農(nóng)田防護(hù)林防護(hù)效益研究綜述

吳鶴吟 張淑艷

摘要 農(nóng)田防護(hù)林有助于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對生態(tài)安全與人類生存環(huán)境質(zhì)量的提高具有重要意義。本文闡述了農(nóng)田防護(hù)林的定義和作用，綜述了防護(hù)林發(fā)展歷史，分析了防護(hù)林研究現(xiàn)狀，指出了存在的問題，并論述了其發(fā)展趨勢，以期為農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田防護(hù)林；作用；發(fā)展歷史；研究現(xiàn)狀；存在的問題；發(fā)展趨勢

中圖分類號 S727.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）19-0177-02

系統(tǒng)地營造農(nóng)田防護(hù)林是建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施，農(nóng)田防護(hù)林體系的完善化不僅在生態(tài)防護(hù)方面效果明顯，其本身的經(jīng)濟(jì)價(jià)值也非常廣泛，可為發(fā)展農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)生產(chǎn)以及開展多種經(jīng)營打下良好的基礎(chǔ)。

我國已投入了大量資金用于改善環(huán)境，其中歷史上最大規(guī)模的植樹造林計(jì)劃使我國人工林面積占世界人工林用面積的1/3[1-2]。這些造林項(xiàng)目大多是在我國北方干旱地區(qū)或半干旱地區(qū)實(shí)施，其在防治土地荒漠化的同時(shí)也減緩了沙塵對我國東南部地區(qū)帶來的環(huán)境威脅[3-4]。僅2000—2005年就營造了2.8×106 hm2森林[5]。預(yù)計(jì)到2050年，通過實(shí)施造林工程計(jì)劃將全國的森林覆蓋率提高到26%[2，6]。

1 農(nóng)田防護(hù)林的定義和作用

防護(hù)林包括人工林和天然林，是以發(fā)揮防護(hù)效應(yīng)為基本經(jīng)營目的的森林群落的總稱[7-9]。在生態(tài)學(xué)層面，防護(hù)林即利用森林具有的生態(tài)功能保護(hù)生態(tài)脆弱地區(qū)的建筑設(shè)施、土地資源、人居環(huán)境、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，避免或減少自然災(zāi)害的危害，或避免不利環(huán)境因素影響森林[7，10]。農(nóng)田防護(hù)林是防護(hù)林中的一個(gè)重要組成部分，是指配置在農(nóng)田周圍，以保護(hù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為目標(biāo)的特殊防護(hù)林種，同時(shí)其兼具降低風(fēng)速、控制土壤侵蝕、塑造農(nóng)田景觀、創(chuàng)建生物棲息環(huán)境等調(diào)節(jié)區(qū)域農(nóng)業(yè)環(huán)境的功能。農(nóng)田防護(hù)林是區(qū)域農(nóng)業(yè)環(huán)境的生態(tài)屏障，對維護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡具有重要意義[11-12]。

2 防護(hù)林發(fā)展歷史

農(nóng)田防護(hù)林的最早起源可考查至19世紀(jì)初，蘇格蘭人在平原地區(qū)為應(yīng)對土壤侵蝕和干旱、風(fēng)害等環(huán)境問題而進(jìn)行了最早的、自發(fā)的防護(hù)林營造活動(dòng)。有政府組織、有計(jì)劃、大規(guī)模的農(nóng)田防護(hù)林營造項(xiàng)目到20世紀(jì)30年代才開始出現(xiàn)，例如美國大平原各州防護(hù)林工程、日本治山治水防護(hù)林工程、蘇聯(lián)斯大林改造大自然計(jì)劃等[13]。

