吉林西部水田防護林對林帶內(nèi)溫濕度和水稻產(chǎn)量的影響*

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吉林西部水田防護林對林帶內(nèi)溫濕度和水稻產(chǎn)量的影響*

趙珊珊1，韓嬌1，張大偉1，張?zhí)煜?，包廣道1,張忠輝1，林士杰1，楊雨春1

(1.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林長春130033；2.吉林省林業(yè)勘察設(shè)計研究院，吉林長春130022)

摘要：防護林林帶結(jié)構(gòu)，尤其是疏透度，對于調(diào)整和改善林網(wǎng)內(nèi)的小氣候環(huán)境和提高作物產(chǎn)量具有重要作用。采用多點式自記測風(fēng)儀(GB228)，對吉林省西部水田防護林開展了林帶結(jié)構(gòu)因子對林帶內(nèi)溫濕度影響研究，同時分析了林帶結(jié)構(gòu)對水稻產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：水田防護林在有葉期和無葉期分別降低和提高了背風(fēng)面的溫度，有葉期林帶內(nèi)外溫度差(T有葉期)與樹高和冠幅分別呈顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，無葉期林帶內(nèi)外溫度差(T無葉期)與樹高、胸徑和冠幅呈顯著負(fù)相關(guān)和正相關(guān)；水田防護林提高了林帶內(nèi)的空氣相對濕度，而且有葉期的空氣相對濕度增幅要大于相應(yīng)的無葉期；不同觀測距離處的水稻產(chǎn)量不同，但影響趨勢一致，其產(chǎn)量的最大值在觀測點7處，且林帶3、4、6、8的水稻產(chǎn)量較高，分別為880 g/m2、899 g/m2、916 g/m2和923 g/m2；當(dāng)有葉期疏透度(β有葉期)和無葉期疏透度(β無葉期)分別在0.31～0.39和0.63～0.75時，林帶對其背風(fēng)面的溫濕度調(diào)節(jié)作用明顯，對應(yīng)的水稻產(chǎn)量較高。適宜林帶間距是300 m。

關(guān)鍵詞：水田防護林；林帶結(jié)構(gòu)；溫度；濕度；水稻產(chǎn)量

Effect of Paddy-field-shelter Forest on the Temperature, Humidity and

國內(nèi)外學(xué)者對防護林的防護效益評價、生理生態(tài)和營建技術(shù)等方面開展了大量研究。防護林通過影響氣流運動過程，進而降低林帶風(fēng)的動能[1～2]，削弱林帶背風(fēng)面風(fēng)速[3]，而這種作用將減弱林帶內(nèi)氣流交換[4]，改變庇護區(qū)內(nèi)熱量平衡，近而影響林內(nèi)溫度狀況[2]，并且呈現(xiàn)夏季溫度降低而冬季溫度升高的趨勢[5]。雖然不同地域或防護林林帶結(jié)構(gòu)存在差異，但寧夏[6]、內(nèi)蒙古[7～8]、云南[9]等地的防護林林帶的溫度調(diào)節(jié)趨勢卻基本相同。

同樣，防護林對林網(wǎng)內(nèi)空氣濕度具有一定的調(diào)節(jié)作用。同樣由于林帶內(nèi)風(fēng)速和氣流交換減弱，植物蒸騰在近地層大氣處保留時間延長[2]，使得林帶內(nèi)植物蒸發(fā)蒸騰、空氣濕度均受到影響，進而使林網(wǎng)內(nèi)相對濕度大于曠野[10～11]。同時李增嘉等[12]、吳剛等[13]、朱廷曜等[10]也得到了類似研究結(jié)論。此外，防護林的溫度、濕度和其他因子的調(diào)控作用，致使林網(wǎng)內(nèi)部形成了獨特的小氣候區(qū)域[11,14]，這對作物生長和發(fā)育具有促進作用[15]，并且能夠提高作物產(chǎn)量[16～17]。

綜上，針對農(nóng)田防護林林帶結(jié)構(gòu)，尤其是疏透度對庇護區(qū)的溫度、濕度調(diào)節(jié)和作物產(chǎn)量影響方面進行了系統(tǒng)的研究。但是，由于當(dāng)時所采用的風(fēng)速儀不能實現(xiàn)多點數(shù)據(jù)的同步測定和采集，并且有關(guān)水田防護林的相關(guān)研究較少。因此，采用多點式自記測風(fēng)儀(GB228)，以吉林省西部典型水田防護林為研究對象，探討有葉期和無葉期林帶結(jié)構(gòu)對林帶內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)的作用和對水稻產(chǎn)量的影響。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

