寧夏平原農(nóng)田防護(hù)林小氣候效應(yīng)及對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

何 俊，李妍紅

（1.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院/

教育部中阿旱區(qū)特色資源與環(huán)境治理國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021；2.銀川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

【研究意義】作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的屏障，農(nóng)田防護(hù)林具有降低風(fēng)沙災(zāi)害、控制土壤侵蝕、調(diào)節(jié)小氣候、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平等重要功能，對(duì)維護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義［1-2］。通過研究防護(hù)林對(duì)農(nóng)田空氣風(fēng)速、空氣溫度、空氣濕度、土壤含水率等氣候因子的影響，對(duì)農(nóng)田防護(hù)林結(jié)構(gòu)優(yōu)化和科學(xué)管理具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)農(nóng)田防護(hù)林樹種選擇［3］、林網(wǎng)結(jié)構(gòu)［4］、風(fēng)力效應(yīng)［5］、熱力效應(yīng)［6-7］、水文效應(yīng)［8］、防護(hù)林對(duì)土壤性質(zhì)影響［9-10］、氣候因子對(duì)作物產(chǎn)量影響［11-12］、3S技術(shù)的應(yīng)用［13］等開展了廣泛研究。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為在林帶疏透度0.35～0.40、透風(fēng)系數(shù)0.5～0.6條件下，林帶防風(fēng)效應(yīng)最佳［4，14］。邴貝貝等［7］認(rèn)為，林帶防護(hù)范圍隨林帶高度的增加而增加，防護(hù)林對(duì)氣候因子的影響范圍一般在距離林帶2 H范圍內(nèi)（H為防護(hù)林樹高）［15］。林帶對(duì)農(nóng)作物的增產(chǎn)幅度在10%～30%之間［16］。趙珊珊等［6］、黃守科［11］、PENG等［17］、王寧庚等［18］、趙陽等［19］針對(duì)防護(hù)林對(duì)小麥、棉花、玉米、水稻產(chǎn)量影響作了相關(guān)研究，普遍認(rèn)為距林帶1 H內(nèi)因防護(hù)林帶的遮陰作用以及水肥競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致作物減產(chǎn)，且0.5 H范圍內(nèi)作物減產(chǎn)比較嚴(yán)重，2～18 H為增產(chǎn)區(qū)。黃守科［11］研究表明，寧夏農(nóng)田林網(wǎng)北側(cè)林帶0.4 H范圍內(nèi)為小麥減產(chǎn)區(qū)，0.7 H外為小麥增產(chǎn)區(qū)，林網(wǎng)內(nèi)小麥總增產(chǎn)10.65%。王寧庚等［18］對(duì)寧夏引黃灌區(qū)防護(hù)林脅地效應(yīng)作了調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1 H內(nèi)林帶脅地效應(yīng)明顯，0.2、0.5 H玉米地上鮮生物量分別減少52.73%和26.06%。查同剛等［20］、段玉璽等［21］、崔強(qiáng)等［22］、左忠等［23］對(duì)寧夏農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)阻沙效應(yīng)及氣候效應(yīng)作了相關(guān)研究，他們認(rèn)為防護(hù)林具有防風(fēng)阻沙、改善作物生長(zhǎng)環(huán)境等作用，林帶疏透度為0.35～0.45時(shí)其防風(fēng)效較高；防護(hù)林網(wǎng)內(nèi)農(nóng)田的空氣相對(duì)濕度比曠野提高4.8%，4 H處風(fēng)速最低，8 H處土壤含水率最高；與沙柳和榆樹防護(hù)林相比，小葉錦雞兒片林防風(fēng)阻沙效果最佳?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)寧夏農(nóng)田防護(hù)林的研究主要集中在樹種選擇、防風(fēng)阻沙、地表風(fēng)蝕等方面，查同剛等［20］對(duì)防護(hù)林小氣候效應(yīng)作了相關(guān)研究，但防護(hù)林對(duì)不同距離處土壤含水率和作物產(chǎn)量的影響效應(yīng)未知?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究選擇取寧夏平原青銅峽地區(qū)新疆楊農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)，對(duì)不同距離處的風(fēng)速、空氣溫濕度、土壤含水率及玉米產(chǎn)量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，并探討了農(nóng)田防護(hù)林的小氣候效應(yīng)及對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，以期為寧夏平原農(nóng)田防護(hù)林的科學(xué)規(guī)劃等提供參考和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)域位于寧夏青銅峽市李俊鎮(zhèn)，黃河上游，寧夏平原中部，地理位置為105°21′～106°21′E、37°36′～38°15′N。屬中溫帶大陸性氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，四季分明，氣候干燥。年平均氣溫9.2 ℃，極端最低氣溫-25.5 ℃，極端最高氣溫37.7 ℃。年降水量175.8 mm，年平均無霜期178 d，年日照時(shí)數(shù)2 980.1 h，年蒸發(fā)量1 946.1 mm。主要?dú)庀鬄?zāi)害有大風(fēng)、沙塵暴、高溫、低溫冷害、寒潮、霜凍、冰雹、暴雨、山洪等災(zāi)害。選取代表性的新疆楊防護(hù)林帶：3行新疆楊，平均胸徑39.7 cm，平均樹高21 m，株距2.5 m，行距3 m。選取無防護(hù)林的農(nóng)田區(qū)域?yàn)閷?duì)照區(qū)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 測(cè)定點(diǎn)選擇 在防護(hù)林背風(fēng)面設(shè)定調(diào)查線，以距離林帶樹高倍數(shù)（H）來確定測(cè)點(diǎn)位置，分別在林帶不同距離處（0.5、1、3、5、7、10 H）選擇觀測(cè)點(diǎn)。

