農林復合經營對土壤質量的影響

肖 娜，胡少偉

（湖南省邵陽市環(huán)境保護研究所，邵陽 422000）

1 引言

作為地球生物圈的重要組成部分，土壤既是生產食物、纖維及林產品不可替代或缺乏的自然資源，又是保持地球系統(tǒng)的生命活性，維護整個人類社會和生物圈共同繁榮的基礎［1］。然而，近幾十年來，由于人類的不合理利用和管理，導致土壤及土地資源質量退化，嚴重影響、破壞人類賴以生存的環(huán)境。目前，人類活動引發(fā)的土壤侵蝕、大氣污染、過渡耕作、過牧、鹽堿化及沙漠化等已經造成地球上約40%的農業(yè)土地退化［2］。土壤退化及其對農業(yè)生產力和自然生態(tài)系統(tǒng)的影響已成為人類面臨的主要環(huán)境問題之一［3］。而且，隨著全球人口數量的不斷增長，土壤退化的現象還會加?。?］。因此，當前人類面臨的最大挑戰(zhàn)就是如何發(fā)展可持續(xù)性的土地經營系統(tǒng)，在獲取食物和纖維的同時能維持一個安全而清潔的環(huán)境［3］。

農林復合系統(tǒng) （agroforestry system），又可稱為復合農林業(yè)、混農林業(yè)或農用林業(yè)，是有目的地將多年生木本植物與農業(yè)或牧業(yè)用于同一土地經營單位，并采取時空排列法或短期相間的經營方式，使農業(yè)、林業(yè)在不同的組合之間存在著生態(tài)學與經濟學一體化的相互作用［5］。自20世紀70年代中期以來，由于 “人口劇增、糧食短缺、資源危機以及環(huán)境惡化”這一全球性問題的出現，農林復合系統(tǒng)受到世界上眾多國家和地區(qū)的普遍關注和廣泛重視［6-7］。從理論上來說，農林復合系統(tǒng)中的木本植物能增加系統(tǒng)的有機物質輸入，改善土壤結構、持水能力及微生境，降低土壤侵蝕和淋溶引起的土壤養(yǎng)分損失，提高土壤生物活性［8-9］。因此，農林復合系統(tǒng)被廣泛認為是一種可持續(xù)的土地利用方式，能有效地提高土壤質量，實現農業(yè)的可持續(xù)生產［7,9-10］?？紤]到土壤質量是土地實現可持續(xù)經營的基礎，了解農林復合經營對土壤物理、化學及微生物學特性的影響，對于維持土壤的長期生產力、評價農林復合系統(tǒng)的可持續(xù)性有著重要的意義。

2 農林復合系統(tǒng)對土壤物理特性的影響

土壤水分是作物吸水的最主要來源，能影響作物的生長、養(yǎng)分傳輸、氧氣可利用性、微生物和動物呼吸、養(yǎng)分淋溶等土壤物理、化學及生物學過程［11］。關于農林復合系統(tǒng)土壤水分的研究已大量展開，但由于土壤水分狀況受降水、農田蒸散、土壤物理性質、樹木吸水特性等多種因素的影響，至今仍沒有形成統(tǒng)一的研究結論［12］。在溫帶和半干旱熱帶地區(qū)，林木和作物對土壤水分的競爭及樹冠截留會降低土壤含水量，而且與樹行距離越近，土壤含水量越低［13-15］。王興祥等［16］在我國低丘紅壤地區(qū)也發(fā)現，花生 （Arachis hypogaea）-南酸棗（Choerospondias axillaries）間作系統(tǒng)中南酸棗種植帶土壤含水量比單作南酸棗要低；而文化一和康珉 （1990）在我國云南省發(fā)現，在紅壤地區(qū)農林間作可以減少土壤水分徑流量，增加土壤入滲，提高土壤貯水量，土壤水分狀況得到改善。此外，農林復合系統(tǒng)中，具有深根系的樹木還能通過水力提升作用 （hydraulic lift）吸收底層土壤的水分，并將其釋放到表層土壤，改善表層土壤的水分狀況［17］。 Filella&Penuelas［18］用同位素標記研究地中海松 （Pinus halepensis）的水力提升作用，結果發(fā)現在干旱的夏季，地中海松附近的乳香黃連木 （Pistacia lentiscus）的水分狀況明顯改善，而在濕潤的春季則沒有觀察到此現象。

