黄羊滩人工防风固沙林生态效益研究

曹华军，高起，邢存旺，马增旺，赵广智

（1.赤峰市松山区园林局，内蒙古赤峰024000；2.赤峰市松山区初头朗镇政府，内蒙古赤峰 024039；3.河北省林业科学研究院，河北石家庄 050061）

黄羊滩人工防风固沙林生态效益研究

曹华军1，高起2，邢存旺3，马增旺3，赵广智3

（1.赤峰市松山区园林局，内蒙古赤峰024000；2.赤峰市松山区初头朗镇政府，内蒙古赤峰 024039；3.河北省林业科学研究院，河北石家庄 050061）

全面准确评价人工固沙林的生态效益，是人工固沙林可持续经营的理论依据。该文按照树种、林龄和配置模式，选择了京津风沙源南部区黄羊滩的18个有代表性的林分（草地）进行研究，选取了防风固沙、改良土壤、调节气候和物种多样性等方面的7个指标因子，运用灰色系统理论关联度分析法对人工林生态效益进行了综合评价。研究结果表明：防风固沙林的建立，降低了林地输沙率，固沙效益明显。13a生白榆林、7a生白榆林、26a生柠条和黄柳林等输沙率为0，固沙目标全面实现。进入退化阶段的沙打旺人工草地不能维持有效防护结构，输沙率为18.9g/cm·d，其它林分输沙率在0～10g/cm·d之间；防风固沙林也具有明显的小气候效应。除沙打旺草地外，其它林分均发挥不同程度的增加湿度和减缓温度变化的作用。其中17a生侧柏林相对湿度比空旷地提高了7.7个百分点，为湿度效应最大值，13a白榆林比空旷地温度日较差降低了2.8℃，为温度效应最大值；17a侧柏林、13a白榆林、26a柠条林、5a柠条林、沙地柏林、7a白榆林等6个林分与理想林分最为接近，这6个林分生态效益最好。沙打旺人工草地关联度最低，其综合生态效益最差；即侧柏、白榆、柠条和沙地柏营造的人工固沙林综合生态效益最好，可以在黄羊滩及周边地区大面积推广。沙打旺是流动、半流动沙地无可替代的先锋物种，生长衰退出现前，应及时引进功能更强的灌木树种进行改良。年龄较大的侧柏林、白榆林和柠条生态效益最明显，说明人工固沙林需要较长时间的恢复，生态效益才能充分发挥。

人工防风固沙林；生态效益；综合评价；黄羊滩

风沙危害一直是河北省西北部和首都北京的主要环境问题。环北京地区防沙治沙工程实施以来，工程区退化生态系统的治理和恢复工作得到高度重视[1]。国家与各级地方政府给予较多优惠政策以及大量资金投入，在工程管理、技术应用等方面做了大量研究并取得显著成效[2-5]。因地制宜地采取各种治理和恢复措施，目的是增加沙尘暴源区地表粗糙度、降低近地表风速、防止沙尘释放[6]。随着大规模的植被恢复，在风沙流得到控制的同时，必然会影响到防护系统的其它生态过程，使沙地退化生态系统向有利于地力恢复和稳定性增强的方向发展，促使沙地景观格局向沙漠化逆转的方向演变[7]，最终使沙地生态系统的物质转化、能量流动和信息传递步入良性循环。

防风固沙林是防护林的一个重要类型[8]，其生态效益的研究前人已作了大量工作[9-13]，但研究背景都是针对西北部干旱、半干旱地区与环北京风沙源北部区，对环北京风沙源南部区研究未见报道。从研究对象看，防风固沙林生态效益的研究对模式的长期稳定性考虑不多，主要是在建立5a内最初定植的模式内进行。本文以京津风沙源南部区具有典型性的黄羊滩为背景，选择18种不同模式、不同林龄的人工林为研究对象，选取防风固沙、改良土壤、调节气候以及对沙地植被的影响等方面的7个基本要素[8，14]，对18种人工防风固沙林生态效益进行综合分析评价，旨在为京津风沙源工程区及条件类似地区退化生态系统的治理和恢复提供科学依据。

