风沙区不同类型防护林防风效果比较
——以第十四师224团为例
2020-05-28周正立吕瑞恒
王 雄 周正立 吕瑞恒 袁 林 李 荔
(1 塔里木大学生命科学学院,新疆 阿拉尔843300)
(2 塔里木大学植物科学学院,新疆 阿拉尔843300)
(3 新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用重点实验室,新疆 阿拉尔843300)
防护林是以防御自然灾害、维护基础设施、保护生产、改善环境和维持生态平衡等为主要目的的森林群落。它是中国林种分类中的一个主要林种。是以改善人们生产、生活条件为目的的天然林和人工林[1-3]。对于防风固沙林而言,防护林带对近地面的风速起到了削弱作用,因而减少近地面高程内的输沙率。防护林带的防护效能取决于特定结构的林带对风压力、风速及湍流应力等空气动力学特征的影响[4,5]。防风固沙林主要营建于干旱半干旱地区的沙漠边缘,植被的生长不仅降低了近地表的风速,同时改变了下垫面状况,使地表粗糙度增加,从而减小沙蚀量和风沙流的挟沙量,达到防风固沙作用。由于防护林明显改变了下垫面的性质,一般可使风速平均降低20%~30%,当气流含沙量较大时,通过植物的滤沙作用,气流含沙量减小[6]。多年来,国内外对荒漠区防风固沙林做了大量的研究,目前李荔[7]对南疆地区防护林进行适宜性评价,确定了不同立地条件下防风固沙林可采用胡杨、新疆杨、箭杆杨等速生树种,以灌木(柽柳、沙棘等)为辅。利用逐步回归确定出稀疏型的防风固沙林带防风效果最好。
南疆地区环境恶劣,属于我国西北干旱区和半干旱区,降水稀少,风沙大,经常造成绿洲农田作物倾倒和沙埋,严重影响该地区的农牧业的发展,降低了农民的经济收入。因此该区主要以防风效益的目的来营造防护林,本文在前人研究的基础上主要对防风固沙林的防风效益做了研究。通过不同配置和不同结构类型的防护林带对其防风效果进行比较,为南疆地区防护林的树种优化配置和林带结构类型提供理论参考。
1 研究区自然概况
224 团位于新疆塔克拉玛干大沙漠西南缘和田地区十四师,地处皮山县与墨玉县交界的阿克兰干地区,地理位置坐标从东经79°14′60″至79°22′31″,北纬37°12′32″至37°24′52″,海拔为1 304—1 397 m,东隔沙漠与墨玉县相望、西临戈壁与皮山县毗邻,南抵喀喇昆仑山麓,北入塔克拉玛干沙漠与阿瓦提县接壤,南北长21.8 km,东西平均宽9.2 km,总面积约209 km2,地势南北方向有3%的坡度,北面较低。研究区属于暖温带干旱荒漠气候,具有明显的大陆性气候特征。常年降水稀少,干旱多风,日照时间长,光热资源丰富,年平均气温为12. 2℃、极端最高气温为42.7℃,极端最低气温为-23.7℃。年平均降水量为32.1 mm,蒸发量高达2 563.9 mm,年平均日照时数2 713.8 h。气象灾害主要为春、秋季大风(沙尘暴、浮尘)、干热风等,年均大风11. 5 次,浮尘天数达200多天。
该区植被物种组成单一,自然植被乔木以灰叶胡杨(Populus pruinosa Schrenk)、胡杨(Populus euphratica)为主,灌木主要以柽柳(Tamarix ramosissima Lcdcb)、梭梭(Haloxylon Bunge)、沙枣(Elaeagnus angustifolia Linn)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia Shap)、黑果枸杞(Lycium ruthenicum Murr)为主,草本主要有芦苇(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)、盐生草(Halogeton arachnoideus Moq)、罗布麻(Poacynum hendersonii Woodson)等。224 团是在沙漠边缘人工开垦的农业种植区,除柽柳林为主要的生态公益人工林外,常见的造林树种有新疆杨、胡杨、竹 柳(Takeyanagi of the United States)、桑 树(Morus alba L)、榆树(Ulmus Pumila L)、沙枣、梭梭、沙拐枣(Calligonum mongolicum Turcz)等。
