基于STICS模型的黃土高原蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

邵主恩,趙西寧,高曉東,王紹飛,王憲志,吳普特,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,楊凌 712100

黃土高原是全球最大的優(yōu)質(zhì)蘋果主產(chǎn)區(qū),種植面積和產(chǎn)量均超過(guò)全球的25%[1- 2],干旱缺水和土壤肥力低下是限制該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)建設(shè)的主要因素[3]。黃土高原蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力較強(qiáng),能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)所形成與維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境與效用[4- 5]。果園是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,不僅提供了果實(shí)產(chǎn)品的市場(chǎng)服務(wù),還提供了其他的非市場(chǎng)服務(wù),固碳潛力較大[6]；但果園也會(huì)造成大量溫室氣體排放[7],對(duì)人類健康、環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有利于保持較高的果實(shí)生產(chǎn)水平,也利于保護(hù)水分和土壤等自然資源以及礦化等生態(tài)系統(tǒng)功能[8-10]。氣候和農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)果園生態(tài)系統(tǒng)功能的動(dòng)態(tài)聯(lián)系和不同反應(yīng)產(chǎn)生了果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同和權(quán)衡作用,然而量化這些作用是比較困難的。因此,開(kāi)展蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究對(duì)黃土高原蘋果園綠色可持續(xù)生產(chǎn)具有重要作用。

研究不同空間尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)已成為當(dāng)前熱點(diǎn)問(wèn)題[11],其中模型模擬是有效且可靠的手段[12]。基于模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究多局限于區(qū)域和國(guó)家尺度,而田塊尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究相對(duì)較少。例如,常見(jiàn)的區(qū)域和國(guó)家尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模型有InVEST、ARIES等模型,這些模型已在北美和中國(guó)等多地取得了良好的模擬效果[13]。但是上述模型結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)化,模型參數(shù)缺乏率定和驗(yàn)證,導(dǎo)致在田塊尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中存在較大的不確定性[14],而研究田塊尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有利于解析區(qū)域和國(guó)家尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的復(fù)雜性特征。在田塊尺度上使用作物模型能夠規(guī)范農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的功能、服務(wù)、相互聯(lián)系和動(dòng)態(tài)響應(yīng),諸如APSIM[15]、CropSyst[16]和DSSAT[17]等作物模型已經(jīng)廣泛用于模擬農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的特定功能,但很少有研究使用這些作物模型分析多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況,且這些作物模型難以模擬多年生木本作物。而STICS(Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard)模型[18]具有強(qiáng)大的通用性和可操作性等特點(diǎn),能夠應(yīng)對(duì)蘋果園不同的土壤、氣候和管理方案,可以較好地對(duì)蘋果園進(jìn)行模擬,且已經(jīng)在法國(guó)蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面得到初步應(yīng)用[19- 20]。

基于STICS模型研究農(nóng)業(yè)管理措施和氣候?qū)μO果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,并在此基礎(chǔ)上對(duì)黃土高原地區(qū)土壤氮可利用性、氣候調(diào)節(jié)、水循環(huán)調(diào)節(jié)和果實(shí)生產(chǎn)四種蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)估,以此為果園生態(tài)系統(tǒng)管理提供依據(jù),從而實(shí)現(xiàn)黃土高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)和諧發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)區(qū)一位于陜西省渭南市白水縣西北農(nóng)林科技大學(xué)蘋果園試驗(yàn)基地(35°4′N,109°16′E),屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,土壤主要為黃綿土,田間持水量為23%,土壤pH為8.2, 多年平均氣溫11.4℃, 多年平均降水量550.8 mm,降水年際變化大,無(wú)霜期為207 d。選取6年生矮化自根砧紅富士蘋果,砧木為M26,株行距1 m×4 m,南北向種植。

該試驗(yàn)設(shè)黑色園藝地布覆蓋、秸稈覆蓋及清耕無(wú)覆蓋3個(gè)處理,每處理3行,每行40株,4次重復(fù),共12個(gè)小區(qū)。選擇生長(zhǎng)健壯,樹(shù)勢(shì)中庸,無(wú)病蟲(chóng)害果樹(shù)進(jìn)行試驗(yàn)布設(shè),試驗(yàn)期間除覆蓋處理不同外,各處理其他管理措施一致。

