黄淮海平原两种不同林龄杨树防护林对麦田土壤水分及蒸散的影响

尹昌君，李春友，张劲松，孟 平，黄 辉，任庆福，高 峻

(1.中国林业科学研究院林业研究所，国家林业局林木培育重点实验室，北京 100091;2.河北农业大学，河北 保定 071000)

农田防护林是一种为了改善农田生态环境、保障和促进农业发展而建立的人工森林生态系统.黄淮海平原是中国的重要粮食产区，但由于大多数地区地处半干旱季风气候区，长期以来，大风及季节性干旱等自然灾害频繁，农田生态环境脆弱，严重制约农业生产发展.为此，该地区早在20世纪50～70年代就开始营造以防风固沙、保障农业生产为根本目的的农田防护林.20世纪80年代以后，将农田防护林纳入农业综合治理与开发的重要内容，全面发展以改善生态环境、确保粮食高产稳产、提高经济收入为目的，以农田林带(网)为主体、辅以各类林(果)农间作等模式的农林复合系统.并有众多试验研究证实:该地区林龄10 a左右的农田防护林已具有显著的生态及经济效益［1～8］.但该地区由于气候背景复杂、人口密度大及工农业的快速发展，农业水资源日益紧缺，已成为制约当地农业、林业可持续发展的最主要瓶颈.随着林龄的增长以及林带根系、叶面积增大，林木与作物之间的水分竞争程度会增加，防护林的水分效应会下降.而且，从农田生态系统的稳定性和区域水文效应的角度考虑，在天然降水偏少、季节降水分布不均、地下水位锐减的黄淮海平原农区，将大量根深叶茂的乔木引入长期以来保持单一作物栽培的地段/地块，或发展大面积、连网成片的防护林，会不会导致土壤水分更加干旱，以致恶化生态系统水分生态环境?由此涉及的平原农区防护林发展内容、规模、结构配置以及调控管理措施一直是人们关注的焦点问题.土壤水分是林带与作物水分竞争的直接对象，蒸散是生态系统耗水的主要方式，直接影响农田土壤水分的平衡过程.因此，极有必要了解同一地段、相同结构防护林对农田蒸散及土壤水分影响效应的年代变化情况，但目前尚未见研究报道，而已有相关研究均局限于某一林龄时期［1，3，4，9～12］.杨树是该区防护林的主栽树种.本研究将比较分析12 a生与24 a生毛白杨(Populus tomentosa Carr.)防护林对农田土壤水分及蒸散的影响效应，以期为解释上述焦点问题以及进一步为杨树防护林系统的结构配置、模式优化及经营管理提供必要的理论依据.

1 试验区概况及研究方法

试验区地处黑龙港流域的河北省饶阳县官厅乡(东经 115°40'，北纬 40°38')，属暖温带大陆性气候.年平均气温12.2℃，年均日照时数2 764.0 h，年均降水量549.8 mm，且75% ～80%的降水量集中于6～8月份，地下水位8～10 m(1990—1992年)，35 m(2007年).饶阳县地处冀中平原，总面积573 km2，耕地39 000 hm2，有效灌溉面积25 000 hm2，滹沱河自西向东从中部穿过，土地平坦;地貌类型为滹沱河决口淤积平原，土壤类型为砂壤质潮土;种植制度一年两熟.试验区面积849 hm2，于1983年始建，目前已形成农田林网为主体，辅以各类林(果)农间作、单一片林等多种形式结构组成的农林复合系统试验示范区.

2 材料与方法

2.1 试验材料

在试验区中部选择一林带及网格内作物代表性较好的林网，网格面积为500 m×250 m，主防护林为东－西走向，林带树种为毛白杨，一路两行(4 m×8 m).毛白杨栽植时间为1983年春季.1995年，平均树高12.0 m，平均胸径21.4 cm;2007年，平均树高20 m，平均胸径45 cm.林网内作物为冬小麦(Triticum aestivum L.)，1995年和2007年时，冬小麦品种分别为“农大97”、“良星99”;对照点(CK)选择在防护林体系外500 m处单作冬小麦的一片开阔地上，周围没有林木和高大建筑物的遮掩，土壤性状与防护林系统内基本相同.

2.2 测定布置、观测内容及方法

本研究以主林带防护下的农田为观测对象，测定当年的林带树高为H，在分别距南(S)、北(N)两侧林带方向0.1H(N0.1H，S0.1H)，0.25H(N0.25H，S0.25H)，0.5H(N0.5H，S0.5H)，1H(N1H，S1H)，2H(N2H，S2H)，3H(N3H，S3H)，4H(N4H，S4H)，5H(N5H，S5H)处及中心点(CEN)处测定土壤水分、叶面积、产量观测，N0.5H 及 S0.5H，N1H 及 S1H，N2H及S2H，N4H及S4H，CEN处观测微气象参数.对照点同步观测上述内容.

