遼河三角洲泥質(zhì)海岸防護(hù)林小氣候效益研究

王 巖，魏忠平，潘文利，范俊崗

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，沈陽 110866;2.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，沈陽 110032)

我國沿海災(zāi)害性天氣如臺風(fēng)、暴雨、龍卷風(fēng)、冰雹、寒潮大風(fēng)等較頻繁，對該地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展危害極大。營造沿海防護(hù)林體系，充分發(fā)揮其生態(tài)效益，可顯著改善環(huán)境條件、有效抗御自然災(zāi)害[1]。建國以來特別是改革開放后，我國沿海各地對防護(hù)林的功能和效益進(jìn)行了廣泛、深入的研究。張璐[2]、賀慶棠[3]在文中提到，1952年江愛良等[2-3]首先在海南對橡膠林和防護(hù)林小氣候進(jìn)行觀測研究;謝平等[4]研究了海岸沙地防護(hù)林內(nèi)的小氣候效應(yīng)，防護(hù)林內(nèi)光照強(qiáng)度減弱、溫度變化緩和、濕度增加、風(fēng)速減小，小氣候效應(yīng)顯著，改善了海岸沙地的生態(tài)環(huán)境;李志真等[5]進(jìn)行了木麻黃沿海防護(hù)林小氣候效應(yīng)的定位研究，防護(hù)林內(nèi)年平均氣溫、年平均最低溫和最高溫、年平均地面溫度均比林外低，夏季降暑冬季防寒效應(yīng)比較明顯;黃承標(biāo)等[6]研究了廣西沿海窿緣桉防護(hù)林小氣候效應(yīng)，防護(hù)林有良好的防風(fēng)、降溫和增濕等小氣候水文生態(tài)功能;陳祥偉等[7]對天然次生柞木林不同群落結(jié)構(gòu)小氣候效應(yīng)進(jìn)行觀測研究，結(jié)果表明:效應(yīng)帶的開拓改變了近地面層亂流、湍流交換系數(shù)，增加了熱散射通量，從而促使小氣候因子重新分配，產(chǎn)生明顯效應(yīng);譚芳林等[8]對木麻黃基干林帶小氣候效應(yīng)及梯度變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明防護(hù)林對小氣候有明顯的影響。泥質(zhì)海岸防護(hù)林小氣候效應(yīng)是沿海防護(hù)林小氣候效應(yīng)的重要組成部分，但至今國內(nèi)外對泥質(zhì)海岸防護(hù)林小氣候效應(yīng)的研究很少見報道。為了了解泥質(zhì)海岸防護(hù)林內(nèi)與林外的土壤溫度、風(fēng)速、濕度、光照的日變化特征，本文試圖對遼河三角洲地區(qū)凌海市和大洼縣的泥質(zhì)海岸防護(hù)林內(nèi)與空曠地的主要氣象因素日變化進(jìn)行對比觀測分析，來探討泥質(zhì)海岸防護(hù)林改善小氣候環(huán)境功能的大小，為研究沿海泥質(zhì)海岸防護(hù)林對小氣候的影響，評價泥質(zhì)海岸防護(hù)林小氣候效益提供科學(xué)的依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

試驗地分別設(shè)在遼河三角洲地區(qū)的凌海市建業(yè)鄉(xiāng)和大洼縣。遼寧省凌海市建業(yè)鄉(xiāng)屬于典型淤泥質(zhì)海岸地段，位于 120°42′-121°45′E ，40°48′-41°26′N。大部分土壤為濱海鹽土，局部為濱海鹽堿土，土壤含鹽量2～12 g/kg，pH值 8.5～10.5。年平均溫度9～9.6℃，年降水量400～500 mm，蒸發(fā)量1 600～1 800 mm，無霜期170～180 d，主要植被有堿蓬(Suaeda glauca)、翅堿蓬(Suaeda heteroptera)、二色補(bǔ)血草(Limonium bicolor)、西伯利亞蓼(Polygonum sibiricum)、狗尾草(Setaria viridis)等。遼寧省大洼縣位于 121°50′-122°28′E ，40°42′-41°09′N ，處于遼河三角洲腹地。境內(nèi)海岸線138 km，半濕潤半干旱氣候，年均降水量 646.6 mm，年均蒸發(fā)量1 653.6 mm，年均氣溫8.4℃，無霜期177 d。土壤主要有濱海鹽土、濱海潮灘鹽土，土壤含鹽量 3～15 g/kg，pH 值 8～9。主要植被堿蓬、翅堿蓬、鹽蒿(Artemisia halodendron)等。

