宁夏平原农田防护林小气候效应及对玉米产量的影响

何 俊，李妍红

（1.宁夏大学资源环境学院/宁夏大学环境工程研究院/

教育部中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，宁夏 银川 750021；2.银川职业技术学院，宁夏 银川 750021）

【研究意义】作为农田生态系统的屏障，农田防护林具有降低风沙灾害、控制土壤侵蚀、调节小气候、提高农业生产力水平等重要功能，对维护农业生态平衡和促进农业可持续发展等具有重要意义［1-2］。通过研究防护林对农田空气风速、空气温度、空气湿度、土壤含水率等气候因子的影响，对农田防护林结构优化和科学管理具有重要意义。【前人研究进展】国内外学者针对农田防护林树种选择［3］、林网结构［4］、风力效应［5］、热力效应［6-7］、水文效应［8］、防护林对土壤性质影响［9-10］、气候因子对作物产量影响［11-12］、3S技术的应用［13］等开展了广泛研究。大多数学者认为在林带疏透度0.35～0.40、透风系数0.5～0.6条件下，林带防风效应最佳［4，14］。邴贝贝等［7］认为，林带防护范围随林带高度的增加而增加，防护林对气候因子的影响范围一般在距离林带2 H范围内（H为防护林树高）［15］。林带对农作物的增产幅度在10%～30%之间［16］。赵珊珊等［6］、黄守科［11］、PENG等［17］、王宁庚等［18］、赵阳等［19］针对防护林对小麦、棉花、玉米、水稻产量影响作了相关研究，普遍认为距林带1 H内因防护林带的遮阴作用以及水肥竞争导致作物减产，且0.5 H范围内作物减产比较严重，2～18 H为增产区。黄守科［11］研究表明，宁夏农田林网北侧林带0.4 H范围内为小麦减产区，0.7 H外为小麦增产区，林网内小麦总增产10.65%。王宁庚等［18］对宁夏引黄灌区防护林胁地效应作了调查，结果发现1 H内林带胁地效应明显，0.2、0.5 H玉米地上鲜生物量分别减少52.73%和26.06%。查同刚等［20］、段玉玺等［21］、崔强等［22］、左忠等［23］对宁夏农田防护林的防风阻沙效应及气候效应作了相关研究，他们认为防护林具有防风阻沙、改善作物生长环境等作用，林带疏透度为0.35～0.45时其防风效较高；防护林网内农田的空气相对湿度比旷野提高4.8%，4 H处风速最低，8 H处土壤含水率最高；与沙柳和榆树防护林相比，小叶锦鸡儿片林防风阻沙效果最佳。【本研究切入点】国内学者对宁夏农田防护林的研究主要集中在树种选择、防风阻沙、地表风蚀等方面，查同刚等［20］对防护林小气候效应作了相关研究，但防护林对不同距离处土壤含水率和作物产量的影响效应未知。【拟解决的关键问题】本研究选择取宁夏平原青铜峡地区新疆杨农田防护林网，对不同距离处的风速、空气温湿度、土壤含水率及玉米产量进行了监测分析，并探讨了农田防护林的小气候效应及对玉米产量的影响，以期为宁夏平原农田防护林的科学规划等提供参考和指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区域位于宁夏青铜峡市李俊镇，黄河上游，宁夏平原中部，地理位置为105°21′～106°21′E、37°36′～38°15′N。属中温带大陆性气候，冬无严寒，夏无酷暑，四季分明，气候干燥。年平均气温9.2 ℃，极端最低气温-25.5 ℃，极端最高气温37.7 ℃。年降水量175.8 mm，年平均无霜期178 d，年日照时数2 980.1 h，年蒸发量1 946.1 mm。主要气象灾害有大风、沙尘暴、高温、低温冷害、寒潮、霜冻、冰雹、暴雨、山洪等灾害。选取代表性的新疆杨防护林带：3行新疆杨，平均胸径39.7 cm，平均树高21 m，株距2.5 m，行距3 m。选取无防护林的农田区域为对照区。