土壤結構是土粒的排列、組合形式，包含著結構體和結構性兩個方面［1］。土壤結構影響著植物根系的生長，以及土壤水分、空氣和養(yǎng)分的移動性和可利用性［19］。農林復合系統(tǒng)中，樹木主要通過以下4個方面來影響土壤結構： （1）增加地表覆蓋，減少雨滴對土壤團聚體結構的破壞； （2）通過增加生物量、降低土壤溫度和減少土壤侵蝕等途徑提高土壤有機質含量和微生物活性，進而改善土壤結構； （3）樹木根系的穿插作用影響土壤結構； （4）通過增加凋落物輸入、改善小氣候和停止土壤耕作等途徑影響土壤動物的豐富度、組成和活性，通過土壤動物的穴居活性 （burrowing activity）影響土壤結構［19］。Wang et al.［20］在我國中亞熱帶地區(qū)發(fā)現， 與杉木（Cunninghamia lanceolata）純林相比，杉木與作物間作能降低土壤的擴散系數 （dispersion coefficient）和結構破壞系 數 （structure destruction coefficient）， 改善土 壤 結 構 。Alegre&Cassel［21］在秘魯發(fā)現，農林復合經營4年后土壤容重降低，土壤中大團聚體的比例得到提高，土壤滲透性增強。Udawatta et al.［22-23］在美國密蘇里州發(fā)現，與單作作物相比，實行農林復合經營的緩沖帶 （agroforestry buffer）能降低土壤容重，提高土壤水穩(wěn)定團聚體。

3 農林復合系統(tǒng)對土壤化學特性的影響

土壤有機碳不僅是全球碳循環(huán)過程中的重要儲存庫，而且能影響一系列與土壤生產力相關的物理、化學及生物學性質［24-25］。與氮、磷等營養(yǎng)元素相結合時，土壤有機碳是土壤生物過程的主要能量來源，能有效地增加土壤-植被系統(tǒng)的恢復力 （resilience）［25］。此外， 土壤有機碳能影響土壤結構及其穩(wěn)定性、持水能力、陽離子交換和緩沖能力等土壤物理及化學屬性［25］。與單作農田或森林相比，農林復合系統(tǒng)能通過增加植物殘余物輸入、降低土壤溫度和保護土壤免于侵蝕等途徑維持或提高土壤有機碳水平［26］。目前，大多數研究表明，農林復合經營能提高土壤有機碳含量［27-30］。另外一些研究表明，農林復合經營對土壤有機碳沒有影響［31-34］。此外，Seiter et al.［35］發(fā)現，在美國俄勒岡西部基于Robinia pseudoacacia和Anlus rubra的農林復合系統(tǒng)中，樹木殘余物增加的有機物質輸入仍然不能阻止土壤耕作引起的土壤有機碳和土地生產力下降。Saggar et al［36］.在新西蘭也發(fā)現，草地實行輻射松 （Pinus radiata）林草復合經營后，松針分解釋放的有機酸和樹脂引起土壤酸化，降低土壤有機碳含量下降。Oelbermann et al［32］.在哥斯達黎加和加拿大展開研究發(fā)現，與溫帶農林復合系統(tǒng)相比，熱帶農林復合系統(tǒng)中植物殘余物量較大，而且周轉速率較快，因此在熱帶地區(qū)實行農林復合經營后土壤有機碳的積累速度比溫帶地區(qū)快。在熱帶地區(qū)農林復合經營至少需要10年才能檢測出土壤有機碳發(fā)生顯著變化［37］，溫帶地區(qū)則需要更長的時間。此外，Gupta et al［30］.發(fā)現，與沙質壤土相比，沙質黏土進行基于楊樹的農林復合經營后土壤截獲有機碳的能力更強。在農林復合系統(tǒng)中，土壤有機碳研究結果不一致主要是由于管理措施、氣候、土壤特性、林齡、樹木密度和樹木種類等因素的差異導致的。

