我国农林复合系统小气候研究进展

丁晓梅，李 茜，2*，刘松涛，何 俊，2，孙兆军，2，4

（1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.教育部中阿旱区特色资源环境治理国际合作联合实验室，宁夏 银川 750021；3.宁夏职业技术学院，宁夏 银川 750021；4.宁夏（中阿）旱区资源评价与环境调控重点实验室，宁夏 银川 750021）

农林复合生态系统并非农业与森林的简单结合，而是以林木的特点与价值为依据，把林木与农产品有机组合，达到效益最大化。在我国经济建设进程中，复合农林业作为一种新型的农林复合经营方式逐步开展。我国农林业始于春秋战国时代，并于汉代开始广泛应用，在中华人民共和国建立后，初步建立以农田林网、农林间为基础，以带、网、片相结合的多种农林复合生态系统体系。农林复合生态系统以充分利用土地资源、增加生物多样性、提高农业生态系统安全性为重要特点，对农林生态系统的栽培方法、小气候、光照等方面的研究具有重要意义，且研究成果的广泛应用，可有效增加农林复合生态系统的社会、经济及其他效应。

1 农林复合种植模式

针对中国农林复合种植模式的主要栽培方式，竺肇华[1]把中国农林复合栽培方式分成了农-林、林-牧、农-林-牧等3 种复合型和特种农业综合经营型，并在此基础上又划分了16 个类型。在竺肇华教授的理论基础上，熊文愈[2]又将栽培方式分为林-农、林-牧、林-渔、林-农-渔、林-副等5 大类。朱清科等[3]把黄土区农林复合系统细分为复合系统、复合模式和栽培方式等类型。前人所研究的农林复合主要种植模式有：林-粮（粮食作物）、林-经（经济作物）、林-油（燃料作物）、林-糖（糖料作物）、林-菜（果蔬）、林-果（有时果树用作经济效益林与其他农业植物间作）、林-菌（食用菌）、林-牧（牧草或饲养经济作物及家禽、牲畜饲养）、林-茶（茶树）、林-桑（桑树）、林-渔（渔业）、林-药（药用经济作物）等[4-5]。近年来所研究的栽培模式，主要为林-粮和林-油，如苹果-油菜[6]，杨树-油菜[7]，核桃-小麦[8-9]，苹果-花生[10-11]，核桃-大豆（黄豆）[9，12-13]等，少数研究是关于林-药和林-草[14]的。

2 农林复合系统小气候研究现状

小气候是指在局部范围内，由于下垫面局部特性的作用而形成的贴地层和土壤上层的气候[15]。小气候综合了水分、热量、光强、空气温度等多种天气因子及其对作物之间的相互作用，具有防风、调节温湿度、光强等效果。它和大气候截然不同，有着“区域小、差异大、很稳定”的特点[16]。农林复合系统的小气候研究实际是与生产相结合，努力为经济建设服务。黄天忠[16]分析了不同油茶栽培方式的效益，综合说明复合栽培模式可以有效增加单一用地面积的产量，提高效益。油茶-红薯复合栽培方式以经济效益为主要出发点，结合油茶苗木的修剪和适当追肥灌溉，有利于提高产量，促进复合经营模式的可持续发展[17]。

2.1 农林复合系统空气温、湿度

目前普遍认为，在农林复合系统微环境中，空气温、湿度对系统产生一定的调节作用[18-19]。刘晨等[20]研究间作牧草对果园中小气候的影响，结果表明，间作果园中空气温度和相对湿度与当地气候关系紧密，全天间作果园的空气相对湿度均优于单作，并呈现早上相对湿度最大，随气温的上升而下降的规律。樊丁宇等[21]发现复合种植作物对间作枣园空气温度、相对湿度均有影响和调节的作用，且能明显降低枣树开花期时的气温，从而增加相对湿度，促进枣树坐果。马媛等[22]观测到杏麦间作区和单作对照区内的空气温度、相对湿度变化趋势一致，也是随一天的整体空气温度而变化，并呈现“大-小-大”，“高-低-高”的变化规律，而间作区内相对湿度整体大于单作区，且观测点的最低气温均为上午8：00，最高气温则在下午15：00—18：00。呈现这种规律是因为农林复合系统相较于森林或农田生态系统，在一定程度上改变了整个系统的蒸散量、热量传递和水汽交换等条件，使复合系统的气温、湿度较单作系统发生了变化[23-25]。Sanchez 等[26]发现间作系统的空气温度和相对湿度比单作系统更低且更稳定。赵忠宝[27]研究发现间作系统气温在小麦拔节期与对照相差不大，在小麦灌浆期差异显著，间作系统空气相对湿度较单作系统高3.8%～6.5%，这与李全胜等的研究结论类似，间作系统与空地相比，白天和夜间温度均有提升，空气相对湿度在白天提高了4%，而在夜间提高了9%[28]。

