干旱荒漠區(qū)農(nóng)田防護林正負效應及其影響機制

馬彬，王帥，吳依衍，姜艷

（石河子大學農(nóng)學院，新疆石河子 832000）

0 引言

【研究意義】農(nóng)田防護林在改善農(nóng)田局地小氣候、抵御風沙、改善綠洲生態(tài)環(huán)境、改良土壤等具有重要作用[1-3]，農(nóng)田防護林體系研究受到重視[4]。受氣候、水肥條件、樹種等諸多因素制約，農(nóng)田防護林對農(nóng)田的正負效應具有明顯的地域性。尤其在干旱荒漠生態(tài)脆弱區(qū)，大面積營造農(nóng)田防護林對農(nóng)田及農(nóng)作物的正負效應及其影響機制對平衡生態(tài)治理有重要意義[5]?！厩叭搜芯窟M展】新疆氣候干旱少雨，每年約有66.7×104hm2農(nóng)田受風沙危害[6-8]。位于準噶爾盆地南緣的新疆綠洲墾區(qū)第八師150團場，已建成842 hm2農(nóng)田防護林，其農(nóng)田防護林主栽樹種是楊樹和榆樹。楊樹和榆樹根系發(fā)達且分布較淺，在優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效益的同時，也會通過“林作”種間競爭，根系“爭水爭肥”對林緣附件農(nóng)作物造成減產(chǎn)降質(zhì)[9-11]；農(nóng)田防護林可能會通過影響光照、氣溫、風速、空氣濕度等改變林緣附近農(nóng)田微氣候條件，形成不利于農(nóng)作物生長的微氣候效應，惡化林緣附近的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境[12-14]。密度適度、樹種及時空結構合理，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；只有外界不存在水分脅迫時，農(nóng)田防護林才能降低農(nóng)田蒸散、改善農(nóng)田水環(huán)境[15-16]?！颈狙芯壳腥朦c】農(nóng)田防護林對棉田的正負效應并沒有形成定論。需研究干旱荒漠區(qū)農(nóng)田防護林正負效應及其影響機制?！緮M解決的關鍵問題】以第八師150團農(nóng)田防護林及其附近棉田為研究對象，分析距防護林帶不同距離處棉田氣象要素、土壤理化學性質(zhì)及棉花生長發(fā)育的變化，研究防護林對棉田的正負效應及影響機制，以及不同脅地范圍內(nèi)各因素與棉花生物量之間的關系，篩選出農(nóng)田防護林脅地的主導因子，分析防護林與棉田間的關系。

1 材料與方法

1.1 材料

新疆第八師150團屬溫帶大陸性干旱半荒漠氣候，年平均氣溫6.1℃，極端最高氣溫43.1℃，極端最低氣溫-42.8℃，≥10℃的有效積溫2 400～3 900℃，無霜期166 d。晝夜溫差大，光、熱資源充足。年平均蒸發(fā)量1 945 mm，年平均降水量117 mm，蒸發(fā)量為降水量的16倍。主要土壤類型為灰漠土，主要天氣災害有大風、冰雹、干熱風和霜凍。主要風向為西北風。其西、北、東三面被沙丘環(huán)抱，建成842 hm2農(nóng)田防護林。

150團農(nóng)田防護林體系以窄林帶、小網(wǎng)格模式為主體。農(nóng)田防護林樹種以楊樹為主，主要為新疆楊（Populus albavar.pyramidalisBunge），作物主要有棉花。

在試驗地灌渠上選取樹齡相同，長勢良好，無病蟲害且林帶結構較完整的新疆楊農(nóng)田防護林帶和其林網(wǎng)內(nèi)農(nóng)田作為觀測研究對象。所選林帶樹10 a，6行，通風結構，株行距1 m×1 m，平均樹高15.0 m，平均胸徑52 cm。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

在2018～2019年第八師150團采用田間觀測調(diào)查與土壤理化指標測定相結合的方法，取近地南北走向的防護林帶為固定觀測樣帶，供試棉田在防護林帶西側，以主林帶防護下的棉田為觀測對象，設平均林帶樹高15 m為H，每條主線在距林帶邊緣0.1H、0.25H、0.5H、1H、2H、3H等6個測點，觀測棉田氣象要素（包括空氣溫度、風速、空氣濕度、蒸發(fā)量、光照強度）、土壤理化性質(zhì)（包括土壤含水量、pH值、全鹽量、全氮量、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)）以及棉花生長發(fā)育狀況（包括株高、葉面積、生物量）。

