榆林沿黃土石山區防護林的防風及水文效應分析

王建新

摘要 為闡明防護林帶對防風、田間蒸發量、空氣與土壤濕度、水平降水等水分因子的影響，了解防護林對區域小氣候環境的改善作用，以陜西省榆林市沿黃土石山區農田防護林為研究對象，對其林帶內的水分特征進行了調查分析，結果表明：農田防護林能有效降低蒸發力，提高農田林網間的空氣濕度和土壤濕度，阻攔降水徑流，增加水平降水，改良田間土壤，提高作物單產。研究結果豐富了防護林有關水文特征的研究，同時也為榆林沿黃土石山區生態保護和高質量發展及森林恢復提供了借鑒。

關鍵詞榆林;沿黃土石山區;防護林;水文效應;分析

中圖分類號：S727.2文獻標識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.03.011

Analysis of Windbreak and Hydrological Effects of Shelter Forests along Loess and Rocky Mountain Areas in Yulin

Wang Jianxin

（Yulin Forestry Station， Yulin719000，Shaanxi）

AbstractIn order to clarify the influence of shelterbelt on windbreak， field evaporation， air and soil moisture， horizontal precipitation and other water factors， understand the effect of shelterbelts on the regional small environment， this study investigated the water characteristics of farmland shelterbelts along loess and? rocky mountain areas in Yulin of Shaanxi Province.The results showed that farmland shelterbelt could effectively reduce evaporation， increase air humidity and soil moisture， block rainfall runoff， increase precipitation， improve field soil and increase crop yield. The results of this study not only enrich the study on the hydrological characteristics of shelter forest， but also provide a reference for ecological protection， highquality development and forest restoration in loess and rocky areas.

Key wordsYulin; along loess and rocky mountain areas; shelterbelt; hydrological effects; analysis

防護林（Shelter forest）是為了保持水土、防風固沙、 涵養水源、 調節氣候、減少污染所經營的天然林和人工林。農田防護林是為保護農田，防御或減輕自然災害對農作物的危害，保障農業生產穩產增產而營造的人工林。營造農田防護林帶是人工改造小氣候極為有效的一種措施。據西部網報道，榆林市2022年的沿黃防護林高質量發展工程穩步推進，完成綠化1 733.33 hm ，為保障生產、改善環境和維持生態平衡發揮了重要作用[1]。因此，研究防護林農田林網內防風及水文特征，對指導農業生產、提高營造林意識、促進沿黃土石山區生態空間綜合治理具有十分重要的意義。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于陜西省榆林市吳堡縣寇家塬，屬暖溫帶半濕潤半干旱區，全年平均氣溫11.3 ℃，氣溫年較差和日變化率較大，無霜期170～190 d。年平均降水量486 mm，多集中在夏秋季，干旱頻繁，春旱嚴重。平均年日照時數2 738.0 h，6月日照時間最長，2月日照時間最短。作物生長季節，光照充分，熱量豐富，適宜發展農林牧副業。棗樹（Ziziphus jujuba）、柳樹（Salix?spp.）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、楊樹（Populus?spp.）、側柏（Platycladus orientalis）等是該區域的主要喬木樹種，荊條（Vitex negundo）、河蒴蕘花（Wikstroemia chamedaphne ）、酸棗樹（Ziziphus jujuba var.?spinosa）等為主要灌木樹種，花椒樹（Zanthoxylum bungeanum）、山楂（Crataegus pinnatifida）、核桃（Juglans regia）等經濟林樹種發展迅速，農作物主要有玉米（Zea mays）、谷子（Setaria italica）、馬鈴薯（Solanum tuberosum）等。

1.2樣地布設

在研究區內選取的農田防護林基本呈正方形，雙行結構，株行距2 m×4 m，主副林帶間距為200～240 m，網格約4.5 hm，主林帶栽植樹種為河北楊，副林帶栽灌木樹種花椒，屬二層稀疏結構林帶，透風系數0.3～0.5，疏透度0.4～0.5。

1.3測點布置

分別在林帶迎風面3倍主林帶高（3H）、林緣，背風面林緣、3倍（3 H）、7倍（7 H）、11倍（11 H）、15倍（15 H）、20倍（10 H）主林帶高布點，測定風速和干濕度。

