摘要 农田防护林有助于改善区域生态环境以及农业生产，对生态安全与人类生存环境质量的提高具有重要意义。本文阐述了农田防护林的定义和作用，综述了防护林发展历史，分析了防护林研究现状，指出了存在的问题，并论述了其發展趋势，以期为农田防护林建设提供参考。
关键词 农田防护林；作用；发展历史；研究现状；存在的问题；发展趋势
中图分类号 S727.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）19-0177-02
系统地营造农田防护林是建设现代化农业和实现农业可持续发展的重要措施，农田防护林体系的完善化不仅在生态防护方面效果明显，其本身的经济价值也非常广泛，可为发展农业、林业、牧业生产以及开展多种经营打下良好的基础。
我国已投入了大量资金用于改善环境，其中历史上最大规模的植树造林计划使我国人工林面积占世界人工林用面积的1/3[1-2]。这些造林项目大多是在我国北方干旱地区或半干旱地区实施，其在防治土地荒漠化的同时也减缓了沙尘对我国东南部地区带来的环境威胁[3-4]。仅2000—2005年就营造了2.8×106 hm2森林[5]。预计到2050年，通过实施造林工程计划将全国的森林覆盖率提高到26%[2，6]。
1 农田防护林的定义和作用
防护林包括人工林和天然林，是以发挥防护效应为基本经营目的的森林群落的总称[7-9]。在生态学层面，防护林即利用森林具有的生态功能保护生态脆弱地区的建筑设施、土地资源、人居环境、农牧业生产，避免或减少自然灾害的危害，或避免不利环境因素影响森林[7，10]。农田防护林是防护林中的一个重要组成部分，是指配置在农田周围，以保护农田生态系统为目标的特殊防护林种，同时其兼具降低风速、控制土壤侵蚀、塑造农田景观、创建生物栖息环境等调节区域农业环境的功能。农田防护林是区域农业环境的生态屏障，对维护农业生态平衡具有重要意义[11-12]。
2 防护林发展历史
农田防护林的最早起源可考查至19世纪初，苏格兰人在平原地区为应对土壤侵蚀和干旱、风害等环境问题而进行了最早的、自发的防护林营造活动。有政府组织、有计划、大规模的农田防护林营造项目到20世纪30年代才开始出现，例如美国大平原各州防护林工程、日本治山治水防护林工程、苏联斯大林改造大自然计划等[13]。
关于我国农田防护林的发展历程，有着不同的划分观点。其中一种观点认为我国营造农田防护历史大致分为4个阶段：第一阶段为农民自发营造自由林网阶段，以防止风沙为目的；第二阶段为国家或集体规划营造大规模农田防护林阶段，以全面改善农田小气候为主要目的；第三阶段为农田防护林综合体系阶段，目的是改造旧有农业生态系统，实现山、水、田、林、路综合治理；第四阶段为提升防护林综合功能阶段，目的是生态修复，完善农田防护林体系[13]。另外一部分学者认为基本分为3个阶段：第一阶段始于20世纪50年代，由国家统一规划，在我国东北、西部和黄河故道等风沙严重地区营造长逾4 000 km的防风固沙林，以宽林带大网格为主要结构，以防止风沙的机械作用为目的；第二阶段始于20世纪60年代初，把营造防护林作为农田基本建设的内容，其主要结构为窄林带、小网格，以改善农田小气候、防御自然灾害为目的；第三阶段将农田防护林作为农田基本建设的重要内容，以改造旧农业生态系统为目的，实现山、水、田、林、路综合治理。
3 防护林研究现状
农田防护林体系是以防护林为主体、多林种相互结合，以防护效益为主要目的、多功能和多效益相结合的有机整体[14]。农田防护林体系在提高生物生产力、改善生态环境和充分利用自然资源方面存在巨大的潜力。目前对农田防护林的研究主要集中在以下几个方面。
3.1 农田防护林林带结构
防护林林带结构是指林分内树木的叶、枝、干的分布状态和密集程度。农田防护林林带结构的评价指标有很多，包括林带的高度、宽度和树种组成及其搭配方式，甚至树种的胸径、树高、截面形状等。关于防护林林带结构的研究开展得较早，研究结果也较丰富。有研究表明，林带结构、气候条件等生态因子与林带防风效应显著相关，并且详细论述了典型林带结构的4种风速降低曲线[15]。曹新孙等[16]在结合资料与实践详细阐述林带结构的定义与分类标准的同时，分析了疏透程度和透风系数等参数在分析林带结构过程中的运算方法与应用范围。在农田防护林树种研究方面，新西兰、前苏联学者都进行了类似的防护林树种选择试验，我国学者也对此领域研究作了重要贡献，通过长期实践总结指出防护林的树种选择需兼顾树木的生态学和生物学特征[16]。此外，农田防护林的配置模式以及成熟龄、更新龄的相关研究也指出，树种间的搭配、树木的生长与存活率、抗逆性、稳定性和自然更新能力都是防护林设计过程中的重要考虑因素[17]。
