为减缓温室效应对全球气候变化的影响而控制温室气体(CO₂, N₂O等)的排放量，这在全球已达成共识。京都议定书(Kyoto Protocol)对发达国家的温室气体排放量做出了限制。加拿大作为发达国家，对承担京都议定书的义务有一种紧迫感。他们除了建议森林的固碳作用可作为对工业CO₂的排放进行补偿外，还大力发展农林系统，将过去认为的温室气体排放源的单纯农田改变成一种吸收CO₂的碳汇--农林系统(Dixon，1995)。森林的固碳作用不容置疑，在全球的碳平衡中森林起了不可替代的作用(Dixon et al., 1994; Fang et al., 2001)。加拿大是森林大国，森林贮量不虞匮乏。尽管如此，从20世纪80年代开始，加拿大加强了对农林系统生态环境的研究。他们对农林系统的认识是广义的，除了天然林系统，诸如人工林系统、防护林系统、河岸林带系统(integrated riparian forest systems)、林牧系统(silvipastoral systems)以及林间套种系统(tree-based intercropping systems)，他们认为都属于农林系统(Williams et al., 1994；1995)。前10年研究主要集中在系统内部各成分之间互争互补、互惠互利的关系上，近10年来在此基础上更进一步研究农林系统对生态环境的影响。

圭尔夫大学地处安大略省南部，由于地理气候的原因，圭尔夫大学成了加拿大农林系统生态环境研究的重要基地。1987年，大学利用30hm²退耕地，建起了一个林间套种系统实验基地。实验基地中用了10个树种，即：美国白蜡(Fraxinus americana)，柳(Salix sp.)，柏(Cupressus sp.)，洋槐(Robinia sp.), 红花槭 (Acer rubrum), 银槭(Acer saccharinum), 北方红栎(Quercus borealis), 杨树(Populus sp.), 云杉(Picea abies), 黑胡桃(Juglans nigra)，以行距12~15 m、株距5~6.25 m的规格，种了30排树，其间套种每年收获1次的农作物小麦(Triticum), 大豆(Glycine)和玉米(Zea mays)。实验基地定期进行航拍和遥感测试，数据输入地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)。可随时计算出生长量和生长率。

1 实验方法 1.1 氮的矿化作用实验

林间套种系统中由于林地约占10%，所以施肥量与单纯农田比较将减少10%。施用的氮肥经过氮的反硝化作用将会有部分氮以N₂O的形式流失。树木的枯落物回归土壤后经过氨化反应和硝化反应降解，由有机物分解成无机物，这就是氮的矿化作用。生成物中NH₄⁺、NO₂^-、NO₃^-等成分将成为植物的养分被农作物和树木吸收。这种林间套种系统中的氮循环显然可以增强土壤活力和肥力，相应减少施肥量(Thevathasan et al., 1997)，也相应减少N₂O的排放量。但在这个过程中氮的矿化率到底有多高，可节省多少肥料；又有多少硝酸盐没有被植物根部吸收，反硝化成N₂O流失；林间套种系统中由于农作物的根系和树木的根系形成深层次分布(Thevathasan et al., 1995)，这种根系深层次分布较单纯农田根系浅层次分布对营养的吸收率又能提高多少，这些都是实验要解决的问题。

实验方法如下:在不同树种、不同农作物套种地块中，在与树干距离为0(靠近树干处)、1、2、5、7、9、11 m处做标志，在标志处取20 cm深处的土壤作为样品。土样分成两部分，一部分迅速用塑料袋密封系上标签放在冷藏箱里；另一部分密封在塑料袋，然后用手捻碎，放回原处掩埋，30 d后取出系上标签迅速放在冷藏箱里。所有样品最后都在冰柜中保存。分析时将样品取出，各称取20 g样品用10 mL浓度为2 mol的KCl溶液处理，再置于振荡器上振荡1 h，过滤后取滤清液，液相色谱仪分析NH₄⁺、NO₂^-、NO₃^-含量。由测得的两部分样品的含量值差可推算出土壤中氮的矿化率。另取一部分土样测含水率。每种样品反复分析多次，原始数据进行微机统计处理，与历年数据比较，建立一个合理的数学模型。

1.2 碳平衡实验

本实验目的是测算林间套种系统中各树种以及农作物的生物量, 进一步换算成碳贮量, 估算系统吸纳CO₂的能力; 测算树木落叶量; 测量由于枯落物以及树木根系的存在, 土壤有机碳的变化。以此评估林间套种系统的固碳作用以及在碳平衡中发挥的功能(Unruh et al., 1993)。

方法如下:由于该项实验工作量太大, 在历年获得的数据基础上2001年只测量了一个树种——速生杨树(Hybrid Poplar, Clone DN177)。在距杨树不同距离(1、2、4、7.5、11、13、14、15m)处分别取10、20、40 cm深处的土壤为样品，放在烘箱中干燥，并测出含水率。然后用碳测定仪测量样品中有机碳的含量。

