寧夏平原農田防護林小氣候效應及對玉米產量的影響

何 俊，李妍紅

（1.寧夏大學資源環境學院/寧夏大學環境工程研究院/

教育部中阿旱區特色資源與環境治理國際合作聯合實驗室，寧夏 銀川 750021；2.銀川職業技術學院，寧夏 銀川 750021）

【研究意義】作為農田生態系統的屏障，農田防護林具有降低風沙災害、控制土壤侵蝕、調節小氣候、提高農業生產力水平等重要功能，對維護農業生態平衡和促進農業可持續發展等具有重要意義［1-2］。通過研究防護林對農田空氣風速、空氣溫度、空氣濕度、土壤含水率等氣候因子的影響，對農田防護林結構優化和科學管理具有重要意義。【前人研究進展】國內外學者針對農田防護林樹種選擇［3］、林網結構［4］、風力效應［5］、熱力效應［6-7］、水文效應［8］、防護林對土壤性質影響［9-10］、氣候因子對作物產量影響［11-12］、3S技術的應用［13］等開展了廣泛研究。大多數學者認為在林帶疏透度0.35～0.40、透風系數0.5～0.6條件下，林帶防風效應最佳［4，14］。邴貝貝等［7］認為，林帶防護范圍隨林帶高度的增加而增加，防護林對氣候因子的影響范圍一般在距離林帶2 H范圍內（H為防護林樹高）［15］。林帶對農作物的增產幅度在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］針對防護林對小麥、棉花、玉米、水稻產量影響作了相關研究，普遍認為距林帶1 H內因防護林帶的遮陰作用以及水肥競爭導致作物減產，且0.5 H范圍內作物減產比較嚴重，2～18 H為增產區。黃守科［11］研究表明，寧夏農田林網北側林帶0.4 H范圍內為小麥減產區，0.7 H外為小麥增產區，林網內小麥總增產10.65%。王寧庚等［18］對寧夏引黃灌區防護林脅地效應作了調查，結果發現1 H內林帶脅地效應明顯，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］、崔強等［22］、左忠等［23］對寧夏農田防護林的防風阻沙效應及氣候效應作了相關研究，他們認為防護林具有防風阻沙、改善作物生長環境等作用，林帶疏透度為0.35～0.45時其防風效較高；防護林網內農田的空氣相對濕度比曠野提高4.8%，4 H處風速最低，8 H處土壤含水率最高；與沙柳和榆樹防護林相比，小葉錦雞兒片林防風阻沙效果最佳。【本研究切入點】國內學者對寧夏農田防護林的研究主要集中在樹種選擇、防風阻沙、地表風蝕等方面，查同剛等［20］對防護林小氣候效應作了相關研究，但防護林對不同距離處土壤含水率和作物產量的影響效應未知。【擬解決的關鍵問題】本研究選擇取寧夏平原青銅峽地區新疆楊農田防護林網，對不同距離處的風速、空氣溫濕度、土壤含水率及玉米產量進行了監測分析，并探討了農田防護林的小氣候效應及對玉米產量的影響，以期為寧夏平原農田防護林的科學規劃等提供參考和指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區域位于寧夏青銅峽市李俊鎮，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，年日照時數2 980.1 h，年蒸發量1 946.1 mm。主要氣象災害有大風、沙塵暴、高溫、低溫冷害、寒潮、霜凍、冰雹、暴雨、山洪等災害。選取代表性的新疆楊防護林帶：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。選取無防護林的農田區域為對照區。

1.2 試驗方法

1.2.1 測定點選擇 在防護林背風面設定調查線，以距離林帶樹高倍數（H）來確定測點位置，分別在林帶不同距離處（0.5、1、3、5、7、10 H）選擇觀測點。

1.2.2 風速、空氣溫度、濕度測定 2018年6月，

使用pH-Ⅱ小型自動氣象站連續測定距地面2 m處的風速、空氣溫度和濕度。

1.2.3 土壤含水率測定 測定風速等氣候因子的同時，將觀測點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，待質量穩定后確定烘干后的質量，每個觀測點3次重復。土壤含水率計算公式如下：

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

1.2.4 玉米株高測定和產量估算 玉米進入成熟期后，在不同觀測點選取植株進行株高測定；收獲期在不同觀測點選取1 m×1 m用于產量測定，3次重復。

采用Excel 2010和SPSS 19進行數據處理及分析。

2 結果與分析

2.1 林網內風速變化特征

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

由圖1可知，農田防護林具有明顯的防風作用，林帶不同觀測點的風速比對照點分別降低 34.6%、29.2%、38.2%、47.9%、40.5% 和37.6%，整體上風速比對照點降低38%，差異顯著。10 H范圍內，風速呈現先升高、后降低、再升高的趨勢。1 H處風速最大，與3 H、5 H、7 H和10 H處有顯著差異，5 H處風速最低，與其他觀測點均有顯著差異。

2.2 林網內空氣溫度變化特征

由圖2可知，農田防護林具有一定的調節空氣溫度的作用。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，其他觀測點之間有顯著差異。農田防護林10 H范圍內平均空氣溫度比對照點降低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 林網內空氣濕度變化特征

