我国平原农区林带胁地效应及其控制措施研究进展

胡海波，贾西川

(南京林业大学，南方现代林业协同创新中心，江苏省水土保持与生态修复重点实验室，江苏 南京 210037)

农田防护林的营造有着悠久历史。最早在19世纪初期，苏格兰人为应对环境恶化和土地干旱等问题，在平原地区率先进行了有组织、大规模的防护林营造活动。自此，世界上各个国家都逐步意识到农田防护林建设的重要性。19世纪后期，美国通过“木材教育法案”，呼吁农场建设农田防护林，用以抵御各种自然灾害。近代以来，我国环境恶化和土地荒漠化问题逐渐加重，20世纪中期开始意识到防护林建设的必要性和急迫性，在“三北”地区大规模建设防护林。改革开放以来，在平原地区以农田防护林网(带)为主体，兼顾村屯绿化和绿色通道建设，形成了平原林业生态防护体系，农田防护林建设取得了飞速发展[1]。

农田防护林能为改善农田小气候、抵御自然灾害，以及为农作物生长创造有利环境和保障农业高产稳产，并且能为人类社会提供多种效益的人工复合生态系统[1-3]。但是，林带在发挥巨大的生态、经济和社会效益的同时，往往也会产生一些负面效应即胁地，主要表现为林带树木使林缘两侧的农作物生长不良而导致减产。目前，关于农田防护林的胁地效应已有大量观测、研究，取得了丰硕成果，但林带胁地的影响因素十分复杂，胁地范围和程度各异。近年来，为了保障粮食安全，国家严禁耕地“非农化”行为，对平原农区林带的经营也提出了新的要求。为此，笔者全面总结了国内外林带胁地效应及影响因素的研究成果，旨在揭示林带胁地规律和程度，为克服林带胁地效应、保障农业稳产高产探索有效途径。

1 农田防护林对作物产量的影响

关于农田防护林的增产效益已有大量研究，其原因主要表现在两个方面：一方面是林带可有效降低风速，减少风沙等对农作物的影响，提高粮食产量，且林带结构为疏透结构时具有最佳的防护效果。Zheng等[4]研究得出，林带疏透度为0.25～0.35时防风效能最好，能够有效保护林带背风面0～20H(H为林带平均高度)范围内的农作物。另一方面，农田防护林能够起到调节温度、提高湿度和减少地面水分蒸发等作用。林网可降低土壤温度，增加不同深度土壤的含水量[5]，对农作物正常生长有显著促进作用。相较于无林区，有林区及其周围土壤蒸发更小，农作物蒸腾也相应减少，而生长季林带的蒸腾作用也会使林带防护区内的空气湿度加大，改善了农田水分状况，有利于农作物生长[6-8]。史晓亮等[9]研究了长春市北部农田防护林对玉米产量的影响，发现自然条件对增产率有一定影响，低产区域增产作用更加显著，增产率达到8.85%；而在高产区，增产率仅约为2.4%，其原因是农田防护林在自然条件差的区域起到的防护效果更明显。李长征[10]对山西岚县农田林网的调查研究指出，从林网内增产总数中扣除胁地范围内的减产部分，林网内农田仍比无林网区增产480 kg/hm2。国外研究显示，不论气候状况何如变化，在农田防护林的防护作用下，有林区的玉米和大豆产量均比无林区的高[11-12]。

农田防护林虽在林网大范围内促进农作物增产，但林缘两侧减产严重，胁地现象不容忽视。关于农田防护林的胁地效应，国外和国内均早有研究。Judd等[13]经过对农田防护林和农作物产量的多年研究发现，林带对其边缘的农作物产量具有负面影响，距林带越近，农作物减产越明显，且与林带走向有关。Singh等[14]在印度西北部昌迪加尔地区，研究了美洲杨树和黄杨对小麦的影响，发现在距林带9 m范围内小麦株高明显下降，而作物密度、生物量和产量均继续下降到距林带12 m，12 m以外的林网范围农作物均增产。Kowalchuk等[15]研究认为，随着农田施肥量的增加，水分竞争和林冠遮阴是林带边缘作物产量下降的主要原因，且距林带约2H(H为林带平均高度)范围内作物减产，而在2H～4H范围作物产量略有增加。