試驗(yàn)區(qū)二位于陜西省榆林市子洲縣清水溝山地有機(jī)蘋果種植基地(37°27′N,110°20′E),屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。土壤類型主要為黃綿土, 田間持水量為21.7%, 多年平均氣溫9.1℃,多年平均降水量453.6 mm,主要集中在7―9月份,無(wú)霜期為164 d。選取8年生、矮化中熟品種蜜脆蘋果,種植株行距為2 m×3.5 m,東西向種植。

該試驗(yàn)設(shè)有3個(gè)灌水處理,充分供水：85%θf(wàn)(θf(wàn)為田間持水量)、輕度虧缺：75%θf(wàn)、重度虧缺：50%θf(wàn)。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),各小區(qū)其他管理措施一致且都是裸地清耕。采用滴灌方式灌水,每個(gè)種植行左右設(shè)置兩根滴灌管,滴灌管順?lè)N植行布置,滴頭流量3 L/h,滴頭間距30 cm, 灌水時(shí)間分別為5月9日、5月16日和5月31日,總共3次,總灌水量分別為50、40、30 mm。

兩個(gè)試驗(yàn)地具體的管理措施以及逐日氣溫和太陽(yáng)輻射如表1和圖1所示：

表1 STICS模型對(duì)蘋果園參數(shù)化和評(píng)估的六個(gè)果園系統(tǒng)的主要特性

圖1 各試驗(yàn)地蘋果園生育期內(nèi)逐日氣溫和太陽(yáng)總輻射量 Fig.1 Daily temperature and total solar radiation during the growth period of apple orchards in each experimental site

1.2 測(cè)定項(xiàng)目

1.2.1土壤水分

土壤含水量測(cè)定采用管式TDR系統(tǒng)(TRIME-IPH,IMKO,德國(guó)),TDR測(cè)管分別位于果樹(shù)株間、樹(shù)冠外圍距主干50 cm處及果樹(shù)行間,10 d或者15 d監(jiān)測(cè)1次,雨后加測(cè),測(cè)量深度為100 cm,深度間隔20 cm,共5層,其中白水共測(cè)定24次,子洲共測(cè)定17次。

1.2.2蒸發(fā)蒸騰

采用水量平衡方程計(jì)算每月總的蒸發(fā)蒸騰量,結(jié)合土壤水分測(cè)定情況,白水樣本量共計(jì)6個(gè),子洲樣本量共計(jì)5個(gè)。果樹(shù)耗水量：

ET=P-ΔW

(1)

式中,ET為果樹(shù)耗水量(mm)；P為有效降雨量(mm)；ΔW為月初與月末土壤貯水量的差值(mm)。

1.2.3土壤硝態(tài)氮

用土鉆在距離樹(shù)干50 cm處沿著“S”型曲線(五點(diǎn)法)采樣,采集100 cm剖面的土壤樣品,間隔20 cm,每個(gè)處理共采集100個(gè)土樣,所取土樣帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)風(fēng)干、研磨,過(guò)2 mm篩,再用紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮。

1.2.4產(chǎn)量和平均單果重

果實(shí)成熟期稱量每株樹(shù)的蘋果重量,每個(gè)處理共選取12株果樹(shù),然后統(tǒng)計(jì)每個(gè)處理蘋果個(gè)數(shù)和產(chǎn)量。每個(gè)處理的總重量除以總個(gè)數(shù)為平均單果重。

1.2.5N2O和土壤碳流失

查閱蘋果園的溫室氣體排放和土壤呼吸的研究文獻(xiàn),同時(shí)借鑒相關(guān)研究的meta-analysis[21]結(jié)果,對(duì)3個(gè)處理的模擬指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3 研究方法

1.3.1STICS模型

STICS(Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard)模型是于1996年由法國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院建立的通過(guò)逐日氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的土壤作物機(jī)理性模型[18],能夠模擬多年生木本作物的水碳氮平衡過(guò)程[22]。該模型在葉片表面發(fā)育的基礎(chǔ)上描述了作物的生長(zhǎng),葉片表面能夠攔截光并將其轉(zhuǎn)化為生物量,這些生物量通過(guò)源匯法分配給根、果實(shí)、葉子和莖。樹(shù)木的物候期和關(guān)鍵變量日期是用來(lái)模擬作物果樹(shù)生長(zhǎng)的基礎(chǔ)[19]。

