農(nóng)林間作生態(tài)系統(tǒng)研究進(jìn)展探析

郭雄飛，黎華壽，陳紅躍

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642)

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農(nóng)林間作生態(tài)系統(tǒng)研究進(jìn)展探析

郭雄飛1，黎華壽1，陳紅躍2

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642)

指出了農(nóng)林間作是現(xiàn)代農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容之一,對(duì)農(nóng)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。闡述了農(nóng)林間作模式的發(fā)展歷史及常見的間作模式，歸納了農(nóng)林間作系統(tǒng)對(duì)林下小氣候、土壤養(yǎng)分、土壤水分、土壤酶活性、土壤微生物和間作系統(tǒng)產(chǎn)量的影響等方面的研究進(jìn)展，并展望了農(nóng)林間作復(fù)合系統(tǒng)研究的發(fā)展前景。提出了今后應(yīng)加強(qiáng)間作系統(tǒng)內(nèi)不同組分間的競(jìng)爭(zhēng)作用的比較、農(nóng)林間作系統(tǒng)的物種配置、模型創(chuàng)建、全球氣候變化與間作競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理等方面的研究，并從生態(tài)環(huán)境修復(fù)的角度將間作系統(tǒng)地上部分和地下部分作為一個(gè)整體進(jìn)行了深入分析。

農(nóng)林間作系統(tǒng)；土壤特性；小氣候；化感作用

1　引言

當(dāng)今人類社會(huì)面臨的人口眾多、糧食短缺、資源匱乏、環(huán)境惡化等問題日漸突出，使社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展受阻，生態(tài)失調(diào)。而農(nóng)林間作模式從資源和土地的利用方式的角度為以上問題提供了科學(xué)有效的解決途徑。早在公元前一世紀(jì)，我國(guó)《汜勝之書》上就記載著林糧間作模式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式[1]。1856年，山坡農(nóng)業(yè)(“塔亞”系統(tǒng))在緬甸取得了很好的效益之后，在世界各地迅速地傳播開來，自此農(nóng)林間作復(fù)合模式逐漸得到發(fā)展。對(duì)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行分類的研究始于20世紀(jì)70年代末期，大多數(shù)研究成果源于國(guó)外的學(xué)者。到20世紀(jì)90年代，關(guān)于農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的分類研究，我國(guó)學(xué)者做出了較為系統(tǒng)詳細(xì)的闡述。此后，有關(guān)農(nóng)林間作生態(tài)系統(tǒng)的研究也逐漸深入并且取得一些突破性進(jìn)展，相關(guān)文獻(xiàn)也逐漸增多。一些研究表明[2～8]：農(nóng)林間作不僅能顯著改善系統(tǒng)林下小氣候，減少水土流失、降低風(fēng)速、提高土壤肥力、增加作物產(chǎn)量，還能夠提高土地利用率，增強(qiáng)系統(tǒng)光能利用效率和水分利用率，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)林復(fù)合的可持續(xù)發(fā)展。因此，系統(tǒng)地歸納研究農(nóng)林間作系統(tǒng)，分析其優(yōu)劣與現(xiàn)存的問題，為未來農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)林間作的發(fā)展提供理論參考。

2　農(nóng)林間作系統(tǒng)的概念

關(guān)于農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的概念，不同學(xué)者的理解不一樣。這主要是因各國(guó)各地區(qū)的自然地理?xiàng)l件、人口、氣候、自然資源以及研究人員的學(xué)科背景、生活習(xí)慣、宗教信仰等因素的差異造成的[9, 10]。盡管各國(guó)在各歷史時(shí)期給農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的定義有所差異，但其基本原理相同，其核心內(nèi)涵可歸納為：農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的，以生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和系統(tǒng)工程學(xué)為基礎(chǔ)的自然資源管理系統(tǒng)，通過在牧地或農(nóng)林用地上種植林木，并根據(jù)各類植被的生物學(xué)特性進(jìn)行物種在時(shí)空上的合理搭配，營(yíng)建多層次、多物種、多產(chǎn)業(yè)和環(huán)境友好型的人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[11]。