1.2.2 風(fēng)速、空氣溫度、濕度測(cè)定 2018年6月，

使用pH-Ⅱ小型自動(dòng)氣象站連續(xù)測(cè)定距地面2 m處的風(fēng)速、空氣溫度和濕度。

1.2.3 土壤含水率測(cè)定 測(cè)定風(fēng)速等氣候因子的同時(shí)，將觀測(cè)點(diǎn)0～20 cm和20～40 cm土樣混合后放入鋁盒，稱重。稱好后的鋁盒放在105 ℃左右的烘箱中烘干，待質(zhì)量穩(wěn)定后確定烘干后的質(zhì)量，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)3次重復(fù)。土壤含水率計(jì)算公式如下：

式中，w為土壤含水率，m0為烘干空鋁盒質(zhì)量，m1為烘干前鋁盒和土樣質(zhì)量，m2為烘干后鋁盒和土樣質(zhì)量。

1.2.4 玉米株高測(cè)定和產(chǎn)量估算 玉米進(jìn)入成熟期后，在不同觀測(cè)點(diǎn)選取植株進(jìn)行株高測(cè)定；收獲期在不同觀測(cè)點(diǎn)選取1 m×1 m用于產(chǎn)量測(cè)定，3次重復(fù)。

采用Excel 2010和SPSS 19進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速變化特征

圖1 林帶不同距離處的風(fēng)速Fig.1 Wind speed at different distance of the helterbelt

由圖1可知，農(nóng)田防護(hù)林具有明顯的防風(fēng)作用，林帶不同觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速比對(duì)照點(diǎn)分別降低 34.6%、29.2%、38.2%、47.9%、40.5% 和37.6%，整體上風(fēng)速比對(duì)照點(diǎn)降低38%，差異顯著。10 H范圍內(nèi)，風(fēng)速呈現(xiàn)先升高、后降低、再升高的趨勢(shì)。1 H處風(fēng)速最大，與3 H、5 H、7 H和10 H處有顯著差異，5 H處風(fēng)速最低，與其他觀測(cè)點(diǎn)均有顯著差異。

2.2 林網(wǎng)內(nèi)空氣溫度變化特征

由圖2可知，農(nóng)田防護(hù)林具有一定的調(diào)節(jié)空氣溫度的作用。0.5 H和1 H處平均空氣溫度較低，從3 H處開始平均空氣溫度開始升高，5 H處平均空氣溫度最高。3 H、7 H和10 H之間平均空氣溫度無顯著差異，其他觀測(cè)點(diǎn)之間有顯著差異。農(nóng)田防護(hù)林10 H范圍內(nèi)平均空氣溫度比對(duì)照點(diǎn)降低0.7 ℃。

圖2 林帶不同距離處的平均空氣溫度Fig.2 Average air temperature at different distance of the shelterbelt