1.3.2STICS模型對(duì)蘋果園的參數(shù)化

由于STICS模型現(xiàn)有版本不包括蘋果,因此首先應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化。本文主要包括3種方法：1)試驗(yàn)地直接測(cè)量的參數(shù),例如最大株高和兩個(gè)物候期之間的積溫。2)例如生長(zhǎng)的最優(yōu)溫度和限制溫度的參數(shù)可以從蘋果樹(shù)的參考文獻(xiàn)中可以獲得。3)使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)、模型參數(shù)曲線和全局參數(shù)化估計(jì)。此目的是為了獲得完整的一套模型蘋果參數(shù),這些參數(shù)對(duì)于該模型運(yùn)用到新作物來(lái)說(shuō)是最敏感和最重要的[23],經(jīng)模型率定后的主要參數(shù)如表2。

1.3.3模型評(píng)估

本研究選取清耕和充分灌溉處理的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,其余處理相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行分析對(duì)比,采用相對(duì)平均偏差(MD)、相對(duì)均方根誤差(RRMSE)和模擬精度(EF)評(píng)估模型模擬效果：

(2)

(3)

(4)

表2 主要的蘋果園STICS模型參數(shù)意義和取值

1.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)、生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)和綜合評(píng)價(jià)

每類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能被一個(gè)或者幾個(gè)指標(biāo)來(lái)描述(表3),土壤氮可利用性指標(biāo)為平均土壤硝態(tài)氮濃度；氣候調(diào)節(jié)指標(biāo)主要考慮溫室氣體N2O排放,是一個(gè)負(fù)面影響[10],也考慮土壤和樹(shù)體的碳固存量；水循環(huán)調(diào)節(jié)指標(biāo)為平均土壤含水量和生育期內(nèi)總的蒸發(fā)蒸騰量；果實(shí)生產(chǎn)指標(biāo)為產(chǎn)量和平均單果重。

影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)如表4所示：因?yàn)榈V化能夠影響土壤氮可利用能力,所以相應(yīng)的功能指標(biāo)是累積礦化氮數(shù)量；用土壤累積腐殖碳數(shù)量描述為土壤碳固存, 使用葉片、果實(shí)和莖中的平均碳含量當(dāng)做凈初級(jí)生產(chǎn)力和最大地上生物量；在樹(shù)體的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,水分虧缺和氮素虧缺會(huì)對(duì)果樹(shù)生產(chǎn)有影響；氮吸收的功能指標(biāo)是一年生器官吸收的最大氮數(shù)量。

使用服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)值S表達(dá)每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的大小,S計(jì)算公式如下：

(5)

式中,s是果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值smin,smax分別是果園生態(tài)系統(tǒng)中最小和最大的服務(wù)值。標(biāo)準(zhǔn)值S在0到1之間變化。

表3 果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)和單位

表4 果園生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)和單位

2 結(jié)果與分析

2.1 模型評(píng)估

由圖2和表5可以看出：產(chǎn)量和單果重RRMSE低于15%以及EF接近0,產(chǎn)量和單果重模擬效果較好,但子洲果園產(chǎn)量模擬值存在低估現(xiàn)象,同時(shí)所有果園單果重模擬值都存在低估現(xiàn)象,尤其是秸稈覆蓋和充分灌溉的果園。隨著添加覆蓋措施和增大灌水量,產(chǎn)量和單果重均增大。果園土壤含水率RRMSE和EF分別在15%和-0.6左右,土壤水分模擬效果較好,且較好的模擬出土壤水分的短暫性變化。旱作果園模擬效果優(yōu)于灌溉果園,其中白水果園土壤水分平均模擬值與平均實(shí)測(cè)值較接近,子洲果園土壤水分平均模擬值低于平均實(shí)測(cè)值。但萌芽期和花期模擬效果均較差,模擬值存在嚴(yán)重的低估現(xiàn)象；模型對(duì)降雨的響應(yīng)比較敏感,能迅速模擬出水分動(dòng)態(tài)變化,受后期幾次降雨和灌溉的影響,土壤水分模擬效果變優(yōu),模擬值與實(shí)測(cè)值吻合程度較好。果園各月蒸發(fā)蒸騰RRMSE為27%,在一定誤差范圍內(nèi),而且大部分情況下蒸發(fā)蒸騰量模擬值存在低估現(xiàn)象,尤其是在6―8月,其中灌溉果園的蒸發(fā)蒸騰量模擬效果優(yōu)于旱作果園。綜上,STICS模型均能較好的模擬蘋果園產(chǎn)量、單果重、土壤水分和蒸發(fā)蒸騰。

