基于STICS模型的黄土高原苹果园生态系统服务评估

邵主恩,赵西宁,高晓东,王绍飞,王宪志,吴普特,*

1 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室,杨凌 712100 2 西北农林科技大学水利与建筑工程学院,杨凌 712100 3 西北农林科技大学水土保持研究所,杨凌 712100

黄土高原是全球最大的优质苹果主产区,种植面积和产量均超过全球的25%[1- 2],干旱缺水和土壤肥力低下是限制该地区农业生产与生态建设的主要因素[3]。黄土高原苹果园生态系统服务能力较强,能够创造巨大的经济和生态效益。生态系统服务是指生态系统所形成与维持的人类赖以生存和发展的环境与效用[4- 5]。果园是农业生态系统的重要组成部分,不仅提供了果实产品的市场服务,还提供了其他的非市场服务,固碳潜力较大[6]；但果园也会造成大量温室气体排放[7],对人类健康、环境产生负面影响。果园生态系统服务有利于保持较高的果实生产水平,也利于保护水分和土壤等自然资源以及矿化等生态系统功能[8-10]。气候和农业管理措施对果园生态系统功能的动态联系和不同反应产生了果园生态系统服务的协同和权衡作用,然而量化这些作用是比较困难的。因此,开展苹果园生态系统服务研究对黄土高原苹果园绿色可持续生产具有重要作用。

研究不同空间尺度的生态系统服务已成为当前热点问题[11],其中模型模拟是有效且可靠的手段[12]。基于模型的生态系统服务研究多局限于区域和国家尺度,而田块尺度上的生态系统服务研究相对较少。例如,常见的区域和国家尺度上的生态系统服务评估模型有InVEST、ARIES等模型,这些模型已在北美和中国等多地取得了良好的模拟效果[13]。但是上述模型结构较为简化,模型参数缺乏率定和验证,导致在田块尺度的生态系统服务研究中存在较大的不确定性[14],而研究田块尺度上的生态系统服务有利于解析区域和国家尺度上的生态系统服务的复杂性特征。在田块尺度上使用作物模型能够规范农业生态系统的功能、服务、相互联系和动态响应,诸如APSIM[15]、CropSyst[16]和DSSAT[17]等作物模型已经广泛用于模拟农业生态系统中的特定功能,但很少有研究使用这些作物模型分析多种生态系统服务概况,且这些作物模型难以模拟多年生木本作物。而STICS(Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard)模型[18]具有强大的通用性和可操作性等特点,能够应对苹果园不同的土壤、气候和管理方案,可以较好地对苹果园进行模拟,且已经在法国苹果园生态系统服务方面得到初步应用[19- 20]。

基于STICS模型研究农业管理措施和气候对苹果园生态系统服务的影响,并在此基础上对黄土高原地区土壤氮可利用性、气候调节、水循环调节和果实生产四种苹果园生态系统服务进行系统的评估,以此为果园生态系统管理提供依据,从而实现黄土高原地区经济和生态和谐发展。

1 材料与方法

1.1 试验布设

试验区一位于陕西省渭南市白水县西北农林科技大学苹果园试验基地(35°4′N,109°16′E),属暖温带大陆性季风气候,土壤主要为黄绵土,田间持水量为23%,土壤pH为8.2, 多年平均气温11.4℃, 多年平均降水量550.8 mm,降水年际变化大,无霜期为207 d。选取6年生矮化自根砧红富士苹果,砧木为M26,株行距1 m×4 m,南北向种植。

该试验设黑色园艺地布覆盖、秸秆覆盖及清耕无覆盖3个处理,每处理3行,每行40株,4次重复,共12个小区。选择生长健壮,树势中庸,无病虫害果树进行试验布设,试验期间除覆盖处理不同外,各处理其他管理措施一致。

