農(nóng)林復(fù)合對(duì)近地面微氣候環(huán)境的影響

王 來(lái)，高鵬翔，劉 濱，侯 琳，2，張碩新，2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，陜西楊凌712100）

農(nóng)林復(fù)合對(duì)近地面微氣候環(huán)境的影響

王 來(lái)1，高鵬翔1，劉 濱1，侯 琳1，2，張碩新1，2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，陜西楊凌712100）

以渭北黃土區(qū)農(nóng)林實(shí)踐中發(fā)展最為迅速的核桃（Juglɑns regiɑ）－小麥（Triticumɑestivum）間作復(fù)合模式為研究對(duì)象，以兩物種的單作系統(tǒng)為對(duì)照，討論農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)近地面微氣候環(huán)境的影響，為農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)管理和模型的建立提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，核桃－小麥間作降低了2—10月近地面氣溫和地溫，期間氣溫平均值分別比核桃單作和小麥單作低0.66℃和0.97℃，期間地溫平均值分別比核桃單作和小麥單作低0.71℃和1.41℃。核桃－小麥間作提高了11月至第2年1月近地面氣溫和地溫，期間氣溫平均值分別比核桃單作和小麥單作高0.49℃和0.40℃，期間地溫平均值分別比核桃單作和小麥單作高1.01℃和0.69℃。核桃－小麥間作各月近地面空氣相對(duì)濕度均高于兩單作系統(tǒng)，其全年平均值分別比核桃單作和小麥單作提高了14.33%和19.98%。核桃－小麥間作各月近地面平均風(fēng)速和相對(duì)照度均低于兩單作系統(tǒng)，其全年平均風(fēng)速分別比核桃單作和小麥單作降低了26.32%和30.00%，全年平均相對(duì)照度分別比核桃單作和小麥單作降低了21.33%和45.93%。核桃－小麥間作淺層土壤濕度在4—5月低于兩單作系統(tǒng)，在6—7月迅速升高，在7—9月高于兩單作系統(tǒng)。核桃－小麥間作復(fù)合系統(tǒng)可以降低高溫季節(jié)近地面的土壤溫度、氣溫、風(fēng)速和相對(duì)光強(qiáng)，這對(duì)降低土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)具有重要意義。

農(nóng)林復(fù)合；微氣候；間作；核桃；小麥

在干旱半干旱地區(qū)土壤水分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和地表植被是否可持續(xù)的限制因子［1－2］。本地區(qū)人工植被往往因配置不合理而過(guò)度耗水導(dǎo)致土壤干化，從而影響植被恢復(fù)的可持續(xù)性［3］。土壤水分一部分是通過(guò)植物根系吸收經(jīng)過(guò)蒸騰作用進(jìn)入大氣中，另一部分經(jīng)過(guò)地面蒸發(fā)而散失。地面蒸發(fā)很大一部分是土壤水分的無(wú)效消耗，降低地面無(wú)效蒸發(fā)對(duì)于干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)種植和植被恢復(fù)尤為重要［4］。然而，土壤水分的蒸發(fā)受近地面微氣候環(huán)境的直接影響，近地面氣候環(huán)境又受植被的直接影響。因此理解植被對(duì)近地面微氣候環(huán)境的影響，是優(yōu)化植被結(jié)構(gòu)和水分調(diào)控的重要前提。在渭北黃土區(qū)，水分也是本地區(qū)農(nóng)林業(yè)發(fā)展的限制因子。近年來(lái)隨著退耕還林后續(xù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以林糧間作模式為主的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)得以快速發(fā)展。因核桃為本地區(qū)的鄉(xiāng)土樹(shù)種且有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，小麥?zhǔn)潜镜貐^(qū)的主要口糧，所以核桃－小麥間作復(fù)合模式發(fā)展最為迅速。以往的研究多是農(nóng)林復(fù)合對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部小氣候的影響［5－7］，而農(nóng)林復(fù)合對(duì)近地面微氣候環(huán)境的影響未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，且農(nóng)林復(fù)合模式具有較強(qiáng)的地域性［8］。因此，本研究以渭北黃土區(qū)農(nóng)林實(shí)踐中發(fā)展最為迅速的核桃（Juglɑns regiɑ）－小麥（Triticumɑestivum）間作模式為研究對(duì)象，以兩者的單作系統(tǒng)為對(duì)照，討論農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)近地面微氣候環(huán)境的影響，為優(yōu)化農(nóng)林復(fù)合模式結(jié)構(gòu)和實(shí)施水分調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于渭河以北黃土高原南緣，海拔700～800m，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季。年平均日照時(shí)數(shù)為2 053.3 h，年光合總有效輻射為5×108～6.3×109J·m－2。年平均氣溫 11.6℃，大于等于 10℃的積溫為 3 800℃，絕對(duì)最低氣溫－20.6℃，絕對(duì)最高氣溫41.4℃，最冷月1月平均氣溫－2.2℃，最熱月7月平均氣溫25.3℃。年平均降水量615.0mm。6—9月降水量約占全年的70%左右。年平均無(wú)霜期215 d，初霜日10月29日左右，終霜日3月27日左右。耕層土壤以黃土母質(zhì)發(fā)育成的褐土，有機(jī)質(zhì)含量為 14.5 g·kg－1，堿解氮含量116mg·kg－1，速效磷含量 19.8 mg·kg－1，速效鉀含量64.5mg·kg－1。在農(nóng)業(yè)種植制度方面是一年兩熟與一年一熟的交錯(cuò)地帶。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地設(shè)在陜西省岐山縣張家溝村（N34°21′21″，E107°43′42″），該村各類農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式總面積達(dá)130 hm2，主要模式為果農(nóng)間作，約占90%。試驗(yàn)地設(shè)置在20世紀(jì)70年代中期修建的位于坡中位置的梯田上。耕層土壤質(zhì)地為粘壤土，無(wú)灌溉條件；田面南高北低，坡度2°～3°；梯田南北寬30～45 m，東西長(zhǎng)約300 m，總面積約1.1 hm2；核桃－小麥間作、核桃單作和小麥單作種植面積分別約為0.5、0.4 hm2和 0.2 hm2，為長(zhǎng)期觀測(cè)的固定樣地。該試驗(yàn)地在種植核桃樹(shù)前，為一年一熟的小麥單作農(nóng)田。間作核桃和單作核桃定植時(shí)間均為2003年，南北行向，采用“品”字形栽植，小冠疏層樹(shù)形，株行距均為3×6m（主栽品種為香玲，零星混雜有遼核和魯光等，均為嫁接苗）。到2013年二者基本為成熟的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)和單作經(jīng)濟(jì)林。

