我國農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)小氣候研究進展

丁曉梅，李 茜，2*，劉松濤，何 俊，2，孫兆軍，2，4

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.教育部中阿旱區(qū)特色資源環(huán)境治理國際合作聯(lián)合實驗室，寧夏 銀川 750021；3.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；4.寧夏（中阿）旱區(qū)資源評價與環(huán)境調(diào)控重點實驗室，寧夏 銀川 750021）

農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)并非農(nóng)業(yè)與森林的簡單結(jié)合，而是以林木的特點與價值為依據(jù)，把林木與農(nóng)產(chǎn)品有機組合，達(dá)到效益最大化。在我國經(jīng)濟建設(shè)進程中，復(fù)合農(nóng)林業(yè)作為一種新型的農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營方式逐步開展。我國農(nóng)林業(yè)始于春秋戰(zhàn)國時代，并于漢代開始廣泛應(yīng)用，在中華人民共和國建立后，初步建立以農(nóng)田林網(wǎng)、農(nóng)林間為基礎(chǔ)，以帶、網(wǎng)、片相結(jié)合的多種農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)體系。農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)以充分利用土地資源、增加生物多樣性、提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)安全性為重要特點，對農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)的栽培方法、小氣候、光照等方面的研究具有重要意義，且研究成果的廣泛應(yīng)用，可有效增加農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的社會、經(jīng)濟及其他效應(yīng)。

1 農(nóng)林復(fù)合種植模式

針對中國農(nóng)林復(fù)合種植模式的主要栽培方式，竺肇華[1]把中國農(nóng)林復(fù)合栽培方式分成了農(nóng)-林、林-牧、農(nóng)-林-牧等3 種復(fù)合型和特種農(nóng)業(yè)綜合經(jīng)營型，并在此基礎(chǔ)上又劃分了16 個類型。在竺肇華教授的理論基礎(chǔ)上，熊文愈[2]又將栽培方式分為林-農(nóng)、林-牧、林-漁、林-農(nóng)-漁、林-副等5 大類。朱清科等[3]把黃土區(qū)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)細(xì)分為復(fù)合系統(tǒng)、復(fù)合模式和栽培方式等類型。前人所研究的農(nóng)林復(fù)合主要種植模式有：林-糧（糧食作物）、林-經(jīng)（經(jīng)濟作物）、林-油（燃料作物）、林-糖（糖料作物）、林-菜（果蔬）、林-果（有時果樹用作經(jīng)濟效益林與其他農(nóng)業(yè)植物間作）、林-菌（食用菌）、林-牧（牧草或飼養(yǎng)經(jīng)濟作物及家禽、牲畜飼養(yǎng)）、林-茶（茶樹）、林-桑（桑樹）、林-漁（漁業(yè)）、林-藥（藥用經(jīng)濟作物）等[4-5]。近年來所研究的栽培模式，主要為林-糧和林-油，如蘋果-油菜[6]，楊樹-油菜[7]，核桃-小麥[8-9]，蘋果-花生[10-11]，核桃-大豆（黃豆）[9，12-13]等，少數(shù)研究是關(guān)于林-藥和林-草[14]的。

2 農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)小氣候研究現(xiàn)狀

小氣候是指在局部范圍內(nèi)，由于下墊面局部特性的作用而形成的貼地層和土壤上層的氣候[15]。小氣候綜合了水分、熱量、光強、空氣溫度等多種天氣因子及其對作物之間的相互作用，具有防風(fēng)、調(diào)節(jié)溫濕度、光強等效果。它和大氣候截然不同，有著“區(qū)域小、差異大、很穩(wěn)定”的特點[16]。農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的小氣候研究實際是與生產(chǎn)相結(jié)合，努力為經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)。黃天忠[16]分析了不同油茶栽培方式的效益，綜合說明復(fù)合栽培模式可以有效增加單一用地面積的產(chǎn)量，提高效益。油茶-紅薯復(fù)合栽培方式以經(jīng)濟效益為主要出發(fā)點，結(jié)合油茶苗木的修剪和適當(dāng)追肥灌溉，有利于提高產(chǎn)量，促進復(fù)合經(jīng)營模式的可持續(xù)發(fā)展[17]。