2.2 蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分析

本研究從氮營(yíng)養(yǎng)平衡和水文循環(huán)來(lái)分析蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),即與水、碳、氮相關(guān)的服務(wù)：

(1)與氮循環(huán)相關(guān)的服務(wù)：秸稈覆蓋的果園氮吸收和土壤硝態(tài)氮濃度高于其他果園(表6,表7),同時(shí)土壤保水能力較低；硝態(tài)氮和含水量分別與氮礦化和土壤碳固定正相關(guān)和負(fù)相關(guān)(圖3),硝態(tài)氮與含水量負(fù)相關(guān)(圖4)。氮礦化和土壤碳固定主要由土壤水分飽和度影響(圖5)。施肥、灌溉和覆蓋能夠影響氮礦化能力(圖5)。N2O與土壤硝態(tài)氮負(fù)相關(guān)(圖4)。

表5 STICS模型對(duì)產(chǎn)量、單果重、土壤含水量和蒸散量的模擬效果評(píng)估

表6 STICS模型果園生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)模擬值

表7 STICS模型果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)模擬值

(2)與碳循環(huán)相關(guān)的服務(wù)：在極端氣候事件下子洲的產(chǎn)量降到14.64 t/hm2(表7),產(chǎn)量與樹(shù)體碳固定和果樹(shù)碳數(shù)量正相關(guān)(圖4)；總固碳量與氮吸收正相關(guān)(圖3),總固碳量取決于樹(shù)體固碳數(shù)量,而果樹(shù)的葉片、莖、果實(shí)發(fā)育取決于氮吸收；子洲單果重較大,果實(shí)數(shù)較少(表7)。果實(shí)數(shù)與單果重負(fù)相關(guān)(圖4)。子洲果園產(chǎn)量和總固碳量較低(表7)。

(3)與水循環(huán)相關(guān)的服務(wù)：子洲充分灌溉的果園土壤水分高于其他果園(表7)。含水量與N2O正相關(guān)(圖4)。蒸發(fā)蒸騰與產(chǎn)量的關(guān)系不顯著(通常是二次曲線關(guān)系),但是與總固碳負(fù)相關(guān)(圖4)。葉片水分充足指數(shù)與蒸發(fā)蒸騰正相關(guān)(圖3)。

圖3 果園生態(tài)系統(tǒng)功能與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between orchard ecosystem functions and ecosystem services

圖4 果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同關(guān)系和權(quán)衡關(guān)系Fig.4 Orchard ecosystem service synergy and trade-off

圖5 氣候和農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)功能的影響Fig.5 Impact of climate and agricultural management on ecosystem functions that are more relevant to ecosystem services

2.3 蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況

農(nóng)業(yè)管理措施和氣候?qū)麍@生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況影響較為顯著。不同灌水量對(duì)灌溉果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況影響較大。灌溉能夠增加產(chǎn)量、單果重和土壤水分；灌水量越大,N2O排放量越大。充分灌溉的果園服務(wù)能力較強(qiáng),但服務(wù)概況與重度虧缺灌溉的果園相反,有著較大的蒸發(fā)蒸騰、土壤水分和N2O排放量。覆蓋可以提高果實(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤含水量,但增加了N2O排放(表7,圖6)。地布覆蓋的果園服務(wù)概況與清耕果園相反(圖6),產(chǎn)量、單果重和土壤水分較大,但是N2O排放量較小。秸稈覆蓋的果園服務(wù)概況與地布覆蓋的果園比較相似(圖6),都有著較大的產(chǎn)量、單果重、土壤水分和總固碳量。