1　研究区自然概况

研究区位于张家口市宣化林场，地理坐标为北纬40°25′12″～40°32′6″，东经115°2′34″～115°12′30″，处在宣化县东南部洋河南岸，为河北省五大沙滩之首，总面积0.97万hm2。属坝下中低山区，地势东南高、西北低，海拔在600～1000m之间。处于半湿润区向半干旱区的过渡地带，年均气温7.6℃，极端最低气温-25.8℃，极端最高气温38℃，年均降水量365mm，年蒸发量2000mm，无霜期130d，大风天数37～40d，年有效积温2368～3573℃。灾害性天气主要有沙尘暴、干旱、干热风、冻害等。区内土壤风蚀沙化严重，土壤以风蚀沙土为主。其原生群落为疏林草原，植被种类稀少，且盖度较低。

2　研究方法

2.1 标准地设置

依据黄羊滩近年来在无林地上逐渐恢复的人工林植被类型，按照树种、年龄和配置模式等选择具有代表性的地段，选取18种人工林植被类型。设置18块标准地，面积为20m×30m。标准地概况如表1。

2.2 林内输沙率测定

输沙率是指风沙流在单位时间内通过单位宽度的断面所搬运的沙量。林内输沙率采用10孔阶梯式集沙仪进行观测。集沙仪观测高度为20cm，每2cm为一层。观测时将集沙仪竖立在观测样地内，底部与地面平齐，进沙口与主风向垂直。观测开始时打开各个集沙仪的口盖，集沙时间为72h，结束后关闭集沙仪的口盖，并对集沙进行分层称重。在春季不同时段内分别观测3次，取平均值，作为该林分该时段的集沙量，并计算林分日输沙率[15]。

式中Q为输沙率（g/cm·d）；W为集沙量（g）；ΔT为观测时间（d）。

2.3 林地土壤理化性质的测定

按照自然剖面采集土样，取样深度为30cm。室内采用筛分法结合吸管法测定机械组成，选取粒径<0.005mm的粘粒部分作为评价因子；土壤水分常数用环刀取样结合烘干法测定。利用土壤田间持水量和实测含水量构建土壤干旱指数[16-17]；土壤有机质采用重铬酸钾容量法（丘林法）测定。全部分析化验均由河北省林业科学研究院分析测试中心完成。其中：

2.4 林内空气温度和相对湿度的测定

林内空气温度与相对湿度采用ZSW1－型阿斯曼通风干湿表测定。测定时间集中于2008年8月18日至21日（天气晴朗，无风或微风）。在8：00、14：00和18：00对每块标准地进行观测，连续2d。直接测定环境气温，用湿球温度与干球温度通过湿度查算表获得空气相对湿度。考虑到乔、灌、草的可比性，测定时干湿球温度计距离地面1m。将最低温度表与最高温度表平行安放在特制的水平支架上，感应部分向东。前一天18：00放置，第2天18：00读取数值。河北省林业科学研究院在试验区设有荒漠化监测站，站内空旷地百叶箱数据显示，观测期对应的测量项目完全相同，因此测量结果具有可比性。

表1 标准地概况

2.5 物种多样性调查与计算

对18种人工林林下草本层进行物种多样性调查。在每个样地内设置5个1m×1m的小样方，对样方内所有草本植物种类记录其种名、株数、高度、盖度和频度等。

式中S为样方中所有物种的数目，Pi为某一物种的盖度/所有物种盖度之和。

2.6 生态效益综合评价

运用灰色关联度分析方法[18]。把所有林分视为一个灰色系统，每个林分作为系统中的一个因素。取全部被调查林分各生态因子最优值构造出一个理想林分（输沙率、干旱指数、气温日较差与生态效益成负相关，选择最小值；土壤粘粒含量、有机质含量、空气相对湿度和物种多样性与生态效益成正相关，选择最大值），并以该理想林分作为参考数列X0。以现实林分所构成的数列作为比较数列Xi（i=1、2、3……18），计算各林分与理想林分之间的关联系数及关联度。林分与理想林分关联度越大，则生态效益越好，从而确定各林分的优劣次序。由公式（1）计算关联系数：

