武川縣二份子鄉退耕地防護林防護效益研究

阿斯布爾，秦富倉，楊 超，王嘉元，芳菲

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

1 引言

人工防護林具有改善和穩定生態環境，維持生態平衡以及防治水土流失和土地荒漠化的作用，從而對社會進步，人類生活以及經濟發展帶來正效益[1]。防護林是提供生產社會所需產品、公共福利以及具有服務生態系統的人工營造林，在半干旱、干旱地區營造防護林的主要是為了改善土壤性質，進行防風阻沙，繼而達到控制水土流失的效果[2]。在生態壞境脆弱且生態系統結構簡單的地區營造防護林，對該地區土壤質地的改良，控制水土流失，改善生態環境，優化環境條件等發揮重要的作用。防護林作為一種保護性森林，在經濟社會發展，生態環境改善乃至人類社會可持續發展中起著極為重要的作用[3～5]。

林地土壤是森林植被生長發育的最主要物質基礎，林地土壤為植被提供養分、水分以及一個相對穩定的溫度，讓植物可以承受溫度過高或過低帶來的影響，林地土壤對植物起到一定的保護作用。各種植物的根系在土壤中生長深入，使各種植物的地上部分能夠抵御外界惡劣的環境[6～9]。森林植被與森林土壤是相輔相成，相互作用的，土壤結構、特性、質地的改善會對森林植物產生直接的影響，同樣森林也會對土壤的物理、化學性質，比如土壤氮磷鉀含量，土壤容重，土壤酸堿度，土壤水容量和土壤孔隙度等產生影響[10]。

內蒙古呼和浩特市武川縣既存在旱作耕地的水土流失以及風蝕沙化，也有因不合理農墾、過度放牧、過度砍伐等人為影響引起的生態環境惡化的現象。這些問題同樣也是整個西部地區所面臨的一個問題，因此不實施退耕還林[11]，水土流失和土地沙化問題就不可能得到根本解決。武川縣因上述原因在一些地區實施了退耕還林政策，由于受北部低氣壓氣流的影響，風天較多，土壤風蝕沙化等環境問題較為嚴重[12～15]。為了響應國家退耕還林政策，武川縣在退耕還林區上營造了防護林[16]。因此本研究在前人研究的基礎上，選取武川縣退耕還林區防護林為研究對象，通過野外實地觀測，對武川縣退耕還林區上種植的不同類型防護林的土壤理化性質以及對風速的防控效果進行研究，分析探討武川縣退耕還林區防護林對該地區風速防控的效果和土壤改善效益，以期為武川縣的退耕還林區防護林的營造以及防止風蝕的推進提供參考依據。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究去概況

研究區位于呼和浩特市西北部的武川縣二份子鄉，地理坐標為東經110°31′～111°53′，北緯40°47′～41°23′，海拔高度1500～2200 m，年平均氣溫3.0 ℃，歷年平均降水為354.1 mm左右，研究區主要喬木植被油松(Pinustabulaeformis)、白樺(Betulaplatyphylla)、楊樹(Populusdavidiana)、云杉(PiceaasperataMast)、樟子松(Pinussylvestrisvar)等；主要灌木植被山杏(Armeniacasibirica)、黃刺玫(RosaxanthinaLindl.)、檸條(CaraganaKorshinskiiKom)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)等；主要草本植被蒙古蒿(A.mongolicaN.)、菊葉委陵菜(PotentillatanacetifoliaW.S.)、土莊繡線菊(SpiraeapubescensTurcz.)等。

2.2 研究方法

2.2.1 防護林帶的選取

選取立地條件基本相似、地勢開闊且與當地主害風垂直的5種類型防護林進行風速測定。試驗選取林帶基本信息如表1所示，因為本次研究林帶均為已建防護林，所以在選取林帶時，選取長勢正常、林帶較為完整并且形成一定郁閉度的防護林為研究對象，為了保證測量數據的準確性，選取林帶長度大于50 m的林帶(消除林帶內指標測定過程中的邊緣效應)，選取的5種防護林主要為，以檸條、沙棘、油松、樟子松以及檸條油松混交方式的防護林。

表1 林分基本信息

2.2.2 風速的測定

(1)風速流場的測定。在林帶中布設的位置分別為曠野處、林前1H處以及林帶間，帶間風杯布設于防護林前后兩帶中間位置，共觀測4帶防護林，布設6套風杯測風系統，風杯的觀測高度為0.2 m、0.5 m、1 m、2 m處4個位置。如圖1示意。

圖1 風杯布設示意

(2)防風效能的計算。

(1)

