和田地區(qū)綠洲外圍農(nóng)田防護林帶的防護效益

王 翠, 雷加強, 李生宇， 毛東雷1，, 再努拉·熱合木吐拉1，， 周 杰

(1.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所， 新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站， 新疆 策勒 848300； 3.中國科學院大學，北京 100049； 4.新疆交通科學研究院 干旱荒漠區(qū)公路工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830000)

防護林是一種人工建立的改造自然環(huán)境使其能夠達到人類預(yù)想的生態(tài)措施，它一般存在于受保護區(qū)域的最邊緣,以抵御外部各種環(huán)境變化產(chǎn)生的影響。例如，農(nóng)田防護林、海岸防護林、公路防護林、城市外圍防護林以及 “三北” 防護林等[1]。國內(nèi)外對防護林功能的研究主要集中在其所產(chǎn)生的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益[2-5]。防護林生態(tài)效益的研究集中在防護林的農(nóng)田小氣候效應(yīng)及其對土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分的改良作用[6-9]。對防護林小氣候效應(yīng)的研究主要針對林帶的配置結(jié)構(gòu)、林帶寬度、高度及疏透度等對防風效能的影響，初步得出防風效能較好的林帶配置和結(jié)構(gòu)，即疏透度在0.35～0.45的喬灌草復(fù)合配置的防護林風速降低明顯、防護距離較長、防護效果最佳[10-12]。在荒漠區(qū)，防護林對風速的減弱會導(dǎo)致風沙流中沙粒的沉降，不同配置的防護林決定沙粒沉降的數(shù)量和方位[13]。目前，對農(nóng)田防護林的小氣候效應(yīng)研究較多，對于荒漠區(qū)防護林的生態(tài)效應(yīng)研究較少。

針對塔克拉瑪干沙漠南緣風大風多、氣候干燥、現(xiàn)有綠洲面積不足以滿足人類對土地需求的緊迫狀況，本文通過在和田地區(qū)吉亞鄉(xiāng)綠洲外圍的流動沙地上種植新疆楊+沙拐棗防護林帶，定量研究其改善區(qū)域小氣候的效益，為擴大綠洲利用面積和合理配置防護林結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于和田地區(qū)吉亞鄉(xiāng)綠洲外圍的流動沙地上，該區(qū)南抵昆侖山與西藏自治區(qū)交界，東部與巴音郭楞蒙古自治州相接，北部深入塔克拉瑪干腹地，西部與喀什地區(qū)毗鄰。四周高山環(huán)繞，深居內(nèi)陸，從西部來的冷濕氣流和印度洋熱濕氣流由于受到青藏高原的阻擋而難以抵達，因此該區(qū)大陸性氣候強。本區(qū)屬于暖溫帶極端干旱荒漠氣候，春季風大風多，每年浮塵天氣220 d以上，其中沙塵暴天氣在60 d左右。年平均氣溫11.5 ℃，1月平均氣溫-6 ℃，歷年平均降水量32 mm，年均蒸發(fā)量高達2 480 mm，無霜期212 d。

1.2 林帶的設(shè)置

吉亞鄉(xiāng)常用喬木防護林樹種為新疆楊(PopulusalbaLinn. var.pyramdalisBunge)和沙棗(Elaeagnusangustifolia L.)，灌木樹種為沙拐棗(Calligonummongolicum)、梭梭(Haloxylonammodendron)、多枝檉柳(TamarixramosissimaLedeb)，天然植被有駱駝刺(AlhagisparsifoliaShap.)、花花柴〔Kareliniacaspica(Pall.)Less.〕和蘆葦(Phragmitesaustralis)等。試驗以種源豐富、生長速度較快的新疆楊、沙拐棗作為防護林樹種。