2 材料與方法

2.1 海防林風(fēng)速測定

2.1.1 片狀防護(hù)林風(fēng)速測定 分別在2009年10月2 日 、9 日 、16 日 、23 日 、30 日 ，從 8:00-18:00，每隔2 h對凌海市建業(yè)鄉(xiāng)何屯典型泥質(zhì)海岸的片狀防護(hù)林帶進(jìn)行風(fēng)速觀測，每天每個時間段重復(fù)3次測定。林帶為東西走向，帶寬100 m，長200 m，林帶斷面類型為矩形。在風(fēng)向與林帶基本垂直時，同時在空曠地 、林內(nèi) 、背風(fēng)面 1H 、5H 、10H 、20H 、25H 、30H 、35H(H為樹高倍數(shù))的同一方位上用DEM-6型輕便3杯風(fēng)向風(fēng)速儀測定離地面1.5 m處的風(fēng)速和風(fēng)向。

2.1.2 單林帶防護(hù)林風(fēng)速測定 分別在2009年10月 2 日 、9 日 、16 日 、23 日 、30日 ，從 8:00-18:00，分別測定凌海市建業(yè)鄉(xiāng)建業(yè)村和大洼縣王家進(jìn)水干渠9號線的單林帶防護(hù)林的防風(fēng)效應(yīng)，每天每個時間段重復(fù)3次測定。建業(yè)村林帶為東西走向，帶寬10 m，王家林帶為南北走向，帶寬8 m，林帶斷面類型都為矩形。分別進(jìn)行離地0.5 m、1.5 m梯度觀測，測定方法同上。

2.2 海防林濕度測定

分別在2009年10月 2日、9日、16日、23日、30日，從8:00-18:00，每隔2 h對凌海市建業(yè)鄉(xiāng)何屯典型泥質(zhì)海岸的片狀林帶內(nèi)與對照點(選在迎風(fēng)面距林帶10倍樹高處)的空氣濕度離地0.5 m、1.5 m進(jìn)行梯度觀測，每天每個時間段重復(fù)3次測定。空氣濕度采用ST-DHM2型機(jī)械通風(fēng)干濕表測定。

2.3 海防林土壤溫度和光照度測定

分別在2009年10月 2日、9日、16日、23日、30日，每隔2 h對凌海市建業(yè)鄉(xiāng)何屯典型泥質(zhì)海岸的片狀林帶內(nèi)與對照點(選在迎風(fēng)面距林帶10 H處)的土壤分別測定0，5，10，15，20 cm 不同層次的溫度，以及不同時刻的光照強(qiáng)度。土壤淺層溫度用曲管地溫計測定，曲管地溫計按5，10，15，20 cm 深度順序由東向西排列，感應(yīng)部分向北。用最高溫度表和最低溫度表測定土壤最高最低溫，表間相隔約10 cm，表身與地面成45°角。在林內(nèi)分別選擇強(qiáng)光、稀光和弱光三點，用ST-15型照度計測定光照強(qiáng)度，取其均值為林內(nèi)光照強(qiáng)度。

2.4 透風(fēng)系數(shù)計算方法

透風(fēng)系數(shù)是鑒定林帶結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的重要參數(shù)，也是判斷林帶防護(hù)效果的指標(biāo)[9]。在林帶背風(fēng)面距林緣1～2 m處，分別距離地面1 m、0.5H、0.75H(H為林帶平均高)處設(shè)置風(fēng)速表，測定風(fēng)速為V1、V2和V3;在林帶迎風(fēng)面10H處也分別在上述3點設(shè)置風(fēng)速表測定曠野風(fēng)速為和透風(fēng)系數(shù) α0(%)計算公式為