1.4對照點的選取

在林網內取防護效能最低處為對照，即25倍林帶高（25 H）以后的位置。

1.5護田林帶小氣候效應的測定

1.5.1風的測定

用三杯風速儀測定風速。林帶影響下的風速變化是反映一定時間的平均值，而不是風的瞬時速度。且在風速的觀測中，由于存在因為風的陣性、儀器特性等原因引起的誤差，必須進行多次重復觀測。

1.5.2水熱狀況的測定

用1xt65041阿斯曼通風干濕表測量濕度，為讀數方便，1.0 m以上高度的干濕表垂直懸掛，1.0 m以下高度的干濕表水平懸掛，為防止溫度表的感應部分被太陽直射，每次觀測記取3次讀數，取其平均值。

1.5.3土壤濕度測定

采用土壤鉆取土烘干，分別取測點0～10，>10～20和>20～30 cm土層的深度的土樣，用以計算土壤含水量的變化，采樣在上午完成，隨采隨稱，稱質量后放入烘箱，烘箱溫度控制在100～105 ℃，經過48 h后再稱其質量。之后再放入烘箱，經3～4 h后再次稱其質量，2次之差不超過5%即可，計算土壤含水率，且每10 d采樣一次，求其平均值。

1.6數據處理

數據用Excel2010進行整理和分析。

2結果與分析

2.1林帶的防風效應

農防林帶作為一個龐大的生物群體，是害風前進的較大障礙物，當風吹向林帶時，氣流受到林帶的阻擋，一部分穿過樹木間的空隙，另一部分從林帶的上部翻過，由于樹干、樹葉的摩擦、碰撞作用，把氣流中較大的渦旋分割成無數大小不等且方向相反在小渦旋，改變了氣流原有的結構和方向，氣流的動能發生損失。監測顯示，在距背風面林緣一定距離內風速減弱且形成一個較大范圍的弱風區（表1）。

從表1可以看出，空曠地和林帶保護范圍內風速有明顯的差異，當風吹向迎風面3H范圍時開始逐漸減弱，在背風面3H處風速從空曠地的2.3 m·s降低到了1.5 m·@s，占空曠地的65.2%，在背風面7H處風速降低到了1.3 m·s，占空曠地的56.5%，以后在11H處又逐漸增加，直到20H處還未達到曠野風速，受林帶保護的區域比空曠地風速平均降低27.9%，但在3～7H范圍內，風速減弱最多，防風效能最佳（圖1）。這與左忠等[2]、賽克等[3]的研究認為在防護林的3～10H 處風力減小作用最明顯，防風效能可達16%～27%，防風效益變化幅度呈較規律的倒拋物線形狀的結果基本一致。

2.2林帶對蒸發蒸騰作用的影響

蒸發力可用量杯的方法來計算蒸發的水分，然后折合成為蒸發水層厚度。據調查，林帶對農田的蒸發力有降低作用，林帶對風速及氣流的渦動性質，氣溫、濕度的改變，將綜合反映在蒸發力的降低上。多次測定結果表明，在距林帶15～20H樹高范圍內平均可以減弱蒸發力20%左右。在生產上常以此作為確定林帶防護距離的最大限度。調查結果見表2。

由表2可以看出，疏透型結構的林帶對蒸發的降低變化范圍在10%～30%，經計算，此值相當于減少40～100 mm的蒸發量，節約灌溉用水約15%。因此，在林帶保護的農田上，蒸騰系數減小，促使有效蒸騰提高，使作物生長過程中不斷地和有效地利用土壤中的水分、養分制造更多的干物質，從而提高農作物的產量。劉亞萍研究認為受防護林保護的農田農作物產量有明顯提高[4]。根據對吳堡寇家塬農田試驗地內玉米和谷子產量的監測結果顯示：有防護林的農田玉米產量平均為13 500 kg·hm，對照產量平均為11 200 kg·hm，增產20.5%;有防護林的農田谷子產量平均為2 925 kg·hm，對照產量平均為2 400 kg·hm，增產21.9%。

2.3林帶對空氣濕度的影響

林帶對空氣濕度有一定的影響。由于在林帶防護范圈內風速和湍流交換的減弱，林帶間總的蒸發增加，使得被蒸發出來的水汽不易擴散，所以空氣相對濕度比曠野高。表3是對不同天氣條件下及干旱條件林網內空氣濕度變化的觀測結果，可以看出，在無風條件下，林網內空氣相對濕度比對照增加4%～8%，旱風天氣條件下則平均增加16%。