试验区二位于陕西省榆林市子洲县清水沟山地有机苹果种植基地(37°27′N,110°20′E),属暖温带半湿润大陆性季风气候区。土壤类型主要为黄绵土, 田间持水量为21.7%, 多年平均气温9.1℃,多年平均降水量453.6 mm,主要集中在7―9月份,无霜期为164 d。选取8年生、矮化中熟品种蜜脆苹果,种植株行距为2 m×3.5 m,东西向种植。

该试验设有3个灌水处理,充分供水：85%θf(θf为田间持水量)、轻度亏缺：75%θf、重度亏缺：50%θf。每个处理设置3个重复,各小区其他管理措施一致且都是裸地清耕。采用滴灌方式灌水,每个种植行左右设置两根滴灌管,滴灌管顺种植行布置,滴头流量3 L/h,滴头间距30 cm, 灌水时间分别为5月9日、5月16日和5月31日,总共3次,总灌水量分别为50、40、30 mm。

两个试验地具体的管理措施以及逐日气温和太阳辐射如表1和图1所示：

表1 STICS模型对苹果园参数化和评估的六个果园系统的主要特性

图1 各试验地苹果园生育期内逐日气温和太阳总辐射量 Fig.1 Daily temperature and total solar radiation during the growth period of apple orchards in each experimental site

1.2 测定项目

1.2.1土壤水分

土壤含水量测定采用管式TDR系统(TRIME-IPH,IMKO,德国),TDR测管分别位于果树株间、树冠外围距主干50 cm处及果树行间,10 d或者15 d监测1次,雨后加测,测量深度为100 cm,深度间隔20 cm,共5层,其中白水共测定24次,子洲共测定17次。

1.2.2蒸发蒸腾

采用水量平衡方程计算每月总的蒸发蒸腾量,结合土壤水分测定情况,白水样本量共计6个,子洲样本量共计5个。果树耗水量：

ET=P-ΔW

(1)

式中,ET为果树耗水量(mm)；P为有效降雨量(mm)；ΔW为月初与月末土壤贮水量的差值(mm)。

1.2.3土壤硝态氮

用土钻在距离树干50 cm处沿着“S”型曲线(五点法)采样,采集100 cm剖面的土壤样品,间隔20 cm,每个处理共采集100个土样,所取土样带回实验室经过风干、研磨,过2 mm筛,再用紫外分光光度法测定硝态氮。

1.2.4产量和平均单果重

果实成熟期称量每株树的苹果重量,每个处理共选取12株果树,然后统计每个处理苹果个数和产量。每个处理的总重量除以总个数为平均单果重。

1.2.5N2O和土壤碳流失

查阅苹果园的温室气体排放和土壤呼吸的研究文献,同时借鉴相关研究的meta-analysis[21]结果,对3个处理的模拟指标进行验证。

1.3 研究方法

1.3.1STICS模型

STICS(Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard)模型是于1996年由法国农业科学研究院建立的通过逐日气象数据驱动的土壤作物机理性模型[18],能够模拟多年生木本作物的水碳氮平衡过程[22]。该模型在叶片表面发育的基础上描述了作物的生长,叶片表面能够拦截光并将其转化为生物量,这些生物量通过源汇法分配给根、果实、叶子和茎。树木的物候期和关键变量日期是用来模拟作物果树生长的基础[19]。

1.3.2STICS模型对苹果园的参数化

由于STICS模型现有版本不包括苹果,因此首先应当对其进行参数化。本文主要包括3种方法：1)试验地直接测量的参数,例如最大株高和两个物候期之间的积温。2)例如生长的最优温度和限制温度的参数可以从苹果树的参考文献中可以获得。3)使用试验数据、模型参数曲线和全局参数化估计。此目的是为了获得完整的一套模型苹果参数,这些参数对于该模型运用到新作物来说是最敏感和最重要的[23],经模型率定后的主要参数如表2。

1.3.3模型评估

本研究选取清耕和充分灌溉处理的相关数据进行校正,其余处理相关数据进行验证,同时对模拟值和实测值进行分析对比,采用相对平均偏差(MD)、相对均方根误差(RRMSE)和模拟精度(EF)评估模型模拟效果：

