農林復合系統生態服務功能研究綜述①

谷瑤++朱永杰++姜微

摘 要 農林復合系統能夠提供多種生態系統服務，本文從固碳、水土保持、防災減災、生物多樣性保護、改善土壤肥力、改善空氣和水質等6個方面對農林復合系統的生態系統服務功能和環境效益展開討論，依次總結了近期農林復合生態系統的研究成果，表明各地區對農林系統生態服務的強烈需求以及改善土地利用和減少貧困的愿望，指出提高林農對農林復合生態系統認識的必要性。

關鍵詞 生物多樣性保護 ；碳匯 ；清潔空氣和水 ；土質改善 ；生態系統服務 ；水土保持 ；土地可持續經營

分類號 Q148

農林復合（Agroforestry）是一種傳統的生產經營模式，擁有約1 300年的歷史，起源于家庭農場。1982年國際農林復合系統委員會（the International Council for Research in Agroforestry， ICRAF）將農林復合生態系統定義為“通過時空布局安排，在家畜和（或）農作物利用的土地經營單元內，種植多年生的木本植物，在生態和經濟上各組分之間具有相互作用系統”[1]。該系統具有復合型、整體性、多樣性、系統性、穩定性、集約型以及高效性等特點[2]，集合了土壤、田野和景觀的特性，具備農業和林業的綜合優勢，結合了林學、生物學、農學、生態學、氣候學、社會經濟學和系統科學等多學科知識與技術。20世紀80年代初開始，研究人員對農林復合生態系統提供的服務與環境效益進行了深入研究，理論和應用研究發展逐步系統化[3]。各地區逐漸認識到該模式的實用性和重要性，美國農業部在2011年發布了《農林戰略框架，2011-2016》，強調了農林復合經營模式對美國農、林業經濟和生態環境保護的重要性，以及提高公眾對農林復合模式的認識必要性[4]。過去由于缺乏可靠的科學依據，農林復合管理模式的發展受到了阻礙，盡管農林復合經營模式相比傳統經營模式有很多優勢，大部分農民仍認為采取新經營模式存在一定的風險。隨著研究的深入和系統化，農林復合系統逐漸被視為多功能景觀的重要組成部分，為人類提供生態系統服務和經濟效益。

新千年生態系統評估（MillenniumEcosystem Assessment， MA， 2005）以及農業科技發展國際評估（International Assessment of Agriculture Science and Technology for Development， 2008）均強調了農林生態系統的多功能性。在空間和時間布局上林木、農作物或動物的優化組合，農林復合系統具有增加土壤肥沃程度、減少土壤侵蝕、提高水質、增強生物多樣性、景觀多樣化和固碳等多種用途。本文將農林系統的主要生態系統服務分為六大類：固碳、水土保持、防災減災、生物多樣性保護、改善土壤肥力、改善空氣和水質，對全球范圍內農林生態實踐的生態系統服務和環境效益的研究進行匯總，旨在說明農林復合模式是實現土地可持續經營的重要途徑之一。

1 農林復合系統的生態服務功能與環境效應

1.1 固碳功能

全球氣候變暖和降水分布改變，減緩溫室氣體特別是CO2的排放成為當今世界各國政府和科學家研究熱點問題之一。《京都議定》提出的“土地利用、土地利用變化和林業” （Land use， land use change and forestry，LULUCF）后，農林復合系統因其較高的固碳能力，能減少空氣中二氧化碳，引起了全球科學家們的廣泛關注[5-6]。固碳就是水體、土壤及植物通過物理或生物過程減少大氣中二氧化碳的能力。相比單一農、林或草系統，農林復合系統中樹木和作物間相互作用利于系統固碳量的增加，系統匯集的定型碳可在碳市場進行交易，且固定碳量隨著林木輪伐期的增加而增加，或通過木質產品制造永久保存。另外，由于大氣中大量的碳可通過微生物貯存于地表或土壤中，其中菌根真菌作為固碳菌，能將CO2長期貯存在土壤中，可在一定程度上減少大氣中CO2的含量[7]。

