風(fēng)沙區(qū)不同類型防護(hù)林防風(fēng)效果比較
——以第十四師224團(tuán)為例

王 雄 周正立 呂瑞恒 袁 林 李 荔

（1 塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾843300）

（2 塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾843300）

（3 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實驗室，新疆 阿拉爾843300）

防護(hù)林是以防御自然災(zāi)害、維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施、保護(hù)生產(chǎn)、改善環(huán)境和維持生態(tài)平衡等為主要目的的森林群落。它是中國林種分類中的一個主要林種。是以改善人們生產(chǎn)、生活條件為目的的天然林和人工林［1-3］。對于防風(fēng)固沙林而言，防護(hù)林帶對近地面的風(fēng)速起到了削弱作用，因而減少近地面高程內(nèi)的輸沙率。防護(hù)林帶的防護(hù)效能取決于特定結(jié)構(gòu)的林帶對風(fēng)壓力、風(fēng)速及湍流應(yīng)力等空氣動力學(xué)特征的影響［4，5］。防風(fēng)固沙林主要營建于干旱半干旱地區(qū)的沙漠邊緣，植被的生長不僅降低了近地表的風(fēng)速，同時改變了下墊面狀況，使地表粗糙度增加，從而減小沙蝕量和風(fēng)沙流的挾沙量，達(dá)到防風(fēng)固沙作用。由于防護(hù)林明顯改變了下墊面的性質(zhì)，一般可使風(fēng)速平均降低20%～30%，當(dāng)氣流含沙量較大時，通過植物的濾沙作用，氣流含沙量減小［6］。多年來，國內(nèi)外對荒漠區(qū)防風(fēng)固沙林做了大量的研究，目前李荔［7］對南疆地區(qū)防護(hù)林進(jìn)行適宜性評價，確定了不同立地條件下防風(fēng)固沙林可采用胡楊、新疆楊、箭桿楊等速生樹種，以灌木（檉柳、沙棘等）為輔。利用逐步回歸確定出稀疏型的防風(fēng)固沙林帶防風(fēng)效果最好。

南疆地區(qū)環(huán)境惡劣，屬于我國西北干旱區(qū)和半干旱區(qū)，降水稀少，風(fēng)沙大，經(jīng)常造成綠洲農(nóng)田作物傾倒和沙埋，嚴(yán)重影響該地區(qū)的農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，降低了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入。因此該區(qū)主要以防風(fēng)效益的目的來營造防護(hù)林，本文在前人研究的基礎(chǔ)上主要對防風(fēng)固沙林的防風(fēng)效益做了研究。通過不同配置和不同結(jié)構(gòu)類型的防護(hù)林帶對其防風(fēng)效果進(jìn)行比較，為南疆地區(qū)防護(hù)林的樹種優(yōu)化配置和林帶結(jié)構(gòu)類型提供理論參考。

1 研究區(qū)自然概況

224 團(tuán)位于新疆塔克拉瑪干大沙漠西南緣和田地區(qū)十四師，地處皮山縣與墨玉縣交界的阿克蘭干地區(qū)，地理位置坐標(biāo)從東經(jīng)79°14′60″至79°22′31″，北緯37°12′32″至37°24′52″，海拔為1 304—1 397 m，東隔沙漠與墨玉縣相望、西臨戈壁與皮山縣毗鄰，南抵喀喇昆侖山麓，北入塔克拉瑪干沙漠與阿瓦提縣接壤，南北長21.8 km，東西平均寬9.2 km，總面積約209 km2，地勢南北方向有3%的坡度，北面較低。研究區(qū)屬于暖溫帶干旱荒漠氣候，具有明顯的大陸性氣候特征。常年降水稀少，干旱多風(fēng)，日照時間長，光熱資源豐富，年平均氣溫為12. 2℃、極端最高氣溫為42.7℃，極端最低氣溫為-23.7℃。年平均降水量為32.1 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2 563.9 mm，年平均日照時數(shù)2 713.8 h。氣象災(zāi)害主要為春、秋季大風(fēng)(沙塵暴、浮塵)、干熱風(fēng)等，年均大風(fēng)11. 5 次，浮塵天數(shù)達(dá)200多天。

