黃淮海平原兩種不同林齡楊樹防護林對麥田土壤水分及蒸散的影響

尹昌君，李春友，張勁松，孟 平，黃 輝，任慶福，高 峻

(1.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京 100091;2.河北農(nóng)業(yè)大學，河北 保定 071000)

農(nóng)田防護林是一種為了改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、保障和促進農(nóng)業(yè)發(fā)展而建立的人工森林生態(tài)系統(tǒng).黃淮海平原是中國的重要糧食產(chǎn)區(qū)，但由于大多數(shù)地區(qū)地處半干旱季風氣候區(qū)，長期以來，大風及季節(jié)性干旱等自然災害頻繁，農(nóng)田生態(tài)環(huán)境脆弱，嚴重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展.為此，該地區(qū)早在20世紀50～70年代就開始營造以防風固沙、保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為根本目的的農(nóng)田防護林.20世紀80年代以后，將農(nóng)田防護林納入農(nóng)業(yè)綜合治理與開發(fā)的重要內(nèi)容，全面發(fā)展以改善生態(tài)環(huán)境、確保糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、提高經(jīng)濟收入為目的，以農(nóng)田林帶(網(wǎng))為主體、輔以各類林(果)農(nóng)間作等模式的農(nóng)林復合系統(tǒng).并有眾多試驗研究證實:該地區(qū)林齡10 a左右的農(nóng)田防護林已具有顯著的生態(tài)及經(jīng)濟效益［1～8］.但該地區(qū)由于氣候背景復雜、人口密度大及工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)水資源日益緊缺，已成為制約當?shù)剞r(nóng)業(yè)、林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最主要瓶頸.隨著林齡的增長以及林帶根系、葉面積增大，林木與作物之間的水分競爭程度會增加，防護林的水分效應會下降.而且，從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和區(qū)域水文效應的角度考慮，在天然降水偏少、季節(jié)降水分布不均、地下水位銳減的黃淮海平原農(nóng)區(qū)，將大量根深葉茂的喬木引入長期以來保持單一作物栽培的地段/地塊，或發(fā)展大面積、連網(wǎng)成片的防護林，會不會導致土壤水分更加干旱，以致惡化生態(tài)系統(tǒng)水分生態(tài)環(huán)境?由此涉及的平原農(nóng)區(qū)防護林發(fā)展內(nèi)容、規(guī)模、結(jié)構(gòu)配置以及調(diào)控管理措施一直是人們關(guān)注的焦點問題.土壤水分是林帶與作物水分競爭的直接對象，蒸散是生態(tài)系統(tǒng)耗水的主要方式，直接影響農(nóng)田土壤水分的平衡過程.因此，極有必要了解同一地段、相同結(jié)構(gòu)防護林對農(nóng)田蒸散及土壤水分影響效應的年代變化情況，但目前尚未見研究報道，而已有相關(guān)研究均局限于某一林齡時期［1，3，4，9～12］.楊樹是該區(qū)防護林的主栽樹種.本研究將比較分析12 a生與24 a生毛白楊(Populus tomentosa Carr.)防護林對農(nóng)田土壤水分及蒸散的影響效應，以期為解釋上述焦點問題以及進一步為楊樹防護林系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置、模式優(yōu)化及經(jīng)營管理提供必要的理論依據(jù).

1 試驗區(qū)概況及研究方法

試驗區(qū)地處黑龍港流域的河北省饒陽縣官廳鄉(xiāng)(東經(jīng) 115°40'，北緯 40°38')，屬暖溫帶大陸性氣候.年平均氣溫12.2℃，年均日照時數(shù)2 764.0 h，年均降水量549.8 mm，且75% ～80%的降水量集中于6～8月份，地下水位8～10 m(1990—1992年)，35 m(2007年).饒陽縣地處冀中平原，總面積573 km2，耕地39 000 hm2，有效灌溉面積25 000 hm2，滹沱河自西向東從中部穿過，土地平坦;地貌類型為滹沱河決口淤積平原，土壤類型為砂壤質(zhì)潮土;種植制度一年兩熟.試驗區(qū)面積849 hm2，于1983年始建，目前已形成農(nóng)田林網(wǎng)為主體，輔以各類林(果)農(nóng)間作、單一片林等多種形式結(jié)構(gòu)組成的農(nóng)林復合系統(tǒng)試驗示范區(qū).

