全 文 ：农林生态系统界面生态学初探*
吴 刚* * 李 静 (中国科学院生态环境研究中心系统生态开放研究室,北京 100085)
邓红兵 (中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110015)
摘要 对界面生态学的概念、界面生态学的主要研究内容、界面生态学在农林复合生态系统中的应用进行了
系统的论述,农林复合生态系统中树木与农作物的作用机制主要体现在以空气为介质的光、热、水分竞争的地
上界面和以土壤为介质的养分、水分竞争的地下界面上. 界面上物质、能量、信息的交换和传递反映了农林复合
生态系统中树木和农作物的作用机理.
关键词 界面生态学 农林复合生态系统
Primary research on interface ecology in agroforestrial ecosystems. WU Gang, L I Jing ( Resear ch Center f or EcoEn
vir onmental Sciences , Chinese A cademy of Sciences , Beij ing 100085) , DENG Hongbing ( I ns titute of App lied Ecolo
gy , Chinese A cademy of Sciences , Shenyang 110015) . Chin. J . A pp l . Ecol. , 2000, 11( 3) : 459~ 460.
In this paper, the fundamental concept ion, major r esearch content of interface ecology and its application in agroforestri
al systems were discussed. The action mechanism between trees and crops in ag roforestrial systems mainly embodied
aboveground interface for competitv e light, quantity o f heat and water, and underground inter face for competitiye nutri
ent and water . I t was showed in the interchange and transmission of nutr ient, energy and information through inter
face.
Key words Interface ecology, Agroforestrial ecosystems.
* 国家自然科学基金重点资助项目( 79930800)、国家自然科学基金
项目( 39970591 ) 和中国科学院生态环境研究中心创新项目 ( RCEES
9903) .
* * 通讯联系人.
1999- 04- 14收稿, 2000- 04- 10接受.
1 引 言
环境中的界面( interface)很多,大气、水体、植物、
土壤之间有广大的宏观界面;在各环境介质中又有更
广阔的微观界面.物质的迁移转化、能量的交换、信息
的传递等很多涉及两个环境介质交界面上的作用, 如
C、N、S、P 在大气、水体、土壤、植物体中的循环变化
等.在大气圈内, SO2与颗粒物表面水膜层接触发生氧
化或催化氧化反应而生成硫酸或硫酸盐, 这是气相和
液相的界面反应( interface react ion) . 水体中的悬浮物
或底泥的各种有机物(腐殖酸、氨基酸等)的表面具有
活性基因,易与水体中的重金属发生络合反应而形成
稳定的金属络合物, 这是固相和液相间的界面反应.大
气中的氮氧化合物与颗粒物中的多环芳烃发生化学反
应而生成硝基多环芳烃, 这是气相和固相间的界面反
应.在生态系统中, 生物与生物之间、生物与环境之间
同样也存在界面上的物质、能量及信息的传递和交换.
研究生物与生物、生物与环境交界面上的物质和能量
交换、信息传递及其与介质间相互作用关系的学科,可
称之为界面生态学( interface ecolog y) [ 3, 9] .
农林复合生态系统是农作区和农林交错区土地利
用的主要形式之一. 农林复合生态系统考虑资源多层
次利用的原则, 利用生态学原理将树木与农作物按不
同的组合方式在同一土地单元和时间序列内种植. 树
木通过各种形式引入农田,固然影响到林下和胁地范
围内农作物的生长, 但同时也起到防风固沙、涵养水
源、调节农田小气候、促进系统内物质循环、能量流动、
减少自然灾害的发生等保护农田及其增加农作区的产
品效益(木材、薪柴、果实等林副产品)的作用.这一经
营方式是除了通过遗传育种、扩大耕地面积、改善农业
生态环境来提高粮食产量的另一种解决粮食问题(粮
食产量和粮食安全)及改善农村生态环境的主要的行
之有效的措施. 以往农林复合生态学方面的研究多在
树木与农作物的配制结构、树木与农作物的种类筛选、
农林复合生态系统的小气候、树木与农作物根系分泌
物的作用机制、农林复合生态系统的效益评价、树木和
农作物之间不同组分间的物质循环和能量流动等方
面[ 4, 7] ,但这些研究的焦点应该是农林复合生态系统
内树木与农作物的作用机制.而树木与农作物的作用
机制主要体现在两个界面上,即地上以空气为介质的
光、水分、养分竞争界面(称之为地上界面)和地下以土
壤为介质的水分、养分竞争界面(称之为地下界面) .
应 用 生 态 学 报 2000 年 6 月 第 11 卷 第 3 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jun. 2000, 11( 3)459~ 460
2 界面生态学研究的核心
界面生态学就是研究两种(或多种)物质在界面上
相互作用(直接作用或间接作用)的规律及两种(或多
种)物质与介质间相互作用的规律的科学[ 1] . 两种(或
多种)物质在相互作用的界面上存在着物质的交换、能
量和信息的传递,界面生态学的研究可以定量出两种
(或多种)物质在相互作用的界面上的物质交换量、能
量和信息的传递量、可以揭示物质介质物质间相互
作用的机制.界面生态学的研究应包括 4种要素: 作用
物质、作用介质、作用方式、作用结果.系统地研究这 4
种要素也就是界面生态学的研究核心[ 2, 5, 6] .
