喀斯特山地混農林業水分效應的研究進展

何方燕， 熊康寧， 朱大運

（貴州師范大學喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州貴陽 550001）

石漠化本質上是一種在自然和人為雙重作用下的土地退化過程（熊康寧等，2016），脆弱的生態環境成為喀斯特石漠化治理中經濟發展的桎梏，阻礙著石漠化區貧困的脫離，十九大明確指出，實施生態修護工程，持續推進石漠化的綜合治理。在石漠化治理中，地表-地下二元結構的發育，使其陷入“缺水少土”的尷尬處境，這客觀上加大了石漠化治理與經濟發展的難度。經過多年的石漠化水土綜合整治，盡管在生態建設方面取得了較為顯著的成果（熊康寧等，2012），但產業化不足，經濟和生態平衡力度不夠的問題也日益凸顯。混農林作為一種高產低投且持續穩定的系統，在協調資源、環境、經濟方面起著不可忽視的作用，為農、林業的發展帶來了新的思路（孟平等，2004），科學地配置混農林，可降低棵間土壤蒸發，減少無效水分消耗；能夠增加土壤水分的賦存，改善土壤水分環境；通過構建“空間錯位”的水分利用體系及深根植被的水力作用，利于實現水資源的高效利用；混農林的截流效應可延緩地表產流，鑒于混農林業在節水增值產業發展中的重要作用以及對推動石漠化綜合治理走向產業化的現實意義，本文從蒸散效應、土壤水分效應、水分利用效應及截留效應對混農林水分效應進行系統地分析和綜述，指出了石漠化治理中混農林業研究存在的問題，并對進一步的研究提供了思路，可為混農林業的發展與石漠化治理提供參考。

1 混農林業的水分效應

1.1 水分利用效應

1.1.1 水分利用策略 根系是植物吸收水分的重要器官，其空間分布影響植被對水分的吸收能力和效率，混農林系統通過深根樹木利用深層水分，淺根作物利用淺層水分來構建“空間錯位”的水分利用體系，實現不同層次及不同深度水分的吸收與利用（何春霞等，2012；董宛麟等，2011）。在熱帶稀樹大草原，February等（2007）發現，草本主要利用表層土壤水，而樹木主要是利用深層土壤水，根系的深淺搭配利于水分的充分利用。在黃土丘陵區，霍高鵬等（2017）利用穩定同位素示蹤技術對混農林系統水分利用進行研究，表明樹木與作物水分利用策略存在明顯區別。

在喀斯特石漠化地區，土壤水分的時空異質性較強，表現為空間分布的不均衡性、破碎性及干旱時間、頻次的不確定性，植被的水分利用受季節、地形因子的影響較大（丁亞麗等，2016），植物根系具有二態性（Williams等，2000），增強了植物對異質生境的適應能力，表現在旱季，植被的根系可使用深層土壤水及地下水，而雨季，植物的根系可迅速轉為利用表層土壤水 （Zencich等，2002），何春霞等（2016）發現干旱造成了核桃-菘藍間作系統中核桃吸水根下移，利用深層土壤水，而雨季核桃吸水根上移，優先利用淺層土壤水或直接吸收雨水，表現出良好的可塑性。喀斯特地區類型多樣的生境條件及其水分虧缺的異質性，植被主要通過靈活多變的水分利用策略來適應水分虧缺具有時間、次數不確定性（黃甫昭等，2019；鄧曉琪等，2015），因而植被在旱季和雨季的水分利用策略呈現較大的差異，表現為干旱生境植物的水分利用效率高于濕潤生境，這是植被適應喀斯特異質生境及實現物種共存的一種策略。

1.1.2 水力作用 水力作用是指一些深根植物從深層土壤中吸收水分，提升并釋放到淺層土壤的現象，表現為水分在大氣、植物與土體之間的交換（White等，2010）。混農林系統中深根樹木存在“水力作用”，且該作用隨著干旱程度的增加而加深（Sun 等，2014；Yun 等，2012）。 深根樹木的“提水作用”，可將土壤深處的水分提至淺層，供作物使用，進而達到一種水分的互惠互利，對干旱地區旱情起到一定的緩沖作用 （Shen等，2011；Mcmichael等，2010）。在石漠化治理區，植被水分的來源主要是土壤水、淺層裂隙水和表層巖溶帶水，在旱季，深根樹木對裂隙水或溶洞水的利用，有利于緩解表層土壤的供水壓力，并為淺層作物創造一個有利的環境，從而增強系統的耐旱能力。