2 材料與方法

2.1 試驗材料

在試驗區(qū)中部選擇一林帶及網(wǎng)格內(nèi)作物代表性較好的林網(wǎng)，網(wǎng)格面積為500 m×250 m，主防護林為東－西走向，林帶樹種為毛白楊，一路兩行(4 m×8 m).毛白楊栽植時間為1983年春季.1995年，平均樹高12.0 m，平均胸徑21.4 cm;2007年，平均樹高20 m，平均胸徑45 cm.林網(wǎng)內(nèi)作物為冬小麥(Triticum aestivum L.)，1995年和2007年時，冬小麥品種分別為“農(nóng)大97”、“良星99”;對照點(CK)選擇在防護林體系外500 m處單作冬小麥的一片開闊地上，周圍沒有林木和高大建筑物的遮掩，土壤性狀與防護林系統(tǒng)內(nèi)基本相同.

2.2 測定布置、觀測內(nèi)容及方法

本研究以主林帶防護下的農(nóng)田為觀測對象，測定當年的林帶樹高為H，在分別距南(S)、北(N)兩側(cè)林帶方向0.1H(N0.1H，S0.1H)，0.25H(N0.25H，S0.25H)，0.5H(N0.5H，S0.5H)，1H(N1H，S1H)，2H(N2H，S2H)，3H(N3H，S3H)，4H(N4H，S4H)，5H(N5H，S5H)處及中心點(CEN)處測定土壤水分、葉面積、產(chǎn)量觀測，N0.5H 及 S0.5H，N1H 及 S1H，N2H及S2H，N4H及S4H，CEN處觀測微氣象參數(shù).對照點同步觀測上述內(nèi)容.

2.2.1 土壤水分觀測 于1995年和2007年，在冬小麥拔節(jié)－乳熟期(約04－05—06－10)，每10 d測定1次土壤水分含水量，雨后加測.測定層次為0～10，10 ～20，20 ～40，40 ～60，60 ～80，80 ～100，100 ～120，120 ～160，160 ～200 cm.1995 年采用土鉆烘干稱重法，2007年采用TDR技術(shù).

2.2.2 微氣象觀測 1995－04－01—06－10，于各測點活動面上0.5，1.5 m處用通風干濕表與三杯風速表進行溫、濕、風梯度觀測;于活動面上1 m處用CN-11輻射表(EKO公司，日本)觀測凈輻射;于各測點地表下2 cm處采用CN-11熱通量板測定土壤熱通量;每旬選擇2～3 d多云－晴天日，共10個觀測日，分別是1995年的04－17，04－18，04－23，04 －28，05 －06，05 －11，05 －17，05 －18，05 －19和05－25;于各觀測日06:30—19:30，每小時觀測1次，夜間蒸散忽略不計.

2007－04－10—06－15，于各測點作物冠層活動面上1.0 m處，自動(氣象站)測定空氣溫度(Ta)、濕度(RH)、凈輻射(Rn)、風速(V);另外，中心點、對照地還自動(氣象站)測定太陽總輻射(Q)和降雨量(P);Ta和 RH，Rn，V，P，Q 觀測所采用的傳感器(探頭)分別為 HMP45C，Q7，05103，土壤熱通量，LI200X，TE525M;數(shù)據(jù)采集器每2 s采集1次數(shù)據(jù)，計算和保存30 min內(nèi)的平均值.

2.2.3 小麥葉面積測定 在不同物候期，采用Li－2000植被冠層分析儀(LI－COR，Inc.，Lincon，USA)測定冬小麥葉面積指數(shù)(LAI).