式中Δ0i（k）表示第k个因子X0与Xi的绝对差值；Δmin和Δmax分别表示所有比较序列各指标绝对差中的最小值与最大值；ρ为灰色分辨系数，取值0～1，一般取0.5。将各因子关联系数代入公式（2）则可求得林分的加权关联度。所有统计分析在Excel软件中进行。

3　结果与分析

3.1 人工防风固沙林生态效益分析

通过标准地调查与取样，经室内化验分析、统计整理，取得18种人工林分生态效益的统计数据，如表2所示。

人工固沙林的首要经营目标就是防风固沙，即控制风沙流活动。而风沙流活动的重要危害过程是输沙，林地沙面输沙率变化情况表明了固沙功能实现程度，是沙漠化治理效果最重要的评价指标[19]。不同林地输沙率呈现不同特点：13a生白榆林、7a生白榆林、26a生柠条林和黄柳林等4块林分，未监测到有输沙发生，说明风蚀现象已经得到彻底的控制，已全面实现了固沙目标；5a生柠条林、沙枣林、樟子松×紫穗槐林、沙地柏林、新疆杨林、沙地柏×紫穗槐林等6块林分，日平均积沙量W＜2g，表明林地只有轻微的风蚀现象发生，固沙目标接近完成；9a生小叶杨林、15a生小叶杨林、17a生侧柏林、7a生侧柏林、刺槐林、小叶杨×山杏林、樟子松林等7种林分，日平均积沙量在2～10g，林地风蚀现象较为强烈，固沙目标还没有完成；沙打旺人工草地日平均积沙量为18.9g，地面风蚀严重，主要是由于人工草地已进入退化阶段，不能维持有效的防护结构，导致地面风蚀逐渐增强。

表2 林分各项生态因子观测指标

粘粒（<0.005mm）含量在风沙土机械组成中具有标志性地位。一方面沙化土地逆转从外形上表现为地表细化即地表物质颗粒组成中细粒逐渐增加的过程，另一方面粘粒含量也决定着风沙土的持水与保肥能力。利用粘粒含量的差异和变化，可以判断人工固沙林改土效应实现程度，对其改土功能进行评价[20]。15a生小叶杨林地、5a生柠条林地、17a生侧柏林、26a生柠条林、小叶杨×山杏林地、樟子松林地、沙地柏林等，粘粒含量大于8.0%，含量相对较高；9a生小叶杨林地、13a生白榆林地、7a生侧柏林地、沙枣林地、刺槐林地、新疆杨林地，粘粒含量在4.0%～8.0%之间，为中等；7a生白榆林地、樟子松×紫穗槐林地、沙地柏×紫穗槐林地、黄柳林地、沙打旺人工草地等5块样地，粘粒含量小于4.0%，相对偏低。粘土数据可以从一个侧面反映出人工植被的降尘与固土作用。植被截流了近地层气流所携带的土粒，同时又阻止了风对土壤的侵蚀作用，导致林地的土壤细粒增加，而土壤机械组成也相应发生变化。由于不同人工林树种的生物生态学特性的差异，以及年龄和盖度的不同，不同人工林植被对土壤机械组成的影响也有一定差异。但总体上混交林、年龄较大的林分粘粒含量呈现较大的趋势。

