農林復合系統(tǒng)水熱生態(tài)特征研究進展*

何春霞，鄭 寧，張勁松**，孟 平，原文文

（1.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京 100091；2.南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037）

農林復合系統(tǒng)水熱生態(tài)特征研究進展*

何春霞1,2，鄭 寧1,2，張勁松1,2**，孟 平1,2，原文文1,2

（1.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京 100091；2.南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037）

水熱生態(tài)特征是農林復合系統(tǒng)的重要研究內容，該主題研究對計量農林復合系統(tǒng)生態(tài)效益、優(yōu)化復合系統(tǒng)結構配置、實施調控管理等具有重要的理論指導作用。本文基于 CNKI、Science Direct、Springlinker、CABI Abstracts等數據庫檢索平臺及中國林業(yè)科學院圖書館中文書籍數據庫，檢索分析了1980年以來有關研究農林復合系統(tǒng)對輻射、蒸散或蒸騰、土壤水分、根系、水分利用效率影響特征的中英文文獻，概述了近35a來農林復合系統(tǒng)水熱生態(tài)特征研究進展，并從研究內容及方法等角度提出展望，以期為進一步深入開展農林復合系統(tǒng)結構與功能研究提供參考依據，進而促進復合農林業(yè)學科發(fā)展。分析表明：（1）農林復合系統(tǒng)具有調控太陽輻射分布及冠層熱量平衡等作用，但對光質、光譜等的影響效應鮮有詳盡文獻報道；（2）水分效應及其影響機理研究缺少整體性和系統(tǒng)性，致使相關結論難以形成統(tǒng)一的認識；（3）種間水分關系研究雖已取得一定進展，但有待從種間土壤水分利用來源及運移過程、水分消耗過程及強度的差異特征等角度，綜合研究種間競爭與互補的時空變化格局及其調控機制等方面；（4）已有研究數據主要來自試驗觀測，影響研究結果的代表性，亟待加強模擬研究工作。

農林復合系統(tǒng)；輻射；蒸散；蒸騰；土壤水分

農林復合系統(tǒng)是一種傳統(tǒng)的土地利用和經營方式，其實踐歷史與古代農業(yè)基本平行，但其實踐意義和理論價值長期以來未能得到足夠的重視，直至20世紀70年代，由于人口劇增、糧食短缺、資源危機、環(huán)境惡化等全球性問題的出現(xiàn)，人類愈來愈深刻地意識到森林與21世紀可持續(xù)發(fā)展休戚相關的重大意義，以及拯救森林的緊迫性。由于在短時期內完全恢復森林狀態(tài)，特別是在農區(qū)既不可能也無必要，因此，國內外農、林界學者大力提倡發(fā)展以防護林為主體結構的農林復合系統(tǒng)，以增加森林覆蓋率，從而使農林復合系統(tǒng)受到眾多國家和地區(qū)的普遍關注和廣泛重視。Agroforestry一詞最早出現(xiàn)于1977年由加拿大國際發(fā)展研究中心（IDRC）完成的《樹木、糧食和人類》項目文件中。該詞的出現(xiàn)引起了世界各國農林業(yè)專家的廣泛關注，由于各國及其不同歷史時期農林業(yè)種植方式的差異、社會需求與研究目標的不同，出現(xiàn)了不同解釋[1-9]，目前，尚未形成完全統(tǒng)一的定義。其中，國際農林復合系統(tǒng)研究中心（ICRAF）綜合了世界各地農林復合系統(tǒng)的概念，在20世紀70年代、80年代及90年代先后給出3種代表性定義，分別為：King[1]將Agroforestry定義為一種采用適合于當地栽培實踐的一些土地經營方式，在同一土地單元內將作物和林木或牲畜同時結合或交替生產，使土地生產力得以提高的土地持續(xù)利用系統(tǒng)；Lundgren[3]將之概括為一種土地利用系統(tǒng)和工程應用技術的復合名稱，是有目的地將多年生木本植物與農業(yè)或牧業(yè)用于同一土地經營單位，并采取時空排列法或短期相間的經營方式，使農業(yè)、林業(yè)在不同的組合之間存在著生態(tài)學和經濟學一體化的相互作用；Leakey[9]于 1996年將 Agroforestry概述為一種動態(tài)的、以生態(tài)學為基礎的自然資源管理系統(tǒng)，通過在農地及牧地上種植樹木達到生產的多樣性和持續(xù)發(fā)展，從而使不同層次的土地利用者獲得更高的社會、經濟和環(huán)境方面的效益。這是目前國際上最新的定義。

