说，回报是巨大的。他们重建了土壤，同时可持续地提高了粮食产量，并显着改善了他们的生计。但是撒哈拉以南非洲还有数百万农民甚至不知道这些技术的存在，或者他们需要技术或财政帮助才能利用它们。然而，良好的实践不如施用化肥或杀虫剂那么直接。农民必须学习如何将多年生作物和一年生作物一起种植，管理更长的作物轮作，并为多样化的收成制定营销策略。此外，许多农民并不拥有他们耕种的土地或缺乏稳固的租赁权，这可能会阻止他们投资于长期解决方案。
为了提供帮助，国际社会应扩大其对多年生化发展的投资，支持扩大成功技术的努力，并支持对农民和科学家尚未广泛测试的其他技术的研究。一些努力正在顺利进行中。世界农林业中心是一个国际研究机构，领导了常绿农业的发展，目前正处于一个名为“树木促进粮食安全”的四年项目的最后一年，该项目与埃塞俄比亚、卢旺达、布隆迪和乌干达政府合作。美国国际开发署运行的可持续集约化计划正在撒哈拉以南非洲地区支持我们描述的所有三种技术。
国际半干旱热带作物研究所、马拉维大学和密歇根州立大学的科学家正在帮助东非农民进一步改进双重豆科植物系统。他们正在开发更多类型的木豆，以适应不同的气候条件和农民的需求。其他专家设法创造了传统一年生作物的多年生版本，如高粱、小麦和水稻，他们现在正试图提高这些新型植物的产量和其他理想特性。华盛顿州立大学、密歇根州立大学和堪萨斯州萨利纳的土地研究所正在培育可能在多样化的农田中茁壮成长的多年生谷物。
这些努力是一个良好的开端。但研究人员尚不确定哪种多年生化技术在撒哈拉以南非洲及其他地区的各种环境中效果最佳。需要进行深入分析。为此，罗格斯大学的科学家和一家中国公司的农业和生物能源部门已经提出了一个由27至45个研究站组成的全球网络，包括在非洲。这些站点将研究一系列树木、灌木和其他多年生植物对当地气候、环境和文化条件的适用性。科学家估计，5.4亿美元至18亿美元可以为该网络提供可持续的项目。据估计，仅撒哈拉以南非洲地区耕地中氮、磷和钾的损失每年就达40亿美元。考虑到多年生化可以显着阻止这些损失，利用土壤深处的新资源，并且在涉及豆科植物时，减少氮肥的使用，这项投资似乎是值得的。
非洲农民面临着许多困难，但许多人已经在充满挑战的环境中成功地使用了多年生化。扩大多年生化将帮助更多的他们养活自己的家庭和邻居，并为自己和工人创造收入，提高他们社区的生活水平。