新疆托克遜縣不同配置防護林的防風蝕效能

若山古麗·芒力克, 阿麗亞·拜都熱拉, 蔡凱旭, 木合塔爾·扎熱, 宋 敏

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 林學與風景園林學院, 新疆 烏魯木齊 830052; 2.新疆林業(yè)科學院, 新疆 烏魯木齊 830092)

新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市托克遜縣位于中國西北干旱區(qū)新疆東南部，以“風城”而出名，每年大風日數(shù)84 d，春夏季刮風日數(shù)較多且集中，年均蒸發(fā)量遠大于降水量，氣候極其干旱，生態(tài)環(huán)境惡劣[1]。在每年的風季大小交通事故頻發(fā)，嚴重影響當?shù)鼐用竦纳柏敭a(chǎn)安全。根據(jù)托克遜縣氣象臺報道，2021年4月22日發(fā)生大風天氣(風速達到10—12級)，往年同時間段[2]發(fā)生的災害性大風天氣中風速達到11—13級風，瞬時風速30 m/s。風蝕過程中大量的沙塵顆粒物離開土壤表面懸浮到空氣中，從而出現(xiàn)沙塵天氣[3-4]。城郊植被通過增加地表摩擦力，有效降低風速，削減風蝕強度[5-7]。研究[8]認為，人工防護林建設在防風治沙中效果顯著。不同地區(qū)的氣候條件和土壤性質存在差異，因此在適地適樹的基礎上，利用不同配置方式來得到更大的防風阻沙效能是目前防風阻沙預防危害的較好選擇[9-10]。植物的防風阻沙功能分為垂直方向和水平方向兩種[11]。馬士龍[12]在植被覆蓋度對土壤風蝕的影響機理研究中發(fā)現(xiàn)粗糙度與風速成負相關關系；查同剛[13]研究表明寧夏地區(qū)農(nóng)田防護林覆蓋度35%～45%時防風效能最佳，同時具有降溫增濕及提高土壤含水量的效能；也有學者[14]認為植被覆蓋度達到50%時能有效控制風蝕。增加植被覆蓋度能達到降溫增濕的目的，也能有效提高地表粗糙度，從而提高地表土壤抗風蝕能力。近年來托克遜縣的植被覆蓋度有所提高。在春夏大風天氣中托克遜縣內的風蝕和揚塵狀況有所好轉，但城郊工業(yè)區(qū)、克爾堿、小草湖等區(qū)域狀況依然很嚴重。如何準確選用防風蝕效能較強的城郊綠化植被，合理配置并提高其防風阻沙能力已成為亟待解決的科學問題。對于新疆而言，有關這方面的研究主要集中在塔克拉瑪干沙漠邊緣城郊防護林的防風阻沙能力及其合理配置方面，位于吐魯番市城郊活化沙丘附近防護林的現(xiàn)狀評價及功能分析方面沒有較系統(tǒng)的研究成果。本研究以新疆吐魯番市托克遜縣城郊防護林為研究對象，通過對比分析不同配置防護林迎風林緣與背風林緣的防風蝕效能，給該地區(qū)生態(tài)建設及防沙治沙提供建議，為改善生態(tài)環(huán)境方面提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為托克遜縣南側，托克遜縣位于新疆維吾爾族自治區(qū)中東部，天山南麓，吐魯番盆地西部(87°14′05″—89°11′08″E，41°21′14″—43°18′11″N)，三面為山地環(huán)繞，北邊高東邊低，0 m等高線穿過縣城中心，向東漸低，東部最低為-125 m。吐魯番市托克遜縣屬于典型大陸性暖溫帶荒漠氣候，極端性最高溫度 48 ℃，年均氣溫13.8 ℃，降水量5.7 mm，蒸發(fā) 量3 171.9 mm，是中國降雨量最少的地方。托克遜縣素有“風城”之稱，年均風速8 m/s，年均大風天數(shù)為84 d，春夏季刮風頻繁，尤其是春天，這兩季刮風天數(shù)占70%，秋季占25%，冬季占5%。據(jù)托克遜縣安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局2017年數(shù)據(jù)顯示，該縣共有森林資源105 400 hm2，森林覆蓋率4%。

1.2 試驗樣地的布設

根據(jù)托克遜縣南側城郊防護林配置結構，防護林樹種、防護林長勢、林地地勢地貌，選取相對一致、樹木年齡相同的林地。每片防護林的面積相等，長寬為940 m×560 m。不同配置防護林包括混交林1：胡楊(占68%)+檉柳(占32%)；混交林2：檉柳(占65%)+胡楊(占35%)；梭梭林。

在每片林地沿著中軸線，垂直風向，打兩個(大小為30 m×30 m)標準樣方(減少3種防護林的相互干擾林地迎風面邊緣，林地背風面邊緣各打一個樣方)。對每個樣方進行每木檢尺，不同樣地及植被狀況詳見表1。