單作小麥和間作小麥均為冬小麥，行距20 cm，基本苗每公頃210.5萬(wàn)株。間作小麥的種植，給樹(shù)行留1m寬的樹(shù)行帶，小麥在每個(gè)樹(shù)行間的種植帶寬度為5m。小麥品種為小偃22，每年10月5日左右播種，第二年的6月5日左右收獲，收獲時(shí)根茬高度控制在20～30 cm之間。播種前耕地，耙抹，而后播種，耕地深度在20 cm左右。核桃的收獲期為每年9月15日左右。

1.3 研究方法

在核桃－小麥間作和核桃單作樣地內(nèi)各選出三棵樣木（樹(shù)的胸徑、樹(shù)高、冠幅均接近其整個(gè)樣地平均值），同時(shí)回避地頭邊緣樹(shù)行。在每個(gè)樣木處垂直于樹(shù)行方向上距樣木2m處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。在小麥單作樣地內(nèi)“品”設(shè)置三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。于2012年6月在各樣地內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置傳感器探頭和記錄儀，從2013年3月1日開(kāi)始啟用各記錄儀數(shù)據(jù)（以避免設(shè)置傳感器時(shí)的擾動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)的影響），到2014年3月止，進(jìn)行為期一年的觀測(cè)。土壤溫濕度傳感器探頭設(shè)置在各觀測(cè)點(diǎn)的地下5 cm處。空氣溫濕度和光照強(qiáng)度傳感器設(shè)置在各觀測(cè)點(diǎn)的地上5 cm處。測(cè)定空氣流速的渦扇中心設(shè)置在地上5 cm處，扇面垂直于本地區(qū)的主風(fēng)向。各環(huán)境因子，每隔30分鐘自動(dòng)測(cè)定和記錄一次。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel2007軟件進(jìn)行初步整理，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析用SAS9.2軟件完成，圖表用OriginPro8.0軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 地上5 cm處環(huán)境因子

2.1.1 空氣溫度 核桃－小麥間作2—10月近地面氣溫均低于兩單作系統(tǒng)，在11月至第2年1月均高于兩單作系統(tǒng)（圖1）。2—4月核桃－小麥間作氣溫回升最慢，表現(xiàn)為：核桃－小麥間作＜小麥單作＜核桃單作，4月三者間的差異顯著（P＜0.05）；5—10月核桃－小麥間作氣溫最低，表現(xiàn)為：核桃－小麥間作＜核桃單作＜小麥單作，且在5、7—10月三者間存在顯著差異（P＜0.05）；11月至第2年1月核桃－小麥間作氣溫均高于兩單作系統(tǒng)，12月核桃－小麥間作顯著高于兩單作系統(tǒng)（P＜0.05）（圖1）。

