混农林业对石漠化地区土壤环境的影响及其应用

www.am8com-欢迎访问 /2019-05-31来源:《林业知识服务》微信公众号
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  摘要:土壤环境变化是恢复生态学研究的重要内容之一,加强混农林的立体优化配置,有利于控制水土流失、改善土壤环境质量和提高生态脆弱区的生态和经济效益。文中系统总结混农林业对石漠化地区土壤水分、养分、生物特征的影响,阐明在石漠化极端脆弱生态环境下,林木与农作物存在的水肥竞争以及复合农田中树龄较小时对土壤生物活性的抑制作用,进一步从石漠化地区土壤环境角度对混农林业的水分利用策略、乡土树种的选择搭配、有益土壤生物的应用等方面提出建议,以期为喀斯特石漠化地区提高土地生产力,控制水土流失、发展立体生态农业等提供参考。

  关键词:混农林业,土壤特征,环境影响,喀斯特石漠化地区

  作者:陈海  朱大运  陈浒  文雅琴


  石漠化已成为主要的生态灾难,其表现为植被破坏、水土流失、土地生产力低、岩石裸露等,是制约我国西南地区可持续发展的主要生态因素;引起社会各界广泛关注和各级管理部门的高度重视,国家在21世纪后加大了石漠化治理力度,开展了大量基础研究和石漠化防治工作,如林草植被恢复、草食畜牧业发展、水土保持、生态农业、生态移民、建立生态保护区开发旅游等石漠化综合治理模式。但在石漠化治理实施过程中,一些问题逐渐显现,坡面水与土分离、水土综合优势不凸显、优势特色产业缺乏支撑、农田生态系统受损等一系列瓶颈问题。混农林业是一种传统的土地利用和经营方式,与单一的土地利用方式相比,混农林业可降低土壤水分无效蒸发,增加含水量;有利于生态模式的养分平衡向有利方向转化,改善土壤肥力状况;对土壤质量的维持和改善具有长期稳定的作用;能够防治水土流失,保护生物多样性及生态环境等。目前对混农林业的研究主要集中于农林复合系统的水热、土壤等生态特征的研究,农林复合系统种间互作关系研究以及农林复合经营模式对某地区生物多样性的影响等方面,对混农林业土壤环境的研究也主要集中于正向作用方面,缺乏典型脆弱生态区混农林业的研究总结。本文从土壤水分、养分、生物特征等方面系统总结混农林业对土壤环境的影响,并指出研究过程中所遇到的问题及相应的解决对策,旨在为喀斯特石漠化地区发展混农林业、开展石漠化综合治理等提供参考。 

  1 混农林业对石漠化地区土壤环境的影响

  1.1 对土壤水分特征的影响

  农林复合经营可以降低土壤水分的无效蒸发,对近地面的微气候产生极大的影响,包括对近地面风速、相对光强、生长季节近地面气温和浅层地温均有显著降低作用,对近地面空气相对湿度有提高作用。其次,农林复合经营还能显著增加土壤含水量,混农林业缓冲区内的含水量相对于农田作物管理区降低得更慢。土壤容重、田间持水量、土壤孔隙度均对土壤水分含量有影响作用,而间作系统中林木根系的穿插可以起到提高土壤孔隙度和降低土壤容重的作用,从而提高土壤水分含量。大量研究表明,混农林业中土壤含水量、土壤容重以及孔隙度等物理性质均好于纯农地。与纯林相比,林下种草等模式还可以提高土壤的持水能力和供水能力。在石漠化地区,地表持水能力和调控能力弱,降雨量虽然充沛,但雨水很快沿裂隙、漏斗、落水洞及缺土缺林的坡面注入地下管道,往往造成工程性干旱缺水,土壤水分成为该地区发展混农林业及是否可持续的限制性因子。针对石漠化地区地表土壤蓄水能力弱、水分运动强烈、植物遭受严重水分胁迫的问题,混农林业复合经营可作为石漠化地区的一种抗旱保墒措施,能充分利用水资源,减少土壤水分的蒸发和渗漏。蒋光毅等研究得出,坡耕地生物梗作为一种独特的农林复合措施对石漠化坡耕地土壤水分分布的有效作用影响明显。