2 研究方法
2.1样地设置
对224团防护林带进行踏查的基础上,选择有代表性的地段,根据防护林带长度、林带段结构,在各样地带选取不同的林带段作为研究对象,共选取8条防护林带段。借助周新华、关文彬等[8,9]的调查方法,并根据现有的研究条件,采用临时标准地法进行林带段结构的调查,对所选的防护林带进行每木调查,对植物种类、高度、胸径、株行距和冠幅等指标进行详细调查(表1)。
表1 样地基本概况
2.2 风速的测定
该研究区主要以西北风为主。同一时刻下,在垂直梯度上采用三杯风速仪分别测定0.2 m、1.5 m、2.5 m 三个高度风向风速,水平梯度变化取垂直于主林带,用四合一表在迎风面距离林带0H、3H 处测定,背风面距离林带0H、3H、5H、7H 和11H 处测定。以空旷地为对照。重复三次。
2.3 疏透度的测定
(1)用数码相机在水平方向垂直于林带段20—30 m处手动摄取林带段的纵切面图,相机距地面高度为1.65 m。由于不同林带段迎风面与背风面的透光性存在差异,故纯林只在其迎风面或背风面进行拍摄,混交林带在其迎风面和背风面两面进行拍摄。在室内将照片输入电脑,用Photoshop7.0 进行图片处理,计算各林带段的疏透度。
(2)林带疏透度的计算,对于由单一树种组成的防护林,采用加权平均法计算林带的疏透度[10],其公式为β=(β1×h1+β2×h2)/H(β 为疏透度,β1为林冠疏透度,β2为林干疏透度,H 为林带平均高,h1为林冠平均高,h2为林干平均高)。对于由两种及两种以上树种组成的混交防护林,用混交林带疏透度的计算式β’=(β3+β4)/N(β’为疏透度,β3为迎风面疏透度,β4为背风面疏透度,N为物种数)。
2.4 防风效能的测定
防风效能计算公式[11]:V(%)=(V1-V2)/V1×100%(V1为空地风速,V2为林带前后实测风速)。
2.5 降风效果的测定
林带降风效果 计 算 公式:E1(%)=(V1′- V2′)/ V1′×100%,E2(%)=(V1′-V3′)/V1′×100%(E1为林带中降风效果,E2为林带内降风效果,V1′为林带迎风面风速,V2′为林带中风速,V3′为林带背风面风速)。
3 结果与分析
3.1 防护林降风效应
对研究区的风速进行测定,处理后得到表2。从表中可以看出林带中降风效果由强到弱依次为:8、6、5、2、7、1、4、3。新疆杨、胡杨和柽柳的混交防护林带风速降低了48.46%,胡杨和沙棘的混交林带风速降低了35.42%,新疆杨和胡杨的混交林带风速降低了35.03%,新疆杨防护林带风速降低了26.88%,新疆杨和箭杆杨的防护林带风速降低了25.59%,胡杨林带风速降低了23.14%,新疆杨和沙枣的混交林带风速降低了20.78%,柽柳林带风速降低了14.83%。林带内降风效果由强到弱依次为:8、6、2、7、5、1、3。新疆杨、胡杨和柽柳的混交防护林带风速降低了26. 61%,胡杨和沙棘的混交林带风速降低了17.71%,新疆杨防护林带风速降低了16.77%,新疆杨和箭杆杨的防护林带风速降低了15.35%,新疆杨和胡杨的混交林带风速降低了10.73%,胡杨林带风速降低了9.17%,柽柳林带风速降低了6.55%。新疆杨和沙枣的混交林带风速反而还有所增加,这可能与风向的变化、树龄较小和密度较低有关。总体而言,混交防护林带的降风效果优于纯林。
表2 不同防护林带平均风速和最大风速
3.2 防护林的防风效能分析
在同一条林带的林带前3H、0H 处和林带后0H、3H、5H、7H、11H 处,风速不同,对应的防风效能也是不同的。通过对224 团8 条林带防风效能的分析,得到表3,即在0.2 m 的观测高度下,8 号林带的林带后0H 处的防风效能最大,为80. 65%,而1 号林带的林带前3H处的防风效能最小,为3.51%。
