科尔沁沙地樟子松人工林对沙尘沉降的影响

2023-01-18张学利张日升迟琳琳王翠萍

林业资源管理 2022年6期

王旭,张学利,张日升,迟琳琳,肖巍,王翠萍

(1.辽宁省沙地治理与利用研究所辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测研究站,辽宁阜新 123000；2.国家林业和草原局西北调查规划设计院,西安 710048)

我国西起塔里木盆地,东至松嫩平原西部分布着大面积的沙漠化土地,这些地区是我国沙尘天气的频发区。沙尘天气不仅会对人类健康造成威胁,抑制降水形成[1],影响全球气候[2],还会对社会活动、经济等形成不利影响,这已经成为不可忽视的生态环境问题之一。中国沙尘暴主要有3条移动路径,分别为西北路、西路和北路,其中，西北路:柴达木盆地—河套地区—内蒙古东部；西路:西北欧—西西伯利亚—新疆西部地区—河西走廊—河套地区、内蒙古东部[3],2条均经过内蒙古东部,阜新与内蒙古东部接壤,也受到沙尘暴的严重影响。采取一定的措施来治理风沙活动,减少沙尘沉降是十分必要的。目前,防治沙尘天气的有效生物措施是林草建设,即提高植被覆盖度,植被对近地表沙尘具有明显的抑制作用,相同风速条件下,植被盖度越高,输沙率越低[4]。特别是人工林在易发生沙尘天气地区发挥着重要的防风固沙作用。当沙尘天气出现时,沙粒一边受风力作用的影响,一边受自身重力作用的影响,向地表降落形成自然沉降物[5]。近年来,研究者们大多通过收集沙尘暴期间的大气粉尘或天然尘降,对其成分、来源等进行分析,进而对沙尘天气进行研究。如，对陕甘宁盐环定扬黄工程沿线的风沙治理[6],对新疆喀什地区沙尘暴的防治措施[7]等。另外,孟平等[8]发现,农林生态复合系统能够有效地减少尘埃输送量,减少降尘量可达到20%～60%。防护林在就地阻沙、稳固地表方面起到良好的作用,其原理是通过降低风速,颗粒较大的沙尘开始降落,从而有效地起到阻挡沙尘的移动[9],同时防护林会对沙尘颗粒物起到抑制作用,不易向大气中释放沙尘物质,因而使得地表沉积物趋于细粒化[4]。营造绿洲及其边缘地区的护田林网,不仅能防止或减轻沙质耕地的风蚀起沙和沙尘暴对农田的危害,还能改善田间的局部小气候[10-11]。

前人对科尔沁沙地人工林与沙地之间的响应的研究有很多,且较为详细和全面,如，吴德东[12]著有《区域防护林构建和更新改造技术》,焦树仁[13-14]著有《科尔沁沙地水分条件与固沙林生长和稳定的关系》，其都深刻的分析了相关内容。但是对该地区人工林与沙尘天气过程中的降尘的响应探究较少。本文通过研究樟子松人工林在沙尘天气过程中对尘降的响应,旨在为防沙治沙、控制沙害提供科学依据,进而保护生态环境,使该地区的社会经济得以稳定、持续地发展。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验区位于科尔沁沙地东南缘的辽宁省彰武县章古台镇(42°43′～42°51′N,121°53′～122°22′E),海拔226.5m,属典型半干旱农牧交错生态脆弱区。土壤多为风沙土,其物理沙粒含量多、粘粒含量少,养分瘠薄,有机质含量较低,酸碱度中性或偏酸。年均温6.1℃,平均无霜期154d,年降水量500mm左右,主要集中在6—8月,年蒸发量约为降水量的3倍,空气相对湿度60.4%,年均风速2.6 m/s,3—5月多南风、西南风、北风,风力大,持续时间长。

代表性植物有元宝槭(Acertruncatum)、山里红(Crataeguspinnatifida)、白榆(UlmuspumilaL.)、山杏(Armeniacasibirica(L.)Lam)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、花曲柳(Fraxinusrhynchophylla)、等。经过半个世纪的生态建设,目前以樟子松人工林和杨树为主的固沙林植被群落已成为本区重要的人工沙地生态系统。