2.4林帶對土壤濕度的影響

在一般情況下，有林帶防護的田間土壤濕度比無林帶的土壤濕度大，土壤含水量高，這主要是由于風速降低，湍流交換削弱，使其土壤表面水分蒸發力減小的結果。表4是對林帶影響下0～25 cm土壤深度的田間含水量調查結果，表明林帶防護下的土壤平均含水量5月比曠野高36.5%，8月比曠野平均高26.2%，影響范圍距5倍樹高處最顯著，占曠野的150.5%。據王濤等研究發現，楊樹林帶保護下的土壤容重、持水量、孔隙度等物理性狀變化顯著，自然含水率介于19.44%～87.15%[5]。另外據韓同吉研究發現，有防護林的田間土壤容重均小于裸地對照，表明各個林分均起到一定的改良土壤結構作用，容重較小的土壤，意味著土壤的孔隙狀況較好，具有較高的持水和透水能力，其土壤水文功能越強[6]。

2.5林帶對水平降水和積雪分布的影響

無云平靜天氣的夜晚，林帶背風面由于土壤濕度和空氣濕度較大，風速較低，易于凝結成露，從而增加林帶防護區的水分。在距林帶背風面樹高2～6H處露水最大。觀測結果顯示，林帶內比曠野平均可增加21%的露水，露水量隨距林帶越遠而相應減少。同時林帶還具有捕捉霧、增加水平降水、保護農田上的積雪不會被強風吹走等功能。在多雪地區，強風常常將積雪吹至低洼地區，致使廣闊農田上失去積雪的覆蓋和融雪水的聚積，在無林帶保護的農田里，30%～50%甚至70%的積雪被強風吹走;而在有林帶保護的農田上就不會產生這種現象。表5是有防護林網的區域與曠野區的降水觀測值，可以看出，防護林帶區域全年增加水平降水顯著，全年差值達到71.9 mm，這對半干旱區的土石山區農業生產來說，意義重大。

3結論與建議

在榆林沿黃土石山區營造防護林特別是農田防護林，能有效降低風速，最小弱風區在主林帶背風面樹高3～7倍處，有效防護距離為樹高的20倍范圍，如果林帶樹高10～12 m，則林帶間距應在240 m范圍，農田網格面積應在5.76 hm左右。

在防護林帶的作用下，農田的蒸發力降低，蒸騰系數減小，有效蒸騰提高，農作物產量提高，比沒有防護林的農田增產約20%。

在防護林的影響下，土壤田間濕度明顯提高，土壤容重減少，土壤具有較高的持水和透水能力，土壤水文功能增強，同時林帶阻攔降水徑流，使更多的雨量滲入地下，而且增加了水平降水和冬季積雪，從而增加了土壤含水量。

基于榆林沿黃半干旱地區干燥缺水的立地條件，在樹種選擇上主林帶應優先選擇防風和水土保持效能較高的本地鄉土樹種，如楊樹、柳樹、刺槐等，副林帶可選擇花椒等經濟灌木樹種，從而兼顧林業產業的經濟收益。

參考文獻：

[1] 加快生態治理 厚植生態底色—“榆林綠”由淺向深挺進[EB/OL].（2022-01-07）[2022-03-10]http：cj.sina.com.cn/articles/view/1650414555/625f53db02001thf1

[2] 左忠，潘占兵，張安東，等.干旱風沙區農田防護林網空間風速與地表風蝕特征[J].農業工程學報，2018，34（2）：135-141

[3] 賽克，趙媛媛，包巖峰，等.干旱半干旱區落葉期農田防護林防風效果的風洞試驗研究[J].農業工程學報，2021，37（5）：162-163

[4] 劉亞萍.遼西北風沙區防風固沙林保田增產效益研究[J].防護林科技，2017（6）：5-6

[5] 王濤，蒙仲舉，黨曉宏，等.庫布齊沙漠人工防護林林下枯落物及土壤水文效應研究[J].生態學報，2021，30（4）：700-707

[6] 韓同吉.石質山地防護林水文效應及林分結構配置研究[D].北京：中國農業大學， 2005