景電灌區(qū)農(nóng)田防護林體系生態(tài)效應(yīng)觀測分析

馮宜明,王輝

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)系,甘肅蘭州730070)

防護林是保護、控制、穩(wěn)定改善生態(tài)環(huán)境的一種再生資源性林種,而農(nóng)田防護林又是防護林的主體。在新型灌區(qū),農(nóng)田防護林也是區(qū)域防護林體系及林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)的主體,不僅有著調(diào)節(jié)農(nóng)田小氣候,改善區(qū)域環(huán)境,保障農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),提高農(nóng)民收入等作用,而且擔(dān)負著綠化、美化新農(nóng)村,提高農(nóng)區(qū)森林覆蓋率的任務(wù)。因此,農(nóng)田防護林建設(shè)作為一項集生態(tài)效益、社會效益、經(jīng)濟效益于一身的生物工程措施越來越受到農(nóng)業(yè)經(jīng)營者們的重視。

近年來,國內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田防護林的研究主要集中在防護林營造技術(shù)[1-5],防護林效益評價研究及防護林優(yōu)化改造和更新技術(shù)研究[6-18]等方面。但對于一些特殊區(qū)域,特別是對于新型灌區(qū)防護林體系的生態(tài)、經(jīng)濟效益的研究報道卻較少。特別是近年來,由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營制度的改變,使一些區(qū)域原有林網(wǎng)體系遭到了不同程度破壞,嚴重影響著區(qū)域防護林體系的整體功能。

因此,調(diào)查分析現(xiàn)有防護林的防護效益和經(jīng)濟效益,分析研究其存在的問題,對防護林體系的進一步建設(shè)與改造十分必要。

本研究通過對景電一、二期灌區(qū)防護林體系的實地觀測,以分析揭示該區(qū)域現(xiàn)有防護體系的防護效應(yīng)和增產(chǎn)效應(yīng),科學(xué)評價其區(qū)域農(nóng)田防護林體系的生態(tài)、經(jīng)濟效應(yīng),為該區(qū)今后農(nóng)田防護林建設(shè)和發(fā)展提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù),也為同類地區(qū)農(nóng)田防護林建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

甘肅省景電灌區(qū)是國家投資建設(shè)的“兩西”重大基礎(chǔ)性開發(fā)工程,即引黃提灌工程建設(shè)后開發(fā)起來的一個新型灌區(qū)。由景電一期、二期和景電二期延伸向民勤調(diào)水工程3部分組成,橫跨景泰、古浪2縣,延伸至民勤,以其揚程高、流量大、多梯級而被譽為引黃提灌工程建設(shè)的“中華之最”。

景電灌區(qū)位于 36°43′—37°41′N,103°20′—104°15′E之間,地處黃河上游的溫帶干旱荒漠氣候區(qū),北臨騰格里沙漠。

區(qū)域內(nèi)有可墾地93 333 hm2,目前灌溉面積達65 200 hm2。其中一期工程灌溉20 400 hm2,二期工程灌溉34 700 hm2,景電二期延伸向民勤調(diào)水工程新增灌溉面積10 100 hm2。整個區(qū)域地勢平坦,土層深厚(1～1.5 m以上),光熱資源充足,≥10℃活動積溫2 988℃,日照時數(shù)2 726 h,年降水量185 mm,蒸發(fā)量3 038 mm,為降水量的16.4倍,年平均風(fēng)速3.7 m/s,大風(fēng)日數(shù) 27.7 d,地帶性土壤為灰棕荒漠土[19-21]。該區(qū)常見的農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害主要是干旱和風(fēng)沙危害。因此,防護林體系建設(shè)與經(jīng)營對新灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有極其重要的意義。

景電灌區(qū)農(nóng)田防護林網(wǎng)的建設(shè)以小網(wǎng)格、窄林帶的基本模式為主,并輔之以寬林帶、團叢狀、散狀等模式,造林樹種以楊、榆、槐、柳、沙棗等樹種為主。其中,新疆楊(Poplus alba L.var.pyramidalis Bunge)、二白楊(Populus gansuensis)占造林樹種的80%以上,廊坊楊(P.langf angensis)、沙棗(Elseagnus angustif alia)、沙拐棗(Calligonum mongolicum)、枸杞(Lycium Chinese)等樹種在局部地區(qū)較多。此外,景電灌區(qū)“四旁”植樹和灌區(qū)邊緣的大型防風(fēng)阻沙林帶也是灌區(qū)農(nóng)田防護林體系的重要組成部分。

