肖 娜，胡少偉

（湖南省邵陽市環(huán)境保護(hù)研究所，邵陽 422000）

1 引言

作為地球生物圈的重要組成部分，土壤既是生產(chǎn)食物、纖維及林產(chǎn)品不可替代或缺乏的自然資源，又是保持地球系統(tǒng)的生命活性，維護(hù)整個(gè)人類社會(huì)和生物圈共同繁榮的基礎(chǔ)［1］。然而，近幾十年來，由于人類的不合理利用和管理，導(dǎo)致土壤及土地資源質(zhì)量退化，嚴(yán)重影響、破壞人類賴以生存的環(huán)境。目前，人類活動(dòng)引發(fā)的土壤侵蝕、大氣污染、過渡耕作、過牧、鹽堿化及沙漠化等已經(jīng)造成地球上約40%的農(nóng)業(yè)土地退化［2］。土壤退化及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和自然生態(tài)系統(tǒng)的影響已成為人類面臨的主要環(huán)境問題之一［3］。而且，隨著全球人口數(shù)量的不斷增長，土壤退化的現(xiàn)象還會(huì)加?。?］。因此，當(dāng)前人類面臨的最大挑戰(zhàn)就是如何發(fā)展可持續(xù)性的土地經(jīng)營系統(tǒng)，在獲取食物和纖維的同時(shí)能維持一個(gè)安全而清潔的環(huán)境［3］。

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng) （agroforestry system），又可稱為復(fù)合農(nóng)林業(yè)、混農(nóng)林業(yè)或農(nóng)用林業(yè)，是有目的地將多年生木本植物與農(nóng)業(yè)或牧業(yè)用于同一土地經(jīng)營單位，并采取時(shí)空排列法或短期相間的經(jīng)營方式，使農(nóng)業(yè)、林業(yè)在不同的組合之間存在著生態(tài)學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)一體化的相互作用［5］。自20世紀(jì)70年代中期以來，由于 “人口劇增、糧食短缺、資源危機(jī)以及環(huán)境惡化”這一全球性問題的出現(xiàn)，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)受到世界上眾多國家和地區(qū)的普遍關(guān)注和廣泛重視［6-7］。從理論上來說，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中的木本植物能增加系統(tǒng)的有機(jī)物質(zhì)輸入，改善土壤結(jié)構(gòu)、持水能力及微生境，降低土壤侵蝕和淋溶引起的土壤養(yǎng)分損失，提高土壤生物活性［8-9］。因此，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)被廣泛認(rèn)為是一種可持續(xù)的土地利用方式，能有效地提高土壤質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)生產(chǎn)［7,9-10］?？紤]到土壤質(zhì)量是土地實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營的基礎(chǔ)，了解農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營對土壤物理、化學(xué)及微生物學(xué)特性的影響，對于維持土壤的長期生產(chǎn)力、評價(jià)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的可持續(xù)性有著重要的意義。

2 農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)對土壤物理特性的影響

土壤水分是作物吸水的最主要來源，能影響作物的生長、養(yǎng)分傳輸、氧氣可利用性、微生物和動(dòng)物呼吸、養(yǎng)分淋溶等土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)過程［11］。關(guān)于農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)土壤水分的研究已大量展開，但由于土壤水分狀況受降水、農(nóng)田蒸散、土壤物理性質(zhì)、樹木吸水特性等多種因素的影響，至今仍沒有形成統(tǒng)一的研究結(jié)論［12］。在溫帶和半干旱熱帶地區(qū)，林木和作物對土壤水分的競爭及樹冠截留會(huì)降低土壤含水量，而且與樹行距離越近，土壤含水量越低［13-15］。王興祥等［16］在我國低丘紅壤地區(qū)也發(fā)現(xiàn)，花生 （Arachis hypogaea）-南酸棗（Choerospondias axillaries）間作系統(tǒng)中南酸棗種植帶土壤含水量比單作南酸棗要低；而文化一和康珉 （1990）在我國云南省發(fā)現(xiàn)，在紅壤地區(qū)農(nóng)林間作可以減少土壤水分徑流量，增加土壤入滲，提高土壤貯水量，土壤水分狀況得到改善。此外，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，具有深根系的樹木還能通過水力提升作用 （hydraulic lift）吸收底層土壤的水分，并將其釋放到表層土壤，改善表層土壤的水分狀況［17］。 Filella&Penuelas［18］用同位素標(biāo)記研究地中海松 （Pinus halepensis）的水力提升作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在干旱的夏季，地中海松附近的乳香黃連木 （Pistacia lentiscus）的水分狀況明顯改善，而在濕潤的春季則沒有觀察到此現(xiàn)象。