1.2 试验方法

1.2.1试验设计

选取周围均是农田的樟子松近熟林,2020年,在林分的正北、正南和西南方位向林分中心的沿线上共设置13个颗粒物收集点,分别在距林缘10,20,30m和林分中心处,收集沙尘天气过程中不同方位农田颗粒物的沉降数量。2021年,在3个方位增设收集点,从林缘开始,每隔10m设置1个收集点,直到距林缘100m处,共设置30个颗粒物收集点,同样,收集沙尘天气过程中不同方位农田颗粒物的沉降数量。

1.2.2样品的采集和分析

在每个收集点布设采集瓶,将干净有盖的玻璃瓶埋在地下,将瓶盖及其下至2cm处露于地表以上,沙尘来临时将瓶盖拧开,将漏斗塞入玻璃瓶中,每次沙尘结束后,将同一收集点所有瓶中颗粒物收集后带回实验室。于6月份采集各收集点0～5cm,5～10cm,10～15 cm的土壤样品。样品阴干后待测,降尘粒径机械组成采用激光粒度仪进行测定；降尘和土壤有机质含量采用重铬酸钾-硫酸外加热法[15]测定；降尘和土壤全氮含量采用半微量开氏法[16]测定。

1.3 数据分析

采用单因素方差分析(one-way ANOVA)评价离林缘不同距离对降尘量的影响,方差分析达到显著水平后,采用LSD进行多重比较。统计分析采用SPSS 23.0进行。作图使用Excel 2010。

2 结果与分析

2.1 尘降量变化

通过对樟子松人工林不同方位沙尘沉降量的变化研究发现,随着离林缘距离越来越远,3个方位的颗粒物沉降量呈现明显的下降趋势,即颗粒物沉降量与离林缘距离呈显著负相关(P<0.05)。整体来说,3个方向监测点距林缘0～20m处是沙尘主要的堆积区,占进入林地沙尘沉降量的70%～80%,距林缘20m以后沙尘沉降量逐渐减少,60m以后沙尘沉降量基本稳定。

2020年监测期间,4月份和5月份平均风速分别为3.0,3.1m/s。本文选择2020年4月11日的樟子松人工林不同方位的沙尘沉降量进一步研究,当天主风向为北风,风力6级,时间从15:00—19:00,共持续4h。对该天沙尘沉降量进行分析,发现正南方向的收集点颗粒物沉降量为0g/m2,这是因为当天的主风向为北风。正北方向林缘处的降尘量是距林缘10m处的24倍,距林缘20～60m处的降尘量稳定在5.8～9.5g/m2。西南方向距林缘10m处的降尘量与林缘处的相比急剧下降,距林缘20m处的降尘量降为0g/m2。随着距离林缘越远,降尘量不断下降,距林缘20m及更远的收集点,降尘量趋于稳定,甚至为0g/m2。

同时,选择2021年5月3日樟子松人工林不同方位的沙尘沉降量进一步研究,该天主风向为西南风,风力6级,时间从10:30—20:00时,共持续9.5h。对该天沙尘沉降量进行分析发现,正北方向的收集点颗粒物沉降量为0g/m2,这是因为当天的主风向为西南风。正南方向林缘处和距林缘10m处的降尘量较多,收集容器均已盛满,随着距离林缘越远,降尘量不断下降,距林缘60～100m处的降尘量稳定在108～210g/m2。西南方向林缘处的降尘量是距林缘10m处的2倍,距林缘20～40m处的降尘量稳定在12～61g/m2,距林缘50m处的降尘量已降为0g/m2。2020年4月11日和2021年5月3日人工林不同方位沙尘沉降量的变化显示,人工林对沙尘天气起到了明显的消减沙尘作用。

对2020年和2021年4—5月收集的所有降尘样品的颗粒物沉降量进行分析,结果表明,设置在林块正南方监测点不同位置的平均颗粒物沉降量最大,其次为西南方向,正北方向监测点收集的沉降量最少。这说明2020年春季沙尘天气过程中,携带沙尘的来源主要为南风,其次为西南风。在2021年春季沙尘天气过程中,4—5月份,正南方向和西南方向监测点的沙尘沉降量明显多于正北方向的监测点,因而2021年春季携带沙尘的来源也主要为南风,其次为西南风。