  农林复合经营对土壤水分的影响并不都是正向的。霍高鹏等在研究枣农复合系统中土壤水分竞争状况时发现,5月和7月在中层和深层土壤中存在明显的水分竞争;赵英等研究花生与南酸枣间作系统发现,在季节性干旱时土壤水分向树行运动。上述研究表明,在干旱时林木与农作物间的水分竞争较为激烈。但孙守家等用氘同位素示踪研究核桃—绿豆复合系统时发现,在旱季可一定程度上缓冲季节性水分胁迫对农作物生长的影响。前人的研究大多集中于某一种复合模式与其他模式的对比研究得出结论,其复合模式的差异、地区、海拔等地理因子都会产生影响,故未能完全定论。因此,有关农林复合经营对土壤水分正负效应以及林木与作物的水分竞争问题至今仍是石漠化地区研究的重点内容。未来应在基于混农林模式实测法的基础上,运用土壤水分运移模型对土壤水分效应进行深入研究。

  1.2 对土壤养分特征的影响

  农林复合经营可以提高土壤保水、固土、蓄肥能力,改善土壤肥力状况,其中对土壤氮、磷、钾等养分元素的效应研究历来受到重视。郭颖等对经营4年的核桃林分别复合土豆、玉米、白三叶研究发现,核桃林复合经营的土壤有机质、全氮、全磷、全钾等均高于核桃林单作模式。贾树海等通过对比不同谷物农林复合模式以及纯谷物种植模式得出:在0~20 cm的土层,榛子—谷物复合模式的土壤有机质、全氮、速效氮、有效磷和有效钾含量均高于其他模式(P <0.05)。Singh等将3种农林复合系统(牧草、青贮和造林)与没有引入农林复合系统的对照比较得出,林下土壤微生物量碳含量显著高于人工林和对照系统。无论热带还是温带地区的研究都发现,与单独的纯农对照相比,基于不同树木的农林复合系统中的微生物生物量碳、氮和磷的变化范围分别为262~320,32.1~42.4和11.6~15.6 μg。混农林业还起到消减土壤养分流失的作用,桃树—玉米套作模式对径流中氮素流失的削减效果最好,相比玉米单作模式分别削减了 30. 87% 的总氮、61. 33% 的氨氮和 34. 11% 的硝氮。总之,相对于单一种植系统,农林复合系统能更好地保持土壤养分,改善土壤质量。可作为改善坡耕地的土地利用方式,能有效减少土壤养分损失和缓解土壤侵蚀。

  混农林业对石漠化地区土壤养分特征的影响,一方面石漠化地区土壤通过裂隙等导致养分流失严重,混农林的林木能起到有效固土作用,防止养分流失;另一方面现代混农林业本身作为一种石漠化治理措施,林草复合有利于疏松土壤、枯枝落叶分解等促进土壤有机质的形成,增加养分含量。目前针对混农林业对石漠化地区土壤养分特征的研究主要集中在不同石漠化治理措施及植被恢复模式的土壤特性差异,单独报道的文献较少。如司彬等对典型喀斯特石漠化区不同植被恢复模式的对比发现,农林复合模式的理化性质仅次于落叶阔叶林。

  1.3 对土壤生物特征的影响

  农林复合经营通过减少耕作强度、增加枯枝落叶数量、丰富树种、增加郁闭度、提供多年生的根系统,为土壤动物群落提供了舒适的环境。土壤动物生物量常随着土地利用强度的增加而下降,在一块可耕作的土地上直接翻耕或挖翻土壤,增加了土壤中线蚯、螨类、弹尾类以及其他无脊椎动物的丰富度。农林复合经营与农业单作相比,显著降低了人为活动对耕作土地的干扰强度,增加了土壤动物的丰富度。土壤动物具有避光避热的特性,增温对其有不利的影响,混农林的树荫刚好起到遮光保护作用。研究表明,林下种草不仅能改善土壤动物生存环境条件,还能促进土壤动物类群及个体的明显增长。土壤动物既可以通过参与林下凋落物的分解,碎解并取食凋落物,改变养分的矿化速率和空间分布,还可以通过捕食的方式促进土壤微生物活性,但对农林复合模式下土壤动物对凋落物分解的研究较少。