混農林系統種間水分利用關系并不總是互利的，其相互作用往往因不同配置方式而存在差異（Cao等，2012），從生態位理論的角度來看，根系重疊是導致競爭的一個必要條件，混農林系統可充分利用水資源，但搭配不合理所產生的種間水分競爭也尤為突出。在石漠化治理中，加強混農林系統水分利用的研究，探明混農林復合條件下不同植被的用水策略以及對干旱環境的適應策略，進行混農林立體優化配置機理的研究及技術的研發，構建“空間錯位”的水分利用關系，盡可能避免水分利用中不必要的競爭，是實現混農林系統充分利用水資源及混農林配置的基礎。

1.2 蒸散效應

1.2.1 土壤蒸發 蒸散包括土壤蒸發和植物蒸騰，土壤蒸發是由外界條件影響而造成的土壤水分散失，沒有直接參與植被生長、發育及干物質的形成，屬于無效水分消耗，石漠化治理中水資源匱乏，發展節水型混農林業主要降低土壤蒸發這部分無效水分的消耗，進而在相同的水分消耗范圍內獲取最多的產出。艾鵬睿等（2018）對太陽輻射和土壤蒸發進行模擬表明，太陽輻射是影響土壤蒸發的主要因子，混農林系統通過植被的空間復合，對林下環境產生一個保護層，起到削弱太陽輻射的作用，這種作用能有效減少土壤的蒸發散失 （Kubota等，2015；KёOhler等，2014）。 喀斯特山區地下不均質構造，蒸散量以土壤蒸發為主（王飛宇等，2017），地理單元小與土壤淺薄導致水分賦存能力較低，通過混農林的復合經營，減少土壤蒸發這部分無效水分在混農林系統耗水量中的比例，可提高石漠化治理區水分的利用率，產生良好的保水效應。

1.2.2 植物蒸騰 植物蒸騰涉及土壤-植被-大氣的相互作用，能夠增加植被對土體的吸力，降低土體滲透系數并增加土體抗剪強度，具有良好的土體加固效應，進而對防止地表侵蝕具有一定的作用（吳宏偉，2017），由于研究區域及所選取的混農林類型存在較大差異，再者研究的代表性和典型性有待論證，導致混農林復合對林下植被蒸騰影響的結論還未統一（張勁松等，2003）。因此，混農林復合經營對林下植被蒸騰的影響仍然是石漠化區混農林業研究的重要內容，另外，植物蒸騰的力學作用是石漠化治理非常有潛力的一個內容，但研究較為匱乏，未來石漠化治理中應加強這方面的探索。

1.3 土壤水分效應

1.3.1 正效應 水是喀斯特石漠化的驅動力，其缺失制約著石漠化治理區生態建設與植被恢復，石漠化的綜合治理主要是解決水的問題。混農林復合經營能改善土壤水分狀況，促進土壤水分賦存，如 Siriri等（2013）研究 SW Uganda梯田上的幾種混農林系統表明，林農間作具有提高土壤水分的作用；為了闡明間作不同經濟作物的水分調控效應，凌強等（2016）在紅棗林地間作油菜和黃花菜發現，間作經濟作物能夠顯著改善紅棗林土壤水分環境，對緩解黃土丘陵區季節性干旱起了重要的作用；在三峽庫區，劉月嬌等（2015）對柑橘園的間作研究表明，柑橘周年間作可增加地表覆蓋度，促進水分入滲，產生良好的保水效果。在石漠化治理區，土壤淺薄，地理單元小，非均質的地上-地下構造，造成土壤水分賦存能力低，混農林復合經營作為一種水土保持的生物措施，在土壤水分賦存方面可產生較好的水分效應，顏萍等（2016）對封山育林模式、人工種草模式、經果林治理模式與混農林模式進行研究發現，混農林模式對土壤水分環境的改善優于其他三種模式，石漠化治理效果最佳。

