阿拉尔垦区新疆杨农田防护林防风效果研究

赵亚冲,邓岚,王雄,董荣荣,周正立,3*

(1 塔里木大学生命科学与技术学院,新疆 阿拉尔 843300)(2 塔里木大学园艺与林学学院,新疆 阿拉尔 843300)(3 塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地,新疆 阿拉尔 843300)

荒漠绿洲过渡带指荒漠生态系统和绿洲生态系统之间的生态接触带[1],由于分布在降雨稀少、蒸发强烈、风沙活动频繁、生态环境脆弱的干旱半干旱地区,是较为敏感的地带之一,易形成沙尘暴等极端天气,不仅影响区域生态安全,而且对当地农业生产及发展也产生巨大威胁。农田防护林作为抵御农作物遭受自然灾害的重要屏障,对保护农田生态环境稳定、防治风沙和改善田间小气候具有重要作用[2]。同时,林带的阻挡可使气流发生紊乱和抬升,在林后形成一定的降风区域,从而达到防治风沙、保障绿洲生态安全的目的[3]。因此,研究防护林生态功能效益对生态环境稳定具有重要意义[4]。

新疆杨(PopulusalbaL.varpyramidalis)是南疆各绿洲最为常见的乡土树种之一,因具有耐盐、耐寒、耐旱和适应性强等特点,在南疆农田防护林网的配置中占据很大比例[5],对构建农田生态系统屏障和改善农业生产安全具有重要意义[6]。目前,国内对绿洲农田防护林的研究多集中在疏透度[7]、树种配置[8]、林带高度[9]、林下植物多样性[10]等方面,对防护林林带结构因子与防风效能的关系研究较少。因此,为进一步掌握影响南疆新疆杨防护林防护效益的关键因子,本研究通过空间多点观测分析新疆杨防护林不同防护高度及距离的防风效能,揭示影响新疆杨防护林发挥防护作用的主要因素,以期为新疆杨防护林的建设与维护提供理论依据。

1 研究区状况

试验区位于新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市(80°30′～81°58′ E,40°22′～40°57′ N),地处塔克拉玛干沙漠北缘,平均海拔1 100 m,属温带大陆性干旱荒漠气候,具典型荒漠地貌特点,昼夜温差大,土壤类型以沙土为主,风沙危害较为严重,主风向为东北风向,年平均风速1.9 m/s,最大风速28 m/s,8级以上大风10～30 d。农田防护林主要以新疆杨和胡杨(Populuseuphratica)纯林为主,主要种植农作物为红枣(Ziziphusjujube)、棉花(Malvaceaegossypium)等。天然植被资源较为匮乏,乔木以胡杨、灰杨(Populuspruinosa)为主,灌木以柽柳(Tamarixchinensis)、铃铛刺(Halimodendronhalodendron)、骆驼刺(Alhagicamelorum)、枸杞(Lyciumbarbarum)为主,草本主要有甘草(Glycyrrhizauralensis)、芦苇(Phragmitesaustralis)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、花花柴(Kareliniacaspia)、罗布麻(Apocynumvenetum)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

在对试验区农田防护林进行踏查的基础上,选择8条以新疆杨为造林树种且具有代表性的林带,参考关文彬等[11]调查方法,采用标准地法对所选防护林带进行每木检尺,调查植物株高、冠幅、胸径、株行距、行数等指标。林带基本概况见表1。

表1 防护林基本概况

2.2 疏透度计算

使用数码相机沿主林带中垂线方向合适位置拍摄正立面图片,通过Photoshop 2021软件处理后,采用加权平均法计算林带疏透度[12],如下式所示:

β=(β1×h1+β2×h2)/H

(1)

式(1)中,β为疏透度,β1为林冠疏透度,β2为林干疏透度,h1为冠层高度,h2为枝干高度,H为林带平均高度。

借鉴多位学者的研究方法[13-15],根据防护林的疏透度将防护林分为稀疏型、疏透型和通风型3种结构类型。林带结构具体划分标准为稀疏型结构疏透度为30%～50%,枝叶稀疏,树冠层上下分布有均匀的空隙;疏透型结构疏透度为50%～60%,树冠层稀疏,干层空隙较大;通风型结构疏透度为60%以上,林冠层紧密,林干层有大的通风孔。

2.3 相对风速与防风效能

选择大风天气,使用四合一风速仪同时测定林网不同位置的瞬时风向风速。其中垂直梯度上测定0.5 m、1.5 m、2.0 m 3个高度,水平梯度上测定背风面距离林缘0H、1H、3H、5H、7H 5个距离(H为林带高度,此处代表测量点与林缘的垂直距离)。以空旷平坦的沙地为对照,每个测点重复测量16次,通过下式计算林带的相对风速[16]与防风效能[17]:

