文摘
本文讨论了树木对土壤肥力的影响,关注亚马逊的农业系统。相关文献关于树木对土壤理化性质的影响在热带,亚热带,温带地区,涵盖了农业生态系统和自然生态系统。土壤碳,以有机物的形式,被认为是生物活性的指标以及与碳封存等政策问题和气候变化。热带土壤和亚马逊的信息树对土壤的影响讨论了传统农业系统的环境中,以及在更可持续的发展该地区农业的替代品。最后,注意给罗的稀树大草原地区的案例研究,巴西北部,土著homegarden chronosequence农林复合经营系统显示清晰的管理实践包括树木对土壤肥力的影响。使用不同的树种和其他实践用于农林复合经营系统可以代表不同形式的增加土壤肥力和维护农业生产,对热带农业的可持续性具有重要的实际应用。
1。介绍
根据世界农林中心的一项研究,ICRAF,地球上43%的农田(超过十亿公顷)林木覆盖率10%以上(1]。较小但仍然重要的农业用地面积,1.6亿公顷,林木覆盖率50%以上。树木的潜力将改善营养、收入、住房、健康、能源需求,和环境可持续性农业景观指导ICRAF的使命,树木的存在是“常青农业”的主成分2]。数组内的树木带来了好处,一个重要的元素是树木的积极影响对土壤属性,因此有利于作物。本文探讨了当前知识树木和土壤之间的关系,基于农林复合经营系统研究,以及研究innon-agricultural或自然环境,展示树对土壤的影响。尽管我们认为信息从不同的生态系统和生物群落,将关注亚马逊,作者有大部分的经验。这种关注亚马逊也由于强有力的政策要求,在该地区的发展更可持续的农业系统,作为替代的土地利用形式显示意义和负面影响自然资源和生态系统服务,森林砍伐等广泛的养牛。在这个场景中,农林复合经营系统已经显示的更有前途的替代实现更可持续农业,在更大的平衡与环境3]。
树木的存在在农业系统中,尽管一个古老的做法,开始获得机构注意在1980年代和1970年代,与“农林复合经营系统”研究的开始。定义的一个主要工作在这种情况下,朗格和雨树在1982年提出的:“农林复合经营是土地利用系统和技术的总称,枢(树木、灌木、手掌、竹子等。)故意使用相同的土地管理单位农作物和/或动物,在某种形式的空间安排或时间序列。在农林复合经营系统既有生态和经济的不同组件之间的交互“(4)(图1,2,3)。
而树一般可以提供一个农村和城市景观的环境效益,并扮演关键角色在自然生态系统提供的服务领域,在本文中,我们将限制我们的焦点树木对土壤肥力的影响,在特定背景下的农业系统。尽管树木的好处可以提供农村属性如食品安全、家庭收入、经济稳定,和热舒适(阴)通常与他们的产品,如水果、木材、或其他物品,将树木在农业系统也可以优化养分循环和土壤化学和物理性质有积极的影响。在热带土壤这一过程尤为重要,高度风化了深,淋溶土中可怜的植物营养素(5,6]。虽然缺少营养物质,热带土壤非常丰富的生物多样性,多样性和生物量较高的比温带土壤微生物,这些是主要代理中介的营养供给土壤的有机质的分解,源自于植被(7- - - - - -9]。
在潮湿的热带地区,除去表面垃圾或有机物通常导致土壤肥力耗竭的几年(10,11]。在农业系统由传统的民族,这种限制可通过使用土地在短时间内(一般2 - 3年),之后,种植区域留给休闲与次生植被的自然再生。相关的生态重建的交互养分循环和恢复土壤品质,之后再次可以用于农业面积(12,13]。这是亚马逊的种植转移的基础,一个系统,允许本地人口自然资源来管理他们几个世纪以来,小规模的环境影响,不超过生态系统的支持能力和适应力。然而,今天的情况,人口增长和增加农业用地的压力导致土地集约利用情况有更多的需求。这通常意味着在不断燃烧,最便宜的方式准备土地种植,可中断养分循环的过程,积累,导致土壤肥力和休耕期间因此减缓自然植被的恢复周期(14]。