土壤有机质是组成土壤固相部分的重要成分，也是土壤肥力高低的重要指标之一。它与土壤矿质部分共同作为林木营养的来源，其存在或多或少会直接影响和改变着土壤的保墒性、缓冲性、可耕性、通气状况和土壤温度。由表2可知：除了小叶杨×山杏林地土壤有机质含量为7.812g/Kg，其它林分均小于全国第二次土壤普查6.0g/Kg的极低标准[21]，主要原因是凋落物难以归还到土体当中。在森林土壤中，凋落物是土壤有机物的主要来源，也是补充有机质的主要方式。而在该地区风蚀作用强烈，林草凋落的季节正值季风盛行期，绝大多数甚至全部被风沙流带走，留存量极少。仅占生物量很小一部分的枯朽根系，则成为土壤有机质的重要来源，而这部分不足以维持土壤养分平衡。研究结果还发现，以小叶杨为造林树种的3块样地，有机质含量大于其它样地，说明小叶杨改土效果优于其它树种。与其它固沙树种相比，小叶杨叶片大、落叶量也大，林地留存量相对较多，同时叶片易分解，所以归还量大。

利用毛管断裂含水量与实测含水量之差构建土壤干旱指数。所研究的18种人工防风固沙林的土壤含水量均比毛管断裂含水量要小，都存在不同程度的干旱协迫，表明了研究区土壤含水量对生态环境逆转过程的制约性。其中15a生小叶杨林、17a生侧柏林、26a生柠条林、5a生柠条林、小叶杨×山杏林、樟子松林、樟子松×紫穗槐林、沙地柏地8块样地，土壤干旱指数大于8%，为重度干旱协迫；7a生侧柏林、7a生白榆林、13a生白榆林、9a生小叶杨林、沙地柏×紫穗槐林、新疆杨林等6块样地，土壤干旱指数为6%～8%，为中度干旱；刺槐林、沙枣林、黄柳林、沙打旺等4块样地，土壤干旱指数小于6%，为轻度干旱。于2007年9月下旬进行研究取样，期间降水量为37.0mm，与历史同期多年平均降水量（43.9mm）相比，属于正常波动范围，可以排除降水量偏低导致干旱发生的可能性。因此，林地水分渗漏严重、土壤保水能力差是造成土壤干旱的主要原因。

人工固沙林是典型的逆转植被，林内水汽来源主要有两个，一部分来源于林冠的蒸腾和被林冠截留的降水的蒸发，另一部分是林下土壤、枯枝落叶层与草本层的蒸发和蒸腾。此外，林内辐射加热和湍流扩散条件对林内湿度状况形成也起很大作用。以相同时刻空旷地百叶箱空气相对湿度为参照，除沙打旺草地和刺槐林外，其它林分内3个测定时刻的空气相对湿度均高于空旷地。空旷地相对湿度平均值为68.3%，以林内和空旷地相对湿度之差作为林分的湿度效应，17a生侧柏林湿度效应是7.7%，为全部林分最大值；刺槐林和沙打旺人工草地湿度效应为0。林内湿度其它林分介于0～7.7%之间。黄羊滩气候以干旱和地形风盛行为特点，林内空气相对湿度是大气湍流与林木蒸腾量共同作用的结果。

黄羊滩地区，太阳辐射强且日照充足，下垫面以风积沙为主，热容量小，白天易形成高温环境。地形原因导致平流风盛行，夜间乱流交换强烈，热量散失大，常常形成低温环境。在监测期间，空旷地日最低气温、日最高气温分别是11.8、31.4℃，气温日较差为19.6℃。观测数据显示：沙打旺人工草地，日最低气温、日最高气温与空旷地相同。其它林分均表现为最低气温比空旷地高，最高气温比空旷地低，从而与空旷地相比，具有更小的气温日较差。13a生白榆林与7a生白榆林分别比空旷地低2.8、2.7℃，是温度效应最大的2块林分。

物种多样性指数把物种数、个体数、分布特性等信息结合起来，是定量表征群落和生态系统特征的一个统计量。调查的林分Shannon-Wiener指数的大小随林分物种数的增加有增大的趋势，指数值在2.0以上的有2块样地，即17a生侧柏林和沙地柏林，物种数分别是24和13；多样性指数1.0以下的有4块，分别是15a生小叶杨林、沙枣林、刺槐林、黄柳林，其中黄柳林地草本植物只有狗尾草1个种，多样性指数为0；其它12块林分多样性指数介于1.0～1.5之间。