2.2.1 土壤水分观测 于1995年和2007年，在冬小麦拔节－乳熟期(约04－05—06－10)，每10 d测定1次土壤水分含水量，雨后加测.测定层次为0～10，10 ～20，20 ～40，40 ～60，60 ～80，80 ～100，100 ～120，120 ～160，160 ～200 cm.1995 年采用土钻烘干称重法，2007年采用TDR技术.

2.2.2 微气象观测 1995－04－01—06－10，于各测点活动面上0.5，1.5 m处用通风干湿表与三杯风速表进行温、湿、风梯度观测;于活动面上1 m处用CN-11辐射表(EKO公司，日本)观测净辐射;于各测点地表下2 cm处采用CN-11热通量板测定土壤热通量;每旬选择2～3 d多云－晴天日，共10个观测日，分别是1995年的04－17，04－18，04－23，04 －28，05 －06，05 －11，05 －17，05 －18，05 －19和05－25;于各观测日06:30—19:30，每小时观测1次，夜间蒸散忽略不计.

2007－04－10—06－15，于各测点作物冠层活动面上1.0 m处，自动(气象站)测定空气温度(Ta)、湿度(RH)、净辐射(Rn)、风速(V);另外，中心点、对照地还自动(气象站)测定太阳总辐射(Q)和降雨量(P);Ta和 RH，Rn，V，P，Q 观测所采用的传感器(探头)分别为 HMP45C，Q7，05103，土壤热通量，LI200X，TE525M;数据采集器每2 s采集1次数据，计算和保存30 min内的平均值.

2.2.3 小麦叶面积测定 在不同物候期，采用Li－2000植被冠层分析仪(LI－COR，Inc.，Lincon，USA)测定冬小麦叶面积指数(LAI).

2.4 小麦蒸散量计算

根据Penman-Monteith公式计算冠层蒸腾量(TR)［9，13］，再利用 LAI 和消光系数，推算蒸散量(ET)，主要计算公式如下:

式中:TR为作物蒸腾量(mm·s－1);ET为农田蒸散量(mm·s－1);L为水的汽化潜热(取2.45×106J·kg－1);Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa·℃－1);Rn为作物冠层净辐射(W·m－2);G为土壤热通量(W·m－2);ρa为为空气密度(kg·m－3)取1.293;Cp为空气定压比热(J·kg－1·℃－1)，取1 009.26;ea为饱和水汽压(kPa);ed为实际水汽压(kPa);γ为干湿表常数(kPa·℃－1)，取0.066;ra为空气动力学阻抗(s·m－1)，其测算公式见相关文献［13］;k为小麦消光系数，本研究取0.46(适用于小麦拔节期至乳熟期)［5］.rst为作物冠层总气孔阻抗(s·m－1)，计算公式［14］如下:

式中:rs·max为暗情况下最大气孔阻抗，rs·min为强辐射条件下最小气孔阻抗，本研究取 rs·max=4.5 s·cm－1，rs·min=1.79 s·cm－1;β 为阻抗对光的依赖参数，取186.3 cm2·s·J－1;Q 为太阳总辐射(J·cm－2·s－1);f(D)为空气饱和差D(mb)对rst的影响.

3 结果与分析

3.1 防护林对冬小麦农田土壤水分的影响

林网内农田土壤水分这种水平分布趋势主要与林带根系吸水水平分布不一致有关，即越接近林带，根系越密及吸水量越大、土壤水分含量越低(图1).以各测定日的各观测点的土壤贮水量(SWC)平均值为计算指标，与CK相比，12 a和24 a林网可使土壤水分分别提高7.8%和1.9%，说明2种林龄杨树林网均具有提高农田土壤水分的作用，但随着林龄的增长，这种提高效应值会降低.

由图2可知，12年生杨树林网内在距离林带0～10 m范围内的土壤水分低于CK(简称负效应区)、该范围外的土壤水分则高于CK(简称正效应区)，24年生在距离林带0～15 m范围内的土壤水分低于CK(简称负效应区)、此范围外的土壤水分则高于CK(简称正效应区)，说明当随着林龄的增长，这种负效应区将扩大、正效应区相应缩小.其主要原因在于:在一定时期内，林带叶面积、树高和胸径、根系分布范围等生物量指标均会随林龄的增长而增大，使得林带蒸腾耗水、根系吸水能力和范围会有所提高和扩大，即林带的水分胁迫强度和范围(简称“林带对水分的负效应强度”)会增强，故相对降低了总体提高效应.也说明了虽然因林带小气候效应，特别是在林带附近的遮荫作用，会减少作物蒸散量，故可增加土壤水分，但随林龄的增长，这种增加效应要小于林带吸水对土壤水分的负效应.X轴表示距离南侧林带的距离(如:170 m处表示距离南侧林带170 m，即距离北侧林带80 m，为2007年的S4H);Y轴表示林网内农田0～200 cm土层土壤贮水量(SWin)与对照的(SWCK)相对差异率(RDD)，计算公式:RDD=(SWin－SWCK)/SWCK×100%