該區(qū)植被物種組成單一，自然植被喬木以灰葉胡楊（Populus pruinosa Schrenk）、胡楊（Populus euphratica）為主，灌木主要以檉柳（Tamarix ramosissima Lcdcb）、梭梭（Haloxylon Bunge）、沙棗（Elaeagnus angustifolia Linn）、駱駝刺（Alhagi sparsifolia Shap）、黑果枸杞（Lycium ruthenicum Murr）為主，草本主要有蘆葦（Phragmites australis）、甘 草（Glycyrrhiza uralensis Fisch）、苦 豆 子（Sophora alopecuroides L）、花 花 柴（Kareliniacaspia Less）、河西苣（Hexinia polydichotoma H.L.Yang）、鹽生草（Halogeton arachnoideus Moq）、羅布麻（Poacynum hendersonii Woodson）等。224 團(tuán)是在沙漠邊緣人工開墾的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，除檉柳林為主要的生態(tài)公益人工林外，常見的造林樹種有新疆楊、胡楊、竹 柳（Takeyanagi of the United States）、桑 樹（Morus alba L）、榆樹（Ulmus Pumila L）、沙棗、梭梭、沙拐棗（Calligonum mongolicum Turcz）等。

2 研究方法

2.1樣地設(shè)置

對224團(tuán)防護(hù)林帶進(jìn)行踏查的基礎(chǔ)上，選擇有代表性的地段，根據(jù)防護(hù)林帶長度、林帶段結(jié)構(gòu)，在各樣地帶選取不同的林帶段作為研究對象，共選取8條防護(hù)林帶段。借助周新華、關(guān)文彬等［8，9］的調(diào)查方法，并根據(jù)現(xiàn)有的研究條件，采用臨時標(biāo)準(zhǔn)地法進(jìn)行林帶段結(jié)構(gòu)的調(diào)查，對所選的防護(hù)林帶進(jìn)行每木調(diào)查，對植物種類、高度、胸徑、株行距和冠幅等指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查（表1）。

表1 樣地基本概況

2.2 風(fēng)速的測定

該研究區(qū)主要以西北風(fēng)為主。同一時刻下，在垂直梯度上采用三杯風(fēng)速儀分別測定0.2 m、1.5 m、2.5 m 三個高度風(fēng)向風(fēng)速，水平梯度變化取垂直于主林帶，用四合一表在迎風(fēng)面距離林帶0H、3H 處測定，背風(fēng)面距離林帶0H、3H、5H、7H 和11H 處測定。以空曠地為對照。重復(fù)三次。

2.3 疏透度的測定

(1)用數(shù)碼相機(jī)在水平方向垂直于林帶段20—30 m處手動攝取林帶段的縱切面圖，相機(jī)距地面高度為1.65 m。由于不同林帶段迎風(fēng)面與背風(fēng)面的透光性存在差異，故純林只在其迎風(fēng)面或背風(fēng)面進(jìn)行拍攝，混交林帶在其迎風(fēng)面和背風(fēng)面兩面進(jìn)行拍攝。在室內(nèi)將照片輸入電腦，用Photoshop7.0 進(jìn)行圖片處理，計算各林帶段的疏透度。

(2)林帶疏透度的計算，對于由單一樹種組成的防護(hù)林，采用加權(quán)平均法計算林帶的疏透度［10］，其公式為β=（β1×h1+β2×h2）/H(β 為疏透度，β1為林冠疏透度，β2為林干疏透度，H 為林帶平均高，h1為林冠平均高，h2為林干平均高)。對于由兩種及兩種以上樹種組成的混交防護(hù)林，用混交林帶疏透度的計算式β’=(β3+β4)/N(β’為疏透度，β3為迎風(fēng)面疏透度，β4為背風(fēng)面疏透度，N為物種數(shù)）。

2.4 防風(fēng)效能的測定

防風(fēng)效能計算公式［11］：V(%)=(V1-V2)/V1×100%（V1為空地風(fēng)速，V2為林帶前后實測風(fēng)速）。

2.5 降風(fēng)效果的測定

林帶降風(fēng)效果 計 算 公式：E1(%)=(V1′- V2′)/ V1′×100%，E2(%)=(V1′-V3′)/V1′×100%（E1為林帶中降風(fēng)效果，E2為林帶內(nèi)降風(fēng)效果，V1′為林帶迎風(fēng)面風(fēng)速，V2′為林帶中風(fēng)速，V3′為林帶背風(fēng)面風(fēng)速）。

