干旱荒漠区农田防护林正负效应及其影响机制

2022-02-21马彬王帅吴依衍姜艳

新疆农业科学 2022年9期

马彬，王帅，吴依衍，姜艳

（石河子大学农学院，新疆石河子 832000）

0 引言

【研究意义】农田防护林在改善农田局地小气候、抵御风沙、改善绿洲生态环境、改良土壤等具有重要作用[1-3]，农田防护林体系研究受到重视[4]。受气候、水肥条件、树种等诸多因素制约，农田防护林对农田的正负效应具有明显的地域性。尤其在干旱荒漠生态脆弱区，大面积营造农田防护林对农田及农作物的正负效应及其影响机制对平衡生态治理有重要意义[5]。【前人研究进展】新疆气候干旱少雨，每年约有66.7×104hm2农田受风沙危害[6-8]。位于准噶尔盆地南缘的新疆绿洲垦区第八师150团场，已建成842 hm2农田防护林，其农田防护林主栽树种是杨树和榆树。杨树和榆树根系发达且分布较浅，在优化农田生态环境，增加农田生态系统生态效益的同时，也会通过“林作”种间竞争，根系“争水争肥”对林缘附件农作物造成减产降质[9-11]；农田防护林可能会通过影响光照、气温、风速、空气湿度等改变林缘附近农田微气候条件，形成不利于农作物生长的微气候效应，恶化林缘附近的农田生态系统环境[12-14]。密度适度、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；只有外界不存在水分胁迫时，农田防护林才能降低农田蒸散、改善农田水环境[15-16]。【本研究切入点】农田防护林对棉田的正负效应并没有形成定论。需研究干旱荒漠区农田防护林正负效应及其影响机制。【拟解决的关键问题】以第八师150团农田防护林及其附近棉田为研究对象，分析距防护林带不同距离处棉田气象要素、土壤理化学性质及棉花生长发育的变化，研究防护林对棉田的正负效应及影响机制，以及不同胁地范围内各因素与棉花生物量之间的关系，筛选出农田防护林胁地的主导因子，分析防护林与棉田间的关系。

1 材料与方法

1.1 材料

新疆第八师150团属温带大陆性干旱半荒漠气候，年平均气温6.1℃，极端最高气温43.1℃，极端最低气温-42.8℃，≥10℃的有效积温2 400～3 900℃，无霜期166 d。昼夜温差大，光、热资源充足。年平均蒸发量1 945 mm，年平均降水量117 mm，蒸发量为降水量的16倍。主要土壤类型为灰漠土，主要天气灾害有大风、冰雹、干热风和霜冻。主要风向为西北风。其西、北、东三面被沙丘环抱，建成842 hm2农田防护林。

150团农田防护林体系以窄林带、小网格模式为主体。农田防护林树种以杨树为主，主要为新疆杨（Populus albavar.pyramidalisBunge），作物主要有棉花。

在试验地灌渠上选取树龄相同，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农田作为观测研究对象。所选林带树10 a，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

在2018～2019年第八师150团采用田间观测调查与土壤理化指标测定相结合的方法，取近地南北走向的防护林带为固定观测样带，供试棉田在防护林带西侧，以主林带防护下的棉田为观测对象，设平均林带树高15 m为H，每条主线在距林带边缘0.1H、0.25H、0.5H、1H、2H、3H等6个测点，观测棉田气象要素（包括空气温度、风速、空气湿度、蒸发量、光照强度）、土壤理化性质（包括土壤含水量、pH值、全盐量、全氮量、碱解氮、速效磷、速效钾、有机质）以及棉花生长发育状况（包括株高、叶面积、生物量）。

1.2.2 样品采集与测定

田间土壤含水率在棉花生长旺盛的7～8月进行土壤样品取样，取样深度0～20 cm、20 cm～40～60 cm的混合土样，采用烘干法测定田间土壤含水率。

田间土壤肥力将取得的土样自然风干，结合土壤农化知识进行室内化学分析，测定土壤样品有机质、全氮量、速效钾、速效钾、全盐量、pH值的含量，每个土样重复测3次。

防护林带附近田间气象因素用农业环境检测仪，在距防护林带边缘0.1H、0.25H、0.5H、1H、2H、3H等6个观测点连续观测光照强度、风速、空气温度、空气相对湿度。观测期为5～9月棉花主要生长季节，选择晴朗天气，从09：00～21：00观测各种气象要素。

棉花干物质分别在棉花生长发育的苗期、蕾期、铃期植株取样，每个测点随机取样10株，采用烘干法测定植株干样生物量。

土壤有机质：重铬酸钾容量法-外加热法；全氮用凯氏定氮法；碱解氮采用碱解蒸馏法；速效磷用0.5 mol·L NaHCO3浸提钼锑抗比色法；速效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法；水溶性盐含量用电导率法；pH用酸度计测量，土壤含水量用烘干法。

