全 文 ：黄淮海平原豫北地区农林业系统的
能量研究*
吴　刚　　冯宗炜　(中国科学院生态环境研究中心,北京 100085)
【摘要】　对黄淮海平原豫北地区农林业系统 3 种群落类型(沙兰杨-小麦·玉米( POT Z)、
泡桐-小麦·玉米( PAT Z)和苹果-小麦·花生( M TA ) )进行了研究, 结果表明, POTZ 类型
的年群落净固定能量为 43. 6235×1010J·ha -1, PATZ 为 45. 6426×1010J·ha-1, MT A 为
49. 6000×1010J·ha -1;年群落现存能量分别为 55. 2174×1010, 57. 7595×1010和 78. 4699×
1010J·ha-1; 群落的光能利用率分别为 1. 000, 1. 047和 1. 138% .群落的能量效率分别比传
统的农田系统增加 11. 83、14. 45 和 28. 25% .在农业林业系统中, 苹果-小麦·花生群落类
型为最佳群落类型.
关键词　农林业系统　群落类型　能量
　　* 中国科学院封丘农业生态实验站基金资助项目.
　　1992年 7月 7日收到, 1993年 9月 13日改回.
Energy study on agroforest ry systems in northern Henan Huanghuaihai plain. Wu Gang
and Feng Zongwei ( Resear ch Center f or Eco-envir onmental S cience, A cademia S inica,
Beij ing 100085) . -Chin. J . App l . Ecol . , 1994, 5( 4) : 355- 359.
Energ y study on t hr ee agr ofo restr y sy st ems in nor thern Henan Huanghuaihai plain shows
that the annual net ener gy fix ed by Populus × euramer icana-T riticum and Zea may s
( POT Z) system is 43. 6235×1010J·ha-1, that by P aulownia-T r iticum and Zea may s
( PATZ ) system is 45. 6426×1010J·ha-1, and that by M alus p umila-T r iticum and A rachis
hyp og aea ( M TA ) sy stem is 49. 6000×1010 J·ha-1. The ex isting ener gy is r espectively
55. 2174×1010, 57. 7595×1010 and 78. 4699×1010J·ha-1, and the utilization efficiency of
light ener g y is r espectively 1. 000, 1. 047 and 1. 138% . In compar ing with farm land sys-
tem ( FLS) , t he ener gy efficiency of these three ag ro for est ry sy stems incr eases by 11. 88,
14. 45 and 28. 25% , respect ively . Fr om t he v iew po int o f ener gy , MT A sy stem is the op-
tima l one .
Key words　Agro for estry system, Community type, Ener gy .
1　引　　言
农林业系统的研究在我国虽近几年才
开始,但农林业作为一种传统的农业、林业
生产经营方式已有悠久的历史, 并已具一
定的规模, 如“三北防护林、长江中上游水
土保持林以及沿海防护林体系等. 实践证
明,农林业的建设在我国已取得可喜的成
绩,并且达到了防风固沙、保持水土、改良
土壤、增加收入等多种目的[ 4, 5, 9] ,但仅从定
性的描述和一些经济指标来分析系统的特
征还很不够, 为此, 1989- 1992 年对我国
黄淮海平原豫北地区分布最广的农林业系
统 3种群落类型:沙兰杨-小麦·玉米类型
( Populus × eur americana-Tri ticum and
Zea may s ( POTZ) )、泡桐-小麦·玉米类
型 ( Paulow nia-Tri ticum and Zea mays
( PAT Z)和苹果-小麦·花生类型( Malus
pumila-Tri ticum and A rachis hyp ogaea
( M T A) ) , 从能量的观点进行了全面的、定
量的分析. 这不仅解决了由于系统的复杂
性和较多的随机因素而带来的定量分析的
困难,而且客观地揭示了农林业系统最基
本、最本质的联系 [ 15] . 通过对豫北地区农
应 用 生 态 学 报　1994 年 10月　第 5卷　第 4期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Oct. 1994, 5( 4)∶355—359
林业系统 3种群落类型的能量分析, 并与
当地传统的农田系统进行比较, 为农林业
系统的评价和在黄淮海平原的推广提供了
科学依据.