土壤養(yǎng)分元素 （如氮、磷）是植物生產力的主要限制因素之一［38-39］。農林復合經營能增加系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)過程、減少系統(tǒng)的養(yǎng)分損失，進而增加植物-土壤系統(tǒng)的養(yǎng)分總量［40］。尤其是在熱帶地區(qū)，固氮植物被廣泛地應用于農林復合系統(tǒng)中。固氮物種能通過生物固氮作用增加土壤養(yǎng)分輸入，促進系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)，改善土壤質量［17,37,40］。 研究發(fā)現，在小麥 （Triticum aestivum）-豇豆（Vigna sinensis）輪作系統(tǒng)中栽種印度黃檀 （Dalbergia sissoo）12年后，土壤全氮和有效氮顯著增加。在溫帶地區(qū)，農林復合經營也能增加土壤有機物質輸入，提高土壤全氮含量［22-23,29］。 王振軍等［41］研究發(fā)現，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)實施林草間作能增加土壤全氮、全磷和全鉀含量。在Saggar et al.［36］的研究中，與林草復合系統(tǒng)相比，基于豆科的草地能增加土壤全氮和氮礦化速率，改善土壤氮素有效性水平。因此，草地實行林草復合經營后土壤氮素有效性反而降低。

在農林復合系統(tǒng)中，樹木還影響著土壤有機碳和養(yǎng)分的空間分布格局。Pandey et al.［42］在印度常見的阿拉伯金合歡 （Acacia nilotica）農林復合系統(tǒng)中發(fā)現，土壤有機碳、全氮、全磷和礦質氮含量在林冠下和林冠邊緣均高于林冠外。許峰等［43］發(fā)現，在三峽庫區(qū)紫色土坡地植物籬農作系統(tǒng)中，植物籬帶之上和籬帶中土壤養(yǎng)分含量均高于籬帶下。Mungai et al.［44］在美國密蘇里發(fā)現，在美洲山核桃 （Carya illinoinensis）-藍草 （Poa trivialis）復合系統(tǒng)中，樹行表層土壤 （0-10cm）的有機碳和全氮含量分別比樹行中間高13%和18%；而在銀楓 （Acer saccharinum）復合系統(tǒng)中，樹行亞表層土壤 （10-30cm）的顆粒有機碳是樹行種間的2～3倍。Oelbermann&Voroney［32］在加拿大南部 13年生楊樹 （Populus deltoids×nigra DN-177）農林復合系統(tǒng)中也發(fā)現，距離樹行越近，土壤有機碳和全氮越高。

當在農用土地上栽種木本植物后，木本植物的深根不僅能夠捕獲氮，降低氮的淋溶率，也可以從深層土壤中或地下水中吸收養(yǎng)分，起 “養(yǎng)分泵”的作用［17,45］。在美國東南部，Bambo et al.［46］也發(fā)現，與牧場相比，林草復合經營顯著降低1.2m深土壤NO3-N含量，減少了土壤NO3-N淋溶。Zhou et al.［42］發(fā)現， 柑橘 （Citrus reticulate）-大豆 （Glycine max）間作使土壤中磷的生物移動性增強，促進土壤深層磷素向土壤淺層遷移。

4 農林復合系統(tǒng)對土壤微生物學特性的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分源和匯的一個巨大的原動力，在植物凋落物的降解、養(yǎng)分循環(huán)與平衡、土壤理化性質改善中起著重要的作用［48］。而且，相對于土壤物理和化學屬性而言，土壤微生物學屬性能對土壤狀況的細微變化做出響應，為土壤質量的變化提供快速、準確的信息［49］。因此，土壤微生物是表征土壤質量最有潛力 的敏 感性指標［48,50］。

作為土壤有機質的活性部分［51］，土壤微生物量既是土壤有機碳和養(yǎng)分轉化與循環(huán)的動力，又可作為土壤中植物有效養(yǎng)分的儲備庫［52］。土壤微生物量能代表參與調控土壤中能量和養(yǎng)分循環(huán)以及有機物質轉化的對應生物的數量，能為土壤有機碳和全氮的變化提供早期信息［48,53］。與單作農田或森林相比，農林復合經營通常能提高土壤有機物質的輸入， 增加土壤微生物量［27-28,54］。Amatya et al.［54］在新西蘭發(fā)現，林草復合經營能提高表層土壤微生物量碳和氮。而Tornquist et al.［31］在哥斯達黎加發(fā)現，由于Vochysia ferruginea能將鋁積累在葉片中，對土壤微生物產生毒害作用，因此林草復合經營對土壤微生物量碳和氮沒有影響。Saggar et al.［36］也發(fā)現，在新西蘭的輻射松農林復合系統(tǒng)中，松針分解釋放的有機酸和樹脂能引起土壤酸化，降低土壤微生物量。這些研究結果不一致可能是由于農林復合系統(tǒng)中樹木凋落物的質量差異引起的。此外，農林復合系統(tǒng)對土壤微生物量的影響還受到林齡的影響。Lee&Jose［55］發(fā)現，美國南部地區(qū)棉花 （Gossypium hirsutum）單作系統(tǒng)的土壤微生物量碳低于47年生美洲山核桃-棉花復合系統(tǒng)，而與3年生美洲山核桃復合系統(tǒng)沒有顯著差異。