1.3.2 負效應 由于蒸騰耗水的正負效應問題還未達成一致的觀點，加上前人的研究大多是短時間內單一模式的對比，且各個地區氣候、地形以及混農林間作方式、間作密度等存在較大的差異，有學者認為，混農林系統提高了植被蒸散量，加大了土壤水分的消耗，不會對土壤水分的改善起到任何作用。如在遼北地區，王克林等（2016）對楊樹-玉米間作系統的土壤水分進行研究表明，楊樹-玉米間作系統比單作玉米消耗了更多的土壤水分；在晉西黃土區，王丹等（2018）對蘋果花生間作系統土壤水分的研究也表明，與花生單作比較，間作系統土壤水分在花生各生育期皆呈現出負效應。喀斯特地區石質生境，地質地貌條件本身與非喀斯特區就有一定差異，二元結構發育及土壤的導水性質，土壤水分的影響因子涉及土質及環境要素（何興潼等，2018），土壤水分具有較強的時空異質性（賈金田等，2016；張繼光等，2008），故關于石漠化治理中混農林系統土壤水分的研究處于起步階段，因此，未來石漠化治理中應繼續加強混農林系統土壤水分效應的研究，為石漠化治理區可持續的混農林模式構建提供理論依據。

1.4 截留效應 喀斯特水土流失及地表徑流的嚴峻性成為石漠化綜合治理的重大問題，混農林通過對雨水的截留，起到減流減沙的作用。

1.4.1 正效應 混農林業作為水土綜合整治的生物技術，在減少地表徑流、促進水分入滲等方面起著重要的作用 （丁怡飛等，2018；Sahin等，2016；Torralba等，2016）。樹木提供了一個保護層，即樹冠、枯落物層和下層植被，可減少雨滴的影響和相關的侵蝕（Liu等，2016），林冠層能夠通過對降雨的截留及再分配影響地表徑流的產生及大小，實現雨水資源的再分配。降雨初期，冠層的葉片可吸收部分雨滴，并通過葉片絨毛張力將未被吸收的雨滴滯留于表面，滯留雨滴量超過葉片張力時，落至下層葉片，使雨滴到達地面需要一定的時間，從而能有效地削減地表產流 （史宇等，2013；黃進，2011）。枯落物對徑流的攔截由枯落物的蓄積量及其對地表的影響決定（牛勇等，2015），它能通過影響地表粗糙率來避免降雨對土壤的直接擊濺 （張翼夫等，2015），在石漠化治理區，地表植被覆蓋稀疏，表層土壤易受降雨的濺擊，枯落物覆蓋可有效延緩地表產流（周秋文等，2018），對減少表層土壤侵蝕具有重要意義。

1.4.2 負效應 下層植被的截留效應，往往取決于它的管理措施，如趙英等（2012）在低丘紅壤區對南酸棗間作花生模式研究發現，在南酸棗林地，花生的種植盡管減小了地表徑流，卻也加劇了土壤的流失，這可能與土壤的翻耕破壞土壤的表層結構有關，土壤經過中耕松土可以增加地表入滲，有利于減少地表徑流，表層土壤的擾動將引起土壤侵蝕的增加。在石漠化治理區，地表侵蝕劇烈，部分地方甚至到了無土可流的地步，混農林經營應充分考慮立地條件，對于地勢較平坦的基本農田，可進行林糧復合經營，但在生態恢復為主的坡地，盡可能地選擇翻耕較少的林草混農林間作方式，根據不同的立地條件及石漠化程度配置不同的混農林治理方式，并通過凋落物的覆蓋等保墑措施或農藝措施來維持較高的地面糙率，利于降低土壤侵蝕，實現水土保持效益的最大化。

2 混農林業在石漠化區的研究不足與展望

混農林業復合經營能夠減少石漠化治理區有限水資源的無效消耗，促進巖溶石漠化地區裂隙水及溶洞水的利用，在石漠化治理中產生良好的水分效應，并具有較好的應用前景。但目前，混農林業在石漠化治理區的研究仍處于起步階段，顏萍等（2016）發現農林混合模式具有顯著的保水性能，陳海等（2019）分析了混農林業對土壤環境的影響及其在改善土壤環境方面的作用，Wu等（2018）論述了混農林業在增加碳固存、減少水土流失、增加土壤養分等方面的生態效益，吳清林等（2018）從石漠化環境水土綜合整治與山地混農林業的前沿理論中闡明了混農林業在水土綜合整治中的潛力，盡管為石漠化治理與混農林業的發展提供了重要的支撐，但大多為評述性的研究，無論是理論研究、技術研發還是模式構建等基礎理論均較匱乏，未來石漠化治理中混農林業的研究還需要在以下幾個方面深入研究。