图1 防护林内麦田0～200 cm土层土壤贮水量水平分布特征Fig.1 Variation of soil water storage in 0 ～200 cm layer with the distance from the shelterbelt in protected field

图2 防护林内麦田不同林带距离处0～200 cm土层土壤水分与对照的相对差异率的水分分布趋势Fig.2 Variation trend of relative difference degree of soil water between in protected field and at the reference(CK)with the distance from the shelterbelt

3.2 防护林对冬小麦蒸散量的影响

从图3可知，树龄为 12 a(1995年)，24 a(2007年)时，防护农田内各测点冬小麦蒸散量(ET)的日际变化趋势与对照点(CK)的均基本一致.说明防护林在其不同树龄时期不会影响小麦蒸散的时间变化特征，这是由于蒸散作为植物生理生态过程，其随生育进程的变化趋势主要由植物自身的生物学特性决定，只不过受到防护林小气候及林带根系吸水的影响，使得ET在防护农田内外及防护农田内距防护林带不同距离(简称“带距”)处的具体数值有所差异.其中，防护农田内ET随距林带距离的变化呈抛物线状分布趋势(图4)，且这种变化趋势在上述2种林龄期亦基本一致.

图3 防护林内小麦蒸散日际变化特征及其与对照的比较Fig.3 Daily variation of wheat evapotranspiration in the protected field and its comparision with that at CK

由表1可知，冬小麦拔节－乳熟期(04－10—06－10)，防护林内冬小麦蒸散总量在2007年(24 a树龄期)为 171.21 mm，日均值为 2.85 mm·d－1，比 CK 的3.81 mm·d－1低25.0%，其中，在拔节期－孕穗期、孕穗期－扬花期、扬花期－灌浆期、灌浆期 － 乳熟期分别为 2.43，3.59，3.24 和 2.44 mm·d－1，比 CK 低22.0% ～27.4%.在 1995 年(12 a树龄期)的10个观测日的平均值为2.93 mm·d－1，比 CK 的3.61 mm·d－1低19.1%(图4 －a).可见，防护林具有降低农田蒸散的作用，且随着树龄的增长，这种降低效应并未下降，这对缓解因树木根系吸水所导致的林带附近农田土壤水分下降的状况具有重要的作用.

表1 24年树龄杨树农田防护林内不同生育期小麦日均蒸散量与CK的比较(2007年)Table 1 Comparision of the mean daily evapotranspiration for wheat between in the field protected by 24-year aged shelterbelt and at CK during different wheat growth stage(2007年)

图4 防护林内小麦日均蒸散量水平分布趋势Fig.4 Variation trend of the mean daily evapotranspiration with the distance from the shelterbelt in the protected field

不过，从图4可知，在0～2H范围内，由于林带的小气候效应(特别是林带的遮光及防风作用)及树木根系吸水所导致的土壤水分的下降，故该范围内ET与CK的差异尤为显著.如在2007年冬小麦拔节 － 乳熟时期，S0.5H，S1H，N0.5H，N1H 的ET 平均值为2.49 mm·d－1，比 CK 的3.85 mm·d－1(图 4 －b)低 35.4%.而 4H-Center内，由于林带的小气候效应逐渐减弱以及树木根系已延伸不到4H附近处，该范围内ET值则接近于CK的ET值，在2007年二者仅相差6.7%.

4 结论

在黄淮海平原黑龙港流域小麦拔节－乳熟期间，试验观测12 a和24 a林龄、长500 m、宽250 m杨树防护林内农田及旷野(CK)农田土壤水分和蒸散量，对比CK，分析防护林水分效应的年代变化特征，结果表明，越接近林带，因根系越密及吸水量越大，故土壤水分含量越低;12 a林龄时，在距离林带10 m范围内的土壤水分低于CK(简称负效应区)，该范围外的土壤水分则高于CK(简称正效应区);24 a林龄时在距离林带15m以内为负效应区，此范围外为正效应区.总体而言，杨树防护林具有提高土壤贮水量的作用，但这种提高效应会随着树龄的增长而有所降低.

上述2种林龄期防护林均具有显著降低农田蒸散的作用，并随距林带距离的变化均呈抛物线状分布趋势.在0～2H范围内，由于林带的小气候效应(特别是林带的遮光及防风作用)及树木根系吸水所导致的土壤水分的下降，这种降低作用尤为显著.随着树龄的增长，防护林对农田蒸散的降低效应并未下降，故对因树木根系吸水所导致的林带附近农田土壤水分下降的状况，具有重要的缓解作用.

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