經(jīng)過數(shù)十年的建設(shè),景電灌區(qū)現(xiàn)有林木覆蓋率已達14%,灌區(qū)防護林帶已連成一片,形成了騰格里沙漠南緣的綠色屏障,有效地改善、保護了生態(tài)環(huán)境,灌區(qū)小氣候得到了改觀。但近年來,原有林網(wǎng)體系的人為破壞也較為嚴重,部分地帶的農(nóng)田防護林體系已殘缺不全。

2 研究內(nèi)容及方法

2.1 灌區(qū)防護林布局現(xiàn)狀的調(diào)查

通過實地踏查,結(jié)合當?shù)亓謽I(yè)主管部門的統(tǒng)計資料,調(diào)查分析景電一、二期灌區(qū)農(nóng)田防護林、“四旁”植樹、防風(fēng)治沙林等的建造及管護現(xiàn)狀。

2.2 林帶生態(tài)防護效應(yīng)觀測分析方法

防風(fēng)效應(yīng)是風(fēng)沙危害區(qū)農(nóng)田防護林最重要的生態(tài)防護效應(yīng)之一。在研究區(qū)域內(nèi),選擇了在當?shù)赜写硇缘牟煌瑯浞N組成、不同造林時間的農(nóng)田防護林帶和林網(wǎng)進行防風(fēng)效益觀測。觀測點布設(shè)在林帶走向的中垂線上,根據(jù)林帶間距在迎風(fēng)面6H,4H,2H處,背風(fēng)面2H,4H,6H處設(shè)點,對照點布設(shè)在空曠農(nóng)田中心處。

采用上海滬鑠電子科技有限公司生產(chǎn)的手持DEM-6型三杯風(fēng)向風(fēng)速表(精度為0.2 m/s)觀測距地面垂直高度1.5 m處風(fēng)速。觀測時間為2008年7月20—30日,選擇大風(fēng)天氣進行。大風(fēng)天氣主要以能見度為標準,能見度小于1 000 m定為大風(fēng)天氣。林帶防風(fēng)效能的計算公式為:

式中:Ex——林帶附近距離為x,高度為1.5 m處防風(fēng)效能;μ0——對照點觀測高度1.5 m處的平均風(fēng)速;μx——距林帶 x,高1.5 m處的平均風(fēng)速[22]。

林帶溫、濕度調(diào)節(jié)作用的觀測點同上。用通風(fēng)干濕表定時測定各設(shè)定點處農(nóng)田距地面1.5 m高處的大氣溫度和大氣濕度,觀測在2008年7月20—30日內(nèi)晴朗無風(fēng)天氣進行(表1)。

表1 試驗林帶結(jié)構(gòu)特征

2.3 林帶經(jīng)濟效應(yīng)觀測分析方法

農(nóng)田防護林的經(jīng)濟效應(yīng)可依其農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益進行間接分析。測定選擇土壤條件和灌溉條件等相當,種植同種作物的林網(wǎng)內(nèi)農(nóng)田和無防護林防護的農(nóng)田,調(diào)查林帶背風(fēng)面20H內(nèi)作物成熟期平均高度、距林帶30H內(nèi)農(nóng)作物的平均產(chǎn)量、林帶背風(fēng)面20H內(nèi)作物的千粒重,進行對比分析[23-24],以確定防護林的實際增產(chǎn)效益。要求觀測區(qū)和對照區(qū)農(nóng)作物管理水平基本一致,并在成熟后進行單打單收,林帶及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況(表2)。

表2 林帶及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況

3 景電灌區(qū)防護林效益分析

3.1 農(nóng)田防護林帶防護效應(yīng)分析

風(fēng)沙危害是景電灌區(qū)存在的主要生態(tài)環(huán)境問題之一。林帶是害風(fēng)方向上的一個障礙物。害風(fēng)通過林帶時,氣流動能受到極大的削弱,使保護區(qū)地面風(fēng)速減弱,進而引起其他小氣候條件的變化。景電灌區(qū)農(nóng)田防護林帶的防護效能見表3。