2.1 植被用水策略以及對干旱環境適應策略的研究 針對石漠化區混農林系統水分利用來源及水分利用效率低的問題，應加強植被用水策略以及對干旱環境適應策略的研究。根系重疊是混農林系統水分競爭的必要條件，農林復合經營面臨的最大挑戰是確定物種組合，在水資源利用上盡量減少樹木和作物之間不可避免的競爭（Ong等，2015）。從石漠化治理中混農林業的發展現狀來看，大多混農林的搭配經營都以農民的經驗為基礎，較難實現規模化、產業化、集約化經營（楊蘇茂等，2017）。因此，研究混農林系統植被水分利用策略及其對干旱環境的適應策略，探明石漠化區混農林復合經營條件下根系的空間分布格局，揭示混農林系統的空間配置機理，是石漠化治理中混農林立體優化配置及構建“空間錯位”的水分利用關系的基礎。

2.2 混農林治石的關鍵技術研究 植物是天然的工程師，具有防止地表侵蝕的潛能，目前混農林業在水土保持方面的研究大多只考慮了截留和抗蝕保肥能力，對于混農林系統根系的力學加筋作用的研究較為匱乏，并忽略了更為重要的水力作用，植被的水力作用，主要表現為水分在大氣、植物與土體之間的交換，即植物蒸散發能增加土體吸力，增強土體抗剪強度，從而起到防止地表侵蝕的作用。在石漠化治理中，為了減緩地表侵蝕、控制水土流失的進程，應加強混農林系統土壤-植被-大氣相互作用機理的探究，探明混農林系統根系的水力作用和力學加筋作用，研發混農林治石的關鍵技術。

2.3 混農林系統水分運移機制的研究 針對石漠化治理中植被耗水規律不明、土壤水分運動規律不清的問題，進行混農林系統水分運移機制的研究。在石漠化治理中，二元結構及土壤的導水性質，水土的地表流失及地下漏失強烈，巖溶裂隙、落水洞及地下暗河的發育，使喀斯特水文循環涉及生物圈、水圈、巖石圈、土壤圈和大氣圈的相互作用，導致土壤水分的分布及運動較為復雜，與非喀斯特地區存在較大的差異。故關于石漠化治理中混農林系統土壤水分的研究較為滯后，特別是將土壤-植被-大氣作為一個系統來探究土壤水分運動的研究尤為匱乏。因此，石漠化治理中繼續進行混農林系統土壤水分效應研究的同時，還應將土壤-植被-大氣作為一個完整的系統，探究混農林復合條件下土壤水分運動的規律及其驅動機制，進行土壤水分運動模擬研究，定量分析混農林系統土壤水分運動過程，為石漠化治理中混農林高效利用水資源，制定科學的水分調控措施，以及揭示水土漏失機理提供基礎理論支撐。

2.4 農藝、工程節水技術與保墑技術的研發 石漠化區盡管降雨量較為豐富，但地表管道裂隙廣泛分布，地下空間的發育，加之土層淺薄且不連續，導致地表水資源的賦存困難，造成地表水資源匱乏，地下水資源豐富但難以利用的局面，為促進裂隙水及溶洞水的吸收與利用，減輕淺層土壤的水分供給壓力，構建節水型混農林模式，并專注于農藝、工程、保墑技術的研發，并根據混農林類型選取不同的配套技術，為實現水資源的高效利用與調控創造可能性，進而為推動混農林業在石漠化治理中的可持續發展提供有價值的參考。

3 結語

混農林在石漠化治理中具有良好的水分效應，科學的配置與管理是混農林在石漠化治理區持續發展的必要條件。首先，合理挑選間作植被。石漠化區特殊的生境條件適合建植高光合、低蒸騰型的植被（池永寬等，2014），而若將枝繁葉茂的植被引入該區進行混農林復合經營，由此產生的林木與作物爭水的現象及植被需水與土壤供水之間的矛盾將難以想象。其次，科學地配置。既包括混農林配置，又包括混農林的區域空間配置，從混農林配置來看，根系的空間格局應注重“深-淺”組合，可充分利用各層土壤中的水分，避免同一土壤層水分的競爭，而生長期應強調“早-晚”配置，錯開關鍵的生長發育期，避免在生育期同時競爭水分，通過混農林配置構建“空間錯位”的水分利用關系，既是時間上又是空間上的錯位。從混農林的區域空間配置來看，巖溶石漠化地區小生境類型多樣，不同生境下小氣候亦差異較大（白義鑫等，2018），應根據不同立地條件的氣候、地表形態、土壤、植被、水土流失、石漠化程度、水資源等的特點及分布規律進行混農林的布局，如池永寬等（2015）根據石漠化等級與石漠化發生的潛在指數進行農草林草的空間布設，產生了良好的石漠化治理成效。最后，提升混農林經營技術，加強水分管理，是混農林在石漠化治理區實現可持續的有效途徑。