3 結(jié)果與分析

3.1 海防林防風(fēng)效能

3.1.1 片狀海防林防風(fēng)效能 該防護(hù)林帶的透風(fēng)系數(shù)為0.26，介于0.3～0.5之間，屬疏透結(jié)構(gòu)。當(dāng)風(fēng)遇到疏透結(jié)構(gòu)的林帶時，從整個林墻中均勻地穿過，并且受到樹干、樹枝葉的磨擦和阻攔，使大股氣流變成了無數(shù)的大小不等、強(qiáng)度不一和方向相反的小股氣流，這時氣流的動能被消耗，風(fēng)速也隨之減弱。穿過林帶的氣流，在其背風(fēng)區(qū)較大距離內(nèi)形成了一個弱風(fēng)區(qū)。在林帶背風(fēng)面1H-20H范圍內(nèi)形成一個主要風(fēng)速降低區(qū)，該面積比林帶迎風(fēng)面防護(hù)區(qū)要大，是防護(hù)林帶主要保護(hù)區(qū)和作用范圍，對林帶生態(tài)環(huán)境具有明顯改善作用的區(qū)域。小氣候的改變主要在這一區(qū)域內(nèi)發(fā)生效果。由圖1可以看出，1H-5H區(qū)域內(nèi)風(fēng)速降低程度最大，可由曠野最大風(fēng)速值3.9 m/s降低至1.7～2.4 m/s，降低幅度為38.51%～57.25%。而在10H-20H區(qū)域內(nèi)風(fēng)速降低程度相對較小，風(fēng)速分布大多為3.1～3.6 m/s，風(fēng)速降低約8.19%～20.57%。當(dāng)水平距離超過20H時，風(fēng)速恢復(fù)到曠野風(fēng)速，即防護(hù)林帶失去其防護(hù)功能。由此可見該林帶有效防護(hù)距離為20H。表1是片狀林帶內(nèi)外風(fēng)速的觀測值，從中可以看出林內(nèi)風(fēng)速平均比林外對照降低62.86%，由于林內(nèi)風(fēng)速的降低，使土壤蒸發(fā)量減少，增加了土壤的濕度和溫度，有利于林內(nèi)地表植被覆蓋度的增加。

圖1 不同 H(樹高)處風(fēng)速日變化

表1 海防林片狀林帶內(nèi)外風(fēng)速日變化觀測 m/s

3.1.2 單林帶海防林防風(fēng)效能 從表2中可以看出，建業(yè)村的單林帶防護(hù)林在1H-5H范圍內(nèi)的風(fēng)速可由曠野風(fēng)速6.3 m/s降低到3.7～4.1 m/s;王家從2.7 m/s降低到0.6～1.4 m/s，風(fēng)速減低率分別達(dá)到34.92%～41.27%和48.15%～77.78%。而在10H-20H范圍內(nèi)風(fēng)速降低相對較弱，分別為5.2～5.6 m/s，風(fēng)速減低率在11.11%～17.46%和7.41%～14.81%范圍內(nèi)，超過20H時風(fēng)速基本接近空曠地風(fēng)速。由此表明，單林帶防護(hù)林的有效防護(hù)距離大約是20H，其中在1H-5H范圍內(nèi)防風(fēng)效果更好一些，這與杜鶴強(qiáng)等[10]、李永平等[11]研究結(jié)果一致。兩個觀測林帶的透風(fēng)系數(shù)分別為0.77和0.79，說明這兩個單林帶屬于透風(fēng)結(jié)構(gòu)，能夠較好地降低風(fēng)害，透風(fēng)系數(shù)越大降低風(fēng)速效果越明顯。

表2 海防林單林帶不同距離防風(fēng)效果觀測

3.2 對土壤溫度日變化的影響

從圖2中可以看出，10:00之后5 cm、10 cm土層林內(nèi)的土壤溫度小于林外同時刻的土壤溫度。林內(nèi)0 cm溫度在12:00達(dá)到最高為14.0℃，林外0 cm溫度在14:00達(dá)到最高為18.6℃，地表降溫幅度比其它各層稍明顯，達(dá)到24.7%。10:00之前 5 cm、10 cm的溫度林內(nèi)高于林外，這是因為夜間防護(hù)林對土壤淺層(5-10 cm)具有增溫效果。

圖2 何屯土壤溫度日變化

表3是各層土壤溫度日間均值，從中可以看出，土壤的日溫變化林內(nèi)小于林外，地表溫度的變化幅度明顯大于其它土壤層次，隨著土層深度的增加土壤溫度日變化幅度逐漸減小。林內(nèi)地表最高溫度明顯小于林外，最低溫度略小于林外，林內(nèi)溫度升降緩和，溫度變化比較平穩(wěn)。