2.1 農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)空氣溫、濕度

目前普遍認(rèn)為，在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)微環(huán)境中，空氣溫、濕度對系統(tǒng)產(chǎn)生一定的調(diào)節(jié)作用[18-19]。劉晨等[20]研究間作牧草對果園中小氣候的影響，結(jié)果表明，間作果園中空氣溫度和相對濕度與當(dāng)?shù)貧夂蜿P(guān)系緊密，全天間作果園的空氣相對濕度均優(yōu)于單作，并呈現(xiàn)早上相對濕度最大，隨氣溫的上升而下降的規(guī)律。樊丁宇等[21]發(fā)現(xiàn)復(fù)合種植作物對間作棗園空氣溫度、相對濕度均有影響和調(diào)節(jié)的作用，且能明顯降低棗樹開花期時的氣溫，從而增加相對濕度，促進棗樹坐果。馬媛等[22]觀測到杏麥間作區(qū)和單作對照區(qū)內(nèi)的空氣溫度、相對濕度變化趨勢一致，也是隨一天的整體空氣溫度而變化，并呈現(xiàn)“大-小-大”，“高-低-高”的變化規(guī)律，而間作區(qū)內(nèi)相對濕度整體大于單作區(qū)，且觀測點的最低氣溫均為上午8：00，最高氣溫則在下午15：00—18：00。呈現(xiàn)這種規(guī)律是因為農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)相較于森林或農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，在一定程度上改變了整個系統(tǒng)的蒸散量、熱量傳遞和水汽交換等條件，使復(fù)合系統(tǒng)的氣溫、濕度較單作系統(tǒng)發(fā)生了變化[23-25]。Sanchez 等[26]發(fā)現(xiàn)間作系統(tǒng)的空氣溫度和相對濕度比單作系統(tǒng)更低且更穩(wěn)定。趙忠寶[27]研究發(fā)現(xiàn)間作系統(tǒng)氣溫在小麥拔節(jié)期與對照相差不大，在小麥灌漿期差異顯著，間作系統(tǒng)空氣相對濕度較單作系統(tǒng)高3.8%～6.5%，這與李全勝等的研究結(jié)論類似，間作系統(tǒng)與空地相比，白天和夜間溫度均有提升，空氣相對濕度在白天提高了4%，而在夜間提高了9%[28]。

2.2 農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)土壤溫、濕度

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的土壤濕度一直是研究熱門，許多學(xué)者提出土壤濕度與大氣環(huán)境、農(nóng)作物類型和品種特征關(guān)系很大，但是影響農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)土壤濕度的問題，迄今還未形成全面且系統(tǒng)的研究結(jié)果。冬季覆蓋能夠增加間作系統(tǒng)的近地面土壤溫度，進而減少凍害侵襲；而春季覆蓋則能減少土層和近地面氣溫的急劇變化，從而使得農(nóng)作物應(yīng)對外部條件的劇烈改變有緩沖作用，并促進植株的生長發(fā)育[29]。吳發(fā)啟等[30]研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)林內(nèi)氣溫和土地表面氣溫呈現(xiàn)春季溫度增加、夏季下降現(xiàn)象；梁振山[31]也得出了同樣的結(jié)論，夏季的下降現(xiàn)象很可能是由于林木遮陰所引起，它也可以減少土地的無效水分；冬季的增溫現(xiàn)象，可能是由落葉覆蓋地面所造成的，而落葉的覆蓋過程還可能增加土壤濕度。王廣欽等[32]的研究表明，在整個生長季中林網(wǎng)內(nèi)土地表面水分較林網(wǎng)外高5.9%、貯水量高8.7%、有效水濃度高13.3%。大量研究也證實農(nóng)林復(fù)合種植可以改善土壤水分狀況[33-34]，但王興祥等[35]發(fā)現(xiàn)南酸棗復(fù)合種植帶土壤含水量比單作低，且農(nóng)林復(fù)合種植不能改善表層土壤水分狀況。還有研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)林間作對土壤水分的影響受氣象條件影響較大，在降水充足的季節(jié)可以降低地表徑流量，提高土壤貯水量，但在干旱季節(jié)則造成土壤含水量明顯降低[36]，在此之前，梅立新等[37]學(xué)者也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)論。之前學(xué)者的研究結(jié)果不一致充分說明了農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)土壤水分變化的復(fù)雜性，土壤水分狀態(tài)受降水量、農(nóng)田蒸散量、土壤物理性質(zhì)、林帶吸水等因素影響。王云強等[38]研究發(fā)現(xiàn)黃土高原地帶土壤含水量在垂直方向上呈現(xiàn)出先減少后增加的布局特點，同時其認(rèn)為耕地使用對環(huán)境土壤水分的總量及垂直分布規(guī)律性有著明顯的負(fù)面影響；此外，有研究也指出土壤含水量在垂直方向上呈現(xiàn)干濕相間的水平層狀分布規(guī)律，但植物種類會直接影響土壤水分含量的垂直布局，不同深度土層平均含水量也有所不同[39]。