式(1)中VX，Z為距離林帶為X處高度為Z處的平均風速，V0，Z為曠野高度為Z處的平均風速，EX，Z為距離林帶為X處高度為Z處的防風效能。

2.2.3 土壤理化性質的測定

在5種不同防護林的林帶中隨機選擇3個樣點，對照點選在無防護林的草地上，在不破壞土壤層結構的情況下，用容積為100 cm3的環刀分別在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、分3層取土，每個組合重復3次。自上而下逐層取土裝進塑封袋，再用環刀以及鋁盒自下而上逐層采集土樣并稱重標記帶回實驗室進行下一步實驗，最后取完土樣后全部回填。在室內采用環刀法，測定土壤容重、毛管孔隙度、有機質等土壤理化指標。

3 結果與分析

3.1 不同類型人工防護林防風效益分析

3.1.1 風速流場

由5種不同類型人工防護林風速流場圖(圖2～4)可以看出，在不同對照風速條件下，不同類型人工林均對風速具有減弱作用，并且在林帶間形成風影區和加速區。從圖2(曠野風速5m/s)中可以看出，檸條和沙棘灌木林帶隨著林帶數量的增加，灌木林在第2帶后近地表0.2m處風速檸條、沙棘分別為：0.76 m/s、1.51 m/s，近地表風速得到了完全控制，其2 m處風速為3.89 m/s、4.54 m/s，風速仍然較高，風速流場線穩定抬升在第4帶后近地表風速流場線已經呈現出平行的趨勢，說明風速已經得到較好的防控，此時檸條、沙棘2 m處風速為3.43 m/s、3.76 m/s，其2 m處風速防控效果較差，整體防護主要集中在近地表，對2 m處防控效果不明顯，防控效果表現為檸條>沙棘；油松和樟子松喬木林帶間風速也得到了控制，但對近地表處風速防控效果不明顯，2帶后，近地表0.2 m處風速油松和樟子松分別為：1.76 m/s、2.04 m/s，對比灌木林，風速控制效果較差，但是，3帶后2 m處的風速油松、樟子松分別為：3.27 m/s、3.49 m/s，比灌木林4帶后的風速要低，說明喬木林的防護效果主要集中在1～2 m處，但其對0.2～0.5 m處的防控效果較差，并且喬木林帶間明顯形成了風速擾流的情況，與灌木林的風速流場存在顯著的差異；油松檸條混交林對于風速的防控效果與灌木林相似但其也保留了喬木林對于1～2 m處的風速防控效果，因此，其1～2 m處風速流場線隨著帶數的增加抬升比灌木林的更為明顯，并且3帶后已經可以穩定控制帶間風速。

圖2 不同防護林曠野風速5m/s風速流場

從圖3(曠野風速8m/s)中可以看出，檸條和沙棘灌木林帶隨著林帶數量的增加，灌木林在第2帶后近地表0.2 m處風速檸條、沙棘分別為：1.38 m/s、2.51 m/s，近地表風速得到了完全控制，其2 m處風速為6.57 m/s、7.29 m/s，風速仍然較高，風速流場線穩定抬升在第4帶后近地表風速流場線已經呈現出平行的趨勢，說明風速已經得到較好的防控，此時檸條、沙棘2 m處風速為5.28 m/s、5.38 m/s，其2 m處風速防控效果較差，整體防護主要集中在近地表，對2 m處防控效果不明顯，防控效果表現為檸條>沙棘；油松和樟子松喬木林帶間風速也得到了控制，但對近地表處風速防控效果不明顯，2帶后，近地表0.2 m處風速油松和樟子松分別為：3.76 m/s、3.87 m/s，對比灌木林，風速控制效果較差，但是，4帶后2 m處的風速油松、樟子松分別為：4.77 m/s、5.04 m/s，比灌木林4帶后的風速要低，說明喬木林的防護效果主要集中在1～2 m處，但其對0.2～0.5 m處的防控效果較差，并且喬木林帶間明顯形成了風速擾流的情況，與灌木林的風速流場存在顯著的差異；油松檸條混交林對于風速的防控效果與灌木林相似，但其也保留了喬木林對于1～2 m處的風速防控效果，因此，其1～2 m處風速流場線隨著帶數的增加抬升比灌木林的更為明顯，并且3帶后已經可以穩定控制帶間風速。