表1 各林地概況

1.3 野外觀測

野外試驗于2020年3—5月，2021年3—5月分兩段進行，3種不同防護林地為研究對象，在不同防護林地迎風林緣，背風林緣，在緊挨著迎背風林緣邊行樹木的位置設置了觀測點、布設QN-FS風速廓線儀，計算林地粗糙度，同步用QN-FS風速風向儀觀測近地表風速及風向，風杯觀測高度分別10，50，80，120，160和200 cm，每次觀測時間為1 h，每隔2 s采樣1次，每30 s記錄1次，不同林地大風情況下總觀測時間為不少于8 h。在每個風速廓線儀布設的位置同時布設QN-JSY不同高度多通道組合式集沙儀(集沙儀高度為130 cm，5層10個集沙口，每個集沙口大小為5 cm×5 cm)，對不同垂直高度的流沙運動進行觀測，把多通道集沙儀直立安裝試驗樣地，每個通道系好布袋子。集沙量觀測時間為8 h，采完樣后不同垂直高度集沙通道集的沙樣分開裝到自封袋帶回實驗室稱重。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確度多次重復測量風速及集沙量，最后取平均值。

1.4 計算方法

(1) 風速標準化的計算參照文獻[3]的方法，計算公式為：

(1)

式中：U′(z)是任意測點高度的標準化風速(m/s)；U(t,z)表示為t時段z高度的風速(m/s)；U迎風邊緣(t0,z=2 m)表示為林地迎風邊緣t0時刻2 m高的風速(m/s)；U迎風邊緣(t,z=2 m)為林地迎風邊緣t時刻2 m高的風速(m/s)。

(2) 防風效能的計算參照文獻[7]的方法，計算公式為：

(2)

式中：E表示某一位置的防風效能(%)；U迎風邊緣為表示林地迎風邊緣不同位置的平均風速(m/s)；U表示林地不同位置的平均風速(m/s)。

(3) 輸沙通量的計算公式參照文獻[3]的方法，計算公式為：

(3)

式中：Qt為輸沙通量〔g/(cm2·min)〕；Q為輸沙量(g)；s為集沙面積(cm2)；t為收集持續(xù)時間(min)。

(4) 阻沙效能的計算參照文獻[3]的方法，計算公式為：

(4)

式中：E′表示為阻沙效能；Q迎風邊緣為林地迎風邊緣的輸沙量；Q為林地輸沙量(g)。

(5) 近地表風速為零的高度，表現(xiàn)地表對氣流的摩阻力。粗糙度的計算參照文獻[15]的方法，計算公式為：

(5)

式中：z0為地表粗糙度；u1，u2分別為同一時刻任意不同兩個高度處的風速。

2 結果與分析

2.1 風速廓線與粗糙度

不同林地內風速的垂直變化特征如圖1所示。在不同林地的風速廓線擬合曲線圖可以看出，風速隨著距地表垂直高度的增加而增大。各林地垂直高度10 cm的風速明顯降低，表明地表及地表面的植物和風速之間產(chǎn)生摩擦，導致風速降低；對混交林1而言，10—50 cm高度的風速降低不明顯，該區(qū)主要為胡楊林，枝下高50 cm以上；50—160 cm都保持增加趨勢?；旖涣?各垂直高度的風速削弱高于其他林地。林地植被加強地表粗糙度，從而氣流受到地表的阻擋和削弱，地表對摩擦阻力隨距地表垂直高度的增加而變小。根據(jù)風速廓線計算，不同林地地表粗糙度分別是混交林1為0.378 cm，混交林2為0.569 cm，梭梭林0.123 cm，各林地粗糙度高到低依次為：混交林2>混交林1>梭梭林。隨著地表粗糙度增高，林地削弱風速能力增強。

圖1 研究區(qū)不同林地風速廓線

2.2 起沙風速與防風效能比較

起沙風速是大氣邊界層的氣流運動過程中，風速達到一定程度后地表的沙粒得到動力，同時脫離地表開始運動及形成揚塵現(xiàn)象，地表沙粒進入運動狀態(tài)的那么一瞬間的風速稱起沙風速[16]。觀測發(fā)現(xiàn)混交林1的起沙風速為5. 98 m/s，混交林2的起沙風速為6.17 m/s，梭梭林的起沙風速為6.02 m/s。不同配置林地防風蝕效能比較詳見表2。防風效能各不同垂直高度均表現(xiàn)為：混交林2>混交林1>梭梭林；各林地不同垂直高度的風速統(tǒng)一隨著距地表垂直高度的增加而增大，背風林緣的風速均低于迎風林緣的風速，防風效能隨著距地表垂直高度的增加而減少。植物高度、冠幅、形態(tài)、植被覆蓋度、林地土壤地質等多種因素都影響林地防風效能。