研究區(qū)域在吉林省前郭縣境內(nèi)，位于東經(jīng)124°36′～125°10′，北緯44°50′～45°08′之間，平均海拔133 m，該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春秋干旱多風(fēng)，夏季濕熱多雨，冬季寒冷降雪少、冰凍期長。所調(diào)查的水田防護林是20世紀(jì)90年代初期營造的，以3～6行為主，主林帶林木平均胸徑在23.8～40.2 cm之間，樹高在13.4～23.2 m之間，枝下高在1.7～7.2 m之間。主林帶間距包括300 m和500 m兩種,副帶間距500 m。林帶主要樹種為楊樹和柳樹，楊樹是‘白城小黑楊(Populuspsedosimonii×nigracv‘Baicheng’)’和‘白林3號楊(P.דBailin3”)’(白城市林科院選育的優(yōu)良抗逆性樹種)，柳樹是旱快柳(Salixmatsudaravar.anshanensis)和黑皮柳(Salixlimprichtii)。保存率在62 %～81 %之間(表1)。試驗地地勢平坦，土層較厚。

1.2研究方法

2012年6月15日、7月15日和2012年10月25日、11月25日，采用多點式自記測風(fēng)儀(GB228)，測定10種模式林帶，而且該10種模式的林帶能夠分別找到相應(yīng)的2個重復(fù)模式(即：每種模式能夠重復(fù)3次)。觀測點布設(shè)在林帶中垂線上，在背風(fēng)面，以20 m為間隔，設(shè)定觀測點，共設(shè)置9個觀測點，編號為1～9。在觀測點距離地面垂直距離為2 m處架設(shè)儀器，溫度和濕度數(shù)據(jù)自動獲取時間間隔為20 min。林帶內(nèi)溫度和濕度取全天9個觀測點的平均值。同樣測定無水田防護林帶的曠野對照點處的溫度和濕度(CK)。

于同年水稻收獲期，測定樣方的產(chǎn)量。不同林帶內(nèi)的水稻品種、種植方式、管理和施肥等基本一致。測定方法：在觀測點水平處每間隔5 m，布設(shè)3個1 m×1 m樣方。采用全株收獲法將樣方內(nèi)全部水稻連帶秸稈收割，將水稻籽粒取出，用天平測量每個樣方內(nèi)水稻產(chǎn)量[18]，同樣測定CK觀測點處的水稻產(chǎn)量。記錄防護林帶樹高、胸徑、冠幅、枝下高、行數(shù)、株行距、帶長以及帶間距，并采用數(shù)字圖像處理方法測定林帶有葉期和無葉期疏透度[19]。不同模式林帶結(jié)構(gòu)因子見表1。

1.3數(shù)據(jù)處理

表格處理采用Excel 2007完成，系統(tǒng)聚類分析和相關(guān)分析由SPSS 19.0完成，其他采用Origin 8.0完成。

表1　各林帶結(jié)構(gòu)因子調(diào)查

2結(jié)果與分析

2.1不同林帶結(jié)構(gòu)對溫度的影響

水田防護林在有葉期(夏季)能夠降低背風(fēng)面溫度，在無葉期(秋季)能夠提高背風(fēng)面溫度,見圖1。

圖1　不同林帶結(jié)構(gòu)對溫度影響

有葉期降溫作用主要是由于夏季在林網(wǎng)保護下，林網(wǎng)內(nèi)作物蒸騰旺盛，消耗大量熱能，而無葉期在林帶的作用下，則能夠防止林網(wǎng)外冷空氣進入林帶內(nèi)部，進而起到增溫作用[2,10～11]。此外，在有葉期，不同林帶結(jié)構(gòu)的降溫作用存在一定差異，而且第3、4、6、8條林帶的溫度調(diào)節(jié)作用較大。有葉期溫度降低能夠減弱干熱風(fēng)的危害，而無葉期溫度升高則對于改善土壤理化性質(zhì)具有一定作用[15,18]。

林帶內(nèi)外溫差與林帶結(jié)構(gòu)存在一定的相關(guān)性(表2)，其中樹高和冠幅與T有葉期分別呈顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，而在T無葉期則分別與樹高、胸徑和冠幅呈顯著負(fù)相關(guān)和正相關(guān)。疏透度與其相關(guān)性不大(圖2)。但是，林帶內(nèi)外溫差與疏透度存在一定聯(lián)系，當(dāng)有葉期和無葉期的疏透度分別在0.31～0.39和0.63～0.75之間時，其溫度調(diào)節(jié)作用較好。