1.2 试验方法

1.2.1 测定点选择 在防护林背风面设定调查线，以距离林带树高倍数（H）来确定测点位置，分别在林带不同距离处（0.5、1、3、5、7、10 H）选择观测点。

1.2.2 风速、空气温度、湿度测定 2018年6月，

使用pH-Ⅱ小型自动气象站连续测定距地面2 m处的风速、空气温度和湿度。

1.2.3 土壤含水率测定 测定风速等气候因子的同时，将观测点0～20 cm和20～40 cm土样混合后放入铝盒，称重。称好后的铝盒放在105 ℃左右的烘箱中烘干，待质量稳定后确定烘干后的质量，每个观测点3次重复。土壤含水率计算公式如下：

式中，w为土壤含水率，m0为烘干空铝盒质量，m1为烘干前铝盒和土样质量，m2为烘干后铝盒和土样质量。

1.2.4 玉米株高测定和产量估算 玉米进入成熟期后，在不同观测点选取植株进行株高测定；收获期在不同观测点选取1 m×1 m用于产量测定，3次重复。

采用Excel 2010和SPSS 19进行数据处理及分析。

2 结果与分析

2.1 林网内风速变化特征

图1 林带不同距离处的风速Fig.1 Wind speed at different distance of the helterbelt

由图1可知，农田防护林具有明显的防风作用，林带不同观测点的风速比对照点分别降低 34.6%、29.2%、38.2%、47.9%、40.5% 和37.6%，整体上风速比对照点降低38%，差异显著。10 H范围内，风速呈现先升高、后降低、再升高的趋势。1 H处风速最大，与3 H、5 H、7 H和10 H处有显著差异，5 H处风速最低，与其他观测点均有显著差异。

2.2 林网内空气温度变化特征

由图2可知，农田防护林具有一定的调节空气温度的作用。0.5 H和1 H处平均空气温度较低，从3 H处开始平均空气温度开始升高，5 H处平均空气温度最高。3 H、7 H和10 H之间平均空气温度无显著差异，其他观测点之间有显著差异。农田防护林10 H范围内平均空气温度比对照点降低0.7 ℃。

图2 林带不同距离处的平均空气温度Fig.2 Average air temperature at different distance of the shelterbelt

2.3 林网内空气湿度变化特征

由图3可知，当对照点平均空气湿度为25.5%时，林带不同观测点的平均空气湿度比对照点分别增加6.7%、3.9%、4.7%、6.8%、4.8%和3.7%，整体上平均空气湿度比对照点增加5.1%，对照点的平均空气湿度与防护林网各观测点有显著差异。10 H范围内，平均空气湿度呈现先降低、后升高、再降低的趋势。0.5 H和5 H处平均空气湿度较高，并与其他观测点有显著差异。

2.4 土壤含水率变化特征

图3 林带不同距离处的平均空气湿度Fig.3 Average air humidity at different distance of the shelterbelt

图4 林带不同距离处的土壤含水率Fig.4 Soil water content at different distance of the shelterbelt

由图4可知，当对照点土壤含水率为17.8%时，不同观测点的土壤含水率比对照点分别增加0.5%、1.2%、2.5%、2.8%、2.3%和1.6%，整体上土壤含水率比对照点增加1.8%，对照点的土壤含水率与3 H、5 H、7 H和10 H处有显著差异。10 H范围内，土壤含水率呈现先增加、后减少的趋势。0.5 H和1 H处土壤含水率最低，0.5 H处与3、5和7 H处有显著差异，1 H与5 H处有显著差异，5 H处土壤含水率最高。

2.5 农田防护林网对玉米株高和产量的影响

距林带不同距离处玉米株高和产量比较见图5和图6。图5、图6表明，0.5 H处玉米平均株高比对照点玉米降低102 cm，0.5 H处玉米平均株高显著低于其他观测点，1～10 H处玉米平均株高比对照点高10 cm以上，最大值出现在5 H处，与对照点有显著差异，比对照点高25 cm。防护林10 H范围内玉米平均株高比对照点低1.5 cm。

0.5 H处玉米产量比对照点降低26.3%，0.5 H处玉米产量显著低于其他观测点，1～10 H处玉米产量分别比对照点增加8.8%、16.9%、18.6%、17.7%和17.0%，最大值出现在5 H处，3H、5H、7H和10 H处玉米产量无显著差异。防护林10 H范围内玉米产量比对照点增加8.8%。

