农林复合系统生态服务功能研究综述①

谷瑶++朱永杰++姜微

摘 要 农林复合系统能够提供多种生态系统服务，本文从固碳、水土保持、防灾减灾、生物多样性保护、改善土壤肥力、改善空气和水质等6个方面对农林复合系统的生态系统服务功能和环境效益展开讨论，依次总结了近期农林复合生态系统的研究成果，表明各地区对农林系统生态服务的强烈需求以及改善土地利用和减少贫困的愿望，指出提高林农对农林复合生态系统认识的必要性。

关键词 生物多样性保护 ；碳汇 ；清洁空气和水 ；土质改善 ；生态系统服务 ；水土保持 ；土地可持续经营

分类号 Q148

农林复合（Agroforestry）是一种传统的生产经营模式，拥有约1 300年的历史，起源于家庭农场。1982年国际农林复合系统委员会（the International Council for Research in Agroforestry， ICRAF）将农林复合生态系统定义为“通过时空布局安排，在家畜和（或）农作物利用的土地经营单元内，种植多年生的木本植物，在生态和经济上各组分之间具有相互作用系统”[1]。该系统具有复合型、整体性、多样性、系统性、稳定性、集约型以及高效性等特点[2]，集合了土壤、田野和景观的特性，具备农业和林业的综合优势，结合了林学、生物学、农学、生态学、气候学、社会经济学和系统科学等多学科知识与技术。20世纪80年代初开始，研究人员对农林复合生态系统提供的服务与环境效益进行了深入研究，理论和应用研究发展逐步系统化[3]。各地区逐渐认识到该模式的实用性和重要性，美国农业部在2011年发布了《农林战略框架，2011-2016》，强调了农林复合经营模式对美国农、林业经济和生态环境保护的重要性，以及提高公众对农林复合模式的认识必要性[4]。过去由于缺乏可靠的科学依据，农林复合管理模式的发展受到了阻碍，尽管农林复合经营模式相比传统经营模式有很多优势，大部分农民仍认为采取新经营模式存在一定的风险。随着研究的深入和系统化，农林复合系统逐渐被视为多功能景观的重要组成部分，为人类提供生态系统服务和经济效益。

新千年生态系统评估（MillenniumEcosystem Assessment， MA， 2005）以及农业科技发展国际评估（International Assessment of Agriculture Science and Technology for Development， 2008）均强调了农林生态系统的多功能性。在空间和时间布局上林木、农作物或动物的优化组合，农林复合系统具有增加土壤肥沃程度、减少土壤侵蚀、提高水质、增强生物多样性、景观多样化和固碳等多种用途。本文将农林系统的主要生态系统服务分为六大类：固碳、水土保持、防灾减灾、生物多样性保护、改善土壤肥力、改善空气和水质，对全球范围内农林生态实践的生态系统服务和环境效益的研究进行汇总，旨在说明农林复合模式是实现土地可持续经营的重要途径之一。

1 农林复合系统的生态服务功能与环境效应

1.1 固碳功能

全球气候变暖和降水分布改变，减缓温室气体特别是CO2的排放成为当今世界各国政府和科学家研究热点问题之一。《京都议定》提出的“土地利用、土地利用变化和林业” （Land use， land use change and forestry，LULUCF）后，农林复合系统因其较高的固碳能力，能减少空气中二氧化碳，引起了全球科学家们的广泛关注[5-6]。固碳就是水体、土壤及植物通过物理或生物过程减少大气中二氧化碳的能力。相比单一农、林或草系统，农林复合系统中树木和作物间相互作用利于系统固碳量的增加，系统汇集的定型碳可在碳市场进行交易，且固定碳量随着林木轮伐期的增加而增加，或通过木质产品制造永久保存。另外，由于大气中大量的碳可通过微生物贮存于地表或土壤中，其中菌根真菌作为固碳菌，能将CO2长期贮存在土壤中，可在一定程度上减少大气中CO2的含量[7]。

