农林（草）复合种植阻控坡地水土流失研究进展

李 颖，杨 宁*，李开宇，马凤江，冯良山，魏忠平，郭 铭，肖继兵

（1. 辽宁省农业科学院/辽宁省旱作节水专业技术创新中心，辽宁 沈阳 110161；2. 辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032；3. 辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003；4. 辽宁省旱地农林研究所，辽宁 朝阳 122000；）

目前，全球70.0%的国家和地区不同程度地遭受土壤侵蚀和土地荒漠化的危害，陆地土壤侵蚀面积高达30.0%[1]。我国水土流失面积约占世界总水土流失面积的14.2%，形势严峻且分布范围广[2]。土壤侵蚀直接或间接导致土壤肥力下降，造成土质恶化、生态破坏，土壤侵蚀已成为中国重要的环境问题之一[3]。水土保持措施一般分为工程措施、生物措施和耕作措施三大类。工程措施，主要是以保持土体稳定和截排水的建筑工程防护措施为主，如挡墙、拦砂坝、护坡、截水沟、沉砂池、水窖等；生物措施，主要指采取造林种草及管护的方法，增加植被覆盖率，维护和提高土地生产力的一种水土保持措施，又称植物措施；耕作措施是以改变坡面微小地形，增加地表粗糙度，改良土壤，保土蓄水，以提高农业生产的技术措施，如等高耕作、等高带状间作、沟垄耕作和少耕免耕等。其中生物措施已成为恢复脆弱生态环境的主要选择[4]。

1 农林复合系统

1.1 农林复合系统的概念和内涵

农林复合系统是一种动态的，以经济学、生态学、系统工程学为基本理论，通过在农林用地、牧地上种植多年生木本植物，并根据各类植被的生物学特性进行时空上的合理搭配，形成多物种、多层次、多产业和多时序的人工复合生态系统[5]，是一种有效的土地利用方式。我国农林复合经营的主要类型包括农-林型（林-粮复合模式、林-经济作物复合模式、林-菌复合模式）、林-牧型、林-渔型和综合型。农林复合种植技术比较成熟的地区为我国的华北平原和中原地区，其中林粮间作是最普遍的类型[6]。农林复合系统作为一种坡耕地提高土地综合生产力的农业可持续发展措施，已得到各国普遍重视。

1.2 农林间作系统

1.2.1 农林间作系统水土保持效应

农林复合系统在一定程度上保护了水土资源，减少水土流失。这主要是由于与纯农业种植系统相比较，农林复合经营系统种植有一定比例的树木，茂密的林木冠层可对降水有效截留，削弱降雨动能，减弱降雨侵蚀力，减少地表溅蚀，而且林内凋落物层能够增加地表粗糙度，减缓径流流速，减少径流冲刷造成的水土及相关养分流失，增加水分入渗，提高土壤的抗冲和抗蚀性能[7-9]。已有研究表明，农田防护林系统与对照系统相比，减少了17.8%～99.9% 土壤流失和1.7%～95.8% 径流损失[4]。王铃铃等[10]和唐政洪等[11]通过布设等高植物篱，实施农林复合经营技术研究发现，植物篱—农作系统对径流的控制效果在8.1%～46.2%，对侵蚀模数的控制效果在42.9%～50.2%，农林复合经营可有效减少水土流失。肖斌[12]在辽西北地区研究5个树种在配置模拟条件和田间都能够促进花生总生物量的累积和根系的生长，减少养分淋溶，截留养分，控制面源污染物质的转移，其中桑树在改良土壤结构和减少坡地土壤养分流失方面效果最好。吴殿鸣[13]研究表明，杨农间作系统中，杨树在生长季能有效减少土壤淋溶水量，间作系统内各样点淋溶水的氮素浓度均低于单作农田，农林间作系统能显著减少地表径流量和土壤侵蚀量，而且防蚀效果与林分密度呈正相关。王娇[14]研究认为，大扁杏—花生—玉米农林复合模式较原始荒地具有较好的生态效益和经济效益，是辽西北地区土壤改良、土地开发利用、水土流失防治的最佳途径，其次为樟子松—花生复合种植模式。农林间作复合系统不但具有显著的防水蚀效果，而且在降低风速，减少风沙灾害，防止风蚀方面也具有显著效果。袁玉欣等［15］研究表明，与对照田相比，杨粮间作系统农田风速降低了36.4%，空气相对湿度提高4.4%。黄爱军等[16]对环塔里木盆地枣麦、杏麦和核麦间作系统中小气候因子进行观测。结果表明，果麦间作系统小麦冠层风速明显降低，是有效防治环塔里木盆地一带经常出现的干热风、浮尘和强对流等灾害性天气对农作物造成危害的重要措施。