土壤結(jié)構(gòu)是土粒的排列、組合形式，包含著結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)性兩個(gè)方面［1］。土壤結(jié)構(gòu)影響著植物根系的生長，以及土壤水分、空氣和養(yǎng)分的移動(dòng)性和可利用性［19］。農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，樹木主要通過以下4個(gè)方面來影響土壤結(jié)構(gòu)： （1）增加地表覆蓋，減少雨滴對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的破壞； （2）通過增加生物量、降低土壤溫度和減少土壤侵蝕等途徑提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物活性，進(jìn)而改善土壤結(jié)構(gòu)； （3）樹木根系的穿插作用影響土壤結(jié)構(gòu)； （4）通過增加凋落物輸入、改善小氣候和停止土壤耕作等途徑影響土壤動(dòng)物的豐富度、組成和活性，通過土壤動(dòng)物的穴居活性 （burrowing activity）影響土壤結(jié)構(gòu)［19］。Wang et al.［20］在我國中亞熱帶地區(qū)發(fā)現(xiàn)， 與杉木（Cunninghamia lanceolata）純林相比，杉木與作物間作能降低土壤的擴(kuò)散系數(shù) （dispersion coefficient）和結(jié)構(gòu)破壞系 數(shù) （structure destruction coefficient）， 改善土 壤 結(jié) 構(gòu) 。Alegre&Cassel［21］在秘魯發(fā)現(xiàn)，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營4年后土壤容重降低，土壤中大團(tuán)聚體的比例得到提高，土壤滲透性增強(qiáng)。Udawatta et al.［22-23］在美國密蘇里州發(fā)現(xiàn)，與單作作物相比，實(shí)行農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營的緩沖帶 （agroforestry buffer）能降低土壤容重，提高土壤水穩(wěn)定團(tuán)聚體。

3 農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)對土壤化學(xué)特性的影響

土壤有機(jī)碳不僅是全球碳循環(huán)過程中的重要儲(chǔ)存庫，而且能影響一系列與土壤生產(chǎn)力相關(guān)的物理、化學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)［24-25］。與氮、磷等營養(yǎng)元素相結(jié)合時(shí)，土壤有機(jī)碳是土壤生物過程的主要能量來源，能有效地增加土壤-植被系統(tǒng)的恢復(fù)力 （resilience）［25］。此外， 土壤有機(jī)碳能影響土壤結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性、持水能力、陽離子交換和緩沖能力等土壤物理及化學(xué)屬性［25］。與單作農(nóng)田或森林相比，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)能通過增加植物殘余物輸入、降低土壤溫度和保護(hù)土壤免于侵蝕等途徑維持或提高土壤有機(jī)碳水平［26］。目前，大多數(shù)研究表明，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營能提高土壤有機(jī)碳含量［27-30］。另外一些研究表明，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營對土壤有機(jī)碳沒有影響［31-34］。此外，Seiter et al.［35］發(fā)現(xiàn)，在美國俄勒岡西部基于Robinia pseudoacacia和Anlus rubra的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，樹木殘余物增加的有機(jī)物質(zhì)輸入仍然不能阻止土壤耕作引起的土壤有機(jī)碳和土地生產(chǎn)力下降。Saggar et al［36］.在新西蘭也發(fā)現(xiàn)，草地實(shí)行輻射松 （Pinus radiata）林草復(fù)合經(jīng)營后，松針分解釋放的有機(jī)酸和樹脂引起土壤酸化，降低土壤有機(jī)碳含量下降。Oelbermann et al［32］.在哥斯達(dá)黎加和加拿大展開研究發(fā)現(xiàn)，與溫帶農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)相比，熱帶農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中植物殘余物量較大，而且周轉(zhuǎn)速率較快，因此在熱帶地區(qū)實(shí)行農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營后土壤有機(jī)碳的積累速度比溫帶地區(qū)快。在熱帶地區(qū)農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營至少需要10年才能檢測出土壤有機(jī)碳發(fā)生顯著變化［37］，溫帶地區(qū)則需要更長的時(shí)間。此外，Gupta et al［30］.發(fā)現(xiàn)，與沙質(zhì)壤土相比，沙質(zhì)黏土進(jìn)行基于楊樹的農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營后土壤截獲有機(jī)碳的能力更強(qiáng)。在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳研究結(jié)果不一致主要是由于管理措施、氣候、土壤特性、林齡、樹木密度和樹木種類等因素的差異導(dǎo)致的。

