典型荒漠農(nóng)田防護(hù)林對(duì)棉田土壤水鹽動(dòng)態(tài)的影響

吳依衍，馬 彬，姜 艷

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】我國(guó)荒漠化土地局部地區(qū)仍在擴(kuò)展[1]。隨著綠洲生態(tài)環(huán)境改善，新疆已有70個(gè)縣(市)、128個(gè)農(nóng)墾團(tuán)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田林網(wǎng)化，使全疆 85%的綠洲農(nóng)田得到了農(nóng)田林網(wǎng)的庇護(hù)。位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣的新疆綠洲墾區(qū)第八師150團(tuán)場(chǎng)，其東北、北、西三面為沙丘[2]。目前150團(tuán)場(chǎng)已建成842 hm2農(nóng)田防護(hù)林[3-4]。農(nóng)田防護(hù)林在防止綠洲區(qū)沙漠化，改善環(huán)境等起到了重要的綠色生態(tài)屏障作用[5-7]。定量分析干旱區(qū)農(nóng)田防護(hù)林對(duì)農(nóng)田水鹽動(dòng)態(tài)的影響，對(duì)研究農(nóng)田防護(hù)林降鹽改土、改善區(qū)域性水量平衡狀況，提高農(nóng)田防林營(yíng)造和林木定向培育質(zhì)量有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤水分是干旱半干旱地區(qū)生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)物質(zhì)[8]。干旱荒漠綠洲墾區(qū)水資源有限，而林木本身根系耗水量大。150團(tuán)農(nóng)田防護(hù)林體系主栽樹(shù)種是楊樹(shù)和榆樹(shù)，主要農(nóng)作物是棉花。楊樹(shù)和榆樹(shù)根系發(fā)達(dá)且分布較淺[9]，易與棉花產(chǎn)生爭(zhēng)水肥矛盾[10-11]；楊樹(shù)、榆樹(shù)根系為了獲取水分，不斷向棉田范圍延伸[12]。鹽漬化已成為農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵制約因素[13]。土壤水鹽動(dòng)態(tài)是水量平衡的重要分量，也是改良土壤、防止土壤鹽漬化、促進(jìn)土壤資源持續(xù)利用的關(guān)鍵[14]，在農(nóng)田防護(hù)林對(duì)附近農(nóng)田土壤水鹽動(dòng)態(tài)研究已有相關(guān)報(bào)道[15]。有研究認(rèn)為，密度適宜、樹(shù)種及時(shí)空結(jié)構(gòu)合理，林木可降低作物蒸散、提高農(nóng)田土壤含水量，有效改善農(nóng)田水環(huán)境，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力[16]。有關(guān)防護(hù)林具有脫鹽效應(yīng)的研究認(rèn)為，農(nóng)田防護(hù)林植被具有復(fù)雜的根系，可以有效地吸附土壤中的鹽基離子，對(duì)降低土壤表層及耕作層的全鹽量效果極為明顯，可防止次生鹽漬化[17-18]。楊樹(shù)可使土壤碳酸鈉鹽滯留在30 cm左右，0～20 cm土層全鹽量較曠野可減少66%，1～11H(H表示防護(hù)林帶樹(shù)高)之間全鹽量可減少86%～90%。灌木林促使硫酸鹽及碳酸鹽向土壤47 cm以下移動(dòng)，0～30 cm土層防護(hù)林帶較曠野可減少約65%。充分利用好荒漠防護(hù)林的根系效應(yīng)以及對(duì)局部小氣候的影響[19-20]，可以促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，加速荒漠防護(hù)林下土壤的發(fā)育進(jìn)程，降低土壤水分蒸發(fā)量，改善土壤水鹽動(dòng)態(tài)[21-22]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】滴灌有利于棉花生長(zhǎng)發(fā)育和控制土壤鹽漬化的發(fā)生[23-24]。節(jié)水滴灌下，土壤水分的蒸發(fā)量明顯降低[25-26]。但在灌溉方式改變的情況下，農(nóng)田防護(hù)林的存在對(duì)其附近的農(nóng)田土壤水鹽造成的影響尚不清楚。研究典型荒漠農(nóng)田防護(hù)林對(duì)棉田土壤水鹽動(dòng)態(tài)的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以新疆荒漠綠洲150團(tuán)農(nóng)田防護(hù)林為研究對(duì)象，研究林棉土壤含水量、土壤蒸發(fā)量動(dòng)態(tài)特征，分析林棉種間水分利用關(guān)系和干旱綠洲區(qū)農(nóng)防林生態(tài)用水機(jī)理，為新疆綠洲農(nóng)田防護(hù)林合理灌溉，建立防護(hù)林以及土壤鹽漬化防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

