2024, Vol. 44 
2. 塔里木大学 园艺与林学学院, 新疆 阿拉尔 843300;
3. 塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室, 新疆 阿拉尔 843300
2. School of Horticulture and Forestry, Tarim University, Alar, Xinjiang, 843300, China;
3. Key Laboratory of Biological Resources Protection and Utilization Corps of Tarim Basin, Alar, Xinjiang 843300, China
南疆地区属暖温带大陆性干旱荒漠气候，生态环境极其脆弱，抗干扰能力差，其农业灌溉区风沙侵害、土壤侵蚀严重，水资源分布极不平衡[1]。为保护农田的生态安全，20世纪90年代，南疆地区建成了“窄林带、小网格”模式的农田防护林网络体系，成为南疆地区人工绿洲生态系统不可或缺的组成部分，在减少土壤侵蚀、防风阻沙和保护作物、牲畜和农田方面发挥着重要作用[2]; 同时，农田防护林也成为保障农业生产、促进可持续发展的重要人工生态工程[3-4]。前人[5-7]在防护林防护效益研究过程中发现，由于林带的庇护作用，农田内部风速、空气温度、湿度、光照强度较旷野处均有较大改善。开展农田防护林建设，除了可以改善田间小气候外，对水土流失防治也具有重要作用。在干旱区，土壤水分是重要的水资源，了解干旱区农田土壤水分异质性变化有利于水资源管理和生态系统调节。聂哲[8]、王栋[9]、刘丽霞等[10]研究发现有防护林防护的农田土壤含水量较无农田防护林防护有所增加，且随着与林带距离的增加，土壤含水量呈现出规律性变化。前人对土壤含水率变化规律的研究认为，由于土壤性质、地形、植被、气候和人类活动的复杂性[11-14]，使得影响土壤含水率的主要因素也随着时间和空间尺度的改变而改变，从而导致土壤含水率分布格局复杂，出现高度的时空变异性[15]。综上所述，前人对农田防护林防护效益以及土壤水分异质性的研究已取得颇多成果。但在现有的研究中，较少考虑农田防护林的不同配置及其产生的防护效果对土壤含水率是否存在影响。为此，本文将以南疆阿拉尔市十团3种典型农田防护林为例，探究农田防护林不同配置结构的防护效果差异，以期为农田防护林建设提供数据基础。结合土层深度、林带疏透度、小气候等因子综合分析南疆阿拉尔市十团地区农田土壤含水率的主要影响因子，明确不同配置防护林内田间土壤水分变化特征，为该地区水分管理和土地利用提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验位于新疆生产建设兵团一师阿拉尔市十团(81°17′56.52″E, 40°32′36.90″N)。该地区北起天山南麓山地，南至塔克拉玛干沙漠北缘，属于暖温带大陆性干旱荒漠气候，平均海拔1 014 m[16]，最高海拔1 028 m，最低海拔1 000 m，年均气温10.7 ℃，最高气温43 ℃，最低气温-27 ℃，无霜期平均220 d。垦区年均太阳辐射559.67~612.41 kJ/cm2。年均日照时数2 556.3~2 991.8 h，年均降水量40.1~82.5 mm，年均蒸发量1 876.6~2 558.9 mm[17]。主导风向是西北风和西南风，年平均风速3.5~4.5 m/s[18]。冬季以西北风为主，夏季以西南风为主。该地区植被覆盖度较低，周边农田防护林多为小网格、窄林带，其树种主要有新疆杨、胡杨和柳树，主要种植农作物为棉花。当地农田主要采用的灌溉方式为深层渗透灌溉和滴灌灌溉，地下水年内动态与农业灌溉联系密切，地下水水位在灌溉期(3—10月)呈下降趋势，地下水埋深变大。灌溉期过后，地下水位开始抬升，全年变幅较小，地下水埋深总体较浅，大部分埋深介于3~6 m间[19]。
1.2 样地选择本试验在新疆阿拉尔市十团共选择3种不同配置的农田防护林，分别为: 4行新疆杨(P1)、5行新疆杨(P2)、1行胡杨+2行新疆杨(P3)，各配置防护林的立地情况、管理措施基本一致。3种配置模式防护林的基本状况详见表 1。
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表 1 不同农田防护林带的基本状况 Table 1 Different configurations of field shelterbelts |
在阿拉尔市十团样地灌溉15 d后，于2023年5月25日至6月15日进行采样，在各样地垂直主林带方向，将农田均分为3个等面积的小区作为重复，在每个小区的中轴距林缘0 H(树高), 0.5 H, 1.0 H, 1.5 H, 2.0 H处布设取土和监测样点。
