基于STICS模型的黃土高原蘋果園生態系統服務評估

邵主恩,趙西寧,高曉東,王紹飛,王憲志,吳普特,*

1 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室,楊凌 712100 2 西北農林科技大學水利與建筑工程學院,楊凌 712100 3 西北農林科技大學水土保持研究所,楊凌 712100

黃土高原是全球最大的優質蘋果主產區,種植面積和產量均超過全球的25%[1- 2],干旱缺水和土壤肥力低下是限制該地區農業生產與生態建設的主要因素[3]。黃土高原蘋果園生態系統服務能力較強,能夠創造巨大的經濟和生態效益。生態系統服務是指生態系統所形成與維持的人類賴以生存和發展的環境與效用[4- 5]。果園是農業生態系統的重要組成部分,不僅提供了果實產品的市場服務,還提供了其他的非市場服務,固碳潛力較大[6]；但果園也會造成大量溫室氣體排放[7],對人類健康、環境產生負面影響。果園生態系統服務有利于保持較高的果實生產水平,也利于保護水分和土壤等自然資源以及礦化等生態系統功能[8-10]。氣候和農業管理措施對果園生態系統功能的動態聯系和不同反應產生了果園生態系統服務的協同和權衡作用,然而量化這些作用是比較困難的。因此,開展蘋果園生態系統服務研究對黃土高原蘋果園綠色可持續生產具有重要作用。

研究不同空間尺度的生態系統服務已成為當前熱點問題[11],其中模型模擬是有效且可靠的手段[12]?；谀Ｐ偷纳鷳B系統服務研究多局限于區域和國家尺度,而田塊尺度上的生態系統服務研究相對較少。例如,常見的區域和國家尺度上的生態系統服務評估模型有InVEST、ARIES等模型,這些模型已在北美和中國等多地取得了良好的模擬效果[13]。但是上述模型結構較為簡化,模型參數缺乏率定和驗證,導致在田塊尺度的生態系統服務研究中存在較大的不確定性[14],而研究田塊尺度上的生態系統服務有利于解析區域和國家尺度上的生態系統服務的復雜性特征。在田塊尺度上使用作物模型能夠規范農業生態系統的功能、服務、相互聯系和動態響應,諸如APSIM[15]、CropSyst[16]和DSSAT[17]等作物模型已經廣泛用于模擬農業生態系統中的特定功能,但很少有研究使用這些作物模型分析多種生態系統服務概況,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]具有強大的通用性和可操作性等特點,能夠應對蘋果園不同的土壤、氣候和管理方案,可以較好地對蘋果園進行模擬,且已經在法國蘋果園生態系統服務方面得到初步應用[19- 20]。

基于STICS模型研究農業管理措施和氣候對蘋果園生態系統服務的影響,并在此基礎上對黃土高原地區土壤氮可利用性、氣候調節、水循環調節和果實生產四種蘋果園生態系統服務進行系統的評估,以此為果園生態系統管理提供依據,從而實現黃土高原地區經濟和生態和諧發展。

1 材料與方法

1.1 試驗布設

試驗區一位于陜西省渭南市白水縣西北農林科技大學蘋果園試驗基地(35°4′N,109°16′E),屬暖溫帶大陸性季風氣候,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。

該試驗設黑色園藝地布覆蓋、秸稈覆蓋及清耕無覆蓋3個處理,每處理3行,每行40株,4次重復,共12個小區。選擇生長健壯,樹勢中庸,無病蟲害果樹進行試驗布設,試驗期間除覆蓋處理不同外,各處理其他管理措施一致。

試驗區二位于陜西省榆林市子洲縣清水溝山地有機蘋果種植基地(37°27′N,110°20′E),屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區。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。

該試驗設有3個灌水處理,充分供水：85%θf(θf為田間持水量)、輕度虧缺：75%θf、重度虧缺：50%θf。每個處理設置3個重復,各小區其他管理措施一致且都是裸地清耕。采用滴灌方式灌水,每個種植行左右設置兩根滴灌管,滴灌管順種植行布置,滴頭流量3 L/h,滴頭間距30 cm, 灌水時間分別為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。

兩個試驗地具體的管理措施以及逐日氣溫和太陽輻射如表1和圖1所示：

表1 STICS模型對蘋果園參數化和評估的六個果園系統的主要特性

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

1.2 測定項目

1.2.1土壤水分

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

1.2.2蒸發蒸騰

采用水量平衡方程計算每月總的蒸發蒸騰量,結合土壤水分測定情況,白水樣本量共計6個,子洲樣本量共計5個。果樹耗水量：

ET=P-ΔW

(1)