為促進各國實踐經驗和理論研究的交流，推動農林復合系統(tǒng)的發(fā)展，國際農林復合系統(tǒng)研究中心（International Centre for Research in Agroforestry，ICRAF）于1976年在IDRC的資助下成立，并于1992年加入國際農業(yè)研究磋商小組，總部設在肯尼亞首都奈洛比。2004年改名為世界農林復合系統(tǒng)中心（World Agroforestry Centre，WAC）。于1983年創(chuàng)辦了刊物《Agroforestry》，后改名為《Agroforestry Systems》。1980年聯(lián)合國糧農組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）林業(yè)委員會提出：林業(yè)的發(fā)展應與農業(yè)、牧業(yè)結合起來，與解決貧困化結合起來[10]。在這種思想的指導下，農林復合系統(tǒng)的研究引起了世界各國的高度重視[11]。為了促進復合農林業(yè)發(fā)展，F(xiàn)AO于2013年出版了“農林業(yè)新編法規(guī)”指南，并指出，如果各國把更多的精力放在促進農林復合系統(tǒng)發(fā)展，即通過林業(yè)與農作物種植或牲畜養(yǎng)殖相結合的綜合發(fā)展方式，可使數以百萬計的人擺脫貧困、饑餓，同時避免環(huán)境退化。不過由于國家或地區(qū)之間在經濟、社會、自然條件等方面存在差異，其在農林復合系統(tǒng)研究和實施方面?zhèn)戎攸c有所不同，地域特色明顯。近年來，不僅僅是亞洲、非洲發(fā)展中國家，歐美發(fā)達國家對農林復合的研究也十分重視。農林復合系統(tǒng)已成為一門新型的邊緣性學科，出現(xiàn)在農業(yè)科學和林業(yè)科學的交叉領域，并呈現(xiàn)出蓬勃生機和巨大潛力[11]，為農業(yè)和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了新的思維和新的領域。

生態(tài)特征與功能是農林復合系統(tǒng)的重要研究內容。水分是植物生長的基礎物質，在水源緊缺地區(qū)，種間水分關系對農林復合系統(tǒng)生產力具有決定性的影響。熱量是復合系統(tǒng)小氣候形成及水分運移的重要驅動力，也是決定植物光合能力與生物質形成的主要影響因子。因此，水熱生態(tài)特征一直是農林復合系統(tǒng)的熱點研究內容。準確計量農林復合系統(tǒng)水熱調控效應，揭示其影響機制，對進一步深入評價生態(tài)效應及計量綜合效益、優(yōu)化復合系統(tǒng)結構配置、實施調控管理等具有重要的理論指導作用。中國是較早開展農林復合系統(tǒng)熱力特征及效應研究的國家之一，有關農田防護林對輻射及空氣溫濕度的研究成果比較系統(tǒng)和全面。本文將概述國內外農林復合系統(tǒng)水熱生態(tài)特征，并從研究內容及方法等角度，提出研究展望，以期為進一步深入開展農林復合系統(tǒng)結構與功能研究提供參考依據，進而促進復合農林業(yè)學科發(fā)展。

1 農林復合系統(tǒng)熱力特征與功能

1.1 調控太陽輻射

林木首先會改變太陽輻射路徑，影響附近生物接收的太陽輻射包括直接輻射與散射、反射輻射量。因此，農林復合系統(tǒng)具有調控系統(tǒng)內太陽輻射分布等作用，進而影響系統(tǒng)內熱量平衡各分量。林帶附近太陽總輻射的日變化與林帶方位、林帶側面反射率和太陽高度角等因子有關[12]。與曠野相比，農林復合系統(tǒng)內太陽輻射量有所下降，其主要原因在于樹木攔截太陽輻射從而降低了林緣附近直接輻射。這種降低效應被稱為“光脅地效應”，且隨著林木株行距的增加或林下植物與林帶距離的增加，光脅地效應會降低。朱廷曜等[12]觀測研究東北西部疏透結構林帶附近的太陽總輻射及其日變化，結果表明，由于林帶的庇蔭，其向陽面和背陰面附近的日總輻射量均小于無林地，林緣附近相對總輻射量約為35%。宋兆明等[13]在華北平原的研究表明，北林帶南林緣在0.1倍樹高處直接輻射減少75.2%，而0.5倍樹高范圍內僅減少8.7%。但也有研究認為[13-16]，由于林帶反射的補充，使得林緣附近的太陽輻射強度有時會大于曠野，即在農林復合系統(tǒng)內不總是存在光脅地效應。宋兆民等[13]在華北平原的研究表明，在無云天氣條件下，林帶可反射 33.9%的日太陽輻射強度，從而增加林網內總輻射。陸光明等[14-15]研究表明，晴天日，農田林網內小麥冠層所吸收的總輻射比曠野小麥高5%～10%；在東北平原，曹新孫等[16]研究表明，由于林帶的反射作用，林帶向陽面 10：00-15：00接收的太陽輻射比曠野多5%～9%?？梢?，林帶光脅地效應主要由于林木對直接輻射的遮蔽或阻擋，但在晴天條件下，因樹冠的反射作用，林帶附近散射輻射有時還有所增加[12]。因此，農林復合系統(tǒng)對太陽輻射的調控效應不總是降低效應，在林緣附近還存在太陽輻射強度增加的可能性。