2.4 小麥蒸散量計算

根據(jù)Penman-Monteith公式計算冠層蒸騰量(TR)［9，13］，再利用 LAI 和消光系數(shù)，推算蒸散量(ET)，主要計算公式如下:

式中:TR為作物蒸騰量(mm·s－1);ET為農(nóng)田蒸散量(mm·s－1);L為水的汽化潛熱(取2.45×106J·kg－1);Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa·℃－1);Rn為作物冠層凈輻射(W·m－2);G為土壤熱通量(W·m－2);ρa為為空氣密度(kg·m－3)取1.293;Cp為空氣定壓比熱(J·kg－1·℃－1)，取1 009.26;ea為飽和水汽壓(kPa);ed為實際水汽壓(kPa);γ為干濕表常數(shù)(kPa·℃－1)，取0.066;ra為空氣動力學阻抗(s·m－1)，其測算公式見相關(guān)文獻［13］;k為小麥消光系數(shù)，本研究取0.46(適用于小麥拔節(jié)期至乳熟期)［5］.rst為作物冠層總氣孔阻抗(s·m－1)，計算公式［14］如下:

式中:rs·max為暗情況下最大氣孔阻抗，rs·min為強輻射條件下最小氣孔阻抗，本研究取 rs·max=4.5 s·cm－1，rs·min=1.79 s·cm－1;β 為阻抗對光的依賴參數(shù)，取186.3 cm2·s·J－1;Q 為太陽總輻射(J·cm－2·s－1);f(D)為空氣飽和差D(mb)對rst的影響.

3 結(jié)果與分析

3.1 防護林對冬小麥農(nóng)田土壤水分的影響

林網(wǎng)內(nèi)農(nóng)田土壤水分這種水平分布趨勢主要與林帶根系吸水水平分布不一致有關(guān)，即越接近林帶，根系越密及吸水量越大、土壤水分含量越低(圖1).以各測定日的各觀測點的土壤貯水量(SWC)平均值為計算指標，與CK相比，12 a和24 a林網(wǎng)可使土壤水分分別提高7.8%和1.9%，說明2種林齡楊樹林網(wǎng)均具有提高農(nóng)田土壤水分的作用，但隨著林齡的增長，這種提高效應值會降低.

由圖2可知，12年生楊樹林網(wǎng)內(nèi)在距離林帶0～10 m范圍內(nèi)的土壤水分低于CK(簡稱負效應區(qū))、該范圍外的土壤水分則高于CK(簡稱正效應區(qū))，24年生在距離林帶0～15 m范圍內(nèi)的土壤水分低于CK(簡稱負效應區(qū))、此范圍外的土壤水分則高于CK(簡稱正效應區(qū))，說明當隨著林齡的增長，這種負效應區(qū)將擴大、正效應區(qū)相應縮小.其主要原因在于:在一定時期內(nèi)，林帶葉面積、樹高和胸徑、根系分布范圍等生物量指標均會隨林齡的增長而增大，使得林帶蒸騰耗水、根系吸水能力和范圍會有所提高和擴大，即林帶的水分脅迫強度和范圍(簡稱“林帶對水分的負效應強度”)會增強，故相對降低了總體提高效應.也說明了雖然因林帶小氣候效應，特別是在林帶附近的遮蔭作用，會減少作物蒸散量，故可增加土壤水分，但隨林齡的增長，這種增加效應要小于林帶吸水對土壤水分的負效應.X軸表示距離南側(cè)林帶的距離(如:170 m處表示距離南側(cè)林帶170 m，即距離北側(cè)林帶80 m，為2007年的S4H);Y軸表示林網(wǎng)內(nèi)農(nóng)田0～200 cm土層土壤貯水量(SWin)與對照的(SWCK)相對差異率(RDD)，計算公式:RDD=(SWin－SWCK)/SWCK×100%

圖1 防護林內(nèi)麥田0～200 cm土層土壤貯水量水平分布特征Fig.1 Variation of soil water storage in 0 ～200 cm layer with the distance from the shelterbelt in protected field

圖2 防護林內(nèi)麥田不同林帶距離處0～200 cm土層土壤水分與對照的相對差異率的水分分布趨勢Fig.2 Variation trend of relative difference degree of soil water between in protected field and at the reference(CK)with the distance from the shelterbelt

3.2 防護林對冬小麥蒸散量的影響

從圖3可知，樹齡為 12 a(1995年)，24 a(2007年)時，防護農(nóng)田內(nèi)各測點冬小麥蒸散量(ET)的日際變化趨勢與對照點(CK)的均基本一致.說明防護林在其不同樹齡時期不會影響小麥蒸散的時間變化特征，這是由于蒸散作為植物生理生態(tài)過程，其隨生育進程的變化趨勢主要由植物自身的生物學特性決定，只不過受到防護林小氣候及林帶根系吸水的影響，使得ET在防護農(nóng)田內(nèi)外及防護農(nóng)田內(nèi)距防護林帶不同距離(簡稱“帶距”)處的具體數(shù)值有所差異.其中，防護農(nóng)田內(nèi)ET隨距林帶距離的變化呈拋物線狀分布趨勢(圖4)，且這種變化趨勢在上述2種林齡期亦基本一致.