150團(tuán)占地面積451 km2，擁有土地面積4.51×104hm2(67.614畝)，耕地面積1.374×104hm2(20.61萬(wàn)畝)，實(shí)有造林面積0.211×104hm2(3.157 5萬(wàn)畝)；該研究區(qū)屬于溫帶大陸性干旱荒漠氣候，冬季長(zhǎng)而嚴(yán)寒，夏季短而炎熱，降水稀少而蒸發(fā)量大；當(dāng)?shù)啬杲涤炅科骄?00 mm左右，年蒸發(fā)量高達(dá)1 900～2 700 mm，年均氣溫達(dá)6.2℃，夏季極端氣溫達(dá)43.1℃，冬季極端氣溫達(dá)-42.8℃，日照時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，氣候干燥。

試驗(yàn)于2018～2020年4～10月在第八師150團(tuán)中部糧棉灰棕漠土區(qū)進(jìn)行。該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以滴灌為主，作物主要是棉花；農(nóng)田防護(hù)林體系以窄林帶、小網(wǎng)格模式為主體，樹(shù)種以楊樹(shù)為主，主要為新疆楊(PopulusalbaL.Var.pyramidlis)和二白楊(PopulusnigraVar.thevestinaxp.simonii)。研究選取樹(shù)齡相同，長(zhǎng)勢(shì)良好，無(wú)病蟲(chóng)害且林帶結(jié)構(gòu)較完整的新疆楊農(nóng)田防護(hù)林帶和其林網(wǎng)內(nèi)棉田作為觀測(cè)研究對(duì)象。所選林帶樹(shù)齡10a，6行，通風(fēng)結(jié)構(gòu)，株行距 1 m×1 m，平均樹(shù)高15.0 m，平均胸徑 52 cm。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土樣采集按照原位定點(diǎn)長(zhǎng)期取樣觀測(cè)法，在防護(hù)林系統(tǒng)布置6個(gè)采樣點(diǎn)，分別為林帶、0.1H、0.25H、0.5H、1H、2H和3H，H為防護(hù)林的平均樹(shù)高；每個(gè)采樣點(diǎn)分別重復(fù)采樣3次并劃分為a、b、c 3組。取樣時(shí)間為每月中和月末。測(cè)定土壤含水量、土壤蒸散發(fā)、電導(dǎo)率、鹽分以及pH。圖1

圖1 各地段取土分布Fig. 1 Soil extraction distribution in various sections

1.2.2 樣品采集及測(cè)定

在各個(gè)地段采集點(diǎn)用土鉆法獲取土壤樣品，15 d 采集 1 次。采集深度為100 cm，每 20 cm 取樣。每層所取土樣分成 2 份，1份土壤樣品迅速裝入鋁盒用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量；另1份土壤樣品裝入自封袋密封，帶回實(shí)驗(yàn)室，去除雜物，放置在陰涼的通風(fēng)室自然風(fēng)干后充分研磨、過(guò) 2 mm 篩，按照 5∶1 水土浸提液法，采用 pH 計(jì)和電導(dǎo)儀測(cè)量土壤標(biāo)準(zhǔn)液 pH 值和 EC 值。土壤蒸發(fā)量則在試驗(yàn)地使用環(huán)刀法測(cè)定，即在日出前人工將換刀從土壤表面按下，將其推入土壤，然后取出盛有原狀十柱的環(huán)刀削去底部多余的土壤，用聚乙烯膠帶封底，用百分之一的電子天平稱(chēng)重。稱(chēng)重后放回原處，在日落后取出繼續(xù)稱(chēng)重，2次稱(chēng)重之間的重量差即可換算為土壤蒸發(fā)。

將0.1H、0.5H、1H及2H 4個(gè)處理的全鹽量與3H處進(jìn)行對(duì)比，分析防護(hù)林脫鹽效果。土壤全鹽量及脫鹽率計(jì)算：

Y=-7.538 71+0.234 237X1+15.494 47X2.

(1)

式中：Y為土壤含鹽量(g/kg)，X1為電導(dǎo)率(mS/ cm)，X2為土壤水分含量(cm3/ cm3)。

RSDR=(S2-S1)/S1.