  农林复合经营在土壤上沉积了大量的植物残留物,产生了高含量的土壤有机质,为微生物的生存提供了有利条件。同时土壤有机质、植被和土壤养分也会改变农林复合系统下的微生物群落。Araujod等指出,由于农林复合系统中树木和有机物质投入的影响以及凋落物质量、数量及根系分泌物的差异,土壤微生物含量和多样性较高。Kaur等研究水稻、林业和农林复合作物对印度土壤微生物量的影响得出,与农作物单作系统相比,土壤微生物量中微生物碳增加了42%,微生物氮增加了13%。

  喀斯特石漠化地区生态环境脆弱,加上植被退化,土壤动物数量呈减少趋势,农林复合经营为石漠化区土壤动物提供了相对舒适的环境。陈浒等研究石漠化区土地整理项目得出,土壤的大面积扰动会导致大型土壤动物的减少,而农林复合经营是一个相对稳定的土地经营方式,从而可避免土壤扰动的问题,保护生物多样性。不同等级石漠化也会对土壤动物的功能类群分布造成影响,混农林业石漠化治理措施可间接影响土壤动物的功能类群。混农林业对石漠化区土壤微生物的影响主要体现在乡土树种的相互组合可以使生物更为丰富。刘旭辉等对广西石漠化区土壤微生物量的测定发现,以清檀、侧柏、任豆等乡土植物为优势种的样地土壤生物量明显大于外来物种。总体而言,混农林业对石漠化地区土壤生物特征的影响研究更多地集中于石漠化治理植被恢复等方面,而混农林模式对土壤生物特征影响的对比还较少,还有待深入研究。

  2 混农林业在石漠化地区面临的问题与对策

  目前有关喀斯特石漠化地区混农林的研究还处于初级阶段,且主要集中在对石漠化地区发展混农林理论与发展途径的探讨方面。例如,梅再梅等以贵州喀斯特生态脆弱区为对象,提出了节水型混农林业的退耕模式;吴清林等从理论、技术研发、构建模式、试验示范、监测评价5个方面揭示石漠化环境水土综合整治与山地混农林业的前沿理论。尚缺少对发展混合农林系统的实用技术和经营模式研究,缺乏基于石漠化土壤环境特征发展混农林模式的深入研究,因此构建适宜于石漠化土壤环境的混农林业、减少竞争、有效利用土地、提高土地生产力以及增加农民经济效益是石漠化地区农林复合经营可持续发展的重要研究课题。

  1)针对土壤水分竞争问题,加强石漠化地区混农林业水分利用策略研究。长期以来,农林复合经营已被证实能够充分利用不同深度层次的土壤水分,提高水分利用效率,然而林木与农作物之间不可避免地会产生土壤水分等方面的竞争。主要表现在作物生长季节土壤的中深层存在着水分竞争,或者在干旱季节时,土壤水分朝树行方向运动,导致农作物缺水。石漠化地区一方面空间异质性强、降雨不均衡,再加上地表土壤蓄水能力弱、水分运动强烈,干旱季节混农林业面临着严重水分胁迫问题。另一方面针对林—粮—草立体优化配置的节水措施缺乏,保水能力差。研究植被的水分利用策略是目前判断农林复合系统中林木与农作物之间是否发生水分竞争的主要方法之一 。根据林木与农作物对于水分利用的策略,可以为农林复合经营模式中植被的合理配置及工程措施的合理建设提供一定的理论依据。石漠化地区水资源紧缺的状况决定了这里种植的作物具有需水量较少,耐旱能力强的特征,夏玉米作为一种作物需水量和灌溉需水量较小的作物被广泛种植于喀斯特石漠化地区。鉴于喀斯特石漠化地区人多地少的矛盾,为了满足人们的生活需求尽可能地增加经济效益,从而出现了大面积的玉米+花生、玉米+大豆、玉米+花椒等农林复合经营模式。但对这种农林复合模式土壤水分的利用缺乏统一定论,往往是基于经验法来选择,可利用先进的稳定同位素等技术,筛选出作物之间水分竞争较小的模式。此外,结合石漠化地区土层浅薄且不连续,土壤分布于石沟、石缝的特点,可以选择根系较为发达、可穿梭于岩层裂隙的树木,将农作物集中种植于土面。这样能充分发挥混农林的立体配置特点,林木利用表层岩溶带水,作物利用土壤水,有效避免了林木与作物的水分竞争。 