表3 2008年景電灌區(qū)農(nóng)田防護林帶防護效應(yīng)特征

3.1.1 林帶的防風(fēng)效能 對林帶附近貼地層風(fēng)速觀測結(jié)果分析,得出不同防護林帶迎、背風(fēng)面的防風(fēng)效能變化(圖1)。結(jié)果表明,林帶背風(fēng)面防風(fēng)效果較迎風(fēng)面顯著,隨距林帶距離增加,林帶防風(fēng)效能逐漸減弱。在林帶背風(fēng)面0～6H處,10年生林帶防風(fēng)效能從26%降到5%,在距離林帶2H處出現(xiàn)一個較大的轉(zhuǎn)折點,6H以后防風(fēng)效果基本喪失,降到5%以下;20年生林帶的防風(fēng)效能變化較為平緩,從40%降到22%,同樣在距離林帶2H處出現(xiàn)一個較大的轉(zhuǎn)折點,這與烏拉等[25]的研究結(jié)果一致。但20年生林帶4H處的防風(fēng)效能與10年林帶2H處的防風(fēng)效能相當,表明隨著防護林林齡和林帶高度的增長,林帶結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化,從而使其防護效益呈現(xiàn)一定的上升趨勢。

3.1.2 林帶的調(diào)溫效能 在林帶保護區(qū)內(nèi),由于其對短波輻射的作用,林帶附近及林帶內(nèi)地面得到太陽輻射能量較小,故溫度降低[26]。經(jīng)過對氣溫的測定得出不同防護林帶迎、背風(fēng)面的溫度變化(圖2)。結(jié)果表明,林網(wǎng)內(nèi)溫度較曠區(qū)降低溫度0.2℃～0.5℃左右。距林帶越近,效果越明顯;林帶迎風(fēng)面的溫度高于林帶背風(fēng)面的溫度,距林帶的距離越近溫度越低。在距林帶相等距離條件下,20年生林帶較10年生林帶溫度低,同一林帶兩側(cè)相等距離處,背風(fēng)面較迎風(fēng)面溫度低,這與孫旭等[27-28]的研究結(jié)果相一致。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在晴朗高溫的夏季,林帶對于氣溫的調(diào)節(jié)作用明顯,尤其是對于最高氣溫而言。

圖1 防護林帶迎風(fēng)面、背風(fēng)面防風(fēng)效能

圖2 防護林帶迎風(fēng)面、背風(fēng)面的溫度變化

3.1.3 林帶的增濕效能 林帶內(nèi)由于風(fēng)速的降低和亂流交換的減弱,在網(wǎng)格內(nèi)作物蒸騰和土壤蒸發(fā)出來的水蒸氣較長時間停滯在近地面的空氣里,因而增加了林網(wǎng)內(nèi)農(nóng)田系統(tǒng)的空氣濕度。根據(jù)氣溫為28℃時林帶迎、背風(fēng)面0～6H處的相對濕度變化觀測結(jié)果(圖3),林帶內(nèi)平均相對濕度比林帶外對照大,差值為4%～5%,表明防護林具有增加空氣相對濕度的作用。在林帶迎、背風(fēng)面的不同距離處,其相對濕度也有較大的差異,隨著與林帶距離的增加,空氣相對濕度呈現(xiàn)有規(guī)律的遞減,而且林齡越大其增濕程度越顯著。

圖3 防護林帶迎、背風(fēng)面的相對濕度變化

相關(guān)分析表明,林帶對相對濕度的影響與林帶防風(fēng)效能的變化趨勢相同,即在風(fēng)速減弱明顯區(qū),空氣相對濕度比較高,而在風(fēng)速減弱較低的區(qū)域,相對濕度的增加也較低。這表明農(nóng)田防護林網(wǎng)保護下的空氣相對濕度與林帶的防風(fēng)效應(yīng)密切相關(guān)。

3.2 景電灌區(qū)防護林帶增產(chǎn)效應(yīng)分析

在林帶防護下,農(nóng)作物生長速率及產(chǎn)量有所提高。經(jīng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),景電一、二期灌區(qū)農(nóng)田防護林的平均增產(chǎn)效益不突出。在農(nóng)田林網(wǎng)較為完善的條山農(nóng)場和蘭煉農(nóng)場、四個山園林場,可以使保護區(qū)小麥和玉米的產(chǎn)量分別提高18.3%和13.7%(表4)。但在農(nóng)田防護林不完善的上沙窩和四個山的部分地區(qū),因防護林帶的脅地減產(chǎn)影響,增產(chǎn)不明顯。這與以往農(nóng)田防護林效益的研究結(jié)果[1,29-31]相一致。

