生草對果園生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響: 全球數(shù)據(jù)整合分析研究*

呼 盼, 高曉東, 趙西寧, 于流洋, 何娜娜

(1. 西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院 楊凌712100; 3. 中國科學院水利部水土保持研究所 楊凌 712100)

果園作為一種農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng), 其生態(tài)系統(tǒng)服務功能受到人類管理措施的巨大影響。通常, 果農(nóng)為了獲得更高的產(chǎn)量, 提升果園的供給服務能力, 會采取一系列田間管理措施, 比如去除行間雜草進行清耕、投入大量的化肥農(nóng)藥等。但是這種傳統(tǒng)集約經(jīng)營模式的長久實施會造成水土流失、固碳能力減弱、硝酸鹽污染等環(huán)境問題, 嚴重損害了果園調(diào)節(jié)和支持方面的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。果園生草可以增加生物多樣性和有機物投入, 減少無效蒸發(fā)損失和水土流失, 是一種調(diào)控果園生態(tài)系統(tǒng)服務功能的重要途徑, 有利于構建良好的果園生產(chǎn)體系、改善果園環(huán)境、提高果園生產(chǎn)力。因此, 探明果園生草對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響對探尋果園可持續(xù)管理策略具有重要科學價值。

歐美日等發(fā)達國家較早意識到了果園生草的重要性, 果園生草已經(jīng)成為其果園建設的主流模式。在西方發(fā)達國家, 生草果園面積已占果園總面積的60%～75%以上, 在有的國家推廣面積甚至超過了90%。而我國果園生草面積不足10%。我國相關研究起步較晚, 20世紀80年代才開始借鑒國外先進經(jīng)驗開展果園生草技術研究。到1998年, 農(nóng)業(yè)部中國綠色食品發(fā)展中心提出將果園生草作為綠色果品生產(chǎn)技術體系在全國推廣。但在農(nóng)耕歷史、農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀等經(jīng)濟、社會、自然諸多主客觀因素長期影響下, 生草果園面積仍然較少, 近20年我國有針對性地開展了大量果園生草特色鮮明的研究, 取得了豐碩的研究成果。例如劉業(yè)萍等研究發(fā)現(xiàn)生草可顯著增加土壤中總有機碳和可溶性有機碳含量, 進而顯著增加了土壤中微生物數(shù)量, 并不同程度地改變了細菌和真菌的豐富度和多樣性; 郭曉睿等綜述了果園生草對中國果園土壤肥力和生產(chǎn)力的影響, 發(fā)現(xiàn)果園生草可以提高土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷含量, 降低土壤容重; 陳久紅等研究發(fā)現(xiàn)果園生草改善了果園生態(tài)環(huán)境, 促進了葉片光合作用, 改善了果實品質(zhì), 為果樹高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)創(chuàng)造了條件。眾多研究表明, 果園生草通過增加生物量和土壤碳固存在調(diào)控氣候方面發(fā)揮著至關重要的作用, 并且通過緩沖極端氣候和阻斷直接輻射來適應氣候變化, 還可以通過提供多種棲息地和改善小氣候, 保護生物多樣性, 提升功能多樣性、養(yǎng)分循環(huán)和土壤理化性質(zhì)。盡管大量案例研究評估了果園生草的生態(tài)系統(tǒng)服務, 但是由于果園類型、生草種類以及外界環(huán)境存在明顯差異, 導致研究結果呈現(xiàn)顯著的異質(zhì)性。雖然已有相關文獻綜述了果園生草生態(tài)系統(tǒng)服務功能方面的進展, 但無法系統(tǒng)、整體、定量地評價果園生草的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。整合分析(meta-analysis, 又稱為元分析)作為一種基于大量數(shù)據(jù)的定量分析方法, 為系統(tǒng)和整體地了解果園生草的生態(tài)系統(tǒng)服務功能提供了重要手段, 然而目前關于全球果園生草生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價的整合分析研究較少。