表3 防護(hù)林內(nèi)外土壤溫度比較 ℃

3.3 對空氣濕度日變化影響

由圖3，圖4可以看出，林內(nèi)空氣濕度顯著高于林外，日間0.5，1.5 cm高度處的林內(nèi)平均濕度分別比林外高30.8%、30.5%。林內(nèi)外的空氣濕度隨著光照強(qiáng)度的增加而逐漸降低，都在8:00達(dá)到最大值，林內(nèi)0.5，1.5 m高度處的平均濕度達(dá)到70.7%，林外平均達(dá)到51.0%，明顯高于其余時段。林帶的屏障和摩擦作用，降低了風(fēng)速，使林內(nèi)樹木及土表蒸發(fā)蒸騰出來的水分能在近地面滯留較長時間，表現(xiàn)出蒸發(fā)減少、濕度增大的作用[12]。

圖3 林內(nèi)外空氣濕度0.5 m處日變化

圖4 林內(nèi)外空氣濕度1.5 m處日變化

3.4 片狀防護(hù)林內(nèi)外光照強(qiáng)度日變化規(guī)律

從表4中可以看出，光照強(qiáng)度隨著時間的增加而逐漸增大，在12:00達(dá)到最強(qiáng)后開始降低，18:00達(dá)到最小值。全天各時段中林內(nèi)的光照強(qiáng)度比林外低，平均降低40.4%，這是由于樹冠能夠吸收和反射一部分太陽輻射，使得林內(nèi)光照強(qiáng)度低于林外光強(qiáng)。雖然本次觀測是在秋季，部分枝葉脫落，吸收和反射太陽輻射減弱，但是相對于無林地來說，效果還是比較明顯。

表4 防護(hù)林內(nèi)外光照強(qiáng)度比較 lx

4 結(jié)論與討論

(1)本研究得出泥質(zhì)海岸防護(hù)林具有良好的調(diào)節(jié)小氣候功能。結(jié)果表明片林透風(fēng)系數(shù)為0.26時，林帶的有效防護(hù)距離為20H，林內(nèi)比林外風(fēng)速平均降低62.86%，單林帶的有效防護(hù)距離也為20H，兩種林帶都是在背風(fēng)區(qū)形成一個風(fēng)速減弱區(qū)域，并且在5H左右降風(fēng)幅度明顯，林帶防風(fēng)效果的大小與林帶斷面形狀、透風(fēng)系數(shù)有關(guān)。這與曹新孫[13]一書中提到的焦樹仁等觀測到最適透風(fēng)系數(shù)為0.25時，林帶平均風(fēng)速降低44%，有效防護(hù)距離大致在20H范圍內(nèi)的結(jié)論基本一致。

(2)防護(hù)林在秋季對土壤淺層(5-10 cm)具有一定的增溫效應(yīng)，地表溫度降幅達(dá)到24.7%，土壤溫度日變化林內(nèi)小于林外，隨著土層深度增加逐漸變小。防護(hù)林在秋季對土壤淺層具有增溫作用，使林內(nèi)土壤溫度變幅較小，相對于林外較穩(wěn)定，對土壤溫度具有一定的調(diào)控作用，使得溫度有益于樹木生長。林內(nèi)空氣濕度平均比林外高30.6%，明顯降低了林內(nèi)水分的蒸發(fā)量，增加了空氣濕度;林內(nèi)光照強(qiáng)度平均比林外低40.4%，能夠很好地降低蒸發(fā)量，增加土壤水分。

(3)本研究只是對泥質(zhì)海岸防護(hù)林小氣候在10月日均變化規(guī)律進(jìn)行了初步觀測，風(fēng)速的觀測只進(jìn)行了水平梯度的觀測，沒有在垂直方向上觀測，所設(shè)觀測點、觀測時間比較少，沒有研究風(fēng)向與林帶不同交角時的情況，不同季節(jié)變化情況，在這些方面還需要進(jìn)一步深入研究。

(4)泥質(zhì)海岸防護(hù)林本身具有一定的特殊性，在沿海防護(hù)林建設(shè)中起到了重要作用。本文通過對各項小氣候要素的觀測研究，評價了泥質(zhì)海岸防護(hù)林所發(fā)揮的防護(hù)效應(yīng)，并從中發(fā)現(xiàn)防護(hù)林建設(shè)中存在的問題和改進(jìn)方向，為泥質(zhì)海岸防護(hù)林改善沿海生態(tài)環(huán)境發(fā)揮最佳生態(tài)效益提供了一定的依據(jù)和經(jīng)驗。

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