干旱荒漠區農田防護林正負效應及其影響機制

馬彬，王帥，吳依衍，姜艷

（石河子大學農學院，新疆石河子 832000）

0 引言

【研究意義】農田防護林在改善農田局地小氣候、抵御風沙、改善綠洲生態環境、改良土壤等具有重要作用[1-3]，農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，農田防護林對農田的正負效應具有明顯的地域性。尤其在干旱荒漠生態脆弱區，大面積營造農田防護林對農田及農作物的正負效應及其影響機制對平衡生態治理有重要意義[5]。【前人研究進展】新疆氣候干旱少雨，每年約有66.7×104hm2農田受風沙危害[6-8]。位于準噶爾盆地南緣的新疆綠洲墾區第八師150團場，已建成842 hm2農田防護林，其農田防護林主栽樹種是楊樹和榆樹。楊樹和榆樹根系發達且分布較淺，在優化農田生態環境，增加農田生態系統生態效益的同時，也會通過“林作”種間競爭，根系“爭水爭肥”對林緣附件農作物造成減產降質[9-11]；農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田微氣候條件，形成不利于農作物生長的微氣候效應，惡化林緣附近的農田生態系統環境[12-14]。密度適度、樹種及時空結構合理，林木可降低作物蒸散、提高農田土壤含水量，有效改善農田水環境，提高農業生產力；只有外界不存在水分脅迫時，農田防護林才能降低農田蒸散、改善農田水環境[15-16]。【本研究切入點】農田防護林對棉田的正負效應并沒有形成定論。需研究干旱荒漠區農田防護林正負效應及其影響機制。【擬解決的關鍵問題】以第八師150團農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、土壤理化學性質及棉花生長發育的變化，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各因素與棉花生物量之間的關系，篩選出農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。年平均蒸發量1 945 mm，年平均降水量117 mm，蒸發量為降水量的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、東三面被沙丘環抱，建成842 hm2農田防護林。

150團農田防護林體系以窄林帶、小網格模式為主體。農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田防護林帶和其林網內農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、蒸發量、光照強度）、土壤理化性質（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）以及棉花生長發育狀況（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，結合土壤農化知識進行室內化學分析，測定土壤樣品有機質、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業環境檢測儀，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，選擇晴朗天氣，從09：00～21：00觀測各種氣象要素。

棉花干物質分別在棉花生長發育的苗期、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：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 數據處理

所有采樣數據通過Excel16.0繪制圖表和SPSS19.0軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 防護林對棉田生長發育的影響

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，且在整個發育期葉面積均隨距農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，隨著距離農田防護林越遠，棉花生物量呈現明顯增大趨勢；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 微氣象環境因子脅地

2.2.1 微氣象環境因子與棉花生物量的關系

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

表2 防護林帶脅地氣象環境主導因子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的影響

研究表明，越靠近防護林帶的棉田土壤有機質含量越低，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%；防護林帶對有機質的影響范圍在1H以內，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，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定；土壤含水率在0～20 cm土層內波動較小，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。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，農田防護林帶對棉田土壤有機質、土壤含水率和全氮影響較大，相關系數分別為0.980、0.972、0.992；其次是堿解氮、速效鉀和速效磷，相關系數分別為0.934、0.923、0.901；對土壤pH影響相對最小，相關系數為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、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、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，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

研究結果發現，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小；在棉花生于后期，隨著棉花的生長抗逆能力的增強，防護林對棉田協迫距離減小；與Judd[17]、聶哲[18]等的研究結果一致；Singh等[19]研究發現在距林帶9 m范圍內小麥株高明顯下降；研究發現，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；研究發現，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定，并降低自然災害[20]。綠洲防護林內大氣的冷濕效應與暖干效應的相互作用形成局地環流與逆溫穩定層結，使林內涼濕空氣得以保持，不利于林帶附近作物生長[21]；研究發現，土壤水分和光照強度是棉田產量的主要影響因素，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，林下農作物光照減少，地溫升高，不利于農作物生長發育和干物質積累。長時間的遮陰導致棉田光合作用減慢，有機物質累計速率降低，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、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土層內分布最多[14]；而農作物的根系正集中在這土層范圍，使得土壤中大部分養分被防護林根奪走，導致農作物減產；與薛靈芝[7]和劉峰等[22]的研究結果相似。研究發現防護林帶內土質差、土壤貧瘠，而棉田內長年人為施用肥料，土壤養分豐富，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。Kowalchuk等[23]研究認為，隨著農田施肥量的增加，水分競爭和林冠遮陰是林帶邊緣作物產量下降的主要原因，且距林帶約2H范圍內作物減產，而在2H～4H范圍作物產量略有增加，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與全氮，相關系數可達0.980與0.992；引起農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，相關系數可達0.972與0.995；

4.3 防護林對棉花前期生長發育狀況影響較大，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。