我国学者早在20世纪60年代就研究了农田防护林胁地的成因，指出林冠遮阴和根系争水是引起胁地效应的主要原因[16-20]。孙国吉等[16]发现，徐淮平原杨树林带边缘农田小麦产量存在着明显的减产区、平产区和增产区，并且林带北侧和西侧减产较为严重、范围较大，而林带东侧和南侧减产较轻、范围较小。夏礼如等[17]研究指出，苏北农田林网一般可造成胁地范围内水稻、小麦减产10%～30%。丁峰等[18]对甘肃景电灌区二白杨农田防护林分析得出，在距林带20 m范围内农作物减产严重，平均减产幅度为15%～36.7%。朱玉伟等[19]研究新疆地区杨树和榆树农田防护林胁地结果表明：林带东侧、西侧、南侧、北侧农田中的棉花均有明显的减产区，且林带北侧减产高达68.2%，而林带南侧减产仅28.0%。王宁庚等[21]对宁夏引黄灌区白蜡、臭椿混交防护林胁地进行研究，发现由于防护林过密、林冠高大，导致距离林带1H范围内胁地颇为严重，其中在0.2H范围内争水、争肥和遮阴最为严重，使玉米单株鲜产量减少52.7%。

综上所述，农田林网在保护大范围农作物的同时，对其边缘的农作物也具有不同程度的胁地作用，且树种和农作物种类不同，胁地程度也有差异。林带胁地对农作物产量的影响是不容忽视的，且随着防护林年龄的增长和树冠的扩展，胁地影响愈加突出，导致林农矛盾日益尖锐，严重制约了农林业的协调发展。因此，探索农田防护林带胁地规律及其影响因素，找到有效降低胁地效应的措施迫在眉睫。

2 林带胁地效应的影响因素

2.1 林带胁地产生的原因

农田防护林胁地的主要原因有：一是根系胁地，即林木根系伸进林带两侧的农田，争夺土壤养分和水分，导致农作物缺水少肥而生长不良；二是林冠胁地，即由于农田防护林树冠阻挡阳光的直射和散射，影响农作物的光合作用，造成农作物生长不良而减产[19-20]。

不同条件下根系胁地和林冠胁地对农作物生长和产量影响的主次关系有一定差异：在水肥充足和灌溉良好的地区，林木根系与农作物争水、争肥的现象不明显，此时胁地的主要影响因子是林冠胁地，根系胁地次之；在灌溉条件差和土壤贫瘠的地区，林木根系与农作物争水、争肥的矛盾突出，此时根系胁地处于主导地位，林冠胁地次之。在大部分地区，两种胁地并不是单独作用，而是根系胁地与林冠胁地交互作用、共同胁地，一起造成了农作物的减产[9,22]。因此，农田防护林的根系胁地和林冠胁地是林带两侧农作物产量降低的根本原因。

林带结构特征对农作物的胁地效应影响显著，其中林龄、树高和冠幅表现最为明显[22]。随着林龄的增长，树高增长、胸径增大，相应的林冠也会越来越大，防护林的胁地效应也愈明显。具体表现为，林带树冠愈大，遮阴范围也愈大，且随着根系密集程度和长度的增加，林木与农作物争水、争肥现象也越强烈，胁地影响越来越大。但是，这种影响局限在林带两侧的“线性”范围内。

2.2 林带胁地效应与距离的关系

随着农田防护林带年龄的增长，树高逐渐增大，林带的防风范围愈来愈大，但胁地范围也会相应增大。赵英铭等[22]在研究内蒙古磴口绿洲4个不同品种的杨树防护林带树高与胁地范围的关系时，发现胁地范围与树高呈极显著的正相关关系：L=3.343 4HG 0.766 9(其中L和HG分别为胁地距离和树高，相关系数R2为0.74)。

林带树木根系与农作物争水、争肥，以及树冠遮阴影响作物光合作用，会导致林带两侧一定范围内农田减产。王宁庚等[21]研究表明，宁夏引黄灌区白蜡、臭椿混交防护林距林带1H范围内林带胁地明显。笔者在对徐淮平原农田防护林胁地效应研究中发现，农田防护林带(网)的胁地范围为0～[1.5H，2.0H]内(胁地程度大小依次为0.4H、0.5H、0.6H……2.0H,下同)。崔晶[23]对豫东平原防护林带进行研究，得出20年生杨树林带根系水平分布最远能达到1.3H，其中距林带1H范围内有非常明显的胁地现象。刘春华[24]对菏泽郸城县NL-80105和I-69杨树农田防护林进行研究，指出这两种树林带均使0.7H范围内的小麦减产，而且由于NL-80105杨较I-69杨具有更发达的细根与小麦争夺水分和养分，在其胁地范围内小麦产量更低。