表2　林帶結(jié)構(gòu)參數(shù)與林帶內(nèi)溫度相關(guān)性

注：*表示P<0.05。

圖2林帶內(nèi)外溫差與林帶疏透度關(guān)系

Fig.2Relation of inside and outside shelterbelt temperature with shelterbelt porosity

2.2不同林帶結(jié)構(gòu)對濕度的影響

防護林網(wǎng)通過影響林網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)速和氣流交換，進而提高庇護區(qū)有葉期和無葉期的空氣相對濕度[10,12,15]。在有葉期和無葉期，水田防護林均能提高其庇護區(qū)的空氣相對濕度，而且有葉期的空氣相對濕度增幅要大于相應(yīng)的無葉期(表3)，這可能是由于有葉期的作物和林木的蒸騰作用大[13,20]。

林帶內(nèi)外濕度差與林帶結(jié)構(gòu)各因子的相關(guān)性較差(表4)。雖然疏透度與其相關(guān)性較差(圖3)，但當(dāng)有葉期和無葉期的疏透度分別在0.31～0.39和0.63～0.75之間時，其空氣相對濕度增加值較大，尤其是無葉期空氣相對濕度增加，這對于提高冬季和春季的土壤含水量，促進作物的生長發(fā)育具有積極作用[15,17]。

表3　林帶內(nèi)外空氣相對濕度差

表4　林內(nèi)外濕度差與林帶結(jié)構(gòu)相關(guān)關(guān)系

圖3林內(nèi)外濕度差與林帶疏透度關(guān)系

Fig.3Relationship of air relative humidity of inside and outside of shelterbelt with its porosity

2.3水田防護林對水稻產(chǎn)量影響

由于防護林對林網(wǎng)內(nèi)小氣候的調(diào)整與改善，促進了作物自身物質(zhì)、能量的轉(zhuǎn)化和積累，進而起到增產(chǎn)作用[18]。不同林帶結(jié)構(gòu)對產(chǎn)量影響的趨勢基本一致(圖4)。測量點1和測量點2處，水稻的平均產(chǎn)量呈增加趨勢，但產(chǎn)量低于對照；測量點3～7處，水稻的平均產(chǎn)量總體穩(wěn)定增加并且高于對照；測量點8和測量點9處，水稻的平均產(chǎn)量則呈下降趨勢。

圖4　不同觀測點的水稻產(chǎn)量

將不同林帶對應(yīng)的相同觀測點的水稻產(chǎn)量取平均值并設(shè)為因變量，將觀測點到林帶距離設(shè)為自變量，可建立水稻產(chǎn)量預(yù)測方程為y=535.65+6.13x-0.02x2(p<0.001)。防護林帶對水稻產(chǎn)量的脅地范圍為0～40 m，而且在153 m處達(dá)到最大產(chǎn)量值(1 031 g/m2)，當(dāng)>153 m時水稻產(chǎn)量逐漸下降。此外，當(dāng)水稻產(chǎn)量達(dá)到CK(807 g/m2)時，其距離是265.6 m，因此，結(jié)合吉林省西部水田防護林帶間距主要是300 m和500 m的營造現(xiàn)狀，其防護林的適宜帶間距應(yīng)在300 m。

然而由于林帶結(jié)構(gòu)的不同，其增產(chǎn)效果不同。將不同林帶內(nèi)的觀測點水稻產(chǎn)量分別取平均值并進行分析，由于防護林的存在，其林網(wǎng)內(nèi)的水稻產(chǎn)量均高于對照，而且不同林帶結(jié)構(gòu)下的水稻平均產(chǎn)量存在一定差異(圖5)，其中第3、4、6、8林帶對應(yīng)的水稻產(chǎn)量相對較高，產(chǎn)量分別為880 g/m2、899 g/m2、916 g/m2和923 g/m2。

圖5　不同林帶模式對應(yīng)的水稻產(chǎn)量

林帶結(jié)構(gòu)因子與水稻產(chǎn)量之間的相關(guān)分析顯示，林帶結(jié)構(gòu)因子與其相關(guān)性較差(表5)。當(dāng)林帶有葉期疏透度在0.31～0.39，對應(yīng)的無葉期疏透度在0.63～0.75時水稻產(chǎn)量則相對較高(圖6)，說明疏透度是影響水稻產(chǎn)量高低的重要因子。