由于林網(wǎng)為農(nóng)作物生長創(chuàng)造良好的環(huán)境條件,使農(nóng)作物光合作用效率提高,物質(zhì)積累增多,從而提高了作物的千粒重。據(jù)測定發(fā)現(xiàn),林網(wǎng)內(nèi)農(nóng)作物千粒重要比空曠區(qū)對照點的千粒重提高15%～18%左右(表5),這與楊偉等[32]的研究結(jié)論相一致。

表4 四個山園林場農(nóng)田防護林對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響 kg/hm2

表5 景電灌區(qū)防護林帶對農(nóng)作物千粒重的影響(二期總3支15斗)

4 結(jié)論

(1)觀測分析表明,景電灌區(qū)農(nóng)田防護林帶的生態(tài)防護效應(yīng)主要表現(xiàn)在林帶迎、背風(fēng)面距林帶0—6H的范圍內(nèi)。隨與林帶距離的增大,其生態(tài)防護效應(yīng)遞減;20年生林帶的生態(tài)防護效應(yīng)優(yōu)于10年生林帶,表明隨著防護林林齡增加,其防護能力也隨之提高。但有關(guān)本區(qū)域農(nóng)田防護林的防護成熟齡問題,還待進一步的深入研究。

(2)農(nóng)田防護林網(wǎng)改善了農(nóng)作物生長的環(huán)境條件,使作物光合效率提高,物質(zhì)積累增多,提高了作物產(chǎn)量及千粒重[22]。研究發(fā)現(xiàn):在灌區(qū)內(nèi)農(nóng)田林網(wǎng)較為完善的地帶,防護林保護下的小麥、玉米產(chǎn)量分別提高18.3%和13.7%;千粒重比對照點提高15%～18%左右,林帶的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益明顯。但在農(nóng)田林網(wǎng)不健全的條件下,增產(chǎn)效果表現(xiàn)則不顯著。

(3)調(diào)查可見,景電灌區(qū)內(nèi)一些早期營造的農(nóng)田防護林存在著結(jié)構(gòu)配置、林帶管理、樹種改造等亟待解決的問題,特別是許多楊樹防護林帶因天牛危害,植株瀕臨枯死,已基本喪失生態(tài)防護功能和經(jīng)濟利用價值。因此,綜合分析認為,景電灌區(qū)現(xiàn)有農(nóng)田防護林體系的生態(tài)、經(jīng)濟效應(yīng)都有待于進一步提高和完善。此外,改變重造輕管的經(jīng)營理念,將對促進和保障區(qū)域防護林體系的持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

[1]曹新孫.農(nóng)田防護林學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,1983:1-97,100-113,141-208,295-328.

[2]朱延曜.農(nóng)田防護林生態(tài)工程學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,2001.

[3]肖紀浩,鐘志巖,秦學(xué)君,等.樹種結(jié)構(gòu)的灰色優(yōu)化[J].林業(yè)資源管理,1996(5):51-54.

[4]潘文利,于雷.遼河三角洲鹽堿地防護林體系建設(shè)技術(shù)研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,1998,9(3):231-236.

[5]孫楓,李生寶,蔣齊.寧夏鹽池沙區(qū)生態(tài)經(jīng)濟型防護林體系林種樹種優(yōu)化比例[J].林業(yè)科學(xué)研究,2003,16(4):459-464.

[6]胡嘉良,向開馥.東北半干旱地區(qū)農(nóng)田林網(wǎng)中綜合氣候效益的分析[C]∥向開馥.防護林研究(第一集).哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社,1989:131-141.

[7]胡海波,王漢杰,魯小珍,等.中國干旱半干旱地區(qū)防護林氣候效應(yīng)的分析[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,25(7):7-82.

[8]王葆芳,熊士平,任培政.烏蘭布和沙地新開發(fā)人工綠洲防護林體系綜合效益評價[J].林業(yè)科技,1998,25(6):12-20.

[9]王葆芳,劉星晨,任培政.烏蘭布和沙地人工綠洲防護林體系模式生態(tài)和經(jīng)濟效益評價[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2002,16(2):60-67.

[10]陳炳浩,郝玉光,陳永富.烏蘭布和沙區(qū)區(qū)域性防護林體系氣候生態(tài)效益評價的研究[J].林業(yè)科學(xué)研究,2003,16(1):63-68.