3　農(nóng)林間作系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)模式

理論上，常見的農(nóng)林復(fù)合模式有林草模式、林藥模式、林牧模式、林糧模式、林果模式、林油模式、林菜模式、林菌模式等，實(shí)施對(duì)象包括生態(tài)林、人工林、退耕還林等，范圍涉及廣，類型較多。隨著對(duì)農(nóng)林間作模式的研究不斷深入，不僅對(duì)同一間作模式進(jìn)行機(jī)理和產(chǎn)量進(jìn)行了研究，而且對(duì)同一間作模式內(nèi)的物種時(shí)空排列方式及多種不同間作模式間進(jìn)行了比較性研究。這是由于不同物種間的組配方式對(duì)土壤的利用情況在時(shí)空上有所差異，物種間產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)也各不相同。目前對(duì)不同間作模式生態(tài)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行的研究探討的主要形式有：林果間作[12]、農(nóng)林間作[13, 14]、不同農(nóng)作物間作[15]、林蔬間作[16]和林藥間作[17]等。

4　農(nóng)林間作生態(tài)系統(tǒng)研究進(jìn)展

4.1農(nóng)林間作對(duì)林地小氣候的影響

農(nóng)林間作對(duì)復(fù)合系統(tǒng)中的小氣候環(huán)境有積極的影響。間作形成的小氣候效應(yīng)是其它效應(yīng)和功能發(fā)揮的基礎(chǔ)，因此一直是相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者研究的重點(diǎn)。主要表現(xiàn)在復(fù)合系統(tǒng)中溫濕度變化、風(fēng)速變化光環(huán)境變化等幾方面。吳剛等[18]研究表明，在黃淮海平原株行距為5m×10m 蘋麥間作模式中。間作模式平均氣溫分別比對(duì)照(純種棉花或麥子)分別低 1.1 ℃、1.5 ℃和1.7 ℃。且農(nóng)林間作系統(tǒng)內(nèi)氣溫表現(xiàn)為冬季和夜間比林外高，夏季和白天溫度比林外低，溫差縮小，總體上間作系統(tǒng)內(nèi)部變化相對(duì)穩(wěn)定。李增嘉等[19]對(duì)麥梨、麥桃、麥蘋等3種不同間作模式進(jìn)行研究顯示，與單作麥田相比，間作系統(tǒng)的相對(duì)濕度分別提高了3%、9.5%、13.1%,樊巍等[20]研究結(jié)果表明，農(nóng)林間作系統(tǒng)內(nèi)冬季氣溫高于空曠地，夏季則剛好相反。這種“冬暖夏涼”的特殊生態(tài)效應(yīng)的形成與風(fēng)速緊密相關(guān)[11, 21]。表明間作系統(tǒng)有增加濕度和防風(fēng)降溫的作用?？偨Y(jié)前人的研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)研究顯示農(nóng)林間作系統(tǒng)地溫、氣溫、濕度的變化均是對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量有利，但Corlett和Sing等關(guān)于銀合歡樹籬間作系統(tǒng)的研究卻顯示，間作系統(tǒng)中的小氣候變化幅度較小，對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量無顯著影響[22, 23]。間作系統(tǒng)對(duì)光環(huán)境的變化主要表現(xiàn)在不合理的間作配置產(chǎn)生遮蔭，造成作物光照不足，進(jìn)而對(duì)作物產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。合理的間作配置能使林木產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)恼谑a，對(duì)間作系統(tǒng)中作物產(chǎn)生正效應(yīng)，增加作物產(chǎn)量。裴保華等[24]研究結(jié)果表明，在楊樹與作物間作系統(tǒng)中，當(dāng)作物冠層日均光照強(qiáng)度高于60%時(shí)，間作系統(tǒng)的光能利用率比對(duì)照處理高出10.89%。

4.2農(nóng)林間作對(duì)土壤特性的影響

4.2.1間作對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤肥力對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育起著至關(guān)重要的作用，是反應(yīng)土壤肥沃程度的重要因素之一。林培群等[25]研究表明，在甘蔗與桉樹間作系統(tǒng)中，收獲甘蔗后土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了36.69%；桉樹間作木薯土壤有機(jī)質(zhì)提高了49.23%，桉樹窄行土壤有機(jī)質(zhì)提高了37.88%，土壤全N、全P、全K含量分別比對(duì)照林地提高了23.53%、4.44%、14.38%。謝英荷等[26]研究表明，棗-麥間作可促進(jìn)土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和改善土壤孔性，增加土壤氮素和有機(jī)質(zhì)含量。羅萍等[27]對(duì)幼齡膠園間作進(jìn)行的研究顯示，間種香蕉和菠蘿能提高土壤肥力。