1.3.1 小气候因子连续3 d，在各样地监测点以及对照裸地内，使用风速仪分别在距离地面0.2, 0.5, 1.0和1.5 m高度，连续测量各监测点的风速，计算防风效能(E)。
| $ E_{x, z}=\frac{U_{0, z}-U_{x, z}}{U_{0, z}} \times 100 \% $ | (1) |
式中：Ux, z为距林带x处z高度的平均风速; U0, z为同一距离相同高度下对照裸地的平均风速。
选择晴朗无风的天气，使用C 2—3照度计在每天的10：00，15：00，20：00时，于同一高度记录各监测点空气温度和相对湿度，同时在各个观测点距离地面高度2 m处，使用数字式照度计测定光照强度[20]。
1.3.2 疏透度在林带20—30 m处，距地面1.5 m高度，使用数码相机拍摄林带影像，借助图像处理软件(Photoshop, ENVI)，确定林干、林冠平均高度，统计出林冠和林干所占的像素数和林冠断面所在影像的总像素数，通过加权平均法计算林带的疏透度值(β)[21-22]。
| $ \beta=\left(\beta_1 \times h_1+\beta_2 \times h_2\right) \times 100 $ | (2) |
式中：β1(林冠疏透度)=林冠填充像素数/林冠断面所在影像的总像素数；h1为林冠平均高度; β2(林干疏透度)=林干填充像素点数/林干断面所在影像的总像素数；h2为林冠平均高度。
1.3.3 土壤含水率和容重于5月25日至6月10日期间，每隔5天在各采样点采集1次土壤样品作为重复[23]，共计3次。在每个采样点上，分别采集0—20, 20—40, 40—60, 60—80, 80—100 cm的土壤样品。将取好的土样放入铝盒，采用烘干法(105 ℃, 9 h)测定土壤含水率。同时挖土壤剖面，采用环刀法测量土壤容重[24]。
| $ \text { 土壤含水率 }=\left(W_2-W_1\right) / W_1 \times 100 \% $ | (3) |
式中：W2为新鲜土壤样品质量(g)；W1为烘干土样质量(g)。
1.3.4 数据处理及分析方法采用SPSS(Statistics 26)软件对农田防护林内的土壤含水率、小气候等数据进行统计分析和单因素方差分析(ANOVA)，采用Origin 2021软件进行图像绘制。选择8个相关因素，包括土层深度、土壤容重、空气温度、湿度、光照强度、风速与防护林距离、防护林疏密度作为可能的影响因子，使用R语言软件包(Performance Analytics)分析与土壤含水率的相关性。使用SPSS和Origin将与土壤含水率显著相关的因素进行PCA分析、建立逐步回归方程、进行通径分析确定土壤含水率主要影响因子。
2 结果与分析 2.1 林内土壤水分变化特征 2.1.1 水平梯度上农田土壤水分变化由图 1可以看出，3种配置的防护林内农田土壤含水率均在林缘处最低，且随着与林带距离的增加，P1, P3林带防护下的农田各土层土壤含水率均呈现逐渐升高的趋势，2 H处深层土壤(40—100 cm)含水率显著高于林缘(0 H)处，但与1.0 H和1.5 H处差异不显著，而浅层(0—40 cm)土壤含水率在水平方向变化趋势显著。P2林带防护下的农田各土层土壤含水率随林带距离的增加均呈“先升后降”的趋势，0—20 cm土层在1.5 H处达到最大值，并与其他距离处的土壤含水率均存在显著性差异; 20—100 cm土层在1.0 H处达到最大值，且同一土层的含水率除与0.5 H处20—40 cm, 60—80 cm，以及1.5 H处各土层差异不显著外，其余各土层含水率在不同距离处均存在显著差异。在各采样点，将0—100 cm土层的土壤含水率进行平均，可以看出随林带距离的增加，各林带防护下的农田土壤含水率均在0~0.5 H逐渐上升，且P2和P3的土壤含水率>1.0 H处迅速上升。不同距离处各配置的土壤含水率在1.0 H前表现为：P3>P1>P2, 1.5 H后表现为：P3>P2>P1。
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注：H表示树高。P1，P2，P3分别为4行新疆杨，5行新疆杨，1行胡杨+2行新疆杨。下同。 图 1 不同配置防护林内农田土壤含水率随防护林距离的变化 Figure 1 Variations in soil moisture content with distance of field shelterbelts for different configurations |