根據(jù)前人對防護林結(jié)構(gòu)研究，結(jié)合當?shù)貙嶋H條件，配置新疆楊喬木+沙拐棗灌木防護林，著重測定其生態(tài)效益。防護林具體種植規(guī)格為新疆楊林帶垂直于主風向，林帶長300 m，寬4 m，株行距均為1 m，生長2 a后平均株高2.8 m，疏透度為0.6。新疆楊后種植有10行沙拐棗，株行距1 m，平均株高1.9 m，疏透度為0.3。由于林帶灌溉的側(cè)滲作用，林前的土壤含水率相對較高，因而在新疆楊前發(fā)育有一條天然駱駝刺草本帶，駱駝刺蓋度約為0.300。該區(qū)風向變化較大，但是起沙風風向特別集中，主要為W，WNW風，為使防護林的防風效益最大，林帶的走向垂直于主風向呈南北走向。

對防護林生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價主要集中在氣象和土壤因素，氣象因素的效益占到總生態(tài)效益的0.667，其中防風效能占到氣象因素的50%，溫濕度各占25%[14]，足見風速、溫濕度指標在評價防護林體系中的重要性。因此本文選定防護林的防風效能、減沙效益、輻射和溫濕度的變化來定量研究流沙地防護林的生態(tài)功能。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)的采集 風速風向的測定利用美國ONSET公司生產(chǎn)的HOBO小氣象觀測系統(tǒng)，在距地面0.5，1，3 m高度上分別安裝一個風速傳感器，在3 m高度安裝風向傳感器,所有觀測項目均為全天觀測，采集器(HOBO-U30)自動記錄，采樣頻率為1 HZ，即1 s測一次風速變化，記錄間隔基本為1 min。

溫濕度和輻射的測定儀器采用具有精度高、可存數(shù)據(jù)量大、體積小等優(yōu)點的HOBO溫濕度探頭〔HOBO Pro Series Temp, RH(C)1998 ONSET〕。

沙塵通量的觀測采用近地面沙塵通量梯度儀(BSNE)，每一個積沙器支架上都安裝一個風向標，這樣可以收集各個風向上的沙通量。風向標的起動風速≤1.0 m/s，風向測量范圍為0～360°，最大允許誤差范圍為±3°。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)通過Excel和SPSS 16.0處理，作圖利用Origin 8.0和Photoshop軟件。

2 結(jié) 果

2.1 防護林的防風效益

防護林的防風效益主要通過其防風效能來度量，防風效能是指防護林前后的風速差值與林前風速的比值。

式中：K——防風效能(%)；V流沙——流沙地曠野風速(m/s)；V防護林——防護林帶內(nèi)風速(m/s)。

由表1可以看出，新疆楊林和沙拐棗林都有降低流沙地風速的效能，當風速在0～3 m/s時，0.5 m高度上楊樹林的防風效能為95.1%，沙拐棗林為99.9%。隨著風速的增大，楊樹林的防風效能由95.1%降低到了67.2%，沙拐棗林內(nèi)的防風效能也減弱，但是其減弱率較緩，從99.9%降到了93.5%。整體看來，沙拐棗林和新疆楊林的防風效能隨著風速的增大而減弱。Zhang等[15]也發(fā)現(xiàn)防護林的防風效能隨著風速的變化而變化，主要原因：一是風速的增大會增加林木的搖擺度，從而防護林的疏透度變大，防風效能減弱；二是風速的變化表現(xiàn)為水平和垂直兩個方向的運動，隨著風速的增大，其垂直方向的風速加大，這將會使風向改變，從而引起風向與防護林夾角的改變，進而改變防風效能。

表1 防護林的防風系數(shù)

林帶防風效能隨著高度的增長而減弱，在0.5和1 m高度上，沙拐棗林的防風效能遠遠大于楊樹林，原因是沙拐棗本身系灌木林，植物下部的枝條數(shù)比較多，較楊樹林底部疏透度小，因此其防風效能較大。3 m高度上沙拐棗的防風效能等同于新疆楊林，由于沙拐棗高度在2 m左右，3 m高度上的風速幾乎不受影響，之所以其林帶上方風速減弱，是由于楊樹林后減弱的風速尚未恢復(fù)。