(2)

(3)

(4)

表2 主要的苹果园STICS模型参数意义和取值

1.4 生态系统服务指标、生态系统功能指标和综合评价

每类生态系统服务能被一个或者几个指标来描述(表3),土壤氮可利用性指标为平均土壤硝态氮浓度；气候调节指标主要考虑温室气体N2O排放,是一个负面影响[10],也考虑土壤和树体的碳固存量；水循环调节指标为平均土壤含水量和生育期内总的蒸发蒸腾量；果实生产指标为产量和平均单果重。

影响生态系统服务的生态系统功能指标如表4所示：因为氮矿化能够影响土壤氮可利用能力,所以相应的功能指标是累积矿化氮数量；用土壤累积腐殖碳数量描述为土壤碳固存, 使用叶片、果实和茎中的平均碳含量当做净初级生产力和最大地上生物量；在树体的生长发育过程中,水分亏缺和氮素亏缺会对果树生产有影响；氮吸收的功能指标是一年生器官吸收的最大氮数量。

使用服务标准值S表达每个生态系统服务的大小,S计算公式如下：

(5)

式中,s是果园生态系统服务值smin,smax分别是果园生态系统中最小和最大的服务值。标准值S在0到1之间变化。

表3 果园生态系统服务指标和单位

表4 果园生态系统功能指标和单位

2 结果与分析

2.1 模型评估

由图2和表5可以看出：产量和单果重RRMSE低于15%以及EF接近0,产量和单果重模拟效果较好,但子洲果园产量模拟值存在低估现象,同时所有果园单果重模拟值都存在低估现象,尤其是秸秆覆盖和充分灌溉的果园。随着添加覆盖措施和增大灌水量,产量和单果重均增大。果园土壤含水率RRMSE和EF分别在15%和-0.6左右,土壤水分模拟效果较好,且较好的模拟出土壤水分的短暂性变化。旱作果园模拟效果优于灌溉果园,其中白水果园土壤水分平均模拟值与平均实测值较接近,子洲果园土壤水分平均模拟值低于平均实测值。但萌芽期和花期模拟效果均较差,模拟值存在严重的低估现象；模型对降雨的响应比较敏感,能迅速模拟出水分动态变化,受后期几次降雨和灌溉的影响,土壤水分模拟效果变优,模拟值与实测值吻合程度较好。果园各月蒸发蒸腾RRMSE为27%,在一定误差范围内,而且大部分情况下蒸发蒸腾量模拟值存在低估现象,尤其是在6―8月,其中灌溉果园的蒸发蒸腾量模拟效果优于旱作果园。综上,STICS模型均能较好的模拟苹果园产量、单果重、土壤水分和蒸发蒸腾。

2.2 苹果园生态系统服务分析

本研究从氮营养平衡和水文循环来分析苹果园生态系统服务,即与水、碳、氮相关的服务：

(1)与氮循环相关的服务：秸秆覆盖的果园氮吸收和土壤硝态氮浓度高于其他果园(表6,表7),同时土壤保水能力较低；硝态氮和含水量分别与氮矿化和土壤碳固定正相关和负相关(图3),硝态氮与含水量负相关(图4)。氮矿化和土壤碳固定主要由土壤水分饱和度影响(图5)。施肥、灌溉和覆盖能够影响氮矿化能力(图5)。N2O与土壤硝态氮负相关(图4)。

表5 STICS模型对产量、单果重、土壤含水量和蒸散量的模拟效果评估

表6 STICS模型果园生态系统功能指标模拟值

表7 STICS模型果园生态系统服务指标模拟值

(2)与碳循环相关的服务：在极端气候事件下子洲的产量降到14.64 t/hm2(表7),产量与树体碳固定和果树碳数量正相关(图4)；总固碳量与氮吸收正相关(图3),总固碳量取决于树体固碳数量,而果树的叶片、茎、果实发育取决于氮吸收；子洲单果重较大,果实数较少(表7)。果实数与单果重负相关(图4)。子洲果园产量和总固碳量较低(表7)。