  2)针对土壤养分竞争问题,选择乡土树种,加强树种合理配置方面的研究。林木在复合系统中起到养分泵的作用,能将下层养分吸取上来,提高养分利用率,但同时也导致了养分竞争。首先石漠化地区土壤养分含量少,土壤肥力不足,当农林复合经营年限较长时,一些经果林会出现果实品质下降或者不结果的现象;其次水平方向上离树木越近,土壤养分越少,表现为树木周围作物长势稀疏;最后石漠化地区乡土树种的根系生物量和密度等较为发达,这虽在一定程度上起到了缓解土壤流失的作用,但同时也导致系统内各物种的竞争关系。当根系分布发达占用地下空间较多时,往往会排挤林下其他作物的生长。发展混农林业等立体农业能够最大限度地提高土地资源的利用价值,在混农林搭配物种选择方面,结合喀斯特干旱贫瘠生境,重点考虑耐旱节水、耐贫瘠的豆科等固氮物种,几何空间配置采取深浅根型植物相互组合,增加多年生植物在农林复合生态系统中的比例,选择石漠化地区乡土树种作为农林复合生态系统的组成成分,乔木呈散生分布格局,或选择经济树种和速生树种,在一定范围内增加乔木树种密度,同时应辅以修剪树冠的方式,调节下层植物受光状况和水分条件。在今后研究中需要根据喀斯特石漠化地区的自然及社会经济条件,因地制宜地集成创新农林复合模式,切实有效解决石漠化问题。

  3)针对混农林业对土壤生物活性抑制的问题,加强农田合理管护,开发利用有益土壤生物。石漠化地区混农林业是在近些年实施石漠化治理工程后才实行的措施,有些农田中林木树龄相对较小,根系尚不够发达,根系分泌物较少。当农田施用大量肥料时,导致真菌和防线菌的数量多于混农林。混农林业对土壤酶活性也会起到抑制作用,由于林木与农作物对于光、温、水、肥等的竞争及气候条件的变化等会在一定程度上降低酶活性。在农林复合系统的土壤中生物特性得到优化,土壤动物、微生物群落的多样性与丰富性提高,但同时也面临着混农林业对土壤生物活性的抑制作用等问题。因此,加强农田合理管护显得十分必要,合理施肥,按时清理杂草,在林木与农作物间设置边缘过渡带,保证生物通道的畅通等。此外,还需开发利用有益土壤生物,研究表明农林复合系统中微生物在降解农药残留、抑制土壤传播植物疾病方面能起到关键作用。在石漠化桑林根际微生物的研究中发现,接合菌门的被孢霉属为土壤有益微生物,具有溶解土壤中磷的功能,还有丛枝菌根真菌能很好地适应石漠化极端环境,提高作物养分吸收能力。因此,研究这些有益微生物作为生物孕育剂应用于石漠化治理的农林复合模式中,以提高生产力并促进土壤健康。

  3 结语

  农林复合经营可减少土壤水分养分的流失,具有保水、保肥、增加生物多样性的功能,是恢复重建石漠化地区生态环境、促进石漠化地区经济发展的有力措施。在我国农村农业结构调整、大力发展生态农业及可持续发展战略形势的需求下,在石漠化地区开混农林业复合经营对石漠化地区生态环境建设和区域经济发展具有重要意义。首先可根据石漠化等级与石漠化发生潜在指数布设农草林草工程,在峰丛洼地和高原峡谷的底部、石漠化等级低、土层厚、不易发生水土流失的情况下,开展“农作物+牧草”、“经济林+牧草”的经济主导型石漠化治理模式;在石漠化等级高、水土流失易发、陡坡、石漠化发生潜在指数高的区域,开展以“防护林+牧草”、“牧草+农作物”的生态修复主导型的石漠化治理模式。其次不同石漠化等级区适宜于不同类型的植被生长,根据石漠化地貌,在洼地区自然条件好、土层厚,可布设经果林等规模化的复合模式;在石漠化山地区以保土蓄水为重点,可发展混农林与草复合经营。最后根据石漠化坡度,急坡地可直接退耕还林,陡坡地可发展林药复合模式,缓坡地可发展林农、林果模式。混农林业兼顾生态、社会和经济效益,作为石漠化治理生态恢复的重要举措应用前景广阔。