防護林降低沙塵暴風速及農作物損傷的調查分析

劉開琳，段曉峰，劉淑娟，李學敏，萬翔，劉虎俊

(甘肅省治沙研究所，甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，甘肅 蘭州 730070)

沙塵暴常常造成交通不便、人們生活困難和生命財產損失，例如1993年5月5日的特大沙塵暴造成多列客貨列車遲發、晚點和停運，有多人傷亡，據不完全統計，吹毀棚膜和地膜2.0萬～2.6萬hm，部分供電線路中斷，有些地方還引起火災。 河西走廊是我國沙塵暴多發區，沙塵暴是影響區域農業生產的主要災害。眾多研究者觀測研究了沙塵暴發生時期和空間分布、氣候特征、動力條件及物理量，也對其危害和防治方法進行了分析。研究認為，在3—5月的河西走廊東部的沙塵暴強度最大，年最大發生天數出現在民勤縣。河西走廊出現沙塵暴的典型環流形勢可以歸納為西北氣流型、西南氣流型和西風氣流型3類。沙塵暴區域隨著高層螺旋度負值區域中心的增大而增大。也有學者調查分析了沙塵暴的危害方式，提出了以增加植被為主要措施的沙塵暴防治方法。近年來河西走廊的沙塵暴表現為遞減趨勢。但是，每年還是發生影響區域生產和生活的較大沙塵暴。為了減輕沙塵暴的危害，對沙塵暴過程的致災因子的風險特點進行評述，提出了及時預報沙塵暴，通過保護植被，建立防護林帶減輕沙塵暴危害的方法。但是，目前對沙塵暴成因和預報方法的研究較多，而對區域承災載體及受災響應和模式的研究還是較少。本文以2021 年 5 月 12日晚至5月13日的民勤沙塵暴為背景，對本次沙塵暴經過防護林的風速變化和受災作物表現與受害程度進行調查分析，以期得到不同防護林減輕沙塵暴損害和農作物受害特點，為提高沙塵暴防治能力提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

調查區位于甘肅省民勤縣西沙窩的民勤治沙綜合試驗站(102°59′05″ E，38°34′25″ N)。該區域屬于溫帶大陸性荒漠氣候，年平均氣溫7.6 ℃，極端低溫-30.8 ℃，極端高溫40.0 ℃，無霜期175 d；年均降水量113.2 mm，年均蒸發量2 604.3 mm，平均相對濕度47.0%，年均日照時間2 799.4 h，≥10 ℃的活動積溫3 036.4 ℃；春季盛行西北風，年平均風沙日可達83 d，并多集中在2—5月，最大風速為23.0 m·s。調查樣地位于民勤綠洲內，農田外圍是半固定沙地，田緣、農田地埂、田間道和渠旁種植防護林，農田種植的作物有玉米、向日葵和小麥。

1.2 防護林特征

農田外圍為稀疏梭梭()林，田間的防護林樹種有沙棗()、楊樹()和棗樹()。防護林走向正好與主風向垂直。防護林網依田邊-渠-路設置，沙漠邊緣是沙棗林，田地中間為二白楊林，田間道路兩邊為棗樹林。防護林帶的間距分別為：沙棗林距楊樹林150 m，楊樹林和棗樹林之間的距離240 m，防護林均為單行。沙棗的冠幅上部小，中下部較寬，呈甕狀，通體疏透度相近，防護林的行內無間斷。楊樹上部葉較密，中下部則葉較疏，呈啞鈴狀，上、下疏透度差異較大，防護林的行內有間斷。棗樹正在放葉，呈桶狀，上、下疏透度差異不大，防護林的行內無間斷。防護林結構和林相的參數如表1所示，以均勻度和連續性表示林相整齊程度，均勻度為林帶垂直方向枝葉連續的比例，連續度則為水平方向間斷長度占整個林帶長度的百分比。防護林各參數之間有交互作用，均勻度和連續度說明防護林林相，其值越大表示越好，疏透度則相反。因此，將均勻度和連續度取值為正，疏透度取值為負，求三者之和計算綜合指數，比較防護林特征，綜合指數為：沙棗林>棗樹林>楊樹林(表1)。

