農林間作生態系統研究進展探析

郭雄飛，黎華壽，陳紅躍

(1.華南農業大學 資源環境學院，廣東 廣州 510642；2. 華南農業大學 林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642)

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農林間作生態系統研究進展探析

郭雄飛1，黎華壽1，陳紅躍2

(1.華南農業大學 資源環境學院，廣東 廣州 510642；2. 華南農業大學 林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642)

指出了農林間作是現代農林復合系統研究的核心內容之一,對農林業的可持續發展具有重要意義。闡述了農林間作模式的發展歷史及常見的間作模式，歸納了農林間作系統對林下小氣候、土壤養分、土壤水分、土壤酶活性、土壤微生物和間作系統產量的影響等方面的研究進展，并展望了農林間作復合系統研究的發展前景。提出了今后應加強間作系統內不同組分間的競爭作用的比較、農林間作系統的物種配置、模型創建、全球氣候變化與間作競爭機理等方面的研究，并從生態環境修復的角度將間作系統地上部分和地下部分作為一個整體進行了深入分析。

農林間作系統；土壤特性；小氣候；化感作用

1　引言

當今人類社會面臨的人口眾多、糧食短缺、資源匱乏、環境惡化等問題日漸突出，使社會的可持續發展受阻，生態失調。而農林間作模式從資源和土地的利用方式的角度為以上問題提供了科學有效的解決途徑。早在公元前一世紀，我國《汜勝之書》上就記載著林糧間作模式的農業生產形式[1]。1856年，山坡農業(“塔亞”系統)在緬甸取得了很好的效益之后，在世界各地迅速地傳播開來，自此農林間作復合模式逐漸得到發展。對農林復合系統進行分類的研究始于20世紀70年代末期，大多數研究成果源于國外的學者。到20世紀90年代，關于農林復合系統的分類研究，我國學者做出了較為系統詳細的闡述。此后，有關農林間作生態系統的研究也逐漸深入并且取得一些突破性進展，相關文獻也逐漸增多。一些研究表明[2～8]：農林間作不僅能顯著改善系統林下小氣候，減少水土流失、降低風速、提高土壤肥力、增加作物產量，還能夠提高土地利用率，增強系統光能利用效率和水分利用率，以實現農林復合的可持續發展。因此，系統地歸納研究農林間作系統，分析其優劣與現存的問題，為未來農林業生產及農林間作的發展提供理論參考。

2　農林間作系統的概念

關于農林復合系統的概念，不同學者的理解不一樣。這主要是因各國各地區的自然地理條件、人口、氣候、自然資源以及研究人員的學科背景、生活習慣、宗教信仰等因素的差異造成的[9, 10]。盡管各國在各歷史時期給農林復合系統的定義有所差異，但其基本原理相同，其核心內涵可歸納為：農林復合系統是動態的，以生態學、經濟學和系統工程學為基礎的自然資源管理系統，通過在牧地或農林用地上種植林木，并根據各類植被的生物學特性進行物種在時空上的合理搭配，營建多層次、多物種、多產業和環境友好型的人工復合生態系統[11]。

3　農林間作系統的經營模式

理論上，常見的農林復合模式有林草模式、林藥模式、林牧模式、林糧模式、林果模式、林油模式、林菜模式、林菌模式等，實施對象包括生態林、人工林、退耕還林等，范圍涉及廣，類型較多。隨著對農林間作模式的研究不斷深入，不僅對同一間作模式進行機理和產量進行了研究，而且對同一間作模式內的物種時空排列方式及多種不同間作模式間進行了比較性研究。這是由于不同物種間的組配方式對土壤的利用情況在時空上有所差異，物種間產生的化學效應也各不相同。目前對不同間作模式生態結構等進行的研究探討的主要形式有：林果間作[12]、農林間作[13, 14]、不同農作物間作[15]、林蔬間作[16]和林藥間作[17]等。