图5 林带不同距离处的玉米株高Fig.5 Maize height at different distance of the shelterbelt

图6 林带不同距离处的玉米产量Fig.6 Maize yield at different distance of the shelterbelt

3 讨论

农田防护林带网可降低风速、改善林网内空气温湿度状况，起到降温增湿的效果［24］，且具有一定的增产效应。随着与林带距离的增加，新疆杨农田防护林背风面不同距离处的风速呈现先升高、后降低、再升高的趋势，这与鲍玉海［25］研究结果基本一致。当风经过防护林带，一部分穿过林带产生大量漩涡，另一部分被迫抬升翻越林带。因林带树干部分透风系数较大，在防护林背面0.5 H处有一个较大风速区，由林冠上方越过而下降的气流所形成的漩涡导致1 H附近风速增加，但0.5 H和1 H处风速均低于对照区。朱廷曜等［4］认为疏透林带最低风速出现在背风面3～8 H处，这与本研究结果基本一致。查同刚等［20］、左忠等［23］研究也发现距林带1 H处风速高于3 H、5 H和7 H处。但张鑫童［12］研究表明3 H处风速最高，0.5 H和1 H处的风速最低，这可能与防护林带疏透度及对照区风速大小有关。疏透度越低，靠近林缘处风速越低。

由于林带的遮荫作用，使背风面林缘处附近接受太阳总辐射量减少，空气温度低于其他观测点，随着与防护林距离的增加，林带遮荫作用减弱，空气温度逐渐增加，平均温度的最大值出现在距离林带5 H处。鲍玉海［25］研究结果表明温度的最大值出现主要与风速减弱有关，5 H处风速最低，空气温度最高，这与本研究结论一致。防护林5 H之后，随着距离的增加，温度变化幅度很小。

空气湿度是影响作物吸水与蒸腾的主要环境因子，农田防护林网具有增加空气湿度的作用，但由于风速和乱流的作用使林带对防护林不同距离处的影响有一定差异。随着距离的增加，有的研究表明林带背风面空气湿度呈现先升高、后降低、再升高的趋势［25］，有的研究表明林带背风面空气湿度呈现先急剧降低、后逐渐升高、再逐渐降低的趋势［20］。这与防护林的结构、农田蒸发、林带蒸腾及观测点风速等有关系，一般情况下，1 H范围内农田蒸发的水分和林带自身的蒸腾作用产生的水分共同的作用会导致空气湿度较高，但当林带透风系数较大时，1 H范围内的风速可能会高于其他区域，较高的风速会在一定程度上降低空气湿度。由于农田防护林网林木自身生长需要消耗水分，特别是深层土壤的水分，造成林带周围土壤含水率较低甚至低于对照区［12，25，26］。本研究距林带0.5 H处的土壤含水率最低，且低于对照区，与其他研究结论一致。1～10 H处的土壤含水率与空气湿度呈现相似的变化规律，且二者与风速的变化有一定关系，在风速最低的5 H处，土壤含水率与空气湿度最高，这说明防护林网内的土壤含水率和空气湿度的变化与林带的防风效应密切相关［12，20-25］。

由于林带对作物的遮荫作用及与作物间的水分竞争，导致林带0.5 H内玉米植株高度较低，产量低于对照，距林带3～7 H处的玉米产量高于对照区［25］。黄守科［11］、张鑫童［12］的研究也表明距防护林带0.4～0.5 H范围属于减产区，且0.2 H属于严重减产区。王宁庚等［18］认为宁夏农田防护林1H范围内胁地效应明显，0.2 H和0.5 H处玉米单株鲜生物量分别减少52.72%和26.06%。

4 结论

通过对宁夏青铜峡市新疆杨防护林小气候效应及对玉米产量的影响研究，得出以下结论：（1）新疆杨防护林具有明显的防风效应，风速呈现先升高、后降低、再升高的趋势。（2）防护林具有一定的调节空气温度的作用，不同观测点的温度无显著差异。（3）防护林具有增加空气湿度和土壤含水率的作用，且在一定范围内呈现相似的变化规律，并与风速密切相关。（4）防护林可提高作物产量，除0.5 H处玉米产量低于对照，其他观测点产量均高于对照。