圖3 不同防護林曠野風速8 m/s風速流場

從圖4(曠野風速10 m/s)中可以看出，檸條和沙棘灌木林帶隨著林帶數量的增加，灌木林在第3帶后近地表0.2 m處風速檸條、沙棘分別為：1.51 m/s、2.25 m/s，近地表風速得到了完全控制，其2 m處風速為8.54 m/s、8.53 m/s，風速仍然較高，風速流場線穩定抬升在第4帶后近地表風速流場線呈現出平行的趨勢，說明風速已經得到較好的防控，此時檸條、沙棘2 m處風速為7.19 m/s、7.35 m/s，其2 m處風速防控效果較差，整體防護主要集中在近地表，對2 m處防控效果不明顯，防控效果表現為檸條>沙棘；油松和樟子松喬木林帶間風速也得到了控制，但對近地表處風速防控效果不明顯，4帶后，近地表0.2 m處風速油松和樟子松分別為：3.52 m/s、3.76 m/s，對比灌木林，風速控制效果較差，但是，4帶后2 m處的風速油松、樟子松分別為：6.53 m/s、6.81 m/s，比灌木林4帶后的風速要低，說明喬木林的防護效果主要集中在1～2 m處，但其對0.2～0.5 m處的防控效果較差，并且喬木林帶間明顯形成了風速擾流的情況，與灌木林的風速流場存在顯著的差異；油松檸條混交林對于風速的防控效果與灌木林相似，但其也保留了喬木林對于1～2 m處的風速防控效果，因此，其1～2 m處風速流場線隨著帶數的增加抬升比灌木林的更為明顯，并且4帶后已經可以穩定控制帶間風速。

圖4 不同防護林曠野風速10 m/s風速流場

3.1.2 防風效能

由5種不同類型人工防護林防風效能對比如圖5，可以看出，對近地表20 cm處不同位置的防風效能進行分析。灌木林帶與喬灌混交林帶隨著林帶數量的，其防風效能變化趨勢相似，隨著林帶數量的增加，防風效能逐漸增大，4帶后檸條、沙棘、油松檸條混交的防風效能分別為76.88%、70.71%、67.51%，4帶后防風效能均能達到60%以上，說明灌木林以及喬木灌木混交林對近地表20 cm處的防風效果較好。喬木林在近地表20 cm處的防風效能呈先減小后逐漸增大的趨勢，但其增速相對于灌木林以及喬灌混交林有所差異，喬木林在第1帶后的防風效能油松和樟子松分別為-4.6%、-8.65%，防風效能為負值，說明風速反而增加，從第2帶以后，防風效能開始逐漸增加，但是增加幅度較緩慢，第4帶后油松、樟子松的防風效能分別為26.90%、23.82%，表明喬木林對近地表20 cm出的風速防控效果較差。

圖5 不同防護林防風效能對比

對近地表50 cm處不同位置的防風效能進行分析。灌木林帶、喬木林帶以及喬灌混交林帶隨著林帶數量的，其防風效能變化趨勢相似，隨著林帶數量的增加，帶間的防風效能逐漸增大，4帶后檸條、沙棘、油松、樟子松、油松檸條混交的防風效能分別為84.92%、73.97%、69.21%、63.97%、74.06%，4帶后防風效能均能達到60%以上，說明灌木林、喬木林以及喬木灌木混交林對近地表50 cm處的防風效果均較好，但灌木林整體高于喬木林、喬灌混交林與灌木林相似

對近地表100 cm處不同位置的防風效能進行分析。灌木林帶、喬木林帶以及喬灌混交林帶隨著林帶數量的，其防風效能變化趨勢相似，隨著林帶數量的增加，林帶防風效能逐漸增大，4帶后檸條、沙棘、油松、樟子松、油松檸條混交的防風效能分別為58.22%、56.71%、72.85%、68.70%、71.30%，4帶后防風效能均能達到50%以上，說明灌木林、喬木林以及喬木灌木混交林對近地表100 cm處的防風效果均較好，但喬木林防風效能整體大于灌木林，喬灌混交林與喬木林相似。

對近地表200 cm處不同位置的防風效能進行分析。灌木林、喬木林帶與喬灌混交林帶隨著林帶數量的，其防風效能變化趨勢相似，隨著林帶數量的增加，防風效能逐漸增大，但喬木林與喬灌混交林的增加幅度遠大于灌木林，檸條、沙棘、油松、樟子松、油松檸條混交的防風效能分別為16.67%、15.25%、35.60%、32.64%、36.72%，喬木林與喬灌混交林在4帶后的防風效能遠大于灌木林，說明喬木林、喬灌混交林對近地表200 cm處的防風效果較好，而灌木林對近地表200 cm處的防風效果較差。

3.2 不同類型人工防護林土壤改良效益分析

不同類型人工防護林地土壤理化性質如表2，可以看出檸條林在0～20 cm、20～40 cm以及40～60 cm土層的土壤容重要均大于其他林分類型，由此可以推斷出就土壤容重而言檸條林地土壤的物理性質相比較與其他林分的土壤物理性質較差，對土壤松實度以及土壤結構的改善能力較低。油松林和油松、檸條混交林從總孔隙度以及0～20 cm、20～40 cm以及40～60 cm土層的土壤孔隙度基本都要大于其他林分類型，所以油松林和油松、檸條混交林相比較于其他林分類型對土壤改善以及土壤蓄水、持水能力更強，相反檸條從總孔隙度以及0～20 cm、20～40 cm以及40～60 cm土層的土壤孔隙度基本都要小于其他林分類型，所以相比之下檸條林以及沙棘林對土壤改善以及水土保持能力較差。土壤有機質含量依次順序為油松、檸條混交林>油松林>樟子松林>沙棘林>檸條林>草地，由此可以看出混交林相比與純林喬木林對土壤有機質含量以及土壤改善具有相對較好的作用。綜合分析，油松檸條混交林的對土壤結構與質地的改良效果均要優于起來類型的防護林。