1.3 数据处理

所有采样数据通过Excel16.0绘制图表和SPSS19.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 防护林对棉田生长发育的影响

2.1.1 防护林对不同距离下棉花生长的影响

研究表明，随着棉花的生长，叶面积逐渐增大，且在整个发育期叶面积均随距农田防护林的距离增大而增大；0.1H处最小，之后开始缓慢增大，其中0.1H与0.25H处棉花叶面积仅相差29%，0.1H与0.5H相差50%，从1H开始叶面积迅速增大，至2H与3H处达最大值，2H与3H仅相差4%。株高总体变化趋势与叶面积相似，0.1H处棉株最矮，至2H、3H处达最大，两者几乎无差异。图1

图1 播种后不同时间及距离下棉花株高和叶面积生长变化Fig.1 Cotton plant height and leaf area at different times and distances after sowing

2.1.2 防护林对不同距离下棉花生物量的影响

研究表明，随着距离农田防护林越远，棉花生物量呈现明显增大趋势；棉花苗期、铃期2H与3H处差异不显著，与0.1H、0.25H、0.5H、1H差异均显著，0.1H、0.25H、0.5H、1H之间也差异均显著；随着棉花生长发育，蕾期1H、2H与3H差异不显著，与其它距离差异均显著，0.1H、0.25H、0.5H差异均显著；其中0.1H处生物量最小，2H、3H处生物量最大；0.1H处生物量较2H、3H平均分别减少84.54%、84.78%，0.25H较2H、3H平均分别减少43.35%、44.28%，0.5H较2H、3H分别平均减少13.88%、15.24%，1H较2H、3H平均分别减少4.76%、6.27%。表1

表1 不同距离处棉花生物量变化Table 1 Changes in cotton biomass at different distances（%）

2.2 微气象环境因子胁地

2.2.1 微气象环境因子与棉花生物量的关系

研究表明，农田防护林带对棉田的光照强度和风速影响最大，相关系数可达0.963～0.995；其次是空气温度和蒸发量，相关系数为0.920～0.923；防护林带对棉田空气湿度的影响相对较小，相关系数为0.237。表2

表2 防护林带胁地气象环境主导因子Table 2 Leading factors of meteorological environment in the shelterbelt zone

2.2.2 棉田光照强度的水平分布

研究表明，随着距离农田防护林越远，棉田光照强度越大；其中0.1H处的光照强度最小，2H、3H处光照强度较大；前期（4.30～5.30）棉田中光照强度在0.1H、0.25H、0.5H、1H之间差异不显著，2H与3H差异不显著，但0.1H、0.25H、0.5H、1H与2H、3H之间差异均显著；中后期（6.10～7.10，7.25～9.15）0.1H、0.25H、0.5H之间差异不显著，0.1H、0.25H、0.5H与1H差异均显著，1H与2H、3H之间差异均显著。3H处的光照强度分别是0.1H、0.25H、0.5H、1H的18倍、13.5倍、8.9倍、2.2倍。表3

表3 不同距离处棉田光照强度时间变化Table 3 Changes of light intensity in cotton fields at different distances

2.3 土壤肥力胁地因素

2.3.1 防护林对棉田有机质的影响

研究表明，越靠近防护林带的棉田土壤有机质含量越低，其中0.1H处较对照减少15.29%～16.54%，0.25H、0.5H、1H、2H处分别较3H分别减少11.62%～14.09%、8.03%～8.83%、2.30%～5.20%和1.30%～0.30%；防护林带对有机质的影响范围在1H以内，2H与3H处棉田差别不大。表4

表4 距防护林带不同位置土壤有机质含量变化Table 4 Soil organic matter content in different locations of the shelterbelt

2.3.2 防护林对棉田全氮的影响

研究表明，0.1H、0.25H、0.5H全氮含量较3H分别减少25.00%～36.96%、15.91%～32.61%、9.09%～21.74%；1H、2H全氮含量较3H农田分别减少2.27%～13.04%、2.08%～2.17%；距离防护林带边缘越近的棉田其土壤全氮含量降低越快，至3H处达到最大；防护林带对全氮的影响范围在1H以内，棉田中全氮较对照平均降低10.17%～20.55%。表5

表5 距防护林带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，各土层土壤含水率均随着距防护林带得距离远近而逐渐增大；在0.1～1H，各土层土壤含水率随距离越远逐渐升高，大于1H时棉田各土层土壤含水率趋于稳定；土壤含水率在0～20 cm土层内波动较小，各距离处土壤含水率均随土壤深度增加而增加；在20～60 cm土层深度内波动较大，尤其是40～60 cm含水量在0.25H之后增加较快，至2和3H处逐渐平稳。图2