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V=V1/V0

(2)

E=(V0-V1)/V0

(3)

式(2)、式(3)中,V为相对风速,E为防风效能,V1为林带内风速,V0为裸地中相同高度的旷野风速。

2.4 防护林防护效益

采用隶属函数法,通过极差归一的标准化方式对防护林结构因子、防风效能指标进行无量纲化处理,按照式(4)计算各林带在不同指标中的具体隶属函数值(Xu);对于防护林防护效果的负向指标则使用反隶属函数计算Xu,如式(5)所示。然后根据林带各指标的变异系数在所有测定指标变异系数之和中的占比来确定各指标所占的权重系数[18]。根据各指标隶属函数值与权重系数乘积之和计算各林带的综合隶属函数D值。D值越大,防护林综合防护效益越高。

(4)

(5)

式(4)、式(5)中,X为某指标在林带中的具体值,Xmax与Xmin分别为该指标在不同林带中的最大值与最小值。

2.5 数据处理与分析

采用Excel 2010软件对数据进行整理、计算各指标综合隶属函数D值,采用SPSS 25.0软件进行方差分析、相关性分析,采用SigmaPlot 12.5软件绘图。

3 结果与分析

3.1 防护林防风效应

表2 新疆杨防护林结构类型划分

表3 新疆杨防护林带相对风速分布

就同一林带而言,不同防护距离防风效果存在差异,相对风速随防护距离的增加逐渐升高,除林带Ⅲ相对风速表现为5H>7H>3H>1H>0H外,其余各林带防护距离相对风速都表现为7H>5H>3H>1H>0H,且均差异显著;林带Ⅲ在林后7H处相对风速有所下降,这可能与林带周边环境、风向的变化、农作物的影响等因素使气流紊乱有关。总体而言,各林带均能达到显著降低风速的效果。

3.2 不同林带结构类型对防风效能的影响

不同结构类型防护林带的防风效能不同。由图1分析可知,0.5 m与1.5 m高度处,3种类型防护林防风效能随防护距离的增加均表现为逐渐降低的趋势。其中0.5 m高度处,相同防护距离下的防风效能表现为稀疏型>疏透型>通风型,并且在0H、3H处,稀疏型防风效能显著大于疏透型与通风型。而1.5 m高度处,稀疏型防护林防风效能在0H、1H处显著高于疏透型,在1H、3H处显著高于通风型;其他防护距离处防风效能则无显著差异。2.0 m高度处,随防护距离的增加,通风型防护林防风效能呈“降-升-降”的趋势,稀疏型呈“先降后升”的趋势,疏透型则表现出“逐渐下降”的趋势;稀疏型防护林防风效能仅在1H、3H处显著大于通风型,其他防护距离处3种类型防护林防风效能无显著差异。

不同小写字母表示不同结构类型防护林防风效能间差异显著(P<0.05)。

3.3 不同防护林林后防风效能分析

对试验区8条防护林带防风效能进行分析,结果表明就同一防护林而言,不同的防护高度与距离,防风效能不同。由表4可知,在0.5 m高度处,随防护距离的增加,各林带防风效能变化趋势一致,均呈“逐渐降低”的趋势。其中林带Ⅲ、Ⅴ(稀疏型)在0H、1H处防风效能最大并显著大于其他林带,林带Ⅲ分别为85.73%、76.93%,林带Ⅴ分别为85.60%、70.84%,林带Ⅰ(通风型)在0H、1H处防风效能最小,分别为47.98%、44.34%。

表4 0.5 m高度处不同防护距离防风效能比较

由表5可知,1.5 m高度处,随防护距离的增加,除林带Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ防风效能分别呈“降-增-降”“降-增”“增-降”趋势外,其余林带均呈“逐渐降低”的趋势,并且林带Ⅴ林内0H和林后1H处防风效能最大,分别为75.25%和73.20%,而林带Ⅰ在林内0H、林后1H处防风效能最小,分别为44.19%、39.84%。

表5 1.5 m高度处不同防护距离防风效能比较

如表6所示,在2.0 m高度处,随防护距离增加,各林带防风效能变化趋势不同,其中林带Ⅰ呈“降-升-降-升”趋势,林带Ⅱ呈“降-升-降”趋势,林带Ⅲ呈“降-升”趋势,林带Ⅳ呈“升-降”趋势,林带Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ呈“逐渐降低”的趋势。