表2 土壤理化性質指標

4 討論

(1)防護林的防風效益與其林分類型存在這較大的關系[17,18]，不同林分類型的防風效果以及特點間存在較大的差異，而引起這種差異的主要因素在于不同林分的形態差異，檸條沙棘屬于灌木林，其特點就是近地表沒有明顯的枝干之分，并且其林帶疏透度較低，因此，對于近地表0.2～0.5 m區間的防風效果較好，但由于其疏透度低且株高相對較小，不論在較低風速或者較高風速下，帶后的防護效果均十分明顯，通過本研究確定，灌木林帶3帶后基本可以穩定控制風速，控制近地表風速，但是由于其植株相對喬木較小，因此，其2 m處的風速防控效果一般。這與楊陽、張延旭[19,20]等的結果一致。油松、樟子松屬于喬木，其特點就是具有明顯的樹干，并且樹冠距離地面較高，疏透度較高，因此，造成其對近地表0.2～0.5 m區間的防風效果較差，并且以樹冠處為分界線，風會從樹冠上方以及樹干部位進行風速擾流尤其在風速較大的時候更加明顯，在一定程度上加劇了林帶下方的風蝕，但對1～2 m區間的防護效果較好，并且喬木具有較大的株高，其防護距離也相對較遠，但當風速較大時候，4帶后也不能穩定控制近地表風速，因此在風速較大地區，不建議單獨采用喬木進行防風，需要配合灌木林。喬灌混交林在防風效果上表現較好，由于混交林帶中既有灌木，也有喬木，其在防風效益上綜合集中了喬木與灌木的優點，綜合表現在其防護距離與防護效果上，這與段娜、李永平[21,22]等的結果一致。

(2)土壤物理性質與其林分類型具有一定的關系[23]。通過本研究證明，不同林分類型的林地土壤物理性質存在明顯的差異，引起這種差異的主要原因在于林分根系分布對土壤影響程度。油松、樟子松屬于喬木，其特點為根系分布較深，因根系相比灌木要深入土壤，對土壤的堅實程度影響較大，所以土壤容重要小于灌木，土壤孔隙度要大于灌木，故而喬木相較于灌木對土壤物理性質的改善更有利。喬灌混交林0～60 cm土壤容重普遍小于喬木林和灌木林，這是因為喬灌混交林既有喬木又有灌木，在0～60 cm土層深度的根系的分布較深且較廣，從而對土壤物理性質的影響要大于喬木和灌木。但通過土壤含水率的研究證明，喬木林與喬灌混交林對于水分的需求要明顯大于灌木林，所以喬木以及喬灌混交林常見于陰坡處。因此，建議在較為干旱或者土壤水分稀缺的地區栽植灌木林為主，從而起到防治水土流失，改善土壤的作用。林分對其林分土壤化學性質的影響是相互作用的，兩者之間有著緊密的聯系[24]，而且不同的林分類型在土壤化學性質上存在較大的差異，比如喬灌混交林和喬木林的土壤有機質含量要明顯高于灌木林，這是因為兩者土壤表層具有較多的枯落物，枯落物形成土壤的有機質，再被土壤微生物進行分解形成土壤的養分，比如土壤中的氮磷鉀。因此通過對土壤化學性質的研究證明，喬木林和喬灌混交林相較于灌木林對土壤養分的形成以及積累具有更積極的作用，所以采用喬木搭配灌木的方式更優于單獨樹種的土壤養分形成與積累。

4 結論

(1)防護林帶能夠顯著降低林帶內部的風速，但不同林分類型對風速的防控效果及特性存在差異性，由于不同林分類型防護林其形態結構的差異性，造成檸條林和沙棘林等灌木林防護區域主要集中在0.2～0.5 m處，油松林和樟子松林等喬木林對風速防控的距離較遠，防護區域主要集中在1～2 m處，油松檸條混交林在風速防控上表現最佳。而5種類型防護林中，油松檸條混交林對土壤的改良作用最明顯，油松林次之，檸條林最差。

(2)結合以上所有研究結果，發現檸條油松混交林在防風效果以及對土壤改良效益上均好于其他類型的防護林，所以本文得出結論為武川縣退耕還林區5種防護林類型中油松檸條混交林防護效益最優，因此建議在武川縣風蝕沙化嚴重的退耕還林區采用油松檸條混交配置的防護林,從而對防治風蝕和土壤改良起到較好的效果。