(3)与水循环相关的服务：子洲充分灌溉的果园土壤水分高于其他果园(表7)。含水量与N2O正相关(图4)。蒸发蒸腾与产量的关系不显著(通常是二次曲线关系),但是与总固碳负相关(图4)。叶片水分充足指数与蒸发蒸腾正相关(图3)。

图3 果园生态系统功能与生态系统服务之间的关系Fig.3 Relationship between orchard ecosystem functions and ecosystem services

图4 果园生态系统服务协同关系和权衡关系Fig.4 Orchard ecosystem service synergy and trade-off

图5 气候和农业管理措施对与生态系统服务较相关的生态系统功能的影响Fig.5 Impact of climate and agricultural management on ecosystem functions that are more relevant to ecosystem services

2.3 苹果园生态系统服务概况

农业管理措施和气候对果园生态系统服务概况影响较为显著。不同灌水量对灌溉果园生态系统服务概况影响较大。灌溉能够增加产量、单果重和土壤水分；灌水量越大,N2O排放量越大。充分灌溉的果园服务能力较强,但服务概况与重度亏缺灌溉的果园相反,有着较大的蒸发蒸腾、土壤水分和N2O排放量。覆盖可以提高果实产量、品质和土壤含水量,但增加了N2O排放(表7,图6)。地布覆盖的果园服务概况与清耕果园相反(图6),产量、单果重和土壤水分较大,但是N2O排放量较小。秸秆覆盖的果园服务概况与地布覆盖的果园比较相似(图6),都有着较大的产量、单果重、土壤水分和总固碳量。

图6 果园生态系统在雷达图上的服务概况Fig.6 The service profile of the orchard ecosystem on the radar chart

3 讨论

3.1 STICS模型在苹果园可持续生产中的应用

苹果园在保证最大生产力的同时应适当考虑改善环境和保护自然资源,从而实现苹果园可持续发展。使用STICS模型可以评估苹果园生态系统服务指标和量化苹果园生态系统服务概况,所以该模型可较好地用于指导苹果园可持续生产。

基于STICS模型估算和表征苹果园各项生态系统服务的结果还存在一定差异。子洲苹果园产量模拟值出现低估现象是因为三月份的一次极端气候事件导致减产,而STICS模型不能对此事件进行模拟造成的；但所有苹果园单果重模拟值存在低估现象,分析其原因主要与模型中设置统一的苹果品种参数,而试验中苹果品种不一致关系密切。旱作果园的土壤水分模拟效果优于灌溉果园主要是因为该模型对降雨和灌溉比较敏感,土壤水分受到灌溉措施的波动引起的；蒸散量模拟值偏低的原因与该模型不能精确的对苹果生育期进行模拟,导致叶面积指数等参数与实际差距较大有很大的关系。土壤硝态氮模拟值与实测值较为接近,这与Jing等[24]的研究结果一致；但是N2O排放模拟值偏高,主要是因为本研究中施肥浓度高于meta-analysis[21]中的浓度(平均施肥量104 kgN/m2),而施肥对N2O排放影响较大造成的。树体碳固定模拟值高于Zanotelli等[25]的研究结果,偏高主要是因为本研究中考虑了苹果园地上一年生木材生产中的碳固定造成的；土壤碳流失模拟值低于Montanaro 等[26]的研究结果,偏低的原因是没有考虑与根际呼吸有关的土壤碳损失量,而土壤碳损失量与土壤、气候和管理措施有密切关系。

