农林间作生态系统研究进展探析

郭雄飞，黎华寿，陈红跃

(1.华南农业大学 资源环境学院，广东 广州 510642；2. 华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642)



农林间作生态系统研究进展探析

郭雄飞1，黎华寿1，陈红跃2

(1.华南农业大学 资源环境学院，广东 广州 510642；2. 华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642)

指出了农林间作是现代农林复合系统研究的核心内容之一,对农林业的可持续发展具有重要意义。阐述了农林间作模式的发展历史及常见的间作模式，归纳了农林间作系统对林下小气候、土壤养分、土壤水分、土壤酶活性、土壤微生物和间作系统产量的影响等方面的研究进展，并展望了农林间作复合系统研究的发展前景。提出了今后应加强间作系统内不同组分间的竞争作用的比较、农林间作系统的物种配置、模型创建、全球气候变化与间作竞争机理等方面的研究，并从生态环境修复的角度将间作系统地上部分和地下部分作为一个整体进行了深入分析。

农林间作系统；土壤特性；小气候；化感作用

1　引言

当今人类社会面临的人口众多、粮食短缺、资源匮乏、环境恶化等问题日渐突出，使社会的可持续发展受阻，生态失调。而农林间作模式从资源和土地的利用方式的角度为以上问题提供了科学有效的解决途径。早在公元前一世纪，我国《汜胜之书》上就记载着林粮间作模式的农业生产形式[1]。1856年，山坡农业(“塔亚”系统)在缅甸取得了很好的效益之后，在世界各地迅速地传播开来，自此农林间作复合模式逐渐得到发展。对农林复合系统进行分类的研究始于20世纪70年代末期，大多数研究成果源于国外的学者。到20世纪90年代，关于农林复合系统的分类研究，我国学者做出了较为系统详细的阐述。此后，有关农林间作生态系统的研究也逐渐深入并且取得一些突破性进展，相关文献也逐渐增多。一些研究表明[2～8]：农林间作不仅能显著改善系统林下小气候，减少水土流失、降低风速、提高土壤肥力、增加作物产量，还能够提高土地利用率，增强系统光能利用效率和水分利用率，以实现农林复合的可持续发展。因此，系统地归纳研究农林间作系统，分析其优劣与现存的问题，为未来农林业生产及农林间作的发展提供理论参考。

2　农林间作系统的概念

关于农林复合系统的概念，不同学者的理解不一样。这主要是因各国各地区的自然地理条件、人口、气候、自然资源以及研究人员的学科背景、生活习惯、宗教信仰等因素的差异造成的[9, 10]。尽管各国在各历史时期给农林复合系统的定义有所差异，但其基本原理相同，其核心内涵可归纳为：农林复合系统是动态的，以生态学、经济学和系统工程学为基础的自然资源管理系统，通过在牧地或农林用地上种植林木，并根据各类植被的生物学特性进行物种在时空上的合理搭配，营建多层次、多物种、多产业和环境友好型的人工复合生态系统[11]。

3　农林间作系统的经营模式

理论上，常见的农林复合模式有林草模式、林药模式、林牧模式、林粮模式、林果模式、林油模式、林菜模式、林菌模式等，实施对象包括生态林、人工林、退耕还林等，范围涉及广，类型较多。随着对农林间作模式的研究不断深入，不仅对同一间作模式进行机理和产量进行了研究，而且对同一间作模式内的物种时空排列方式及多种不同间作模式间进行了比较性研究。这是由于不同物种间的组配方式对土壤的利用情况在时空上有所差异，物种间产生的化学效应也各不相同。目前对不同间作模式生态结构等进行的研究探讨的主要形式有：林果间作[12]、农林间作[13, 14]、不同农作物间作[15]、林蔬间作[16]和林药间作[17]等。