农林生态系统的固碳能力随系统的类型、物种组成、物种年龄、地理环境、环境因素和管理措施等有一定的差异。由于具体数据的缺失，农林生态系统固碳能力的研究结果对比较困难。研究人员尝试用不同方法计量农林复合系统的全球固碳量。P. K. Ramachandran Nair利用固碳能力计算方法，预测了全球农林复合系统总面积为1 023百万hm2，在50年内有1.9 Pg的固碳量，各地区农林复合系统固碳能力有很大差异，西非植物的固碳能力仅有0.29 mg/（hm2·a），而波多黎各的混合物种生态系统中可达15.21 mg/（hm2·a）[8]。不同地区农林复合系统中土壤含碳量差异较大，加拿大山谷农业系统土壤碳含量仅为1.25 mg/hm2，而在哥斯达黎加大西洋海岸林牧复合生态系统土壤碳可达到173 mg/hm2。通过分析热带农林复合系统的储碳数据，Alain Albrecht预测该类系统的固碳量在12～228 mg/hm2[9]。另外研究人员发现在干旱、半干旱或荒废区的农林复合系统相对肥沃潮湿地区固碳能力低，温带农林系统的固碳能力较热带地区的低[10]。家庭花园农林复合系统对气候变化的适应性也有巨大的潜力，在干旱区其单位面积平均地表碳汇能力可达到C 26 mg/hm2，能够减少森林的全球碳汇压力[11]。

农林复合模式能改善农田和草原大规模退化的现状，实现系统固碳能力的增加。对比传统的牧、林系统，改进后西非农林复合系统有更强的固碳能力[12]。印度西北部杨树农林系统的土壤有机碳浓度以及水份较单一农、林系统更高，并随树龄增加而增加[13]，南部家庭花园树木种植密度和立木特征影响着土壤的固碳能力，土壤固碳能力随着物种数量和树木种植密度的增加而增强[14]。所有这些研究表明农林生态系统相对传统单一农业或林业系统有更强固碳能力。

1.2 水土保持

在经济发展初期，人类过度毁林开荒，森林植被破坏严重，生态平衡被打破。暴雨过分集中，林地涵养水源能力丧失，水土流失严重。研究发现农林复合模式能有效控制土壤侵蚀、涵养水源，增强水土保持能力，提高单位面积土地的经济效益，具有很好的推广应用前景。

农林复合系统的水土保持功能，在我国的应用广泛，用于缓解我国水分分布不均和水土流失严重的紧迫局面，虽然在系统发展前期水土流失程度仍较为严重，但中期趋于稳定[15]。我国辽西北地区最佳的农林复合模式为大扁杏-花生-玉米[16]，能够改良土壤、水土保持。南水北调中线水源区的寨沟小流域，农林复合模式作为主要的水土保持措施对南水北调水源区的保护有意义[17]。北川退耕还林采用的农林复合经营模式，如林药、林茶桑、林草牧模式，年减少泥沙流失量近105 t/a，涵养水源超过105 m3/a[18]。晋西黄土区的沿川河谷农田水土流失防治措施主要为农林复合，通过对比研究发现核桃-玉米复合系统是该区水土保持效果最佳的一种农林复合类型[19]。南方红壤丘陵地区的果间套种技术能起到治理水土流失作用，并且植草措施能够减少果园水土流失，同时可改善土壤结构、增加土壤表层有机质和有效水库容，有利于季节性干旱防御[20]。总之，农林复合模式的水土保持效果明显优于单一的农业模式。

1.3 防灾减灾

稳定性的农林复合系统能减少作物和林木的害虫，对病虫害有一定的防御作用，有望减少防灾减灾成本。在适宜的气候条件下印度尼西亚可可农林系统可可虫数量与黄蜂（Rhynchiumhaemorrhoidale）数量呈正相关，因此可以通过控制黄蜂数量作为防治可可虫害的一种有效的工具[21]。花椒农林复合生态系统的昆虫群落多样性、均匀度明显要高于除草后的单一花椒种植模式，害虫天敌的增加，一定程度上能够增加花椒的产量[22]。农林复合能够提高生态系统的稳定性，梨园套种芳香性植物能够减少康斯托克粉蚧的数量，尤其是紫花霍香蓟（A. houstonianum），在夏天日照时间增加的情况下康斯托克粉蚧大量减少[23]。

