《Farming System》：Assessing ecosystem services in a rubber–
Alpinia oxyphylla agroforestry system
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评估橡胶–益智（Alpinia oxyphylla）农林复合系统中的生态系统服务
橡胶树（Hevea brasiliensis）是一种广泛种植于热带地区的多年生乔木，是天然橡胶的主要来源。传统橡胶种植园主要依赖单作模式（rubber monoculture,
评估橡胶–益智（Alpinia oxyphylla）农林复合系统中的生态系统服务
橡胶树（Hevea brasiliensis）是一种广泛种植于热带地区的多年生乔木，是天然橡胶的主要来源。传统橡胶种植园主要依赖单作模式（rubber monoculture, RM）。由于对天然橡胶的需求日益增长及其高经济价值，橡胶树已成为重要的热带经济树种，频繁取代东南亚地区的自然植被和传统农业。全球橡胶收获面积从1961年的3.88×106公顷增加了250%，至2023年达到13.58×106公顷，其中扩张最快的是东南亚地区。中国的橡胶种植面积位居全球第三，2023年约为1.2×106公顷，其中海南省约占47%。
然而，将天然林转变为橡胶单作及其持续扩张会引发一系列连锁的生态和环境问题。林下植被的密集清除使土壤表面暴露于热带降雨之下，引发严重的水土流失和物理退化。这种结构性退化进而损害养分保持能力并加速土壤酸化，从而协同改变林下小气候。这种不断恶化的栖息地继而导致土壤碳库枯竭和多类群生物多样性的急剧下降。这些连锁问题最终导致系统生产力停滞或下降。因此，橡胶单作的生产力和可持续性值得高度关注。
在此背景下，基于橡胶的农林复合系统（agroforestry systems）已成为改善橡胶种植园生态系统功能的有力解决方案。农林复合是指有意地将木本植被（树木或灌木）与作物和/或动物生产系统相结合，以受益于由此产生的生态和经济相互作用。这些多样化系统不仅提高了土地利用效率、丰富了产品供应并改善了经济回报，还通过多物种和多层组合优化了光照、土壤水分和养分利用。此外，它们还能有效控制水土流失并提高土壤肥力和固碳能力。
与一般农林复合系统中的树种不同，H. brasiliensis 是一种高大的乔木树种，形成茂密的树冠和广泛的深根系，创造了高度遮荫的林下环境和激烈的地下竞争。因此，成功的橡胶基农林复合需要选择能够占据互补生态位的间作作物。虽然药用植物或经济作物常与橡胶树间作，但益智（Alpinia oxyphylla），一种姜科（Zingiberaceae）多年生草本植物，因其卓越的生态适应性和药食同源的双重属性，已成为热带农林复合中应用最广泛的林下作物之一。从生态学角度看，它天生喜好在遮荫潮湿的林下环境中生长，非常适合成熟橡胶林的郁闭树冠。此外，其丛生的茎秆和浅根系最大限度地减少了对深根系橡胶树水分和养分的直接竞争。从经济学角度看，其果实在中草药中具有很高的价值。这种间作模式因其综合管理优势、降低的生产风险和良好的长期市场前景而得到认可。这种量身定制的方法有效地协调了橡胶种植区的经济发展与生态环境保护。
尽管基于橡胶的农林复合系统被认为是橡胶单作的可行替代方案，但关于这些系统的研究主要集中在生产力或特定的生态功能上，对其综合生态系统服务（ecosystem services, ES）的理解有限。现有研究往往局限于单一服务的评估，例如分析土壤碳库变化、土壤微生物多样性或水分利用效率的变化。近期的文献计量综述证实，当前关于橡胶种植影响的研究仍然非常分散，严重缺乏将橡胶种植园作为复杂的多功能农林复合系统进行整体评估。这种碎片化的方法阻碍了对系统多功能性的透彻理解，并限制了可持续管理策略的优化。
为了全面评估这些多功能的效益，生态系统服务框架提供了必要的理论基础。生态系统服务是指由生态系统和生态过程形成并维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，大致可分为供给服务、调节服务和支撑服务。生态系统服务评估方法提供了一种系统性的途径来理解自然生态过程与农业生产之间的相互作用。历史上，许多研究已应用这一框架来量化各种农林复合背景下的生态系统服务供给、碳固存和生物多样性。最近的进展进一步探索了退化土壤、温带系统和干旱地区中生态系统服务之间的多功能性和空间相互关系。然而，尽管取得了这些进展，针对热带农林复合生态系统服务评估的多功能指标框架的研究仍然稀缺，在系统性评估方法和方法论整合方面存在持续的空白。
为填补这些空白，本研究聚焦于海南省分布最广的橡胶基农林复合系统——橡胶–益智农林复合系统（rubber–Alpinia oxyphylla agroforestry system, RA），并以橡胶单作（RM）作为对照。通过田间试验，本研究测量了21项生态系统服务指标，并运用生态系统服务理论结合主成分分析（principal component analysis, PCA）识别关键指标，从而全面评估橡胶–益智农林复合系统的总体生态系统服务。具体目标包括量化该系统提供多样化生态系统服务的能力，同时全面评估这些服务之间的权衡、协同关系以及整体的生态经济韧性。
研究背景与现存问题