上述對象幾乎集中于太陽輻射或光合有效輻射（PAR），而對光質的影響研究鮮有詳盡文獻報道。雖有部分研究認為，林木遮蔭不會影響林下植物產量[17-20]，甚至具有正效應作用[20-25]。但未從光質或光譜成分等角度，結合植物感光性機理及類型，進一步分析機理問題。目前，尚需加強不同類型及結構農林復合系統(tǒng)光強、光質或光譜成分的時空分布特征等方面研究，以為林下植物選擇提供更充足的理論依據。

1.2 調控熱量平衡

冠層凈輻射（Rn）、顯熱（H）、潛熱（LE）及土壤熱通量（Gs）等熱量因子是溫度及濕度效應的驅動力。其中，潛熱通量既是熱量平衡也是水量平衡的重要組成部分，其受植物、土壤、大氣等因素的綜合影響。研究農林復合系統(tǒng)熱量平衡效應，對進一步解釋其對水分及溫度的影響機制具有重要意義。但除LE外，其它方面的研究均較零散，主要原因在于，農林復合系統(tǒng)較復雜，各因子均存在空間變異性，長期定位觀測研究需要布置一定數量傳感器，受觀測技術及經費等的限制，研究（結果）深度與廣度受到影響?？偨Y已有研究結果[14,26-29]，可以認為，林網內農田 Rn及 Gs均高于林網外曠野農田（CK），但由于林網類型及天氣條件的不同，林網內部距離林木不同位置處及其與林外的差異程度有所不同，且H總低于CK，主要原因是林網內的輻射量更多地用于蒸散耗熱。有關農林間作系統(tǒng)對 Rn、H和Gs的影響研究，除張勁松等[30]外，未見其它詳盡文獻報道，農林間作系熱平衡各分量空間分布特征及其氣象要素、林冠結構變化的響應機制亟待深入研究。

1.3 調控空氣溫度

在農田防護林系統(tǒng)中，林帶改變氣流結構和降低風速作用的結果必然會改變林帶附近的熱量收支，從而引起溫度的變化，但這種過程十分復雜，影響防護農田內氣溫的因素不僅包括林帶結構、下墊面性狀，而且還涉及風速、湍流交換強弱、晝夜時相、季節(jié)、天氣類型、地域氣候背景等。在白天，防護林對氣溫的影響隨著地區(qū)氣候的不同而不同[31]，一般情況下，在實際蒸散和潛在蒸散接近的濕潤地區(qū)，防護農田內影響溫度的主要因素為風速，在風速降低區(qū)內，氣溫會有所增加。在實際蒸散小于潛在蒸散的半濕潤地區(qū)，由于葉面氣孔的調節(jié)作用開始產生影響，一部分能量沒有被用于土壤蒸發(fā)和植物蒸騰而使氣溫降低，因此，這一地區(qū)的防護林對農田氣溫的影響具有正負兩種可能性。在半濕潤易干旱或較干旱地區(qū)，由于植物蒸騰作用而引起的降溫作用比因風速降低而引起的增溫作用程度相對顯著，因此，這一地區(qū)防護林具有降低農田氣溫的作用。華北平原屬于干旱半干旱季風氣候區(qū)，這一地區(qū)的農田防護林對溫度影響的總體趨勢是夏秋季節(jié)和白天具有降溫作用，在春冬季節(jié)和夜間氣溫具有升溫及氣溫變幅減少的作用。據河南林科所測定[32]，豫北平原地區(qū)農田林網內夏季日平均氣溫比空曠地低 0.5～2.6℃，在冬季比空曠地高 0.5～0.7℃；在嚴重干旱的地區(qū)，防護林對農田實際蒸散的影響較小，這時風速的降低成為影響氣溫決定因素，防護林可導致農田氣溫升高。在夜間，防護林對氣溫的影響主要取決于風速、水汽凝結和有效輻射。防護林農田內風速的降低和湍流交換程度的減弱，會導致氣溫下降，在有效輻射強的夜間、緊密結構林帶的防護范圍內，氣溫日較差會加大。但夜間又因水汽凝結時釋放熱量會緩解降溫作用。此外，在林帶防護范圍內，空氣絕對濕度高，露點出現(xiàn)時間較早，而防護林本身的輻射在一定程度上能緩和林緣附近的降溫作用。總之，農田防護林對氣溫的影響過程及機理較復雜，要根據具體情況作具體分析。