3.2 人工固沙林生态效益综合评价

各观测指标经标准化处理后，将理想数列X0与各比较数列Xi求出绝对值，即Δi（k）＝｜X0（k）-Xi（k）｜（i＝1、2……18，k＝1、2……7）。由绝对值数值（表略）可知，二级最小差值为Δmin＝0，二级最大差值Δmax＝4.550，取ρ＝0.5，将这3个值代入公式（1），可求得关联系数值（表3）。

表3 林分各因子的关联系数

各指标权重均根据当地自然条件和专家意见而定。人工固沙林首要经营目标是防风固沙与改良土壤，生态效益指标中固沙功能和土壤效应的权重高于小气候和物种多样性。土壤效应指标中机械组成与有机质含量是风沙土的限制因子[21]，且这二指标直接影响土壤的持水性能[16]，权重高于干旱指数。空气湿度与温度在小气候效应中具有相同的作用，有同等权重（表3）。

将林分各因子关联系数与权值代入公式（2），求得各林分与理想林分关联度（表4）。从表4关联度排序结果可以看出：17a侧柏林、13a白榆林、26a柠条林、5a柠条林、沙地柏林、7a白榆林，加权关联度排序位置与理想林分最为接近，说明这6个林分生态效益最好；沙打旺人工草地关联度最低，说明其综合生态效益最差。这7个人工植被的排序位置与未注重固沙效益的等权关联度评价排序位置基本一致。小叶杨和黄柳建植的林分，加权关联度排序位置和等权关联度位置相比较明显后移，主要原因是这2个树种改土效应分值较高，加权后因土壤因子相对多而单因子权重降低所致。新疆杨林加权关联度位置大幅前移是由于其固沙效应分值较其它指标分值高，加权后总分值相应高的缘故。

表4 林分与理想林分的关联度

4　结论与讨论

防风固沙林的建立，降低了林地输沙率，固沙效益明显。13a生白榆林、7a生白榆林、26a生柠条和黄柳林，林地输沙率为0，固沙目标全面实现；沙打旺人工草地由于进入退化阶段，不能维持有效防护结构，输沙率为18.9g/cm·d，地面风蚀现象严重，有逐渐增强的趋势；其它林分近地层0～20cm高度范围内输沙率在0～10g/cm·d之间。

防风固沙林的建立，增加了林内相对湿度，降低了气温日较差，小气候效应明显。除沙打旺草地外，其它林分均发挥不同程度的增加湿度和减缓温度变化的作用。其中17a生侧柏林相对湿度比空旷地提高了7.7个百分点，为湿度效应最大值，13a生白榆林比空旷地温度日较差降低了2.8℃，为温度效应最大值。

由于生物生态学特性的差异，不同林分的改土效应表现出不同特点。15a小叶杨林、小叶杨×山杏林土壤粘粒含量最高，分别为14.75%和11.69%；土壤中有机质总体上呈极贫瘠状态，只有小叶杨×山杏林地土壤有机质含量为7.812g/Kg，其它林地均小于6.0g/Kg的极低标准。主要原因是凋落物难以归还到土体当中，落叶期正值季风盛行期，凋落物绝大多数甚至全部被风沙流带走，留存量极少；土壤含水量全部比毛管断裂含水量要小，干旱指数在5.6～12.0之间，均存在不同程度的干旱胁迫。造成土壤干旱的主要原因是林地土壤保水能力差、水分渗漏严重。在18种林分中，Shannon-Wiener指数的变化在0～2.2205之间，其中只有17a生侧柏林和沙地柏林的指数值在2.0以上。

