典型荒漠农田防护林对棉田土壤水盐动态的影响

吴依衍，马 彬，姜 艳

(石河子大学农学院，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】我国荒漠化土地局部地区仍在扩展[1]。随着绿洲生态环境改善，新疆已有70个县(市)、128个农垦团场实现了农田林网化，使全疆 85%的绿洲农田得到了农田林网的庇护。位于准噶尔盆地南缘的新疆绿洲垦区第八师150团场，其东北、北、西三面为沙丘[2]。目前150团场已建成842 hm2农田防护林[3-4]。农田防护林在防止绿洲区沙漠化，改善环境等起到了重要的绿色生态屏障作用[5-7]。定量分析干旱区农田防护林对农田水盐动态的影响，对研究农田防护林降盐改土、改善区域性水量平衡状况，提高农田防林营造和林木定向培育质量有重要意义。【前人研究进展】土壤水分是干旱半干旱地区生态建设的基础物质[8]。干旱荒漠绿洲垦区水资源有限，而林木本身根系耗水量大。150团农田防护林体系主栽树种是杨树和榆树，主要农作物是棉花。杨树和榆树根系发达且分布较浅[9]，易与棉花产生争水肥矛盾[10-11]；杨树、榆树根系为了获取水分，不断向棉田范围延伸[12]。盐渍化已成为农作物生长发育的关键制约因素[13]。土壤水盐动态是水量平衡的重要分量，也是改良土壤、防止土壤盐渍化、促进土壤资源持续利用的关键[14]，在农田防护林对附近农田土壤水盐动态研究已有相关报道[15]。有研究认为，密度适宜、树种及时空结构合理，林木可降低作物蒸散、提高农田土壤含水量，有效改善农田水环境，提高农业生产力[16]。有关防护林具有脱盐效应的研究认为，农田防护林植被具有复杂的根系，可以有效地吸附土壤中的盐基离子，对降低土壤表层及耕作层的全盐量效果极为明显，可防止次生盐渍化[17-18]。杨树可使土壤碳酸钠盐滞留在30 cm左右，0～20 cm土层全盐量较旷野可减少66%，1～11H(H表示防护林带树高)之间全盐量可减少86%～90%。灌木林促使硫酸盐及碳酸盐向土壤47 cm以下移动，0～30 cm土层防护林带较旷野可减少约65%。充分利用好荒漠防护林的根系效应以及对局部小气候的影响[19-20]，可以促进土壤养分的转化，加速荒漠防护林下土壤的发育进程，降低土壤水分蒸发量，改善土壤水盐动态[21-22]。【本研究切入点】滴灌有利于棉花生长发育和控制土壤盐渍化的发生[23-24]。节水滴灌下，土壤水分的蒸发量明显降低[25-26]。但在灌溉方式改变的情况下，农田防护林的存在对其附近的农田土壤水盐造成的影响尚不清楚。研究典型荒漠农田防护林对棉田土壤水盐动态的影响。【拟解决的关键问题】以新疆荒漠绿洲150团农田防护林为研究对象，研究林棉土壤含水量、土壤蒸发量动态特征，分析林棉种间水分利用关系和干旱绿洲区农防林生态用水机理，为新疆绿洲农田防护林合理灌溉，建立防护林以及土壤盐渍化防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

150团占地面积451 km2，拥有土地面积4.51×104hm2(67.614亩)，耕地面积1.374×104hm2(20.61万亩)，实有造林面积0.211×104hm2(3.157 5万亩)；该研究区属于温带大陆性干旱荒漠气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热，降水稀少而蒸发量大；当地年降雨量平均100 mm左右，年蒸发量高达1 900～2 700 mm，年均气温达6.2℃，夏季极端气温达43.1℃，冬季极端气温达-42.8℃，日照时间长，风沙活动频繁，气候干燥。

试验于2018～2020年4～10月在第八师150团中部粮棉灰棕漠土区进行。该区域农业生产以滴灌为主，作物主要是棉花；农田防护林体系以窄林带、小网格模式为主体，树种以杨树为主，主要为新疆杨(PopulusalbaL.Var.pyramidlis)和二白杨(PopulusnigraVar.thevestinaxp.simonii)。研究选取树龄相同，长势良好，无病虫害且林带结构较完整的新疆杨农田防护林带和其林网内棉田作为观测研究对象。所选林带树龄10a，6行，通风结构，株行距 1 m×1 m，平均树高15.0 m，平均胸径 52 cm。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

