陕北风沙区铁路防风固沙林效益研究

高海艳，王亚昇

（1．榆阳区城郊林场；2．榆林市林业科学研究所，陕西 榆林719000）

神延铁路榆神段北起陕西省神木县中鸡镇陕蒙交界处，南至陕西榆林市榆阳区鱼河镇，全长150km，其中120km为风沙路基，穿越毛乌素沙漠沙区，铁路沿线气候条件严酷，主要特征是春季干旱多风，风蚀严重，秋季多暴雨，冲刷水蚀严重，是黄河中上游水土流失最严重的区域。严酷的自然环境和生态条件使新建铁路的路基受到了风蚀沙埋和暴雨侵蚀，极易造成路基被流沙埋压和边坡水土流失，进而导致路基失稳、坍塌，严重威胁铁路的安全运营。因此，在铁路沿线两侧大量营造混交型铁路防风固沙林，是一种长久、经济和有效的防护措施。本项研究就是通过对神延铁路榆神段铁路沿线两侧防风固沙林的防护效益进行了进一步的观测研究，从而为更好的治理沙区铁路环境和有效防护提供科学依据。

1 研究区自然概况

研究区于毛乌素沙漠南缘，是鄂尔多斯台地和黄土高原的接壤区，属暖温带干旱半干旱大陆性季风气候。年降水量316～450mm，主要集中在7－9月，约占全年降水量的60%～70%，且多阵雨和暴雨；年蒸发量为1 127～1 546mm；年平均气温7．9～9．1℃，≥10℃的积温3 078～3 370℃，无霜期134～173d；年日照时数2 700～100h；每年3－5月西北风盛行，常有7级以上大风，最大风力可达11级，掀起铺天盖地的沙尘暴。该区的气候特点是春季干旱，日照充足；夏季高温，降水集中；秋季阴雨，降温迅速；冬季严寒，风强沙大。该区土壤以风沙土为主，还有少量盐碱土、草甸土、沼泽土、水稻土分布。风沙区地表土层疏松，由浮沙覆盖，区域性植被稀少，干旱和风沙是风沙区两大严重的自然灾害。该区铁路路基多由沙土堆积而成，多数高出地面，最大垂直高度达12m，最大坡长30m，边坡每隔5m用石块砌成拱形骨架，内填20cm原生黄土固定流沙，可根据实际需要栽种各种灌木和草本植物固沙保持水土，稳固路基。该区铁路沿线两侧多为半固定沙丘或沙地，自然分布的稀疏植被主要有沙柳（Salix psammophila）、沙蒿（Artemisia desterorum）、沙 棘 （Hippophae rhamnoides）、踏 郎（Hedysarum mongolicum、柠条（Caragana Kor－shinskii）等，植被覆盖度多在30%以下。

2 调查内容与方法

2．1 观测区选择及其植被状况调查

在全面踏查基础上，选择2009年春季营造的有代表性的不同铁路防风固沙林类型设置观测区，共设置观测区6个（1～6区），对照区（流沙区）1个，观测项目测定前，观察测定观测区林木混交方式、优势植物种组成及其平均高度、植被盖度等，各观测区概况见表1。

表1 各观测区概况

2．2 地表粗糙度测定

采用电子测风仪测定不同配置结构的混交型铁路防风固沙林地上50cm和200cm处某一时刻的风速值V50和V200，用公式lgZ0＝（lgZ2·gZ1）／（1－A）计算出粗糙度Z0，其中：Z1＝50 cm，Z2＝200cm，A＝V200／V50。

2．3 不同高度处风速变化率及防风效益测定

采用电子测风仪分别测定不同配置结构的混交型铁路防风固沙林观测区内和对照区流动沙地上60、150cm处的风速值Vg、V1，风速变化率T＝（V1－Vg）／V1，其中V1为对照区流动沙地上60、150cm处的风速值，Vg为防风固沙林地上相应高度处风速。