1.2.2 樣品采集與測定

田間土壤含水率在棉花生長旺盛的7～8月進行土壤樣品取樣，取樣深度0～20 cm、20 cm～40～60 cm的混合土樣，采用烘干法測定田間土壤含水率。

田間土壤肥力將取得的土樣自然風干，結合土壤農(nóng)化知識進行室內(nèi)化學分析，測定土壤樣品有機質(zhì)、全氮量、速效鉀、速效鉀、全鹽量、pH值的含量，每個土樣重復測3次。

防護林帶附近田間氣象因素用農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測儀，在距防護林帶邊緣0.1H、0.25H、0.5H、1H、2H、3H等6個觀測點連續(xù)觀測光照強度、風速、空氣溫度、空氣相對濕度。觀測期為5～9月棉花主要生長季節(jié)，選擇晴朗天氣，從09：00～21：00觀測各種氣象要素。

棉花干物質(zhì)分別在棉花生長發(fā)育的苗期、蕾期、鈴期植株取樣，每個測點隨機取樣10株，采用烘干法測定植株干樣生物量。

土壤有機質(zhì)：重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮用凱氏定氮法；堿解氮采用堿解蒸餾法；速效磷用0.5 mol·L NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；速效鉀用NH4OAc浸提-火焰光度法；水溶性鹽含量用電導率法；pH用酸度計測量，土壤含水量用烘干法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有采樣數(shù)據(jù)通過Excel16.0繪制圖表和SPSS19.0軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

2.1 防護林對棉田生長發(fā)育的影響

2.1.1 防護林對不同距離下棉花生長的影響

研究表明，隨著棉花的生長，葉面積逐漸增大，且在整個發(fā)育期葉面積均隨距農(nóng)田防護林的距離增大而增大；0.1H處最小，之后開始緩慢增大，其中0.1H與0.25H處棉花葉面積僅相差29%，0.1H與0.5H相差50%，從1H開始葉面積迅速增大，至2H與3H處達最大值，2H與3H僅相差4%。株高總體變化趨勢與葉面積相似，0.1H處棉株最矮，至2H、3H處達最大，兩者幾乎無差異。圖1

圖1 播種后不同時間及距離下棉花株高和葉面積生長變化Fig.1 Cotton plant height and leaf area at different times and distances after sowing

2.1.2 防護林對不同距離下棉花生物量的影響

研究表明，隨著距離農(nóng)田防護林越遠，棉花生物量呈現(xiàn)明顯增大趨勢；棉花苗期、鈴期2H與3H處差異不顯著，與0.1H、0.25H、0.5H、1H差異均顯著，0.1H、0.25H、0.5H、1H之間也差異均顯著；隨著棉花生長發(fā)育，蕾期1H、2H與3H差異不顯著，與其它距離差異均顯著，0.1H、0.25H、0.5H差異均顯著；其中0.1H處生物量最小，2H、3H處生物量最大；0.1H處生物量較2H、3H平均分別減少84.54%、84.78%，0.25H較2H、3H平均分別減少43.35%、44.28%，0.5H較2H、3H分別平均減少13.88%、15.24%，1H較2H、3H平均分別減少4.76%、6.27%。表1

表1 不同距離處棉花生物量變化Table 1 Changes in cotton biomass at different distances（%）

2.2 微氣象環(huán)境因子脅地

2.2.1 微氣象環(huán)境因子與棉花生物量的關系

研究表明，農(nóng)田防護林帶對棉田的光照強度和風速影響最大，相關系數(shù)可達0.963～0.995；其次是空氣溫度和蒸發(fā)量，相關系數(shù)為0.920～0.923；防護林帶對棉田空氣濕度的影響相對較小，相關系數(shù)為0.237。表2

表2 防護林帶脅地氣象環(huán)境主導因子Table 2 Leading factors of meteorological environment in the shelterbelt zone