天然橡胶作为一种重要的战略工业原料，其全球需求持续增长。然而，传统的橡胶单作（rubber monoculture, RM）种植模式正面临着严峻的可持续性挑战。将天然林转变为橡胶单作会导致一系列连锁的生态问题：林下植被的清除加剧了水土流失和土壤板结；养分循环受阻和土壤酸化改变了林下微气候；这些退化的生境最终导致土壤碳库耗竭、多类群生物多样性锐减，并造成系统生产力的停滞甚至下降。尽管基于橡胶的农林复合系统（如间作药用植物）被认为是一种可行的替代方案，但现有研究大多局限于评估单一服务，例如土壤碳库、微生物多样性或水分利用效率等，严重缺乏对橡胶种植园作为复杂多功能系统的整体评估。这种碎片化的认知阻碍了对系统多功能性的深入理解，也限制了对可持续管理策略的优化。因此，迫切需要采用生态系统服务（ecosystem services, ES）框架，对橡胶基农林复合系统进行综合性、多指标的评估。
研究内容与结论
为填补上述空白，研究人员在位于中国海南省儋州市的中国热带农业科学院试验场，选取了一片约1.5公顷、立地条件均一的成熟橡胶林，设立了两种种植系统：橡胶单作（RM）和橡胶–益智（Alpinia oxyphylla）农林复合系统（rubber–Alpinia oxyphylla agroforestry system, RA）。通过为期一年的田间实验，测量了涵盖供给、调节和支撑三大类的21项生态系统服务指标。研究结果表明，向橡胶–益智农林复合系统的转变显著增强了系统的整体多功能性。特别是，该复合系统在供给服务和调节服务方面表现出尤为突出的提升。然而，综合指数的增益掩盖了局部的权衡关系。这项研究为优化热带橡胶种植园的可持续管理提供了关键的定量依据和科学指导。
关键技术方法
研究人员采用了多项关键技术方法。首先，通过异速生长方程估算橡胶树生物量，并结合田间实测获取益智产量。其次，采用动态现金流模型，以12%的贴现率对两个系统进行了5年和10年周期的成本-效益分析，并通过敏感性分析检验了经济收益的稳健性。再次，利用静态箱-气相色谱法监测了土壤温室气体（CO2、N2O、CH4）的排放通量，并结合投入品的排放因子计算了间接排放及碳平衡。最后，通过测定土壤理化性质、酶活性、微生物群落结构（16S rDNA扩增子测序）、植物多样性和蚯蚓生物量等指标，并运用主成分分析（principal component analysis, PCA）筛选关键指标，构建了加权综合评价体系来计算综合生态系统指数（composite ecosystem index, CEI）。
研究结果
1. 供给服务
在产量方面，橡胶–益智农林复合系统（RA）相比橡胶单作（RM），四年平均橡胶产量显著提升了55.45%（P < 0.05），并额外产出422.34 kg ha-1 yr-1的益智果实。在生物量方面，RA中的橡胶树高度和总生物量分别显著增加了14.59%和17.51%。在经济分析中，尽管RA的初始成本较高，但其净现值（net present value, NPV）和效益成本比（benefit-cost ratio, BCR）在长期内显著优于RM。到2033年，RA的年均NPV达到1240.97 USD ha-1 yr-1，BCR达到2.33，分别比RM高出282.12%和60.14%。敏感性分析表明，即使在15%的高贴现率或益智价格下跌20%的保守情景下，RA的经济优势依然稳固。
2. 调节服务
在水源调节方面，旱季时RA的土壤质量含水量（gravimetric water content, GWC）显著高于RM，高出11.15%（P < 0.05），表明其在季节性保水方面具有明显优势。在温室气体调控方面，RA显著降低了土壤CO2排放通量（P = 0.03），虽然总温室气体排放差异不显著，但RA的碳固存量（555.06 Mg CO2-eq ha-1 yr-1）和净碳平衡（532.18 Mg CO2-eq ha-1 yr-1）均显著高于RM，增幅分别达23.26%和26.12%（P < 0.05）。
3. 支撑服务
在土壤保育方面，RA显著降低了10–20 cm土层的土壤容重（soil bulk density, SBD）（P < 0.05），并将土壤有机质（soil organic matter, SOM）含量显著提高了25.45%（P < 0.05），但同时也导致了土壤pH值的轻微下降。在生物多样性保护方面，RA的自生杂草香农-威纳多样性指数显著高于RM（高出59.18%），但杂草生物量和蚯蚓生物量却显著低于RM。在土壤酶活性方面，RA的土壤脲酶（S-UE）和过氧化氢酶（S-CAT）活性分别显著下降了43.14%和64.41%（P < 0.05）。
4. 协同与权衡分析
主成分分析（PCA）结果显示，RA在产量、生物量、碳汇、土壤水分等指标上形成了强协同效应，而微生物多样性、杂草生物量、蚯蚓生物量及特定土壤酶活性则与RM关联更强，揭示了提升生产和调节服务是以牺牲部分生物多样性和特定土壤功能为代价的权衡关系。
5. 综合评估
基于PCA权重计算的综合生态系统指数（CEI）显示，RA的得分为0.106，较RM的0.057显著提高了85.89%（P = 0.028）。其中，RA的供给服务和调节服务得分分别比RM激增了158.15%和146.00%。
讨论与结论
讨论部分指出，橡胶–益智农林复合系统（RA）通过种间生态位互补和资源利用的协同效应，实现了土地生产力和经济效益的双重提升。橡胶产量的增加得益于调节服务（土壤保水）和支撑服务（养分有效性）的跨服务协同作用。尽管RA的总温室气体排放未显著降低，但其强大的碳汇能力使其成为有效的碳汇系统。在支撑服务方面，RA改善了土壤物理结构和植物多样性，但也引发了土壤酸化和蚯蚓生物量、特定酶活性的下降，这构成了实现长期可持续性的潜在风险。研究结论强调，从橡胶单作转向基于生态的管理策略，因地制宜、因时制宜地引入互补物种，是优化橡胶种植园可持续性的清晰路径。对于成熟橡胶林，应选择如益智等高耐阴、高价值的作物建立多层次生态经济系统。