2.3 林網(wǎng)內(nèi)空氣濕度變化特征

由圖3可知，當(dāng)對(duì)照點(diǎn)平均空氣濕度為25.5%時(shí)，林帶不同觀測(cè)點(diǎn)的平均空氣濕度比對(duì)照點(diǎn)分別增加6.7%、3.9%、4.7%、6.8%、4.8%和3.7%，整體上平均空氣濕度比對(duì)照點(diǎn)增加5.1%，對(duì)照點(diǎn)的平均空氣濕度與防護(hù)林網(wǎng)各觀測(cè)點(diǎn)有顯著差異。10 H范圍內(nèi)，平均空氣濕度呈現(xiàn)先降低、后升高、再降低的趨勢(shì)。0.5 H和5 H處平均空氣濕度較高，并與其他觀測(cè)點(diǎn)有顯著差異。

2.4 土壤含水率變化特征

圖3 林帶不同距離處的平均空氣濕度Fig.3 Average air humidity at different distance of the shelterbelt

圖4 林帶不同距離處的土壤含水率Fig.4 Soil water content at different distance of the shelterbelt

由圖4可知，當(dāng)對(duì)照點(diǎn)土壤含水率為17.8%時(shí)，不同觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水率比對(duì)照點(diǎn)分別增加0.5%、1.2%、2.5%、2.8%、2.3%和1.6%，整體上土壤含水率比對(duì)照點(diǎn)增加1.8%，對(duì)照點(diǎn)的土壤含水率與3 H、5 H、7 H和10 H處有顯著差異。10 H范圍內(nèi)，土壤含水率呈現(xiàn)先增加、后減少的趨勢(shì)。0.5 H和1 H處土壤含水率最低，0.5 H處與3、5和7 H處有顯著差異，1 H與5 H處有顯著差異，5 H處土壤含水率最高。

2.5 農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)對(duì)玉米株高和產(chǎn)量的影響

距林帶不同距離處玉米株高和產(chǎn)量比較見圖5和圖6。圖5、圖6表明，0.5 H處玉米平均株高比對(duì)照點(diǎn)玉米降低102 cm，0.5 H處玉米平均株高顯著低于其他觀測(cè)點(diǎn)，1～10 H處玉米平均株高比對(duì)照點(diǎn)高10 cm以上，最大值出現(xiàn)在5 H處，與對(duì)照點(diǎn)有顯著差異，比對(duì)照點(diǎn)高25 cm。防護(hù)林10 H范圍內(nèi)玉米平均株高比對(duì)照點(diǎn)低1.5 cm。

0.5 H處玉米產(chǎn)量比對(duì)照點(diǎn)降低26.3%，0.5 H處玉米產(chǎn)量顯著低于其他觀測(cè)點(diǎn)，1～10 H處玉米產(chǎn)量分別比對(duì)照點(diǎn)增加8.8%、16.9%、18.6%、17.7%和17.0%，最大值出現(xiàn)在5 H處，3H、5H、7H和10 H處玉米產(chǎn)量無顯著差異。防護(hù)林10 H范圍內(nèi)玉米產(chǎn)量比對(duì)照點(diǎn)增加8.8%。

圖5 林帶不同距離處的玉米株高Fig.5 Maize height at different distance of the shelterbelt

圖6 林帶不同距離處的玉米產(chǎn)量Fig.6 Maize yield at different distance of the shelterbelt

3 討論

農(nóng)田防護(hù)林帶網(wǎng)可降低風(fēng)速、改善林網(wǎng)內(nèi)空氣溫濕度狀況，起到降溫增濕的效果［24］，且具有一定的增產(chǎn)效應(yīng)。隨著與林帶距離的增加，新疆楊農(nóng)田防護(hù)林背風(fēng)面不同距離處的風(fēng)速呈現(xiàn)先升高、后降低、再升高的趨勢(shì)，這與鮑玉海［25］研究結(jié)果基本一致。當(dāng)風(fēng)經(jīng)過防護(hù)林帶，一部分穿過林帶產(chǎn)生大量漩渦，另一部分被迫抬升翻越林帶。因林帶樹干部分透風(fēng)系數(shù)較大，在防護(hù)林背面0.5 H處有一個(gè)較大風(fēng)速區(qū)，由林冠上方越過而下降的氣流所形成的漩渦導(dǎo)致1 H附近風(fēng)速增加，但0.5 H和1 H處風(fēng)速均低于對(duì)照區(qū)。朱廷曜等［4］認(rèn)為疏透林帶最低風(fēng)速出現(xiàn)在背風(fēng)面3～8 H處，這與本研究結(jié)果基本一致。查同剛等［20］、左忠等［23］研究也發(fā)現(xiàn)距林帶1 H處風(fēng)速高于3 H、5 H和7 H處。但張?chǎng)瓮?2］研究表明3 H處風(fēng)速最高，0.5 H和1 H處的風(fēng)速最低，這可能與防護(hù)林帶疏透度及對(duì)照區(qū)風(fēng)速大小有關(guān)。疏透度越低，靠近林緣處風(fēng)速越低。