2.2 农林复合系统土壤温、湿度

农林复合系统的土壤湿度一直是研究热门，许多学者提出土壤湿度与大气环境、农作物类型和品种特征关系很大，但是影响农林复合系统土壤湿度的问题，迄今还未形成全面且系统的研究结果。冬季覆盖能够增加间作系统的近地面土壤温度，进而减少冻害侵袭；而春季覆盖则能减少土层和近地面气温的急剧变化，从而使得农作物应对外部条件的剧烈改变有缓冲作用，并促进植株的生长发育[29]。吴发启等[30]研究发现农林复合系统林内气温和土地表面气温呈现春季温度增加、夏季下降现象；梁振山[31]也得出了同样的结论，夏季的下降现象很可能是由于林木遮阴所引起，它也可以减少土地的无效水分；冬季的增温现象，可能是由落叶覆盖地面所造成的，而落叶的覆盖过程还可能增加土壤湿度。王广钦等[32]的研究表明，在整个生长季中林网内土地表面水分较林网外高5.9%、贮水量高8.7%、有效水浓度高13.3%。大量研究也证实农林复合种植可以改善土壤水分状况[33-34]，但王兴祥等[35]发现南酸枣复合种植带土壤含水量比单作低，且农林复合种植不能改善表层土壤水分状况。还有研究发现农林间作对土壤水分的影响受气象条件影响较大，在降水充足的季节可以降低地表径流量，提高土壤贮水量，但在干旱季节则造成土壤含水量明显降低[36]，在此之前，梅立新等[37]学者也发现了类似结论。之前学者的研究结果不一致充分说明了农林复合系统土壤水分变化的复杂性，土壤水分状态受降水量、农田蒸散量、土壤物理性质、林带吸水等因素影响。王云强等[38]研究发现黄土高原地带土壤含水量在垂直方向上呈现出先减少后增加的布局特点，同时其认为耕地使用对环境土壤水分的总量及垂直分布规律性有着明显的负面影响；此外，有研究也指出土壤含水量在垂直方向上呈现干湿相间的水平层状分布规律，但植物种类会直接影响土壤水分含量的垂直布局，不同深度土层平均含水量也有所不同[39]。

2.3 农林复合系统光能利用

光是农林复合系统中最重要的因子之一，一般情况下，合理的种植模式可以有效提高光能利用率，并且复合种植的作物不同，对光的需求也不同[40]。复合种植模式中光能的研究，对改进复合种植农田生产实践、促进农业生产生态可持续发展及保障我国粮食安全都具有一定的参考价值。在此背景下，王自奎[41]利用各种资源在时间与空间上的合理配置，提高对光能、水分、营养等自然资源的利用效率，从而使复合系统单位耕地的农业生产率较单作有所提高。有研究发现杨树和水杉林冠的透光率与叶面积指数大小呈负相关，即叶面积指数越大，林冠的透光率越低，在不同复合种植模式中，杨树光能利用率大于水杉，杉-农复合种植比杨-农更利于提高农作物的光能利用率[42]。同时，张东升的研究[43]也表明合理的枣棉间距有助于降低枣树对棉花光照的影响，进而增加棉花光合速率、光能利用率和产量。之后，彭晓邦等[44]的研究结果表明，距李子树越近，遮光越多，各处理中黄豆、青椒的光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）显示出和光合有效辐射（PAR）一样的日变化规律，和单作一样，各处理过程黄豆、青椒的光合作用速率、气孔导度和蒸腾速率也有了不同幅度范围的下降。

2.4 农林复合系统防风效应研究

农林复合系统在半干旱区和干旱区适应较广，既可以增加当地人的收入，也可以降低土地荒漠化，但由于强风和干旱的原因，预期效果欠佳，所以研究农林复合系统防风效应可以有效地解决这些问题。农林复合生态系统防风作用的基本原理是当前进的大风途中遇到树木时，一小部分从枝、叶、干的缝隙中挤出去，并在这过程中进行相互摩擦、冲击，从而造成风速下降，由于受到树木的遮挡，风从树冠向高处刮去后逐渐返回，从而使风力减弱，而当与通过树木的空气交汇时，风速又减小了一些[45]。

有研究发现，距离防风林种植的背风距离越远，风速降低幅度越小[46]。在核（桃）-麦间作5 m×6 m、核（桃）麦间作6 m×8 m、核（桃）棉间作6 m×8 m 3 种类型内，平均风速分别比对照降低了43.7%、29.4%、34.5%[47]。Tamang等研究发现，单行防护林可以有效降低风速，甚至当对照的风速小于2.5 m/s 时，在2H（H 为防风林高度）处检测不出风速[48]。另有资料表明，复合系统内各个层面的风力均不同于单作系统，在基部，复合系统的风力比单作同层面小了41%，但在单作矮秆作物的上部，复合系统内的风力却比单作系统高了64%[49]。综上所述，农林复合生态系统能有效减少强风或热风对作物的影响，在风沙较大的干旱、半干旱区内对农作物起到防风和保护的作用。

3 问题及展望

相较以往学术界的探索，当前农林复合系统小气候研究已逐渐有森林学、作物学、气象学、地理学等方面学者的参与，出现了多领域交叉探索。农林复合生态系统的研究内容除了小气候特点之外，小气候对森林、作物生产和质量的影响等内容也日渐丰富，也对小气候和人类活动、劳动效率的交互影响等方面开展了研究。此外，逐渐注意以农业与林业相互兼顾的观念来研究问题，并统筹农业与林业之间的相互关系，以合理开发与利用小气候资源，提升农林业综合效益。

基于之前学者的研究，目前关于农林复合生态系统小气候研究面临的问题主要有观测手段相对落后，与树木和作物本身的特征未联系，且未与其产生的效益相结合。针对这些情况，今后的研究可广泛使用新型的观测设备，采用遥感监测、遥感技术等，同时把小气候资源与农林复合系统中粮食作物和林木长势的生理生化特性紧密结合在一起，这样就可以直观地说明小气候特性和作物生长发育的相互作用，有效地管理和开发利用小气候资源。在今后的农林复合生态系统研究中，发展和改善小气候，使农林业品种优质高产，在考虑人才、资金的投入与产量的同时，取得最佳的经济、生态效益。同时扩大科研范围，增加农林复合生态系统中关于碳的研究。