表5　水稻產(chǎn)量與林帶結(jié)構(gòu)相關(guān)關(guān)系

圖6　水稻產(chǎn)量與林帶疏透度關(guān)系

3結(jié)論與討論

疏透度是防護林林帶結(jié)構(gòu)信息綜合表征，并成為判斷防護林防護效果優(yōu)劣的重要指標(biāo)。吉林省西部水田防護林有葉期疏透度在0.31～0.39時，對應(yīng)的無葉期林帶疏透度在0.63～0.75時，其溫濕度調(diào)控作用較大，而且對應(yīng)林地結(jié)構(gòu)的水稻產(chǎn)量較高。這與有葉期的疏透度在0.25～0.40時，防護林對林帶內(nèi)溫濕度和產(chǎn)量調(diào)節(jié)作用較好[17～18,20～22]的研究結(jié)果一致。

林帶間距是防護林結(jié)構(gòu)的參數(shù)之一，然而以往有關(guān)防護林適宜林帶間距方面的研究較少[3,17]。水田防護林不同距離測量點的水稻產(chǎn)量不同，同時，第3、4、6和8林帶對應(yīng)水稻產(chǎn)量相對較高。依據(jù)建立的水稻產(chǎn)量預(yù)測方程，確定了水田防護林的適宜帶間距是300 m，而且現(xiàn)有防護林網(wǎng)帶間距為500 m的林帶結(jié)構(gòu)超出了其所需的有效防護范圍。

因此，可以確定吉林省西部水田防護林有葉期和無葉期的適宜疏透度范圍分別是0.31～0.39和0.63～0.75，其適宜林帶結(jié)構(gòu)模式：株行距為1 m×2 m或1 m×1 m時，3～4行；株行距為2 m×2 m時，6行，帶長500 m，帶間距為300 m。這對水田防護林更新改造和營建方面具有一定的指導(dǎo)性和實踐意義。

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Rice Yield in Western Jilin

ZHAO Shan-shan1,HAN Jiao1,ZHANG Da-wei1,ZHANG Tian-xiang2,BAO Guang-dao1,

ZHANG Zhong-hui1,LIN Shi-jie1,YANG Yu-chun1

(1.Forestry Academy of Jilin Province,Changchun Jilin 130033,P.R.China;

2.Jilin Forestry Survey and Design Institute,Changchun Jilin 130022,P.R.China)

Abstract:Shelter forest structure,its porosity in particular ,play an important role in adjusting and improving the microclimate within the shelter forest and in increasing rice yields.By using multi-point-recording anemometer (GB-228),the paddy-field-shelter forest in western of Jilin province were investigated,and the effect of shelterbelt structure on the temperature,humidity and rice yield within shelter forest were analyzed.The result showed that the shelter with leaf period lower the leeward side of the temperature and shelter without leaf stage raise the temperature.In leaf period,the range of interior and external shelterbelt temperature (Tleaf) had significant positive and negative relation with tree height and crown respectively,while in non-leaf period,the range of its temperature (Tnon-leaf) had significant negative and positive relation with tree height,DBH and crown respectively.Paddy-field-shelter increase the relative humidity within the forest,and the increasing rate during leaf period is greater than that of non-leaf period.Although the rice yield was different at different observation points,the impact tendency was the same,and the maximum yield was found at the 7 observation points,and the No 3,4,6,8 had higher rice yield than the others with a productivity of 880 g/m2,899 g/m2,916 g/m2and 923 g/m2respectively.When porosity of leaf period (βleaf) and porosity of non-leaf period (βnonleaf stage) were 0.3～0.4 and 0.6～0.8 respectively,The regulating function of shelter forest on temperature and humidity were obvious,and the rice yield were higher than the other paddy-field-shelter forest.The appropriate distance for paddy shelterbelt should be 300 m.

Key words:paddy-field-shelter forest;shelterbelt structure;temperature;humidity;yield of rice

中圖分類號：S 727.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-8246(2015)06-0031-07

通訊作者簡介：楊雨春(1976-)，男，副研究員，博士，主要從事防護林經(jīng)營研究。E-mail：yang-yu-chun@163.com

作者簡介：第一趙珊珊(1982-)，男，助理研究員，碩士，主要從事防護林經(jīng)營研究。E-mail：lkyzss@163.com

基金項目：國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201104040)，吉林省科技發(fā)展計劃項目(20090254；201205065)。

收稿日期：*2015-05-07

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.06.007