由于林帶的遮蔭作用，使背風(fēng)面林緣處附近接受太陽總輻射量減少，空氣溫度低于其他觀測(cè)點(diǎn)，隨著與防護(hù)林距離的增加，林帶遮蔭作用減弱，空氣溫度逐漸增加，平均溫度的最大值出現(xiàn)在距離林帶5 H處。鮑玉海［25］研究結(jié)果表明溫度的最大值出現(xiàn)主要與風(fēng)速減弱有關(guān)，5 H處風(fēng)速最低，空氣溫度最高，這與本研究結(jié)論一致。防護(hù)林5 H之后，隨著距離的增加，溫度變化幅度很小。

空氣濕度是影響作物吸水與蒸騰的主要環(huán)境因子，農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)具有增加空氣濕度的作用，但由于風(fēng)速和亂流的作用使林帶對(duì)防護(hù)林不同距離處的影響有一定差異。隨著距離的增加，有的研究表明林帶背風(fēng)面空氣濕度呈現(xiàn)先升高、后降低、再升高的趨勢(shì)［25］，有的研究表明林帶背風(fēng)面空氣濕度呈現(xiàn)先急劇降低、后逐漸升高、再逐漸降低的趨勢(shì)［20］。這與防護(hù)林的結(jié)構(gòu)、農(nóng)田蒸發(fā)、林帶蒸騰及觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速等有關(guān)系，一般情況下，1 H范圍內(nèi)農(nóng)田蒸發(fā)的水分和林帶自身的蒸騰作用產(chǎn)生的水分共同的作用會(huì)導(dǎo)致空氣濕度較高，但當(dāng)林帶透風(fēng)系數(shù)較大時(shí)，1 H范圍內(nèi)的風(fēng)速可能會(huì)高于其他區(qū)域，較高的風(fēng)速會(huì)在一定程度上降低空氣濕度。由于農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)林木自身生長(zhǎng)需要消耗水分，特別是深層土壤的水分，造成林帶周圍土壤含水率較低甚至低于對(duì)照區(qū)［12，25，26］。本研究距林帶0.5 H處的土壤含水率最低，且低于對(duì)照區(qū)，與其他研究結(jié)論一致。1～10 H處的土壤含水率與空氣濕度呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，且二者與風(fēng)速的變化有一定關(guān)系，在風(fēng)速最低的5 H處，土壤含水率與空氣濕度最高，這說明防護(hù)林網(wǎng)內(nèi)的土壤含水率和空氣濕度的變化與林帶的防風(fēng)效應(yīng)密切相關(guān)［12，20-25］。

由于林帶對(duì)作物的遮蔭作用及與作物間的水分競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致林帶0.5 H內(nèi)玉米植株高度較低，產(chǎn)量低于對(duì)照，距林帶3～7 H處的玉米產(chǎn)量高于對(duì)照區(qū)［25］。黃守科［11］、張?chǎng)瓮?2］的研究也表明距防護(hù)林帶0.4～0.5 H范圍屬于減產(chǎn)區(qū)，且0.2 H屬于嚴(yán)重減產(chǎn)區(qū)。王寧庚等［18］認(rèn)為寧夏農(nóng)田防護(hù)林1H范圍內(nèi)脅地效應(yīng)明顯，0.2 H和0.5 H處玉米單株鮮生物量分別減少52.72%和26.06%。

4 結(jié)論

通過對(duì)寧夏青銅峽市新疆楊防護(hù)林小氣候效應(yīng)及對(duì)玉米產(chǎn)量的影響研究，得出以下結(jié)論：（1）新疆楊防護(hù)林具有明顯的防風(fēng)效應(yīng)，風(fēng)速呈現(xiàn)先升高、后降低、再升高的趨勢(shì)。（2）防護(hù)林具有一定的調(diào)節(jié)空氣溫度的作用，不同觀測(cè)點(diǎn)的溫度無顯著差異。（3）防護(hù)林具有增加空氣濕度和土壤含水率的作用，且在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，并與風(fēng)速密切相關(guān)。（4）防護(hù)林可提高作物產(chǎn)量，除0.5 H處玉米產(chǎn)量低于對(duì)照，其他觀測(cè)點(diǎn)產(chǎn)量均高于對(duì)照。