2．4 输沙量的测定

选择大风天气，将集沙仪口正对风向在观测区放6min后收回集沙仪，测定输沙量。

2．5 风蚀深度测定

在不同配置结构的混交型铁路防风固沙林地内和对照流动沙地上设置标尺，经过一段时间后观记录。

2．6 温湿度测定

用通风干湿度表测定不同混交型铁路防风固沙林地及对照流动沙地，在一天中8：00、11：00、14：00、17：00、20：00时距地上1．0m 高处的温度和湿度。

2．7 土壤养分测定

分别采集不同配置结构的混交型铁路防风固沙林地0～30cm土层混合土样，采用常规土壤养分分析方法测定土壤有机质、全N、速P、速K，每个处理做5个重复。

3 观测结果分析

3．1 不同类型铁路防风固沙林防风效益

表2显示，不同配置结构的混交型铁路防风固沙林比对照流动沙地降低风速40．8%～78．9%，平均降低风速67．8%；不同配置结构的铁路防风固沙林，降低风速值的大小依次为2区＞5区＞1区＞4区＞3区＞6区，这与林草植被的盖度大小相一致，林草植被的盖度越大，防风的效果越显著［1］。不同配置结构的铁路防风固沙林地表粗糙度较对照流动沙地增大到0．947～9．438cm，位移高度平均为6．338cm，混交型铁路防风固沙林地的地表粗糙度随着林草植被度的增大而增加。

表2 不同类型铁路防风固沙林地60cm高处风速与地表粗糙度

3．2 固沙效益

从表3的测量结果来看，不同配置结构的铁路防风固沙林比对照流动沙地减少输沙量55．5%～98．1%，总的趋势是随林草植被盖度的增加，输沙量则减少［2］。当林草植被盖度达70%以上时，输沙量则为对照流动沙地的1．9%～5．0%。输沙量的67%以上集中在近地表0～6cm高度范围内，这为采用乔灌草混交造林治沙提供了科学依据。

表3 不同配置结构的铁路防风固沙林输沙量

表4表明，混交型铁路防风固沙林的植被盖度达70%以上的地段基本无风蚀现象，植被盖度达75%以上的地段则出现了极少量的积沙，而植被盖度在70%以下的地段则出现了不同程度的风蚀现象，但有植被区的风蚀情况比无植被流动沙地轻的多，平均为无植被流动沙地的8%。

表4 不同类型铁路防风固沙林地风蚀沙埋深度

3．3 改善小气候效益

从表5可以看出，风沙区铁路沿线两侧营造不同配置结构的混交型防风固沙林有明显的改善小气候作用，受林草植被的影响，夏季有植被区比对照区流动沙地降低温度0．28～1．22℃，增加空 气相对湿度6．8%～11．6%。

表5 不同配置结构的铁路风固沙林地上100cm高处的温湿度变化

3．4 对沙地土壤的改良作用

从表6来看，不同配置结构的混交型铁路防风固沙林地0～30cm土层内，土壤的有机质、全N、速效P、速效K等均比对照流动沙地有明显的提高，其中有机质增加了0．40～7．15倍，全N增加了1．23～5．06倍，速效P增加了0．07～0．42倍，速效K增加了0．12～0．63倍。总的趋势是林草植被的盖度越大，土壤的有机质及N、P、K含量越高，因此，在风沙区铁路沿线营造混交型防风固沙林能有效地改善林地的土壤理化生质。

表6 不同类型铁路防风固沙林地0～30cm土壤养分含量

4 结论

通过对不同配置结构的铁路防风固沙林的防风固沙效益观测研究表明：不同配置结构的混交型铁路防风固沙林均具有显著地防风固沙效益，混交型防风固沙林比流动沙地平均降低风速67．8%，且林草植被覆盖度越大，降低风速的效果越显著；混交型防风固沙林能显著增加地表粗糙度，减轻风蚀，减少输沙量。不同配置结构的混交型铁路防风固沙林比流动沙地减少输沙量55．5%～98．1%，随着林草植被盖度的增加，输沙量则减少，当林草植被盖度达70%以上时，输沙量仅为流动沙地的1．9%～5．0%，且林地内基本无风蚀现象。

不同配置结构的混交型铁路防风固沙林改善小气候的效益显著，有林草植被区比流动沙地夏季降低气温0．28～1．12℃，增加空气相对湿度6．8%～11．6%。

不同配置结构的混交型铁路防风固沙林对沙地土壤的改良作用明显，在不同结构的防风固沙林地0－30cm土层内，土壤的有机质、全N、速效P、速效K均比对照流动沙地有明显提高，其中：土壤有机质增加了0．40～7．15倍，全N增加了1．23－5．06倍，速效P增加了0．07～0．42倍，速效K增加了0．12～0．63倍，且总的趋势是林草盖度越大，土壤的有机质和N、P、K的增加倍数越高。

［1］高保山，康文伟，麻保林，等．陕北榆林风沙区防护林体系效益评价研究［J］．西北林学院学报，2005，20（2）：13－17．

［2］周心澄，李广毅，薛智德，等．毛乌素沙地生态经济型防护林体系效益［J］．水土保持研究所，1995，2（2），36－69．