農林生態系統的固碳能力隨系統的類型、物種組成、物種年齡、地理環境、環境因素和管理措施等有一定的差異。由于具體數據的缺失，農林生態系統固碳能力的研究結果對比較困難。研究人員嘗試用不同方法計量農林復合系統的全球固碳量。P. K. Ramachandran Nair利用固碳能力計算方法，預測了全球農林復合系統總面積為1 023百萬hm2，在50年內有1.9 Pg的固碳量，各地區農林復合系統固碳能力有很大差異，西非植物的固碳能力僅有0.29 mg/（hm2·a），而波多黎各的混合物種生態系統中可達15.21 mg/（hm2·a）[8]。不同地區農林復合系統中土壤含碳量差異較大，加拿大山谷農業系統土壤碳含量僅為1.25 mg/hm2，而在哥斯達黎加大西洋海岸林牧復合生態系統土壤碳可達到173 mg/hm2。通過分析熱帶農林復合系統的儲碳數據，Alain Albrecht預測該類系統的固碳量在12～228 mg/hm2[9]。另外研究人員發現在干旱、半干旱或荒廢區的農林復合系統相對肥沃潮濕地區固碳能力低，溫帶農林系統的固碳能力較熱帶地區的低[10]。家庭花園農林復合系統對氣候變化的適應性也有巨大的潛力，在干旱區其單位面積平均地表碳匯能力可達到C 26 mg/hm2，能夠減少森林的全球碳匯壓力[11]。

農林復合模式能改善農田和草原大規模退化的現狀，實現系統固碳能力的增加。對比傳統的牧、林系統，改進后西非農林復合系統有更強的固碳能力[12]。印度西北部楊樹農林系統的土壤有機碳濃度以及水份較單一農、林系統更高，并隨樹齡增加而增加[13]，南部家庭花園樹木種植密度和立木特征影響著土壤的固碳能力，土壤固碳能力隨著物種數量和樹木種植密度的增加而增強[14]。所有這些研究表明農林生態系統相對傳統單一農業或林業系統有更強固碳能力。

1.2 水土保持

在經濟發展初期，人類過度毀林開荒，森林植被破壞嚴重，生態平衡被打破。暴雨過分集中，林地涵養水源能力喪失，水土流失嚴重。研究發現農林復合模式能有效控制土壤侵蝕、涵養水源，增強水土保持能力，提高單位面積土地的經濟效益，具有很好的推廣應用前景。

農林復合系統的水土保持功能，在我國的應用廣泛，用于緩解我國水分分布不均和水土流失嚴重的緊迫局面，雖然在系統發展前期水土流失程度仍較為嚴重，但中期趨于穩定[15]。我國遼西北地區最佳的農林復合模式為大扁杏-花生-玉米[16]，能夠改良土壤、水土保持。南水北調中線水源區的寨溝小流域，農林復合模式作為主要的水土保持措施對南水北調水源區的保護有意義[17]。北川退耕還林采用的農林復合經營模式，如林藥、林茶桑、林草牧模式，年減少泥沙流失量近105 t/a，涵養水源超過105 m3/a[18]。晉西黃土區的沿川河谷農田水土流失防治措施主要為農林復合，通過對比研究發現核桃-玉米復合系統是該區水土保持效果最佳的一種農林復合類型[19]。南方紅壤丘陵地區的果間套種技術能起到治理水土流失作用，并且植草措施能夠減少果園水土流失，同時可改善土壤結構、增加土壤表層有機質和有效水庫容，有利于季節性干旱防御[20]。總之，農林復合模式的水土保持效果明顯優于單一的農業模式。

1.3 防災減災

穩定性的農林復合系統能減少作物和林木的害蟲，對病蟲害有一定的防御作用，有望減少防災減災成本。在適宜的氣候條件下印度尼西亞可可農林系統可可蟲數量與黃蜂（Rhynchiumhaemorrhoidale）數量呈正相關，因此可以通過控制黃蜂數量作為防治可可蟲害的一種有效的工具[21]。花椒農林復合生態系統的昆蟲群落多樣性、均勻度明顯要高于除草后的單一花椒種植模式，害蟲天敵的增加，一定程度上能夠增加花椒的產量[22]。農林復合能夠提高生態系統的穩定性，梨園套種芳香性植物能夠減少康斯托克粉蚧的數量，尤其是紫花霍香薊（A. houstonianum），在夏天日照時間增加的情況下康斯托克粉蚧大量減少[23]。

