Могу ли я включить multidex только в отладочной сборке Android?

Да, ты можешь. Когда вы объявляете, что ваши buildTypes включают multidex только для отладки:

buildTypes {
    release {
        multiDexEnabled false
    }
    debug {
        multiDexEnabled true
    }
}

Вместо того, чтобы включать multidex только для отладки, вы можете изменить минимальную версию sdk на 21 только для отладки, чтобы gradle мог ускорить dexing с помощью ART:

android {
    productFlavors {
        // Define separate dev and prod product flavors.
        dev {
            // dev utilizes minSDKVersion = 21 to allow the Android gradle plugin
            // to pre-dex each module and produce an APK that can be tested on
            // Android Lollipop without time consuming dex merging processes.
            minSdkVersion 21
        }
        prod {
            // The actual minSdkVersion for the application.
            minSdkVersion 14
        }
    }
          ...
    buildTypes {
        release {
            runProguard true
            proguardFiles getDefaultProguardFile('proguard-android.txt'),
                                                 'proguard-rules.pro'
        }
    }
}
dependencies {
  compile 'com.android.support:multidex:1.0.0'
}

http://developer.android.com/tools/building/multidex.html

предложенные методы больше не нужны, поскольку Android Studio стала достаточно умной. Фактически, теперь он будет выдавать вам предупреждение, когда вы используете minSdkVersion 21 (по-старому), чтобы ускорить время сборки с помощью dex:

Вам больше не нужен режим разработки для включения множественного индексирования во время разработки, и это может меньше нарушать проверки версий API...

В прошлом наша документация рекомендовала создавать вариант продукта для разработчиков с minSdkVersion, равным 21, чтобы включить мультидексирование для значительного ускорения сборки во время разработки. Этот обходной путь больше не нужен, и у него есть некоторые серьезные недостатки, такие как нарушение проверки доступа к API (поскольку истинная версия minSdkVersion больше не известна). В последних версиях IDE и плагина Gradle IDE автоматически передает уровень API подключенное устройство, используемое для развертывания, и если это устройство имеет как минимум API 21, то мультидексинг автоматически включается, а это означает, что вы получаете те же преимущества в скорости, что и вариант продукта для разработчиков, но без недостатков.

Да, он даже работает с библиотекой поддержки multidex для версий Android до Lollipop с небольшой хитростью.

Сначала укажите multiDexEnabled для отладочной сборки в build.gradle:

buildTypes {
    ...
    debug {
        ...
        multiDexEnabled true
    }
}

Затем создайте файл AndroidManifest.xml под src/debug.

src/debug/AndroidManifest.xml:

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
          xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools">

    <application
        android:name="android.support.multidex.MultiDexApplication"
        tools:replace="android:name"/>

</manifest>

Это должно делать свое дело. Если ваше приложение использует пользовательский класс приложения, вам необходимо создать подкласс вашего класса приложения и указать имя этого подкласса в манифесте.

Подкласс приложения должен выглядеть так:

public class MyDebugApplication extends MyApplication {
    @Override
    protected void attachBaseContext(Context base) {
        super.attachBaseContext(base);
        MultiDex.install(this);
    }
}