3 結(jié)果與分析

3.1 防護(hù)林降風(fēng)效應(yīng)

對研究區(qū)的風(fēng)速進(jìn)行測定，處理后得到表2。從表中可以看出林帶中降風(fēng)效果由強(qiáng)到弱依次為：8、6、5、2、7、1、4、3。新疆楊、胡楊和檉柳的混交防護(hù)林帶風(fēng)速降低了48.46%，胡楊和沙棘的混交林帶風(fēng)速降低了35.42%，新疆楊和胡楊的混交林帶風(fēng)速降低了35.03%，新疆楊防護(hù)林帶風(fēng)速降低了26.88%，新疆楊和箭桿楊的防護(hù)林帶風(fēng)速降低了25.59%，胡楊林帶風(fēng)速降低了23.14%，新疆楊和沙棗的混交林帶風(fēng)速降低了20.78%，檉柳林帶風(fēng)速降低了14.83%。林帶內(nèi)降風(fēng)效果由強(qiáng)到弱依次為：8、6、2、7、5、1、3。新疆楊、胡楊和檉柳的混交防護(hù)林帶風(fēng)速降低了26. 61%，胡楊和沙棘的混交林帶風(fēng)速降低了17.71%，新疆楊防護(hù)林帶風(fēng)速降低了16.77%，新疆楊和箭桿楊的防護(hù)林帶風(fēng)速降低了15.35%，新疆楊和胡楊的混交林帶風(fēng)速降低了10.73%，胡楊林帶風(fēng)速降低了9.17%，檉柳林帶風(fēng)速降低了6.55%。新疆楊和沙棗的混交林帶風(fēng)速反而還有所增加，這可能與風(fēng)向的變化、樹齡較小和密度較低有關(guān)?？傮w而言，混交防護(hù)林帶的降風(fēng)效果優(yōu)于純林。

表2 不同防護(hù)林帶平均風(fēng)速和最大風(fēng)速

3.2 防護(hù)林的防風(fēng)效能分析

在同一條林帶的林帶前3H、0H 處和林帶后0H、3H、5H、7H、11H 處，風(fēng)速不同，對應(yīng)的防風(fēng)效能也是不同的。通過對224 團(tuán)8 條林帶防風(fēng)效能的分析，得到表3，即在0.2 m 的觀測高度下，8 號林帶的林帶后0H 處的防風(fēng)效能最大，為80. 65%，而1 號林帶的林帶前3H處的防風(fēng)效能最小，為3.51%。

表3 0.2 m處防護(hù)林帶不同位置的防風(fēng)效能比較

通過表4 發(fā)現(xiàn)，在1. 5 m 的觀測高度下，8 號林帶的林帶后0H 處的防風(fēng)效能最大，為61. 76%，而1號林帶的林帶前3H 處的防風(fēng)效能最小，為3. 85%。

表4 1.5 m處防護(hù)林帶不同位置的防風(fēng)效能比較

通過表5 發(fā)現(xiàn)，在2. 5 m 的觀測高度下，8 號林帶的林帶后0H 處的防風(fēng)效能最大，為83. 33%，而1號林帶的林帶前3H 處的防風(fēng)效能最小，為2. 30%。

表5 2.5 m處防護(hù)林帶不同位置的防風(fēng)效能比較

表6 垂直梯度下各防護(hù)林帶的防風(fēng)效能比較

圖1 林帶防護(hù)距離與防風(fēng)效能

通過表6 發(fā)現(xiàn)，0. 2 m 處5 號林帶的防風(fēng)效能最大，其數(shù)值為52. 64%，3 號林帶防風(fēng)效能最小，為16. 29%。1. 5 m 處6 號林帶防風(fēng)效能最大，為35.76%，1 號林帶防風(fēng)效能最小，為20.19%。2.5 m處8 號林帶防風(fēng)效能最大，其值為36.83%，3 號林帶防風(fēng)效能最小，為14.39%。