1.2.2 农林间作系统土壤环境效应

影响土壤侵蚀的因素除降雨与植被外，土壤的本质属性对土壤侵蚀量的大小也起着举足轻重的作用[17-18]。地表径流是影响土壤侵蚀的主要因素，没有地表径流冲刷，就不会产生土壤侵蚀，因此，增强土壤本身的降雨入渗能力，减少地表径流，从而减少土壤侵蚀。农林复合系统通过深浅搭配的根系能固定土壤和提高土壤抗冲性，改良土壤理化性质（如降低土壤容重、增加水稳性团聚体稳定性和提高土壤入渗能力等），从而提高土壤防蚀性能[19]。王来[20]研究表明，核桃—小麦间作对各土层土壤孔隙度均存在持续的改善作用，土壤入渗性能为核桃和小麦间作＞小麦单作＞核桃单作，从而降低地表径流量。李永东等[21]以辽西北沙地的大扁杏—花生—玉米、大扁杏—麻黄草、樟子松—花生及荒地（对照）土壤为对象进行研究，结果表明，不同农林复合模式相对于原始荒地均可降低土壤容重，提高土壤总孔隙度，增加土壤持水量，同时能够增加土壤有机质和N、P、K 含量。Nair[22]研究表明，农林间作系统中的林木可以改善土壤的渗透性、团粒水稳定性与持水量，并对农田范围的水分循环产生良性效应。赵斯等[23]研究表明，农林复合生态系统能够显著改善黑土区土壤结构，明显降低土壤表层土壤密度，增加土壤透气性，增加表层土壤的有机质和C/N值，其中以小黑杨—大豆模式表现最好，同时该模式还可以增加毛管孔隙度与非毛管孔隙度的比值（CP/NCP），有效改良土壤孔隙结构。贾树海等[24]在辽宁省朝阳县的研究表明，榛子-谷子复合模式与谷子纯农地相比，其土壤容重降低了5.69%，土壤总孔隙度提高了5.51%。陈春峰等[25]研究表明，胶农（林）复合系统较大面积单层纯橡胶林可显著提高＞0.25 mm 水稳定性团聚体，团聚体破坏率减少了3.6 倍，有机碳含量增加5.30%～69.69%。从以上分析可以看出，农林复合系统在改善坡地土壤物理性质，降低土壤容重，增加孔隙度和水稳性团聚体含量，增加有机质和土壤养分，改良土壤持水性能，减少坡地水土肥流失和改善间作系统小气候方面具有显著效果。植物竞争是影响农林复合系统成功和可持续性的主要因素，有研究表明，在气候湿润地区，农林复合系统冠层对光热资源的竞争可能是决定其总生产力的主要因素[26]，而在半干旱地区，系统根系对水资源的竞争可能是限制农林复合系统的生产力的主导因素[27]，因此，提高农林复合种植系统生产力的关键就是使资源竞争最小化，资源利用最大化[28]。

1.3 林草复合系统

林草复合系统属农林复合系统的分支，是指由多年生木本植物和草本植物在时空分布上有机结合形成的复合经营方式［29］。林草间作能改善土壤理化性状、提高土壤的抗蚀性、蓄水保墒、保土保肥、防风固沙、改良土壤结构，为林业可持续发展创造健康稳定的条件[30-33]。