式中,ET為果樹耗水量(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土壤硝態氮

用土鉆在距離樹干50 cm處沿著“S”型曲線(五點法)采樣,采集100 cm剖面的土壤樣品,間隔20 cm,每個處理共采集100個土樣,所取土樣帶回實驗室經過風干、研磨,過2 mm篩,再用紫外分光光度法測定硝態氮。

1.2.4產量和平均單果重

果實成熟期稱量每株樹的蘋果重量,每個處理共選取12株果樹,然后統計每個處理蘋果個數和產量。每個處理的總重量除以總個數為平均單果重。

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,同時借鑒相關研究的meta-analysis[21]結果,對3個處理的模擬指標進行驗證。

1.3 研究方法

1.3.1STICS模型

STICS(Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard)模型是于1996年由法國農業科學研究院建立的通過逐日氣象數據驅動的土壤作物機理性模型[18],能夠模擬多年生木本作物的水碳氮平衡過程[22]。該模型在葉片表面發育的基礎上描述了作物的生長,葉片表面能夠攔截光并將其轉化為生物量,這些生物量通過源匯法分配給根、果實、葉子和莖。樹木的物候期和關鍵變量日期是用來模擬作物果樹生長的基礎[19]。

1.3.2STICS模型對蘋果園的參數化

由于STICS模型現有版本不包括蘋果,因此首先應當對其進行參數化。本文主要包括3種方法：1)試驗地直接測量的參數,例如最大株高和兩個物候期之間的積溫。2)例如生長的最優溫度和限制溫度的參數可以從蘋果樹的參考文獻中可以獲得。3)使用試驗數據、模型參數曲線和全局參數化估計。此目的是為了獲得完整的一套模型蘋果參數,這些參數對于該模型運用到新作物來說是最敏感和最重要的[23],經模型率定后的主要參數如表2。

1.3.3模型評估

本研究選取清耕和充分灌溉處理的相關數據進行校正,其余處理相關數據進行驗證,同時對模擬值和實測值進行分析對比,采用相對平均偏差(MD)、相對均方根誤差(RRMSE)和模擬精度(EF)評估模型模擬效果：

(2)

(3)

(4)

表2 主要的蘋果園STICS模型參數意義和取值

1.4 生態系統服務指標、生態系統功能指標和綜合評價

每類生態系統服務能被一個或者幾個指標來描述(表3),土壤氮可利用性指標為平均土壤硝態氮濃度；氣候調節指標主要考慮溫室氣體N2O排放,是一個負面影響[10],也考慮土壤和樹體的碳固存量；水循環調節指標為平均土壤含水量和生育期內總的蒸發蒸騰量；果實生產指標為產量和平均單果重。

影響生態系統服務的生態系統功能指標如表4所示：因為氮礦化能夠影響土壤氮可利用能力,所以相應的功能指標是累積礦化氮數量；用土壤累積腐殖碳數量描述為土壤碳固存, 使用葉片、果實和莖中的平均碳含量當做凈初級生產力和最大地上生物量；在樹體的生長發育過程中,水分虧缺和氮素虧缺會對果樹生產有影響；氮吸收的功能指標是一年生器官吸收的最大氮數量。

使用服務標準值S表達每個生態系統服務的大小,S計算公式如下：

(5)

式中,s是果園生態系統服務值smin,smax分別是果園生態系統中最小和最大的服務值。標準值S在0到1之間變化。

表3 果園生態系統服務指標和單位

表4 果園生態系統功能指標和單位

2 結果與分析

2.1 模型評估

由圖2和表5可以看出：產量和單果重RRMSE低于15%以及EF接近0,產量和單果重模擬效果較好,但子洲果園產量模擬值存在低估現象,同時所有果園單果重模擬值都存在低估現象,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于灌溉果園,其中白水果園土壤水分平均模擬值與平均實測值較接近,子洲果園土壤水分平均模擬值低于平均實測值。但萌芽期和花期模擬效果均較差,模擬值存在嚴重的低估現象；模型對降雨的響應比較敏感,能迅速模擬出水分動態變化,受后期幾次降雨和灌溉的影響,土壤水分模擬效果變優,模擬值與實測值吻合程度較好。果園各月蒸發蒸騰RRMSE為27%,在一定誤差范圍內,而且大部分情況下蒸發蒸騰量模擬值存在低估現象,尤其是在6―8月,其中灌溉果園的蒸發蒸騰量模擬效果優于旱作果園。綜上,STICS模型均能較好的模擬蘋果園產量、單果重、土壤水分和蒸發蒸騰。