[11]朱廷曜,孔繁智,朱勁偉,等.白音他控疏林草場氣象效應(yīng)初步分析[J].生態(tài)學(xué)報,1991,11(1):1-6.

[12]Cheng D C,Gu J X.A study on the effect of“three north”protective shelterbelt system on middle scale climate[M]∥Zhu T Y.The Study of Ecological Effects and Physical Characteristics in the Boundary Layer of Protective Forest System.Beijing:Meteorology Press,1992:209-216.

[13]Liu N Z.Effect of farmland shelterbelt system on regional climate[M]∥Song Z M.Studies on Ecological and Economic Effects of Protective Forest in the Plain of Yellow River,Huaihe River and Haihe River.Beijing:Beijing Agricultural University Press,1990:128-139.

[14]Tian S P,Xuan D W,Dong X M,et al.Calculating regional protective effects of farmland windbreak network by the method of geostrophic deviation[M]∥Kang L X,Wang S L.Function and Effects of Coastal Windbreak System.Beijing:Scientific and Technological Literature Press,1994:85-90.

[15]Zhou X D,Dong X M,Zhao R F.The regional climate effect of protective windbreak system in Dafeng County[M]∥Kang L X,Wang S L.Function and Effects of Coastal Windbreak System.Beijing:Scientific and Technological Literature Press,1994:105-110.

[16]祁元禎.荒漠、半荒漠地區(qū)建設(shè)鐵路中風(fēng)沙流防護體系的研究[J].中國沙漠,1996,16(3):266-274.

[17]汪萬福,李最雄,劉賢萬,等.敦煌莫高窟頂灌木林帶防護效應(yīng)研究[J].中國沙漠,2004,24(3):306-312.

[18]艾力?買買提明,楊青,阿吉古麗?沙依提,等.塔中油田作業(yè)區(qū)防護林帶的小氣候效應(yīng)[J].中國沙漠,2005,25(4):535-540.

[19]蘇生海,武得禮,李雪屏,等.景電灌區(qū)土壤鹽漬化的防治[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1993,6(2):21-24.

[20]王輝,劉千枝,王永禎.生態(tài)經(jīng)濟型防風(fēng)治沙體系優(yōu)化配置技術(shù)規(guī)程研究[J].中國沙漠,1996,16(4):368-373.

[21]尤飛,席艷蕓.生態(tài)經(jīng)濟型防護林體系在沙漠綠洲建設(shè)中的作用[J].防護林科技,2008,7(3):74-75.

[22]崔強,高甲榮,何明月,等.寧夏鹽池沙地農(nóng)田防護林的防風(fēng)阻沙效益[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報,2009,25(3):25-29.

[23]閻樹文.農(nóng)田防護林學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,1992:48-49.

[24]王禮先.林業(yè)生態(tài)工程學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,2001.

[25]烏拉,張國慶,辛智鳴.烏蘭布和沙漠綠洲農(nóng)田防護林防風(fēng)阻沙規(guī)律及防護效益[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技,2009,35(1):14-18.

[26]袁素芬,陳亞寧,李衛(wèi)紅.干旱區(qū)新墾綠洲防護林體系的防護效益分析[J].中國沙漠,2007,21(3):33-37.

[27]孫旭,劉靜,布和,等.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)農(nóng)田防護林效益研究[J].內(nèi)蒙古林學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,1999,21(3):33-37.

[28]孫旭,高崗,高永,等.河套灌區(qū)典型農(nóng)田防護林結(jié)構(gòu)綜合效益評價[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(7):126-130.

[29]曹新孫.農(nóng)田防護林帶國外研究概況(一)、(二).中國科學(xué)院林業(yè)土壤研究所集刊(5集)[M].北京:科學(xué)出版社,1981:177-214.

[30]姜鳳岐.林帶經(jīng)營技術(shù)與理論基礎(chǔ)[M].北京:中國林業(yè)出版社,1992:1-25,27-40.

[31]曹文生,邢兆凱.風(fēng)沙區(qū)農(nóng)田防護林效益的研究[J].防護林科技,1999(1):5-11.

[32]楊偉.榆林沙區(qū)農(nóng)田防護林防護效益研究[J].安徽農(nóng)學(xué)通報,2009,15(1):115-116.