沙柳林林帶寬度與防風(fēng)功能研究

郭曉靜

(陜西省榆林市榆陽區(qū)草原工作站，陜西 榆林 719000)

在沙質(zhì)地區(qū)種植沙柳林可以有效減緩風(fēng)速并防止沙塵移動。在生態(tài)環(huán)境建設(shè)中，植被的抗風(fēng)作用是被選擇和合理分配的主要因素。我國西部干旱和半干旱地區(qū)的主要植被是沙質(zhì)灌木，由于自然條件和該地區(qū)落后的經(jīng)濟(jì)狀況，在生產(chǎn)過程中，沙柳無法通過合理的平茬復(fù)壯恢復(fù)生機(jī)和再生，經(jīng)常會發(fā)生砍伐現(xiàn)象，灌木生長緩慢并在樹樁變質(zhì)后退化，甚至死亡，從而導(dǎo)致惡劣的生態(tài)后果，增加沙地荒漠化程度。

1 沙柳防風(fēng)功能研究目的和意義

荒漠化已成為全人類的普遍災(zāi)難，這是引發(fā)普遍關(guān)注全球環(huán)境重要問題之一。不僅威脅到整個人類的生存環(huán)境，而且已經(jīng)成為限制全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定的重要因素，引起了國際社會的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，受荒漠化影響的人口占世界人口的1/6，導(dǎo)致自然資源枯竭，動植物滅絕，城市和農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量惡化，生產(chǎn)和生活條件惡化及自然災(zāi)害惡化。

我國是世界上沙漠面積最大，分布廣泛的發(fā)展中國家之一，沙漠化是當(dāng)下嚴(yán)重的破壞性環(huán)境因素之一。中國近1/3的土地面積受到荒漠化的威脅。近年來，隨著全球變暖和干燥加劇，沙漠化和沙塵暴越來越嚴(yán)重，位于中國北部長城沿農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)之間半干旱過渡地帶的毛烏素沙地，由于干旱少雨，該地區(qū)風(fēng)沙頻繁，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，環(huán)境惡劣，除了資源的過度開發(fā)外，牧場退化、土地沙漠化、水土流失加劇，惡劣的生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重限制了資源的大規(guī)模開發(fā)和利用，并限制了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 榆林地區(qū)沙柳資源現(xiàn)狀

榆林市位于陜西省最北部，毗鄰內(nèi)蒙古毛烏素沙漠，由于氣候因素，常年受西北季風(fēng)影響，風(fēng)沙侵襲問題嚴(yán)重。榆林沙地占毛烏素沙地的57.8%，在全國范圍內(nèi)屬于生態(tài)脆弱地區(qū)之一，也是三北防護(hù)林體系和京津沙塵暴源項(xiàng)目的主要防治建設(shè)區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，榆林沙區(qū)目前種植的樹種主要有：沙柳、沙棘、紫穗槐、檸條、柏樹等。植被的增加大大改善了沙區(qū)生態(tài)環(huán)境。但從總體發(fā)展趨勢來看，沙區(qū)生態(tài)環(huán)境仍然十分脆弱，沙地以灌木叢為主，出現(xiàn)森林質(zhì)量低下，森林結(jié)構(gòu)簡單，老化荒蕪嚴(yán)重，森林生長差等現(xiàn)象[1]。由于國家對荒漠化進(jìn)行防治的緊迫性，毛烏素沙地的植被選擇一直在追求高密度和大型灌木。由于耐旱、耐高溫等特性，沙柳成為改善毛烏素沙地生態(tài)環(huán)境，防風(fēng)防沙的首選，大規(guī)模的種植有助于提高荒漠化防治的總體水平和有效性。

沙柳是防沙治沙的主要樹種，是生態(tài)改善的象征。作為毛烏素沙地的主要防風(fēng)固沙樹種，可以利用其特性在風(fēng)沙丘之間的低地或背風(fēng)坡腳處建造防風(fēng)林。新種植的沙柳可在3～4年內(nèi)，在地面上形成茂密的分枝和多葉灌木，并在地下形成龐大的根系，營造垂直和水平相交的防護(hù)林帶。隨著沙柳的生長，沙地表面粗糙度增加，使得風(fēng)速降低，沙粒凝結(jié)。榆林地區(qū)沙柳覆蓋面積超過30萬hm2，在沙地人工生態(tài)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。

3 沙柳林林帶寬度與防風(fēng)固沙效能分析

該地區(qū)海拔1200 m，年平均氣溫6 ℃，年平均降水量348 mm，年蒸發(fā)量2400 mm，年平均風(fēng)速3.6 m/s，地表起沙風(fēng)速4 m/s，地表土壤形態(tài)主要為流動或半流動固定沙丘、平沙地。土壤類型以流動風(fēng)沙土、固定風(fēng)沙土、草甸土為主，地表植被主要為白沙蒿、沙米、軟毛蟲實(shí)為主。春季風(fēng)沙對榆林危害較大，以榆林地區(qū)人工種植3年生沙柳林作為研究，沙柳林林帶區(qū)平均株高為260 cm，在林帶區(qū)內(nèi)選取26 m寬作為測試區(qū)。經(jīng)過林帶區(qū)風(fēng)速測試，沙柳林林帶區(qū)中每個高度風(fēng)速沒有明顯變化[2]。風(fēng)速在3.5 m高度處變化較為平緩，因此，在這一高度沙柳林對風(fēng)速影響不大。風(fēng)速變化出現(xiàn)在3.5 m以下，下降幅度為曠野風(fēng)速的65%～75%，林帶區(qū)域的風(fēng)速低于當(dāng)?shù)刈畲蟮钠鹕筹L(fēng)速，表明沙柳林具有良好的防風(fēng)效果[3]。在迎風(fēng)地區(qū)，風(fēng)速在每個高度上都會發(fā)生較為顯著變化，風(fēng)速降低為野外無遮擋處風(fēng)速的65%～90%，之后波動變?nèi)酰@是由于氣流渦流場的影響，也是生物莖形成的動態(tài)條件。在被風(fēng)地區(qū)，每個高度的風(fēng)速都同樣會發(fā)生變化，并且風(fēng)速急劇下降，相當(dāng)于空曠風(fēng)速的20%～40%，由于測量點(diǎn)后面沒有沙柳遮蔽物，因此，風(fēng)速變化急劇下降。隨著測風(fēng)區(qū)域向后移動，每一層的風(fēng)速逐步升高，直至?xí)缫疤庯L(fēng)速恢復(fù)。這項(xiàng)研究結(jié)果表明，平均樹高為260 cm的3年生沙柳林采伐寬度不應(yīng)超過20 m[4]。