本研究采用整合分析方法, 定量評估了全球果園生草的生態(tài)系統(tǒng)服務功能, 主要包括供給(產(chǎn)量和品質(zhì))、調(diào)節(jié)(土壤水分、溫度、有機碳)以及支持(全氮)等服務功能, 并分析了不同果園類型、生草種類以及環(huán)境條件下生態(tài)系統(tǒng)服務功能的異質(zhì)性, 以期通過系統(tǒng)和整體地認識生草對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響, 為果園可持續(xù)管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以“果園生草” “果園間作” “土壤管理”等關鍵詞在Web of Science和中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中對1996?2020年發(fā)表的果園生草方面的文獻進行檢索, 初步篩選出果園生草對生態(tài)系統(tǒng)服務功能影響的相關文獻。

通過詳細分析文獻的研究目的、研究方法和研究結果, 結合本次研究目的, 解決數(shù)據(jù)點的非獨立性問題, 設立了3條數(shù)據(jù)的搜集篩選標準: 1)試驗必須同時包含清耕組(對照組)和果園生草處理組(試驗組); 2)在野外試驗中, 試驗組和對照組的試驗場所、土壤質(zhì)地以及氣候特征等需保持一致; 3)試驗組和對照組中與果園生草相關的變量的平均值以及樣本量能夠直接從圖、表或者文字中進行提取, 或者以上數(shù)據(jù)可以直接從文獻中通過計算獲得。

1.2 數(shù)據(jù)整理和分類

經(jīng)過進一步文獻篩選, 最終確定了符合相關標準的文獻共計118篇。結合篩選出的文獻, 利用Excel 2010 對篩選到的文獻進行建庫, 如果文獻以圖片顯示數(shù)據(jù), 則使用GetData Graph Digitizer 2.24 對圖片數(shù)據(jù)進行數(shù)字化。數(shù)據(jù)庫主要是生態(tài)系統(tǒng)服務功能指標數(shù)據(jù), 包括果實產(chǎn)量和品質(zhì)、土壤有機碳、全氮、土壤溫度和土壤水分。遵循聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)服務分類方案分類, 將生態(tài)系統(tǒng)服務功能細化為: 供給服務功能、調(diào)節(jié)服務功能、支持服務功能及文化服務功能(https://www.millenniumassessment.org/zh/Framework.html)。依據(jù)上述功能定義, 把果實產(chǎn)量與品質(zhì)作為供給服務, 土壤水分、溫度及有機碳作為調(diào)控服務, 土壤全氮作為支持服務。

除此之外還提取了作者信息、試驗地點及其經(jīng)緯度、土壤利用類型、土壤質(zhì)地、果園生草種類與年限等內(nèi)容。根據(jù)文獻中提取到的相關試驗信息進行歸納分組, 整理得到以下影響因素: 海拔、氣候類型、生草種類、果園類型。海拔和氣候能夠顯著影響降雨、氣溫、輻射等環(huán)境因素以及果樹和草種分布, 生草種類和果園類型本身是影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能的主要因素, 因此, 選擇上述4個因素進行分析。參考Kuyah等研究, 海拔分為低海拔(1200 m以下)和高海拔(1200 m以上); 根據(jù)文獻中提取的氣候類型, 分為干旱區(qū)、濕潤區(qū)和半濕潤區(qū); 生草種類分為豆科(Leguminosae)類、禾本科(Gramineae)類和雜草。果園類型分為薔薇科(Rosaceae)、蕓香科(Rutaceae)、鼠李科(Rhamnaceae)、葡萄科(Vitaceae)、橄欖科(Burseraceae)和石榴科(Punicaceae)等。

1.3 整合分析方法

響應比(response ratios, RR)是用于評估試驗處理對某一變量影響程度的統(tǒng)計學指標, 對于某一指定變量, RR為試驗組()與對照組()的平均值之比, 計算公式如下:

本文采用效應比值RR的自然對數(shù)計算果園生草對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的效應:

LnRR=0, 生草并未引起試驗組和對照組變量之間的差異; LnRR<0, 說明果園生草對所關注變量產(chǎn)生了負效應; LnRR>0, 則說明果園生草對所選變量產(chǎn)生了正效應。