由圖3可知，當對照點平均空氣濕度為25.5%時，林帶不同觀測點的平均空氣濕度比對照點分別增加6.7%、3.9%、4.7%、6.8%、4.8%和3.7%，整體上平均空氣濕度比對照點增加5.1%，對照點的平均空氣濕度與防護林網各觀測點有顯著差異。10 H范圍內，平均空氣濕度呈現先降低、后升高、再降低的趨勢。0.5 H和5 H處平均空氣濕度較高，并與其他觀測點有顯著差異。

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，當對照點土壤含水率為17.8%時，不同觀測點的土壤含水率比對照點分別增加0.5%、1.2%、2.5%、2.8%、2.3%和1.6%，整體上土壤含水率比對照點增加1.8%，對照點的土壤含水率與3 H、5 H、7 H和10 H處有顯著差異。10 H范圍內，土壤含水率呈現先增加、后減少的趨勢。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 農田防護林網對玉米株高和產量的影響

距林帶不同距離處玉米株高和產量比較見圖5和圖6。圖5、圖6表明，0.5 H處玉米平均株高比對照點玉米降低102 cm，0.5 H處玉米平均株高顯著低于其他觀測點，1～10 H處玉米平均株高比對照點高10 cm以上，最大值出現在5 H處，與對照點有顯著差異，比對照點高25 cm。防護林10 H范圍內玉米平均株高比對照點低1.5 cm。

0.5 H處玉米產量比對照點降低26.3%，0.5 H處玉米產量顯著低于其他觀測點，1～10 H處玉米產量分別比對照點增加8.8%、16.9%、18.6%、17.7%和17.0%，最大值出現在5 H處，3H、5H、7H和10 H處玉米產量無顯著差異。防護林10 H范圍內玉米產量比對照點增加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量Fig.6 Maize yield at different distance of the shelterbelt

3 討論

農田防護林帶網可降低風速、改善林網內空氣溫濕度狀況，起到降溫增濕的效果［24］，且具有一定的增產效應。隨著與林帶距離的增加，新疆楊農田防護林背風面不同距離處的風速呈現先升高、后降低、再升高的趨勢，這與鮑玉海［25］研究結果基本一致。當風經過防護林帶，一部分穿過林帶產生大量漩渦，另一部分被迫抬升翻越林帶。因林帶樹干部分透風系數較大，在防護林背面0.5 H處有一個較大風速區，由林冠上方越過而下降的氣流所形成的漩渦導致1 H附近風速增加，但0.5 H和1 H處風速均低于對照區。朱廷曜等［4］認為疏透林帶最低風速出現在背風面3～8 H處，這與本研究結果基本一致。查同剛等［20］、左忠等［23］研究也發現距林帶1 H處風速高于3 H、5 H和7 H處。但張鑫童［12］研究表明3 H處風速最高，0.5 H和1 H處的風速最低，這可能與防護林帶疏透度及對照區風速大小有關。疏透度越低，靠近林緣處風速越低。

由于林帶的遮蔭作用，使背風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點，隨著與防護林距離的增加，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在距離林帶5 H處。鮑玉海［25］研究結果表明溫度的最大值出現主要與風速減弱有關，5 H處風速最低，空氣溫度最高，這與本研究結論一致。防護林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境因子，農田防護林網具有增加空氣濕度的作用，但由于風速和亂流的作用使林帶對防護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面空氣濕度呈現先升高、后降低、再升高的趨勢［25］，有的研究表明林帶背風面空氣濕度呈現先急劇降低、后逐漸升高、再逐漸降低的趨勢［20］。這與防護林的結構、農田蒸發、林帶蒸騰及觀測點風速等有關系，一般情況下，1 H范圍內農田蒸發的水分和林帶自身的蒸騰作用產生的水分共同的作用會導致空氣濕度較高，但當林帶透風系數較大時，1 H范圍內的風速可能會高于其他區域，較高的風速會在一定程度上降低空氣濕度。由于農田防護林網林木自身生長需要消耗水分，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照區［12，25，26］。本研究距林帶0.5 H處的土壤含水率最低，且低于對照區，與其他研究結論一致。1～10 H處的土壤含水率與空氣濕度呈現相似的變化規律，且二者與風速的變化有一定關系，在風速最低的5 H處，土壤含水率與空氣濕度最高，這說明防護林網內的土壤含水率和空氣濕度的變化與林帶的防風效應密切相關［12，20-25］。

由于林帶對作物的遮蔭作用及與作物間的水分競爭，導致林帶0.5 H內玉米植株高度較低，產量低于對照，距林帶3～7 H處的玉米產量高于對照區［25］。黃守科［11］、張鑫童［12］的研究也表明距防護林帶0.4～0.5 H范圍屬于減產區，且0.2 H屬于嚴重減產區。王寧庚等［18］認為寧夏農田防護林1H范圍內脅地效應明顯，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 結論

通過對寧夏青銅峽市新疆楊防護林小氣候效應及對玉米產量的影響研究，得出以下結論：（1）新疆楊防護林具有明顯的防風效應，風速呈現先升高、后降低、再升高的趨勢。（2）防護林具有一定的調節空氣溫度的作用，不同觀測點的溫度無顯著差異。（3）防護林具有增加空氣濕度和土壤含水率的作用，且在一定范圍內呈現相似的變化規律，并與風速密切相關。（4）防護林可提高作物產量，除0.5 H處玉米產量低于對照，其他觀測點產量均高于對照。