圖1 三種土地利用方式地上5 cm空氣溫度的變化Fig.1 Dynamic characteristics of5 cm aboveground air temperature of three land use patterns

核桃 －小麥間作 2—10月氣溫平均值為16.78℃，分別比核桃單作和小麥單作低 0.66℃和0.97℃；11月至第2年1月氣溫平均值為3.04℃，分別比核桃單作和小麥單作高0.49℃和0.40℃。2.1.2 空氣濕度 核桃－小麥間作各月近地面空氣相對(duì)濕度均高于兩單作系統(tǒng)（圖2）。在11月至第2年5月三種土地利用方式空氣濕度表現(xiàn)為：核桃－小麥間作＞小麥單作＞核桃單作，11月至第2年5月核桃－小麥間作均顯著高于核桃單作（P＜0.05），4—5月核桃－小麥間作與小麥單作的差異也達(dá)到顯著水平（P＜0.05）（圖 2）。在 6—10月三者空氣濕度表現(xiàn)為：核桃－小麥間作＞核桃單作＞小麥單作，6—10月核桃－小麥間作均顯著高于小麥單作（P＜0.05），10月核桃－小麥間作與核桃單作的差異也達(dá)到顯著水平（P＜0.05）（圖 2）。核桃－小麥間作全年平均空氣相對(duì)濕度為59.98%，分別比核桃單作和小麥單作提高了 14.33%和19.98%。

圖2 三種土地利用方式地上5 cm空氣相對(duì)濕度的變化Fig.2 Dynamic characteristics of 5 cm aboveground air relative humidity of three land use patterns

圖3 三種土地利用方式地上5 cm風(fēng)速的變化Fig.3 Dynamic characteristics of5 cm aboveground wind speed of three land use patterns

2.1.3 風(fēng)速 核桃－小麥間作各月近地面平均風(fēng)速均顯著低于兩單作系統(tǒng)（P＜0.05）（圖 3）。核桃－小麥間作一年中在3月和6月風(fēng)速最大，9—10月風(fēng)速最?。▓D3）。在5月至第2年2月三種土地利用方式風(fēng)速表現(xiàn)為：核桃－小麥間作＜核桃單作＜小麥單作，且各月三者間存在顯著差異（P＜0.05）；在3—4月表現(xiàn)為：核桃－小麥間作＜小麥單作＜核桃單作，且各月三者間差異顯著（P＜0.05）（圖 3）。核桃－小麥間作全年平均風(fēng)度為 0.42 m·s－1，分別比核桃單作和小麥單作降低了26.32%和30.00%。2.1.4 相對(duì)光照度 核桃－小麥間作近地面的相對(duì)照度在各月均低于兩單作系統(tǒng)（圖4）。核桃－小麥間作在3—5月三種土地利用方式的相對(duì)照度表現(xiàn)為：核桃－小麥間作＜小麥單作＜核桃單作，且各月三者間的差異顯著（P＜0.05）（圖 4）。在 6—12月三者的相對(duì)照度表現(xiàn)為：核桃－小麥間作＜核桃單作＜小麥單作，6月三者間差異顯著（P＜0.05），7—12月核桃－小麥間作顯著低于小麥單作（P＜0.05），但與核桃單作的差異不顯著（P＞0.05）（圖4）。在1—2月三者的相對(duì)照度間差異不顯著（P＞0.05）（圖4）。核桃－小麥間作全年平均相對(duì)照度為43.23%，分別比核桃單作和小麥單作降低了21.33%和 45.93%。

圖4 三種土地利用方式地上5 cm相對(duì)照度的變化Fig.4 Dynamic characteristics of5 cm aboveground relative illumination of three land use patterns

2.2 地下5 cm處環(huán)境因子

2.2.1 土壤溫度 核桃－小麥間作2—10月地溫均低于兩單作系統(tǒng)，在11月至第2年1月均高于兩單作系統(tǒng)（圖5）。2—4月核桃－小麥間作地溫回升最慢，地溫表現(xiàn)為：核桃－小麥間作＜小麥單作＜核桃單作，但各月三者間的差異不顯著（P＞0.05）；5—9月核桃－小麥間作地溫最低，表現(xiàn)為：核桃－小麥間作＜核桃單作＜小麥單作，且各月三者間差異顯著（P＜0.05）；10月核桃－小麥間作地溫顯著低于小麥單作（P＜0.05），但與核桃單作差異不顯著（P＞0.05）；11月至第2年 1月核桃－小麥間作地溫均顯著高于兩單作系統(tǒng)（P＜0.05），兩單作系統(tǒng)間差異不顯著（P＞0.05）（圖5）。核桃－小麥間作2—10月地溫平均值為17.16℃，分別比核桃單作和小麥單作低0.71℃和1.41℃；11月至第2年1月地溫平均值為3.90℃，分別比核桃單作和小麥單作高 1.01℃和 0.69℃。

