上海市崇明島不同模式農田防護林對水稻產量的影響

沈青葉 ，李 晴，鄒春靜，張 超

（1.華東師范大學 上海市城市化生態過程與生態恢復重點實驗室，上海 200062；2.華東師范大學 生命科學學院，上海 200062）

關于農田防護林對農作物產量、生物量和小氣候影響等方面的研究較多［1-7］，并且不少研究者從林帶防風效能［8］、土壤改良效果方面［9］提出模式優化意見，但國內對島嶼農田防護林體系研究很少，且研究多針對于某一種特定防護林模式，基于多種農田防護林模式下對農作物產量的研究也少有報道。崇明島是世界上最大的河口沖積島，地處中國長江河口，位于東部沿海地區 “T”形交匯點，兼具沿海防護林和沿江防護林建設的雙重要求［10］。作為一個成陸歷史很短的河口島嶼，臺風、暴雨、風暴潮等是常見的氣候現象［11］。受全球氣候變暖趨勢的影響，長江三角洲地區相對海平面上升幅度加大，風暴潮災成加重趨向［12］，這些都將大大增加崇明島的生態風險，也對崇明沿海防護林體系防護功能提出更高要求。農業在崇明島經濟發展中一直占有很重要的地位，而作為崇明島沿海防護林重要組成部分的農田防護林，目前的研究十分欠缺，這對生態島建設及生態安全都非常不利。面對政府在林業發展中提出的完善農村林網化體系建設的重要目標和《全國沿海防護林體系建設工程規劃》提出的沿海地區農田林網控制率85.0%的建設標準，如何優化崇明島現有農田防護林模式，完善防護林體系，提高防護功能是我們面臨的迫切任務。筆者整合了農作物防護效益及林帶結構特征2個方面，旨在對崇明島不同模式農田防護林的防護效益進行研究，探索最佳防護林模式，最終為優化農田防護林模式提出建議，并為崇明島農田防護林的完善與更新提供理論指導。

1 研究區概況

崇明島（31°27′00″～31°51′15″N，121°09′30″～121°54′00″E）處于長江入海口，三面臨江，屬亞熱帶季風性氣候，夏季盛行東南風，冬季盛行偏北風，風災是崇明島區的主要自然災害。氣象資料顯示，崇明島多年月平均風速均在5～6級，3～5月間月平均風速最大，均為6級；10月平均風速最低，平均5級；7月和8月為臺風多發期。據崇明氣象局統計（1949－2005），島區臺風的發生概率為73.21%，平均2次·a-1，多時可達6～7次·a-1。此外，據國家科技部自然災害綜合研究組統計（1949－2002），崇明島風暴潮發生的概率為62.96%。

崇明島的農田防護林樹種、模式多樣，但缺乏撫育與更新，很多林帶已經凋零甚至死亡。在農業示范區中選取試驗區，該區域內立地條件相同，農作物種植由相關部門統一管理，主防護林帶相互平行，與主害風方向基本垂直，或有45°夾角，帶間距均約200 m。選取5種常見且生長較好的防護林模式為研究對象，基本結構特征見表1。池杉Taxodium ascendens模式、楊樹Popular spp.模式、水杉Metasequoia glyptostroboides模式、柳杉Cryptomeria fortunei模式都為純林，水杉-柳杉混交模式為混交林，其中間2行為柳杉，外側2行為水杉。

表1 農田防護林結構特征Table 1 Characteristics of farmland shelterbelts

2 研究方法

2.1 試驗設計

2008年7月至10月對全島農田防護林進行野外實地踏查。試驗區內選取上述5種模式農田防護林為實驗樣地，各樣地包括50 m長林帶及其所防護的水稻Oryza sativa田。對照樣地選取原則：大小、形狀及采樣分析方法與樣地一致；地處空曠區域或距周圍林帶30倍樹高（30H）處；水稻品種、種植方式、管理和施肥等與樣地基本一致。樣地內樣方設定方法為：沿林帶垂直的方向，距林帶不同樹高倍數處布設1 m×1 m的樣方共5個，即1H，3H，5H，10H和15H，同樣方法，相隔一定距離，再設2次重復。對照樣地沿與一條較長地緣相垂直的方向，距地緣10，30，50，100，150 m處設置樣方。