2　地区概况和研究方法
2. 1　地区概况
调查范围为黄淮海平原豫北地区, 样地设在
封丘县潘店乡. 该区属暖温带季风气候, 年平均气
温为 14. 4℃, 年平均降雨量为 563. 1mm ,年平均
湿度为 65% , 无霜期年均 223 天 ( 30 年平均) . 土
壤为二合土, 土地总面积为 2. 81×104km 2, 耕地
面积 1. 354×104km2, 人均耕地(按 1987年末农业
人口计算)为 0. 1ha. 其中, 泡桐-小麦·玉米群落
类型占 25. 7% , 沙兰杨-小麦·玉米群落类型占
21. 8% , 苹果-小麦·花生群落类型占 18. 65% .群
落测树学特征见表 1.
表 1　群落的测树学特征( 1989)
Table 1 Dendrometry characteri stics of communities
群落类型
Comm unity
type
林　龄
Tree age
( yr)
林木密度
Forest t ree
( Plant·ha-1)
平均树高
Average
h eigh t
( m)
平均胸径
Average
br east-height
diameter
( cm)
平均枝下高
Average height
of low er branch
( m)
平均冠高
Aver age
crow n
( m)
POTZ 6 15. 63 15. 3 20. 1 3. 8 4×5
PAT Z 6 50 9. 74 23. 4 2. 87 6×5
MT A 20 200 5. 86 24. 09* 0. 35 5. 6×4. 6
* 果树的平均基径 Average b as e diam eter of apple.
2. 2　研究方法
群落内林木、农作物的现存生物量、年净生产
量、枯落物量的测定方法见文献[3] .
于 1989 年 10 月采集林木的干、枝、叶、根及
林木、农作物的凋落物和枯根,在农作物收获季节
采集其茎、叶、根、籽实等植物样品, 在 80℃的烘
箱内烘干后用 GR-3500 型氧弹式热量计测定植
物样品的热值[ 2, 6] .
3　结果与分析
3. 1　植物各器官的热值分析
群落内植物各器官的热值因其组成成
分、光照强度、日照长短、植物器官内养分
含量、生长季节及土壤类型等的不同而
异 [ 2] (表 2) .
表 2　植物各器官的含灰分热值( 104J·g-1)
Table 2 Calorific value of various plants organs of communities
器　官
Organ
沙兰杨
P opulus
泡　桐
P aulow nia
苹果树
Malus
p umila
器　官
Organ
小　麦
Tr it icum
玉　米
Zea
may s
花　生
A rachi s
hyp ogaea
干 Tru nk 1. 77 1. 74 1. 71 茎 Stem 1. 65 1. 64 1. 66
枝 Branch 1. 81 1. 78 1. 75 叶 Leaf 1. 67 1. 67 1. 69
叶 Leaf 2. 00 1. 98 1. 96 根 Root 1. 63 1. 62 1. 64
根 Root 16. 8 1. 67 1. 66 籽实 Grain 1. 69 1. 68 1. 70
果 Fruit - - 1. 94
　　从表 2可知, 各群落类型均是林木层
各器官的热值较高, PAT Z 类型为 1. 67-
1. 98×104J·g -1, POTZ 类型为 1. 68- 2.
00×104J·g-1, MT A 类型为 1. 66- 1. 96
×104J·g -1, 农作物层较低, 为1. 62- 1. 70
×104J·g -1 .对群落内任一种群来说, 均是
叶的热值最高, 枝、干次之, 根最低. 这与
Golley
[ 11]、Eville[ 10]及刘世荣[ 2]所研究的结
果相吻合.
3. 2　群落年净固定能量、现存能量及光能
转化率
群落年净固定能量为单位时间 ( 1
年)、单位面积上群落通过光合作用所固定
的能量和扣除群落该期间通过呼吸作用和
被动物啃食而消耗的能量之后剩下的能
量[ 2] .现存能量是指特定时间内群落各部
分所累积的总能量 [ 12] . 光能利用率用群落
年净固定的能量占该区年太阳总辐射能的
356 应　用　生　态　学　报 5 卷
百分比来表示 [ 14] (表 3) .
表 3　不同群落类型的能量分布格局
Table 3 Distribution pattern of energy in diff erent com-
munities
群落类型
Community
type
年净固定能量
Net fix ed
energy
( 1010J·
ha-1·yr-1)
现存能量
Ex ist ing
energy
( 1010J·
ha-1)
光能利用率
L ight ener gy
use ef f i-
ciency
( % )
POTZ 43. 6235 55. 2174 1. 000
PATZ 45. 6426 57. 7595 1. 047
MT A 49. 6000 78. 4699 1. 138
FLS* 31. 7658 33. 0658 0. 729
* Farmland sys tems .
　　从表 3可见, 农林业系统 3 种群落类
型的现存能量、年净固定能量及光能利用
率均大于传统的农田系统.