亚马逊根据现在的情况,现在有充分的理由和政策要求平衡保护与发展,有必要考虑优化的农业系统养分循环和允许永久或暂时的生产,以及减少依赖外部输入和环境影响较低。不同树种的包容是一个关键的元素在维持生产的有机物质和产生其他积极的好处,以及允许的多元化产品。然而,在我们讨论特定话题热带土壤和亚马逊,下面的部分将审查一般信息关于树木对土壤的影响及其在土壤碳储量积累中的作用。
2。一般的树木对土壤肥力的影响
的先驱研究测量个别树木对土壤的影响,通过Zinke [15),他看着松树生长在加州北部的沙丘,美国。他的研究发现,在树下,某些土壤特性表现出径向对称的模式,与pH值的变化,氮、阳离子,和阳离子交换容量根据树干的距离不同,与这些特征峰在一定距离。
后来的研究也证明模式土壤特性的变化受到树木,如在热带大草原16,17)、沙漠(18),和地区的温带森林19- - - - - -23]。在分析土壤特性个人树下冠在肯尼亚的热带稀树草原,Belsky et al。16)发现更高层次的mineralizable N,微生物生物量,P、K, Ca在冠相比,开放的稀树大草原。伯克et al。17)解释说,在干燥的热带稀树草原的强烈限制水资源只允许间断建立冠下的树木和灌木,但骑自行车比开放的草原上以不同的形式出现,与土壤的可能性浓缩在一个几十年的规模。然而,这样的土壤变化可以恢复树的死亡或火灾。Belsky et al。16)也指出在粪便养分沉积的影响鸟类和大型哺乳动物,利用树木作为休息的地方或窝。
这种模式的形式被称为“岛屿的生育”或“资源孤岛”由树木或灌木,通常在热带稀树草原或荒漠地区。这些“岛屿”的微环境也可以影响草本层的组成(16,19)、土壤密度(19,20.[],蚯蚓活动20.,23)等因素,允许创建积极的反馈,有利于植物建立和生产力23,24]。与此同时,这些模式可以稳定的重要指标或沙漠化等领域的风险17,18]。
森林在温带气候的研究表明土壤的变化相关,可以个别树种。除了预期的相关性,如豆类下更高层次的N [20.)或更低pH值下的物种产生酸化垃圾,等松果体spp。20.,23),其他有趣的交互显示不同的物种可以改变土壤在不同的方式,与土壤碳增量的变化(20.),可交换的钙和镁和每分基本饱和21,23]。
在14个树种在波兰的一项研究中,帝国et al。23]发现变化对土壤特性的影响;然而,这些影响是显著相关的钙水平垃圾、独立的物种。树木生产垃圾富含钙有关土壤pH值更大,可交换,和每分基本饱和,以及更大的森林地面营业额和更大的多样性和丰富的蚯蚓。迪杰斯特拉(22)强调有机Ca的矿化率是一个基本的因素在这个过程中,因为它决定了立即可用的养分在土壤中,物种之间可能会有所不同。
垂直模式的研究土壤中营养物质的分配只能显示时的其他现象无法检测到的水平分布检查营养。在评估超过20000全球分布的土壤资料,大部分在温带气候,Jobbagy和杰克逊(25]发现自行车由植物的垂直分布产生显著影响土壤中的养分,尤其是在更多的情况下限制营养素如P和k模式更大的这些营养物质的浓度在地面层(0-20厘米)归因于这样一个事实,因为这些植物更为重要,他们受到更大的吸收和骑自行车,从深层吸收,返回到土壤表面通过litterfall和雨水净降水量。这个过程吸收功能的反对浸出,向下移动营养和行为更强烈的营养在lessdemand植物。如果营养不限制,其在土壤剖面的运动将被浸出的影响比骑自行车和在更大的深度,它将更高的浓度与Na发生,Cl, Mg (25]。在波兰,Ulery et al。20.)发现这种模式在土壤受到四种树种的存在,增量的近3倍K表层与原来的土壤种植前,而下面20厘米这个增量缺失或负面的。他们的研究还显示高度的Na的浸出,需求少的植物。
与生物循环和浸出,其他进程,影响养分在土壤的垂直分布大气沉积和风化(Trudgill, 1988年被25])。然而,大气沉积被认为是小相比,每年吸收植物群落和一般营养成分的垂直分布几乎没有影响25,26]。风化的程度,然而,似乎明显的垂直分布影响营养,这样更多的风化表层土壤浓度的模式是强调[25]。这强调了生物循环的重要性在风化土壤提供养分,发现在热带地区更大的一部分,将在后续部分讨论。