3 界面生态学的研究内容
物质与物质、物质与环境介质相互作用大部分信
息反应在作用界面上, 物质、能量及信息通过界面(或
介质界面)由一种物质传递到另一种物质,致使物质的
本质或形态发生变化. 同样, 在生态系统内, 生物与生
物、生物与环境之间也存在这种界面,界面生态学就是
揭示生态系统内不同层次界面(微观作用界面、通过介
质而产生的宏观界面等)的作用规律[ 8] . 界面生态学
应包括如下研究内容: 1)个体内部的界面生态学研究.
主要研究生物体内各组织之间通过微观界面相互作用
的规律,为揭示生物体生长、发育、生存直至死亡、分解
机理提供科学依据. 2)个体间的界面生态学研究. 主要
研究个体与个体(空间、时间分布较近的个体)间通过
环境(空气或其它物质)为介质的作用规律, 揭示生物
种群内及其与环境间在界面上的物质、能量、信息的交
换与传递规律, 揭示种群内个体与个体的竞争机理. 3)
生物种群间的界面生态学研究. 主要研究生物群落内
种群与种群(空间、时间分布较近的种群)间通过环境
或其它物种为介质的作用规律, 揭示生物群落内及其
与环境间在界面上的物质、能量、信息的交换与传递规
律.揭示群落内种群与种群间的竞争机理. 4)生态系统
内界面生态学研究. 主要研究生态系统内生物与生物、
生物与环境间在宏观界面上通过环境为介质的作用规
律,揭示物质、能量、信息在宏观界面上的交换和传递
的规律.研究生态系统内介质对界面上物质、能量、信
息交换和传递的影响. 5)生物与其生存的物理环境的
界面生态学研究.生物生长、发育与其生存的物理环境
(生境)同样也存在物质、能量及信息的交换和传递.物
理环境直接影响着生物的生存与发展, 生物的生长、发
育同样也改变着所生存的物理环境, 物理环境与生物
体相互影响的方式是通过界面来体现的, 探讨生物与
生存的物理环境的界面作用规律, 是揭示生物生长、发
育及其生境的变化规律的主要内容之一.
4 界面生态学在农林复合生态系统中的应用
农林复合生态系统中明显存在两个作用界面, 一
是地上以空气为介质的树木与农作物之间竞争光、热、
水分的地上界面;二是地下树木根系与农作物根系之
间以土壤为介质的竞争养分、水分的地下界面.树木与
农作物的作用主要体现在这两个界面上, 揭示这两个
界面的作用规律是研究农林复合生态系统树木与农作
物作用机制的关键.
树木的生态学特性及树木的结构配制是地上界面
作用机制的重要因子, 树木灌幅越大、枝叶越茂盛, 对
胁地范围内的农作物的影响程度就越大, 同时对农田
生态系统的防护作用、改善农田小气候的能力也就越
强,使农作物的减产区进一步减产,使农作物的增产区
进一步增产,即界面作用强度就越大;反之,则越小.
树木根系和农作物根系在土壤资源单位上存在着
水分和养分的竞争界面, 树木根系越庞大,占据的土壤
表层资源生态位越大,其与农作物的竞争强度就越大;
反之,则越小.为了减少地下水分、养分竞争界面上树
木与农作物根系的竞争强度,充分利用土壤不同层次
上的资源,就必须选择根系分布较深、旺盛生长期与农
作物生长期重叠较小或不重叠的树种, 这样, 树木和农
作物可在不同季节利用不同土壤层的水分和养分.
农林界面生态学的研究对合理确定树木与农作物
的间作种类、调控树木的结构配制、确定间作树木的轮
伐区等具有指导意义; 对了解树木与农作物的竞争机
理、揭示树木在农林复合生态系统中动态的胁地规律、
树木改善农田小气候的功能等具有理论意义.
参考文献
1 Chen, SG e t al . 1993. Measurement of gap fraction of fractal canopies
using digital inmage analysis. Ag ric For Meteorol , 65: 245~ 259
2 Han Shijie et al . 1995. Fractal dim ension of Pop ulu s d avidiana leaf
surface rough extent . J Nor theast For Univ , 6( 1) : 1~ 4
3 Han ShJ(韩士杰) . 1996. Interface Ecology of Leaf Surface. Harbin :
Northeast Forest ry Un iversity Publish ing House 15~ 30( in Chinese)
4 Huang BL(黄宝龙) and Huang WD( 黄文丁) . 1991. Study on agro
f orest ry systems. Chin J Ecol (生态学杂志) , 10( 3) : 27~ 32 ( in Chi
nese)
5 Koller O. 1990. Lightdriven leaf movements. Plant Cel l E nv iron , 13:
615~ 632
6 Lucie K. 1991. Stomata and mesophyll characteristics of barley leaf as
affected by light: Stereological analysis. J Exp Bot , 42: 995~ 1001
7 Wang HJ (王汉杰 ) . 1991. Advance in ecological interface th eory re
search. J Nanj ing For Univ (南京林业大学学报) , 15 ( supp. ) : 6 ~
10( in Chinese)
8 Wang H et al . 1993. Genotypic, interplant and en vironmental variat ion
in stomata f requency and size in w heat . Can J Plan t S ci , 73: 671~ 678
9 Xiong WY ( 熊文愈) . 1986. The theory of ecological interface sys
t ems. J Nanj ing For Univ (南京林业学院学报 ) , 10 ( 2 ) : 1 ~ 10( in
Chinese)
460 应 用 生 态 学 报 11卷