选择具代表性的两株树龄为14 a的杨树进行全结构采样。将地上部分的主干，大、中、小枝干，嫩枝以及树叶分离，分别称重并测含水率；在尽量不损伤根系的情况下用推土机和高压水龙将地下部分的根系和盘托出，然后将主根、侧根、须根分离，分别称重并测含水率。

1.3 土壤呼吸实验

由于土壤中存在树根、农作物根、微生物以及其他生物的作用，其间会发生一系列复杂的化学反应。将会有CO₂从土壤表面排出，这就是所谓的土壤呼吸现象。通过观测这种现象，可获得林间套种系统根系平面分布情况。

实验在7月份进行。选择两排杨树(行距15 m)之间的小麦(已近成熟)地和大豆(生长旺季)地，以其中一排杨树为基准，在距离为0、1、2、5、7、9、11、13、14、15 m处做标志。在标志处嵌入一个直径20 cm，高度15 cm的塑料筒。塑料筒两端呈开放型，上端与地表取齐，并可密接一个密封罩。为计算本底及便于对照，在相应的草地及单纯的农田中也设立了同样的装置。

Ca(OH)₂试剂呈颗粒状放在扁平的塑料盒里，并标上序号，放在烘箱中充分干燥。然后称重，精确到0.000 1g，再用盒盖密封待用。在实验地，按相应的序号打开试剂盒，放入塑料筒内，并迅速盖上密封罩。24 h后取出试剂盒，迅速用盖封严。然后再次放入烘箱干燥，干燥过程试剂盒呈开放型。充分干燥后再次称重，精确到10^-4g。实验设计了6组，每组反复多次进行实验。根据每轮实验前后两次称重的值差m，以及化学反应方程式Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O，计算出CO₂的释放量M。M= m₁/(m₂ - m₃)^*m = 1.57 m其中m₁、m₂、m₃分别为CO₂、CaCO₃、Ca(OH)₂的分子量。

2 实验结果 2.1 氮的矿化作用实验

安大略省南部玉米、大豆、小麦农田里平均氮肥的施加量是80 kg·hm^-2a^-1。在林间套种系统中林地约占10%，这样每年每公顷在林间套种地中平均少施8 kg氮肥。在林间套种系统中发生的氮循环现象，通过实验数据测算，产生的营养物质相当于在每公顷土地上又施加了7 kg氮肥。这意味着在维持原来土壤肥力的基础上每hm²又可减少7 kg的氮肥施加量。按照国际气候变化公约组织IPCC(International Panel on Climate Change)的统计方法，向农田施加氮肥时将有1.25%的施加量以N₂O的形式流失, 有44.4%没有被农作物吸收, 这部分流失的氮肥又有2.5%以N₂O的形式排放到空气中。实验结果表明，林间套种系统由于根系深层次分布的原因，提高了氮肥的利用率，流失率只有20%。整个测算下来，林间套种系统释放N₂O 1.2 kg·hm^-2a^-1，而单纯农田释放N₂O 1.89 kg·hm^-2a^-1。林间套种系统与农田比较将减少0.69 kg·hm^-2a^-1 N₂O的排放量(表 1)。

2.2 碳平衡实验

按行距15 m, 株距6 m, 111株·hm^-2的数学模型测算, 得到杨树树龄与碳贮量的变化曲线(图 1)。从图 1可看出，14 a的杨树套种系统碳贮量可达到12 t·hm^-2。这意味着系统吸纳着44 t·hm^-2 CO₂。而杨树(14 a生)的枯落物可给土地增加1.3 t·hm^-2a^-1碳贮量(按枯落物生物量50%计算)。又测定出林间套种系统中土壤有机碳分布曲线(图 2)。考虑到枯落物回归土壤的碳和根系活动输入土壤的有机碳，推算出林间套种系统碳输入量为1.5 t·hm^-2a^-1。而单纯农田的碳输入量仅为0.5 t·hm^-2a^-1。表 2列出了麦田系统与林麦套种系统碳平衡比较。

2.3 土壤呼吸实验

根据地表不同处CO₂的释放量, 绘出土壤呼吸曲线(图 3)。地表释放CO₂是植物根呼吸以及微生物呼吸的综合效应，从曲线可看出，距离树行近的地表，呼吸作用强，显然是该处根系密度大所致。

3 讨论

林间套种系统不仅使产品结构多样化，增加收入，带来一定的经济效益，而且可以减少土壤侵蚀和营养流失，保护流域不受污染，增强营养循环，提高土壤肥力，减少温室气体的排放，更重要的是林间套种系统具有可观的生态效益。在该实验基地里，树上筑有各种鸟巢，经常能看到成群的加拿大野鹅游荡，有时还能发现野兔、獾、豪猪等野生动物。

随着西部大开发的启动，我国大量坡耕地和退化农田将实行退耕还林还草，这为农林系统的建立与发展开辟出一个广阔空间。以此为契机开展农林系统生态环境的研究，以及在这方面的国际间合作将会出现一个美好前景。