榆林沿黄土石山区防护林的防风及水文效应分析

王建新

摘要 为阐明防护林带对防风、田间蒸发量、空气与土壤湿度、水平降水等水分因子的影响，了解防护林对区域小气候环境的改善作用，以陕西省榆林市沿黄土石山区农田防护林为研究对象，对其林带内的水分特征进行了调查分析，结果表明：农田防护林能有效降低蒸发力，提高农田林网间的空气湿度和土壤湿度，阻拦降水径流，增加水平降水，改良田间土壤，提高作物单产。研究结果丰富了防护林有关水文特征的研究，同时也为榆林沿黄土石山区生态保护和高质量发展及森林恢复提供了借鉴。

关键词榆林;沿黄土石山区;防护林;水文效应;分析

中图分类号：S727.2文献标识码：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.03.011

Analysis of Windbreak and Hydrological Effects of Shelter Forests along Loess and Rocky Mountain Areas in Yulin

Wang Jianxin

（Yulin Forestry Station， Yulin719000，Shaanxi）

AbstractIn order to clarify the influence of shelterbelt on windbreak， field evaporation， air and soil moisture， horizontal precipitation and other water factors， understand the effect of shelterbelts on the regional small environment， this study investigated the water characteristics of farmland shelterbelts along loess and  rocky mountain areas in Yulin of Shaanxi Province.The results showed that farmland shelterbelt could effectively reduce evaporation， increase air humidity and soil moisture， block rainfall runoff， increase precipitation， improve field soil and increase crop yield. The results of this study not only enrich the study on the hydrological characteristics of shelter forest， but also provide a reference for ecological protection， highquality development and forest restoration in loess and rocky areas.

Key wordsYulin; along loess and rocky mountain areas; shelterbelt; hydrological effects; analysis

防護林（Shelter forest）是为了保持水土、防风固沙、 涵养水源、 调节气候、减少污染所经营的天然林和人工林。农田防护林是为保护农田，防御或减轻自然灾害对农作物的危害，保障农业生产稳产增产而营造的人工林。营造农田防护林带是人工改造小气候极为有效的一种措施。据西部网报道，榆林市2022年的沿黄防护林高质量发展工程稳步推进，完成绿化1 733.33 hm ，为保障生产、改善环境和维持生态平衡发挥了重要作用[1]。因此，研究防护林农田林网内防风及水文特征，对指导农业生产、提高营造林意识、促进沿黄土石山区生态空间综合治理具有十分重要的意义。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于陕西省榆林市吴堡县寇家塬，属暖温带半湿润半干旱区，全年平均气温11.3 ℃，气温年较差和日变化率较大，无霜期170～190 d。年平均降水量486 mm，多集中在夏秋季，干旱频繁，春旱严重。平均年日照时数2 738.0 h，6月日照时间最长，2月日照时间最短。作物生长季节，光照充分，热量丰富，适宜发展农林牧副业。枣树（Ziziphus jujuba）、柳树（Salix spp.）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、杨树（Populus spp.）、侧柏（Platycladus orientalis）等是该区域的主要乔木树种，荆条（Vitex negundo）、河蒴荛花（Wikstroemia chamedaphne ）、酸枣树（Ziziphus jujuba var. spinosa）等为主要灌木树种，花椒树（Zanthoxylum bungeanum）、山楂（Crataegus pinnatifida）、核桃（Juglans regia）等经济林树种发展迅速，农作物主要有玉米（Zea mays）、谷子（Setaria italica）、马铃薯（Solanum tuberosum）等。

1.2样地布设

在研究区内选取的农田防护林基本呈正方形，双行结构，株行距2 m×4 m，主副林带间距为200～240 m，网格约4.5 hm，主林带栽植树种为河北杨，副林带栽灌木树种花椒，属二层稀疏结构林带，透风系数0.3～0.5，疏透度0.4～0.5。

1.3测点布置

分别在林带迎风面3倍主林带高（3H）、林缘，背风面林缘、3倍（3 H）、7倍（7 H）、11倍（11 H）、15倍（15 H）、20倍（10 H）主林带高布点，测定风速和干湿度。