通過使用MATLAB編程語言應用10 000次迭代, 使用Bootstrapping方法估計不同類別變量的LnRR加權均值的95%置信區(qū)間。整合分析中, 計算指標總體的平均值與單個個體的觀測值權重密切相關, 在計算單個觀測值的權重時大多數(shù)研究的標準差缺失, 但樣本量是可用的。因此, 根據(jù)描述的樣本大小, 使用以下公式計算LnRR的權重:

式中:為單個觀測結果的權重,和分別為試驗組和對照組的樣本容量。

2 結果與分析

如圖1所示, 與對照區(qū)相比, 果園生草顯著提高了果實產(chǎn)量, 增加土壤含水量、土壤有機碳及全氮含量; 生草果園的果實產(chǎn)量、可溶性固形物含量、土壤有機碳含量、土壤含水量和全氮含量分別增加20.7%、5.1%、24.7%、8.1%和15.6%, 表明生草對果園這些生態(tài)系統(tǒng)服務功能均具有顯著的正效應。但對果實品質(zhì)中的可滴定酸和土壤溫度產(chǎn)生了明顯的負效應, 分別較對照組降低10.8%和10.6%。

圖1 生草對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的總體影響Fig.1 General effects of sod-culture on orchard ecosystem services function

2.1 生草對果園供給服務功能的影響

2.1.1 果實產(chǎn)量

不同果園類型、生草種類、氣候和海拔條件下生草對果實產(chǎn)量的影響如圖2所示。與果園清耕相比, 各立地條件下生草對果實產(chǎn)量的影響均為正效應。就果園類型而言, 橄欖科、石榴科、蕓香科和薔薇科的平均效應值分別為0.092 (置信區(qū)間為0.021～0.164)、0.247 (置信區(qū)間為0.199～0.296)、0.247(置信區(qū)間為0.193～0.300)和0.173 (置信區(qū)間為0.132～0.215)。就生草種類而言, 豆科效應值最高, 平均為0.206 (置信區(qū)間為0.151～0.261), 高于雜草的0.154 (置信區(qū)間為0.100～0.206)和禾本科的0.171 (置信區(qū)間為0.124～0.218)。就氣候而言, 濕潤區(qū)平均效應值為0.225 (置信區(qū)間為0.130～0.319), 高于半濕潤區(qū)的0.173 (置信區(qū)間為0.141～0.205)和干旱區(qū)的0.201 (置信區(qū)間為0.147～0.254)。就海拔而言, 高海拔平均效應值為0.243 (置信區(qū)間為0.028～0.461), 高于低海拔的0.176 (置信區(qū)間為0.138～0.213)。

圖2 不同條件下生草對果園產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of sod-culture on yield of orchard under different factors

2.1.2 果實品質(zhì)

選取可溶性固形物和可滴定酸兩個指標反映果實品質(zhì)。不同果園類型、生草種類、氣候和海拔下果實可溶性固形物分析結果如圖3所示。就果園類型而言, 生草對葡萄科、蕓香科和薔薇科果園可溶性固形物均為正效應, 平均分別為0.012 (置信區(qū)間為0.004～0.020)、0.132 (置信區(qū)間為0.052～0.212)和0.043 (置信區(qū)間為0.013～0.073), 但鼠李科果園為負效應, 效應值為?0.066 (置信區(qū)間為?0.104～?0.028)。不同生草種類的效應值相當, 分別為: 雜草0.048 (置信區(qū)間為?0.040～0.139)、豆科0.070 (置信區(qū)間為0.034～0.106)、禾本科0.067 (置信區(qū)間為0.047～0.088)。就氣候類型而言, 濕潤區(qū)效應值平均為0.117 (置信區(qū)間為0.014～0.220), 高于半濕潤區(qū)的0.053 (置信區(qū)間為0.037～0.070), 但干旱區(qū)為負效應, 平均為?0.058(置信區(qū)間為?0.091～?0.025)。就海拔而言, 高海拔為負效應, 平均為?0.045 (置信區(qū)間為?0.076～?0.015), 而低海拔為正效應, 平均為0.053 (置信區(qū)間為0.033～0.074)。