流沙地風速大于起沙風6 m/s后，沙拐棗林近地表0.5 m高度內(nèi)風速很少有超過2 m/s，新疆楊林幾乎沒有超過4.5 m/s，表明林帶對下墊面的土壤起到良好的保護作用，林帶內(nèi)地表的風速很小，基本上不會有地表風蝕。

整體上，兩種防護林均表現(xiàn)出隨著風速和高度的增加防風效能減弱的趨勢。新疆楊林+沙拐棗林帶的防風效能大于單純的新疆楊林或沙拐棗林帶，因此在選擇荒漠區(qū)林帶配置時，應(yīng)選擇喬木+灌木林帶。

2.2 防護林的固阻沙效益

防護林的固沙效益在非荒漠區(qū)是一個不必要的指標，但是在荒漠區(qū)，防風固沙似乎是兩個不可分開的指標，防風必定會導(dǎo)致輸沙量的減弱。并且在流動沙地上不斷移動著的流沙會掩埋農(nóng)田、損害房屋，危害很大。本文將防護林固阻沙效益納入到其防護效益中，流沙前沿的輸沙總量為906 g，楊樹林的輸沙總量為150 g，沙拐棗林為118 g，楊樹林中的沙通量較流沙地減少83%，沙拐棗林中的沙通量較流沙地減弱了87%(圖1)。當流沙地的風速大于起沙風后，風挾帶地表的沙粒前進，在其經(jīng)過防護林時，風速減弱，挾沙能力降低，沙粒沉降，越到林內(nèi)，風速越小，加之沙源不太充足，因此林內(nèi)的輸沙量越小。由此可知，此防護林帶有效地阻止了流沙進入防護林帶背風一側(cè)。

圖1 不同下墊面的積沙量

2.3 不同下墊面的溫濕度和輻射的變化規(guī)律

2.3.1 不同下墊面的溫度變化 選取7月晴天和沙塵暴兩個不同的天氣過程，對比其氣象要素的差異性。由圖2可以看出，林帶內(nèi)外氣溫的變化趨勢基本一致，但不同的天氣過程有較大的差異性。晴天氣溫度在7：00左右達到一天中的最低值，中午14:00溫度最高，在14:00—16:00短暫的下降后有一段較為平穩(wěn)的時期，20:00以后氣溫下降。沙塵暴天氣氣溫的變化遠不如晴天那么劇烈，具體表現(xiàn)為氣溫日較差小，夜間溫度較高，白晝溫度較低。流沙地和林內(nèi)的溫度變化趨勢表現(xiàn)為流沙地的氣溫夜間要顯著高于楊樹林和沙拐棗林地，白晝林內(nèi)外溫度差異較小，沙拐棗林內(nèi)溫度顯著低于流沙地溫度(p<0.01)，總體看來，三個不同下墊面之間的溫度差異均極顯著(p<0.01，表2)。

圖2 不同下墊面的溫度

表2不同下墊面溫濕度、輻射的差異顯著性分析

注：p<0.05差異顯著水平； p<0.01差異極顯著水平。

2.3.2 不同下墊面濕度變化 防護林內(nèi)外濕度的變化趨勢一致，晴天時空氣濕度在3:00—5:00達到最大，之后緩慢降低。直到次日8:00，日出后隨著日照增強，溫度升高，蒸發(fā)加強，從而導(dǎo)致空氣濕度下降速度加快，中午13:00—15:00溫度最高，濕度最低，之后隨著日照強度減弱濕度緩慢增大，新疆楊和沙拐棗林濕度較流沙地高出7%左右。晴天天氣，流沙地與楊樹林、沙拐棗林的濕度差異極顯著(p<0.01)，楊樹林與沙拐棗林間的濕度差異較為顯著(p=0.015)。沙塵暴天氣的濕度要小于晴天，濕度在0:00—2:00達到最大，之后降低，8:00—12:00之間濕度變化較為平穩(wěn)，隨著溫度的增高，12:00—16:00有一個緩慢的降低區(qū)，之后逐漸升高(圖3)。由于沙塵暴天氣氣流交換快，加之白晝太陽輻射弱，氣溫日較差小，因此白晝的濕度變化較小。大風天氣中，楊樹林與沙拐棗林的濕度差異不顯著，流沙地與林帶內(nèi)的濕度差異顯著(p<0.01)。