2.2 蘋果園生態系統服務分析

本研究從氮營養平衡和水文循環來分析蘋果園生態系統服務,即與水、碳、氮相關的服務：

(1)與氮循環相關的服務：秸稈覆蓋的果園氮吸收和土壤硝態氮濃度高于其他果園(表6,表7),同時土壤保水能力較低；硝態氮和含水量分別與氮礦化和土壤碳固定正相關和負相關(圖3),硝態氮與含水量負相關(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與土壤硝態氮負相關(圖4)。

表5 STICS模型對產量、單果重、土壤含水量和蒸散量的模擬效果評估

表6 STICS模型果園生態系統功能指標模擬值

表7 STICS模型果園生態系統服務指標模擬值

(2)與碳循環相關的服務：在極端氣候事件下子洲的產量降到14.64 t/hm2(表7),產量與樹體碳固定和果樹碳數量正相關(圖4)；總固碳量與氮吸收正相關(圖3),總固碳量取決于樹體固碳數量,而果樹的葉片、莖、果實發育取決于氮吸收；子洲單果重較大,果實數較少(表7)。果實數與單果重負相關(圖4)。子洲果園產量和總固碳量較低(表7)。

(3)與水循環相關的服務：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(圖4)。蒸發蒸騰與產量的關系不顯著(通常是二次曲線關系),但是與總固碳負相關(圖4)。葉片水分充足指數與蒸發蒸騰正相關(圖3)。

圖3 果園生態系統功能與生態系統服務之間的關系Fig.3 Relationship between orchard ecosystem functions and ecosystem services

圖4 果園生態系統服務協同關系和權衡關系Fig.4 Orchard ecosystem service synergy and trade-off

圖5 氣候和農業管理措施對與生態系統服務較相關的生態系統功能的影響Fig.5 Impact of climate and agricultural management on ecosystem functions that are more relevant to ecosystem services

2.3 蘋果園生態系統服務概況

農業管理措施和氣候對果園生態系統服務概況影響較為顯著。不同灌水量對灌溉果園生態系統服務概況影響較大。灌溉能夠增加產量、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能力較強,但服務概況與重度虧缺灌溉的果園相反,有著較大的蒸發蒸騰、土壤水分和N2O排放量。覆蓋可以提高果實產量、品質和土壤含水量,但增加了N2O排放(表7,圖6)。地布覆蓋的果園服務概況與清耕果園相反(圖6),產量、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概況與地布覆蓋的果園比較相似(圖6),都有著較大的產量、單果重、土壤水分和總固碳量。

圖6 果園生態系統在雷達圖上的服務概況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生產中的應用

蘋果園在保證最大生產力的同時應適當考慮改善環境和保護自然資源,從而實現蘋果園可持續發展。使用STICS模型可以評估蘋果園生態系統服務指標和量化蘋果園生態系統服務概況,所以該模型可較好地用于指導蘋果園可持續生產。

基于STICS模型估算和表征蘋果園各項生態系統服務的結果還存在一定差異。子洲蘋果園產量模擬值出現低估現象是因為三月份的一次極端氣候事件導致減產,而STICS模型不能對此事件進行模擬造成的；但所有蘋果園單果重模擬值存在低估現象,分析其原因主要與模型中設置統一的蘋果品種參數,而試驗中蘋果品種不一致關系密切。旱作果園的土壤水分模擬效果優于灌溉果園主要是因為該模型對降雨和灌溉比較敏感,土壤水分受到灌溉措施的波動引起的；蒸散量模擬值偏低的原因與該模型不能精確的對蘋果生育期進行模擬,導致葉面積指數等參數與實際差距較大有很大的關系。土壤硝態氮模擬值與實測值較為接近,這與Jing等[24]的研究結果一致；但是N2O排放模擬值偏高,主要是因為本研究中施肥濃度高于meta-analysis[21]中的濃度(平均施肥量104 kgN/m2),而施肥對N2O排放影響較大造成的。樹體碳固定模擬值高于Zanotelli等[25]的研究結果,偏高主要是因為本研究中考慮了蘋果園地上一年生木材生產中的碳固定造成的；土壤碳流失模擬值低于Montanaro 等[26]的研究結果,偏低的原因是沒有考慮與根際呼吸有關的土壤碳損失量,而土壤碳損失量與土壤、氣候和管理措施有密切關系。