2.3 農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)光能利用

光是農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中最重要的因子之一，一般情況下，合理的種植模式可以有效提高光能利用率，并且復(fù)合種植的作物不同，對光的需求也不同[40]。復(fù)合種植模式中光能的研究，對改進復(fù)合種植農(nóng)田生產(chǎn)實踐、促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展及保障我國糧食安全都具有一定的參考價值。在此背景下，王自奎[41]利用各種資源在時間與空間上的合理配置，提高對光能、水分、營養(yǎng)等自然資源的利用效率，從而使復(fù)合系統(tǒng)單位耕地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率較單作有所提高。有研究發(fā)現(xiàn)楊樹和水杉林冠的透光率與葉面積指數(shù)大小呈負(fù)相關(guān)，即葉面積指數(shù)越大，林冠的透光率越低，在不同復(fù)合種植模式中，楊樹光能利用率大于水杉，杉-農(nóng)復(fù)合種植比楊-農(nóng)更利于提高農(nóng)作物的光能利用率[42]。同時，張東升的研究[43]也表明合理的棗棉間距有助于降低棗樹對棉花光照的影響，進而增加棉花光合速率、光能利用率和產(chǎn)量。之后，彭曉邦等[44]的研究結(jié)果表明，距李子樹越近，遮光越多，各處理中黃豆、青椒的光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr）顯示出和光合有效輻射（PAR）一樣的日變化規(guī)律，和單作一樣，各處理過程黃豆、青椒的光合作用速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率也有了不同幅度范圍的下降。

2.4 農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)防風(fēng)效應(yīng)研究

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)在半干旱區(qū)和干旱區(qū)適應(yīng)較廣，既可以增加當(dāng)?shù)厝说氖杖?，也可以降低土地荒漠化，但由于強風(fēng)和干旱的原因，預(yù)期效果欠佳，所以研究農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)防風(fēng)效應(yīng)可以有效地解決這些問題。農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)作用的基本原理是當(dāng)前進的大風(fēng)途中遇到樹木時，一小部分從枝、葉、干的縫隙中擠出去，并在這過程中進行相互摩擦、沖擊，從而造成風(fēng)速下降，由于受到樹木的遮擋，風(fēng)從樹冠向高處刮去后逐漸返回，從而使風(fēng)力減弱，而當(dāng)與通過樹木的空氣交匯時，風(fēng)速又減小了一些[45]。

有研究發(fā)現(xiàn)，距離防風(fēng)林種植的背風(fēng)距離越遠(yuǎn)，風(fēng)速降低幅度越小[46]。在核（桃）-麥間作5 m×6 m、核（桃）麥間作6 m×8 m、核（桃）棉間作6 m×8 m 3 種類型內(nèi)，平均風(fēng)速分別比對照降低了43.7%、29.4%、34.5%[47]。Tamang等研究發(fā)現(xiàn)，單行防護林可以有效降低風(fēng)速，甚至當(dāng)對照的風(fēng)速小于2.5 m/s 時，在2H（H 為防風(fēng)林高度）處檢測不出風(fēng)速[48]。另有資料表明，復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)各個層面的風(fēng)力均不同于單作系統(tǒng)，在基部，復(fù)合系統(tǒng)的風(fēng)力比單作同層面小了41%，但在單作矮稈作物的上部，復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)力卻比單作系統(tǒng)高了64%[49]。綜上所述，農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能有效減少強風(fēng)或熱風(fēng)對作物的影響，在風(fēng)沙較大的干旱、半干旱區(qū)內(nèi)對農(nóng)作物起到防風(fēng)和保護的作用。

3 問題及展望

相較以往學(xué)術(shù)界的探索，當(dāng)前農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)小氣候研究已逐漸有森林學(xué)、作物學(xué)、氣象學(xué)、地理學(xué)等方面學(xué)者的參與，出現(xiàn)了多領(lǐng)域交叉探索。農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的研究內(nèi)容除了小氣候特點之外，小氣候?qū)ι帧⒆魑锷a(chǎn)和質(zhì)量的影響等內(nèi)容也日漸豐富，也對小氣候和人類活動、勞動效率的交互影響等方面開展了研究。此外，逐漸注意以農(nóng)業(yè)與林業(yè)相互兼顧的觀念來研究問題，并統(tǒng)籌農(nóng)業(yè)與林業(yè)之間的相互關(guān)系，以合理開發(fā)與利用小氣候資源，提升農(nóng)林業(yè)綜合效益。

基于之前學(xué)者的研究，目前關(guān)于農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)小氣候研究面臨的問題主要有觀測手段相對落后，與樹木和作物本身的特征未聯(lián)系，且未與其產(chǎn)生的效益相結(jié)合。針對這些情況，今后的研究可廣泛使用新型的觀測設(shè)備，采用遙感監(jiān)測、遙感技術(shù)等，同時把小氣候資源與農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中糧食作物和林木長勢的生理生化特性緊密結(jié)合在一起，這樣就可以直觀地說明小氣候特性和作物生長發(fā)育的相互作用，有效地管理和開發(fā)利用小氣候資源。在今后的農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)研究中，發(fā)展和改善小氣候，使農(nóng)林業(yè)品種優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，在考慮人才、資金的投入與產(chǎn)量的同時，取得最佳的經(jīng)濟、生態(tài)效益。同時擴大科研范圍，增加農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)于碳的研究。