1.3.1 林草复合系统水土保持效应

林草间作复合系统可以增加植被覆盖度，通过地表林木及草本植物对降雨的逐层截留，减弱雨滴动能，减小降雨侵蚀力，从而减少土壤侵蚀。刘斌等[34]研究认为，黄土高原沟壑区人工林地和草地建设的有效植被覆盖度以40%～60% 为宜。王会利等[35]研究表明，桉树间种牧草后，牧草在桉树下压青，可以提高林地覆盖率，地表径流量降低了21.07%～31.02%。果树幼龄期间，植被覆盖度低，水土流失率较大，而果园间作牧草可以增加土壤的保水能力，水土流失率可降低50% 左右，而且随着林下牧草种植年限的延长，林草间作系统削减径流的作用明显增强[36-37]。林草间作复合系统能促进草本植物根系的生长，草本植物密集的根系能固结土壤，增强土壤的抗蚀力、贮水力及固土保肥力，提高复合系统地表的抗冲刷能力，有效减少土壤流失，并且使草本植物生长迅速，尽快覆盖地面，减轻雨滴直接击溅，一般可比纯林或裸地减少30%以上的地表径流和45% 以上的侵蚀泥沙［38-39］。而且草本植物根系增多可以降低土壤紧实度，增强土壤水分入渗［40-41］。植被恢复是治理土壤侵蚀的主要措施，适宜植被类型的选择对水土流失治理效果有决定性作用［42-44］。印度北部试验结果表明，银合欢Leucaena leucocephala与象草Pennisetum purpureum复合种植后，地表径流量和土壤侵蚀量较纯林地分别减少51.3% 和81.7%[45]。丁怡飞[46]研究表明，油茶间作绿肥作物黑麦草、鼠茅草，4-7 月份地表径流量分别减少18.5%～58.9%、17.9%～70.3%，与对照组相比，地表径流中总氮、可溶性总氮、总磷、可溶性总磷、总钾、可溶性总钾的总流失量分别减少 62.48%、56.17%、59.72%、57.97%、62.97%、61.76%。在林草间作系统中，有些林地植入的牧草生长旺盛，尤其在贫瘠坡地或干旱季节，难免会与系统内林木竞争水肥资源，因此对复合系统中牧草品种的选择还需加强研究[36]，充分发挥林草间作系统的水土保持效益。

1.3.2 林草复合系统土壤环境效应

林草复合系统能通过植株腐烂分解使土壤中有机质、腐殖质数量增加，改良土壤结构，降低土壤容重，从而增强土壤的渗透性和蓄水力［47］。Chang［48］等通过在林下种植黑麦草，发现0～10 cm土层的有机碳含量高于林下裸地，而且与常规耕作土壤相比，林草复合管理的土壤质量更好［49-50］。苹果园间作白三叶增加了果园土壤水稳性团聚体平均质量直径（MWD），降低了团聚体破坏率（PAD），显著提高0～20 cm 土层＞0.25 mm 水稳性团聚体含量及其稳定性和有机碳含量［51］。林草复合系统导致的微气候效应不仅影响植物的生长发育、土壤有机质分解、养分的迁移转化等，还可以降低风速，阻控土壤的风侵蚀［29］。

林草（牧）复合系统在垂直布局上高矮搭配，充分利用时空资源条件。林草的根系和枯落物使土壤中有机质含量增加，从而培肥土壤[52]。林草复合系统冠层截留作用和深层根系的保土固沙功能，降低了系统产流量和产沙量，林下牧草能增加地表覆盖度，拦截径流，增加入渗[37]。牧草细密的根系使土壤孔隙度增加，利于良好土壤结构的形成，扩大土壤贮水库容，对表层土壤水分具有一定调蓄和缓冲作用[53]。林草复合系统作为农林复合生态系统的一种，能充分利用自然资源，对坡地水土流失起到良好的阻控作用，同时能促进畜牧业的发展，因此适宜于大力推广实施。