2.2 降尘机械组成变化

2020年不同方位收集点的颗粒物机械组成变化如图1所示。北、南和西南3个方位监测点降尘的砂粒含量由林缘向林内逐渐减少,粉粒和粘粒的含量则逐渐增多,3个方位监测点林缘处降尘的砂粒含量均占90%以上,而距林缘60m处降尘的砂粒含量逐渐下降至50%。说明樟子松人工林具有明显的消减沙尘作用,尤其对砂粒的运动具有阻碍作用。对不同方向相同距离的比对发现,正北方的降尘的砂粒含量相对较少,西南方向的砂粒含量较多,原因可能是4—5月份的主风向为南风,且5月份以后,农户开始耕种,地表被翻动,地表大粒径更容易在偏南风的作用下发生短距离的位移。

图1 樟子松人工林不同方位降尘的机械组成变化Fig.1 Mechanical composition changes of dust fall in Pinus sylvestris plantation at different directions

对不同方位降尘量与降尘机械组成二者的关系进行分析发现(图2),随着颗粒物沉降量的不断增加,砂粒含量占比显著增多,粉粒含量占比显著减小,粘粒含量占比呈下降趋势。印证了人工林确实对砂粒的运动具有阻碍作用,颗粒物沉降量越靠近林分中心越少,颗粒物沉降量越少,砂粒含量占比越小,粉粒含量占比越大,粘粒含量占比越大。

注:公式中“**”表示颗粒物沉降量与机械组成占比关系极显著。

2.3 尘降养分变化

樟子松人工林不同方位沙尘沉降养分的变化(图3)显示,离林缘距离越远,降尘的有机质和全氮含量越高。对于正北方向来说,距林缘60m处的降尘有机质含量显著大于距林缘30m处的,显著大于距林缘20m处的,显著大于距林缘10m处的(P<0.05),但林缘处与距林缘10m处的降尘有机质含量无显著差异。对于正南方向来说,距林缘60m处的降尘有机质含量显著大于距林缘30m处的,显著大于距林缘20m处的(P<0.05),但距林缘20m处的降尘有机质含量与距林缘10m处的无显著差异,距林缘10m处的降尘有机质含量与林缘处的无显著差异。对于西南方向来说,距林缘60m处的降尘有机质含量显著大于距林缘30m处的,但距林缘30m处的降尘有机质含量与距林缘20m处的无显著差异,距林缘20m处的降尘有机质含量显著大于距林缘10m处的,显著大于距林缘处的(P<0.05)。对于正南和正北方向来说,越靠近林分中心,其降尘的全氮含量越高。而在西南方向,距林缘60m处的降尘全氮含量显著大于距林缘30m处的,显著大于20m的,显著大于10m的,显著大于林缘处的(P<0.05)。

注:不同字母表示在不同收集点间有显著差异(P<0.05)。

对不同方位降尘养分与降尘机械组成二者的关系进行分析(图4),发现降尘养分与砂粒含量呈极显著负相关(P<0.05),降尘养分与粉粒和粘粒含量呈极显著负相关(P<0.05)。随着降尘的有机质含量的不断增加,砂粒含量显著减小,粉粒含量显著增加,粘粒含量显著增加；同样,随着降尘的全氮含量的不断增加,砂粒含量显著减小,粉粒含量显著增加,粘粒含量显著增加。

注:公式中“**”表示降尘养分含量与机械组成占比关系极显著。

2.4 对人工林土壤肥力的影响

距离林缘不同方位不同土层土壤有机质、速效氮含量的变化(图5)显示,离人工林林缘越远的监测点,表层土壤有机质和全氮含量越高。方位北、方位南和方位西南距林缘10～60m观测点的降尘有机质含量较林缘处的分别增加174.5%～210.0%,6.6%～80.0%和57.5%～163.3%。而方位北、方位南和方位西南距林缘10～60m观测点的降尘全氮含量较林缘处的分别增加116.5%～134.1%,9.4%～95.2%和55.0%～147.0%。同时,通过观察各观测点不同土层的土壤有机质和全氮含量变化,发现整体而言,土壤有机质含量和全氮含量随着土层深度的增加而降低,仅个别采集点出现土壤有机质含量和全氮含量随着土层深度的增加呈现先降低后增加的趋势。