關(guān)于我國農(nóng)田防護(hù)林的發(fā)展歷程，有著不同的劃分觀點(diǎn)。其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為我國營造農(nóng)田防護(hù)歷史大致分為4個(gè)階段：第一階段為農(nóng)民自發(fā)營造自由林網(wǎng)階段，以防止風(fēng)沙為目的；第二階段為國家或集體規(guī)劃營造大規(guī)模農(nóng)田防護(hù)林階段，以全面改善農(nóng)田小氣候?yàn)橹饕康模坏谌A段為農(nóng)田防護(hù)林綜合體系階段，目的是改造舊有農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)山、水、田、林、路綜合治理；第四階段為提升防護(hù)林綜合功能階段，目的是生態(tài)修復(fù)，完善農(nóng)田防護(hù)林體系[13]。另外一部分學(xué)者認(rèn)為基本分為3個(gè)階段：第一階段始于20世紀(jì)50年代，由國家統(tǒng)一規(guī)劃，在我國東北、西部和黃河故道等風(fēng)沙嚴(yán)重地區(qū)營造長逾4 000 km的防風(fēng)固沙林，以寬林帶大網(wǎng)格為主要結(jié)構(gòu)，以防止風(fēng)沙的機(jī)械作用為目的；第二階段始于20世紀(jì)60年代初，把營造防護(hù)林作為農(nóng)田基本建設(shè)的內(nèi)容，其主要結(jié)構(gòu)為窄林帶、小網(wǎng)格，以改善農(nóng)田小氣候、防御自然災(zāi)害為目的；第三階段將農(nóng)田防護(hù)林作為農(nóng)田基本建設(shè)的重要內(nèi)容，以改造舊農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為目的，實(shí)現(xiàn)山、水、田、林、路綜合治理。

3 防護(hù)林研究現(xiàn)狀

農(nóng)田防護(hù)林體系是以防護(hù)林為主體、多林種相互結(jié)合，以防護(hù)效益為主要目的、多功能和多效益相結(jié)合的有機(jī)整體[14]。農(nóng)田防護(hù)林體系在提高生物生產(chǎn)力、改善生態(tài)環(huán)境和充分利用自然資源方面存在巨大的潛力。目前對農(nóng)田防護(hù)林的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

3.1 農(nóng)田防護(hù)林林帶結(jié)構(gòu)

防護(hù)林林帶結(jié)構(gòu)是指林分內(nèi)樹木的葉、枝、干的分布狀態(tài)和密集程度。農(nóng)田防護(hù)林林帶結(jié)構(gòu)的評價(jià)指標(biāo)有很多，包括林帶的高度、寬度和樹種組成及其搭配方式，甚至樹種的胸徑、樹高、截面形狀等。關(guān)于防護(hù)林林帶結(jié)構(gòu)的研究開展得較早，研究結(jié)果也較豐富。有研究表明，林帶結(jié)構(gòu)、氣候條件等生態(tài)因子與林帶防風(fēng)效應(yīng)顯著相關(guān)，并且詳細(xì)論述了典型林帶結(jié)構(gòu)的4種風(fēng)速降低曲線[15]。曹新孫等[16]在結(jié)合資料與實(shí)踐詳細(xì)闡述林帶結(jié)構(gòu)的定義與分類標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，分析了疏透程度和透風(fēng)系數(shù)等參數(shù)在分析林帶結(jié)構(gòu)過程中的運(yùn)算方法與應(yīng)用范圍。在農(nóng)田防護(hù)林樹種研究方面，新西蘭、前蘇聯(lián)學(xué)者都進(jìn)行了類似的防護(hù)林樹種選擇試驗(yàn)，我國學(xué)者也對此領(lǐng)域研究作了重要貢獻(xiàn)，通過長期實(shí)踐總結(jié)指出防護(hù)林的樹種選擇需兼顧樹木的生態(tài)學(xué)和生物學(xué)特征[16]。此外，農(nóng)田防護(hù)林的配置模式以及成熟齡、更新齡的相關(guān)研究也指出，樹種間的搭配、樹木的生長與存活率、抗逆性、穩(wěn)定性和自然更新能力都是防護(hù)林設(shè)計(jì)過程中的重要考慮因素[17]。