3所示。树木和土壤碳
树土壤有机物质添加到系统在各种礼仪,无论是在形式的根源或litterfall或根分泌物在根际27]。这些增加的主要底物广泛的参与土壤生物活性和生物相互作用,对土壤养分及生育能力有重要影响。在参与这些复杂的过程中,树有助于碳在土壤中积累,一个主题,正越来越多地出现在讨论温室气体的减排与全球变暖和气候变化有关。尽管碳(C)构成了几乎50%的干重的树枝和树叶的30%,大部分C封存(约2/3)地下的发生,涉及生活生物质如根和其他地下的植物部分,土壤生物,和C存储在各种土壤的视野(28]。
在一项研究中,收集来自世界各地的网站信息,Nair et al。29日土壤有机C]发现值股票从6.9到302毫克公顷−1。尽管这些值的振幅,归因于系统之间的变化,生态区域,和土壤类型,研究揭示,运动员的一般趋势增加土壤C封存在农林复合经营与其他土地利用实践相比,除了森林。
虽然土壤积累C的能力通常是小受管理相关特征,如纹理(粘土土壤通常比沙土积累更多C),一些管理实践可以影响土壤C封存,尤其是在农业系统树的插入。研究了土壤在不同网站Takimoto et al。30.]在非洲萨赫勒地区没有明显不同的彼此间的特征如pH值、体积密度,颗粒大小,这样的变化在他们的C内容似乎与树木的影响。8岁的巷道系统中有5个不同的物种,例如,作者发现更大的C含量接近。然而,大部分的C的形式被发现粒子的大小在250 - 2000之间μ米,分数,被认为是大,更不稳定。在现在的系统树30多年(绿地),有一个优势的土壤C在较小的分数(< 53μ米),这是更稳定,因此代表了一个更“受保护的”形式的C。
在印度,homegardens萨哈et al。31日)发现土壤有机C浓度大于30%和114%在椰子种植园和稻田,分别,当homegardens小(小于0.4公顷)和水平在18%和94%大homegardens(大于0.4公顷)。虽然作者没有详细说明的原因减少土壤C homegardens较大,这可能与减少沉积的有机残留物,通常发生在靠近住宅。西班牙东北部的Howlett et al。32]研究了水平的土壤C silvopastoral系统由不同的物种,并发现系统与桦木(桦木属翻车机)提出了更高层次的土壤C与松树比系统(松果体放射虫纲)。这种差异是由于这一事实p .放射虫纲创建一个下层植被环境更有利于植物生长的缓慢分解达夫层的形成,抑制种子萌发和生长的其他物种,随着时间的推移,降低C输入土壤。silvopastoral系统提出了C水平类似于牧场没有树木,和更稳定的情况下C分数(< 53μ米)的上层(0-50厘米),比silvopastoral牧场没有树提出了更高层次的系统。然而,作者发现这些C水平可能不能准确地代表长期封存的潜力,因为牧场耕作导致更多的自由(从而)淤泥+泥级分数复苏,翻译成更多的存储空间在牧场与松树和桦树。据报道,在其他情况下耕作造成重大损失的表层土壤有机C和中断macroaggregate形成的过程中,增加可利用的C来源从较小的总量28,30.- - - - - -32]。Tonucci et al。33)认为,在短期内,在草场土壤C水平可以大于系统树下由于草根系周转越快,以及更大的土壤容重在放牧系统中,这会导致C值高于密度较低的土壤中找到。
滞后inachieving积极成果的土壤C堆积在树下类似于所观察到的过渡到连续的免耕农业。根据Derpsch et al。34),明显增加土壤有机质只出现5 - 10年后的采用这种形式的种植制度。气候条件也会影响C积累在土壤,因为温度和湿度大大影响微生物群落的活动和有机物的分解28]。Takimoto et al。30.),例如,认为,至少在一定程度上,低水平的C中找到他们的研究土壤在非洲萨赫勒地区的高温。