對比防護林帶，農林（果）間作系統(tǒng)因防風效能的提高、樹冠遮蔭面積和時間的增多，使得系統(tǒng)對空氣溫度的調節(jié)作用更為明顯。李增嘉等[33]對山東平原縣3m×15m的桃麥、梨麥、蘋麥間作系統(tǒng)的小氣候效應觀測研究表明，小麥乳熟期間，麥桃、麥梨系統(tǒng)日平均氣溫低于單作麥田，平均約低0.8℃和0.5℃。據高椿翔等[34]研究，株行距3m×15m的棗糧間作系統(tǒng)、4m×25m的桐糧間作系統(tǒng)、3m×20m的楊糧系統(tǒng)在小麥灌漿期間，對比單作麥田，可分別降低氣溫1.2~5.0℃、0.4~2.3℃和1~2℃；吳剛等[35]對黃淮海平原株行距5m×10m蘋果-小麥間作系統(tǒng)內的小氣候特征研究表明，由于間作系統(tǒng)防風降溫和增加濕度的作用，1990年小麥生長期內高溫危害天數和干熱風危害天數分別減少 68.9%和 88.2%；據Kong等[36]研究報道，果-草復合系統(tǒng)夏季地表以上15-50cm處氣溫可比清耕果園降低1.9～2.2℃，有利于減少土壤水分蒸發(fā)和高溫對林木的危害?？邓固辜局Z夫等[26，29，37-42]曾研究了區(qū)域尺度溫度調節(jié)效應，研究結論基本一致，即農田防護林體系夏季具有降溫作用，冬季具有增溫作用。

目前已有農林復合系統(tǒng)熱力特征相關研究的數據主要來自野外實測，但農林復合系統(tǒng)時空變異較復雜，各輻射及熱量參數時空異質性強，無論人工還是自動觀測數據均難以全面描述和評估復合系統(tǒng)的空間分布特征，輻射與熱量傳輸的模擬研究亟待加強。

2 農林復合系統(tǒng)水分特征

2.1 蒸散

有關農林復合系統(tǒng)中作物或牧草的蒸散效應的正負問題，至今還未形成完全統(tǒng)一的認識。目前，大致存在兩種觀點。一種認為[43-47]，由于林木的防護作用，導致作物或牧草的冠層溫度升高和氣孔導度增加，從而增加作物（牧草）的蒸騰耗水量。風速的降低，只有在水分充足的條件下，才有可能起到降低蒸散的作用。另一種則認為[48-54]，在農林復合系統(tǒng)中，由于林木的遮蔭、風速及湍流交換作用的減弱等原因，系統(tǒng)將具有降低作物或牧草蒸騰、土壤蒸發(fā)強度的作用，降低的幅度還與作物生長季節(jié)以及天氣類型有關。

目前農林復合系統(tǒng)對植物蒸散的影響作用及其機理問題仍需繼續(xù)探討。Brenner等[46,55]指出，防護林對農田蒸散的影響是一個十分復雜的過程，所起作用是降低還是增加不能一概而論，需要具體分析。Nuberg[56]為更清楚地闡明防護林影響農田蒸散的機制，對Penman-Monteith公式進行剖析，認為影響蒸散的關鍵因子是植被冠層導度，它同時出現(xiàn)在蒸散的能量驅動項和擴散驅動項，而又制約于風速。風速減少會使能量驅動項降低的同時，也增加擴散驅動項。因此，防護林對蒸散的最終影響結果則取決于能量驅動項和擴散驅動項的相對變化程度。

目前，多數研究結論是在短時期內的個別典型天氣條件下得到的，往往不能全面、動態(tài)地評價較長時期內的蒸散效應及其變化規(guī)律。而且，孤立地開展復合系統(tǒng)中作物或牧草的蒸騰耗水效應問題的研究相對普遍，而同時進行林木耗水及其與作物耗水的測算研究，除張勁松等[50，57-58]外，鮮有其它詳盡文獻報道?？傮w而言，研究內容缺少整體性和系統(tǒng)性，致使相關結論難以形成統(tǒng)一的認識。