1.4对照点的选取

在林网内取防护效能最低处为对照，即25倍林带高（25 H）以后的位置。

1.5护田林带小气候效应的测定

1.5.1风的测定

用三杯风速仪测定风速。林带影响下的风速变化是反映一定时间的平均值，而不是风的瞬时速度。且在风速的观测中，由于存在因为风的阵性、仪器特性等原因引起的误差，必须进行多次重复观测。

1.5.2水热状况的测定

用1xt65041阿斯曼通风干湿表测量湿度，为读数方便，1.0 m以上高度的干湿表垂直悬挂，1.0 m以下高度的干湿表水平悬挂，为防止温度表的感应部分被太阳直射，每次观测记取3次读数，取其平均值。

1.5.3土壤湿度测定

采用土壤钻取土烘干，分别取测点0～10，>10～20和>20～30 cm土层的深度的土样，用以计算土壤含水量的变化，采样在上午完成，随采随称，称质量后放入烘箱，烘箱温度控制在100～105 ℃，经过48 h后再稱其质量。之后再放入烘箱，经3～4 h后再次称其质量，2次之差不超过5%即可，计算土壤含水率，且每10 d采样一次，求其平均值。

1.6数据处理

数据用Excel2010进行整理和分析。

2结果与分析

2.1林带的防风效应

农防林带作为一个庞大的生物群体，是害风前进的较大障碍物，当风吹向林带时，气流受到林带的阻挡，一部分穿过树木间的空隙，另一部分从林带的上部翻过，由于树干、树叶的摩擦、碰撞作用，把气流中较大的涡旋分割成无数大小不等且方向相反在小涡旋，改变了气流原有的结构和方向，气流的动能发生损失。监测显示，在距背风面林缘一定距离内风速减弱且形成一个较大范围的弱风区（表1）。

从表1可以看出，空旷地和林带保护范围内风速有明显的差异，当风吹向迎风面3H范围时开始逐渐减弱，在背风面3H处风速从空旷地的2.3 m·s降低到了1.5 m·@s，占空旷地的65.2%，在背风面7H处风速降低到了1.3 m·s，占空旷地的56.5%，以后在11H处又逐渐增加，直到20H处还未达到旷野风速，受林带保护的区域比空旷地风速平均降低27.9%，但在3～7H范围内，风速减弱最多，防风效能最佳（图1）。这与左忠等[2]、赛克等[3]的研究认为在防护林的3～10H 处风力减小作用最明显，防风效能可达16%～27%，防风效益变化幅度呈较规律的倒抛物线形状的结果基本一致。

2.2林带对蒸发蒸腾作用的影响

蒸发力可用量杯的方法来计算蒸发的水分，然后折合成为蒸发水层厚度。据调查，林带对农田的蒸发力有降低作用，林带对风速及气流的涡动性质，气温、湿度的改变，将综合反映在蒸发力的降低上。多次测定结果表明，在距林带15～20H树高范围内平均可以减弱蒸发力20%左右。在生产上常以此作为确定林带防护距离的最大限度。调查结果见表2。

由表2可以看出，疏透型结构的林带对蒸发的降低变化范围在10%～30%，经计算，此值相当于减少40～100 mm的蒸发量，节约灌溉用水约15%。因此，在林带保护的农田上，蒸腾系数减小，促使有效蒸腾提高，使作物生长过程中不断地和有效地利用土壤中的水分、养分制造更多的干物质，从而提高农作物的产量。刘亚萍研究认为受防护林保护的农田农作物产量有明显提高[4]。根据对吴堡寇家塬农田试验地内玉米和谷子产量的监测结果显示：有防护林的农田玉米产量平均为13 500 kg·hm，对照产量平均为11 200 kg·hm，增产20.5%;有防护林的农田谷子产量平均为2 925 kg·hm，对照产量平均为2 400 kg·hm，增产21.9%。

2.3林带对空气湿度的影响

林带对空气湿度有一定的影响。由于在林带防护范圈内风速和湍流交换的减弱，林带间总的蒸发增加，使得被蒸发出来的水汽不易扩散，所以空气相对湿度比旷野高。表3是对不同天气条件下及干旱条件林网内空气湿度变化的观测结果，可以看出，在无风条件下，林网内空气相对湿度比对照增加4%～8%，旱风天气条件下则平均增加16%。