2.2.2 棉田光照強度的水平分布

研究表明，隨著距離農(nóng)田防護林越遠，棉田光照強度越大；其中0.1H處的光照強度最小，2H、3H處光照強度較大；前期（4.30～5.30）棉田中光照強度在0.1H、0.25H、0.5H、1H之間差異不顯著，2H與3H差異不顯著，但0.1H、0.25H、0.5H、1H與2H、3H之間差異均顯著；中后期（6.10～7.10，7.25～9.15）0.1H、0.25H、0.5H之間差異不顯著，0.1H、0.25H、0.5H與1H差異均顯著，1H與2H、3H之間差異均顯著。3H處的光照強度分別是0.1H、0.25H、0.5H、1H的18倍、13.5倍、8.9倍、2.2倍。表3

表3 不同距離處棉田光照強度時間變化Table 3 Changes of light intensity in cotton fields at different distances

2.3 土壤肥力脅地因素

2.3.1 防護林對棉田有機質(zhì)的影響

研究表明，越靠近防護林帶的棉田土壤有機質(zhì)含量越低，其中0.1H處較對照減少15.29%～16.54%，0.25H、0.5H、1H、2H處分別較3H分別減少11.62%～14.09%、8.03%～8.83%、2.30%～5.20%和1.30%～0.30%；防護林帶對有機質(zhì)的影響范圍在1H以內(nèi)，2H與3H處棉田差別不大。表4

表4 距防護林帶不同位置土壤有機質(zhì)含量變化Table 4 Soil organic matter content in different locations of the shelterbelt

2.3.2 防護林對棉田全氮的影響

研究表明，0.1H、0.25H、0.5H全氮含量較3H分別減少25.00%～36.96%、15.91%～32.61%、9.09%～21.74%；1H、2H全氮含量較3H農(nóng)田分別減少2.27%～13.04%、2.08%～2.17%；距離防護林帶邊緣越近的棉田其土壤全氮含量降低越快，至3H處達到最大；防護林帶對全氮的影響范圍在1H以內(nèi)，棉田中全氮較對照平均降低10.17%～20.55%。表5

表5 距防護林帶不同位置土壤全氮含量Table 5 Soil total nitrogen content at different locations from the shelterbelt

2.3.3 棉田土壤含水量的水平分布

研究表明，各土層土壤含水率均隨著距防護林帶得距離遠近而逐漸增大；在0.1～1H，各土層土壤含水率隨距離越遠逐漸升高，大于1H時棉田各土層土壤含水率趨于穩(wěn)定；土壤含水率在0～20 cm土層內(nèi)波動較小，各距離處土壤含水率均隨土壤深度增加而增加；在20～60 cm土層深度內(nèi)波動較大，尤其是40～60 cm含水量在0.25H之后增加較快，至2和3H處逐漸平穩(wěn)。圖2

圖2 不同測點土壤含水率變化Fig.2 Soil moisture content at different measuring points

2.3.4 土壤肥力對棉花生物量的影響

研究表明，農(nóng)田防護林帶對棉田土壤有機質(zhì)、土壤含水率和全氮影響較大，相關系數(shù)分別為0.980、0.972、0.992；其次是堿解氮、速效鉀和速效磷，相關系數(shù)分別為0.934、0.923、0.901；對土壤pH影響相對最小，相關系數(shù)為0.367；防護林對棉田土壤肥力的脅地的主導因子是土壤有機質(zhì)、全氮。表6

表6 防護林帶脅地土壤肥力因子Table 6 Soil fertility factors of the protection forest belt

2.4 防護林脅地主因子的篩選

研究表明，光照強度、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、土壤水分是影響棉花生物量的關鍵因子。對棉花生物量影響關鍵因子的排序為光照強度＞土壤水分＞全氮＞堿解氮＞有機質(zhì)，而光照強度與土壤水分貢獻率達73.66%；光照強度、土壤水分是防護林附近區(qū)域棉田防護林帶脅地的主導因子。表7

表7 防護林脅地主因子多元逐步回歸分析Table 7 Multiple stepwise regression analysis of landlord factors in shelterbelt threats

3 討論

研究結果發(fā)現(xiàn)，防護林對棉花生物量的影響主要在0.1H～1H，大于1H時防護林對棉田脅迫效應較??；在棉花生于后期，隨著棉花的生長抗逆能力的增強，防護林對棉田協(xié)迫距離減??；與Judd[17]、聶哲[18]等的研究結果一致；Singh等[19]研究發(fā)現(xiàn)在距林帶9 m范圍內(nèi)小麥株高明顯下降；研究發(fā)現(xiàn)，在0.1H處棉株株高最矮，至2H、3H處達最大，兩者幾乎無差異，與Judd的[17]結果一致；研究發(fā)現(xiàn)，在20 cm淺層防護林對土壤水分影響較小，各距離處土壤水分相差不大，但在0.25H范圍內(nèi)在40～60 cm土壤中防護林根系與棉田爭水嚴重，0.5H處40～60 cm含水量較0～20 cm迅速增加，在0.5H時，隨著距離越遠防護林根系吸水逐漸減少；水分競爭和林冠遮陰是林帶邊緣作物產(chǎn)量下降的主要原因。