4　農林間作生態系統研究進展

4.1農林間作對林地小氣候的影響

農林間作對復合系統中的小氣候環境有積極的影響。間作形成的小氣候效應是其它效應和功能發揮的基礎，因此一直是相關領域學者研究的重點。主要表現在復合系統中溫濕度變化、風速變化光環境變化等幾方面。吳剛等[18]研究表明，在黃淮海平原株行距為5m×10m 蘋麥間作模式中。間作模式平均氣溫分別比對照(純種棉花或麥子)分別低 1.1 ℃、1.5 ℃和1.7 ℃。且農林間作系統內氣溫表現為冬季和夜間比林外高，夏季和白天溫度比林外低，溫差縮小，總體上間作系統內部變化相對穩定。李增嘉等[19]對麥梨、麥桃、麥蘋等3種不同間作模式進行研究顯示，與單作麥田相比，間作系統的相對濕度分別提高了3%、9.5%、13.1%,樊巍等[20]研究結果表明，農林間作系統內冬季氣溫高于空曠地，夏季則剛好相反。這種“冬暖夏涼”的特殊生態效應的形成與風速緊密相關[11, 21]。表明間作系統有增加濕度和防風降溫的作用。總結前人的研究發現，多數研究顯示農林間作系統地溫、氣溫、濕度的變化均是對農作物的產量有利，但Corlett和Sing等關于銀合歡樹籬間作系統的研究卻顯示，間作系統中的小氣候變化幅度較小，對農作物的產量無顯著影響[22, 23]。間作系統對光環境的變化主要表現在不合理的間作配置產生遮蔭，造成作物光照不足，進而對作物產生負效應。合理的間作配置能使林木產生恰當的遮蔭，對間作系統中作物產生正效應，增加作物產量。裴保華等[24]研究結果表明，在楊樹與作物間作系統中，當作物冠層日均光照強度高于60%時，間作系統的光能利用率比對照處理高出10.89%。

4.2農林間作對土壤特性的影響

4.2.1間作對土壤養分的影響

土壤肥力對植物生長發育起著至關重要的作用，是反應土壤肥沃程度的重要因素之一。林培群等[25]研究表明，在甘蔗與桉樹間作系統中，收獲甘蔗后土壤有機質含量提高了36.69%；桉樹間作木薯土壤有機質提高了49.23%，桉樹窄行土壤有機質提高了37.88%，土壤全N、全P、全K含量分別比對照林地提高了23.53%、4.44%、14.38%。謝英荷等[26]研究表明，棗-麥間作可促進土壤形成團粒結構和改善土壤孔性，增加土壤氮素和有機質含量。羅萍等[27]對幼齡膠園間作進行的研究顯示，間種香蕉和菠蘿能提高土壤肥力。

4.2.2間作對土壤微生物的影響

土壤微生物可作為反映土壤質量的靈敏指示因子，能預測土壤有機物的變化情況。可將其分為細菌、真菌和放線菌3大形態類別。關于間作模式對土壤微生物群落結構影響的研究報道較多，宋亞娜等[28]利用 PCR/DGGE技術探討了作物根際土壤細菌群落結構對玉米-蠶豆、小麥-玉米和小麥-蠶豆間作模式的響應，結果顯示：間作能夠改變根際土壤細菌群落的組成結構，提高作物根際土壤細菌群落的多樣性。同時證明了間作系統中地下部分微生物多樣性與地上部分植物多樣性之間存在緊密聯系。王瑛等[29]關于麥-棉間作系統中棉花非根際土壤和根際土壤的土壤養分和土壤微生物的研究表明，間作模式中棉花土壤微生物數量和微生物活性顯著高于單做。

4.2.3間作對土壤酶的影響

土壤酶是土壤的重要組成部分，土壤中的生物化學過程等一系列自然界物質循環都有土壤酶的參與。土壤酶對土壤肥力有著良好的指示作用[30]，是土壤養分的活性儲存庫[31, 32]，土壤中C、N、P元素的循環利用過程主要由起決定性作用的一種或幾種同功酶調控[33]，表明土壤酶具有選擇性和專一性的特點。王媛[34]研究表明，相對于巨桉人工純林，農林間作模式下脲酶、過氧化物酶、過氧化氫酶以及磷酸酶活性均較高。間作土壤的類型與土壤酶活性也密切相關。宋海燕[35]等研究表明，對濱海鹽堿地棗園土壤進行分析，土壤過氧化氫酶、脲酶與土壤養分均呈顯著正相關。根據土壤酶活性鑒定土壤類型的研究較少，因此，日后土壤酶研究工作的一個主要方面可能包括界定典型地帶土壤酶活性大致范圍[36]。

4.2.4農林間作對土壤水分的影響

系統耗水量的大小主要受蒸騰強度大小及土壤含水量變化兩方面影響。一般情況下，農林間作系統可通過減小地表徑流和增加地面覆蓋等方式提高土壤水分含量。此外，受農林間作系統小氣候變化的影響，地表水分蒸發量減少，蒸散量降低，使土壤水分狀況得到改善[37]，多數的研究表明間作系統中的土壤水分含量和利用率高于單作模式[38-42]，其可能原因是間作復合系統中的林木可降低作物蒸發蒸騰[43, 44]，但也有研究認為間作會增加系統中作物葉片溫度和氣孔導度，進而增加作物蒸騰耗水，使系統總耗水量增加[45]。并且很多相關研究發現,間作系統中林木與農作物對于土壤水分的激烈競爭導致作物生產力的降低[46, 47]，但農林間作系統中深根植物和淺根植物在土壤中占據不同的空間，形成互補作用,土壤中的水分利用率就會提高[48, 49]。