由图 2可以看到，P1, P3林带防护下的农田土壤含水率在垂直方向上变化趋势基本一致，均表现为随土层深度的增加而逐渐增大。林带P1农田内不同距离的土壤含水率在土层深度为80—100 cm处含水率显著大于40—60 cm; P3则与之相反，土壤含水率在20—60 cm土层显著增加，而在60—100 cm土层变化不显著。林带P2在垂直方向上土壤含水率变化并不规律，距林带1.0 H处含水率随土层深度的增加而增加，0 H，0.5 H, 1.5 H, 2.0 H处含水率则随着土层深度增加表现为“先降后升”。将不同距离土壤含水率进行平均，可以看到随着土层深度的增加林内的农田土壤含水率平均增幅表现为：P1>P3>P2。
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图 2 土壤含水率随土层深度的变化 Figure 2 Variations in soil moisture content with soil depth |
由图 3可知，P1林带防护的农田土壤容重随着土层深度的增加呈“先降后升”趋势，且在20—40 cm土壤容重最小，为1.34 g/cm3, 80—100 cm处容重最大，为1.63 g/cm3。P2, P3林带防护的农田土壤容重随土层深度的增加逐渐下降，各土层间变化差异不显著。
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注: CK为对照裸地。 图 3 不同配置防护林内农田土壤容重变化 Figure 3 Variations in soil bulk density within farmland for different configurations of shelterbelts |
林带P1属于通风型林带结构(疏透度大于60%); 林带P2, P3属于疏透型结构(疏透度30%~50%)。从图 4和表 2可知，不同林带后水平方向上风速整体呈现先减小后增加的趋势，通风型林带P1在水平方向上对风速的减缓效果较小。与裸地相比，P1林带在0.5 H处防风能力最强，为69.47%。P2, P3两种疏透型林带背风面风速衰减十分显著，防护距离较长; 林带背风面防风效能变化规律基本一致，均呈“先升后降”的趋势，且1.5 H处的风速降幅最大，1.5 H到2 H随着与林带距离的增加，风速逐渐增大。在林带背风面同一水平距离处，0 H处的防风效能表现为：P2>P1>P3; 0.5 H, 1.0 H；1.5 H和2.0 H处的表现为：P2>P3>P1。从各林带防风效能在垂直高度上的变化来看，除P2在0.5 m高度处稍有增加外，总体上表现为随高度升高而减小的趋势; 疏透结构林带P2, P3与通风结构林带P1背风面0.2~0.5 m高处平均防风效率最佳，表现为：P2(82.7%)>P3(72.64%)>P1(66.02%)。
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图 4 林带风速分布特征 Figure 4 Distribution characteristics of wind speed within shelterbelts |
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表 2 不同配置防护林的防风效能 Table 2 Wind protection efficiency of different shelterbelt configurations |
由于防护林的遮蔽作用，能有效减小太阳辐射，使光照强度(SR)降低。由图 5可知，农田内光照强度均小于裸地，且防护林P2的农田内的光照强度最低，水平距离上光照强度的平均值为60 107 Lx，较防护林P1, P3的农田内光照强度分别低1.54%和5.04%。在水平方向上，随着与防护林距离的增加，3种配置防护林内光照强度总体呈现出逐渐上升的趋势，在0~1.0 H范围内增幅最大，1.0~2.0 H范围内上升较为平缓。
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图 5 3种配置防护林农田内光照强度变化 Figure 5 Variations in light intensity within farmland for three different configurations of shelterbelts |