圖3 防護林內(nèi)小麥蒸散日際變化特征及其與對照的比較Fig.3 Daily variation of wheat evapotranspiration in the protected field and its comparision with that at CK

由表1可知，冬小麥拔節(jié)－乳熟期(04－10—06－10)，防護林內(nèi)冬小麥蒸散總量在2007年(24 a樹齡期)為 171.21 mm，日均值為 2.85 mm·d－1，比 CK 的3.81 mm·d－1低25.0%，其中，在拔節(jié)期－孕穗期、孕穗期－揚花期、揚花期－灌漿期、灌漿期 － 乳熟期分別為 2.43，3.59，3.24 和 2.44 mm·d－1，比 CK 低22.0% ～27.4%.在 1995 年(12 a樹齡期)的10個觀測日的平均值為2.93 mm·d－1，比 CK 的3.61 mm·d－1低19.1%(圖4 －a).可見，防護林具有降低農(nóng)田蒸散的作用，且隨著樹齡的增長，這種降低效應并未下降，這對緩解因樹木根系吸水所導致的林帶附近農(nóng)田土壤水分下降的狀況具有重要的作用.

表1 24年樹齡楊樹農(nóng)田防護林內(nèi)不同生育期小麥日均蒸散量與CK的比較(2007年)Table 1 Comparision of the mean daily evapotranspiration for wheat between in the field protected by 24-year aged shelterbelt and at CK during different wheat growth stage(2007年)

圖4 防護林內(nèi)小麥日均蒸散量水平分布趨勢Fig.4 Variation trend of the mean daily evapotranspiration with the distance from the shelterbelt in the protected field

不過，從圖4可知，在0～2H范圍內(nèi)，由于林帶的小氣候效應(特別是林帶的遮光及防風作用)及樹木根系吸水所導致的土壤水分的下降，故該范圍內(nèi)ET與CK的差異尤為顯著.如在2007年冬小麥拔節(jié) － 乳熟時期，S0.5H，S1H，N0.5H，N1H 的ET 平均值為2.49 mm·d－1，比 CK 的3.85 mm·d－1(圖 4 －b)低 35.4%.而 4H-Center內(nèi)，由于林帶的小氣候效應逐漸減弱以及樹木根系已延伸不到4H附近處，該范圍內(nèi)ET值則接近于CK的ET值，在2007年二者僅相差6.7%.

4 結(jié)論

在黃淮海平原黑龍港流域小麥拔節(jié)－乳熟期間，試驗觀測12 a和24 a林齡、長500 m、寬250 m楊樹防護林內(nèi)農(nóng)田及曠野(CK)農(nóng)田土壤水分和蒸散量，對比CK，分析防護林水分效應的年代變化特征，結(jié)果表明，越接近林帶，因根系越密及吸水量越大，故土壤水分含量越低;12 a林齡時，在距離林帶10 m范圍內(nèi)的土壤水分低于CK(簡稱負效應區(qū))，該范圍外的土壤水分則高于CK(簡稱正效應區(qū));24 a林齡時在距離林帶15m以內(nèi)為負效應區(qū)，此范圍外為正效應區(qū).總體而言，楊樹防護林具有提高土壤貯水量的作用，但這種提高效應會隨著樹齡的增長而有所降低.

上述2種林齡期防護林均具有顯著降低農(nóng)田蒸散的作用，并隨距林帶距離的變化均呈拋物線狀分布趨勢.在0～2H范圍內(nèi)，由于林帶的小氣候效應(特別是林帶的遮光及防風作用)及樹木根系吸水所導致的土壤水分的下降，這種降低作用尤為顯著.隨著樹齡的增長，防護林對農(nóng)田蒸散的降低效應并未下降，故對因樹木根系吸水所導致的林帶附近農(nóng)田土壤水分下降的狀況，具有重要的緩解作用.

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