4　农林间作生态系统研究进展

4.1农林间作对林地小气候的影响

农林间作对复合系统中的小气候环境有积极的影响。间作形成的小气候效应是其它效应和功能发挥的基础，因此一直是相关领域学者研究的重点。主要表现在复合系统中温湿度变化、风速变化光环境变化等几方面。吴刚等[18]研究表明，在黄淮海平原株行距为5m×10m 苹麦间作模式中。间作模式平均气温分别比对照(纯种棉花或麦子)分别低 1.1 ℃、1.5 ℃和1.7 ℃。且农林间作系统内气温表现为冬季和夜间比林外高，夏季和白天温度比林外低，温差缩小，总体上间作系统内部变化相对稳定。李增嘉等[19]对麦梨、麦桃、麦苹等3种不同间作模式进行研究显示，与单作麦田相比，间作系统的相对湿度分别提高了3%、9.5%、13.1%,樊巍等[20]研究结果表明，农林间作系统内冬季气温高于空旷地，夏季则刚好相反。这种“冬暖夏凉”的特殊生态效应的形成与风速紧密相关[11, 21]。表明间作系统有增加湿度和防风降温的作用。总结前人的研究发现，多数研究显示农林间作系统地温、气温、湿度的变化均是对农作物的产量有利，但Corlett和Sing等关于银合欢树篱间作系统的研究却显示，间作系统中的小气候变化幅度较小，对农作物的产量无显著影响[22, 23]。间作系统对光环境的变化主要表现在不合理的间作配置产生遮荫，造成作物光照不足，进而对作物产生负效应。合理的间作配置能使林木产生恰当的遮荫，对间作系统中作物产生正效应，增加作物产量。裴保华等[24]研究结果表明，在杨树与作物间作系统中，当作物冠层日均光照强度高于60%时，间作系统的光能利用率比对照处理高出10.89%。

4.2农林间作对土壤特性的影响

4.2.1间作对土壤养分的影响

土壤肥力对植物生长发育起着至关重要的作用，是反应土壤肥沃程度的重要因素之一。林培群等[25]研究表明，在甘蔗与桉树间作系统中，收获甘蔗后土壤有机质含量提高了36.69%；桉树间作木薯土壤有机质提高了49.23%，桉树窄行土壤有机质提高了37.88%，土壤全N、全P、全K含量分别比对照林地提高了23.53%、4.44%、14.38%。谢英荷等[26]研究表明，枣-麦间作可促进土壤形成团粒结构和改善土壤孔性，增加土壤氮素和有机质含量。罗萍等[27]对幼龄胶园间作进行的研究显示，间种香蕉和菠萝能提高土壤肥力。

4.2.2间作对土壤微生物的影响

土壤微生物可作为反映土壤质量的灵敏指示因子，能预测土壤有机物的变化情况。可将其分为细菌、真菌和放线菌3大形态类别。关于间作模式对土壤微生物群落结构影响的研究报道较多，宋亚娜等[28]利用 PCR/DGGE技术探讨了作物根际土壤细菌群落结构对玉米-蚕豆、小麦-玉米和小麦-蚕豆间作模式的响应，结果显示：间作能够改变根际土壤细菌群落的组成结构，提高作物根际土壤细菌群落的多样性。同时证明了间作系统中地下部分微生物多样性与地上部分植物多样性之间存在紧密联系。王瑛等[29]关于麦-棉间作系统中棉花非根际土壤和根际土壤的土壤养分和土壤微生物的研究表明，间作模式中棉花土壤微生物数量和微生物活性显著高于单做。