圖3 不同下墊面的相對濕度

總體看來，防護林內(nèi)外濕度變化差異顯著，林內(nèi)濕度大于流沙地濕度，濕度的變化與溫度有著密切關(guān)系，溫度越高，濕度越小，溫度越低，濕度越大。不同天氣過程濕度大小和變化趨勢均有差異。上述變化特征的原因是流沙地土壤中的水分含量低，溫度高，風力強勁，導(dǎo)致其空氣中水分來源少，蒸發(fā)強烈，水分散失快，濕度低。防護林內(nèi)有適當?shù)墓喔却胧┰黾悠渫寥赖臐穸龋孛婵烧舭l(fā)水量增加，植被的蒸騰也會增加林帶內(nèi)的一部分濕度，加之林帶內(nèi)空氣流動相對較弱，水分易于保持，濕度較高。

2.3.3 不同下墊面的太陽輻射強度 晴天無風時，太陽輻射呈單峰曲線，輻射在中午14:00—16:00達到最大，之后一直降低，太陽落山到第2 d黎明，太陽輻射強度保持在接近0的一個值(圖4)。流沙地的太陽輻射最強，楊樹林的太陽輻射最弱，流沙地的太陽輻射強度顯著大于楊樹林(p=0.012)，與沙拐棗林間差異不顯著，楊樹林與沙拐棗林間的太陽輻射差異性顯著(p=0.049)。

沙塵暴天氣過程太陽輻射呈現(xiàn)雙峰曲線，12:00—13:00,15:00—16:00兩個時段達到兩個最大值，14:00左右有一個輻射最低值。楊樹林的太陽輻射量顯著小于流沙地和沙拐棗林(p<0.01)，沙拐棗林與流沙地間的太陽輻射量差異不顯著(p=0.063)(表2)。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因是太陽輻射感應(yīng)器的高度安裝在距地表2.0 m處，高于沙拐棗林帶，因此沙拐棗林帶的輻射量約相當于流沙地，楊樹林的高度超過輻射測度儀的高度，加之樹體本身會反射吸收部分的光值，使得光照強度減弱。整體看來，流沙地的太陽輻射最強，楊樹林最弱，沙塵暴天氣的最大太陽輻射量和輻射總量均小于晴天天氣。

圖4 不同下墊面的輻射強度

3 討 論

林網(wǎng)的防風效益與單一林帶的防護效益有很大差異。馮瑞等[16]在風洞中研究了純喬木防護林和喬冠配置防護林的流場特征，結(jié)果表明，純喬木防護林帶在冠層后部，流線密度急速下降，近地表形成一個湍流區(qū)，流線雜亂無章，極不穩(wěn)定，易發(fā)生風蝕；喬冠混交配置的防護林在林帶上方和冠層后部均形成一個平穩(wěn)區(qū)，流線較為平坦，密度變化不大，表明喬冠混交的防護林可有效地抑制近地表的風速，減弱風蝕的程度。金文等[17]研究了有無搭配灌草喬木防護林的防風效益，結(jié)果表明搭配了灌草的林帶由于增大了地面的粗糙度，從而增大氣流流動阻力，因而其防風效能大于喬木林帶，且林帶后6H的沿流風速垂直分量也比無草的林帶流場有所降低，表明了風速對地表剪切能力的下降。周洪華等[3]研究了喬木、喬冠和喬灌草3種配置類型防護林的防風效益，結(jié)果表明喬灌草配置的防護林對地表起到有效的防護效果，喬木防護林則在樹冠分布高度上的防風效益明顯，在近地表的防護效益較差，防護林防護效益表現(xiàn)為喬灌草配置>喬灌配置>喬木配置，這為本文在研究區(qū)域防護林林網(wǎng)的配置提供了科學的理論依據(jù)。

