邵主恩,趙西寧,高曉東,王紹飛,王憲志,吳普特,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,楊凌 712100

黃土高原是全球最大的優(yōu)質(zhì)蘋果主產(chǎn)區(qū),種植面積和產(chǎn)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(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)建設(shè)的主要因素[3]。黃土高原蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力較強(qiáng),能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)所形成與維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境與效用[4- 5]。果園是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,不僅提供了果實(shí)產(chǎn)品的市場服務(wù),還提供了其他的非市場服務(wù),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(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有利于保持較高的果實(shí)生產(chǎn)水平,也利于保護(hù)水分和土壤等自然資源以及礦化等生態(tài)系統(tǒng)功能[8-10]。氣候和農(nóng)業(yè)管理措施對果園生態(tài)系統(tǒng)功能的動態(tài)聯(lián)系和不同反應(yīng)產(chǎn)生了果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同和權(quán)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究對黃土高原蘋果園綠色可持續(xù)生產(chǎn)具有重要作用。

研究不同空間尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)已成為當(dāng)前熱點(diǎn)問題[11],其中模型模擬是有效且可靠的手段[12]。基于模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究多局限于區(qū)域和國家尺度,而田塊尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究相對較少。例如,常見的區(qū)域和國家尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jié)構(gòu)較為簡化,模型參數(shù)缺乏率定和驗(yàn)證,導(dǎo)致在田塊尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中存在較大的不確定性[14],而研究田塊尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有利于解析區(qū)域和國家尺度上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的復(fù)雜性特征。在田塊尺度上使用作物模型能夠規(guī)范農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的功能、服務(wù)、相互聯(lián)系和動態(tài)響應(yīng),諸如APSIM[15]、CropSyst[16]和DSSAT[17]等作物模型已經(jīng)廣泛用于模擬農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(qiáng)大的通用性和可操作性等特點(diǎn),能夠應(yīng)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(jìn)行模擬,且已經(jīng)在法國蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面得到初步應(yīng)用[19- 20]。

基于STICS模型研究農(nóng)業(yè)管理措施和氣候?qū)μO果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,并在此基礎(chǔ)上對黃土高原地區(qū)土壤氮可利用性、氣候調(diào)節(jié)、水循環(huán)調(diào)節(jié)和果實(shí)生產(chǎn)四種蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)的評估,以此為果園生態(tài)系統(tǒng)管理提供依據(jù),從而實(shí)現(xiàn)黃土高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)和諧發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)區(qū)一位于陜西省渭南市白水縣西北農(nóng)林科技大學(xué)蘋果園試驗(yàn)基地(35°4′N,109°16′E),屬暖溫帶大陸性季風(fēng)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(yàn)設(shè)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(fù),共12個小區(qū)。選擇生長健壯,樹勢中庸,無病蟲害果樹進(jìn)行試驗(yàn)布設(shè),試驗(yàn)期間除覆蓋處理不同外,各處理其他管理措施一致。

試驗(yàn)區(qū)二位于陜西省榆林市子洲縣清水溝山地有機(jī)蘋果種植基地(37°27′N,110°20′E),屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。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(yàn)設(shè)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(shè)置3個重復(fù),各小區(qū)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(shè)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(yàn)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(shù)化和評估的六個果園系統(tǒng)的主要特性

圖1 各試驗(yàn)地蘋果園生育期內(nèi)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(xiàng)目

1.2.1土壤水分

土壤含水量測定采用管式TDR系統(tǒng)(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(jiān)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(fā)蒸騰

采用水量平衡方程計算每月總的蒸發(fā)蒸騰量,結(jié)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(tài)氮

用土鉆在距離樹干50 cm處沿著“S”型曲線(五點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室經(jīng)過風(fēng)干、研磨,過2 mm篩,再用紫外分光光度法測定硝態(tài)氮。