另外，研究手段和方法有待進一步改進和完善。目前，農林復合系統(tǒng)的蒸散量大都是利用實測法或經典的Penman-Monteith公式計算得到的。實測法不僅需要大量人力和物力，且結果難以清楚地解釋蒸散的影響機制；Penman-Monteith公式只有在地面完全覆蓋、低矮植被且下墊面均一的條件才有較高的計算精度，而應用于農林復合系統(tǒng)，因下墊面物理屬性的非均一性，故誤差可能較大。雖然 Mcintyre等[42，59-63]在農林復合系統(tǒng)蒸散的模擬計算方面做了很有意義的工作，為蒸散計算方法的研究提供了重要的思路，但也存在某些局限性。如Wallace等[59-60，63]等模型的局限在于：（1）假設復合系統(tǒng)中不同植被類型的溫、濕度相等；（2）只考慮植被覆蓋度和植株高度對光截留的影響，而未將林木與其下層植被之間相對高度差、林木行帶走向（方位）以及太陽的日運動軌跡結合起來，綜合考慮林木對其下層植被的遮蔭時間和遮蔭范圍的影響，因此，太陽輻射截留分配模型過于簡單；（3）只能得到下層植被蒸散平均值，而不能了解其水平變化規(guī)律；Irvine[62]模型只能用以計算復合系統(tǒng)的總蒸散量，而不能單獨計算不同植被組分的蒸散量；Mcintyre等[42，61]輻射傳輸概念模型雖比較完善，但因傳輸過程復雜而涉及的物理參數較多，故其蒸散模型不便于在實際工作中應用；張勁松等[50]建立蘋果-小麥復合系統(tǒng)分層水量平衡模型，并基于有限差分數值法，可求解得到林木及作物蒸騰、根系吸水及土壤水分時空動態(tài)值，但林木與作物根系、葉面積模型為經驗統(tǒng)計模型[64]，限制了普適性；WAC所研發(fā)的 WaNuLCAS模型[65]相對完善，但輸入參數較多，普適性仍然不足?？傊嘘P農林復合系統(tǒng)蒸散問題研究目前以試驗研究為主，模擬研究相對較少，模擬模型仍需繼續(xù)探索。

2.2 土壤水分

土壤水分是植物需水直接來源，也是農林復合系統(tǒng)中林木與作物水分競爭的直接對象。只有當林木與作物在所需水分、養(yǎng)分資源上達到互補時，通過復合經營才有可能增加收獲量[66]。在水分資源緊缺的地區(qū)，有利于改善土壤水分狀況，即農林復合系統(tǒng)土壤水分效應為正值，是開展農林復合經營的先決條件。充分了解農林復合系統(tǒng)中農田土壤水分時空分布特征及其機理，對于優(yōu)化復合模式及制定灌溉決策將具有更加重要的現(xiàn)實意義。但目前有關這方面的研究有待進一步深入。

一方面，至今還不能完全肯定農林復合系統(tǒng)具有改善農田土壤水分狀況的作用。雖然已有許多研究表明，因復合系統(tǒng)降低作物蒸騰的作用，提高了農田土壤含水量[66-69]。但由于復合系統(tǒng)中作物蒸騰的影響機理以及復合系統(tǒng)到底能否具有降低農田蒸散的作用，本來就未能完全定論，所以同樣也不能完全肯定農林復合系統(tǒng)具有改善農田土壤水分狀況的作用。因此，有關農林復合系統(tǒng)土壤水分正負效應及其涉及的林木水分脅迫等問題，至今仍是水分資源緊缺地區(qū)水分生態(tài)特征研究的主要焦點內容。

另一方面，有關土壤水分效應與時空分布的機理研究，大多數結論是針對復合系統(tǒng)中作物區(qū)的土壤水分效應及其與作物自身蒸騰耗水的關系而得到的，而從林木和作物對土壤水分共同作用的角度，定量地分析復合系統(tǒng)土壤水分問題的研究工作極為少見。因此，亟待加強林木蒸騰及根系吸水對農田土壤水分的作用機理等方面的研究。

另外，有關農林復合系統(tǒng)土壤水分效應的研究手段或方法，有待進一步改進與完善。目前大多為實測法。實測值雖具有研究結果的真實性等優(yōu)點，但由于土壤本身就是一個“黑箱”，其物理化學屬性的空間變異性很大，為了提高精確度，往往需要設置大量的觀測點，這不僅需要大量經費，且還難以避免因破壞土壤本身的物理結構而影響其精度。因此，理想的研究手段就是進行農林復合系統(tǒng)土壤水分運移的動態(tài)模擬研究。但是這方面的工作，至今未曾有人系統(tǒng)做過。雖然Lawson等[60，63]曾利用PARCH模型對非洲熱帶地區(qū)復合系統(tǒng)土壤水分運移進行模擬研究，但是該研究在土壤水分充足的條件下，并假設根系分布及根系吸水在水平方向上是均一的，這在現(xiàn)實中是不可能的。另外，張勁松等[50]所提出的分層水量平衡模型、WAC所研發(fā)的WaNuLCAS[65]的普適性均仍然不足?？傊?，農林復合系統(tǒng)中土壤水分運移的模擬研究工作還有待進一步深入。