防護林防風效益的動力學基礎(chǔ)是由于植被增加了下墊面的粗糙度，在一定程度上削弱了近地面層空氣湍流交換作用的強度。迎風面吹來的風，一部分穿過林間空隙在低層受到林冠、枝葉和樹干的摩擦作用,在林內(nèi)產(chǎn)生許多小旋渦消耗能量，達到降低風速的目的；另一部分被迫抬高在林冠上部分成兩股：一股繼續(xù)水平向前運動，另一股在林后形成垂直大旋渦，分流作用使得風能減小，達到降低風速的作用[18]。羅萬銀等[19]將柵欄影響前后的二次流分為6個區(qū)域，分別為外流區(qū)、溢流區(qū)、尾流區(qū)、內(nèi)邊界層、反向渦和小渦旋區(qū)，每個區(qū)域均有不同的氣流運動方式和速度梯度。反向渦和小渦旋區(qū)是障礙物前后重要的流場活動，反向渦導(dǎo)致障礙物后方的沉降堆積，小渦旋區(qū)則會導(dǎo)致障礙物根部的風蝕，這兩個區(qū)均會在疏透度大于0.3時消失。內(nèi)邊界層作為防護林后方近地面層的一個主要層次，其主要表現(xiàn)特征為風速降低，氣流運動能量較小，對地表的剪切力下降，從而抑制了柵欄后方的地表沙粒的啟動及潛在傳輸方式。當障礙物疏透度大于0.4時，其頂部上方會出現(xiàn)明顯的氣流加速區(qū)，繞過障礙物后氣流發(fā)生分離，形成強烈的尾流剪切層，此時垂直速度即擔負起上下層能量的傳遞及交換的任務(wù)。根據(jù)在垂直高度上的氣流的分區(qū)和運動方式，越往上層防護林的防風效能越小。本研究中沙拐棗林生長狀況好，枝條數(shù)多，呈緊密型灌木林，新疆楊帶間距較大，還沒有完全發(fā)育成材，林帶尚未郁閉，呈疏透性。氣流在到達緊密型的沙拐棗林時被急劇抬升，通過林帶氣流很小，風速較小。楊樹林為疏透型，氣流在水平方向上受到的阻力較小，因此林帶內(nèi)部的風速小于流沙地但大于沙拐棗林帶。因此喬木和灌木林帶配合的防風效能更好。本研究還發(fā)現(xiàn)越往高層，防護林的防風效能在減弱，一方面反映了疏透度的變化情況，另一方面由于風速在遇到植物后，空氣被抬升從上部越過，因此其上部的風速較大，防風效能減弱。隨著風速的增大，防護林的防風效能也會減弱，原因之一是風速的增強增大了林帶的疏透度，因而導(dǎo)致防風效能減弱。另一方面由于植物對風能的阻擋和削減有一定的限度，隨著風能的增強，其防風效能即會減弱。

當風速達到起沙風速后，沙粒開始移動，沙粒的運動方式主要分為蠕移、躍移和懸移3種。防護林帶減弱風速使得風的挾沙能力下降，沙粒在林前和林中大量沉積。防護林和阻沙柵欄的降沙原理類似，主要有3種原因： (1)障礙物設(shè)置后，改變了局部氣流場，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)近地表風速明顯降低，從而削弱了搬運風沙的能力； (2)障礙物本身對運動沙粒的攔截作用； (3)由于障礙物設(shè)置地形與柵欄互作產(chǎn)生風沙堆積[19]。金文等[17]研究表明搭配灌草防護林繞林流場渦量等級明顯低于未搭配灌草，在近地表層減弱等級更為明顯，因此搭配灌草的林帶模式對保護地表免受風蝕的效果好。羅萬銀等[19]研究表明氣流在防護林前風速抬升和加速，在越過林帶后速度迅速的下降，氣流在恢復(fù)過程中，通過垂直混合作用不斷地進行能量交換，垂直速度為負值時，加速了沙粒的沉積，內(nèi)邊界層、反向渦都會導(dǎo)致沙粒的沉降。防護林的固阻沙效益是由于防護林對風場的改變而引起沙粒的沉降和就地起沙量的減小，在本研究中具體表現(xiàn)為防護林網(wǎng)的輸沙量僅為流沙地輸沙量的15%。