4.2.3间作对土壤酶的影响

土壤酶是土壤的重要组成部分，土壤中的生物化学过程等一系列自然界物质循环都有土壤酶的参与。土壤酶对土壤肥力有着良好的指示作用[30]，是土壤养分的活性储存库[31, 32]，土壤中C、N、P元素的循环利用过程主要由起决定性作用的一种或几种同功酶调控[33]，表明土壤酶具有选择性和专一性的特点。王媛[34]研究表明，相对于巨桉人工纯林，农林间作模式下脲酶、过氧化物酶、过氧化氢酶以及磷酸酶活性均较高。间作土壤的类型与土壤酶活性也密切相关。宋海燕[35]等研究表明，对滨海盐碱地枣园土壤进行分析，土壤过氧化氢酶、脲酶与土壤养分均呈显著正相关。根据土壤酶活性鉴定土壤类型的研究较少，因此，日后土壤酶研究工作的一个主要方面可能包括界定典型地带土壤酶活性大致范围[36]。

4.2.4农林间作对土壤水分的影响

系统耗水量的大小主要受蒸腾强度大小及土壤含水量变化两方面影响。一般情况下，农林间作系统可通过减小地表径流和增加地面覆盖等方式提高土壤水分含量。此外，受农林间作系统小气候变化的影响，地表水分蒸发量减少，蒸散量降低，使土壤水分状况得到改善[37]，多数的研究表明间作系统中的土壤水分含量和利用率高于单作模式[38-42]，其可能原因是间作复合系统中的林木可降低作物蒸发蒸腾[43, 44]，但也有研究认为间作会增加系统中作物叶片温度和气孔导度，进而增加作物蒸腾耗水，使系统总耗水量增加[45]。并且很多相关研究发现,间作系统中林木与农作物对于土壤水分的激烈竞争导致作物生产力的降低[46, 47]，但农林间作系统中深根植物和浅根植物在土壤中占据不同的空间，形成互补作用,土壤中的水分利用率就会提高[48, 49]。

4.3农林间作生态系统中的作物产量

关于农林间作模式对作物产量的影响，不同学者的研究结果并不统一，有学者认为间作模式促进产量增加，罗照霞等[50]研究表明，与单作模式相比，间作模式小麦产量较高。路海东等[51]研究发现，粮草间作种植模式比粮食单作模式产量增加2.13%～23.88%。高阳等[52]研究表明，间作玉米和大豆总籽粒产量分别比单作玉米和大豆的籽粒产量分别高6%和320%。

有些人认为，由于间作系统中林木与作物对于养分、光能及水分的竞争会使农作物产量降低。Odhiambo等[53]研究发现，银桦和南洋樱分别与玉米间作，使玉米产量分别下降了50%和40%。并且，多数研究[54～56]都表明农作物的产量与树与作物间的距离有关，距离越小、产量越低。

5　农林间作系统的研究展望

农林间作系统的研究正处于快速发展的时期,随着各学科交叉研究的发展及新工具、新技术、新方法的不断出现,农林间作复合系统的研究进入了前所未有的发展阶段。纵观前人的研究[58～61]，我国对于农林间作生态系统的基础研究做的较多，但实际用于实践以及将农林间作复合系统作为一个整体来进行研究的案例则涉及较少，因缺乏定量研究使得农林间作系统的优势和应用潜力未能充分发挥出来。

大量研究表明，在农林间作生态系统中，物种间相互作用是间套作增产和资源利用率提高的主要原因[57]。尽管有关间作种间相互作用的机理研究取得了较多成果。但尚未有一个系统且全面的视角来认识和深入理解种间的相互作用。深入理解系统内各个机理过程在发挥生态功能中的作用，对整个间作复合系统进行科学有效地生态调控有着至关重要的作用。近年来国际上对于作物生长模型的研究较少，而理解作物的生长模式对于评价间作模式资源利用效率具有重要作用。因此，国内外关于农林间作系统中作物生长模型的研究将是研究农林间作系统生态经济效益机理的焦点之一。

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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

广东省林业科技创新项目(编号：2014KJCX015)

郭雄飞(1987—)，男，华南农业大学资源环境学院博士研究生。

陈红跃(1964—)，男，教授，主要从事森林培育方向的科研与教学工作。

S664.2

A

1674-9944(2016)16-0176-04