2.3 根系吸水

根系吸水不僅與根系的分布特征有關，而且還與土壤水分狀況及植物本身的蒸騰耗水強度互為耦合，因此，要系統(tǒng)地研究農林復合系統(tǒng)水分生態(tài)特征，必須定量分析根系吸水的時空變化特征。在水資源緊缺地區(qū)，定量研究林木根系吸水及其對農田土壤水分的影響范圍和影響程度，對于清楚地解釋林木與作物的水分競爭及其機理、全面評價復合系統(tǒng)土壤水分效應，以及水分調控措施的制定則尤為重要，但至今有關這方面的研究結論大都為定性描述，僅有個別研究者[56-57]對其進行定量分析。盡管Khan等[70-71]通過測定根部液流量研究了林木根系吸水，但受技術條件的限制，無法分析根系吸水的空間分布特征及其對土壤水分的影響程度。因此，加強農林復合系統(tǒng)根系吸水的動態(tài)模擬研究十分必要。

2.4 水分利用效率

農林復合系統(tǒng)中淺根作物和深根木本植物以互補的方式利用土壤中的水分，可以提高水分利用率[72]。植物根系分布具有一定的可塑性，在復合系統(tǒng)中，利用植物根系的可塑性，木本植物和農作物的根系在空間上的垂直分布，有效地形成生態(tài)位的互補關系，避免了種間強烈競爭，促進了水分利用效率的提高[18,73]。張勁松等[30，74-76]在黃淮海平原農區(qū)研究證實了楊樹-小麥、銀杏-小麥、梨樹-小麥復合系統(tǒng)具有提高作物水分利用效率等功能；陳平等[57-58]在太行山低山丘陵區(qū)研究證實了果樹-小麥復合系統(tǒng)、果樹-菘藍/決明子復合系統(tǒng)具有提高小麥與藥草葉片水分利用效率等作用；代巍等[77]在晉西黃土區(qū)研究表明，果樹-綠豆復合系統(tǒng)具有提高果樹葉片水分利用效率等功能。但這些研究結果是基于1～2個生長季節(jié)內葉片尺度的觀測數據而得到，缺少多年份、冠層或群體水平上的相關數據，影響了結果的代表性價值，即需要加強研究農林復合系統(tǒng)對冠層乃至區(qū)域尺度水分利用效率的動態(tài)調控作用及其影響機制。

2.5 種間水分利用關系

植物生長及新陳代謝均離不開水分，水分的任何限制都會影響植物全部的生理功能[78]，當競爭關系與脅迫因子相結合時，會影響或改變當前的競爭關系狀態(tài)[79]。在干旱半干旱地區(qū)，水分是制約植物生長的主要因素，尤其是對于干旱或貧瘠的立地，種間水分競爭問題尤為突出。因此，研究了解種間水分關系尤為必要，是深入解釋水分效應變化特征及其影響機制的必要工作，對合理構建農林復合系統(tǒng)、實施高效調控與可持續(xù)管理，具有重要的理論指導作用。土壤水分是植物根系吸水和植株耗水的直接來源，蒸騰是植物耗水的最主要方式，因此，以“土壤水分”、“蒸騰耗水”為指標，分析不同組分之間水分利用的“來源”、“過程/強度”的異同特征及其影響機制，全面研究種間水分關系，則更有針對性。

（1）基于土壤水分變化的種間水分利用關系

土壤水分分布狀況及土壤水分效應在一定程度反應了種間競爭與互補的一種重要結果。在干旱和半干旱地區(qū)，盡管很難把地下部分對水分和養(yǎng)分的競爭區(qū)分開來，但許多研究仍表明[80-82]，種間土壤水分競爭是農林復合系統(tǒng)中作物產量下降的主要原因。因此，研究了解種間對土壤水分利用來源和利用策略，有助于明確農林復合系統(tǒng)水分互利和競爭關系。