(2)

式中：RSDR 為脫鹽率(%)，RSDR為正值時(shí)表示土層鹽分增加，脫鹽率為負(fù)值時(shí)表示土層鹽分減少，S1為3H處土壤含鹽量(g/kg)，S2為其他距離處土壤含鹽量(g/kg)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用 Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖，SPSS 20.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率

研究表明，防護(hù)林林帶各層土壤含水量均小于棉田，平均僅為4.14%。距離防護(hù)林帶邊緣0.1H和0.25H處棉田各層土壤含水量平均為5.08%～6.35%，0.5H處土壤含水量開(kāi)始逐漸上升至9.58%；>1H處棉田土壤含水量迅速上升，至2H、3H處上升至11.21%～12.44%。

林帶與0.1H處各層土壤含水量差異均不顯著，且顯著低于其他處理(P<0.05)；0.25H、0.5H含水量顯著大于0.1H和林帶(P>0.05)；至2H、3H處土壤含水量顯著高于其他所有處理(P<0.05)，但2H和3H之間差異不顯著(P>0.05)。表1研究表明，不同距離處土壤水分水平分布特征，各距離處均表現(xiàn)為表層0～20 cm土壤水分最少，隨著土層深度增加，土壤含水量呈增加趨勢(shì)，至土壤100 cm土壤含水量最大。在<1H處土壤60和80 cm含水量較40 cm增幅較小，僅增加6.52%～7.75%，而≥1H處土壤60和80 cm較40 cm增幅較大，增加量達(dá)13.89%～16.03%。防護(hù)林對(duì)<1H處棉田土壤0～40 cm、40～80 cm含水量均有脅迫效應(yīng)，即與近距離1H范圍內(nèi)棉田爭(zhēng)奪水分。>1H處棉田60 cm、80 cm土壤含水量較40 cm迅速增加，防護(hù)林對(duì)>1H范圍內(nèi)棉田深層60 cm、80 cm含水量影響較小，基本不會(huì)與遠(yuǎn)距離2H、3H范圍棉田爭(zhēng)奪水分。圖2

圖2 不同地段土壤含水率水平分布Fig.2 Soil moisture content at different distances

2.2 棉田與其防護(hù)林土壤蒸發(fā)量特征

研究表明，棉花不同生育期土壤蒸發(fā)量表現(xiàn)為吐絮期蒸發(fā)量最大，開(kāi)花期蒸發(fā)量最??；各生育期土壤蒸發(fā)量均表現(xiàn)為距離防護(hù)林林帶越近蒸發(fā)量越小。其中0.1H、0.25H和0.5H蒸發(fā)量均維持在0.86～1.25 mm的較低水平，且三者之間差異不顯著(P>0.05)；0.5H之后土壤蒸發(fā)量逐漸增大，至3H處蒸發(fā)量最大，且顯著高于≤1H處蒸發(fā)量(P<0.05)。圖3

2.3 棉田與其防護(hù)林土壤鹽分分布特征

2.3.1 農(nóng)田防護(hù)林體系土壤鹽分分布

研究表明，0～20 cm土壤含鹽量最低，40和60 cm含鹽量最高。林帶土壤鹽分含量最低，隨距離林帶邊緣越遠(yuǎn)，棉田土壤鹽分含量呈增加趨勢(shì)，至距離林帶1H，2H，3H處土壤鹽分含量達(dá)最大。

棉田0～100 cm土壤鹽分含量LSD多重比較不同距離處棉田土壤全鹽含量都明顯高于林地，差異達(dá)到極顯著水平(P<0.05)，1H、2H、3H棉地的含鹽量差異不顯著(P>0.05)。其中0～20 cm土壤含鹽量在≤0.5H范圍內(nèi)保持較低水平， 1H處迅速增大，相比0.5H處增大了2.11倍，但之后隨著距離增加，2H、3H之間無(wú)顯著差異(P>0.05)；40 和60 cm處土壤含鹽量均表現(xiàn)為離防護(hù)林越遠(yuǎn)含鹽量越高，直至1H處，之后變化不大； 80 cm林帶和0.1H處差異顯著，但100 cm林帶與0.1H處差異不顯著。之外其他處理無(wú)顯著差異。圖4