3. 3　现存能量在群落内的分布
3. 3. 1 现存能量在群落不同层次上的分布
　从表 3和图 1 可见,在 PA TZ 类型中,
群落现存能量为 57. 7595×1010J·ha-1 ,其
中林木层占 22. 54% ,农作物层占 72. 7%,
枯落层占 4. 76% ;在 POTZ 类型中, 群落
现存能量为 55. 2174×1010J·ha-1, 其中林
木层占 16. 29%, 农作物层占 78. 95% ,枯
落物层占 4. 76%; 在 MTA 类型中, 群落
现存能量为 78. 4699×1010J·ha-1, 其中林
木层占 69. 00%, 农作物层占 25. 57% ,枯
落物层占 5. 43% ; 在传统的农田系统中,
群落现存能量为 33. 0658×1010J·ha-1 ,其
中农作物层占 96. 07% , 枯落物层占
3. 93% .
群落枯落物归还给土壤, 这部分物质
所贮存的能量在系统内继续传递和转化,
是土壤中分解者(主要是微生物)生命活动
主要能源.因此,枯落物中蓄积能量是维持
生态系统物质循环和稳定性的重要环节.
3. 3. 2 植物器官现存能量的分布　从图 2
可见, 现存能量在不同群落植物器官的分
布规律为: PAT Z 和 POT Z 类型:林木,干
> 枝> 根> 叶; 农作物, 籽实> 茎> 叶>
根. M TA 类型: 林木, 枝> 根> 干> 果>
叶;农作物,籽实> 茎> 叶> 根.
图 1　现存能量在各群落不同层次上的分布
Fig. 1 Dist rib ut ion of exist ing energ y in different level s
of communit ies .
Ⅰ.林木 Forest t ree,Ⅱ.农作物 Crops ,Ⅲ.枯落物 Lit-
ters.
图 2　现存能量在植物不同器官的分布
Fig. 2 Dist ribut ion of ex ist ing energy in dif ferent organs
of plants.
A.农作物Crops , B.林木 Forest t ree;Ⅰ.叶Leaf,Ⅱ.枝
Branch, Ⅲ.茎 S tem, Ⅳ. 干 T runk ,Ⅴ. 籽 Grain, Ⅵ.根
Root ,Ⅶ.果Fru it.
3. 4　群落能量效率分析
3. 4. 1 不同群落类型能量转化　农林业系
统中能量的来源可分为自然能(主要指太
阳能)和辅助能.辅助能包括来源于系统内
部的生物能(再生资源能,如秸秆、枯落物、
人力畜力等)和系统之外的非生物能(非再
生资源能,如化肥、农药、电力等) . 对该区
3574 期　　　　　　吴　刚等: 黄淮海平原豫北地区农林业系统的能量研究　　　　　　
农林业系统 3种群落类型及传统的农田系 统进行效率分析(表 4) .
表 4　不同群落类型能量转化效率
Table 4 Energy conversion ef ficiency of different communities ( 1989)
群落类型
Comm unity
type
能量投入
Energy input ( 1010J·h a-1)
A * B C D
能量产出
Energy output ( 1010J·ha-1)
E F G H
能量效率
Energy ef f iciency
I J K L
PAT Z 4373 4359. 6 8. 37 5. 03 45. 65 42. 00 3. 65 19. 16 0. 01044 0. 044 2. 29 3. 81
POTZ 4372. 4 4359. 6 8. 15 4. 63 43. 25 41. 00 2. 25 18. 52 0. 0099 0. 00425 2. 27 4. 00
MT A 4369 4359. 6 4. 94 4. 44 49. 60 28. 10 17. 76 18. 92 0. 0114 0. 0044 3. 83 4. 26
FLS 4373 4359. 6 8. 37 5. 04 40. 06 40. 06 0 17. 9 0. 00916 0. 0041 2. 14 3. 55
* A.总投入能 Total in put en ergy, B.太阳能 Solar energy, C .生物能 Biological energy, D.非生物能Non-b iological
en ergy, E.总产出能 T otal output energ y, F.农作物产出能 Output ener gy of cr ops , G.林木产出能Outpu t energy of
forest t ree, H.总产品能 T otal p roduct energ y, I.产投能量比 Output-input rat io of energy, J .总产品能/太阳能(太阳
能效率) Total p rod uct ener gy/ Solar energ y ( Solar energy eff iciency) , K .总产品能/生物能(生物量效率) T otal prod-
uct en ergy/ Biological en ergy ( Biological en ergy ef ficiency) , L.总产品能/非生物能(非生物能效率) T otal product en-
ergy/ Non-biological energy ( Non-b iological energy ef f iciency) .