4所示。树木和土壤生物多样性
在亚马逊,大型无脊椎动物的多样性和密度在自然森林的土壤被认为是高的,和这些生态系统转换成其他形式的土地利用变化可以引起严重的人口(35,36]。巴罗斯et al。37]引用土壤大型无脊椎动物作为自然系统的敏感指标,土地使用,和管理,农林复合经营系统提出了更大的丰富和多样性相比其他形式的农业土地利用。Tapia-Coral et al。38发现更大的密度和生物量的倍足纲和等在农林复合经营系统的枯枝落叶层相邻的二次森林。等翅目次生森林,但是,提出了更大的值,主要是在雨季。这是一个迹象表明,这种系统能够支持足够丰富和多样化的社区中扮演重要角色的生物生态过程,如有机物的分解和骑自行车。然而,农林复合经营系统包含一系列的实践,这样的质量有相当大的变化,有机物质生产和植被对土壤湿度和温度的影响,显著影响土壤大型生物社区(37]。
在一项研究中评估发生和土壤中丛枝菌根真菌的多样性在不同土地使用亚马逊的(高森林,旧的次生林,年轻的次生森林,农林复合经营系统,农作物,和牧场),Leal et al。39样本中发现伟大的物种丰富度的变化,独立于土地利用系统。另一方面,在这些系统中耶稣et al。40)观察到的主要差异在细菌群落组成和结构的改变有关的土壤属性,进而是土地使用相关。群落结构变化明显的梯度阳离子饱和度和博士之间的相似性观察社区的主要和次要森林表明细菌群落的恢复演替过程中发生后放弃用于农业领域,与树栖植被的回归。
5。树木对热带土壤
通常在温带生态系统相比,土壤更肥沃,更大的部分营养物质是由风化母质,热带地区的高温和降雨条件加速土壤过程,包括损失的营养,所以更大的股票的营养是发现在生物质,通过分解(5- - - - - -7,9]。虽然有例外,如最近的火山土壤起源在亚洲,或每年收到的亚马逊河的泛滥平原沉积物从安第斯山脉,大部分土壤在亚马逊流域是典型的低生育热带土壤的例子,在古代沉积物形成。热带气候的高温度和湿度有利于有机质的分解,这样不仅是营养物质的释放也带负电粒子的形成,这有助于保留阳离子如K、Ca、Mg和维持在恒定与土壤溶液界面,在那里他们可以被植物吸收。在热带系统,因此,土壤有机质的封面是至关重要的维持足够的土壤微观条件,内消旋,大型生物进行这自行车41]。因此,许多研究树木对热带土壤的影响集中在有机物的重要性在很大程度上通过litterfall可用。
垃圾生产可以在系统中一个非常重要的贡献多年生作物,如可可和咖啡种植在树荫下的树木。Souza et al。42]发现垃圾生产的咖啡种植园阴影不同树种是类似于原生森林在同一地区。Araujo和科利尔(43),工作在一个农林复合经营系统有四个果树在草原之间的过渡区和在巴西的亚马逊森林,表示在旱季litterfall的重要性,相比传统的种植制度。Jaramillo-Botero et al。44),在分析原生树木种植的影响作为巴西东南部咖啡帘,发现堆积垃圾的数量和水平的土壤K正受到树木的数量在0到3米的距离从咖啡灌木。由于K是一个移动元素,K浓缩可能部分由于净降水量和树干茎流,所观察到的Pinho et al。45在咖啡农林复合经营系统在同一地区。还在咖啡系统中,耶稣et al。46]发现高pH值和基本饱和地区套种与橡胶(橡胶树取代巴西橡胶树比单一栽培)。这些研究表明,根的树木占据更深的土壤层不得访问其他作物,或者他们更有效地提取营养,由于其更大的规模和生物量或其他因素,如菌根关联。因此,当与其他农业系统在热带条件相比,农林可以积累大量的碳,可以帮助维持土壤肥力通过更高效的养分循环和减少损失通过浸出和侵蚀。