圖3 不同條件下生草對果實可溶性固形物影響Fig.3 Effects of sod-culture on soluble solid in fruit under different factors

不同果園類型、生草種類、氣候和海拔下果實可滴定酸分析結果如圖4所示。與果園清耕相比, 生草對果實可滴定酸整體上為負效應。就果園類型而言, 蕓香科的效應值平均為?0.290 (置信區(qū)間為?0.347～?0.232), 低于薔薇科的?0.087(置信區(qū)間為?0.160～?0.012)。就生草種類而言, 雜草的效應值平均為?0.049 (置信區(qū)間為?0.146～0.049), 高于豆科的?0.166 (置信區(qū)間為?0.222～?0.111)和禾本科的?0.172 (置信區(qū)間為?0.233～?0.111)。就氣候類型而言, 半濕潤區(qū)的效應值為?0.147 (置信區(qū)間為?0.180～?0.119), 但干旱區(qū)表現(xiàn)出正效應, 達0.050 (置信區(qū)間為0.001～0.098)。就海拔而言, 高海拔為正效應, 達0.057 (置信區(qū)間為0.019～0.096), 而低海拔為明顯負效應, 平均為?0.158 (置信區(qū)間為?0.183～?0.134)。

圖4 不同條件下生草對果實可滴定酸的影響Fig.4 Effects of sod-culture on titraTableacid in fruit under different factors

2.2 生草對果園調(diào)節(jié)服務功能的影響

2.2.1 土壤水分

不同立地條件下生草對果園土壤水分影響的效應值如圖5所示。與清耕相比, 生草對果園土壤水分影響為顯著正效應。就果園類型而言, 鼠李科果園的正效應平均值達0.180 (置信區(qū)間為0.157～0.202), 高于薔薇科果園的0.071 (置信區(qū)間為0.060～0.083)。就生草種類而言, 雜草和禾本科的效應值分別為0.139 (置信區(qū)間為0.006～0.216)和0.131 (置信區(qū)間為0.117～0.146), 高于豆科的0.057 (置信區(qū)間為0.037～0.077)。就氣候類型而言, 半濕潤區(qū)效應值為0.068 (置信區(qū)間為0.056～0.080), 低于干旱區(qū)的0.171(置信區(qū)間為0.152～0.189)。就海拔而言, 高海拔表現(xiàn)為負效應, 平均效應值為?0.001 (置信區(qū)間為?0.021～0.019), 而低海拔為顯著正效應, 達0.104 (置信區(qū)間為0.082～0.126)。

圖5 不同條件下生草對果園土壤水分的影響Fig.5 Effects of sod-culture on soil moisture in orchard under different factors

2.2.2 土壤溫度

不同立地條件下生草對果園土壤溫度影響的效應值如圖6所示。與對照組相比, 生草對果園土壤溫度的影響均表現(xiàn)出負效應。就果園類型而言, 鼠李科和薔薇科效應值分別為?0.107 (置信區(qū)間為?0.142～?0.073)和?0.113 (置信區(qū)間為?0.129～?0.097), 二者相近。就生草種類而言, 雜草、豆科和禾本科的效應值分別為?0.123 (置信區(qū)間為?0.161～?0.084)、?0.120 (置信區(qū)間為?0.142～?0.098)和?0.096 (置信區(qū)間為?0.116～?0.078), 三者之間的差異也較弱。就氣候類型而言, 半濕潤區(qū)效應值平均為?0.098 (置信區(qū)間為?0.109～?0.087), 明顯高于干旱區(qū)的?0.158 (置信區(qū)間為?0.211～?0.104)。就海拔而言, 高海拔的效應值平均為?0.197 (置信區(qū)間為?0.277～?0.115), 低于低海拔的?0.077 (置信區(qū)間為?0.084～?0.071)。

圖6 不同條件下生草對果園土壤溫度的影響Fig.6 Effects of sod-culture on soil temperature in orchard under different factors