图5 距离林缘不同方位不同土层土壤有机质速效氮含量的变化Fig.5 Changes of soil organic matter content and available nitrogen content in different soil layers at different directions from the forest edge

3 讨论与结论

3.1 讨论

1) 在干旱和半干旱地区,控制降尘量和地表沙尘的输送是减少风沙危害的关键,防护林在应对风沙方面的主要作用是降低大气浑浊度,减少降尘量,减少林网内的沙尘输入量[17]。有研究表明[18],防护林具有较高的防风效益,其防风效果受植被类型影响显著。如，在乌兰布和沙漠绿洲中由2行乔木构成的疏密型林网防风效能在67%以上,由2行乔木2行灌木混交林带构成的林网,当防风效能为60%时,其防护面积是2行纯乔木林带的2.5倍。丁延龙等[19]对吉兰泰盐湖风沙防护林体系35年的防护效果进行了评估,发现1986年林带内输沙量为流动沙垄的22.2%,而2017年林带内输沙量仅为流动沙垄的4.5%,历经几十年发展后,防护林带阻沙作用更为显著。本文就科尔沁沙地南部樟子松人工林对沙尘天气的阻沙作用进行量化分析,研究表明,随着尘降收集点距离林缘越来越远,各方位收集点的沉降量也不断减小,总体来说,距林缘30m处沉降量趋于稳定。肖洪浪等[20]通过对腾格里沙漠东南缘尘降的测定结果分析表明,近地层空气中约有30%～60%以上的尘埃沉积被阻截在人工植被地段；成国勋[21]也证实了营造防护林后,风沙日数和强度明显减少和减弱；刘艳萍等[22]通过风洞实验表明,降尘量在林网内具有一定的水平分布特征,从林缘至林网中心降尘量依次降低,这与本研究结果相似,距离林分中心越近,降尘量越小,说明樟子松人工林在沙尘天气过程中有良好的消减沙尘作用。

2) 越靠近林分中心,降尘的养分含量越高。究其原因,可能是因为樟子松人工林对砂粒的运动具有阻碍作用,靠近林分中心的降尘中砂粒所占比例较低,粉粒和粘粒占比较高,降尘养分与砂粒含量呈极显著负相关,降尘养分与粉粒和粘粒含量呈极显著负相关。目前,对于科尔沁沙地南部的降尘组成的相关研究较少,但对土壤的研究较多,土壤砂粒与土壤养分呈极显著负相关,土壤粉、粘粒与土壤养分为极显著正相关[23],这与本研究降尘机械组成的分析结果相似。考虑到降尘机械组成的原因,风沙天气过程中,越靠近林分中心的降尘养分含量较高。

3) 离人工林林分中心越近,表层土壤有机质和全氮含量越高。这可能是林分内部腐殖质层较厚,且受外界环境影响较小,降尘量小,所以土壤养分含量较高,而靠近林缘处,受风力影响腐殖质层较薄,且降尘量大,所以土壤养分含量较低。许多学者[24-25]已证实降尘对土壤有重要影响,一方面降尘为土壤提供了大量细粒物质和一些营养元素,加深了土壤的发育和演化；另一方面降尘来源多样,组成复杂,因而对土壤的物理、化学、生物性状必然产生重要的影响。本研究中3个方位林缘处降尘的机械组成中砂粒含量均占90%以上,养分含量较少,故而越靠近林缘处的土壤降尘量大,受降尘影响较大,土壤养分含量较少；反之,越靠近林分中心的土壤降尘量小,土壤养分含量较高。防护林及其内农作物生长季节明显,对于提高作物产量有正向作用,进而改良土壤理化性质,促进土地可持续发展[26]。