圖6 果園生態(tài)系統(tǒng)在雷達(dá)圖上的服務(wù)概況Fig.6 The service profile of the orchard ecosystem on the radar chart

3 討論

3.1 STICS模型在蘋果園可持續(xù)生產(chǎn)中的應(yīng)用

蘋果園在保證最大生產(chǎn)力的同時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮改善環(huán)境和保護(hù)自然資源,從而實(shí)現(xiàn)蘋果園可持續(xù)發(fā)展。使用STICS模型可以評(píng)估蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)和量化蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況,所以該模型可較好地用于指導(dǎo)蘋果園可持續(xù)生產(chǎn)。

基于STICS模型估算和表征蘋果園各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的結(jié)果還存在一定差異。子洲蘋果園產(chǎn)量模擬值出現(xiàn)低估現(xiàn)象是因?yàn)槿路莸囊淮螛O端氣候事件導(dǎo)致減產(chǎn),而STICS模型不能對(duì)此事件進(jìn)行模擬造成的；但所有蘋果園單果重模擬值存在低估現(xiàn)象,分析其原因主要與模型中設(shè)置統(tǒng)一的蘋果品種參數(shù),而試驗(yàn)中蘋果品種不一致關(guān)系密切。旱作果園的土壤水分模擬效果優(yōu)于灌溉果園主要是因?yàn)樵撃Ｐ蛯?duì)降雨和灌溉比較敏感,土壤水分受到灌溉措施的波動(dòng)引起的；蒸散量模擬值偏低的原因與該模型不能精確的對(duì)蘋果生育期進(jìn)行模擬,導(dǎo)致葉面積指數(shù)等參數(shù)與實(shí)際差距較大有很大的關(guān)系。土壤硝態(tài)氮模擬值與實(shí)測(cè)值較為接近,這與Jing等[24]的研究結(jié)果一致；但是N2O排放模擬值偏高,主要是因?yàn)楸狙芯恐惺┓蕽舛雀哂趍eta-analysis[21]中的濃度(平均施肥量104 kgN/m2),而施肥對(duì)N2O排放影響較大造成的。樹(shù)體碳固定模擬值高于Zanotelli等[25]的研究結(jié)果,偏高主要是因?yàn)楸狙芯恐锌紤]了蘋果園地上一年生木材生產(chǎn)中的碳固定造成的；土壤碳流失模擬值低于Montanaro 等[26]的研究結(jié)果,偏低的原因是沒(méi)有考慮與根際呼吸有關(guān)的土壤碳損失量,而土壤碳損失量與土壤、氣候和管理措施有密切關(guān)系。

本研究使用STICS模型量化蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況,在對(duì)比這些蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況后得出,地布覆蓋和輕度虧缺灌溉的蘋果園服務(wù)能力最強(qiáng),原因是這兩種管理措施高效地增強(qiáng)了各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能；然而,從蘋果園生產(chǎn)和生態(tài)兩方面綜合考慮,地布覆蓋和輕度虧缺灌溉的蘋果園是最理想的,原因主要有兩點(diǎn)：(1)這兩個(gè)蘋果園生產(chǎn)力較強(qiáng),而且產(chǎn)生的溫室氣體負(fù)面影響較小；(2)這兩個(gè)蘋果園的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同作用的正面效應(yīng)較大,權(quán)衡作用的負(fù)面效應(yīng)較小,使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益最大化[27]。因此,權(quán)衡蘋果園生態(tài)過(guò)程,經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益,充分發(fā)揮蘋果園關(guān)鍵主體之間的協(xié)作關(guān)系是實(shí)現(xiàn)蘋果園可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

3.2 氣候和農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

新興的可持續(xù)農(nóng)業(yè),則希望將自然過(guò)程協(xié)調(diào)和人為調(diào)控融合,建立近自然的高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體系[28]。對(duì)于蘋果園,氣候和農(nóng)業(yè)管理措施分別是自然調(diào)控和人為調(diào)控因子,因此,研究氣候和農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響對(duì)實(shí)現(xiàn)蘋果園可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