防护林具有明显的降温增湿作用，不同配置的防护林对农田内温湿度的影响也不同，在一天中不同时间，由于光照强度和太阳辐射能量的变化，林网内的温度和相对湿度也会发生相应的变化。由图 6可知，10:00时，各林带0 H的气温(Ta)均低于裸地，空气相对湿度(RH)均高于裸地，随林带距离的增加，林带P1和P3内Ta逐渐升高，RH逐渐降低。林带P2内Ta除了在0.5~1.0 H处下降外，Ta则随着林带距离的增加呈“先降后升”趋势，在1 H处最低。15：00时，由于光照强度和太阳辐射能量的增强，林内Ta和RH会发生一定的改变。3种配置的防护林内Ta均呈“先降后升”趋势，在0.5 H处P1和P3的Ta值最低，P2在1 H处出现最小值，RH则与之相反。20：00时，林带P2内Ta在0~2.0 H范围内呈现先升后下降的变化趋势，林带P1, P3均呈现下降趋势，且变化幅度较大，其中P3的变化最明显。林带P1和P2内的RH在0~0.5 H呈下降趋势，在0.5~2.0 H逐渐上升，林带P3内RH则随着与林带距离增加呈持续上升趋势，且0.5~1.0 H上升幅度最大。总体来看林带P1和P3在0.5 H处对田间降温增湿作用最大，Ta较对照减少了21.7%和14.9%, RH较对照增加了36%和28%, P2林带在1 H处的作用最明显，Ta较对照减少了16%, RH较对照增加25%。
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图 6 防护林内农田温度、湿度变化特征 Figure 6 Characteristics of temperature and humidity variations in farmland within protective forest |
分别对三条林带内土壤含水率(Y)及其影响因子: 土层深度(X1)、风速(X2)、温度(X3)、湿度(X4)、土壤容重(X5)、光照强度(X6)、与防护林距离(X7)、林带疏透度(X8)共9个指标进行皮尔逊(Pearson)相关性分析。各变量与土壤含水率存在着不同程度的相关性。林带P1的温度(X3)、湿度(X4)与土壤含水率差异不显著; P2的土壤容重(X5)、防护林距离(X7)与土壤含水率差异不显著; P3的风速(X2)与土壤含水率关系不显著，其余因子均与土壤含水率(Y)呈显著(p＜0.01)或极显著(p＜0.001)相关关系。
为了找到土壤含水率的主要影响因子，可以分别对三条林带除不显著因子外的其余变量进行主成分分析。如图 7所示，林带P2的土层深度(X1)在第一主成分和第二主成分上的旋转成分载荷均为零，其余各因子的因子荷载和特征向量都较大，因此通过主成分分析将P2原来的5个变量缩减为4个。其余各林带因子的因子荷载和特征向量都较大，变量不缩减。
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图 7 土壤含水率影响因子的PCA分析 Figure 7 Principal component analysis (PCA) of factors influencing soil moisture content |
通过主成分分析，对上述各林带影响土壤含水率的因子与土壤含水率Y进行逐步回归分析，建立回归方程(详见表 3)。对所建立的方程进行显著性检验，显著性水平p＜0.01，方程检验均显著。一般来说，Durbin-Watson检验值分布在0~4之间，越接近2，观测值相互独立的可能性越大。即，本研究中简单线性回归的观测值具有相互独立性，证明方程均具有统计学意义。
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表 3 土壤含水率影响因子回归方程 Table 3 Regression equations for factors influencing soil moisture content |
由于各因子对土壤含水率的影响存在密切的配合关系，为揭示其相关关系，明确各因子对土壤含水率的影响大小，需要对逐步回归筛选出来的变量与含水率(Y)进行通径分析。
由表 4可以看出，P1的防护林距离(X7)土层深度(X1)对土壤含水率的直接通径系数绝对值大小分别为0.492和0.778 7，因此认为林带距离和土层深度均对土壤含水率有直接相关关系，同时土壤容重通过土层深度对土壤含水率有间接负相关关系; P2的温度(X3)、湿度(X4)、光照强度(X6)对土壤含水率的直接通径系数为8.025, 8.484和1.745，温度通过湿度对土壤含水率的间接通径系数较大为-8.314，因此认为温度通过湿度对土壤含水有间接的负作用; P3的防护林距离(X7)、土层深度(X1)、土壤容重(X5)、光照强度(X6)对土壤含水率的直接通径系数分别为0.423, 0.457, 0.191和0.122，除光照强度(X6)通过防护林距离(X7)对土壤含水率的间接通径系数较大外其余间接通径系数均较小; 总体来看林带疏透度(X8)与土壤含水率(Y)存在较大的负直接相关关系(-0.541)，土层深度(X1)与土壤含水率的正相关性较大，表明随着土层深度的增加，土壤含水率逐渐增大。土壤容重(X5)对土壤含水率的直接通径系数较小，通过土层深度(X1)对土壤含水率(Y)的间接相关关系较大(-0.123)，证明土壤容重通过土层深度对土壤含水率产生负向的间接影响，因此当土层深度增加时这种负效应便会减小。