總體情況，由圖1 發(fā)現(xiàn)，水平梯度下，在林帶前，3H 處的防風(fēng)效能比0H 處的防風(fēng)效能小，而在林帶后，0H和3H處的防風(fēng)效能明顯要大于5H、7H和11H處的防風(fēng)效能。林帶后（0H、3H）的防風(fēng)效能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于林帶前。垂直梯度下，0.2 m 處的防風(fēng)效能較1.5 m、2. 5 m 處高了8. 7%、11. 57%。結(jié)果表明，不同配置的防護(hù)林帶的防護(hù)效能是不相同的，且混交防護(hù)林帶的防風(fēng)效能要大于純林的防護(hù)效能。

3.3 疏透度對防風(fēng)效果的影響

在眾多林帶結(jié)構(gòu)因子中，疏透度是其他各項林帶結(jié)構(gòu)因子的綜合表征［12］。在生產(chǎn)實踐及理論科學(xué)研究中，常用疏透度作為區(qū)別林帶結(jié)構(gòu)好壞的主要指標(biāo)之一［13］。疏透度不同，防風(fēng)效能也明顯不同。先計算各條防護(hù)林帶的疏透度（表1），從表7 可以看到，林帶防護(hù)效能較好的疏透度為32%—47%，其數(shù)值為33.69%，疏透度為42%的8 號林帶防風(fēng)效能最大，為36.76%。而疏透度為29%的3 號林帶防風(fēng)效能最小，為17.91%。

表7 林帶疏透度對防風(fēng)效能的影響

圖2 林帶疏透度與防風(fēng)效能

從圖2 可以看出林帶的防風(fēng)效能隨疏透度增大呈逐漸降低的趨勢?？傮w而言，稀疏型的防護(hù)林帶防風(fēng)效果最好，疏透型次之，通風(fēng)型和緊密型防風(fēng)效果最差。因此224 團(tuán)防護(hù)林結(jié)構(gòu)選擇應(yīng)以稀疏型結(jié)構(gòu)為主。

4 討論與結(jié)論

（1）選取不同的防護(hù)林帶，通過對各個林帶風(fēng)速的測定和分析，計算各條防護(hù)林帶的防風(fēng)效能，得出不同防護(hù)林帶的防風(fēng)效果不一樣，混交林的防風(fēng)效果要大于純林，純喬木林的防風(fēng)效果大于灌木林。與馮瑞等［14］、付亞星等［15］的研究結(jié)果基本一致。新疆楊、胡楊和檉柳的混交林帶防風(fēng)效果最好，新疆楊和胡楊的混交林帶防風(fēng)效能較好，胡楊純林防護(hù)效能較差，而檉柳林的防風(fēng)效果最差。檉柳灌木林一般是生長在風(fēng)沙前沿區(qū)的自然林和人工林，高度低、蓋度大、根系發(fā)達(dá)，以固沙為主要的防護(hù)作用。

（2）分析不同防護(hù)距離下各條防護(hù)林帶的防風(fēng)效能，得出不同防護(hù)距離下防護(hù)林帶的防風(fēng)效能之間有差異，林帶后隨著防護(hù)距離的增大，防風(fēng)效果逐漸減低，即0H＞3H＞5H＞7H＞11H。新疆楊、胡楊和檉柳的混交林帶在不同的防護(hù)距離處防風(fēng)效能都優(yōu)于其它各林帶。在垂直梯度下，各防護(hù)林帶在不同高度下總體隨高度的增加防風(fēng)效能逐漸下降的趨勢。這與付亞星等［15］研究結(jié)果一致。

（3）段娜等［16］研究結(jié)果顯示，稀疏型林帶防風(fēng)效果最佳，疏透型次之，通風(fēng)型防風(fēng)效果最差。本文研究與以上結(jié)果基本一致。將224 團(tuán)不同配置防護(hù)林帶的疏透度和防風(fēng)效能綜合分析，得到稀疏型(30%-50%)的防護(hù)林帶防風(fēng)效果最好，即新疆楊、胡楊和檉柳的混交林帶、新疆楊和沙棗的混交林帶、新疆楊和胡楊的混交林帶以及胡楊和沙棘的混交林帶防風(fēng)效果最好；疏透型(50%-60%)的防護(hù)林帶防風(fēng)效果次之，即新疆楊防護(hù)林帶、新疆楊和箭桿楊的防護(hù)林帶的防風(fēng)效果較好；而通風(fēng)型(＞60%)與緊密型(＜30%)的防護(hù)林帶防風(fēng)效果最差，即胡楊防護(hù)林帶和檉柳林帶。