1.2.4產(chǎn)量和平均單果重

果實(shí)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(tǒng)計每個處理蘋果個數(shù)和產(chǎn)量。每個處理的總重量除以總個數(shù)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(xiàn),同時借鑒相關(guān)研究的meta-analysis[21]結(jié)果,對3個處理的模擬指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)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(nóng)業(yè)科學(xué)研究院建立的通過逐日氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動的土壤作物機(jī)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(fā)育的基礎(chǔ)上描述了作物的生長,葉片表面能夠攔截光并將其轉(zhuǎn)化為生物量,這些生物量通過源匯法分配給根、果實(shí)、葉子和莖。樹木的物候期和關(guān)鍵變量日期是用來模擬作物果樹生長的基礎(chǔ)[19]。

1.3.2STICS模型對蘋果園的參數(shù)化

由于STICS模型現(xiàn)有版本不包括蘋果,因此首先應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行參數(shù)化。本文主要包括3種方法：1)試驗(yàn)地直接測量的參數(shù),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(yōu)溫度和限制溫度的參數(shù)可以從蘋果樹的參考文獻(xiàn)中可以獲得。3)使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)、模型參數(shù)曲線和全局參數(shù)化估計。此目的是為了獲得完整的一套模型蘋果參數(shù),這些參數(shù)對于該模型運(yùn)用到新作物來說是最敏感和最重要的[23],經(jīng)模型率定后的主要參數(shù)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(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,其余處理相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,同時對模擬值和實(shí)測值進(jìn)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(shù)意義和取值

1.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)、生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)和綜合評價

每類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能被一個或者幾個指標(biāo)來描述(表3),土壤氮可利用性指標(biāo)為平均土壤硝態(tài)氮濃度；氣候調(diào)節(jié)指標(biāo)主要考慮溫室氣體N2O排放,是一個負(fù)面影響[10],也考慮土壤和樹體的碳固存量；水循環(huán)調(diào)節(jié)指標(biāo)為平均土壤含水量和生育期內(nèi)總的蒸發(fā)蒸騰量；果實(shí)生產(chǎn)指標(biāo)為產(chǎn)量和平均單果重。

影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)如表4所示：因?yàn)榈V化能夠影響土壤氮可利用能力,所以相應(yīng)的功能指標(biāo)是累積礦化氮數(shù)量；用土壤累積腐殖碳數(shù)量描述為土壤碳固存, 使用葉片、果實(shí)和莖中的平均碳含量當(dāng)做凈初級生產(chǎn)力和最大地上生物量；在樹體的生長發(fā)育過程中,水分虧缺和氮素虧缺會對果樹生產(chǎn)有影響；氮吸收的功能指標(biāo)是一年生器官吸收的最大氮數(shù)量。

使用服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)值S表達(dá)每個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的大小,S計算公式如下：

(5)

式中,s是果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值smin,smax分別是果園生態(tài)系統(tǒng)中最小和最大的服務(wù)值。標(biāo)準(zhǔn)值S在0到1之間變化。

表3 果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)和單位

表4 果園生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)和單位

2 結(jié)果與分析

2.1 模型評估

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

2.2 蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分析

本研究從氮營養(yǎng)平衡和水文循環(huán)來分析蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),即與水、碳、氮相關(guān)的服務(wù)：

(1)與氮循環(huán)相關(guān)的服務(wù)：秸稈覆蓋的果園氮吸收和土壤硝態(tài)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(tài)氮和含水量分別與氮礦化和土壤碳固定正相關(guān)和負(fù)相關(guān)(圖3),硝態(tài)氮與含水量負(fù)相關(guān)(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(tài)氮負(fù)相關(guān)(圖4)。

表5 STICS模型對產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)模擬值

表7 STICS模型果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)模擬值

(2)與碳循環(huán)相關(guān)的服務(wù)：在極端氣候事件下子洲的產(chǎn)量降到14.64 t/hm2(表7),產(chǎn)量與樹體碳固定和果樹碳數(shù)量正相關(guān)(圖4)；總固碳量與氮吸收正相關(guān)(圖3),總固碳量取決于樹體固碳數(shù)量,而果樹的葉片、莖、果實(shí)發(fā)育取決于氮吸收；子洲單果重較大,果實(shí)數(shù)較少(表7)。果實(shí)數(shù)與單果重負(fù)相關(guān)(圖4)。子洲果園產(chǎn)量和總固碳量較低(表7)。