4.3農林間作生態系統中的作物產量

關于農林間作模式對作物產量的影響，不同學者的研究結果并不統一，有學者認為間作模式促進產量增加，羅照霞等[50]研究表明，與單作模式相比，間作模式小麥產量較高。路海東等[51]研究發現，糧草間作種植模式比糧食單作模式產量增加2.13%～23.88%。高陽等[52]研究表明，間作玉米和大豆總籽粒產量分別比單作玉米和大豆的籽粒產量分別高6%和320%。

有些人認為，由于間作系統中林木與作物對于養分、光能及水分的競爭會使農作物產量降低。Odhiambo等[53]研究發現，銀樺和南洋櫻分別與玉米間作，使玉米產量分別下降了50%和40%。并且，多數研究[54～56]都表明農作物的產量與樹與作物間的距離有關，距離越小、產量越低。

5　農林間作系統的研究展望

農林間作系統的研究正處于快速發展的時期,隨著各學科交叉研究的發展及新工具、新技術、新方法的不斷出現,農林間作復合系統的研究進入了前所未有的發展階段。縱觀前人的研究[58～61]，我國對于農林間作生態系統的基礎研究做的較多，但實際用于實踐以及將農林間作復合系統作為一個整體來進行研究的案例則涉及較少，因缺乏定量研究使得農林間作系統的優勢和應用潛力未能充分發揮出來。

大量研究表明，在農林間作生態系統中，物種間相互作用是間套作增產和資源利用率提高的主要原因[57]。盡管有關間作種間相互作用的機理研究取得了較多成果。但尚未有一個系統且全面的視角來認識和深入理解種間的相互作用。深入理解系統內各個機理過程在發揮生態功能中的作用，對整個間作復合系統進行科學有效地生態調控有著至關重要的作用。近年來國際上對于作物生長模型的研究較少，而理解作物的生長模式對于評價間作模式資源利用效率具有重要作用。因此，國內外關于農林間作系統中作物生長模型的研究將是研究農林間作系統生態經濟效益機理的焦點之一。

[1]向成華. 林農復合經營的研究動態[J]. 四川林業科技, 1993(4):31～34.

[2]SANCHEZ. Science in agroforestry[J]. Agroforestry Systems, 1995,30(1):5～55.

[3]Ong. Productivity, microclimate and water use in Grevillearobusta-based agroforestry systems on hillslopes in semi-arid Kenya. Agriculture[J]. Ecosystems and Environment,2000,80(1):121～141.

[4]高椿翔.林糧間作生態效果分析[J]. 防護林科技, 2000(3):97～98.

[5]楊振江，周彥. 大搞農林間作,實現農林可持續發展[J]. 河北林業科技, 2005(3):33～34.

[6]趙興征，盧劍波. 農林系統研究進展[J]. 生態學雜志, 2004(2):127～132.

[7]尹飛.. 農林復合生態系統土壤特征研究進展[J]. 河南農業科學, 2009(2): 16～20.

[8]程鵬, 曹福亮，汪貴斌. 農林復合經營的研究進展[J]. 南京林業大學學報(自然科學版), 2010(3):151～156.

[9]趙興征，盧劍波. 農林系統研究進展[J]. 生態學雜志, 2004,23(2): 127～132.

[10]彭曉邦，蔡靖，姜在民，等. 光能競爭對農林復合生態系統生產力的影響[J]. 生態學報, 2009,29(1):545～552.

[11]樊巍，孟平，張勁松. 中國復合農林業研究[M]. 北京: 中國林業出版社, 2003:87～10.

[12]段其武，劉宏茂. 柚木、菠蘿間種模式效益分析[J]. 云南林業科技, 1994(66):52～53.

[13]Wang B J，Zhang W，Ahanbieke P, et al. 2014. Interspecific interactions alter root length density, root diameter and specific root length in jujube/wheat agroforestry systems[J]. Agroforestry Systems, 2014,88(5):835～850.

[14]Mustonen P S J, Oelbermann M， Kass. Response of the common bean (Phaseolus vulgaris L.) to Tithoniadiversifolia (Hamsl.) Gray biomass retention or removal in a slash and mulch agroforestry system[J]. Agroforestry Systems, 2014,88(1):1～10.