土样采集按照原位定点长期取样观测法，在防护林系统布置6个采样点，分别为林带、0.1H、0.25H、0.5H、1H、2H和3H，H为防护林的平均树高；每个采样点分别重复采样3次并划分为a、b、c 3组。取样时间为每月中和月末。测定土壤含水量、土壤蒸散发、电导率、盐分以及pH。图1

图1 各地段取土分布Fig. 1 Soil extraction distribution in various sections

1.2.2 样品采集及测定

在各个地段采集点用土钻法获取土壤样品，15 d 采集 1 次。采集深度为100 cm，每 20 cm 取样。每层所取土样分成 2 份，1份土壤样品迅速装入铝盒用烘干法测定土壤质量含水量；另1份土壤样品装入自封袋密封，带回实验室，去除杂物，放置在阴凉的通风室自然风干后充分研磨、过 2 mm 筛，按照 5∶1 水土浸提液法，采用 pH 计和电导仪测量土壤标准液 pH 值和 EC 值。土壤蒸发量则在试验地使用环刀法测定，即在日出前人工将换刀从土壤表面按下，将其推入土壤，然后取出盛有原状十柱的环刀削去底部多余的土壤，用聚乙烯胶带封底，用百分之一的电子天平称重。称重后放回原处，在日落后取出继续称重，2次称重之间的重量差即可换算为土壤蒸发。

将0.1H、0.5H、1H及2H 4个处理的全盐量与3H处进行对比，分析防护林脱盐效果。土壤全盐量及脱盐率计算：

Y=-7.538 71+0.234 237X1+15.494 47X2.

(1)

式中：Y为土壤含盐量(g/kg)，X1为电导率(mS/ cm)，X2为土壤水分含量(cm3/ cm3)。

RSDR=(S2-S1)/S1.

(2)

式中：RSDR 为脱盐率(%)，RSDR为正值时表示土层盐分增加，脱盐率为负值时表示土层盐分减少，S1为3H处土壤含盐量(g/kg)，S2为其他距离处土壤含盐量(g/kg)。

1.3 数据处理

使用 Excel 2010进行数据处理及作图，SPSS 20.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率

研究表明，防护林林带各层土壤含水量均小于棉田，平均仅为4.14%。距离防护林带边缘0.1H和0.25H处棉田各层土壤含水量平均为5.08%～6.35%，0.5H处土壤含水量开始逐渐上升至9.58%；>1H处棉田土壤含水量迅速上升，至2H、3H处上升至11.21%～12.44%。

林带与0.1H处各层土壤含水量差异均不显著，且显著低于其他处理(P<0.05)；0.25H、0.5H含水量显著大于0.1H和林带(P>0.05)；至2H、3H处土壤含水量显著高于其他所有处理(P<0.05)，但2H和3H之间差异不显著(P>0.05)。表1研究表明，不同距离处土壤水分水平分布特征，各距离处均表现为表层0～20 cm土壤水分最少，随着土层深度增加，土壤含水量呈增加趋势，至土壤100 cm土壤含水量最大。在<1H处土壤60和80 cm含水量较40 cm增幅较小，仅增加6.52%～7.75%，而≥1H处土壤60和80 cm较40 cm增幅较大，增加量达13.89%～16.03%。防护林对<1H处棉田土壤0～40 cm、40～80 cm含水量均有胁迫效应，即与近距离1H范围内棉田争夺水分。>1H处棉田60 cm、80 cm土壤含水量较40 cm迅速增加，防护林对>1H范围内棉田深层60 cm、80 cm含水量影响较小，基本不会与远距离2H、3H范围棉田争夺水分。图2

图2 不同地段土壤含水率水平分布Fig.2 Soil moisture content at different distances

2.2 棉田与其防护林土壤蒸发量特征

研究表明，棉花不同生育期土壤蒸发量表现为吐絮期蒸发量最大，开花期蒸发量最小；各生育期土壤蒸发量均表现为距离防护林林带越近蒸发量越小。其中0.1H、0.25H和0.5H蒸发量均维持在0.86～1.25 mm的较低水平，且三者之间差异不显著(P>0.05)；0.5H之后土壤蒸发量逐渐增大，至3H处蒸发量最大，且显著高于≤1H处蒸发量(P<0.05)。图3