在许多情况下,间作与豆科物种修复大气N意味着这个元素将通过分解到其他植物,这种做法通常被称为“绿色施肥”(47,48]。Mochiutti和奎罗斯(49),在阿马帕州工作,亚马逊东部发现N水平高出两倍的垃圾在改善与本机fallows种植豆类taxi-branco(Sclerolobium paniculatum相比),法洛斯与自然再生。在中央亚马逊,泛滥平原生态系统Kreibich et al。50]发现矿产N在土壤通量在0-20厘米三倍在本机豆科物种比nonlegumes下,指示豆类的生态系统的重要性。
在非洲的一个席卷整个非洲大陆的研究发现,绿色施肥增加玉米产量,对粮食安全具有重要的好处(51,52]。豆科物种的多样与潜在用作绿色肥料提供了大量的间作的可能性。速生草本物种包括Cajanus毛竹、印度麻Stizolobium aterrimum,Calopogonium mucunoides,这迅速分解,提高土壤(2 - 3个月内53- - - - - -55]。相比之下,树与经济增长放缓豆类,如Gliricidia海螵蛸和银合欢leucocephala,是重要的供应有机物质具有不同的特征,如更大的C / N比值,多酚或木质素含量。而有机质低C / N比将更快地分解和快速释放营养物质供农作物使用,在某些情况下分解速率较慢可能是可取的,为了保持土壤覆盖层和控制杂草的生长56,57]。
然而,物种的多样化很重要也多样化的特点产生的生物量和土壤中,这样在营养方面有更好的混合内容。这可能需要种植或管理其他物种,除了豆类。之前研究中援引Mochiutti和奎罗斯(49]发现垃圾生产的天然次生林面积比垃圾再生有较高含量的Ca的豆科植物的种植面积taxi-branco。一项由Goncalvez et al。58),在巴西大西洋雨林,发现显著差异水平的宏观和微量营养素在垃圾产生的原生树种,加强了需要考虑的物种在农林复合经营系统。
6。树木在亚马逊农业
数千年来,传统的人口多样化他们的农业系统树,有意无意地,受益于他们的产品和其他服务,从这个结果管理。在亚马逊,许多土著社会和他们的后代,卡巴克罗或riberenos、实践形式的农业涉及树,是否在他们住处四周homegardens或更广泛的系统涉及间作在临时性农田领域(59- - - - - -61年]。这些实践由一组技术由传统的人口年或几个世纪以来,基于观察和实验。
根据克莱门特(62年),当欧洲人第一次抵达美洲,亚马逊社区已经驯化超过130种,其中大约80个是水果轴承,如鳄梨(Persea美国)、黄金果(Pouteria caimito城),biriba (Rollinia粘膜)、腰果(Anacardium occidentale)、常绿树(Genipa美国)、木瓜(番木瓜)、百香果(西番莲)和murici (Byrsonima植),等等。相信植物的驯化和其他树种的管理实践最初发生在住所周围地区,丢弃的野生物种可能已经发芽的种子,被细心的栽培protofarmers [63年,64年]。在住所附近的位置造成的残留沉积从国内活动普遍(外壳、骨头、灰等),并创建了亚马逊的最富饶的土壤,“黑地球”或“terra preta de殖民地土著“(56,65年- - - - - -67年]。
许多实践,创建这样的土壤是今天仍在使用,可以观察到在现代homegardens土著和卡巴克罗农民有一个树种的多样性,频繁添加有机物质以及偶尔低强度燃烧残留物(64年,68年- - - - - -73年)(图4)。原住民社区的Lavrado罗(savana)地区,巴西北部,homegardens有各种各样的植物,主要是水果轴承和对食品安全很重要74年]。在研究土壤养分chronosequence这些homegardens Araca原住民土地,罗,Pinho et al。75年]发现进步提高水平的P,钾、钙、镁、有机质、pH值,以及降低(表1)。在这些否则不育稀树大草原土壤(76年),种植果树在住宅成为可能,这逐渐增加营养,营养的结果从周围的生态系统,进口的形式沉积残留物和可能的内部循环树还有助于系统通过他们的垃圾。