圖5 三種土地利用方式地下5 cm地溫的變化Fig.5 Dynamic characteristics of5 cm underground soil temperature of three land use patterns

2.2.2 土壤濕度 核桃－小麥間作土壤濕度在春季降低較快，在4—5月顯著低于兩單作系統(tǒng)（P＜0.05）；在6—7月迅速升高，7—9月顯著高于兩單作系統(tǒng)（P＜0.05）（圖6）。核桃－小麥間作土壤濕度一年內(nèi)的波動(dòng)最大，核桃單作次之，小麥單作最小，三者均在在5月最低，9月最高（圖6）。核桃－小麥間作土壤濕度在4—6月為一年內(nèi)的低谷期，期間平均濕度為13.57%，分別比核桃單作和小麥單作低0.54%和 1.31%；7—9月為高峰期，期間平均濕度為19.59%，分別比核桃單作和小麥單作高0.96%和1.68%（圖6）。在10月至第2年3月核桃－小麥間作和小麥單作土壤濕度均顯著高于核桃單作（P＜0.05），但前兩者間差異不顯著（P＞0.05）（圖 6）。

圖6 三種土地利用方式地下5 cm土壤濕度的變化Fig.6 Dynamic characteristics of5 cm underground soil moisture of three land use patterns

3 討 論

本研究是以種植11年的核桃－小麥間作復(fù)合系統(tǒng)為研究對(duì)象，11年生核桃樹(shù)剛進(jìn)入豐產(chǎn)期，樹(shù)冠基本形成，可以認(rèn)為是一個(gè)初步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)。方法上采用了具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能的微型氣候儀，對(duì)目標(biāo)樣地進(jìn)行了1年的連續(xù)監(jiān)測(cè)，每30分鐘采集一次數(shù)據(jù)，可以避免人為監(jiān)測(cè)在時(shí)間上間斷太大造成的試驗(yàn)誤差。主要結(jié)果為核桃－小麥復(fù)合系統(tǒng)對(duì)近地面風(fēng)速、相對(duì)照度、生長(zhǎng)季節(jié)近地面氣溫和淺層地溫均有顯著的降低作用，對(duì)近地面空氣相對(duì)濕度有顯著的提高作用，這些對(duì)降低土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)有重要意義，也有利于間作物生長(zhǎng)發(fā)育和提高系統(tǒng)抗逆性。核桃－小麥復(fù)合系統(tǒng)對(duì)近地面氣溫和地溫均在高溫季節(jié)有降溫作用，在低溫季節(jié)有增溫作用。吳發(fā)啟［9］指出農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)林內(nèi)溫度和土壤表層溫度有雙重影響，即春季呈現(xiàn)增溫，夏季呈現(xiàn)降溫現(xiàn)象；梁振山也得到了類似的結(jié)果［10］，這均與本研究結(jié)果相同。夏季的降溫作用可能是樹(shù)木的遮陰所造成［11］，這有利于降低地面的無(wú)效蒸發(fā)；冬季的增溫現(xiàn)象可能是落葉覆蓋地面所致；落葉的覆蓋還可以提高土壤濕度，與本研究結(jié)果一致，這有利于間作小麥在冬季的生長(zhǎng)。核桃－小麥復(fù)合系統(tǒng)對(duì)近地面空氣相對(duì)濕度的提高，可能是樹(shù)木遮陰和近地面風(fēng)速降低共同作用的結(jié)果。近地面風(fēng)速的降低，一方面在夏季可以降低土壤水分的無(wú)效消耗［13］；另一方面在冬季還可以起到富集積雪的作用［14］，這對(duì)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)冬季土壤的保溫和保濕有利，這也可能是核桃－小麥復(fù)合系統(tǒng)冬季土壤濕度高于兩單作系統(tǒng)的原因之一。實(shí)際上各個(gè)氣候因子間都是相互影響的［15］，在夏季，首先是樹(shù)木的遮陰作用可以降低近地面的氣溫和土壤溫度；其次樹(shù)木的存在可以降低風(fēng)速，加上近地面氣溫和土壤溫度的降低，可以提高近地面的空氣濕度。在冬季，樹(shù)木的遮陰作用很小，但樹(shù)木的存在可以降低風(fēng)速起到富集積雪的作用，同時(shí)樹(shù)木的落葉覆蓋又可以保溫保濕，這也就是冬季核桃－小麥復(fù)合系統(tǒng)淺層地溫和土壤濕度比兩單作系統(tǒng)高的原因。