2.4林带对土壤湿度的影响

在一般情况下，有林带防护的田间土壤湿度比无林带的土壤湿度大，土壤含水量高，这主要是由于风速降低，湍流交换削弱，使其土壤表面水分蒸发力减小的结果。表4是对林带影响下0～25 cm土壤深度的田间含水量调查结果，表明林带防护下的土壤平均含水量5月比旷野高36.5%，8月比旷野平均高26.2%，影响范围距5倍树高处最显著，占旷野的150.5%。据王涛等研究发现，杨树林带保护下的土壤容重、持水量、孔隙度等物理性状变化显著，自然含水率介于19.44%～87.15%[5]。另外据韩同吉研究发现，有防护林的田间土壤容重均小于裸地对照，表明各个林分均起到一定的改良土壤结构作用，容重较小的土壤，意味着土壤的孔隙状况较好，具有较高的持水和透水能力，其土壤水文功能越强[6]。

2.5林带对水平降水和积雪分布的影响

无云平静天气的夜晚，林带背风面由于土壤湿度和空气湿度较大，风速较低，易于凝结成露，从而增加林带防护区的水分。在距林带背风面树高2～6H处露水最大。观测结果显示，林带内比旷野平均可增加21%的露水，露水量随距林带越远而相应减少。同时林带还具有捕捉雾、增加水平降水、保护农田上的积雪不会被强风吹走等功能。在多雪地区，强风常常将积雪吹至低洼地区，致使广阔农田上失去积雪的覆盖和融雪水的聚积，在无林带保护的农田里，30%～50%甚至70%的积雪被强风吹走;而在有林带保护的农田上就不会产生这种现象。表5是有防护林网的区域与旷野区的降水观测值，可以看出，防护林带区域全年增加水平降水显著，全年差值达到71.9 mm，这对半干旱区的土石山区农业生产来说，意义重大。

3结论与建议

在榆林沿黄土石山区营造防护林特别是农田防护林，能有效降低风速，最小弱风区在主林带背风面树高3～7倍处，有效防护距离为树高的20倍范围，如果林带树高10～12 m，则林带间距应在240 m范围，农田网格面积应在5.76 hm左右。

在防护林带的作用下，农田的蒸发力降低，蒸腾系数减小，有效蒸腾提高，农作物产量提高，比没有防护林的农田增产约20%。

在防护林的影响下，土壤田间湿度明显提高，土壤容重减少，土壤具有较高的持水和透水能力，土壤水文功能增强，同时林带阻拦降水径流，使更多的雨量渗入地下，而且增加了水平降水和冬季积雪，从而增加了土壤含水量。

基于榆林沿黄半干旱地区干燥缺水的立地条件，在树种选择上主林带应优先选择防风和水土保持效能较高的本地乡土树种，如杨树、柳树、刺槐等，副林带可选择花椒等经济灌木树种，从而兼顾林业产业的经济收益。

参考文献：

[1] 加快生态治理 厚植生态底色—“榆林绿”由浅向深挺进[EB/OL].（2022-01-07）[2022-03-10]http：cj.sina.com.cn/articles/view/1650414555/625f53db02001thf1

[2] 左忠，潘占兵，张安东，等.干旱风沙区农田防护林网空间风速与地表风蚀特征[J].农业工程学报，2018，34（2）：135-141

[3] 赛克，赵媛媛，包岩峰，等.干旱半干旱区落叶期农田防护林防风效果的风洞试验研究[J].农业工程学报，2021，37（5）：162-163

[4] 刘亚萍.辽西北风沙区防风固沙林保田增产效益研究[J].防护林科技，2017（6）：5-6

[5] 王涛，蒙仲举，党晓宏，等.库布齐沙漠人工防护林林下枯落物及土壤水文效应研究[J].生态学报，2021，30（4）：700-707

[6] 韩同吉.石质山地防护林水文效应及林分结构配置研究[D].北京：中国农业大学， 2005