图2 不同测点土壤含水率变化Fig.2 Soil moisture content at different measuring points

2.3.4 土壤肥力对棉花生物量的影响

研究表明，农田防护林带对棉田土壤有机质、土壤含水率和全氮影响较大，相关系数分别为0.980、0.972、0.992；其次是碱解氮、速效钾和速效磷，相关系数分别为0.934、0.923、0.901；对土壤pH影响相对最小，相关系数为0.367；防护林对棉田土壤肥力的胁地的主导因子是土壤有机质、全氮。表6

表6 防护林带胁地土壤肥力因子Table 6 Soil fertility factors of the protection forest belt

2.4 防护林胁地主因子的筛选

研究表明，光照强度、有机质、全氮、碱解氮、土壤水分是影响棉花生物量的关键因子。对棉花生物量影响关键因子的排序为光照强度＞土壤水分＞全氮＞碱解氮＞有机质，而光照强度与土壤水分贡献率达73.66%；光照强度、土壤水分是防护林附近区域棉田防护林带胁地的主导因子。表7

表7 防护林胁地主因子多元逐步回归分析Table 7 Multiple stepwise regression analysis of landlord factors in shelterbelt threats

3 讨论

研究结果发现，防护林对棉花生物量的影响主要在0.1H～1H，大于1H时防护林对棉田胁迫效应较小；在棉花生于后期，随着棉花的生长抗逆能力的增强，防护林对棉田协迫距离减小；与Judd[17]、聂哲[18]等的研究结果一致；Singh等[19]研究发现在距林带9 m范围内小麦株高明显下降；研究发现，在0.1H处棉株株高最矮，至2H、3H处达最大，两者几乎无差异，与Judd的[17]结果一致；研究发现，在20 cm浅层防护林对土壤水分影响较小，各距离处土壤水分相差不大，但在0.25H范围内在40～60 cm土壤中防护林根系与棉田争水严重，0.5H处40～60 cm含水量较0～20 cm迅速增加，在0.5H时，随着距离越远防护林根系吸水逐渐减少；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。

绿洲防护林体系能够维持绿洲小气候的稳定，并降低自然灾害[20]。绿洲防护林内大气的冷湿效应与暖干效应的相互作用形成局地环流与逆温稳定层结，使林内凉湿空气得以保持，不利于林带附近作物生长[21]；研究发现，土壤水分和光照强度是棉田产量的主要影响因素，与崔晶[11]研究结果相似，即防护林冠幅遮阴面积越大时间长，林下农作物光照减少，地温升高，不利于农作物生长发育和干物质积累。长时间的遮阴导致棉田光合作用减慢，有机物质累计速率降低，从而形成防护林对棉田的“光胁地”；而土壤含水量成为影响棉花生长的另一主导因子，研究距离林带0.1H处棉田土壤含水率比1H减少5.01%，比2H减少5.92%，比3H处减少6.05%，距离防护林带越近，棉田土壤水分越少；主要原因一方面是因为150团垦区气候干旱，导致防护林根系向棉田延伸，与棉田争水维持正常生长；另一方面，近年来随着新疆棉田灌溉方式的改变，滴灌取代了过去的灌溉渠系，水分条件恶化而该树种根系发达，且其在垂直方向、水平方向上的分布范围和深度恰好与农作物根系分布范围重合，与朱玉伟[1]等研究结果一致。

研究表明，防护林对棉田土壤有机质、全氮的影响较大，胁地效应相对较为严重，其影响范围在水平方向上可达30 m（2H）左右，在垂直方向上可达地下60 cm左右；距离林带0.1H处棉田土壤有机质含量较3H处降低15.92%；距离林带0.1H处棉田土壤全氮含量较3H处降低37.68%，防护林带根系对棉田土壤肥力有很大影响。杨树水平根系分布距离可达1～1.5H，根系密集分布在15～50 cm土层间，以20～30 cm土层内分布最多[14]；而农作物的根系正集中在这土层范围，使得土壤中大部分养分被防护林根夺走，导致农作物减产；与薛灵芝[7]和刘峰等[22]的研究结果相似。研究发现防护林带内土质差、土壤贫瘠，而棉田内长年人为施用肥料，土壤养分丰富，根系的导肥性会促使防护林根系向棉田延伸，形成“根胁地”，加剧林带与棉田的水肥矛盾，影响棉花生长导致减产。Kowalchuk等[23]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范围内作物减产，而在2H～4H范围作物产量略有增加，与研究一致；且防护林带在减轻土壤盐渍化上有一定正面效应。