4.2.2間作對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物可作為反映土壤質(zhì)量的靈敏指示因子，能預(yù)測(cè)土壤有機(jī)物的變化情況。可將其分為細(xì)菌、真菌和放線菌3大形態(tài)類別。關(guān)于間作模式對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響的研究報(bào)道較多，宋亞娜等[28]利用 PCR/DGGE技術(shù)探討了作物根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)對(duì)玉米-蠶豆、小麥-玉米和小麥-蠶豆間作模式的響應(yīng)，結(jié)果顯示：間作能夠改變根際土壤細(xì)菌群落的組成結(jié)構(gòu)，提高作物根際土壤細(xì)菌群落的多樣性。同時(shí)證明了間作系統(tǒng)中地下部分微生物多樣性與地上部分植物多樣性之間存在緊密聯(lián)系。王瑛等[29]關(guān)于麥-棉間作系統(tǒng)中棉花非根際土壤和根際土壤的土壤養(yǎng)分和土壤微生物的研究表明，間作模式中棉花土壤微生物數(shù)量和微生物活性顯著高于單做。

4.2.3間作對(duì)土壤酶的影響

土壤酶是土壤的重要組成部分，土壤中的生物化學(xué)過程等一系列自然界物質(zhì)循環(huán)都有土壤酶的參與。土壤酶對(duì)土壤肥力有著良好的指示作用[30]，是土壤養(yǎng)分的活性儲(chǔ)存庫(kù)[31, 32]，土壤中C、N、P元素的循環(huán)利用過程主要由起決定性作用的一種或幾種同功酶調(diào)控[33]，表明土壤酶具有選擇性和專一性的特點(diǎn)。王媛[34]研究表明，相對(duì)于巨桉人工純林，農(nóng)林間作模式下脲酶、過氧化物酶、過氧化氫酶以及磷酸酶活性均較高。間作土壤的類型與土壤酶活性也密切相關(guān)。宋海燕[35]等研究表明，對(duì)濱海鹽堿地棗園土壤進(jìn)行分析，土壤過氧化氫酶、脲酶與土壤養(yǎng)分均呈顯著正相關(guān)。根據(jù)土壤酶活性鑒定土壤類型的研究較少，因此，日后土壤酶研究工作的一個(gè)主要方面可能包括界定典型地帶土壤酶活性大致范圍[36]。

4.2.4農(nóng)林間作對(duì)土壤水分的影響

系統(tǒng)耗水量的大小主要受蒸騰強(qiáng)度大小及土壤含水量變化兩方面影響。一般情況下，農(nóng)林間作系統(tǒng)可通過減小地表徑流和增加地面覆蓋等方式提高土壤水分含量。此外，受農(nóng)林間作系統(tǒng)小氣候變化的影響，地表水分蒸發(fā)量減少，蒸散量降低，使土壤水分狀況得到改善[37]，多數(shù)的研究表明間作系統(tǒng)中的土壤水分含量和利用率高于單作模式[38-42]，其可能原因是間作復(fù)合系統(tǒng)中的林木可降低作物蒸發(fā)蒸騰[43, 44]，但也有研究認(rèn)為間作會(huì)增加系統(tǒng)中作物葉片溫度和氣孔導(dǎo)度，進(jìn)而增加作物蒸騰耗水，使系統(tǒng)總耗水量增加[45]。并且很多相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),間作系統(tǒng)中林木與農(nóng)作物對(duì)于土壤水分的激烈競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致作物生產(chǎn)力的降低[46, 47]，但農(nóng)林間作系統(tǒng)中深根植物和淺根植物在土壤中占據(jù)不同的空間，形成互補(bǔ)作用,土壤中的水分利用率就會(huì)提高[48, 49]。