(3)與水循環(huán)相關(guān)的服務(wù)：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(guān)(圖4)。蒸發(fā)蒸騰與產(chǎn)量的關(guān)系不顯著(通常是二次曲線關(guān)系),但是與總固碳負(fù)相關(guān)(圖4)。葉片水分充足指數(shù)與蒸發(fā)蒸騰正相關(guān)(圖3)。

圖3 果園生態(tài)系統(tǒng)功能與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between orchard ecosystem functions and ecosystem services

圖4 果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同關(guān)系和權(quán)衡關(guān)系Fig.4 Orchard ecosystem service synergy and trade-off

圖5 氣候和農(nóng)業(yè)管理措施對與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況

農(nóng)業(yè)管理措施和氣候?qū)麍@生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況影響較為顯著。不同灌水量對灌溉果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況影響較大。灌溉能夠增加產(chǎn)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(wù)能力較強(qiáng),但服務(wù)概況與重度虧缺灌溉的果園相反,有著較大的蒸發(fā)蒸騰、土壤水分和N2O排放量。覆蓋可以提高果實(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)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(wù)概況與清耕果園相反(圖6),產(chǎn)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(wù)概況與地布覆蓋的果園比較相似(圖6),都有著較大的產(chǎn)量、單果重、土壤水分和總固碳量。

圖6 果園生態(tài)系統(tǒng)在雷達(dá)圖上的服務(wù)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(xù)生產(chǎn)中的應(yīng)用

蘋果園在保證最大生產(chǎn)力的同時應(yīng)適當(dāng)考慮改善環(huán)境和保護(hù)自然資源,從而實(shí)現(xiàn)蘋果園可持續(xù)發(fā)展。使用STICS模型可以評估蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)和量化蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況,所以該模型可較好地用于指導(dǎo)蘋果園可持續(xù)生產(chǎn)。

基于STICS模型估算和表征蘋果園各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的結(jié)果還存在一定差異。子洲蘋果園產(chǎn)量模擬值出現(xiàn)低估現(xiàn)象是因?yàn)槿路莸囊淮螛O端氣候事件導(dǎo)致減產(chǎn),而STICS模型不能對此事件進(jìn)行模擬造成的；但所有蘋果園單果重模擬值存在低估現(xiàn)象,分析其原因主要與模型中設(shè)置統(tǒng)一的蘋果品種參數(shù),而試驗(yàn)中蘋果品種不一致關(guān)系密切。旱作果園的土壤水分模擬效果優(yōu)于灌溉果園主要是因?yàn)樵撃Ｐ蛯涤旰凸喔缺容^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(jìn)行模擬,導(dǎo)致葉面積指數(shù)等參數(shù)與實(shí)際差距較大有很大的關(guān)系。土壤硝態(tài)氮模擬值與實(shí)測值較為接近,這與Jing等[24]的研究結(jié)果一致；但是N2O排放模擬值偏高,主要是因?yàn)楸狙芯恐惺┓蕽舛雀哂趍eta-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(jié)果,偏高主要是因?yàn)楸狙芯恐锌紤]了蘋果園地上一年生木材生產(chǎn)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(jié)果,偏低的原因是沒有考慮與根際呼吸有關(guān)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(guān)系。

本研究使用STICS模型量化蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況,在對比這些蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況后得出,地布覆蓋和輕度虧缺灌溉的蘋果園服務(wù)能力最強(qiáng),原因是這兩種管理措施高效地增強(qiáng)了各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能；然而,從蘋果園生產(chǎn)和生態(tài)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(diǎn)：(1)這兩個蘋果園生產(chǎn)力較強(qiáng),而且產(chǎn)生的溫室氣體負(fù)面影響較??；(2)這兩個蘋果園的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同作用的正面效應(yīng)較大,權(quán)衡作用的負(fù)面效應(yīng)較小,使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益最大化[27]。因此,權(quán)衡蘋果園生態(tài)過程,經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益,充分發(fā)揮蘋果園關(guān)鍵主體之間的協(xié)作關(guān)系是實(shí)現(xiàn)蘋果園可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