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表 4 各因子与土壤含水率的通径分析 Table 4 Path analysis of factors influencing soil moisture content |
水平方向上，3种配置的防护林田间土壤含水率均在林缘处最低，Yao Yitong等人[25]认为杨树属树种会吸收浅层土壤水分进行蒸腾作用，因此林缘附近土壤含水率最低。随着与防护林距离的增加，除林带P2的农田土壤含水率在1.5 H下降外，其余林带各处含水率均随林带距离的增加而增加，呈正相关关系。结合通径分析结果认为，由于林带P2空气温度与土壤含水率呈负相关关系，且温度通过湿度对含水率有间接的负向影响，在距林带P2 1.5~2.0 H范围内，空气温度显著升高，湿度显著下降，林带对风速的减缓作用骤降，造成土壤水分蒸发，导致土壤含水率下降。
垂直方向，随土层深度的增加，各林带农田土壤含水率均逐渐增大，呈正相关关系，且60—100 cm土壤含水率明显高于0—60 cm土层，其中林带P1内0—60 cm土层含水率最低。分析认为，由于P1为通风型林带，疏透度大，林带枝下存在较大的空隙，对农田内部小气候改善作用不明显。土层深度较浅时，无法抵消风速、光照强度、温度、林带疏透度等因子对土壤含水率的负作用，导致水分散失严重，当土层深度增加时，抵消了风速等因子对含水率的影响，导致土壤含水率逐渐增加，因此认为土层深度是林带P1土壤含水率的主要影响因子。
林带P2, P3内的农田土壤容重均随着土层深度的增加而减小，且容重值都低于裸地，这可能由于裸地为免耕土，在土壤自身重力作用以及降雨等外界因素影响下，容重要高于翻耕过的土壤[26]，且3种林带内种植的棉花均采用了覆膜措施，有研究表明，覆膜措施可以提高土壤保水能力，同时降低浅层土壤的容重，这也有助于减轻土壤结构的硬化和改善土壤通气性，从而有利于作物生长[27]。
3种防护林配置的农田内部风速均随林带距离的增加呈现“先降后升”的变化趋势，且0 H到1.5 H的风速降幅最大，1.5 H到2.0 H随着与林带距离的增加，风速逐渐增加。总体来看，各林带防风效果表现为: P2>P3>P1，林带疏透度越小，在一定范围内林带对风速大的气流阻力大，其防风效应也增大[28]，这与段娜等[29]人对乌兰布和沙漠几种结构配置的防护林防风效能研究结果相似。同时，林带P2在0~1.0 H范围内降温增湿的作用最明显，防风效能与温湿度呈极显著正相关(p＜0.001)，因此认为林带在距林带0~1.0 H范围内P2的小气候改善作用显著，但1.0 H后林带P2的防护效益明显减弱，其有效防护距离小于P3。
林带P1, P3的农田土壤含水率主要受到土层深度和防护林距离的正向直接影响，因此土壤含水率随着土层深度和与防护林距离的增加而增加，且林带P3土壤含水率大于P1; 林带P2的农田含水率主要受温度、湿度、光照强度的直接影响，温度通过湿度对土壤含水率起到间接的负作用，王忠云等人[30]探究了石漠化地区土壤含水率变化动态及影响因素，认为空气湿度和土壤温度共同影响土壤含水率，与本研究结果相似。总体来看三条林带内的农田含水率与林带疏透度、土层深度有较大的直接关系，土壤容重通过土层深度对含水率起间接作用。史薪钰等[31]对太行山干旱区土壤含水率影响因子进行主成分分析，认为土层厚度、植被覆盖度、土壤容重均对土壤含水率有较大影响，与本研究结果相似。因此想要改善南疆地区农田土壤水资源匮乏问题还是要继续坚持防护林建设工作，保证防风固沙，确保农田水土保持。
4 结论(1) 总体来看，水平方向上，林带疏透度对含水率有直接负向作用，疏透度为62%的4行新疆杨林内土壤含水率显著小于疏透度为47%的1行胡杨+2行新疆杨林。垂直方向上，土壤含水率受到土层深度直接影响，深层含水率显著高于浅层。
(2) 5行新疆杨林内土壤含水率受到空气相对湿度、光照强度的直接正向影响，受温度的间接负向影响。4行新疆杨和1行胡杨+2行新疆杨林内含水率受土层深度和防护林距离的共同作用。
(3) 林带防护距离在0~1.5 H间风速降幅最大，疏透度为41%的5行新疆杨林带防风效果最佳，0~1.0 H林带遮荫作用最明显，表现为：5行新疆杨林内光照强度＜4行新疆杨＜1行胡杨+2行新疆杨，同时5行新疆杨对田间小气候改善范围在0~1.0 H间最显著。
(4) 综合认为1行胡杨+2行新疆杨兼具防风、调节小气候效益，同时对土壤水分保持作用最显著，5行新疆杨次之，因此，在防护林建设过程中可以考虑增加林带数量，种植混交林来更大程度地发挥农田防护林的作用。
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