圖4 農(nóng)田防護(hù)林體系土壤鹽分分布Fig.4 Soil Salt Distribution in Cotton Field

2.3.2 防護(hù)林邊緣不同距離處棉田土壤鹽分改變量及脫鹽率

研究表明，不同深度土壤在0.1H處平均脫鹽率達(dá)到11.89%，0.5H處次之，平均脫鹽率3.74%；>1H開(kāi)始脫鹽率急劇減小，40～100 cm脫鹽率甚至出現(xiàn)0或負(fù)值。距離防護(hù)林0.5H范圍內(nèi)，脫鹽效果明顯，>1H開(kāi)始防護(hù)林脫鹽效果較弱。0～20 cm全鹽含量最小，其次是20～40 cm，較0～20 cm增加了4.18%，40～100 cm土層含鹽量最大，較0～20 cm增加了8.44%，棉田土壤鹽分多聚集在深層。不同距離處全鹽含量在0～20、20～40 cm以及40～100 cm的表現(xiàn)基本相同，均為0.1H處含鹽量最小，0.5H次之，1H之后含鹽量開(kāi)始增加，至2H、3H處達(dá)最大，且2H與3H差異不顯著(P>0.05)，距離防護(hù)林越遠(yuǎn)，棉田土壤含鹽量越大。表2

表2 不同處理下 0～20、20～40 及 40～100 cm 土層鹽分的改變量及脫鹽率Table 2 The salt change and desalination rate of 0-20, 20-40 and 40-100 cm soil layers under different treatments

2.4 棉田與其防護(hù)林土壤pH

研究表明，距離防護(hù)林邊緣越遠(yuǎn)，pH越大，0.1H、0.25H及0.5H處相比3H處分別降低了0.12%、0.14%和0.09%，1H處pH值最小，相比3H處pH值平均降低3.5%。圖5

注：不同字母表示不同處理差異達(dá)顯著水平(P < 0.05)

3 討 論

3.1 農(nóng)田防護(hù)林對(duì)棉田土壤水分的影響

林帶及距離防護(hù)林邊緣不同距離處土壤含水量表現(xiàn)為林帶最低，離林帶越遠(yuǎn)平均含水量越高。其中0.1H和0.25H處平均含水量相比林帶僅上升了1.23和1.53倍，而到了0.5H處則迅速上升了2.31倍，1H之后含水量基本保持不變，相比林帶上升了2.7倍。距離林帶0.1H，0.25H處土壤含水量低可能是因?yàn)榫嚯x防護(hù)林較近的棉田易受防護(hù)林水分脅迫；0.5H處土壤含水量開(kāi)始增加，說(shuō)明此距離處防護(hù)林水分脅迫效應(yīng)有減弱趨勢(shì)；1H之后棉田土壤含水量明顯上升，且與2H、3H處差異不顯著(P<0.05)，此范圍內(nèi)的棉田基本脫離了防護(hù)林帶的爭(zhēng)水負(fù)效應(yīng)。這與劉麗霞[27]的研究結(jié)果林緣附近農(nóng)田受林帶根系的吸水影響較大，隨著距離林帶越來(lái)越遠(yuǎn)，林帶根系的影響逐漸減弱相符合。

土壤含水量水平分布特征表現(xiàn)為，林帶及不同距離處棉田土壤表層0～20 cm及20～40 cm土層含水率低，根系生物量的分布隨土壤深度的增加而遞減，約90%的根量集中在耕層0～40 cm土層，越到深處根系對(duì)土壤水分的作用越小，為越往深處林地及棉田土壤含水率越大。其中<1H處土壤60 cm較40 cm含水量?jī)H增加6.52%～7.75%，而≥1H處土壤60 cm、80 cm土壤含水量較40 cm增加量達(dá)13.89%～16.03%，這進(jìn)一步確定了林棉水分利用關(guān)系，即農(nóng)田防護(hù)林的淺根系在其1H的范圍內(nèi)同棉株?duì)帄Z水分，60 cm深根系蔓延到了1H處；超過(guò)1H范圍，農(nóng)田防護(hù)林與2H、3H處棉田“爭(zhēng)水”效應(yīng)減弱，尤其60 cm以下深根系與棉田的 “爭(zhēng)水矛盾”不那么明顯。產(chǎn)生此結(jié)果的原因可能有兩方面。一是楊樹(shù)為淺根系物種，根系發(fā)達(dá)，須根系根量巨大，其根系主要集中分布于上層(0～60 cm)土壤中，即60 cm處林木根系可能會(huì)與棉田根系土壤爭(zhēng)水。