土壤養(yǎng)分元素 （如氮、磷）是植物生產(chǎn)力的主要限制因素之一［38-39］。農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營能增加系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)過程、減少系統(tǒng)的養(yǎng)分損失，進(jìn)而增加植物-土壤系統(tǒng)的養(yǎng)分總量［40］。尤其是在熱帶地區(qū)，固氮植物被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中。固氮物種能通過生物固氮作用增加土壤養(yǎng)分輸入，促進(jìn)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)，改善土壤質(zhì)量［17,37,40］。 研究發(fā)現(xiàn)，在小麥 （Triticum aestivum）-豇豆（Vigna sinensis）輪作系統(tǒng)中栽種印度黃檀 （Dalbergia sissoo）12年后，土壤全氮和有效氮顯著增加。在溫帶地區(qū)，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營也能增加土壤有機(jī)物質(zhì)輸入，提高土壤全氮含量［22-23,29］。 王振軍等［41］研究發(fā)現(xiàn)，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)實(shí)施林草間作能增加土壤全氮、全磷和全鉀含量。在Saggar et al.［36］的研究中，與林草復(fù)合系統(tǒng)相比，基于豆科的草地能增加土壤全氮和氮礦化速率，改善土壤氮素有效性水平。因此，草地實(shí)行林草復(fù)合經(jīng)營后土壤氮素有效性反而降低。

在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，樹木還影響著土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的空間分布格局。Pandey et al.［42］在印度常見的阿拉伯金合歡 （Acacia nilotica）農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和礦質(zhì)氮含量在林冠下和林冠邊緣均高于林冠外。許峰等［43］發(fā)現(xiàn)，在三峽庫區(qū)紫色土坡地植物籬農(nóng)作系統(tǒng)中，植物籬帶之上和籬帶中土壤養(yǎng)分含量均高于籬帶下。Mungai et al.［44］在美國密蘇里發(fā)現(xiàn)，在美洲山核桃 （Carya illinoinensis）-藍(lán)草 （Poa trivialis）復(fù)合系統(tǒng)中，樹行表層土壤 （0-10cm）的有機(jī)碳和全氮含量分別比樹行中間高13%和18%；而在銀楓 （Acer saccharinum）復(fù)合系統(tǒng)中，樹行亞表層土壤 （10-30cm）的顆粒有機(jī)碳是樹行種間的2～3倍。Oelbermann&Voroney［32］在加拿大南部 13年生楊樹 （Populus deltoids×nigra DN-177）農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)，距離樹行越近，土壤有機(jī)碳和全氮越高。

當(dāng)在農(nóng)用土地上栽種木本植物后，木本植物的深根不僅能夠捕獲氮，降低氮的淋溶率，也可以從深層土壤中或地下水中吸收養(yǎng)分，起 “養(yǎng)分泵”的作用［17,45］。在美國東南部，Bambo et al.［46］也發(fā)現(xiàn)，與牧場相比，林草復(fù)合經(jīng)營顯著降低1.2m深土壤NO3-N含量，減少了土壤NO3-N淋溶。Zhou et al.［42］發(fā)現(xiàn)， 柑橘 （Citrus reticulate）-大豆 （Glycine max）間作使土壤中磷的生物移動(dòng)性增強(qiáng)，促進(jìn)土壤深層磷素向土壤淺層遷移。

4 農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)對土壤微生物學(xué)特性的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分源和匯的一個(gè)巨大的原動(dòng)力，在植物凋落物的降解、養(yǎng)分循環(huán)與平衡、土壤理化性質(zhì)改善中起著重要的作用［48］。而且，相對于土壤物理和化學(xué)屬性而言，土壤微生物學(xué)屬性能對土壤狀況的細(xì)微變化做出響應(yīng)，為土壤質(zhì)量的變化提供快速、準(zhǔn)確的信息［49］。因此，土壤微生物是表征土壤質(zhì)量最有潛力 的敏 感性指標(biāo)［48,50］。

作為土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分［51］，土壤微生物量既是土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動(dòng)力，又可作為土壤中植物有效養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫［52］。土壤微生物量能代表參與調(diào)控土壤中能量和養(yǎng)分循環(huán)以及有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的對應(yīng)生物的數(shù)量，能為土壤有機(jī)碳和全氮的變化提供早期信息［48,53］。與單作農(nóng)田或森林相比，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營通常能提高土壤有機(jī)物質(zhì)的輸入， 增加土壤微生物量［27-28,54］。Amatya et al.［54］在新西蘭發(fā)現(xiàn)，林草復(fù)合經(jīng)營能提高表層土壤微生物量碳和氮。而Tornquist et al.［31］在哥斯達(dá)黎加發(fā)現(xiàn)，由于Vochysia ferruginea能將鋁積累在葉片中，對土壤微生物產(chǎn)生毒害作用，因此林草復(fù)合經(jīng)營對土壤微生物量碳和氮沒有影響。Saggar et al.［36］也發(fā)現(xiàn)，在新西蘭的輻射松農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，松針分解釋放的有機(jī)酸和樹脂能引起土壤酸化，降低土壤微生物量。這些研究結(jié)果不一致可能是由于農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中樹木凋落物的質(zhì)量差異引起的。此外，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)對土壤微生物量的影響還受到林齡的影響。Lee&Jose［55］發(fā)現(xiàn)，美國南部地區(qū)棉花 （Gossypium hirsutum）單作系統(tǒng)的土壤微生物量碳低于47年生美洲山核桃-棉花復(fù)合系統(tǒng)，而與3年生美洲山核桃復(fù)合系統(tǒng)沒有顯著差異。