綠洲防護林體系能夠維持綠洲小氣候的穩(wěn)定，并降低自然災害[20]。綠洲防護林內(nèi)大氣的冷濕效應與暖干效應的相互作用形成局地環(huán)流與逆溫穩(wěn)定層結，使林內(nèi)涼濕空氣得以保持，不利于林帶附近作物生長[21]；研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分和光照強度是棉田產(chǎn)量的主要影響因素，與崔晶[11]研究結果相似，即防護林冠幅遮陰面積越大時間長，林下農(nóng)作物光照減少，地溫升高，不利于農(nóng)作物生長發(fā)育和干物質(zhì)積累。長時間的遮陰導致棉田光合作用減慢，有機物質(zhì)累計速率降低，從而形成防護林對棉田的“光脅地”；而土壤含水量成為影響棉花生長的另一主導因子，研究距離林帶0.1H處棉田土壤含水率比1H減少5.01%，比2H減少5.92%，比3H處減少6.05%，距離防護林帶越近，棉田土壤水分越少；主要原因一方面是因為150團墾區(qū)氣候干旱，導致防護林根系向棉田延伸，與棉田爭水維持正常生長；另一方面，近年來隨著新疆棉田灌溉方式的改變，滴灌取代了過去的灌溉渠系，水分條件惡化而該樹種根系發(fā)達，且其在垂直方向、水平方向上的分布范圍和深度恰好與農(nóng)作物根系分布范圍重合，與朱玉偉[1]等研究結果一致。

研究表明，防護林對棉田土壤有機質(zhì)、全氮的影響較大，脅地效應相對較為嚴重，其影響范圍在水平方向上可達30 m（2H）左右，在垂直方向上可達地下60 cm左右；距離林帶0.1H處棉田土壤有機質(zhì)含量較3H處降低15.92%；距離林帶0.1H處棉田土壤全氮含量較3H處降低37.68%，防護林帶根系對棉田土壤肥力有很大影響。楊樹水平根系分布距離可達1～1.5H，根系密集分布在15～50 cm土層間，以20～30 cm土層內(nèi)分布最多[14]；而農(nóng)作物的根系正集中在這土層范圍，使得土壤中大部分養(yǎng)分被防護林根奪走，導致農(nóng)作物減產(chǎn)；與薛靈芝[7]和劉峰等[22]的研究結果相似。研究發(fā)現(xiàn)防護林帶內(nèi)土質(zhì)差、土壤貧瘠，而棉田內(nèi)長年人為施用肥料，土壤養(yǎng)分豐富，根系的導肥性會促使防護林根系向棉田延伸，形成“根脅地”，加劇林帶與棉田的水肥矛盾，影響棉花生長導致減產(chǎn)。Kowalchuk等[23]研究認為，隨著農(nóng)田施肥量的增加，水分競爭和林冠遮陰是林帶邊緣作物產(chǎn)量下降的主要原因，且距林帶約2H范圍內(nèi)作物減產(chǎn)，而在2H～4H范圍作物產(chǎn)量略有增加，與研究一致；且防護林帶在減輕土壤鹽漬化上有一定正面效應。

4 結論

4.1 楊樹發(fā)達的根系是構成林帶脅地的主要原因，對棉田影響范圍可達30 m（2H），且0.1H、0.25H較3H處棉花干物質(zhì)分別減少80%和44%；

4.2 在整個生育階段，防護林對棉田脅地的主要肥力因素是土壤有機質(zhì)與全氮，相關系數(shù)可達0.980與0.992；引起農(nóng)田防護林對棉田脅地的主要氣象因素是光照與土壤含水量，相關系數(shù)可達0.972與0.995；

4.3 防護林對棉花前期生長發(fā)育狀況影響較大，后期隨著太陽直射點的變化及棉花抗逆性增強脅地癥狀有所緩解。