2 农（粮）草复合系统

2.1 农（粮）草复合系统的概念和内涵

农（粮）草复合种植指将牧草引入农业系统，使农田与草地结合，充分利用土地资源，从而提高土地的生产潜能，以草促粮，以草肥田，改良瘠薄土地，既可以保证粮食作物的正常生产，又可以减少水土流失，粮草复合种植通常包含了粮草间作以及套作等生产模式。

2.2 农（粮）草复合系统的水土保持效应

农林复合系统适用于坡度较大的坡地，在坡度较小的坡耕地上实行粮草间作有很好的水土保持效果。粮草间作可以通过多样化作物覆盖减缓降雨对土壤的侵袭，从而控制土壤侵蚀，减少水土流失。Chandler 等[54]提议多重作物系统中在土壤易于侵蚀期增补相应间种作物，有利于增强对土壤的保护。玉米/苜蓿间作模式在我国坡耕地农草复合种植中应用广泛。如王健等[55]研究表明，玉米间作苜蓿年均产流量低于玉米单作，但高于苜蓿单作。成婧等［56］在渭北旱塬坡耕地上采用10 m 苜蓿带+10 m玉米带的种植模式，其蓄水效益为87%，保土效益为98%，均高于玉米单作。农作物与苜蓿间作，苜蓿植被覆盖面大，能够有效截留降水，产沙量随之减少，保土效益明显。路海东［57］在宁夏南部旱区5°坡地上，研究谷子或糜子间作苜蓿，粮食单作为对照，地表径流减少6.86%～58.42%，泥沙流失量减少56.09%～100%，而且粮草间作种植带距越窄，粮食增产效果和系统土壤侵蚀防治效果越佳。这主要是由于草带对泥沙流失具有明显的阻碍作用，粮草带状间作种植模式中草（苜蓿）带起到了与植物篱相同的防治水土流失效果。齐养周等[58]对玉米苜蓿间作、玉米单作、苜蓿单作和裸地降雨后侵蚀泥沙各养分含量进行测量和监测，土壤全氮和有机质的损失量表现为裸地＞玉米单作＞玉米苜蓿间作＞苜蓿单作，间作模式下土壤速效钾、速效磷、硝态氮、铵态氮的损失量均小于玉米单作和裸地，但大于苜蓿单作。王生鑫等［59］采用春小麦、鹰嘴豆、马铃薯与紫花苜蓿间作，其中马铃薯与紫花苜蓿间作模式能更有效地减少水土流失。粮草间作种植模式对治理坡耕地水土流失的效果明显。主要是由于牧草为多年生植物，其茎叶茂盛，根系发达，细密的根系穿插土壤，可有效降低土壤容重，增加土壤通气孔隙度，改良土壤理化性状，增加土壤有机质，培肥地力，增加降雨入渗，有效减少地表径流。

3 展 望

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。复合农林业利用种群的生物学特性，实现了种群在不同生态位上的“共生互补”、“相互依存”，增加了系统抵御自然灾害的能力，改善了作物生长环境，减少了水土流失。农林草复合经营在生态环境的保护中发挥着至关重要的作用，世界各国对这种经营模式的效益也投以高度的关注，作为一种对土地进行有效的可持续发展利用的模式，农林草复合经营在我国各地区也得到了普遍应用和具体实施。但从整体角度来看，类型较为单一，理论研究相对落后于实践。农林草复合系统各部分在整个生态过程中是相互作用相互影响的，应将农林草间作系统的各生态因子、各因素充分联系起来作为一个整体来考虑，加强各部分动态作用的认知，从地下层次（根土复合体）、地表层次（覆盖度和粗糙度）和地上层次（冠层结构）综合考量农林草复合生态系统各层次的耦合机制及防蚀效应。