农林复合经营对土壤质量的影响

肖 娜，胡少伟

（湖南省邵阳市环境保护研究所，邵阳 422000）

1 引言

作为地球生物圈的重要组成部分，土壤既是生产食物、纤维及林产品不可替代或缺乏的自然资源，又是保持地球系统的生命活性，维护整个人类社会和生物圈共同繁荣的基础［1］。然而，近几十年来，由于人类的不合理利用和管理，导致土壤及土地资源质量退化，严重影响、破坏人类赖以生存的环境。目前，人类活动引发的土壤侵蚀、大气污染、过渡耕作、过牧、盐碱化及沙漠化等已经造成地球上约40%的农业土地退化［2］。土壤退化及其对农业生产力和自然生态系统的影响已成为人类面临的主要环境问题之一［3］。而且，随着全球人口数量的不断增长，土壤退化的现象还会加剧［4］。因此，当前人类面临的最大挑战就是如何发展可持续性的土地经营系统，在获取食物和纤维的同时能维持一个安全而清洁的环境［3］。

农林复合系统 （agroforestry system），又可称为复合农林业、混农林业或农用林业，是有目的地将多年生木本植物与农业或牧业用于同一土地经营单位，并采取时空排列法或短期相间的经营方式，使农业、林业在不同的组合之间存在着生态学与经济学一体化的相互作用［5］。自20世纪70年代中期以来，由于 “人口剧增、粮食短缺、资源危机以及环境恶化”这一全球性问题的出现，农林复合系统受到世界上众多国家和地区的普遍关注和广泛重视［6-7］。从理论上来说，农林复合系统中的木本植物能增加系统的有机物质输入，改善土壤结构、持水能力及微生境，降低土壤侵蚀和淋溶引起的土壤养分损失，提高土壤生物活性［8-9］。因此，农林复合系统被广泛认为是一种可持续的土地利用方式，能有效地提高土壤质量，实现农业的可持续生产［7,9-10］。考虑到土壤质量是土地实现可持续经营的基础，了解农林复合经营对土壤物理、化学及微生物学特性的影响，对于维持土壤的长期生产力、评价农林复合系统的可持续性有着重要的意义。

2 农林复合系统对土壤物理特性的影响

土壤水分是作物吸水的最主要来源，能影响作物的生长、养分传输、氧气可利用性、微生物和动物呼吸、养分淋溶等土壤物理、化学及生物学过程［11］。关于农林复合系统土壤水分的研究已大量展开，但由于土壤水分状况受降水、农田蒸散、土壤物理性质、树木吸水特性等多种因素的影响，至今仍没有形成统一的研究结论［12］。在温带和半干旱热带地区，林木和作物对土壤水分的竞争及树冠截留会降低土壤含水量，而且与树行距离越近，土壤含水量越低［13-15］。王兴祥等［16］在我国低丘红壤地区也发现，花生 （Arachis hypogaea）-南酸枣（Choerospondias axillaries）间作系统中南酸枣种植带土壤含水量比单作南酸枣要低；而文化一和康珉 （1990）在我国云南省发现，在红壤地区农林间作可以减少土壤水分径流量，增加土壤入渗，提高土壤贮水量，土壤水分状况得到改善。此外，农林复合系统中，具有深根系的树木还能通过水力提升作用 （hydraulic lift）吸收底层土壤的水分，并将其释放到表层土壤，改善表层土壤的水分状况［17］。 Filella&Penuelas［18］用同位素标记研究地中海松 （Pinus halepensis）的水力提升作用，结果发现在干旱的夏季，地中海松附近的乳香黄连木 （Pistacia lentiscus）的水分状况明显改善，而在湿润的春季则没有观察到此现象。

土壤结构是土粒的排列、组合形式，包含着结构体和结构性两个方面［1］。土壤结构影响着植物根系的生长，以及土壤水分、空气和养分的移动性和可利用性［19］。农林复合系统中，树木主要通过以下4个方面来影响土壤结构： （1）增加地表覆盖，减少雨滴对土壤团聚体结构的破坏； （2）通过增加生物量、降低土壤温度和减少土壤侵蚀等途径提高土壤有机质含量和微生物活性，进而改善土壤结构； （3）树木根系的穿插作用影响土壤结构； （4）通过增加凋落物输入、改善小气候和停止土壤耕作等途径影响土壤动物的丰富度、组成和活性，通过土壤动物的穴居活性 （burrowing activity）影响土壤结构［19］。Wang et al.［20］在我国中亚热带地区发现， 与杉木（Cunninghamia lanceolata）纯林相比，杉木与作物间作能降低土壤的扩散系数 （dispersion coefficient）和结构破坏系 数 （structure destruction coefficient）， 改善土 壤 结 构 。Alegre&Cassel［21］在秘鲁发现，农林复合经营4年后土壤容重降低，土壤中大团聚体的比例得到提高，土壤渗透性增强。Udawatta et al.［22-23］在美国密苏里州发现，与单作作物相比，实行农林复合经营的缓冲带 （agroforestry buffer）能降低土壤容重，提高土壤水稳定团聚体。