树种对林带胁地距离有很大影响。不同树种的根系分布及树冠大小、透光度不同，导致林带的胁地距离各异。范仲玖等[25]分析了青海省平安县的农田林网胁地状况，得出一般情况下杨树胁地距离为1.5H，针叶树种的树冠窄小，一般为0.3H～0.4H。丁峰等[18]对甘肃景电灌区农田防护林分析研究得出，二白杨的胁地作用是枣树的3.5倍，是樟子松的3倍。而周志强等[26]分析了黑龙江甘南县不同树种的农田防护林，发现其胁地范围为1.6H，而落叶松和樟子松的胁地范围均为0.8H。张双[27]在对黑龙江西部不同林带结构胁地效应的研究中发现：杨树林带胁地距离最大，可达1.6H～3.0H；落叶松和樟子松林带的影响范围较小，胁地距离为0.8H～1.6H。

综上所述，我国农田防护林的胁地范围一般为林带至0.4H～2.0H，其中大部分林带的胁地范围分布在林带至0.8H～1.5H范围内。影响农田防护林胁地距离的因素主要是林带结构、树种特性和立地条件等。

2.3 林带走向与胁地的关系

不同走向的林带对胁地的影响也不相同。胡海波等[28]在徐淮平原农田防护林带(网)对小麦产量影响的研究中发现不同走向林带的胁地影响差异显著：距离林带0.2H处，北、西、东、南侧小麦产量分别比对照区减产26.90%、24.19%、21.7%和19.04%；0.5H处分别减产14.01%、8.51%、7.14%和3.49%；在1.0H处，除林带北侧和西侧小麦产量较对照区低(约为7.58%和2.98%)，东、南两侧小麦产量均高于对照区。因此，随着距离林带越近，胁地效应就越明显，其中林带北侧和林带西侧减产最为严重，而南侧和东侧减产较轻、胁地距离也较短。丁松爽等[29]发现，河西走廊绿洲农田防护林带西侧、东侧等距离处，带西玉米的光合有效辐射量始终低于带东，且带西玉米减产主要发生在林带至1.5H范围内、而带东发生在林带至1H范围内。张锦春等[30]对甘肃民勤绿洲枣树、杨树林带胁地规律进行了对比研究，得出杨树林带的胁地范围较大，其中林带北侧最大为2H，胁地范围内平均减产10.0%～23.1%。季永华等[31]在研究苏北沿海地区水杉和杨树农田林网胁地效应时发现，水杉和杨树林网带西的减产区域分别为林带至0.8H和1.0H，减产率分别为7.88%和20.93%；带东的减产区域分别为林带至0.5H和1.0H，减产率分别为6.87%和18.33%；带北减产区域分别为林带至1.0H和1.5H，减产率分别为12.50%和26.22%；带南减产区域较小，仅在林带至0.5H范围内使林缘小麦产量降低2.7%左右。冯靖宇[32]在对河南省开封县农田防护林胁地影响研究中，认为带北小麦的胁地范围为0～[0.4H，0.7H]，带南小麦的胁地范围为0.3H内，带东小麦的胁地范围为0.4H内，而带西小麦的胁地范围为0.6H内。黄守科等[33]在农田防护林对农作物产量影响的研究中，综合了华北、东北、西北不同地区农田防护林带的胁地程度，指出带西胁地范围为0～[0.4H，0.8H]，带东农田胁地范围为0～[0.4H，0.6H]，带北胁地范围是0～[1.0H,1.4H]，带南胁地范围是0～[0.5H，0.7H]。因此，不同地区、不同树种农田防护林带的胁地距离都表现为林带北侧大于南侧，林带西侧大于东侧。林带北侧胁地距离大，是因为北侧遮阴面积大，而南侧遮阴面积小；林带西侧较东侧胁地距离大，是因为西侧在光照强烈的上午有大面积遮阴，而遮阴会严重影响农作物的光合作用和正常生长发育。

综上所述，农田防护林带北和带西农田胁地范围较大，带南和带东胁地范围较小；带北胁地范围和程度最大，带南胁地范围和程度最小。在我国北方地区，南北走向的林带，带西胁地范围为林带至0.4H～1.5H，带东为林带至0.4H～1.0H；东西走向的林带，带北为林带至0.4H～2.0H，带南为林带至0.3H～0.7H。林带对其北侧和西侧农田胁地影响较为严重，而对林带南侧和东侧的农田胁地影响较小，进一步说明了“胁北不胁南、胁西不胁东”的规律。