土壤微生物活性表示土壤中整個(gè)微生物群落或其中的一些特殊種群狀態(tài)，可以反映自然或農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的微小變化［1］。土壤微生物活動(dòng)能釋放植物可利用的養(yǎng)分，降解污染物質(zhì)，是生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分［28］。微生物活性不僅反映了微生物對土壤有機(jī)質(zhì)的分解能力［56］，而且還能表征土壤濕度、透氣性、溫度及土壤肥力的狀況［57］。 Chander et al.［27］發(fā)現(xiàn)，在印度的小麥-豇豆輪作系統(tǒng)中栽種印度黃檀12年后，土壤基礎(chǔ)呼吸、脫氫酶活性和堿性磷酸酶活性顯著增加，而且土壤酶活性隨著印度黃檀種植密度的增加而增加。Wan&Chen［58］發(fā)現(xiàn)，在我國江蘇省北部農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)能增加土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶，并且楊-糧間作系統(tǒng)中土壤酶活性高于桐-糧間作系統(tǒng)。Wang et al.［20］發(fā)現(xiàn)，在我國中亞熱帶地區(qū)，與杉木純林相比，杉木與作物間作能提高土壤基礎(chǔ)呼吸、脫氫酶活性、水解酶活性、過氧化氫酶活性和磷酸酶活性，降低土壤代謝熵。大多數(shù)研究表明，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營能增加土壤有機(jī)物質(zhì)輸入，改善小氣候，使其適宜于土壤微生物生長，提高土壤微生物活性。然而，在哥斯達(dá)黎加地區(qū)，Vochysia ferruginea葉片中積累的鋁能抑制凋落物分解，因此林草復(fù)合經(jīng)營對土壤代謝熵和氮礦化速率沒有影響［31］。Saggar et al.［36］發(fā)現(xiàn)，以豆科牧草為主、生長良好的草地能為土壤微生物提供更好的基質(zhì)，土壤碳和氮礦化速率均高于林草復(fù)合系統(tǒng)。

在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，樹木通過改變小氣候和凋落物數(shù)量及質(zhì)量來影響土壤微生物量及其活性的空間分布格局。賀明榮和冷壽慈［59］發(fā)現(xiàn)，在糧田種植桃樹后，樹冠下區(qū)及靠近樹冠區(qū)蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、過氧化物酶和多酚氧化酶活性均受到抑制，解磷細(xì)菌和纖維分解菌數(shù)量及其活性降低。Mungai et al.［60］發(fā)現(xiàn)，在基于美洲山核桃和銀楓的溫帶農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，盡管土壤微生物量碳和氮沒有顯著的空間變化格局，但樹行下土壤β-葡萄糖苷酶和熒光素二乙酸酯水解酶顯著高于樹行中間。

5 問題與展望

農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營被認(rèn)為是一種可持續(xù)的土地利用方式，能有效地維持土壤質(zhì)量。因此，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營對土壤質(zhì)量影響的研究已得到廣泛關(guān)注，但仍然需要進(jìn)一步的研究和探討。隨著林齡的增加，植物有機(jī)物質(zhì)輸入的數(shù)量和質(zhì)量均發(fā)生變化，這將對土壤質(zhì)量產(chǎn)生怎樣的影響，這對于評價(jià)農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營對土壤質(zhì)量的影響是必不可少的。目前，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中土壤質(zhì)量相關(guān)的研究大多集中在表層30cm土壤，很少關(guān)注深層土壤，這些深層土壤在土壤肥力和系統(tǒng)生產(chǎn)力維持等方面發(fā)揮著重要的作用，至今對其了解較少，今后應(yīng)對深層土壤質(zhì)量的變化進(jìn)行深入的研究。

目前，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)具有較高的土壤固碳潛力，被認(rèn)為能有效地緩和大氣中CO2濃度升高及其引起的氣候變暖。然而，土壤固碳的潛力取決于碳與養(yǎng)分之間的化學(xué)計(jì)量學(xué)特性，因此今后應(yīng)開展農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營后土壤質(zhì)量變化與土壤固碳潛力之間關(guān)系等方面的研究，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測其趨勢。

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