1.4 生物多樣性保護

對人類和地球的健康有重要作用的生態系統和物種正逐漸消失，生物多樣性保護十分緊迫。生物多樣性包括景觀多樣性、物種多樣性和生態系統多樣性。農林生態系統作為生物多樣性的保護的有效措施之一，通常通過景觀多樣性的保護來實現物種多樣性保護，最終實現生態系統多樣性的保護。農林復合對生物多樣性保護有五方面的作用：為物種提供棲息環境；保護脆弱物種育種；提供比傳統農業系統效率更高、可持續的方法，減緩自然保護區的轉化速度；通過提供水土保持以及防止土壤侵蝕等生態系統服務功能，保護生物多樣性，防止生態系統物種的退化或消失；建立本土剩余物種和區域敏感性物種之間的聯系[10]。

農林復合經營不僅產生了顯著的生態效益、可觀的經濟效益、良好的社會效益，更使生態景觀得到了極大改善。對我國黃土高原坡地刺槐（Robinia pseudoacacia Linn）林-草地復合系統研究發現，草地斑塊內有較高的植物多樣性，農林邊界植物多樣性最高的為距林緣較近的林內外的某一區[24]。高產農作物類型的改變，也會造成生物多樣性的損失。澳大利亞的農作物從深根類到淺根類，造成了土壤鹽分增加以及生物多樣性損失。降雨量在300～700 mm/a的經濟林區，生物多樣性受到威脅，而農林復合生態系統能夠提供新的農業景觀改善生態系統穩定性，緩解農場擴張帶來的損失[25]。另外，通過對北京順義區農林復合生物多樣性多層次分析[26]，相對單一農田景觀，農林復合景觀多樣性更加豐富，喬木與農作物不同層次的空間利用，有利于高生物多樣性分布。

農林復合系統對全球生物多樣性保護相當重要[27-28]。應指出，不同季節的溫度、相對濕度、樹木蔥郁度、樹木密度條件下，昆蟲和鳥獸數量會隨著季節更替而呈現一定規律，在評價農林復合系統經營對生物多樣性保護的效果時應考慮季節因素[29]。可可和香蕉兩種農林生態系統對比哥斯達黎加塔拉曼加地區保留的車前草（Plantago depressa Willd）單一農業系統，農林生態系統物種更為豐富，隨著森林類型的不同而物種組成不同。重要的是農林復合系統能為鳥類提供了棲息場所，對物種保護做出貢獻[30]。其他農林系統的生物多樣性保護價值也得到了研究，尤其是在熱帶。庭園農林復合系統，因其擁有較多的植物品種而著稱。據調查熱帶庭園系統的物種數有27種（斯里蘭卡）到602種（爪哇島）[31]。許多生態學家認為庭園式農林系統，不管是結構上還是功能上，是最為接近天然林的。隨著全球經濟的發展，農業用地大規模開發，森林面積迅速減少，庭園式農林生態系統逐漸成為了物種的避難所。孟加拉天然林覆蓋面積不足總土地面積的10%，2 000萬家庭園作為生物多樣性保護策略的之一[32]。

農林復合系統樹木和農作物的品種與空間組合影響著昆蟲數量和物種多樣性。馬占相思防風帶的食植類昆蟲在樹冠西面數量較多，而其天敵在樹冠背面數量較多，呈現出一定的空間分布規律[33]。皂莢（Gleditsia sinensis Lam）樹的花蜜量和分泌物變化與被皂莢花吸引的昆蟲群有緊密聯系，在研究期間這些皂莢樹吸引了近有42種不同的昆蟲[34]。微生物群落作為農林系統生物多樣性的重要組成部分，針對該類群落的研究已較系統。印度西部西高止山脈，常青林較落葉林，菌繁殖體、細菌、真菌和放線菌數量較高，固氮細菌的數量也是落葉林中的兩倍[35]。樹種豐富的農林和森林系統為土壤生物多樣性提供了微生物圈和凋落物，農林復合模式作為土壤微生物保護策略之一，為土壤和凋落物微生物群落保護做出貢獻[36]。