本研究使用STICS模型量化蘋果園生態系統服務概況,在對比這些蘋果園生態系統服務概況后得出,地布覆蓋和輕度虧缺灌溉的蘋果園服務能力最強,原因是這兩種管理措施高效地增強了各項生態系統服務功能；然而,從蘋果園生產和生態兩方面綜合考慮,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：(1)這兩個蘋果園生產力較強,而且產生的溫室氣體負面影響較??；(2)這兩個蘋果園的生態系統服務協同作用的正面效應較大,權衡作用的負面效應較小,使得生態系統服務效益最大化[27]。因此,權衡蘋果園生態過程,經濟和生態效益,充分發揮蘋果園關鍵主體之間的協作關系是實現蘋果園可持續生產的關鍵所在。

3.2 氣候和農業管理措施對蘋果園生態系統服務的影響

新興的可持續農業,則希望將自然過程協調和人為調控融合,建立近自然的高效的現代農業體系[28]。對于蘋果園,氣候和農業管理措施分別是自然調控和人為調控因子,因此,研究氣候和農業管理措施對蘋果園生態系統服務的影響對實現蘋果園可持續生產具有重要意義。

圖7 供應服務與調節服務之間的權衡作用 Fig.7 The trade-off between support service and regulation service 每個點代表每個果園系統,紅色線代表供應服務和調節服務的最高值,點劃線代表離理想情景下的距離

子洲地區2018年是個歉收年(“off-crop”年),這會引起一些果園生態系統服務的供應能力減弱,主要體現在果樹生產以及固碳和反硝化兩方面。由于“off-crop”情景下樹體對氮素的需求會減少,氮素不斷積累在土壤中,導致土壤硝態氮濃度變大?！皁ff-crop”情景的出現可能是很多因素造成的,例如在弱光[29]、低溫[30]以及作物負載或荷爾蒙作用下導致分化花蕾數量的減少,因此產量會受到影響。結合當地實際情況,很可能是因為三月份的一次倒春寒事件引起的,但是目前沒有模型能夠對該事件進行模擬。

覆蓋措施對蘋果園生態系統服務有著較顯著的影響。一方面,因為覆蓋可以改善土壤結構和減少土壤無效蒸發,提高保水效果,同時增加樹體增長量,促進果樹發育,所以能提高產量和果實品質[31]；另一方面,因為覆蓋對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產生、傳輸和排放的主要因子,所以覆蓋必將對土壤N2O通量產生深刻的影響[32]。因為生育期內適當的灌溉可以彌補對土壤水分的消耗,利于果實有機物積累,進而提高果樹產量和品質。本研究中灌溉雖然提高了果實產量和品質[33],但是由于灌水量較少,達不到顯著提高土壤氮素的要求；同時,所有灌溉系統都是按照果樹水分需求設置的,雖然存在重度水分虧缺處理,但對模擬結果影響較小。

從所有果園生態系統在2和3范圍內和離理想化的距離可以看出農業管理措施能緩和供應服務與調節服務之間的權衡作用(圖7), 因為人為管理措施是可以改變相互競爭服務對的一個生態系統服務指標,導致競爭作用發生了改變[34]。地布覆蓋和輕度虧缺灌溉的果園生態系統有著最短的距離,而此距離代表著權衡作用的程度,所以地布覆蓋和中度水分虧缺灌溉能夠最佳地優化權衡作用,一定程度上使得綜合效益最大化。

4 結論

本研究利用STICS模型對黃土高原蘋果園生態系統服務進行分析和評估,得出結論如下：(1)STICS模型較好地解決了蘋果園生態系統功能的復雜性難題,同時把農業管理措施、生態系統功能及生態系統服務緊密地聯系在一起,而且通過STICS模型分析生態系統服務的方法是較有前景的。(2)農業管理措施對果園生態系統服務概況影響較顯著,是果園生態系統服務強有力的驅動因子,其中地布覆蓋和中度虧缺灌溉的果園生態系統服務概況較相似且最平衡,是較理想的果園；(3)除了固碳與產量、單果重或者果樹相關指標是協同作用,其他生態系統服務都是權衡作用；(4)農業管理措施優化了權衡作用,減輕了農業生產與調節服務之間的矛盾,地布覆蓋和中度水分虧缺灌溉最佳地緩和了權衡作用。