土壤微生物活性表示土壤中整個微生物群落或其中的一些特殊種群狀態(tài)，可以反映自然或農田生態(tài)系統(tǒng)的微小變化［1］。土壤微生物活動能釋放植物可利用的養(yǎng)分，降解污染物質，是生物地球化學循環(huán)的重要組成部分［28］。微生物活性不僅反映了微生物對土壤有機質的分解能力［56］，而且還能表征土壤濕度、透氣性、溫度及土壤肥力的狀況［57］。 Chander et al.［27］發(fā)現，在印度的小麥-豇豆輪作系統(tǒng)中栽種印度黃檀12年后，土壤基礎呼吸、脫氫酶活性和堿性磷酸酶活性顯著增加，而且土壤酶活性隨著印度黃檀種植密度的增加而增加。Wan&Chen［58］發(fā)現，在我國江蘇省北部農林復合系統(tǒng)能增加土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶，并且楊-糧間作系統(tǒng)中土壤酶活性高于桐-糧間作系統(tǒng)。Wang et al.［20］發(fā)現，在我國中亞熱帶地區(qū)，與杉木純林相比，杉木與作物間作能提高土壤基礎呼吸、脫氫酶活性、水解酶活性、過氧化氫酶活性和磷酸酶活性，降低土壤代謝熵。大多數研究表明，農林復合經營能增加土壤有機物質輸入，改善小氣候，使其適宜于土壤微生物生長，提高土壤微生物活性。然而，在哥斯達黎加地區(qū)，Vochysia ferruginea葉片中積累的鋁能抑制凋落物分解，因此林草復合經營對土壤代謝熵和氮礦化速率沒有影響［31］。Saggar et al.［36］發(fā)現，以豆科牧草為主、生長良好的草地能為土壤微生物提供更好的基質，土壤碳和氮礦化速率均高于林草復合系統(tǒng)。

在農林復合系統(tǒng)中，樹木通過改變小氣候和凋落物數量及質量來影響土壤微生物量及其活性的空間分布格局。賀明榮和冷壽慈［59］發(fā)現，在糧田種植桃樹后，樹冠下區(qū)及靠近樹冠區(qū)蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、過氧化物酶和多酚氧化酶活性均受到抑制，解磷細菌和纖維分解菌數量及其活性降低。Mungai et al.［60］發(fā)現，在基于美洲山核桃和銀楓的溫帶農林復合系統(tǒng)中，盡管土壤微生物量碳和氮沒有顯著的空間變化格局，但樹行下土壤β-葡萄糖苷酶和熒光素二乙酸酯水解酶顯著高于樹行中間。

5 問題與展望

農林復合經營被認為是一種可持續(xù)的土地利用方式，能有效地維持土壤質量。因此，農林復合經營對土壤質量影響的研究已得到廣泛關注，但仍然需要進一步的研究和探討。隨著林齡的增加，植物有機物質輸入的數量和質量均發(fā)生變化，這將對土壤質量產生怎樣的影響，這對于評價農林復合經營對土壤質量的影響是必不可少的。目前，農林復合系統(tǒng)中土壤質量相關的研究大多集中在表層30cm土壤，很少關注深層土壤，這些深層土壤在土壤肥力和系統(tǒng)生產力維持等方面發(fā)揮著重要的作用，至今對其了解較少，今后應對深層土壤質量的變化進行深入的研究。

目前，農林復合系統(tǒng)具有較高的土壤固碳潛力，被認為能有效地緩和大氣中CO2濃度升高及其引起的氣候變暖。然而，土壤固碳的潛力取決于碳與養(yǎng)分之間的化學計量學特性，因此今后應開展農林復合經營后土壤質量變化與土壤固碳潛力之間關系等方面的研究，并在此基礎上預測其趨勢。

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