3 农林复合系统对土壤化学特性的影响

土壤有机碳不仅是全球碳循环过程中的重要储存库，而且能影响一系列与土壤生产力相关的物理、化学及生物学性质［24-25］。与氮、磷等营养元素相结合时，土壤有机碳是土壤生物过程的主要能量来源，能有效地增加土壤-植被系统的恢复力 （resilience）［25］。此外， 土壤有机碳能影响土壤结构及其稳定性、持水能力、阳离子交换和缓冲能力等土壤物理及化学属性［25］。与单作农田或森林相比，农林复合系统能通过增加植物残余物输入、降低土壤温度和保护土壤免于侵蚀等途径维持或提高土壤有机碳水平［26］。目前，大多数研究表明，农林复合经营能提高土壤有机碳含量［27-30］。另外一些研究表明，农林复合经营对土壤有机碳没有影响［31-34］。此外，Seiter et al.［35］发现，在美国俄勒冈西部基于Robinia pseudoacacia和Anlus rubra的农林复合系统中，树木残余物增加的有机物质输入仍然不能阻止土壤耕作引起的土壤有机碳和土地生产力下降。Saggar et al［36］.在新西兰也发现，草地实行辐射松 （Pinus radiata）林草复合经营后，松针分解释放的有机酸和树脂引起土壤酸化，降低土壤有机碳含量下降。Oelbermann et al［32］.在哥斯达黎加和加拿大展开研究发现，与温带农林复合系统相比，热带农林复合系统中植物残余物量较大，而且周转速率较快，因此在热带地区实行农林复合经营后土壤有机碳的积累速度比温带地区快。在热带地区农林复合经营至少需要10年才能检测出土壤有机碳发生显著变化［37］，温带地区则需要更长的时间。此外，Gupta et al［30］.发现，与沙质壤土相比，沙质黏土进行基于杨树的农林复合经营后土壤截获有机碳的能力更强。在农林复合系统中，土壤有机碳研究结果不一致主要是由于管理措施、气候、土壤特性、林龄、树木密度和树木种类等因素的差异导致的。

土壤养分元素 （如氮、磷）是植物生产力的主要限制因素之一［38-39］。农林复合经营能增加系统的养分循环过程、减少系统的养分损失，进而增加植物-土壤系统的养分总量［40］。尤其是在热带地区，固氮植物被广泛地应用于农林复合系统中。固氮物种能通过生物固氮作用增加土壤养分输入，促进系统养分循环，改善土壤质量［17,37,40］。 研究发现，在小麦 （Triticum aestivum）-豇豆（Vigna sinensis）轮作系统中栽种印度黄檀 （Dalbergia sissoo）12年后，土壤全氮和有效氮显著增加。在温带地区，农林复合经营也能增加土壤有机物质输入，提高土壤全氮含量［22-23,29］。 王振军等［41］研究发现，在黄土高原丘陵沟壑区实施林草间作能增加土壤全氮、全磷和全钾含量。在Saggar et al.［36］的研究中，与林草复合系统相比，基于豆科的草地能增加土壤全氮和氮矿化速率，改善土壤氮素有效性水平。因此，草地实行林草复合经营后土壤氮素有效性反而降低。

在农林复合系统中，树木还影响着土壤有机碳和养分的空间分布格局。Pandey et al.［42］在印度常见的阿拉伯金合欢 （Acacia nilotica）农林复合系统中发现，土壤有机碳、全氮、全磷和矿质氮含量在林冠下和林冠边缘均高于林冠外。许峰等［43］发现，在三峡库区紫色土坡地植物篱农作系统中，植物篱带之上和篱带中土壤养分含量均高于篱带下。Mungai et al.［44］在美国密苏里发现，在美洲山核桃 （Carya illinoinensis）-蓝草 （Poa trivialis）复合系统中，树行表层土壤 （0-10cm）的有机碳和全氮含量分别比树行中间高13%和18%；而在银枫 （Acer saccharinum）复合系统中，树行亚表层土壤 （10-30cm）的颗粒有机碳是树行种间的2～3倍。Oelbermann&Voroney［32］在加拿大南部 13年生杨树 （Populus deltoids×nigra DN-177）农林复合系统中也发现，距离树行越近，土壤有机碳和全氮越高。

当在农用土地上栽种木本植物后，木本植物的深根不仅能够捕获氮，降低氮的淋溶率，也可以从深层土壤中或地下水中吸收养分，起 “养分泵”的作用［17,45］。在美国东南部，Bambo et al.［46］也发现，与牧场相比，林草复合经营显著降低1.2m深土壤NO3-N含量，减少了土壤NO3-N淋溶。Zhou et al.［42］发现， 柑橘 （Citrus reticulate）-大豆 （Glycine max）间作使土壤中磷的生物移动性增强，促进土壤深层磷素向土壤浅层迁移。