各生育期距離防護(hù)林林帶越近土壤蒸發(fā)量越低，說(shuō)明防護(hù)林可以顯著降低其附近棉田土壤蒸發(fā)量，至3H處棉田土壤蒸發(fā)量與2H的差異不顯著，說(shuō)明防護(hù)林具有保水效應(yīng)，且≤0.5H處防護(hù)林保水效果最好，1H處之后防護(hù)林保水效應(yīng)開(kāi)始變小。結(jié)合不同距離處棉田土壤含水量特征，距離防護(hù)林越近土壤含水量越低，這進(jìn)一步證明防護(hù)林附近的棉田土壤水分主要是被林木根系爭(zhēng)奪消耗。2H處已經(jīng)完全脫離了防護(hù)林的保水效應(yīng)區(qū)。這與孫浩[29]的研究結(jié)果干旱區(qū)綠洲防護(hù)林網(wǎng)對(duì)農(nóng)田蒸散量具有顯著的降低效應(yīng)相符合。

3.2 農(nóng)田防護(hù)林對(duì)棉田土壤鹽分的影響

土壤全鹽含量是調(diào)查土壤鹽漬化程度的指標(biāo)之一，土壤鹽分過(guò)高會(huì)危害作物，造成作物生理性干旱，尤其是聚積在表土的Na2CO3、K2CO3等鹽分對(duì)棉株的根、莖交界處的組織傷害最大。早有研究證明林木具有抑制土壤脫鹽返鹽效應(yīng)，原因一方面可能是林木通過(guò)降低氣溫、地溫、降低風(fēng)速抑制蒸發(fā)；另一方面林木加速了葉面蒸騰，阻礙了地下水的地面蒸發(fā)途徑，抑制或減小土壤返鹽，對(duì)防護(hù)林系統(tǒng)一定范圍內(nèi)的農(nóng)田具有顯著降鹽作用，從而延長(zhǎng)農(nóng)田耕種10～12年[28]。研究表明，林帶的土壤鹽分含量明顯低于棉田(P<0.05)，距離林帶越遠(yuǎn)，土壤鹽分含量呈增加趨勢(shì)，至距離林帶1H，2H，3H處土壤鹽分含量達(dá)最大，且三者差異不顯著(P>0.05)；0～20 cm土壤含鹽量在≤0.5H棉田范圍內(nèi)保持較低水平，1H處開(kāi)始迅速增大，防護(hù)林對(duì)近距離棉田(<1H處)土壤具有一定的壓鹽效果，表2不同距離處0～100 cm 土層鹽分改變量及脫鹽率同樣印證了這一結(jié)論。在0.1H處平均脫鹽率達(dá)到11.89%，0.5H處3.74%，距離防護(hù)林越近，脫鹽效果越明顯；0.1H范圍內(nèi)40～60 cm土層脫鹽率最大，平均達(dá)14.38%，這也可能是滴灌使作物主根系區(qū)形成脫鹽區(qū)。楊逢建[29]的研究結(jié)果表明，在鹽堿地栽種楊樹(shù)人工防護(hù)林后，土壤碳酸根含量顯著下降，這與研究的的結(jié)果相符合。

4 結(jié) 論

4.1 農(nóng)田防護(hù)林對(duì)荒漠缺水綠洲區(qū)農(nóng)田具有一定的“爭(zhēng)水”負(fù)效應(yīng)，這種效應(yīng)在距離防護(hù)林邊緣1H范圍內(nèi)更加明顯，0.1H處“林棉爭(zhēng)水”嚴(yán)重，0.25H處爭(zhēng)水較0.1H處有所緩和，隨著距離防護(hù)林帶越遠(yuǎn)，“爭(zhēng)水”效應(yīng)減弱；至2H、3H處棉田基本脫離了農(nóng)田防護(hù)林帶的“爭(zhēng)水”負(fù)效應(yīng)。

4.2 林帶的土壤鹽分含量明顯低于棉田，且差異極顯著；距離林帶越遠(yuǎn)，土壤鹽分含量呈增加的趨勢(shì)，到距離林帶1H、2H、3H處的土壤鹽分含量上基本一致，在0.5H的范圍內(nèi)，鹽分較集中在40～60 cm層段，鹽分的表聚現(xiàn)象并不明顯，防護(hù)林在0.5H的范圍內(nèi)壓鹽效果良好。0.5H范圍內(nèi)含鹽量明顯低于1g/kg，未出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象。

4.3 農(nóng)田防護(hù)林的脫鹽效果明顯，尤其在0.1H處平均脫鹽率達(dá)到14.38%以上，即距離農(nóng)田防護(hù)林越近，脫鹽效果越明顯；0.5H范圍內(nèi)0～20 cm土層脫鹽率達(dá)3.21%，農(nóng)田防護(hù)林對(duì)降低農(nóng)田土壤表層及耕作層全鹽量效果明顯，可防止次生鹽漬化。