1.5 改善土壤肥力

農林復合系統對保持和提高土壤的高產及可持續利用有一定作用，近期對熱帶農林系統樹木和固氮農作物的相互作用研究較多，而對溫帶農林系統的研究較少[37-38]。熱帶農林系統多年生立木植物，在提高土壤理化及生物特征等方面的作用已經成為研究重點。Udawatta等[39]使用高分辨率X射線模擬成像技術，分析了美國中西部地區農林復合緩沖帶土壤養分增加的原因，農林復合緩沖區土壤族聚穩定性、土壤含碳量、土壤氮和土壤酶活性均較高。樹蔭面積以及樹木種植密度等對土壤中養分有一定的影響。對比研究哥斯達黎加傳統農場和有機咖啡農場中納塔爾刺桐（Erythrina poeppigiana）對土壤特性的影響，發現傳統農林系統中土壤碳和氮含量僅樹根附近濃度較高，并隨著距離增加而減少，表明樹蔭對維持和增加土壤有機物有重要作用。但是在有機咖啡農林系統沒有此趨勢，土壤表面有機肥分布均勻[40]。一般地，樹木密集度高土壤pH、CEC、Ca和Mg含量也高，蔭生咖啡（Coffea arabica L.）農林系統土壤中N、K和有機物則相對降低[41]。埃塞俄比亞南部土壤容積密度、土壤水含量、總特性和土壤有機碳隨著耕地類型和土壤深度不同而有較大差異，農林系統較傳統玉米種植系統這些指標均較高。另外，農林復合系統的時間長短也會對土壤養分存在一定影響。通過研究尼泊爾成熟的農林系統以及兩年轉型期的農林復合生態系統，成熟的農林系統中，土壤養分要明顯高于兩年轉型期的農林復合系統中土壤養分，并與成熟農林系統的某些參數呈現出一致性[42]。研究人員對我國亞熱帶地區的農林復合系統土壤養分的影響因素也進行了一些研究。單一農作物種植和間種系統中，豆科植物根系殘留和固氮籬笆提高了土壤質量，能幫助農作物增產[43]。重慶市合川市的紫色土農林復合系統能有效改善垂直空間的土壤養分分布，并且復合四年的系統改善效果明顯高于復合4年的系統[44]。農林復合生態系統能顯著優化土壤結構、增加土壤養分和改善土壤理化特性，利于農作物以及植物的增產，為林農增收提供條件，能進一步減少農村貧困。

1.6 改善空氣和水質

世界衛生組織于2011年9月在日內瓦聲稱，全球不少城市空氣質量堪憂，人類健康受到嚴重威脅，尤其是空氣顆粒物增多導致人類呼吸道的疾病頻發。為了尋求空氣質量問題的解決方案，研究人員提出了建立防風帶和防護林，以減少空氣固體顆粒物向居民生活區擴散。防風林和防風帶等農林復合模式有保護莊稼、提供野生動物居住環境、減少大氣中CO2和制造氧氣、減少風蝕和空氣中的固體顆粒物以及減少噪聲污染和密集生活生產區的氣味等作用。近幾年，防風林作為處理生活區氣味方法之一得到了廣泛地關注。有異味的化學物質及其混合物依附在空氣微粒上，植被緩沖區能夠過濾空氣中的顆粒物，同時除去了難聞的氣味。在制定治理措施時，防風林（或植被緩沖區）可作為有效減少臭氣的方案之一[45]。

農業水污染問題也是當今世界關注的焦點問題。傳統農業系統，農作物吸收氮和磷肥不到使用量的一半，多余的化肥通過地表徑流或從農田流走，或滲透到地下水中，因此造成水源污染[46]。化肥和農藥通過地表徑流匯入干流，這也是墨西哥海灣水體富營養化的主要原因之一[47]。農林復合系統，如河岸緩沖帶，能有效減少非點源污染，可凈化水資源[48]。河岸緩沖帶通過減少徑流流速，促使過濾、沉積和滯留養分，能有效清潔地表徑流。緩沖區通過吸收大量養分，減少了養分向地下的轉移[49]。農林復合系統龐大根系能吸收多余的營養，再通過根系周轉和凋落物這些營養被系統回收利用[50]，并且相比大多數農作物，樹木擁有較長的生長周期，農林系統養分的綜合利用效率提高了[51]。弗羅里達州西北部山核桃-棉花徑間作物系統，較單一棉花農業系統，在0.9 m深土壤中N含量減少了72%，說明農林系統強大的根系能夠充分吸收土壤中的養分，減少對水資源的污染。總之，農林復合經營在大規模農業生產實踐中能有效提高水質。

2 總結

農林復合模式是實現土地可持續利用的有效措施之一，是生態保護可持續發展的必經之路。綜合研究結果表明農林復合系統具有生態系統服務和環境效應，并在熱帶和亞熱帶地區得到具體實施。農林復合系統作為環境友好型和生態可持續性的人工生態系統的一種，在有強有力的科學支撐下，農林復合生態系統為固碳、土壤增肥、生物多樣性保護以及空氣和水質提高做出貢獻，未來將替代了傳統農業，造福于土地所有者或農民，甚至是整個社會。

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