2.3 棉田与其防护林土壤盐分分布特征

2.3.1 农田防护林体系土壤盐分分布

研究表明，0～20 cm土壤含盐量最低，40和60 cm含盐量最高。林带土壤盐分含量最低，随距离林带边缘越远，棉田土壤盐分含量呈增加趋势，至距离林带1H，2H，3H处土壤盐分含量达最大。

棉田0～100 cm土壤盐分含量LSD多重比较不同距离处棉田土壤全盐含量都明显高于林地，差异达到极显著水平(P<0.05)，1H、2H、3H棉地的含盐量差异不显著(P>0.05)。其中0～20 cm土壤含盐量在≤0.5H范围内保持较低水平， 1H处迅速增大，相比0.5H处增大了2.11倍，但之后随着距离增加，2H、3H之间无显著差异(P>0.05)；40 和60 cm处土壤含盐量均表现为离防护林越远含盐量越高，直至1H处，之后变化不大； 80 cm林带和0.1H处差异显著，但100 cm林带与0.1H处差异不显著。之外其他处理无显著差异。图4

图4 农田防护林体系土壤盐分分布Fig.4 Soil Salt Distribution in Cotton Field

2.3.2 防护林边缘不同距离处棉田土壤盐分改变量及脱盐率

研究表明，不同深度土壤在0.1H处平均脱盐率达到11.89%，0.5H处次之，平均脱盐率3.74%；>1H开始脱盐率急剧减小，40～100 cm脱盐率甚至出现0或负值。距离防护林0.5H范围内，脱盐效果明显，>1H开始防护林脱盐效果较弱。0～20 cm全盐含量最小，其次是20～40 cm，较0～20 cm增加了4.18%，40～100 cm土层含盐量最大，较0～20 cm增加了8.44%，棉田土壤盐分多聚集在深层。不同距离处全盐含量在0～20、20～40 cm以及40～100 cm的表现基本相同，均为0.1H处含盐量最小，0.5H次之，1H之后含盐量开始增加，至2H、3H处达最大，且2H与3H差异不显著(P>0.05)，距离防护林越远，棉田土壤含盐量越大。表2

表2 不同处理下 0～20、20～40 及 40～100 cm 土层盐分的改变量及脱盐率Table 2 The salt change and desalination rate of 0-20, 20-40 and 40-100 cm soil layers under different treatments

2.4 棉田与其防护林土壤pH

研究表明，距离防护林边缘越远，pH越大，0.1H、0.25H及0.5H处相比3H处分别降低了0.12%、0.14%和0.09%，1H处pH值最小，相比3H处pH值平均降低3.5%。图5

注：不同字母表示不同处理差异达显著水平(P < 0.05)

3 讨 论

3.1 农田防护林对棉田土壤水分的影响

林带及距离防护林边缘不同距离处土壤含水量表现为林带最低，离林带越远平均含水量越高。其中0.1H和0.25H处平均含水量相比林带仅上升了1.23和1.53倍，而到了0.5H处则迅速上升了2.31倍，1H之后含水量基本保持不变，相比林带上升了2.7倍。距离林带0.1H，0.25H处土壤含水量低可能是因为距离防护林较近的棉田易受防护林水分胁迫；0.5H处土壤含水量开始增加，说明此距离处防护林水分胁迫效应有减弱趋势；1H之后棉田土壤含水量明显上升，且与2H、3H处差异不显著(P<0.05)，此范围内的棉田基本脱离了防护林带的争水负效应。这与刘丽霞[27]的研究结果林缘附近农田受林带根系的吸水影响较大，随着距离林带越来越远，林带根系的影响逐渐减弱相符合。