1.4 生物多样性保护

对人类和地球的健康有重要作用的生态系统和物种正逐渐消失，生物多样性保护十分紧迫。生物多样性包括景观多样性、物种多样性和生态系统多样性。农林生态系统作为生物多样性的保护的有效措施之一，通常通过景观多样性的保护来实现物种多样性保护，最终实现生态系统多样性的保护。农林复合对生物多样性保护有五方面的作用：为物种提供栖息环境；保护脆弱物种育种；提供比传统农业系统效率更高、可持续的方法，减缓自然保护区的转化速度；通过提供水土保持以及防止土壤侵蚀等生态系统服务功能，保护生物多样性，防止生态系统物种的退化或消失；建立本土剩余物种和区域敏感性物种之间的联系[10]。

农林复合经营不仅产生了显著的生态效益、可观的经济效益、良好的社会效益，更使生态景观得到了极大改善。对我国黄土高原坡地刺槐（Robinia pseudoacacia Linn）林-草地复合系统研究发现，草地斑块内有较高的植物多样性，农林边界植物多样性最高的为距林缘较近的林内外的某一区[24]。高产农作物类型的改变，也会造成生物多样性的损失。澳大利亚的农作物从深根类到浅根类，造成了土壤盐分增加以及生物多样性损失。降雨量在300～700 mm/a的经济林区，生物多样性受到威胁，而农林复合生态系统能够提供新的农业景观改善生态系统稳定性，缓解农场扩张带来的损失[25]。另外，通过对北京顺义区农林复合生物多样性多层次分析[26]，相对单一农田景观，农林复合景观多样性更加丰富，乔木与农作物不同层次的空间利用，有利于高生物多样性分布。

农林复合系统对全球生物多样性保护相当重要[27-28]。应指出，不同季节的温度、相对湿度、树木葱郁度、树木密度条件下，昆虫和鸟兽数量会随着季节更替而呈现一定规律，在评价农林复合系统经营对生物多样性保护的效果时应考虑季节因素[29]。可可和香蕉两种农林生态系统对比哥斯达黎加塔拉曼加地区保留的车前草（Plantago depressa Willd）单一农业系统，农林生态系统物种更为丰富，随着森林类型的不同而物种组成不同。重要的是农林复合系统能为鸟类提供了栖息场所，对物种保护做出贡献[30]。其他农林系统的生物多样性保护价值也得到了研究，尤其是在热带。庭园农林复合系统，因其拥有较多的植物品种而著称。据调查热带庭园系统的物种数有27种（斯里兰卡）到602种（爪哇岛）[31]。许多生态学家认为庭园式农林系统，不管是结构上还是功能上，是最为接近天然林的。随着全球经济的发展，农业用地大规模开发，森林面积迅速减少，庭园式农林生态系统逐渐成为了物种的避难所。孟加拉天然林覆盖面积不足总土地面积的10%，2 000万家庭园作为生物多样性保护策略的之一[32]。

农林复合系统树木和农作物的品种与空间组合影响着昆虫数量和物种多样性。马占相思防风带的食植类昆虫在树冠西面数量较多，而其天敌在树冠背面数量较多，呈现出一定的空间分布规律[33]。皂荚（Gleditsia sinensis Lam）树的花蜜量和分泌物变化与被皂荚花吸引的昆虫群有紧密联系，在研究期间这些皂荚树吸引了近有42种不同的昆虫[34]。微生物群落作为农林系统生物多样性的重要组成部分，针对该类群落的研究已较系统。印度西部西高止山脉，常青林较落叶林，菌繁殖体、细菌、真菌和放线菌数量较高，固氮细菌的数量也是落叶林中的两倍[35]。树种丰富的农林和森林系统为土壤生物多样性提供了微生物圈和凋落物，农林复合模式作为土壤微生物保护策略之一，为土壤和凋落物微生物群落保护做出贡献[36]。