表6 2.0 m高度处不同防护距离防风效能比较

将0.5 m、1.5 m和2.0 m高度处的防风效能取平均值,得到各林带整体的防风效能(表7)。整体来看,各林带均在林内(0H)有最大的防风效能,随防护距离的增大,防风效能逐渐降低。

表7 各防护林带不同防护距离处防风效能比较

3.4 防护林防风效能与林带结构因子相关性

由表8可知,防护林防风效能与各林带结构因子间均存在一定的相关性关系。其中防风效能与树高、胸径、林带行数、冠幅呈正相关,与防护林密度、疏透度呈负相关关系。说明新疆杨防护林树高、胸径、冠幅的增加能够提高防风效能。

表8 防风效能与林带结构因子相关性

3.5 隶属函数对8种林带排序结果

将防护林林带结构因子、不同防护距离防风效能采用极差归一的标准化方式无量纲化,并计算隶属函数D值。以D值的大小代表新疆杨防护林的综合防护效益,D值越大,防护林综合防护效益越高。由表9可知,8条新疆杨防护林综合防护效益隶属函数值在0.097～0.770之间,表现为Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅶ>Ⅷ>Ⅱ>Ⅵ>Ⅰ。林带Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ隶属函数值在0.50以上,综合防护效益较好;林带Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ隶属函数值分别为0.097、0.287和0.159,结合林带Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ的林带结构因子,分析可知3条林带疏透度过大,会影响防护林的防护效果。

4 讨论

防护林是以发挥树林的各种防护效益为目的而营建的人工林[19],包括农田防护林、海岸防护林、公路防护林等,其作用是防止或减缓受保护区域为恶劣环境所影响。稀疏型防护林冠层分布更均匀,由于枝叶摩擦,阻挡气流通过时更易在冠层间形成乱流,更多的风能转化为树干摇动的动能,风速显著降低。通风型防护林可能因为冠层与林下干层空隙过大,对气流起到的阻碍有限,风速降低效果相对较差。疏透型防护林相较于通风型,冠层更为紧密,气流通过时在树干层与冠层上方形成2条气流通路,冠层上方形成高风速区,下方气流较平稳地穿过干层,形成涡旋与高速区,防护距离增加[13]。

本研究结果表明,防护林防风效果受林带结构类型的影响显著,稀疏型、疏透型、通风型林带防风效能依次减弱,与张延旭[20]研究结果一致。本研究中,防护林防风效能受林带高度、疏透度、密度等多种因素影响,相关性分析表明,疏透度和胸径与防风效能的相关性高于其他因子,谭芳林等[21]研究林带防风效能得出林带结构因子对基干林带防风效能贡献依次表现为胸径>冠幅>树高>林带前地貌>密度>枝下高>林带宽度,与本研究结果相似。隶属函数分析也表明8条林带中林带Ⅲ、Ⅴ综合防护效益最高,通过对比各林带结构因子,林带Ⅲ、Ⅴ疏透度分别为48.3%、44.2%,与王雄[22]对防风效能的研究结果相似,与段娜等[13]所研究的防护林防风效能较好的疏透度为40%～50%一致。林带Ⅲ、Ⅴ的平均胸径分别为21.89 cm、25.11 cm,均明显高于其他林带,结合相关性分析说明,胸径是影响防护林发挥防护效果的重要因素,这与尤龙辉等[23]研究海岸林带防护林结果相似,但与杨雨春等[16]认为防风效能与防护林胸径呈负相关的研究结果不同,造成这种差异可能与防护林树种组成、配置方式和林龄等综合因素对防护效果存在影响有关。

5 结论

8条新疆杨防护林按疏透度划分标准分为3种类型,其中林带Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ为通风型,林带Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ为稀疏型,林带Ⅶ、Ⅷ为疏透型。防护林防风效能随林带高度、胸径、行数、冠幅的增加而升高,随疏透度、密度的增加而降低。防风效能在不同高度均表现为稀疏型>疏透型>通风型,并在总体上随防护距离的增加逐渐下降。各林带中林带Ⅲ、Ⅴ防风效果最好,即新疆杨防护林的株行距为2.0 m×2.0 m或2.0 m×1.5 m,行数4～5行,密度为2 250～2 611株/hm2的稀疏型防护林能更好地发挥防护效果。

将本研究结论结合防护林基本概况可知,阿拉尔一些新疆杨防护林存在密度较大的问题,应加强修枝打叉以及合理疏伐等抚育工作以提高防风效益。