　　为了评价上述农林业系统各群落类型
能量效率的优势, 采用综合评判的方
法[ 1, 4, 7, 8] .
3. 4. 2 评价指标的选择　总输出能 x 1　使
系统能正常地进行物质、能量和信息的交
换,从而不断地向外输出各种农林副产品.
因此, 系统的总输出能是衡量该系统功能
发挥程度的重要指标.
总产品能 x 2　是衡量该系统能量效
率的重要指标.
能量产投比 x 3　是衡量系统能量利
用效率的重要指标, 体现了系统生产力的
水平.
太阳能效率 x 4　是系统的总产品能
与太阳能的比值, 是衡量系统对非再生资
源能利用情况的重要指标.
生物能效率 x 6　即总产品能与系统
内生物能之比, 是衡量系统内生物能转化
效率的主要指标.
非生物能效率 x 6　总产品能与非生
物能(系指辅助能中的非再生资源能,如化
肥、农药、电力等)之比,是衡量系统内非生
物能转化效率的主要指标.
光能利用率 x7　光能是一切生态系
统的主要能源, 提高光能利用率是增加系
统生产力,加强系统能流通量的基本途径.
枯落物能效率 x8　在农林业系统内,
植物组分的枯落物既是植物自身的代谢产
物、系统土壤养分的重要来源,又是系统内
再生资源能的重要组成部分. 因此,该指标
也是衡量系统能量效率的重要指标.
选用上述 8个指标作为评价农林业系
统能量效益的指标.
3. 4. 3数据标准化处理
X′ij= X ij / X j( max)
其中, X′ij为指标标准化数据, X ij为指标原
始数据, X j( max)为每个指标的最大值. 处理
结果见表 5.
表 5　3种群落类型及农田系统的能量效率指标标准化数据( X′ij )矩阵
Table 5 Matrix of standard data of energy efficiency indexes in three communities and farmland system
群落类型
Comm unity type
X′i1 X′i2 X′i3 X′i4 X′i5 X′i6 X′i7 X′i8 ∑X′ij·A j
PAT Z 0. 92 1. 00 0. 92 1. 00 0. 60 0. 89 0. 92 0. 88 0. 8913
POTZ 0. 87 0. 97 0. 87 0. 97 0. 59 0. 94 0. 88 0. 88 0. 8713
MT A 1. 00 0. 99 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 9988
FLS 0. 82 0. 93 0. 80 0. 93 0. 56 0. 83 0. 64 0. 72 0. 7788
358 应　用　生　态　学　报 5 卷
3. 4. 4 权重值的确定　假定上述每个指标
对整个群落能量效率的影响均相同,采用
“等量齐观法”来确定各指标权重 [ 1, 13] .即
A 1 = A 2 = A 3 = A 4 =
A 5 = A 6 = A 7 = A 8 = 1/ 8
3. 4. 5 综合评判　群落能量综合效率用 Y
表示,则
Y = X′ij
A i
则得:
Y =
y 1
y 2
y 3
y 4
=
0. 8913
0. 8713
0. 9988
0. 7788
　　从上面分析可见,农林业系统 3种群
落类型的能量综合效率均大于农田系统. 3
种群落类型中, 苹果-小麦·花生类型> 泡
桐-小麦·玉米类型> 沙兰杨-小麦·玉米
类型.
4　结　　论
4. 1　从评价豫北地区农林业系统 3种群
落类型的能量效率可见,农林业系统均优
于传统的农田系统, 在现有的农林业系统
结构状况下, 苹果-小麦·花生群落最优,
其次是泡桐-小麦·玉米群落类型.
4. 2　在现有农林业系统结构状况和农业
生产状况下, 3 种群落类型年净固定的能
量均大于纯农田系统;群落现存量也大于
纯农田系统; 光能利用率 MTA 类型>
PAT Z 类型> POT Z 类型> FLS.
4. 3　研究表明,该区苹果-小麦·花生群
落类型能量效率最高,但发展的面积却很
小,因此, 要增加当地农民的经济收入,大
力发展该群落类型很有必要. 农林业系统
3 种群落类型具有不同的目的和管理措
施, 因而在发展农林业系统时要根据立地
条件、社会需求、经济要求不同而建立不同
的群落类型.
致谢　王效科、刘国华同志参加了野外试验工
作,在此一并致谢.
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