2.2.3 土壤有機碳

不同立地條件下生草對果園土壤有機碳影響的效應值如圖7所示。與果園清耕相比, 生草對果園土壤有機碳影響整體上為正效應。就果園類型而言, 蕓香科效應值平均達0.461 (置信區(qū)間為0.239～0.685), 高于鼠李科的0.316 (置信區(qū)間為0.231～0.393)和薔薇科的0.276 (置信區(qū)間為0.248～0.303)。就生草種類而言, 雜草效應值平均為0.201 (置信區(qū)間為0.139～0.265), 低于豆科的0.294 (置信區(qū)間為0.257～0.331)和禾本科的0.299 (置信區(qū)間為0.248～0.350)。就氣候類型而言, 干旱區(qū)效應值平均為0.310 (置信區(qū)間為0.207～0.410), 高于半濕潤區(qū)的0.221 (置信區(qū)間為0.199～0.244)和濕潤區(qū)的0.150 (置信區(qū)間為0.078～0.222)。就海拔而言, 低海拔效應值為0.226 (置信區(qū)間為0.196～0.253), 高于高海拔的0.096 (置信區(qū)間為?0.201～0.390).

圖7 不同條件下生草對果園土壤有機碳含量的影響Fig.7 Effects of sod-culture on soil organic carbon content in orchard under different factors

2.3 生草對果園支持服務功能的影響

選取全氮作為土壤支持服務功能的指標, 不同立地條件下生草對果園土壤全氮含量影響的效應值如圖8所示。與果園清耕相比, 生草整體上提高了果園土壤全氮含量。就果園類型而言, 蕓香科的效應值平均達0.418 (置信區(qū)間為0.332～0.505), 高于薔薇科的0.166 (置信區(qū)間為0.121～0.215), 鼠李科效應值最低, 僅為0.056 (置信區(qū)間為?0.072～0.184)。就生草種類而言, 雜草和豆科的效應值分別為0.145 (置信區(qū)間為0.036～0.255)和0.171 (置信區(qū)間為0.102～0.179), 高于禾本科的0.065 (置信區(qū)間為0.005～0.131)。就氣候類型而言, 半濕潤區(qū)和濕潤區(qū)無明顯差異, 分別為0.128 (置信區(qū)間為0.078～0.185)和0.113 (置信區(qū)間為0.032～0.195), 略低于干旱區(qū)的0.182(置信區(qū)間為0.102～0.261)。就海拔而言, 高海拔效應值為0.251(置信區(qū)間為0.039～0.467), 高于低海拔的0.140(置信區(qū)間為0.11～0.167)。

圖8 不同條件下生草對果園土壤全氮的影響Fig.8 Effects of sod-culture on soil total N in orchard under different factors

3 討論

生草對果園生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響起初體現(xiàn)在物理狀況的改變, 整合分析結果表明生草能夠顯著增加土壤含水量(圖5)和降低土壤溫度(圖6)。首先, 生草后草被群落能夠吸收轉化太陽輻射, 增加反照率, 遮陰效果明顯, 進而降低地表溫度, 并且能夠降低地表風速, 減少土壤蒸發(fā); 同時生草后土壤容重降低、孔隙度增加、水穩(wěn)性團聚體含量升高, 土壤持水能力增強, 在降雨期間增加入滲減少地表徑流, 進而增加土壤含水量。另有研究指出生草對渭北旱地蘋果()園土壤溫度具有升溫時降溫和降溫時保溫的雙向動態(tài)調(diào)控作用, 降低土壤溫度日較差, 增加同一土層溫度的穩(wěn)定性等作用。也有研究表明, 生草覆蓋雖然在土壤表層存在與果樹爭水的問題, 但在土壤深層能夠緩和土壤干燥化程度, 有利于生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)維護。綜上, 生草對果園土壤溫度和水分的調(diào)控有利于果樹根系生長以及對養(yǎng)分的吸收利用, 促進土壤微生物活性, 對物質(zhì)能量的轉化具有積極作用, 進而影響土壤固碳、果實生產(chǎn)等其他生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