計算葉面積指數和水稻產量。在水稻灌漿后不久，葉面積較穩定的時期，各個樣方使用CI-203激光葉面積儀活體測量單個葉片的葉面積，計算葉面積指數。水稻籽粒成熟后，常規方法測量產量、千粒質量和產量［5］。測定樣地防護林林帶的結構特征，計算林帶有葉期疏透度、農防林占地比率［13］。林帶疏透度采用照相法數字化測定［3－4］。林帶平均疏透度值采用加權平均法計算［14］。根據尼基金和克雷夫達（1976）按分層計算疏透度并規定各基本類型的變動范圍，同時結合林帶各基本類型的定義，綜合確定各林帶的結構。

2.2 數據處理

采用 SPSS（Version 15.0）軟件對數據進行分析。

3 結果與分析

3.1 產量的測定與變化

如圖1所示，5個樣地不同距離處水稻產量值有顯著差異，但變化趨勢基本一致，離林帶最近的1H處和最遠的15H處數值較低，5H處和10H處區域數值較高。對照樣地不同距離處水稻產量在空間分布上變化規律性。比較同一模式不同樹高倍數處水稻產量值與對照樣地產量平均值（圖1），發現各樣地都有多個樣方的水稻產量明顯高于對照樣地。提高范圍：池杉模式3H～15H為24.2%～64.0%；楊樹模式3H～10H為10.9%～49.0%；水杉模式1H～15H為8.3%～37.2%；柳杉模式5H～10H為8.9%～16.1%；水杉-柳杉混交模式3H～10H為25.9%～39.8%。這些數據看出各模式都發揮了較好的防護效能。楊樹模式和柳杉模式1H處分別減產9.6%和5.7%，有明顯的林帶脅地效應，這是由于楊樹高大，庇蔭時間最長且面積大，柳杉樹矮小，林帶下層過于通透，防護效益差。其他模式脅地效應減小或沒有是由于樹種冠幅小，庇蔭面積小，且林帶與田地之間有寬、深都是1.5 m的壕溝，使林帶根部對水稻影響減到最小。各種模式不同樹高倍數處產量值顯著高于此模式總體平均值的區域為最佳防護區域［15］。由圖1可知，除柳杉模式的最佳防護區域為5H至10H區域，以5H最優外，其他4種模式最佳防護區域均為5H至10H區域，以10H最優。

計算各樣地及其對照樣地的平均產量，進而得增產率（表2）。發現不同模式防護林增產效益差別很大。增產效益：池杉模式＞水杉-柳杉混交模式＞水杉模式＞楊樹模式＞柳杉模式。因為林帶結構不同，防風效果有差異，最終引起防護效益不同。

表2 不同模式農田防護林水稻產量的增產效益Table 2 Yield increase benefit of different shelterbelt models

3.2 千粒質量變化分析

對5個樣地千粒質量分別進行方差分析，均P＜0.05，故認為，林帶對水稻千粒質量的空間分布有影響。各模式千粒質量空間變化規律與產量變化規律相似（圖2）。比較各樣方與它們對照樣地平均千粒質量的增加率，除楊樹模式及柳杉模式的1H處由于林帶的脅地效應而下降外，其他都有所提高，一般 3H～10H區域提高較顯著。比較5種模式總體平均千粒質量增加率，除柳杉模式千粒質量提高不明顯，僅為1%外，其他模式都有較大提高。分別為：池杉模式9.1%，楊樹模式7.8%，水杉模式8.6%，水杉-柳杉混交模式提高最大，為10.4%。由此推論，林帶防護對水稻的千粒質量有明顯的提高作用。

圖1 5種模式及其對照樣地不同距離處水稻產量Figure 1 Rice yield measured at different distances from the shelterbelts of the plots and their control plots

圖2 不同距離處千粒質量增加率Figure 2 Increasing rate of 1 000-grain weight measured at different distances from the shelterbelts

3.3 水稻葉面積指數變化分析

圖3所示，各樣地靠近林帶的1H處水稻葉面積指數較大，隨著距離的增加，葉面積指數逐漸減小，從3H處起，其變化趨勢與產量、千粒質量變化趨勢基本一致。1H處葉面積指數值大的原因是受林帶蔽蔭作用，直射光相對較少，慢射光較多，葉面積的增加能較好的利用較弱的光；再者就是貪青現象，調查發現，1H處水稻植株偏高，穗質量小，產量低，地上總生物量低。從植物生理方面來看，水稻葉面積指數的變化，可以解釋水稻產量及千粒質量的變化。進一步證明林帶對水稻有防護作用，能增大水稻葉面積，促進水稻有機物質的積累。

圖3 不同距離處葉面積指數Figure 3 Leaf area index measured at different distances from the shelterbelts