虽然住宅和相关homegardens代表相对稳定的景观特性,刀耕火种的或临时性农田农业领域转变在更广泛的区域,因为每个领域培养下,更大的区域必须保持休闲次生植被恢复。在低人口密度,这对作物生产传统的系统是足够的,长fallows种植周期之间保证恢复土壤物理和化学性质。然而,随着人口增长和土地压力,更多地区的森林被转化为农业,减少并发的休耕的周期,这样该系统的可持续性受到土壤肥力下降的威胁(14]。草原地区的罗,集约农业使用的分散森林补丁或岛屿,休耕周期较短,导致土壤肥力下降,更大比例的次生林下的面积。一项由Freitas [77年)表明,在这种情况下,法洛斯,有助于增加土壤磷而不是增加钾,表明这两种营养素是农业生产的限制因素在森林里的岛屿。另一方面,在上层Solimoes始成土地区,苏亚雷斯(78年)观察到五年休闲的时间必须达到的最低水平可交换的钙和镁相当于二十岁的法洛斯。
现代农业技术提供的可能性,连续在同一地区作物生产,不需要法洛斯,通过机械和化学药剂的使用。然而,农业生产这个模型会导致水土流失,减少在热带土壤重要的生物过程,以及一个依赖外部输入(9]。基于自然发生在次生森林的土壤改良,教训可以获得的可能性包括树组件更可持续农业的亚马逊(79年]。选择的树种,包括可以考虑那些提供有用的产品或土壤改良的加速过程,如豆类,提供绿色肥料。
最近公布的一项研究土地利用分类在巴西亚马逊地区砍伐2007表明62.2%的面积被砍伐的占领了牧场。在生产方面,然而,25%的面积牧场可以视为退化或“杂草丛生的”[80年]。等领域留下了推进农业前沿现在主要关心的景观恢复计划寻求恢复生态系统服务,如河岸缓冲带保护水文资源并提供连接其他景观生物多样性等功能。目前巴西亚马逊的环境立法要求农村属性维护与森林覆盖面积的80%,这一数字减少到50%的地区建立了分区系统。因此,许多森林遭砍伐的地区属性必须恢复如果他们希望访问政府项目,如农业信贷。而生态修复自己可能是相当昂贵的,地区退化草地的恢复与农林复合经营系统生产的食物,大宗商品和木材产品可能是一个可行的选择。选择合适的树种对任何这类项目的成功至关重要,不仅从经济的角度来看,也从生物的角度而言,振兴土壤属性。
亚马逊的原生豆类的研究表明,60%以上是结瘤物种(81年,82年),因此有巨大的潜力用于农林业。其他树种可能选择基于生态或生产函数。然而,计划成功的农林复合经营系统必须alsoconsider相应现金流和选择合适的物种。
尽管实例的数量是有限的,另一个潜在的树木在亚马逊生产系统中的作用是silvopastoral系统的组件。安德拉德et al。83年]表明,至少有一个豆科物种,Stryphnodendron guianensis,对土壤肥力和饲料生产有积极影响。然而,这是部分原因是这棵树的皇冠架构,不产生过多的阴影。
7所示。结论
树木在农业生态系统可以存在于无限的安排和物种组合,主要取决于农民的目标以及该地区的环境特点。一般来说,可以肯定的说,一个更大的物种的多样性更有利,因为它导致一个更完整的职业空间的上方和下方的土壤,和变化的特点,产生的垃圾可以维持更大的土壤生物多样性水平,积极对生育的影响(10,79年]。
故意使用树木农业系统发生在全球许多地方;然而,他们的许多好处,土壤改良之外,仍然难以想象或量化在经济方面只出现在长期(47,84年),这样在树上,许多农民不愿投资。更好地了解树木的积极作用在土壤,和一个经济分析的代表在营养和其他福利方面,是一个重要的一步增加使用树木在农场。
土壤改良在树下和农林复合经营系统在很大程度上增加有机质有关,无论是在表面垃圾或土壤碳的形式。因此,除了他们的角色在地上碳封存,农林复合经营系统还拥有巨大的潜力来增加土壤碳储量,当然值得考虑的机制,提出缓解气候变化的温室气体排放减少。