3 控制林带胁地的措施

农田防护林带(网)保护了大范围的农田，但它与林带边缘农作物争水、争肥，且林冠遮阴影响作物光合作用，导致林缘农作物减产，表现出胁地现象。因而，家庭联产承包责任制实施后，处在林带边缘农田的农户由于胁地原因不希望林带存在，有的甚至破坏、阻止林木生长，造成农田防护林被毁、生态功能破坏。由于胁地问题所导致的毁林案件和社会矛盾不断上升，因此探寻适宜措施、解决胁地问题已经迫在眉睫[34]。根据造成胁地的原因，一般从林冠胁地和根系胁地两个方面来探讨控制林带胁地的途径。

3.1 林冠胁地的克服

林冠胁地主要是由林冠遮阴造成的，林冠遮阴会降低林缘的光照强度，影响农作物光合作用；同时，有研究表明林冠遮阴还会改变光质，直接影响植物器官的生长发育，进而影响阴影下的农作物产量[35]。

林带的不同走向、不同方位其遮阴范围与面积不同，且阴影也会随时间变化。方斌等[35]在山西省吉县根据太阳高度角的变化模拟了毛白杨的树冠投影，分析林带树荫运动变化规律得出：林带东侧和西侧至1H范围内、林带北侧至0.6H范围内，均有大面积遮阴，且带东和带西的遮阴总面积大于带南和带北，并认为在北回归线以北地区东西走向林带比南北走向更能减缓林冠胁地程度。不同走向的林带，光照强度的影响范围也不同。黄守科等[36]对河南开封欧美杨和沙白杨农田防护林网内光照分布规律研究发现，林带对其东侧光照强度最大能影响到0.3H～1.5H，带西影响到0.3H～2.0H，带北影响到1.0H～1.7H，带南影响不足0.5H。东西走向林带影响光照的范围确实比南北走向林带小，但目前并没有文献报道东西走向林带较南北走向林带在胁地范围内产量高，相反，李长征[10]测得山西省岚县农田防护林东西走向林带比南北走向林带胁地严重，甚至比南北走向林带玉米还要减产810 kg/hm2。同样，薛灵芝等[37]在内蒙古商都县对小麦株高、株数和粒数进行调查研究，也发现东西走向林带的南北两侧，确实比南北走向的东西两侧减产严重。这可能是东西走向的林带对南侧农作物影响小，而北侧的树冠投影范围大且遮阴时间长，致使小麦和玉米光合量远远不够，严重影响了产量。南北走向的林带，东西两侧林带投影随着时间的变化在不断位移，两侧均有半天以上的光照时间，故对小麦和玉米生长发育的影响较小。可见，东西走向林带虽比南北走向林带遮阴面积小，但不一定能够使作物增产。为了最大限度增产，还应综合考虑当地自然条件、害风风向、树种结构以及农作物种类等，以选择适宜的林带走向。

目前，我国农田防护林东西、南北走向林带均大量存在，且树种多为杨树，对林带进行整形修枝能更有效地减轻林冠胁地。陈作州等[38]对豫东平原杨树农田林网林带修枝后，带东、带西、带北三侧林带至1H范围内光照强度分别显著增加7.49%、9.42%、10.43%，比未修枝区分别平均增产3.42%、5.74%、6.87%。修枝对不同农作物增产效果也不一样，孙尚伟等[39]发现相同的修枝条件下玉米的增产效果明显大于小麦，其原因是增产效果与农作物生长特性有关，小麦增产通过增加单穗粒数和粒重，而玉米增产主要通过增加穗数。

因此，为减缓林冠胁地现象，应通过科学的经营管理，对现有防护林进行定干整形修枝，以更大限度地降低林带遮阴，提高木材质量。此外，在营造农田防护林带时，应该尽量增大林带与农田的距离；树种选择以窄冠型树种为主，以减少遮阴；林下农作物以耐阴的作物为主；同时，选择与树种共盛期不同的作物，如麦子、油菜等播种时林木已近落叶，次年春天展叶时，夏收作物已度过了大部分生育生长期，故而胁地较轻。

3.2 林带根系胁地的克服

克服根系胁地的方法有很多，如开沟断根、旋耕断根、种植深根性树种等[40]。目前，使用较广泛且有效的方法是开沟断根，即在适宜地块，距林带1 m左右开挖一条长度与林带相同，宽0.4 m、深0.8 m的断根沟，切断林木伸入农田的根系。该法能有效减少林木根系对水、肥的竞争，从而提高农作物产量。王星[41]通过对阜新地区林带胁地的调查，发现无断根沟的林带胁地距离为1.05H，而有断根沟的胁地距离为0.66H。断根沟不仅减小林带胁地距离，还能降低减产率。笔者研究了徐淮平原农田防护林带有无断根沟对小麦产量的影响，发现有断根沟的林带，其南侧胁地范围内平均减产8.0%，林带北侧减产13.0%；而无断根沟的林带，南侧和北侧胁地范围内平均减产分别为23.2%、26.9%[28]。