本研究使用STICS模型量化苹果园生态系统服务概况,在对比这些苹果园生态系统服务概况后得出,地布覆盖和轻度亏缺灌溉的苹果园服务能力最强,原因是这两种管理措施高效地增强了各项生态系统服务功能；然而,从苹果园生产和生态两方面综合考虑,地布覆盖和轻度亏缺灌溉的苹果园是最理想的,原因主要有两点：(1)这两个苹果园生产力较强,而且产生的温室气体负面影响较小；(2)这两个苹果园的生态系统服务协同作用的正面效应较大,权衡作用的负面效应较小,使得生态系统服务效益最大化[27]。因此,权衡苹果园生态过程,经济和生态效益,充分发挥苹果园关键主体之间的协作关系是实现苹果园可持续生产的关键所在。

3.2 气候和农业管理措施对苹果园生态系统服务的影响

新兴的可持续农业,则希望将自然过程协调和人为调控融合,建立近自然的高效的现代农业体系[28]。对于苹果园,气候和农业管理措施分别是自然调控和人为调控因子,因此,研究气候和农业管理措施对苹果园生态系统服务的影响对实现苹果园可持续生产具有重要意义。

图7 供应服务与调节服务之间的权衡作用 Fig.7 The trade-off between support service and regulation service 每个点代表每个果园系统,红色线代表供应服务和调节服务的最高值,点划线代表离理想情景下的距离

子洲地区2018年是个歉收年(“off-crop”年),这会引起一些果园生态系统服务的供应能力减弱,主要体现在果树生产以及固碳和反硝化两方面。由于“off-crop”情景下树体对氮素的需求会减少,氮素不断积累在土壤中,导致土壤硝态氮浓度变大。“off-crop”情景的出现可能是很多因素造成的,例如在弱光[29]、低温[30]以及作物负载或荷尔蒙作用下导致分化花蕾数量的减少,因此产量会受到影响。结合当地实际情况,很可能是因为三月份的一次倒春寒事件引起的,但是目前没有模型能够对该事件进行模拟。

覆盖措施对苹果园生态系统服务有着较显著的影响。一方面,因为覆盖可以改善土壤结构和减少土壤无效蒸发,提高保水效果,同时增加树体增长量,促进果树发育,所以能提高产量和果实品质[31]；另一方面,因为覆盖对土壤水分和温度有显著影响,然而土壤水分和温度是影响N2O产生、传输和排放的主要因子,所以覆盖必将对土壤N2O通量产生深刻的影响[32]。因为生育期内适当的灌溉可以弥补对土壤水分的消耗,利于果实有机物积累,进而提高果树产量和品质。本研究中灌溉虽然提高了果实产量和品质[33],但是由于灌水量较少,达不到显著提高土壤氮素的要求；同时,所有灌溉系统都是按照果树水分需求设置的,虽然存在重度水分亏缺处理,但对模拟结果影响较小。

从所有果园生态系统在2和3范围内和离理想化的距离可以看出农业管理措施能缓和供应服务与调节服务之间的权衡作用(图7), 因为人为管理措施是可以改变相互竞争服务对的一个生态系统服务指标,导致竞争作用发生了改变[34]。地布覆盖和轻度亏缺灌溉的果园生态系统有着最短的距离,而此距离代表着权衡作用的程度,所以地布覆盖和中度水分亏缺灌溉能够最佳地优化权衡作用,一定程度上使得综合效益最大化。

4 结论

本研究利用STICS模型对黄土高原苹果园生态系统服务进行分析和评估,得出结论如下：(1)STICS模型较好地解决了苹果园生态系统功能的复杂性难题,同时把农业管理措施、生态系统功能及生态系统服务紧密地联系在一起,而且通过STICS模型分析生态系统服务的方法是较有前景的。(2)农业管理措施对果园生态系统服务概况影响较显著,是果园生态系统服务强有力的驱动因子,其中地布覆盖和中度亏缺灌溉的果园生态系统服务概况较相似且最平衡,是较理想的果园；(3)除了固碳与产量、单果重或者果树相关指标是协同作用,其他生态系统服务都是权衡作用；(4)农业管理措施优化了权衡作用,减轻了农业生产与调节服务之间的矛盾,地布覆盖和中度水分亏缺灌溉最佳地缓和了权衡作用。