3.2 林带防风效益
农田防护林是一种复合体，通过林带增加地表粗糙度，减小风速，对农田产生直接的防风效益，同时也间接在水、热、土壤改良等方面具有防护效益，防风效应是其最基本的效益之一[18]。目前，该领域的研究比较成熟，已经完成了研究内容从观测统计向机理和理论分析的转变、研究对象从单条林带向防护林网或防护林体系的转变。农田防护林的防风原理是通过对气流进行阻挡，使其一部分气流不能通过林带，而通过林带内部的气流又会与林带中的树干、树枝、树叶发生摩擦，形成无规律的乱流，动能被减小，在林带背风面风速大大降低；另外，未能通过的那一部分气流上升与林带上方的气流汇合，在上升和与上层气流交汇的过程中，受摩擦阻力影响动能又被进一步减小，横穿和上升这2个过程的共同作用使林带背风区域的风力减弱[19]。防护林带防风效应的影响因子众多，普遍认为林带疏透度的影响最大[20]；但也有研究指出，林带的宽度、走向和树高[21]以及大气的稳定系数[22]、叶面积参数[23]、林带断面、木蓄积量[24]均有可能是直接影响防护林的防护效应因素。同时，在很多方面还存有争议，比如有学者认为在一定条件下风速会在防护林边缘处明显减弱，随后在一定距离内迅速恢复，如果透风指数增大，林带背风面降低风速的作用也随之下降[25]；而也有研究得出，林带背风面的相对风速不受旷野风速的影响[16]。
3.3 农田防护林热力效应
农田防护林热力效应是指农田防护林对太阳直接辐射、有效辐射、散射辐射、湍流热量通量等热量分量的影响，主要表现为防护林带一定范围内的光照、气温、土温等气象因素发生变化。太阳辐射是防护林热量的最主要来源，由于林冠的遮荫作用，林带边缘附近的总辐射量小于旷野。而在影响林带附近太阳辐射的同时，防护林还可以通过乱流交换的直接影响造成失热和蒸发散热，改变林网内的热状况，使林网内外热量出现明显差异；因地区气候的差异，防护林在白天对气温的影响可能会有不同[26]。太阳辐射能的二次分配是农田防护林调节林内温度的最主要途径，受林网林带遮荫作用的影响，75%左右的面积达自然光照的 90%[27]。另外，影响防护林带内热效应的因素很多，各种研究还在不断探讨。国内有研究表明，气温[28]、天气[25]、地区气候[19]等因素均能影响林带内气温变化。而在防护林对土壤温度的影响方面，多数研究认为，防护林带对地表温度影响显著，对下层土壤温度的影响随着深度增加而减弱[29]。风速、气流扰动、天气现象及林带的结构配置等因素可通过影响水热交换过程的方式改变林后农田土壤温度[30-31]。多数研究表明，林带对地温的影响存在明显的时间差异[32-33]。
3.4 农田防护林水文效应
大量相关研究表明，防护林带能够对林带内及附近的植物蒸腾、土壤蒸发、土壤含水量、地下水位、大气降水等均有影响[32]。因为风速、乱流交换以及气温等因素与土壤蒸发密切相关，林带内部的蒸发量小于旷野，故可削弱网内的土壤蒸发和作物蒸腾，改善土壤水分状况。越是气候干燥的地区，这种作用越明显。从全林网来看，网内蒸发量降幅平均为7.3%～51.0%[32]。大量研究表明，由于林带降低了其附近的风速和湍流交换程度，改变了空气中水汽浓度的分布规律，引起水汽梯度的垂直变化，因而也影响土壤蒸发、水面蒸发和植物蒸腾[34]。
3.5 农田防护林改良土壤效应
防护林带能够通过林内树木遮荫、蒸腾作用、根系活动、凋落物分解等过程有效改善土壤的水热条件、排水减盐，达到改善林内土壤的作用，因而农田防护林对土壤的改良效应也不能忽视。我国学者通过分析防护林带的排水及耗水作用发现，林带排水作用明显，能有效减轻土壤的次生盐渍化[35-37]，同时能提高农田土壤养分[38-39]。在农田防护林对作物产量的影响方面，在针对玉米[40-41]、大豆[42]、小麦[43]、蔬菜与牧草[44]等作物的研究中均证明了防护林对作物的增产作用。
4 存在的问题及研究趋势
研究表明，目前农田防护林领域在工程和理论研究方面均取得了很大的进展，研究重点也从基础研究逐步转向深层次方面研究。然而，农田防护林作为一种人为创造的森林生态系统，其建设研究历史都还很短。防护农田的这一基本功能也在很大程度上制约了农田防护林的结构及群落组成，造成农田防护林生态系统的发展并不稳定和完整[45]。在农田防护林建设过程中，因树种选择或经营管理不当造成衰退者屡见不鲜。对此，未来农田防护林建设应该着力于生态系统稳定性与景观生态学相结合，同时兼顾经济效益，研究农田防护林的规划设计及营建技术；农田防护林经营应该以农田防护林衰退与恢复机制为核心，开展阶段定向经营研究。
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