3.2 林帶防風(fēng)效益

農(nóng)田防護(hù)林是一種復(fù)合體，通過林帶增加地表粗糙度，減小風(fēng)速，對農(nóng)田產(chǎn)生直接的防風(fēng)效益，同時(shí)也間接在水、熱、土壤改良等方面具有防護(hù)效益，防風(fēng)效應(yīng)是其最基本的效益之一[18]。目前，該領(lǐng)域的研究比較成熟，已經(jīng)完成了研究內(nèi)容從觀測統(tǒng)計(jì)向機(jī)理和理論分析的轉(zhuǎn)變、研究對象從單條林帶向防護(hù)林網(wǎng)或防護(hù)林體系的轉(zhuǎn)變。農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)原理是通過對氣流進(jìn)行阻擋，使其一部分氣流不能通過林帶，而通過林帶內(nèi)部的氣流又會(huì)與林帶中的樹干、樹枝、樹葉發(fā)生摩擦，形成無規(guī)律的亂流，動(dòng)能被減小，在林帶背風(fēng)面風(fēng)速大大降低；另外，未能通過的那一部分氣流上升與林帶上方的氣流匯合，在上升和與上層氣流交匯的過程中，受摩擦阻力影響動(dòng)能又被進(jìn)一步減小，橫穿和上升這2個(gè)過程的共同作用使林帶背風(fēng)區(qū)域的風(fēng)力減弱[19]。防護(hù)林帶防風(fēng)效應(yīng)的影響因子眾多，普遍認(rèn)為林帶疏透度的影響最大[20]；但也有研究指出，林帶的寬度、走向和樹高[21]以及大氣的穩(wěn)定系數(shù)[22]、葉面積參數(shù)[23]、林帶斷面、木蓄積量[24]均有可能是直接影響防護(hù)林的防護(hù)效應(yīng)因素。同時(shí)，在很多方面還存有爭議，比如有學(xué)者認(rèn)為在一定條件下風(fēng)速會(huì)在防護(hù)林邊緣處明顯減弱，隨后在一定距離內(nèi)迅速恢復(fù)，如果透風(fēng)指數(shù)增大，林帶背風(fēng)面降低風(fēng)速的作用也隨之下降[25]；而也有研究得出，林帶背風(fēng)面的相對風(fēng)速不受曠野風(fēng)速的影響[16]。

3.3 農(nóng)田防護(hù)林熱力效應(yīng)

農(nóng)田防護(hù)林熱力效應(yīng)是指農(nóng)田防護(hù)林對太陽直接輻射、有效輻射、散射輻射、湍流熱量通量等熱量分量的影響，主要表現(xiàn)為防護(hù)林帶一定范圍內(nèi)的光照、氣溫、土溫等氣象因素發(fā)生變化。太陽輻射是防護(hù)林熱量的最主要來源，由于林冠的遮蔭作用，林帶邊緣附近的總輻射量小于曠野。而在影響林帶附近太陽輻射的同時(shí)，防護(hù)林還可以通過亂流交換的直接影響造成失熱和蒸發(fā)散熱，改變林網(wǎng)內(nèi)的熱狀況，使林網(wǎng)內(nèi)外熱量出現(xiàn)明顯差異；因地區(qū)氣候的差異，防護(hù)林在白天對氣溫的影響可能會(huì)有不同[26]。太陽輻射能的二次分配是農(nóng)田防護(hù)林調(diào)節(jié)林內(nèi)溫度的最主要途徑，受林網(wǎng)林帶遮蔭作用的影響，75%左右的面積達(dá)自然光照的 90%[27]。另外，影響防護(hù)林帶內(nèi)熱效應(yīng)的因素很多，各種研究還在不斷探討。國內(nèi)有研究表明，氣溫[28]、天氣[25]、地區(qū)氣候[19]等因素均能影響林帶內(nèi)氣溫變化。而在防護(hù)林對土壤溫度的影響方面，多數(shù)研究認(rèn)為，防護(hù)林帶對地表溫度影響顯著，對下層土壤溫度的影響隨著深度增加而減弱[29]。風(fēng)速、氣流擾動(dòng)、天氣現(xiàn)象及林帶的結(jié)構(gòu)配置等因素可通過影響水熱交換過程的方式改變林后農(nóng)田土壤溫度[30-31]。多數(shù)研究表明，林帶對地溫的影響存在明顯的時(shí)間差異[32-33]。