3.2 氣候和農(nóng)業(yè)管理措施對蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

新興的可持續(xù)農(nóng)業(yè),則希望將自然過程協(xié)調(diào)和人為調(diào)控融合,建立近自然的高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體系[28]。對于蘋果園,氣候和農(nóng)業(yè)管理措施分別是自然調(diào)控和人為調(diào)控因子,因此,研究氣候和農(nóng)業(yè)管理措施對蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響對實(shí)現(xiàn)蘋果園可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

圖7 供應(yīng)服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)之間的權(quán)衡作用 Fig.7 The trade-off between support service and regulation service 每個點(diǎn)代表每個果園系統(tǒng),紅色線代表供應(yīng)服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)的最高值,點(diǎn)劃線代表離理想情景下的距離

子洲地區(qū)2018年是個歉收年(“off-crop”年),這會引起一些果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供應(yīng)能力減弱,主要體現(xiàn)在果樹生產(chǎn)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(dǎo)致土壤硝態(tài)氮濃度變大?！皁ff-crop”情景的出現(xiàn)可能是很多因素造成的,例如在弱光[29]、低溫[30]以及作物負(fù)載或荷爾蒙作用下導(dǎo)致分化花蕾數(shù)量的減少,因此產(chǎn)量會受到影響。結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,很可能是因?yàn)槿路莸囊淮蔚勾汉录鸬?但是目前沒有模型能夠?qū)υ撌录M(jìn)行模擬。

覆蓋措施對蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有著較顯著的影響。一方面,因?yàn)楦采w可以改善土壤結(jié)構(gòu)和減少土壤無效蒸發(fā),提高保水效果,同時增加樹體增長量,促進(jìn)果樹發(fā)育,所以能提高產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)[31]；另一方面,因?yàn)楦采w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(chǎn)生、傳輸和排放的主要因子,所以覆蓋必將對土壤N2O通量產(chǎn)生深刻的影響[32]。因?yàn)樯趦?nèi)適當(dāng)?shù)墓喔瓤梢詮浹a(bǔ)對土壤水分的消耗,利于果實(shí)有機(jī)物積累,進(jìn)而提高果樹產(chǎn)量和品質(zhì)。本研究中灌溉雖然提高了果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)[33],但是由于灌水量較少,達(dá)不到顯著提高土壤氮素的要求；同時,所有灌溉系統(tǒng)都是按照果樹水分需求設(shè)置的,雖然存在重度水分虧缺處理,但對模擬結(jié)果影響較小。

從所有果園生態(tài)系統(tǒng)在2和3范圍內(nèi)和離理想化的距離可以看出農(nóng)業(yè)管理措施能緩和供應(yīng)服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)之間的權(quán)衡作用(圖7), 因?yàn)槿藶楣芾泶胧┦强梢愿淖兿嗷ジ偁幏?wù)對的一個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo),導(dǎo)致競爭作用發(fā)生了改變[34]。地布覆蓋和輕度虧缺灌溉的果園生態(tài)系統(tǒng)有著最短的距離,而此距離代表著權(quán)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(yōu)化權(quán)衡作用,一定程度上使得綜合效益最大化。

4 結(jié)論

本研究利用STICS模型對黃土高原蘋果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行分析和評估,得出結(jié)論如下：(1)STICS模型較好地解決了蘋果園生態(tài)系統(tǒng)功能的復(fù)雜性難題,同時把農(nóng)業(yè)管理措施、生態(tài)系統(tǒng)功能及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)緊密地聯(lián)系在一起,而且通過STICS模型分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的方法是較有前景的。(2)農(nóng)業(yè)管理措施對果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況影響較顯著,是果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強(qiáng)有力的驅(qū)動因子,其中地布覆蓋和中度虧缺灌溉的果園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概況較相似且最平衡,是較理想的果園；(3)除了固碳與產(chǎn)量、單果重或者果樹相關(guān)指標(biāo)是協(xié)同作用,其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都是權(quán)衡作用；(4)農(nóng)業(yè)管理措施優(yōu)化了權(quán)衡作用,減輕了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與調(diào)節(jié)服務(wù)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(quán)衡作用。