隨著生草年限的增加, 其對果園理化和生物性狀的影響逐漸增強, 整合分析研究表明生草對果園土壤有機碳(圖7)和全氮(圖8)影響整體上均為顯著正效應。生草后枯落物等有機殘體會源源不斷輸入到果園生態(tài)系統(tǒng)中, 不斷在土壤中腐爛礦化。凋落物與根際沉積物大量積累為微生物提供了充足的底物, 因此, 土壤微生物的多樣性、活性及群落結構和功能得以顯著提升。活性較高的微生物群落作為“加工者”通過分泌胞外酶分解或轉化大分子植物源碳, 向土壤輸送植物源殘體, 從而提升土壤有機碳含量。同時, 微生物以植物源有機碳為食, 通過同化作用將其合成為自身生物量, 并在其細胞生長、數(shù)量增殖和死亡殘體生成的過程中向土壤輸送微生物源有機碳, 以“貢獻者”的角色調(diào)控有機碳固定速率和有機碳庫動態(tài)變化。草被群落根系的伸展牽拉作用在改善土壤容重、飽和導水率、大孔隙度等土壤物理特性的同時, 其分泌物及腐殖質(zhì)將細小的土壤顆粒黏結形成較大的團粒結構, 而土壤團聚體能夠將有機碳包裹起來, 通過空間上的物理隔離保護土壤有機碳, 使其免受微生物的分解利用, 從而提升土壤固碳能力。并且生草在降溫和降低地表風速上的調(diào)控作用使土壤有機質(zhì)的礦化過程受到抑制, 以CO形式流失的碳相對減少。土壤有機質(zhì)是土壤中養(yǎng)分的主要來源, 眾多研究表明土壤中有機碳和全氮含量為協(xié)同關系; 并且豆科牧草可以通過根瘤菌固氮, 因此具有更強的固氮效應(圖8)。

生草對土壤水分和溫度等微氣象環(huán)境的改善, 對土壤有機碳和養(yǎng)分的提升為果樹的生長發(fā)育提供了有利條件, 提高了果樹在單位時間內(nèi)對光照、二氧化碳、水分的轉化效率, 增加含碳化合物的積累, 從而使得樹勢增強, 枝長葉厚, 果形美觀, 內(nèi)部品質(zhì)等方面都有顯著提高, 有利于增加果實產(chǎn)量和品質(zhì)(圖2-圖4)。

可持續(xù)集約經(jīng)營是當代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流, 傳統(tǒng)的清耕模式事倍功半, 在需要投入大量人力物力的同時, 也破壞了土壤結構、減少了土壤有機質(zhì)含量、水土流失嚴重。與清耕果園相比, 生草增加了土壤有機碳、土壤養(yǎng)分、土壤水分, 改善了農(nóng)田小氣候, 促進了果園生態(tài)和經(jīng)濟效益的協(xié)同, 具有提質(zhì)增效的作用。當前, 我國果園土壤管理仍以清耕為主, 全面因地制宜實施果園生草, 對促進我國果園健康可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

需要注意的是, 鑒于分析樣本的限制, 本研究分析生態(tài)系統(tǒng)服務功能異質(zhì)性因素時僅選取了海拔、氣候、生草種類和果園類型4個因素, 實際上生草種植密度、果園管理方式等均會影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能, 后續(xù)研究中將繼續(xù)收集相關文獻, 進一步梳理相關因子, 做出更加合理的分析。

4 結論

為探明生草對果園生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響, 本研究對全球已發(fā)表相關數(shù)據(jù)進行整合分析, 共獲得了1387組數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn), 與清耕果園相比, 生草顯著增加了果實產(chǎn)量, 改善部分果實品質(zhì), 提高了土壤水分, 降低了土壤溫度, 改善了果園的微氣候, 提升了果園的供給、調(diào)節(jié)和支持服務水平, 為我國果園通過生草實現(xiàn)可持續(xù)集約化提供了有力的證據(jù)。果園生草已成功應用到多種果園中, 但是由于該模式目前還存在一些問題和人們對該問題的認識不足, 影響了生草在果園栽培中的大范圍推廣。