4.3農(nóng)林間作生態(tài)系統(tǒng)中的作物產(chǎn)量

關(guān)于農(nóng)林間作模式對(duì)作物產(chǎn)量的影響，不同學(xué)者的研究結(jié)果并不統(tǒng)一，有學(xué)者認(rèn)為間作模式促進(jìn)產(chǎn)量增加，羅照霞等[50]研究表明，與單作模式相比，間作模式小麥產(chǎn)量較高。路海東等[51]研究發(fā)現(xiàn)，糧草間作種植模式比糧食單作模式產(chǎn)量增加2.13%～23.88%。高陽(yáng)等[52]研究表明，間作玉米和大豆總籽粒產(chǎn)量分別比單作玉米和大豆的籽粒產(chǎn)量分別高6%和320%。

有些人認(rèn)為，由于間作系統(tǒng)中林木與作物對(duì)于養(yǎng)分、光能及水分的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)使農(nóng)作物產(chǎn)量降低。Odhiambo等[53]研究發(fā)現(xiàn)，銀樺和南洋櫻分別與玉米間作，使玉米產(chǎn)量分別下降了50%和40%。并且，多數(shù)研究[54～56]都表明農(nóng)作物的產(chǎn)量與樹與作物間的距離有關(guān)，距離越小、產(chǎn)量越低。

5　農(nóng)林間作系統(tǒng)的研究展望

農(nóng)林間作系統(tǒng)的研究正處于快速發(fā)展的時(shí)期,隨著各學(xué)科交叉研究的發(fā)展及新工具、新技術(shù)、新方法的不斷出現(xiàn),農(nóng)林間作復(fù)合系統(tǒng)的研究進(jìn)入了前所未有的發(fā)展階段?？v觀前人的研究[58～61]，我國(guó)對(duì)于農(nóng)林間作生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究做的較多，但實(shí)際用于實(shí)踐以及將農(nóng)林間作復(fù)合系統(tǒng)作為一個(gè)整體來進(jìn)行研究的案例則涉及較少，因缺乏定量研究使得農(nóng)林間作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力未能充分發(fā)揮出來。

大量研究表明，在農(nóng)林間作生態(tài)系統(tǒng)中，物種間相互作用是間套作增產(chǎn)和資源利用率提高的主要原因[57]。盡管有關(guān)間作種間相互作用的機(jī)理研究取得了較多成果。但尚未有一個(gè)系統(tǒng)且全面的視角來認(rèn)識(shí)和深入理解種間的相互作用。深入理解系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)機(jī)理過程在發(fā)揮生態(tài)功能中的作用，對(duì)整個(gè)間作復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)有效地生態(tài)調(diào)控有著至關(guān)重要的作用。近年來國(guó)際上對(duì)于作物生長(zhǎng)模型的研究較少，而理解作物的生長(zhǎng)模式對(duì)于評(píng)價(jià)間作模式資源利用效率具有重要作用。因此，國(guó)內(nèi)外關(guān)于農(nóng)林間作系統(tǒng)中作物生長(zhǎng)模型的研究將是研究農(nóng)林間作系統(tǒng)生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益機(jī)理的焦點(diǎn)之一。

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Research Advances in Agroforestry System

Guo Xiongfei1, Li Huashou1, Chen Hongyue2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou,Guangdong510642,China; 2.CollegeofForestryandLandscapeArchitecture,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou,Guangdong510642,China)

This paper pointed out that the combination of forest and field crops was one of the core contents of the research of modern agroforestry systems，which has important implications for the sustainable development of agriculture and forestry industry. We expounded the development history of agroforestry model and common inter-cropping patterns, summarized the research advances of the impact of agroforestry systems on forests microclimate, soil nutrients, soil moisture, soil enzyme activity, soil microbes, inter-cropping system output and other aspects of the system and stated the outlooks of the prospect of the agroforestry system research. It was suggested that the comparative analysis of the competitive effect of the roles between different components in agroforestry system should be enhanced.The research on species configuration, model creation, global climate change and the inter-cropping competition mechanism was also the key point. Based on ecology environmental remediation，the object of agroforestry system research should be the combination of the ground and underground parts in inter-cropping system.

agroforestry system; soil properties; microclimate; allelopathy

2016-06-22

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(編號(hào)：2014KJCX015)

郭雄飛(1987—)，男，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院博士研究生。

陳紅躍(1964—)，男，教授，主要從事森林培育方向的科研與教學(xué)工作。

S664.2

A

1674-9944(2016)16-0176-04