土壤含水量水平分布特征表现为，林带及不同距离处棉田土壤表层0～20 cm及20～40 cm土层含水率低，根系生物量的分布随土壤深度的增加而递减，约90%的根量集中在耕层0～40 cm土层，越到深处根系对土壤水分的作用越小，为越往深处林地及棉田土壤含水率越大。其中<1H处土壤60 cm较40 cm含水量仅增加6.52%～7.75%，而≥1H处土壤60 cm、80 cm土壤含水量较40 cm增加量达13.89%～16.03%，这进一步确定了林棉水分利用关系，即农田防护林的浅根系在其1H的范围内同棉株争夺水分，60 cm深根系蔓延到了1H处；超过1H范围，农田防护林与2H、3H处棉田“争水”效应减弱，尤其60 cm以下深根系与棉田的 “争水矛盾”不那么明显。产生此结果的原因可能有两方面。一是杨树为浅根系物种，根系发达，须根系根量巨大，其根系主要集中分布于上层(0～60 cm)土壤中，即60 cm处林木根系可能会与棉田根系土壤争水。

各生育期距离防护林林带越近土壤蒸发量越低，说明防护林可以显著降低其附近棉田土壤蒸发量，至3H处棉田土壤蒸发量与2H的差异不显著，说明防护林具有保水效应，且≤0.5H处防护林保水效果最好，1H处之后防护林保水效应开始变小。结合不同距离处棉田土壤含水量特征，距离防护林越近土壤含水量越低，这进一步证明防护林附近的棉田土壤水分主要是被林木根系争夺消耗。2H处已经完全脱离了防护林的保水效应区。这与孙浩[29]的研究结果干旱区绿洲防护林网对农田蒸散量具有显著的降低效应相符合。

3.2 农田防护林对棉田土壤盐分的影响

土壤全盐含量是调查土壤盐渍化程度的指标之一，土壤盐分过高会危害作物，造成作物生理性干旱，尤其是聚积在表土的Na2CO3、K2CO3等盐分对棉株的根、茎交界处的组织伤害最大。早有研究证明林木具有抑制土壤脱盐返盐效应，原因一方面可能是林木通过降低气温、地温、降低风速抑制蒸发；另一方面林木加速了叶面蒸腾，阻碍了地下水的地面蒸发途径，抑制或减小土壤返盐，对防护林系统一定范围内的农田具有显著降盐作用，从而延长农田耕种10～12年[28]。研究表明，林带的土壤盐分含量明显低于棉田(P<0.05)，距离林带越远，土壤盐分含量呈增加趋势，至距离林带1H，2H，3H处土壤盐分含量达最大，且三者差异不显著(P>0.05)；0～20 cm土壤含盐量在≤0.5H棉田范围内保持较低水平，1H处开始迅速增大，防护林对近距离棉田(<1H处)土壤具有一定的压盐效果，表2不同距离处0～100 cm 土层盐分改变量及脱盐率同样印证了这一结论。在0.1H处平均脱盐率达到11.89%，0.5H处3.74%，距离防护林越近，脱盐效果越明显；0.1H范围内40～60 cm土层脱盐率最大，平均达14.38%，这也可能是滴灌使作物主根系区形成脱盐区。杨逢建[29]的研究结果表明，在盐碱地栽种杨树人工防护林后，土壤碳酸根含量显著下降，这与研究的的结果相符合。

4 结 论

4.1 农田防护林对荒漠缺水绿洲区农田具有一定的“争水”负效应，这种效应在距离防护林边缘1H范围内更加明显，0.1H处“林棉争水”严重，0.25H处争水较0.1H处有所缓和，随着距离防护林带越远，“争水”效应减弱；至2H、3H处棉田基本脱离了农田防护林带的“争水”负效应。

4.2 林带的土壤盐分含量明显低于棉田，且差异极显著；距离林带越远，土壤盐分含量呈增加的趋势，到距离林带1H、2H、3H处的土壤盐分含量上基本一致，在0.5H的范围内，盐分较集中在40～60 cm层段，盐分的表聚现象并不明显，防护林在0.5H的范围内压盐效果良好。0.5H范围内含盐量明显低于1g/kg，未出现盐渍化现象。

4.3 农田防护林的脱盐效果明显，尤其在0.1H处平均脱盐率达到14.38%以上，即距离农田防护林越近，脱盐效果越明显；0.5H范围内0～20 cm土层脱盐率达3.21%，农田防护林对降低农田土壤表层及耕作层全盐量效果明显，可防止次生盐渍化。