挖断根沟虽然能够在短期内抑制林木根系生长，减缓胁地现象，提高粮食产量，但并不能长久地解决林带胁地问题。一段时间后，树木根系将越过断根沟而深入农田，重新恢复胁地作用。且从长期来看，挖断根沟有可能会增大林木根系胁地范围和强度，同时造成新的水土流失。因此，采用沟断根以减轻林带胁地并非万全之策[16,42]。

近年来，为了能更有效控制林带胁地现象，有些地区采用切缝贴膜新措施，即在林带边缘切缝放入塑料薄膜以改变根系生长方向来降低胁地程度。在林带边缘1 m处用拖拉机牵引林田切缝覆膜机，沿着林带方向切断树根，并开出一条长度与林带相同，宽5 cm、深1 m的窄沟，将塑料薄膜垂直放入沟中，覆土恢复原状。该措施的优点是：贴膜后能够真正阻碍根系深入农田，且切缝机能保证沟壁光滑，使塑料薄膜不易被扎破，有效作用时间可达15 a以上，且不会造成水土流失。塑料薄膜不会使根系停止生长，只是调整了生长方向，能有效减轻根系胁地程度。陈曦[42]在研究黑土区杨树农田防护林时，指出该措施能有效阻止根系进入农田，粮食产量提高49.74%，百粒质量也相应提高了22.18%。初丽芳[43]研究了半干旱地区农田防护优化技术及实施效果，发现在林带胁地范围内，切根贴膜可使土壤含水率增加2.75%，粮豆地上生物量增加75.5%。田福军[44]在辽西地区研究大扁杏林带根系胁地影响时指出，切根贴膜深度为1 m，距林带0.8、1.2和1.6 m的大豆高度分别比对照提高39%、37%和27%，比未处理同距离大豆产量分别提高3.6、3.17和3.41倍。但切根贴膜对林木生长的副作用往往容易被人们忽视，即对农田防护林的生长有抑制作用，其位置距林带越近对根系损伤越大，因而对林木生长的影响越大[42]。为保障农田防护林发挥最大的防护效益，同样不能忽视防护林带的生长，切根贴膜位置应与林带之间留足一定距离。总之，切根贴膜是控制根胁地较为有效的方法，能够获得较高的防护和经济效益。

除此之外，还可增施水肥以减缓林木根系与作物的竞争；在有条件的地区，随着林带栽植位置的升高可降低林带对低处农作物的影响；北方地区，在排水沟低于田面1 m处的沟坡处种植柳树，由于根系层降低，大大缓解其与高处农作物争肥争水的矛盾。

4 结 语

农田防护林带的胁地机理和规律是一个非常复杂的科学问题，与灾害性质、立地状况、林带特征(高度、疏透度、冠型特征)、农作物生物学和生态学特性、土壤肥力以及林带走向等密切相关，因此要准确、定量预测农田防护林的胁地效应是十分困难的。今后，在保障农区耕地安全的前提下，应从以下几个方面研究林带胁地效应：

1)在宏观方面，从林带的规划布局方面研究林带的胁地规律。近年来，关于农田防护林胁地效应的研究有所减少，但因胁地问题引发的林农争地矛盾越来越突出，为降低林带胁地程度，在农田防护林规划设计时，应将山、水、田、林、路作为一个整体，根据沟、渠、路配置，综合考虑林带的胁地规律和综合效益，为农田防护林规划设计提供科学依据。

2)在微观方面，从根、冠两方面研究农作物减产的机理。根胁地方面，主要研究林木根系与农作物根系争肥、争水的生态过程和作用规律，林木根系与农作物根系的化感作用[45]；冠胁地方面，着重研究林冠遮阴规律和农作物光合特性，从生理生态方面揭示农田防护林带的协地机理。

3)在克服林带胁地措施方面，根据林带胁地规律和机理，从农田防护林带规划布局、树种选择与配置、农作物品种选择、根系控制和水肥管理等方面，探寻克服林带胁地的有效途径，这也是今后的研究重点。

4)在新技术应用方面，利用现代技术开展全面、系统和长期观测。充分利用互联网、物联网、大数据、3S技术以及现代智能观测仪器，加大空间和时间研究尺度，对林带树种、农作物特性和土壤养分、水分变化规律等开展长期、定位研究，以便更加准确地监测防护林及农作物的动态变化特征，探究农田防护林的胁地规律，为采取有效的胁地控制技术提供理论基础。