3.4 農(nóng)田防護(hù)林水文效應(yīng)

大量相關(guān)研究表明，防護(hù)林帶能夠?qū)α謳?nèi)及附近的植物蒸騰、土壤蒸發(fā)、土壤含水量、地下水位、大氣降水等均有影響[32]。因?yàn)轱L(fēng)速、亂流交換以及氣溫等因素與土壤蒸發(fā)密切相關(guān)，林帶內(nèi)部的蒸發(fā)量小于曠野，故可削弱網(wǎng)內(nèi)的土壤蒸發(fā)和作物蒸騰，改善土壤水分狀況。越是氣候干燥的地區(qū)，這種作用越明顯。從全林網(wǎng)來看，網(wǎng)內(nèi)蒸發(fā)量降幅平均為7.3%～51.0%[32]。大量研究表明，由于林帶降低了其附近的風(fēng)速和湍流交換程度，改變了空氣中水汽濃度的分布規(guī)律，引起水汽梯度的垂直變化，因而也影響土壤蒸發(fā)、水面蒸發(fā)和植物蒸騰[34]。

3.5 農(nóng)田防護(hù)林改良土壤效應(yīng)

防護(hù)林帶能夠通過林內(nèi)樹木遮蔭、蒸騰作用、根系活動(dòng)、凋落物分解等過程有效改善土壤的水熱條件、排水減鹽，達(dá)到改善林內(nèi)土壤的作用，因而農(nóng)田防護(hù)林對土壤的改良效應(yīng)也不能忽視。我國學(xué)者通過分析防護(hù)林帶的排水及耗水作用發(fā)現(xiàn)，林帶排水作用明顯，能有效減輕土壤的次生鹽漬化[35-37]，同時(shí)能提高農(nóng)田土壤養(yǎng)分[38-39]。在農(nóng)田防護(hù)林對作物產(chǎn)量的影響方面，在針對玉米[40-41]、大豆[42]、小麥[43]、蔬菜與牧草[44]等作物的研究中均證明了防護(hù)林對作物的增產(chǎn)作用。

4 存在的問題及研究趨勢

研究表明，目前農(nóng)田防護(hù)林領(lǐng)域在工程和理論研究方面均取得了很大的進(jìn)展，研究重點(diǎn)也從基礎(chǔ)研究逐步轉(zhuǎn)向深層次方面研究。然而，農(nóng)田防護(hù)林作為一種人為創(chuàng)造的森林生態(tài)系統(tǒng)，其建設(shè)研究歷史都還很短。防護(hù)農(nóng)田的這一基本功能也在很大程度上制約了農(nóng)田防護(hù)林的結(jié)構(gòu)及群落組成，造成農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展并不穩(wěn)定和完整[45]。在農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)過程中，因樹種選擇或經(jīng)營管理不當(dāng)造成衰退者屢見不鮮。對此，未來農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)應(yīng)該著力于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與景觀生態(tài)學(xué)相結(jié)合，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)效益，研究農(nóng)田防護(hù)林的規(guī)劃設(shè)計(jì)及營建技術(shù)；農(nóng)田防護(hù)林經(jīng)營應(yīng)該以農(nóng)田防護(hù)林衰退與恢復(fù)機(jī)制為核心，開展階段定向經(jīng)營研究。

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