[15]黃慶海，賴慶旺，賴濤，等. 紅壤稻區玉米不同間種模式的效應研究[J]. 江西農業學報, 1999(4):20～24.

[16]Harterreiten-Souza, é S. The role of integrating agroforestry and vegetable planting in structuring communities of herbivorous insects and their natural enemies in the Neotropical region[J]. Agroforestry Systems, 2014,88(2): 205～219.

[17]王繼永, 王文全，武惠肖. 林藥間作系統光照效應及其對藥用植物高生長的影響[J]. 浙江林學院學報, 2003,20(1):17～22.

[18]秦宜哲，吳剛，馮宗煒. 果糧間作生態系統功能特征研究[J]. 植物生態學報, 1994,18(3): 243～252.

[19]李增嘉，張明亮，李鳳超，等. 糧果間作復合群體地上部生態因子變化動態的研究[J]. 作物雜志, 1994(2):13～15.

[20]樊巍，孟平，李芳東. 河南平原復合農林業[M]. 鄭州: 黃河水利出版社,2001.

[21]陳佳瀛, 宋永昌，王愛民. 上海外環林帶小氣候效應的研究(Ⅰ)[J]. 生態環境, 2005(1):67～74.

[22]R C，J E O. Microclimatic modification in intercropping and alley-cropping systems[J]. Meteorology and Agroforestry，1989:419～429.

[23]SINGH, R P. Above and below ground interactions in alley-cropping in semi-arid India[J]. Agroforestry Systems, 1989，9(3):259～274.

[24]裴保華，袁玉欣. 楊農間作光能利用的研究[J]. 林業科學, 2000，36(3):13～18.

[25]林培群, 余雪標,劉葦,等. 桉農間作系統對土壤性質變化的影響研究[J]. 廣東農業科學, 2010，37(1):24～27.

[26]謝英荷,洪堅平,卜玉山,等. 棗麥間作對土壤肥力的影響[J]. 山西農業大學學報(自然科學版), 2002(3):203～205.

[27]羅萍,姚艷麗,賀軍軍,等. 幼齡膠園間作對土壤肥力的影響[J]. 中國農學通報, 2013，29(1):7～12.

[28]宋亞娜,MARSCHNER ,張福鎖,等. 小麥/蠶豆,玉米/蠶豆和小麥/玉米間作對根際細菌群落結構的影響[J]. 生態學報, 2006(7):2268～2274.

[29]王瑛,孟亞利,陳兵林,等. 麥棉套作棉花根際非根際土壤微生物和土壤養分[J]. 生態學報, 2006(10): 3485～3490.

[30]侯彥會,周學輝,焦婷,等. 甘肅永昌縣放牧草地土壤脲酶活性與土壤肥力的關系初探[J]. 草業學報, 2009(4):111～116.

[31]Acosta-Martínez V, Zobeck T M, Gill T E ,et al. Enzyme activities and microbial community structure in semiarid agricultural soils[J]. Biology and Fertility of Soils, 2003，38(4):216-227.

[32]Badiane N, N Y C,J L P. Use of soil enzyme activities to monitor soil quality in natural and improved follows in semiarid tropical regions[J]. Applied Soil Ecology, 2001，18(3): 229～238.

[33]Salam A. Katayama and M. Kimura, Activities of some soil enzymes in different land use systems after deforestation in hilly areas of West Lampung, South Sumatra, Indonesia[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 1998，44(1): 93～103.

[34]王媛. 農林復合與煉山對巨桉人工林土壤酶活性的影響[D]. 雅安：四川農業大學，2011.

[35]宋海燕,李傳榮,許景偉,等. 濱海鹽堿地棗園土壤酶活性與土壤養分、微生物的關系[J]. 林業科學, 2007(S1): 28～32.

[36]葉彥輝. 黃土高原農林復合系統景觀邊界土壤養分、微生物和酶活性的研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2007：83.

[37]Cannell M G,R M. Noordwijk and C.K. Ong, The central agroforestry hypothesis: the trees must acquire resources that the crop would not otherwise acquire[J]. Agroforestry Systems, 1996，34(1):27～31.

[38]曹生奎,馮起,司建華,等. 植物葉片水分利用效率研究綜述[J]. 生態學報, 2009(7):3882～3892.

[39]Droppelmann, K J. Water use efficiency and uptake patterns in a runoff agroforestry system in an arid environment[J]. Agroforestry Systems, 2000，49(3): 223～243.

[40]Siriri D, Wilson J, Coe R, et al. Trees improve water storage and reduce soil evaporation in agroforestry systems on bench terraces in SW Uganda[J]. Agroforestry Systems, 2013，87(1):45～58.