圖7 供應(yīng)服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)之間的權(quán)衡作用 Fig.7 The trade-off between support service and regulation service 每個(gè)點(diǎn)代表每個(gè)果園系統(tǒng),紅色線代表供應(yīng)服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)的最高值,點(diǎn)劃線代表離理想情景下的距離

子洲地區(qū)2018年是個(gè)歉收年(“off-crop”年),這會(huì)引起一些果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供應(yīng)能力減弱,主要體現(xiàn)在果樹(shù)生產(chǎn)以及固碳和反硝化兩方面。由于“off-crop”情景下樹(shù)體對(duì)氮素的需求會(huì)減少,氮素不斷積累在土壤中,導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮濃度變大。“off-crop”情景的出現(xiàn)可能是很多因素造成的,例如在弱光[29]、低溫[30]以及作物負(fù)載或荷爾蒙作用下導(dǎo)致分化花蕾數(shù)量的減少,因此產(chǎn)量會(huì)受到影響。結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,很可能是因?yàn)槿路莸囊淮蔚勾汉录鸬?但是目前沒(méi)有模型能夠?qū)υ撌录M(jìn)行模擬。

覆蓋措施對(duì)蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有著較顯著的影響。一方面,因?yàn)楦采w可以改善土壤結(jié)構(gòu)和減少土壤無(wú)效蒸發(fā),提高保水效果,同時(shí)增加樹(shù)體增長(zhǎng)量,促進(jìn)果樹(shù)發(fā)育,所以能提高產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)[31]；另一方面,因?yàn)楦采w對(duì)土壤水分和溫度有顯著影響,然而土壤水分和溫度是影響N2O產(chǎn)生、傳輸和排放的主要因子,所以覆蓋必將對(duì)土壤N2O通量產(chǎn)生深刻的影響[32]。因?yàn)樯趦?nèi)適當(dāng)?shù)墓喔瓤梢詮浹a(bǔ)對(duì)土壤水分的消耗,利于果實(shí)有機(jī)物積累,進(jìn)而提高果樹(shù)產(chǎn)量和品質(zhì)。本研究中灌溉雖然提高了果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)[33],但是由于灌水量較少,達(dá)不到顯著提高土壤氮素的要求；同時(shí),所有灌溉系統(tǒng)都是按照果樹(shù)水分需求設(shè)置的,雖然存在重度水分虧缺處理,但對(duì)模擬結(jié)果影響較小。

從所有果園生態(tài)系統(tǒng)在2和3范圍內(nèi)和離理想化的距離可以看出農(nóng)業(yè)管理措施能緩和供應(yīng)服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)之間的權(quán)衡作用(圖7), 因?yàn)槿藶楣芾泶胧┦强梢愿淖兿嗷ジ?jìng)爭(zhēng)服務(wù)對(duì)的一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo),導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)作用發(fā)生了改變[34]。地布覆蓋和輕度虧缺灌溉的果園生態(tài)系統(tǒng)有著最短的距離,而此距離代表著權(quán)衡作用的程度,所以地布覆蓋和中度水分虧缺灌溉能夠最佳地優(yōu)化權(quán)衡作用,一定程度上使得綜合效益最大化。

4 結(jié)論

本研究利用STICS模型對(duì)黃土高原蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行分析和評(píng)估,得出結(jié)論如下：(1)STICS模型較好地解決了蘋果園生態(tài)系統(tǒng)功能的復(fù)雜性難題,同時(shí)把農(nóng)業(yè)管理措施、生態(tài)系統(tǒng)功能及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)緊密地聯(lián)系在一起,而且通過(guò)STICS模型分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的方法是較有前景的。(2)農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況影響較顯著,是果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強(qiáng)有力的驅(qū)動(dòng)因子,其中地布覆蓋和中度虧缺灌溉的果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況較相似且最平衡,是較理想的果園；(3)除了固碳與產(chǎn)量、單果重或者果樹(shù)相關(guān)指標(biāo)是協(xié)同作用,其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都是權(quán)衡作用；(4)農(nóng)業(yè)管理措施優(yōu)化了權(quán)衡作用,減輕了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與調(diào)節(jié)服務(wù)之間的矛盾,地布覆蓋和中度水分虧缺灌溉最佳地緩和了權(quán)衡作用。