表2 不同林地風垂直風速變化特征及防風效能

2.3 輸沙量及阻沙效能比較

風蝕是加強土地荒漠化的主要原因，一般輸沙量表示地表土壤的蝕積狀況。植被覆蓋度、植被密度、植物形態(tài)、長勢、植物所在的土壤條件都會影響輸沙量。不同配置防護林的輸沙量及風沙流結構決定防護林的阻沙效能。

由表3可知，各林地迎風邊緣的集沙量高于林地背風邊緣的集沙量，阻沙效能依次為：梭梭林(48.2%)>混交林2(45.6%)>混交林1(37.1%)；0—10 cm，10—20 cm垂直高度的集沙量明顯高于20—50 cm高度的集沙量，隨著高度的增加阻沙量成減少趨勢。

表3 不同林地平均輸沙量、風沙流結構及阻沙效能

3 討 論

由于地表植被的影響，風速廓線發(fā)生位移，這個跟植被高度和植被覆蓋度有密切相關的關系[17-19]。研究[20]表明相同風速下，植被蓋度對近地表風速及沙塵有顯著性影響。本研究中3種防護林均建造于2015年，起初均為裸沙地造林。結合表1各林地概況，混交林1和混交林2的樹種同樣，但種植比例不一樣，高度和地表覆蓋度也有所差異，混交林1為胡楊(68%)+檉柳(32%)，胡楊的平均高度為2.76 m，檉柳的平均高度為1.38 m；混交林1的林分植被覆蓋度為17%。混交林2為檉柳(65%)+胡楊(35%)，檉柳均高度為1.68 m；胡楊均高度為3.08 m，混交林2的林分植被覆蓋度為21%。梭梭林均高度為1.72 m，林分覆蓋度為13%。從圖1可知，不同林地對風速廓線的差異。林分覆蓋度越高，林地地表粗糙度越高，風與地表之間的摩擦力增大，影響林地風速廓線。馮澤深等學者在不同配置格局灌木林對風蝕影響的研究中發(fā)現(xiàn)，枝條茂密，蓋度高，樹高較高的沙柳林對風速降低作用比枝條密度低，蓋度低，樹高較低的檸條降低風速作用更好[21]。尚潤陽[22]的研究表明人工林的防風阻沙作用與其枝株密度、蓋度、高度都有關，密植灌木林的防風阻沙作用優(yōu)于疏枝灌木林。本試驗結果與周鑫[23]的研究結果相對一致，混交林2的植株較高、枝條茂密、地表蓋度大，從而地表粗糙度較高，對風速廓線的影響明顯。

植被因子在一定程度的影響起沙風速，邊凱[24]表明綠洲內部起沙風頻率比沙漠—綠洲過渡帶降低1/2左右。還有一些學者[25-28]在研究中發(fā)現(xiàn)各防護林及草地都對風速有影響。3種不同防護林的起沙風速為高到低依次為：混交林2>梭梭林>混交林1>；起沙風速越高表明林地抗風蝕能力越強。因樹種組成的不同，不同配置防護林的防風固沙效益有所差異[15]，不同防護林地的防風效能依次為：混交林2>混交林1>梭梭林，距地表不同垂直高度上各防護林的防風效能隨林地樹種的形態(tài)特征而有所變化；以上表明植被形態(tài)、覆蓋度、林地土壤性質都對防風效能，起沙風速、粗糙度有影響而且具有關聯(lián)性。

輸沙量一定程度上反映林地土壤地質，輸沙量是近地表土壤在外力作用下搬運的重量；植被形態(tài)、覆蓋度、林地土壤性質都對輸沙量有影響；各林地背風邊緣的輸沙量都比林地迎風邊緣的輸沙量，同時0—10，10—20 cm高度的輸沙量較多；隨距地表垂直高度的增加而輸沙量減少?；旖涣?在40—50 cm高度的輸沙量為0，阻沙效能也較好，其跟林地覆蓋度、樹高、粗糙度有關。梭梭林的防風效能最差但阻沙效能最好，因為梭梭林種植密度較高。這一研究結果與郭樹江[29]，董治寶等[30]學者研究植被覆蓋度對風沙流輸沙量的影響結果相對一致。

4 結 論

(1) 不同配置防護林的風速廓線、地表粗糙度、起沙風速都存在差異。檉柳(65%)+胡楊(35%)的混交林粗糙度、起沙風速以及防風效能均高于其他防護林，防土壤風蝕效果最好。

(2) 集沙量在0—10，10—20 cm垂直高度上占比較高，阻沙效能依次為：梭梭林(48.2%)>檉柳(65%)+胡楊(35%)的混交林(45.6%)>胡楊(68%)+檉柳(32%)的混交林(37.1%)，梭梭林對于距地表高度20 cm以下的防護效果較好。

(3) 通過比較防護林迎風林緣與背風林緣防風蝕特征，背風林緣輸沙量明顯低于迎風林緣輸沙量，說明防護林起到很好的防御效果。