[41]Everson C S,Dye P J,Gush M B, et al. Water use of grasslands, agroforestry systems and indigenous forests[J]. Water SA, 2011，37(5).

[42]Lin, B B. The role of agroforestry in reducing water loss through soil evaporation and crop transpiration in coffee agroecosystems[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2010，150(4):510～518.

[43]K P A. Water table and soil moisture distribution below some agroforestry tree species[J]. Indial Journal of Forestry, 1998，21(20):119～123.

[44]Richards R A, R G J C. Breeding opportunities for increasing the efficiency of water use and crop yield in temperate cereals[J]. Crop science, 2002(42): 111～121.

[45]van den Beldt R J B,A J J. Windbreak-crop interaction in the Sahel: I Dependence of shelter on filed conditions[J]. Agric For Meteorol, 1995(75): 215～234.

[46]Nissen T M, Midmore D J, Cabrera M L. Aboveground and belowground competition between intercropped cabbage and young Eucalyptus torelliana[J]. Agroforestry Systems, 1999，46(1):83～93.

[47]Odhiambo H O,Ong C K,Deans J D, et al. Roots, soil water and crop yield: tree crop interactions in a semi-arid agroforestry system in Kenya[J]. Plant and Soil, 2001，235(2):221～233.

[48]Droppelmann K J, Ephrath J E， Berliner P R. Tree/crop complementarity in an arid zone runoff agroforestry system in northern Kenya[J]. Agroforestry Systems, 2000，50(1):1～16.

[49]G S. A review of belowground interactions in agroforestry, focusing on mechanisms and management options[J].Agroforestey Systems, 1999(43): 5～34.

[50]羅照霞,柴強. 不同灌溉方式及間作對小麥產量及邊際效應的影響[J]. 甘肅農業大學學報, 2009，44(1):69～73.

[51]路海東,賈志寬,楊寶平,等. 寧南旱區坡地不同糧草間作模式下產量和土壤水分利用效應[J]. 草地學報, 2010(2):242～246.

[52]高陽,段愛旺,劉祖貴,等. 間作種植模式對玉米和大豆干物質積累與產量組成的影響[J]. 中國農學通報, 2009(2):214～221.

[53]Odhiambo H O,Ong C K,Deans J D, et al. Roots, soil water and crop yield: tree crop interactions in a semi-arid agroforestry system in Kenya[J]. Plant and Soil, 2001，235(2):221～233.

[54]戴曉琴,郭興強,李鵬,等. 平原農區幼齡楊樹間作農作物的產量表現[J]. 生態學雜志, 2006(12): 1515～1519.

[55]Muthuri C W,Ong C K,Black C R, et al. Tree and crop productivity in Grevillea, Alnus and Paulownia-based agroforestry systems in semi-arid Kenya[J]. Forest Ecology and Management, 2005，212(1):23～39.

[56]Muchiri M N,Pukkala T,Miina J. Optimising the management of maize—Grevillearobusta fields in Kenya[J]. Agroforestry Systems, 2007，56(1):13～25.

[57]寧堂原,焦念元,安艷艷,等. 間套作資源集約利用及對產量品質影響研究進展[J]. 中國農學通報, 2007，23(4):159～163.

[58]徐丹,劉昌華,蔡太義, 等. 農田土壤有機質和全氮三維空間分布特征研究[J]. 農業機械學報， 2015(12).

[59]趙占輝,張叢志,劉昌華,等. 河南封丘縣域農田土壤固碳速率空間變異特征及其影響因素[J]. 應用生態學報，2016(5).

[60]張合兵,蔡太義,黃會娟, 等. 中原糧食主產區土地生態文明建設水平測度:以新鄭市為例[J]. 中國人口資源與環境，2015(S1).

[61]李芳,信秀麗,張叢志, 等. 長期不同施肥處理對華北潮土酶活性的影響[J]. 生態環境學報，2015(6).

[62]趙占輝,張叢志,蔡太義, 等. 不同穩定性有機物料對砂姜黑土理化性質及玉米產量的影響[J]. 中國生態農業學報，2015(10).

[63]蔡太義,馬守臣,呂鵬, 等. 基于PSR模型的土地生態安全評價研究——以焦作市為例[J]. 湖北農業科學，2014(6).

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

廣東省林業科技創新項目(編號：2014KJCX015)

郭雄飛(1987—)，男，華南農業大學資源環境學院博士研究生。

陳紅躍(1964—)，男，教授，主要從事森林培育方向的科研與教學工作。

S664.2

A

1674-9944(2016)16-0176-04