3.4 不同模式防護林林帶疏透度與功能狀況

林帶疏透度是區別林帶防風性能優劣的最主要指標之一［3-4］。林帶最適疏透度為 0.30～0.50［1-2］。康立新等［16］對蘇北沿海防護林的研究表明，主林帶疏透度以0.25～0.30為最適值。筆者以后者為標準。5種模式均為上疏下開結構，由表3可知，樹冠疏透度值基本在最適值范圍內，林帶平均疏透度值略高于最適值范圍，是由樹干部分過于通透造成。5種模式中，水杉-柳杉混交模式疏透度值最接近最適疏透度，林帶結構最合理。

表3 5種模式農田防護林林帶疏透度計算值Table 3 Porosities of farmland shelterbelts

分析水稻產量、千粒質量及葉面積指數的變化，5種模式均對水稻發揮了較好的防護功能。池杉模式產量增產效益最高，樹木高大，占地率較小，防護功能好；楊樹防護距離最遠，但脅地效應也最明顯，占地率最大；柳杉模式樹木矮小，枝下高占樹高的比值最大，為36%，防風效果差，產量及千粒質量增加率遠低于其他4種模式；水杉模式疏透度為5種模式中最大，但枝下高所占比值較小，為16%，從水稻增產效益看，防護效果較好；水杉-柳杉混交模式疏透度最接近最適值，林帶結構最合理，千粒質量增加率最高，總體防護效果好。綜合分析，池杉模式和水杉-柳杉混交模式都為很好的模式，水杉模式、楊樹模式次之，柳杉模式最差。由踏查發現，水杉和柳杉栽植面積遠大于池杉，為當地優勢樹種。柳杉無明顯季相變化，冬天防護效果較好。崇明島夏季多發蟲害，混交林比純林更具有抗蟲抗災能力，因此，水杉與柳杉混種，可揚長避短，提高防護效益。綜上，水杉-柳杉混交林為最優防護林模式。

4 討論與建議

農田防護林由于改善了農田小氣候，促進農作物本身物質、能量的轉化和積累，從而提高了農作物生物量和產量甚至品質［17－20］。向開馥［5］關于防護林對糧食產量及千粒質量影響的研究與本研究結果相似。本研究中，5種模式的水稻產量增產率為3.8%～31.2%，千粒質量和平均葉面積指數也相應增大，最佳防護區域均為5H～10H。產量的增產效益：池杉模式＞水杉-柳杉混交模式＞水杉模式＞楊樹模式＞柳杉模式。千粒質量增加效益：水杉-柳杉混交模式＞池杉模式＞水杉模式＞楊樹模式＞柳杉模式。最佳防護面積：楊樹模式＞池杉模式＞水杉-柳杉混交模式＞水杉模式＞柳杉模式。因此在完善防護林體系時，建議選取樹木較高，但冠幅較小的樹種，例如池杉和水杉，這樣既能保證防護距離，又能消減脅地效應。

關于林帶疏透度已有很多研究，Sun等［1］的研究表明，林帶疏透度為0.44時，有效防護距離可遠至林帶后23.23H處，在這距離以內，風速將大大減小；康立新等［16］研究表明，主林帶疏透度為0.25～0.30時林帶結構最優，有效防護距離為23H。本研究發現，崇明島5種模式林帶平均疏透度為0.31～0.39，高于最適值0.25～0.30，林帶結構還需進一步調節，這與孔正紅等［21］對崇明島沿岸防護林林帶疏透度研究結果一致。5種模式防護林林帶樹干疏透度都偏高，建議在林帶下層適當栽植灌木，或根據季節種植大豆Glycine max，油菜Brassica campestris等農作物，這樣既有經濟價值，還可減小樹干疏透度，調節林帶平均疏透度到最優。Hiroyuki等［8］認為防護距離還與林帶寬度顯著相關，而崇明島農田防護林林帶絕大多數為4行，林帶寬度和占地率無大差別，帶間距都約為200 m，從這5種模式林帶防護效益來看，現有林帶栽植方式比較合理，除柳杉模式外，帶間距構建也較合理。綜合林帶結構特征及防護效益，可推論出水杉-柳杉混交模式為最佳防護模式，池杉模式和水杉模式次之，楊樹模式及柳杉模式則應進行重點改良。

本研究選擇的是外貌完整的林帶。經調查發現，崇明島農田防護林體系自建成后，缺乏及時的撫育與更新，再加上時有發生的赤蛾Formica rufibarbis或其他蟲害，很多林帶已經凋零甚至死亡，大大妨礙了防護功能的發揮。建議政府盡快完修復善現有農田防護林體系。

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