1.5 改善土壤肥力

农林复合系统对保持和提高土壤的高产及可持续利用有一定作用，近期对热带农林系统树木和固氮农作物的相互作用研究较多，而对温带农林系统的研究较少[37-38]。热带农林系统多年生立木植物，在提高土壤理化及生物特征等方面的作用已经成为研究重点。Udawatta等[39]使用高分辨率X射线模拟成像技术，分析了美国中西部地区农林复合缓冲带土壤养分增加的原因，农林复合缓冲区土壤族聚稳定性、土壤含碳量、土壤氮和土壤酶活性均较高。树荫面积以及树木种植密度等对土壤中养分有一定的影响。对比研究哥斯达黎加传统农场和有机咖啡农场中纳塔尔刺桐（Erythrina poeppigiana）对土壤特性的影响，发现传统农林系统中土壤碳和氮含量仅树根附近浓度较高，并随着距离增加而减少，表明树荫对维持和增加土壤有机物有重要作用。但是在有机咖啡农林系统没有此趋势，土壤表面有机肥分布均匀[40]。一般地，树木密集度高土壤pH、CEC、Ca和Mg含量也高，荫生咖啡（Coffea arabica L.）农林系统土壤中N、K和有机物则相对降低[41]。埃塞俄比亚南部土壤容积密度、土壤水含量、总特性和土壤有机碳随着耕地类型和土壤深度不同而有较大差异，农林系统较传统玉米种植系统这些指标均较高。另外，农林复合系统的时间长短也会对土壤养分存在一定影响。通过研究尼泊尔成熟的农林系统以及两年转型期的农林复合生态系统，成熟的农林系统中，土壤养分要明显高于两年转型期的农林复合系统中土壤养分，并与成熟农林系统的某些参数呈现出一致性[42]。研究人员对我国亚热带地区的农林复合系统土壤养分的影响因素也进行了一些研究。单一农作物种植和间种系统中，豆科植物根系残留和固氮篱笆提高了土壤质量，能帮助农作物增产[43]。重庆市合川市的紫色土农林复合系统能有效改善垂直空间的土壤养分分布，并且复合四年的系统改善效果明显高于复合4年的系统[44]。农林复合生态系统能显著优化土壤结构、增加土壤养分和改善土壤理化特性，利于农作物以及植物的增产，为林农增收提供条件，能进一步减少农村贫困。

1.6 改善空气和水质

世界卫生组织于2011年9月在日内瓦声称，全球不少城市空气质量堪忧，人类健康受到严重威胁，尤其是空气颗粒物增多导致人类呼吸道的疾病频发。为了寻求空气质量问题的解决方案，研究人员提出了建立防风带和防护林，以减少空气固体颗粒物向居民生活区扩散。防风林和防风带等农林复合模式有保护庄稼、提供野生动物居住环境、减少大气中CO2和制造氧气、减少风蚀和空气中的固体颗粒物以及减少噪声污染和密集生活生产区的气味等作用。近几年，防风林作为处理生活区气味方法之一得到了广泛地关注。有异味的化学物质及其混合物依附在空气微粒上，植被缓冲区能够过滤空气中的颗粒物，同时除去了难闻的气味。在制定治理措施时，防风林（或植被缓冲区）可作为有效减少臭气的方案之一[45]。

农业水污染问题也是当今世界关注的焦点问题。传统农业系统，农作物吸收氮和磷肥不到使用量的一半，多余的化肥通过地表径流或从农田流走，或渗透到地下水中，因此造成水源污染[46]。化肥和农药通过地表径流汇入干流，这也是墨西哥海湾水体富营养化的主要原因之一[47]。农林复合系统，如河岸缓冲带，能有效减少非点源污染，可净化水资源[48]。河岸缓冲带通过减少径流流速，促使过滤、沉积和滞留养分，能有效清洁地表径流。缓冲区通过吸收大量养分，减少了养分向地下的转移[49]。农林复合系统庞大根系能吸收多余的营养，再通过根系周转和凋落物这些营养被系统回收利用[50]，并且相比大多数农作物，树木拥有较长的生长周期，农林系统养分的综合利用效率提高了[51]。弗罗里达州西北部山核桃-棉花径间作物系统，较单一棉花农业系统，在0.9 m深土壤中N含量减少了72%，说明农林系统强大的根系能够充分吸收土壤中的养分，减少对水资源的污染。总之，农林复合经营在大规模农业生产实践中能有效提高水质。

2 总结

农林复合模式是实现土地可持续利用的有效措施之一，是生态保护可持续发展的必经之路。综合研究结果表明农林复合系统具有生态系统服务和环境效应，并在热带和亚热带地区得到具体实施。农林复合系统作为环境友好型和生态可持续性的人工生态系统的一种，在有强有力的科学支撑下，农林复合生态系统为固碳、土壤增肥、生物多样性保护以及空气和水质提高做出贡献，未来将替代了传统农业，造福于土地所有者或农民，甚至是整个社会。

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