根據(jù)沙柳林防沙層的規(guī)格，其防風(fēng)效果會有所不同。在沙柳林高度不變的情況下，其形狀和大小會直接影響防風(fēng)效果。沙柳林高度過低，容易被埋在沙子中，無法起到相應(yīng)保護(hù)作用，如果高度過高，不僅容易將沙柳吹走，而且建造成本也會增加。在防沙層高度相同的情況下，隨著防沙層尺寸的增加，保護(hù)效果逐漸降低，單位面積成本降低。防沙層尺寸越小，防護(hù)效果越好，但成本會逐漸增加。因此，生產(chǎn)實(shí)踐和研究表明，不同規(guī)格沙柳林輸沙速率會隨風(fēng)速的變化而變化。小型沙柳林內(nèi)的輸沙速率遵循風(fēng)速對數(shù)曲線隨變化的趨勢，大型沙柳林的輸沙速率遵循風(fēng)速指數(shù)曲線的趨勢。

粗糙度是反映地面對風(fēng)的阻力的重要參數(shù)，其大小會影響氣流的阻力。研究表明，地表覆蓋可以有效地增加表面粗糙度并減緩風(fēng)沙對土壤的侵蝕。目前，采取的各種防沙固沙措施主要是為了改變地表性質(zhì)，增加基層粗糙度，以有效地控制沙流動，達(dá)到防風(fēng)防沙的目的。許多學(xué)者研究說明，表面覆蓋物的增加可以增加土地表面粗糙度，而沙柳林前后的粗糙度會發(fā)生較大變化，對地表附近沙丘的結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生影響。當(dāng)沙流遇到沙丘底部防沙層時，靠近表層的風(fēng)速降低，沙流中的沙粒開始下沉。隨著沙粒繼續(xù)沉積，氣流中的沙量繼續(xù)減少，使低氣流迅速通過，并且高處風(fēng)速會發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致粗糙度進(jìn)一步增加。

風(fēng)蝕是風(fēng)和沙流對地表土壤的大量運(yùn)輸和積累，是導(dǎo)致干旱和半干旱地區(qū)土地沙漠化和沙漠化過程的最直接因素之一。輸沙率是衡量沙區(qū)沙害程度的關(guān)鍵指標(biāo)，也是防沙工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。在設(shè)置防沙層的區(qū)域中，對防沙層的抑制和保護(hù)有效地降低了地表附近風(fēng)速，降低了沙流承載能力，沙流中的沙粒開始下沉。隨著防沙層的繼續(xù)堵塞，沙礫向前的作用力也被堵塞，并發(fā)生連續(xù)沉積。防沙層可固定附近的土地表面灰塵，風(fēng)沙流不能裹挾到沙塵，使得沙地表面沙粒運(yùn)輸量大大減少。由于沙粒的移動，一定數(shù)量的沙以球形冠狀的形式積聚在沙柳林根部。第一行沙量最大，每行逐漸減少，林帶中植物生長和密度比前一行和野生的要好。這表明在沙柳林帶邊緣形成了某些生物莖，改善了林地生態(tài)環(huán)境。

許多研究表明，即使在相同風(fēng)速下的同一位置，靠近地面的沙流結(jié)構(gòu)與在沙柳林帶內(nèi)移動的沙丘表面之間也存在明顯差異。由于沙柳林防沙層的抑制作用，靠近地表面的風(fēng)速顯著衰減，從而改變了風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。0～1 cm范圍內(nèi)，沙柳林帶沙含量為23.4%～28.6%，活動沙丘表面沙含量為15.2%～18.1%。0～4 cm范圍內(nèi)沙含量較高，沙柳林帶防沙層為71.6%～75.3%，活動沙丘表面為55.1%～58.2%，并且防沙層內(nèi)部風(fēng)速減弱，導(dǎo)致承載力下降，并且沙柳防沙層會導(dǎo)致靠近表面的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化[5]。

4 結(jié)語

總的來說，沙柳灌木林帶對降低整體風(fēng)速具有更明顯的作用。土壤風(fēng)蝕的直接原因是引發(fā)表層沙粒的氣流的噴發(fā)效應(yīng)，而沙柳地帶對整體風(fēng)速降低具有更明顯的影響。降低風(fēng)速和風(fēng)能的效果更好，保護(hù)范圍更廣泛。沙質(zhì)地區(qū)的植被建設(shè)應(yīng)基于多種保護(hù)目的，應(yīng)綜合考慮沙柳的防風(fēng)性能，合理設(shè)計(jì)和建設(shè)防風(fēng)固沙林以獲得對自然環(huán)境的最佳保護(hù)。