运用灰色关联度分析法对人工固沙林的生态效益进行评价，结果表明：17a侧柏林、13a白榆林、26a柠条林、5a柠条林、沙地柏林、7a白榆林，与理想林分最为接近，说明这6个林分生态效益最好；沙打旺人工草地关联度最低，说明其综合生态效益最差。侧柏、白榆、柠条和沙地柏是黄羊滩人工固沙林综合生态效益最好的树种，可以在黄羊滩及冀西北地区防沙治沙工程中大面积推广。沙打旺是流动、半流动沙地无可替代的先锋物种，具有见效快、退化快的特点。人工草地生长高峰过后，流动沙面已经固定，应及时引进功能更强的灌木树种进行改良。年龄较大的侧柏林、白榆林和柠条林生态效益最明显，说明人工固沙林需要较长时间的恢复，生态效益才能有效发挥。研究结果对于建立稳固的防风固沙林体系，并使其发挥长久持续的生态效益具指导意义。

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Study onEcologyicalEfficiency of Wind-breaking and Sand-fixing forest in Huangyangtan

CAO Hua-jun1,GAO Qi2,XING Cun-wang3,MA Zeng-wang3,ZHAO Guang-zhi
（1.Gardens Bureau of SongshuaDistrict,Inner Mongolia,Chifeng,024000;
2.Chutoulang Town Government,Inner Mongolia,Chifeng,024039；
3.Hebei Academy of Forestry Science,Hebei,Shijiazhuang，050061）

It's a theoretical basis for the sustainable management of sand-fixation plantations to comprehensively and accurately evaluate the ecological efficiency of the plantations.According to species,age and allocation model,this paper selected 18 representative stands（grasslands）for research in Huangyangtan,and comprehensively evaluated the ecological efficiency with grey correlation analysis system theory through 7 index factors,such as windbreak and sand fixation,soil improvement,climate regulation,species diversity and so on.The results showed that it could reduce the sediment transport rate and had obvious sand-fixing effects to build sand-fixation plantations.The sand fixation target was fully realized with the sediment transport rate was 0 in 13a Ulmuspumilaplantation,7a Ulmuspumilaplantation,26a Caragana Korshinskii plantation and Salix gordejevii plantation.Astragalus adsurgens artificial grassland,in degradation stage,couldn't maintain an effectiveprotective structure,with the sediment transport rate18.9gocm-1·d-1.The others ranged from 0 to 10 gocm-1·d-1.The study also displayed thatsand-fixation plantations hadobviousmicroclimate effects.ExceptAstragalusadsurgensartificial grassland,the other stands played roles at different degrees in increasing the moisture and slowing down the temperature change.The humidity effectreached maximum in 17a Platycladus orientalis plantation,with the relative humidity increasing by 7.7 compared withthe open area.While the temperature effectreached maximum in 13a Ulmus pumila plantation,with the daily range of temperature decreasing by 2.8℃,compared with the open area.The ecological efficiency was the best in 17a Platycladus orientalis plantation,13a Ulmus pumila plantation,26a Caragana Korshinskii plantation,5a Caragana Korshinskii plantation,Sabina vulgaris plantation,and 7a Ulmus pumila plantation,which were the most close to an ideal stand.The correlation degree of Astragalusadsurgensartificial grassland was the lowest and the comprehensiveecologicalefficiencywasalsotheworst.Platycladusorientalis plantation,Ulmus pumila plantation,Caragana Korshinskii plantation and Sabina vulgaris plantation had the best comprehensive ecological efficiency and could be popularized widely in huangyangtan and surrounding areas.On shifting sandy land and semi-shifting sandy land,Astragalus adsurgens was an irreplaceablepioneer species.After the growth peak,the flowing sand surface got fixed,and then shrub species should be introduced in time for improvement.Platycladus orientalisplantation,Ulmus pumila plantation and Caragana Korshinskii plantation in older age had the best ecological efficiency,suggesting that sand-fixation plantations needed a longer time forrecovery to create ecological efficiencyadequately.

wind-breaking and sand-fixing forest，ecologyical efficiency，Comprehensive appraisal，Huangyangtan

S718.5

A

1002-3356（2016）01-0005-07

2016-01-04

曹华军（1964-），农学学士，园林高级工程师，主要从事园林绿化工作。