4 結(jié) 論

核桃－小麥間作2—10月近地面氣溫平均值分別比核桃單作和小麥單作低0.66℃和0.97℃，11月至第2年1月平均值分別比核桃單作和小麥單作高0.49℃和0.40℃。核桃－小麥間作各月近地面空氣相對(duì)濕度均高于兩單作系統(tǒng)，其全年平均值分別比核桃單作和小麥單作提高了14.33%和19.98%。核桃－小麥間作各月近地面平均風(fēng)速均低于兩單作系統(tǒng)，其全年平均值分別比核桃單作和小麥單作降低了26.32%和30.00%。核桃－小麥間作近地面的相對(duì)照度在各月均低于兩單作系統(tǒng)，其全年平均值分別比核桃單作和小麥單作降低了21.33%和45.93%。

核桃－小麥間作2—10月淺層地溫平均值分別比核桃單作和小麥單作低0.71℃和1.41℃，11月至第2年1月平均值分別比核桃單作和小麥單作高1.01℃和0.69℃。核桃－小麥間作淺層土壤濕度在4—5月低于兩單作系統(tǒng)，在6—7月迅速升高，在7—9月高于兩單作系統(tǒng)。

核桃－小麥復(fù)合系統(tǒng)對(duì)近地面風(fēng)速、相對(duì)照度、生長(zhǎng)季節(jié)近地面氣溫和淺層地溫的降低，對(duì)近地面空氣相對(duì)濕度的提高，這些對(duì)降低土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)有重要意義。

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Effect of agroforestry on m icroclimate environment（near land surface）

WANG Lai1，GAO Peng-xiang1，LIU Bin1，HOU Lin1，2，ZHANG Shuo-xin1，2
（1.College of Forestry，NorthwestA＆F University，Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ；2.Qinling Nɑtionɑl Forest Ecosystem Reseɑrch Stɑtion，Yɑngling，Shɑɑnxi712100，Chinɑ）

The influence of agroforestry system onmicroclimate environmentnear land surfacewas studied bymeans ofwalnut（Juglɑns regiɑ）and wheat（Triticumɑestivum）intercropping system，awidespread local agroforestrymodel in northern Wei River of loess area，with the twomonoculture systems as the control.The purposes of this research was to provide theoretical basis formodeling andmanaging the agroforestry system scientifically.The results showed that the average air temperature during February～October of the intercropping system was 0.66℃ and 0.97℃ lower than that of the walnut and wheatmonoculture systems respectively，on the contrary，0.49℃ and 0.40℃ higher than the twomonoculture systems respectively during November and January.The air relative humidity of the intercropping system every month was higher than that of the twomonoculture systems，the annual average higher than the walnutmonoculture and wheatmonoculture by 14.33%and 19.98%，respectively.Thewind speed of the intercropping system everymonth was lower than that of the twomonoculture systems，the annual averagewas lower than that ofwalnutmonoculture and wheat monoculture by 26.32%and 30.00%，respectively.The relative illumination of the intercropping system everymonth was lower than that of the twomonoculture systems，the annual average was lower than that of walnutmonoculture and wheatmonoculture by 21.33%and 45.93%，respectively.The average ground temperature during February～October was lower in the intercropping system than that of thewalnutmonoculture and wheatmonoculture respectively by 0.71℃and 1.41℃，on the contrary，1.01℃ and 0.69℃ higher than the twomonoculture systems respectively during November～January.The soilmoisture of the intercropping system was less than the twomonoculture systems during April～May，yet it rose from June to July rapidly，higher than the twomonoculture systems during July～September.Walnutwheat intercropping system could reduce the soil temperature，air temperature，wind speed and relative illumination of near land surface in high temperature season.It is very important for reducing soil surface evaporation.

agroforestry；microclimate；intercropping；walnut；wheat

S162.4

A

1000-7601（2017）05-0021-05

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.04

2016-09-20

2016-11-02

“十三五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“資源節(jié)約與環(huán)境改良型農(nóng)林復(fù)合技術(shù)研究與示范”（2015BAD07B050202）

王 來(lái)（1980—），男，河南方城人，博士，主要從事農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)研究。E-mail：yituyimi＠139.com

張碩新（1959—），男，陜西戶縣人，教授，主要從事植物生理生態(tài)和森林生態(tài)研究。E-mail：sxzhang＠nwsuaf.edu.cn