4 农林复合系统对土壤微生物学特性的影响

土壤微生物是土壤生态系统中养分源和汇的一个巨大的原动力，在植物凋落物的降解、养分循环与平衡、土壤理化性质改善中起着重要的作用［48］。而且，相对于土壤物理和化学属性而言，土壤微生物学属性能对土壤状况的细微变化做出响应，为土壤质量的变化提供快速、准确的信息［49］。因此，土壤微生物是表征土壤质量最有潜力 的敏 感性指标［48,50］。

作为土壤有机质的活性部分［51］，土壤微生物量既是土壤有机碳和养分转化与循环的动力，又可作为土壤中植物有效养分的储备库［52］。土壤微生物量能代表参与调控土壤中能量和养分循环以及有机物质转化的对应生物的数量，能为土壤有机碳和全氮的变化提供早期信息［48,53］。与单作农田或森林相比，农林复合经营通常能提高土壤有机物质的输入， 增加土壤微生物量［27-28,54］。Amatya et al.［54］在新西兰发现，林草复合经营能提高表层土壤微生物量碳和氮。而Tornquist et al.［31］在哥斯达黎加发现，由于Vochysia ferruginea能将铝积累在叶片中，对土壤微生物产生毒害作用，因此林草复合经营对土壤微生物量碳和氮没有影响。Saggar et al.［36］也发现，在新西兰的辐射松农林复合系统中，松针分解释放的有机酸和树脂能引起土壤酸化，降低土壤微生物量。这些研究结果不一致可能是由于农林复合系统中树木凋落物的质量差异引起的。此外，农林复合系统对土壤微生物量的影响还受到林龄的影响。Lee&Jose［55］发现，美国南部地区棉花 （Gossypium hirsutum）单作系统的土壤微生物量碳低于47年生美洲山核桃-棉花复合系统，而与3年生美洲山核桃复合系统没有显著差异。

土壤微生物活性表示土壤中整个微生物群落或其中的一些特殊种群状态，可以反映自然或农田生态系统的微小变化［1］。土壤微生物活动能释放植物可利用的养分，降解污染物质，是生物地球化学循环的重要组成部分［28］。微生物活性不仅反映了微生物对土壤有机质的分解能力［56］，而且还能表征土壤湿度、透气性、温度及土壤肥力的状况［57］。 Chander et al.［27］发现，在印度的小麦-豇豆轮作系统中栽种印度黄檀12年后，土壤基础呼吸、脱氢酶活性和碱性磷酸酶活性显著增加，而且土壤酶活性随着印度黄檀种植密度的增加而增加。Wan&Chen［58］发现，在我国江苏省北部农林复合系统能增加土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶，并且杨-粮间作系统中土壤酶活性高于桐-粮间作系统。Wang et al.［20］发现，在我国中亚热带地区，与杉木纯林相比，杉木与作物间作能提高土壤基础呼吸、脱氢酶活性、水解酶活性、过氧化氢酶活性和磷酸酶活性，降低土壤代谢熵。大多数研究表明，农林复合经营能增加土壤有机物质输入，改善小气候，使其适宜于土壤微生物生长，提高土壤微生物活性。然而，在哥斯达黎加地区，Vochysia ferruginea叶片中积累的铝能抑制凋落物分解，因此林草复合经营对土壤代谢熵和氮矿化速率没有影响［31］。Saggar et al.［36］发现，以豆科牧草为主、生长良好的草地能为土壤微生物提供更好的基质，土壤碳和氮矿化速率均高于林草复合系统。

在农林复合系统中，树木通过改变小气候和凋落物数量及质量来影响土壤微生物量及其活性的空间分布格局。贺明荣和冷寿慈［59］发现，在粮田种植桃树后，树冠下区及靠近树冠区蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、过氧化物酶和多酚氧化酶活性均受到抑制，解磷细菌和纤维分解菌数量及其活性降低。Mungai et al.［60］发现，在基于美洲山核桃和银枫的温带农林复合系统中，尽管土壤微生物量碳和氮没有显著的空间变化格局，但树行下土壤β-葡萄糖苷酶和荧光素二乙酸酯水解酶显著高于树行中间。

5 问题与展望

农林复合经营被认为是一种可持续的土地利用方式，能有效地维持土壤质量。因此，农林复合经营对土壤质量影响的研究已得到广泛关注，但仍然需要进一步的研究和探讨。随着林龄的增加，植物有机物质输入的数量和质量均发生变化，这将对土壤质量产生怎样的影响，这对于评价农林复合经营对土壤质量的影响是必不可少的。目前，农林复合系统中土壤质量相关的研究大多集中在表层30cm土壤，很少关注深层土壤，这些深层土壤在土壤肥力和系统生产力维持等方面发挥着重要的作用，至今对其了解较少，今后应对深层土壤质量的变化进行深入的研究。

目前，农林复合系统具有较高的土壤固碳潜力，被认为能有效地缓和大气中CO2浓度升高及其引起的气候变暖。然而，土壤固碳的潜力取决于碳与养分之间的化学计量学特性，因此今后应开展农林复合经营后土壤质量变化与土壤固碳潜力之间关系等方面的研究，并在此基础上预测其趋势。

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