表3 0.2 m处防护林带不同位置的防风效能比较
通过表4 发现,在1. 5 m 的观测高度下,8 号林带的林带后0H 处的防风效能最大,为61. 76%,而1号林带的林带前3H 处的防风效能最小,为3. 85%。
表4 1.5 m处防护林带不同位置的防风效能比较
通过表5 发现,在2. 5 m 的观测高度下,8 号林带的林带后0H 处的防风效能最大,为83. 33%,而1号林带的林带前3H 处的防风效能最小,为2. 30%。
表5 2.5 m处防护林带不同位置的防风效能比较
表6 垂直梯度下各防护林带的防风效能比较
图1 林带防护距离与防风效能
通过表6 发现,0. 2 m 处5 号林带的防风效能最大,其数值为52. 64%,3 号林带防风效能最小,为16. 29%。1. 5 m 处6 号林带防风效能最大,为35.76%,1 号林带防风效能最小,为20.19%。2.5 m处8 号林带防风效能最大,其值为36.83%,3 号林带防风效能最小,为14.39%。
总体情况,由图1 发现,水平梯度下,在林带前,3H 处的防风效能比0H 处的防风效能小,而在林带后,0H和3H处的防风效能明显要大于5H、7H和11H处的防风效能。林带后(0H、3H)的防风效能远远高于林带前。垂直梯度下,0.2 m 处的防风效能较1.5 m、2. 5 m 处高了8. 7%、11. 57%。结果表明,不同配置的防护林带的防护效能是不相同的,且混交防护林带的防风效能要大于纯林的防护效能。
3.3 疏透度对防风效果的影响
在众多林带结构因子中,疏透度是其他各项林带结构因子的综合表征[12]。在生产实践及理论科学研究中,常用疏透度作为区别林带结构好坏的主要指标之一[13]。疏透度不同,防风效能也明显不同。先计算各条防护林带的疏透度(表1),从表7 可以看到,林带防护效能较好的疏透度为32%—47%,其数值为33.69%,疏透度为42%的8 号林带防风效能最大,为36.76%。而疏透度为29%的3 号林带防风效能最小,为17.91%。
表7 林带疏透度对防风效能的影响
图2 林带疏透度与防风效能
从图2 可以看出林带的防风效能随疏透度增大呈逐渐降低的趋势。总体而言,稀疏型的防护林带防风效果最好,疏透型次之,通风型和紧密型防风效果最差。因此224 团防护林结构选择应以稀疏型结构为主。
4 讨论与结论
(1)选取不同的防护林带,通过对各个林带风速的测定和分析,计算各条防护林带的防风效能,得出不同防护林带的防风效果不一样,混交林的防风效果要大于纯林,纯乔木林的防风效果大于灌木林。与冯瑞等[14]、付亚星等[15]的研究结果基本一致。新疆杨、胡杨和柽柳的混交林带防风效果最好,新疆杨和胡杨的混交林带防风效能较好,胡杨纯林防护效能较差,而柽柳林的防风效果最差。柽柳灌木林一般是生长在风沙前沿区的自然林和人工林,高度低、盖度大、根系发达,以固沙为主要的防护作用。
(2)分析不同防护距离下各条防护林带的防风效能,得出不同防护距离下防护林带的防风效能之间有差异,林带后随着防护距离的增大,防风效果逐渐减低,即0H>3H>5H>7H>11H。新疆杨、胡杨和柽柳的混交林带在不同的防护距离处防风效能都优于其它各林带。在垂直梯度下,各防护林带在不同高度下总体随高度的增加防风效能逐渐下降的趋势。这与付亚星等[15]研究结果一致。
(3)段娜等[16]研究结果显示,稀疏型林带防风效果最佳,疏透型次之,通风型防风效果最差。本文研究与以上结果基本一致。将224 团不同配置防护林带的疏透度和防风效能综合分析,得到稀疏型(30%-50%)的防护林带防风效果最好,即新疆杨、胡杨和柽柳的混交林带、新疆杨和沙枣的混交林带、新疆杨和胡杨的混交林带以及胡杨和沙棘的混交林带防风效果最好;疏透型(50%-60%)的防护林带防风效果次之,即新疆杨防护林带、新疆杨和箭杆杨的防护林带的防风效果较好;而通风型(>60%)与紧密型(<30%)的防护林带防风效果最差,即胡杨防护林带和柽柳林带。