馬拉維的馬里科·馬喬尼徹底改變了他的耕作方式。和許多非洲小農一樣，他買不起化肥，多年來他的玉米產量直線下降。當他了解到可以從大氣中捕獲氮元素的“肥料樹”時，他在玉米行之間種植了樹苗。六年過去了，他的糧食產量增加了10倍，足夠他的家人食用，還有剩餘可以出售。起初，他的鄰居們認為他瘋了。現在他們中的許多人也採用了同樣的做法。
在撒哈拉以南非洲的大部分地區，氣溫溫暖，白天漫長且陽光充足。那裡的作物本應長勢良好，但與馬喬尼一樣，農民們正在苦苦掙扎，即使他們使用化肥也是如此。作為主要穀物的玉米，平均每公頃產量約為一噸，僅為美國中西部農民玉米產量的十分之一。原因很簡單：撒哈拉沙漠以南的大部分土地土壤已經耗竭。它缺乏植物所需的有機質和養分。僅施用額外的化肥並不總是足以顯著提高產量，在某些情況下實際上會進一步損害土壤。土壤退化繼續以驚人的速度發生，導致一些地區本已很低的產量停滯不前或進一步下降。
這種情況令人擔憂，因為全世界8億營養不良人口中約有2.2億生活在撒哈拉以南地區。最近的研究表明，大約十億人口將在2050年翻一番，並將受到氣候變化的嚴重打擊。科學家們一致認為，如果不顯著改善土壤，飢餓肯定會加劇。恢復土壤是提高農業生產力的首要任務。
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原則上，解決方案很簡單。土壤需要用分解的植物和動物材料重建。這種有機質增加了氮和碳，有助於保持水分，並滋養保持土壤生產力的微生物。然而，在實踐中，挑戰比比皆是。大多數非洲農民無法創造或負擔得起購買足夠的作物殘茬、堆肥或動物糞便來重建他們的土地。並且必須在土地繼續耕種的同時進行恢復；在修復耕地的同時，家庭不能停止種植。農民們還面臨著在提高產量的同時，避免過度使用水和化學品，並賺取足夠的錢來維持家庭和社群的經濟和社會穩定的艱鉅任務。
馬喬尼采用的方法屬於一套被稱為多年生化的策略，這種策略可能會在非洲產生巨大的影響。這些方法依賴於在糧食作物中或旁邊種植樹木、灌木或多年生草，以更新土壤，從而提高作物產量並改善糧食生產的長期可持續性。多年生植物向土壤提供碳和氮，有助於保持水分，減少侵蝕，抵抗害蟲，並提高作物對化肥的吸收。這些技術與現代管理實踐（包括免耕農業和有機農業）以及為提高耐旱性和抗病蟲害能力而培育的現代作物品種配合良好。多年生植物還可以為農民提供牲畜飼料和燃料木材。
三種多年生化方法說明了農民如何可持續地提高玉米和高粱等重要主糧的產量，從而豐富土壤。儘管還存在其他方法，但這三種方法在撒哈拉以南非洲地區取得了成功，並具有在那裡更廣泛採用的巨大潛力。它們可以幫助在幾年內將穀物產量從每公頃一噸提高到三噸。吸取的教訓可以使世界其他營養貧乏的熱帶和亞熱帶土壤地區受益，包括南亞和南美洲的國家。
樹木和豌豆
包括馬喬尼在內的非洲農民最廣泛採用的多年生化策略被稱為常綠農業。農民在一年生作物的田地裡種植某些種類的樹木。它們富含氮的葉子掉落併為土壤表面施肥，其深根的活動為土壤增加了氮和碳。農民通常使用Faidherbia albida，一種原產於非洲大陸的類金合歡屬植物。它主要在作物收穫和種植之間的月份生長，因此它不會與作物爭奪水分、養分或陽光。在人工收割作物的地區，農民可以隨機種植樹木，但他們也可以均勻地間隔樹木，並保持足夠的距離，以便拖拉機和聯合收割機能夠透過。近幾十年來，尚比亞有超過10萬農民將這些豆科肥料樹融入了他們的玉米田中。在尼日和馬裡，農民在超過五百萬公頃的粟米和高粱田中保護了自然生長的樹苗，創造了半天然的公園綠地。其他幾種樹種也效果良好。
這些樹木，有些高達30米，還可以吸收其他養分，如磷和鉀，因為它們的根部挖掘的土壤層比作物使用的土壤層深得多。與氮一樣，這些養分透過分解的落葉和根系活動提供給作物。此外，樹木還可以保護作物免受炎熱乾燥的風的侵襲，從而減少地面水分的蒸發。這些好處可以將穀物產量提高一倍，如果與現代作物品種和化肥結合使用，則有助於將產量提高兩倍。