防護林具有減小溫差、減弱林內(nèi)太陽輻射和增加濕度的作用。林內(nèi)的溫度、濕度和太陽輻射作用的關(guān)系明顯,氣溫與太陽輻射呈正相關(guān),即輻射越多溫度越高;濕度的大小與太陽輻射呈負相關(guān),相應(yīng)地濕度與氣溫也呈負相關(guān),并且林內(nèi)外溫濕度變化規(guī)律一致。輻射降低的情況下林內(nèi)外溫度降低、濕度增加,流沙地溫濕度變化要略微大于林內(nèi)。徐麗萍等[20]研究發(fā)現(xiàn)，喬木林的降溫作用大于灌木林大于草地，喬木混交林內(nèi)的空氣濕度大于灌木林大于草地大于曠野，表明溫度與濕度之間呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系。防護林的存在對溫度、濕度、太陽輻射的影響與樹木的成長年齡、郁閉度及林帶帶寬等有密切關(guān)系，林帶面積大，郁閉度較高的林帶對小氣候的影響更為顯著。本研究中的林帶栽植2 a，還處在生長發(fā)育期，楊樹林帶的疏透度較大，其對溫度、濕度、光照強度的影響會隨著樹木的生長而愈加顯著。

4 結(jié) 論

(1)防護林帶的防風效能。流動沙地上喬木林+灌木林的配置模式有著很好的防風效能，防護林可以降低流沙地喬木高度以下的有效風速，灌草的搭配有效防護了近地表層的風沙活動，具有很好的防風固沙效益。防護林防風效能的主要規(guī)律有：在垂直高度上，防護林的防風效能隨著植被灌層密度的減小而減小，在植被頂層，其防風效能最小；風速越大，風能越強，防護林對風能的削減率降低，防風效能變差。

(2)植被對輸沙量的影響。防護林林網(wǎng)配置起到了很好的阻沙作用，林網(wǎng)對風場的改變和風速的削弱導(dǎo)致沙粒的沉降和起沙量的減少，林網(wǎng)防護下的沙通量僅為流沙地的15%左右。

(3)防護林內(nèi)外日照強度、氣溫和濕度有顯著的差異。晴天氣溫度在7：00左右達到一天中的最低值，中午14:00溫度最高，流沙地的氣溫夜間要顯著高于楊樹林和沙拐棗林地；沙塵暴天氣有一樣的趨勢，但是晝夜溫差較小。空氣濕度在3:00—5:00達到最大，次日中午13:00—15:00濕度最低，防護林內(nèi)外濕度變化差異顯著，林內(nèi)濕度大于流沙地濕度。防護林可以減弱日照強度、降低溫度、增加空氣濕度，對區(qū)域小氣候起到顯著的改善作用。

在極端干旱的荒漠區(qū)，要擴大綠洲的面積，必須保證新開墾地免受風沙災(zāi)害的侵襲，本文通過對流沙地上防護林防護效益的研究，表明在流沙地種植喬灌草結(jié)合的防護林有著較好的降風減沙作用，并且防護林對于林內(nèi)的太陽輻射強度、溫濕度有著明顯的改良作用，為更加有效地利用荒漠土地提供了可靠的依據(jù)和保障。本文對流沙地的防護林防護效益的研究，具有環(huán)境特殊性，但由于林帶配置的體系結(jié)構(gòu)，本文未能對每一種防護林帶的防風減沙效益進行研究，有待在以后的試驗中進行深入研究。

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