根系分布決定了系統(tǒng)對土壤水分利用主要是競爭還是互利關系[18]。目前，已有種間水分互補或競爭的研究幾乎側重于分析土壤水分分布特征或及其與根系分布的關系[57,83-93]，并初步分析了種間競爭與互補作用的介面。但農林復合系統(tǒng)因種間根系相互交錯，難以清楚地區(qū)分不同組分（如林木與作物）細根[94]，使長期性試驗研究各組分根系分布特征更加費時費力，限制了根系研究工作的開展。20世紀90年代以后，雖然有部分研究者進行過這方面的研究，但絕大多數僅涉及林木的根系，如通過挖掘法分析林木的根系分布狀況[95]或建立根系分枝模型[64]，或利用同位素示蹤根系分布深度[96]，而有關根量動態(tài)變化特征的定量研究內容并不很多[94]。同時開展作物和林木的試驗研究則有個別報道[97-100]。總之，有關農林復合系統(tǒng)中不同組分根系及其動態(tài)的研究資料至今十分匱乏，一定程度上影響了種間水分利用關系的研究深度。

氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術具有較高的靈敏度與準確性，有助于深入種間水分利用來源。陳平等[57，101-102]曾基于該技術分析種間水分利用來源與策略，并表明農林復合系統(tǒng)中樹木在干旱時期均具有“水力提升”作用，將深層土壤水分吸收并在淺層釋放，供間作作物使用。但目前除上述研究案例外，尚未見其它報道。

種間土壤水分競爭介面因物候期、小氣候條件的改變會發(fā)生轉化或轉移，因此，若要以土壤水分為指標，開展種間競爭與互補介面或角色轉化/轉移過程的研究，則需要了解種間土壤水分來源的差異及其運移過程的動態(tài)差異特征。但目前尚未見有關介面或角色轉化/轉移過程及其影響機制的研究。

總體而言，現(xiàn)有研究因觀測技術的限制或主要研究目標/目的的不同，更側重于效應的定量評價，對種間競爭與互補過程及其控制機制的研究，僅起到了提供基礎工作等作用。在研究了解種間水分相互作用結果的表現(xiàn)形式（如土壤水分分布狀況及土壤水分效應等）的同時，更應深入研究種間互作變化過程及其影響機制。

（2）基于不同組分蒸騰耗水比例的種間水分關系

蒸騰是植物耗水的主要方式，在土壤-植物-大氣連續(xù)體（SPAC）水分運移過程占有極為重要的地位，蒸騰強度與根系吸水密切相關。種間根系競爭能力，不僅與吸收根的根長密度、活性等指標有關，還取決于種間優(yōu)先利用資源的能力[72]，這種能力除與植被自身的遺傳特性有關外，還與當時植物的需水/耗水強度等有關。在無灌溉條件下，蒸騰強度與復合系統(tǒng)內不同組分種植區(qū)有效降水量密切相關。因此，種間蒸騰耗水比例及降水分配格局的季節(jié)變化特征，是深入研究復合系統(tǒng)種間水分關系的重要內容。以往的研究表明[103-104]，在干旱和半干旱地區(qū)，如果不進行必要的根系或水分管理，林木和作物對水分消耗的競爭是不可避免的。但孟平等[76-105]針對農田楊樹防護林系統(tǒng)的研究認為，相對作物，林木耗水僅占系統(tǒng)耗水的一小部分，就種間耗水比例而言，林木與作物水分競爭并不激烈。但這只是個別案例，可能會因氣候、農林復合系統(tǒng)物種與時間結構的差異，而導致研究結論多樣化。但目前同步測算不同組分耗水量的研究工作極為少見，相關研究進展較緩慢。

長期以來，雖一直強調種間水分關系研究，但從種間土壤水分利用來源及運移過程、水分消耗過程及強度的差異特征等角度，綜合研究種間競爭與互補的時空變化格局及其調控機制，尚未取得重要進展。

3 結論與展望

3.1 主要結論

（1）農林復合系統(tǒng)對太陽輻射的調控效應不總是降低效應或光脅迫的負作用，在林緣附近因反射作用，存在增加太陽輻射強度的可能性。光質效應研究鮮有詳盡文獻報道。

（2）農林復合系統(tǒng)水分調控作用過程較復雜，水分效應及其影響機理研究缺少系統(tǒng)性，致使相關結論難以形成統(tǒng)一的認識。

（3）農林復合系統(tǒng)種間水分關系研究雖已取得一定進展，但有待從種間土壤水分利用來源及運移過程、水分消耗過程及強度的差異特征等角度，綜合研究種間競爭與互補的時空變化格局及其調控機制。