東非有超過3萬名農民採用了第二種多年生化型別，稱為推拉系統。他們在玉米田中以及邊緣周圍種植特定的多年生植物。這些植物抑制害蟲和雜草，但也可以緩解侵蝕，生產動物飼料並減少對化肥的需求。例如，東非的農民使用推拉系統來管理啃食玉米莖的莖螟幼蟲和非洲獨腳金，後者會從玉米根部竊取養分。農民在玉米行之間種植柱花草（Desmodium uncinatum），這是一種通常用於餵養牲畜的多年生豆科植物。它產生一種氣味，可以驅趕或“推出”想要產卵的莖螟蛾。並且來自其根部的一種化學物質可以抑制獨腳金。
為了進一步減少害蟲損害，農民可能會在玉米田的邊緣種植多年生紫狼尾草（Pennisetum purpureum），這也是一種有價值的牲畜飼料，以“拉入”莖螟。這種草為被柱花草驅趕的莖螟提供了一個有吸引力的地方來產卵，但它產生一種粘性樹脂，可以捕獲孵化的幼蟲。
當莖螟和獨腳金都是問題時，推拉系統可以將玉米產量提高一倍以上，而當只有莖螟是一個問題時，產量可以提高25%到30%。牲畜飼料和增加的土壤氮素是額外的好處。
馬拉維和美國科學家開發了第三種方法——“雙重”豆科植物系統——馬拉維超過8000個農場採用了這種方法。在其最簡單的形式中，農民種植一種矮小的、生長迅速的豆科植物，如花生或大豆，並新增木豆，另一種生長較高但生長速度慢得多且根系較深的豆科植物。花生或大豆在幾個月內成熟，就在木豆超過它們的高度並阻擋陽光時。花生或大豆收穫後，它們的葉子掉落並豐富土壤。木豆在一兩個月後成熟並被收穫，其葉子掉落，繼續豐富土壤。由於這兩種作物以不同的速度生長並利用不同深度的土壤，它們通常不會爭奪養分或水分。該系統提高了農民一年可以收穫的富含蛋白質的植物量，並在增強土壤的同時，比兩種單獨的作物需要更少的勞動力。並且它拓寬了農戶的飲食。
木豆在收穫後會重新生長。因此，在第二個季節，農民可以在重新生長的木豆中種植玉米，隨後收穫玉米和第二茬豌豆。在兩個季節中，該系統生產三次豆科植物收穫和一次玉米收穫，提供的蛋白質比傳統的玉米-豆科植物輪作多50%。
最佳化作物以適應當地條件
對於超過一百萬已經將多年生植物融入日常耕作的非洲農民來說，回報是巨大的。他們重建了土壤，同時可持續地提高了糧食產量，並顯著改善了他們的生計。但是撒哈拉以南非洲還有數百萬農民甚至不知道這些技術的存在，或者他們需要技術或財政幫助才能利用它們。然而，良好的實踐不如施用化肥或殺蟲劑那麼直接。農民必須學習如何將多年生作物和一年生作物一起種植，管理更長的作物輪作，併為多樣化的收成制定營銷策略。此外，許多農民並不擁有他們耕種的土地或缺乏穩固的租賃權，這可能會阻止他們投資於長期解決方案。
為了提供幫助，國際社會應擴大其對多年生化發展的投資，支援擴大成功技術的努力，並支援對農民和科學家尚未廣泛測試的其他技術的研究。一些努力正在順利進行中。世界農林業中心是一個國際研究機構，領導了常綠農業的發展，目前正處於一個名為“樹木促進糧食安全”的四年專案的最後一年，該專案與衣索比亞、盧安達、蒲隆地和烏干達政府合作。美國國際開發署執行的可持續集約化計劃正在撒哈拉以南非洲地區支援我們描述的所有三種技術。
國際半乾旱熱帶作物研究所、馬拉維大學和密歇根州立大學的科學家正在幫助東非農民進一步改進雙重豆科植物系統。他們正在開發更多型別的木豆，以適應不同的氣候條件和農民的需求。其他專家設法創造了傳統一年生作物的多年生版本，如高粱、小麥和水稻，他們現在正試圖提高這些新型植物的產量和其他理想特性。華盛頓州立大學、密歇根州立大學和堪薩斯州薩利納的土地研究所正在培育可能在多樣化的農田中茁壯成長的多年生穀物。
這些努力是一個良好的開端。但研究人員尚不確定哪種多年生化技術在撒哈拉以南非洲及其他地區的各種環境中效果最佳。需要進行深入分析。為此，羅格斯大學的科學家和一家中國公司的農業和生物能源部門已經提出了一個由27至45個研究站組成的全球網路，包括在非洲。這些站點將研究一系列樹木、灌木和其他多年生植物對當地氣候、環境和文化條件的適用性。科學家估計，5.4億美元至18億美元可以為該網路提供可持續的專案。據估計，僅撒哈拉以南非洲地區耕地中氮、磷和鉀的損失每年就達40億美元。考慮到多年生化可以顯著阻止這些損失，利用土壤深處的新資源，並且在涉及豆科植物時，減少氮肥的使用，這項投資似乎是值得的。
非洲農民面臨著許多困難，但許多人已經在充滿挑戰的環境中成功地使用了多年生化。擴大多年生化將幫助更多的他們養活自己的家庭和鄰居，併為自己和工人創造收入，提高他們社群的生活水平。