（4）已有研究數據主要來自試驗觀測，影響研究結果的代表性，亟待加強相關模擬研究工作。

3.2 研究展望

熱量傳輸與水分運移是農林復合系統(tǒng)能量流動與物質循環(huán)的重要表現(xiàn)形式，深入研究農林復合系統(tǒng)水熱特征，有助于提高復合農林業(yè)研究水平，促進學科發(fā)展。水資源日益緊缺是制約中國農業(yè)與林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最主要生態(tài)問題，科學發(fā)展與調控管理農林復合系統(tǒng)，應通過合理配置調控其水熱平衡過程，以改善土壤水分狀況、提高水分利用效率為前提。因此，為應對水資源緊缺問題，也極有必要深入研究農林復合系統(tǒng)水熱調控特征及其影響機制。但目前研究尺度和手段、研究方法和內容均有待進一步完善。

（1）研究尺度

空間尺度應注重微觀和宏觀的結合。微觀上要進一步加強農林復合系統(tǒng)種間水分競爭機制的定量研究，為復合系統(tǒng)的物種選擇及模式優(yōu)化提供必要的理論依據；宏觀上，要加強農林復合系統(tǒng)區(qū)域性水熱調控效應的測算研究，以深入、科學評價農林復合系統(tǒng)生態(tài)與社會效應；時間尺度應注重長期性和動態(tài)性。由于林木生長周期長，而各類農作物、林木及牧草等均存在物候期，并有一定的差異性，其生育過程不僅受氣候因素的影響，而且還具有地域性，因此，長期性與動態(tài)性研究工作對全面揭示復合農林業(yè)的功能特征及其影響機制十分必要，建立長期性試驗研究基地則是最有效的途徑之一。

（2）手段和方法

在理論分析的基礎上，需注重試驗研究和模擬研究相結合。試驗研究具有數據的真實性等優(yōu)點，模擬則可克服田間試驗難以長期、連續(xù)、多點采集數據的局限性。目前農林復合系統(tǒng)研究手段總體而言仍停留在田間試驗水平上，許多試驗觀測結果受地域和氣候條件的局限，影響了試驗數據的時空連續(xù)性，降低了研究成果的推廣應用價值。如要深入了解在水熱傳輸、種間水分關系的變化過程，在開展試（實）驗工作的同時，還需加強模擬研究。

（3）研究內容

為適應國內農業(yè)及林業(yè)發(fā)展的新形勢，結合國際復合農林業(yè)的發(fā)展趨勢，農林復合系統(tǒng)水熱生態(tài)特征研究內容需進一步完善，主要包括農林復合系統(tǒng)水熱耦合過程、根冠結構動態(tài)模擬模型、種間水分關系動態(tài)變化及其影響機制、區(qū)域尺度水熱調控效應計量與評價。

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Research Advances on Hydrological and Thermal Characteristics of Agroforestry System

HE Chun-xia1,2, ZHENG Ning1,2, ZHANG Jin-song1,2, MENG Ping1,2, YUAN Wen-wen1,2
(1.Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration, Beijing 100091, China;2.Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037)

The research on hydrologic and thermal characteristics is important to the ecological benefits quantification, structure optimization, and management improvement of agro-forestry system (AFS).The Chinese and English literatures on radiation, evapotranspiration or transpiration, soil moisture, root system and water use efficiency characteristics of AFS from 1980 to present was retrieved and analyzed in this paper.The retrieved database included Science Direct, CNKI, Springlinker, CABI Abstracts, and the Chinese database of China Academy of Forestry Library.Moreover, the research advances of hydrologic and thermal characteristics of AFS in recent 35 years were summarized, and the prospects were proposed respectively.The objective of this study was to provide a reference for AFS research on structure and function.The results showed that: (1) the AFS could adjusted the solar radiation distribution and canopy heat balance.However, few studies have been performed to measure the light distribution in AFS quantitatively.(2) Because the systematic and integrated study on the mechanism of hydrologicalprocess was lacking, it was difficult to obtain a unified conclusion about the effects of AFS on water.(3) Even though the progress of water interaction under inter-species was obtained, the further study on water consumption sources, water transport, and water use efficiency of AFS was required.Moreover, the analysis of spatial and temporal variation of the interaction between inter-species was required in the future.(4) The most current existing data origin from the experimental measurements, and the representation was limited.Therefore, the further study on model simulation was required.

Agro-forestry system; Solar radiation; Transpiration; Evapotranspiration; Soil moisture

2016-03-18**

國家科技支撐計劃“資源節(jié)約與環(huán)境改良型農林復合技術研究與示范”（2015BAD07B05）；國家自然基金青年項目“荊條對太行山南麓裸巖立地的水分生理生態(tài)適應機制研究”（31400385）

何春霞（1983-），助理研究員，主要從事復合農林業(yè)和林業(yè)氣象研究。E-mail：hechunxia08 @126.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.06.003

何春霞,鄭寧,張勁松,等.農林復合系統(tǒng)水熱生態(tài)特征研究進展[J].中國農業(yè)氣象,2016,37(6):633-644