表1 3種防護林特征參數

1.3 調查和分析方法

1.3.1 調查方法 在2021年5月12日下午，民勤縣出現了沙塵暴，次日上午風停。在13日下午，對“甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站”東南部的農作物受沙塵暴損害情況進行了調查。調查沿著防護林垂直方向進行，分別在沙棗林、楊樹林和棗樹林后不同距離調查作物受害數量、受害部位、受害表現。同時，測量和記錄防護林高度、寬度、冠幅和空隙。在調查過程，發現15～20 cm高度的地埂后一定距離的作物未受沙塵暴傷害，因此也對地埂后作物進行觀測，以無防護林的作物受害情況作為對照。沙塵暴風速數據來自“甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站”設立的沙塵暴觀測系統。沙塵暴觀測系統包括3個觀測塔：在沙漠(3號)、沙漠與綠洲過渡帶梭梭林(2號)和綠洲防護林(1號)各有50 m高的沙塵暴觀測塔1座，塔上25 m以下每1 m裝有風速記錄儀和沙塵收集儀。

1.3.2 分析方法 為了說明作物受風沙危害的情況，采用①受害比例(D)：受傷植株數占調查植株數的比例；②受害程度(C)：調查植株受傷葉長度占葉總長度比例；③受害起始距離：從防護林后緣至作物枝葉表現出傷害的距離；④最大受害距離：從防護林后緣至作物枝葉受傷害結束的距離；⑤受害指數()：受傷級別與數量乘積之和占最高受傷級別與總數量乘積的比例；⑥最大受傷部位：風沙傷害作物部位；⑦受傷表現：作物受傷的顏色、折斷和褶皺等變化。根據調查受傷作物株數、表現等，應用Excel軟件計算傷害指數。為了比較作物受傷程度，根據作物葉受傷比例分為4級：小于30%計為1級，31%～49%為2級，50%～69%為3級，>70%為4級。主要作物傷害指數計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：為受害比例，為受傷植株數，為調查植株總數；為受害程度，為植株受傷葉長度，為調查葉總長度；為受害指數，為受傷等級植株數量，為受傷等級，為調查植株的總數，為受傷最高等級。

2 結果與分析

2.1 沙塵暴風速特征

沙塵暴出現在2021年5月12日傍晚，次日上午風停。此次沙塵暴的風向為西北風，正好與“甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站”設立的沙塵暴觀測系統的3個塔的走向一致。根據3個沙塵暴觀測塔的風速記錄，最大風速為21.50 m·s(3號觀測塔10 m高處)，最小值為6.40 m·s(1號觀測塔3 m高處)。綠洲內平均風速9.31 m·s，梭梭林平均風速13.53 m·s，沙漠的平均風速則達到17.42 m·s。綠洲內1 m高度的平均風速為7.10 m·s，大于當地起沙風速5.00 m·s。綠洲內部(1號塔)的風速變率最大(變異系數23.61%)，其次是梭梭林的風速變率(變異系數18.64%)，沙漠的風速隨高度變化率最小(變異系數17.72%)。無論是沙漠內還是防護林內，風速隨著高度增大而增加，呈波狀變化，不同下墊面的風速波動節點不同(圖1)。

圖1 不同下墊面的沙塵暴風速隨高度變化值

在防護林帶內，3 m高處的沙塵暴風速降低(2號塔和1號塔)，這可能與防護林的影響有關。沙塵暴向綠洲逐漸減弱，主要表現在: 從沙漠(3號)到綠洲(1號)風速最大降低率達 61.21%(3 m)，平均降低風速46.28%；從梭梭林至綠洲的風速最大降低率46.24%(9 m)，3 m高度的風速降低率則是37.25%。在高度5 m以下，梭梭林(2號)到綠洲(1號)內風速遞減率最小，為26.04%，平均降低風速35.56%。

2.2 防護林類型與作物受害關系

調查區的大面積作物是玉米和向日葵，在楊樹防護林后面有666.67 m小麥。玉米種植面積最大，故以玉米受沙塵暴危害為例分析不同防護林的保護作用。受害比例是楊樹防護林間隙最大，其次是楊樹防護林后的，再次是棗樹林后的，沙棗林后玉米受傷比例最小(表2)。楊樹防護林后受傷玉米植株達到90%以上，這個數值比無防護林的還要大，是沙棗林后受傷玉米植株比例的2.5倍，差異顯著(<0.05)。棗樹防護林后的玉米平均60%植株受損，與楊樹林的差異不顯著(>0.05)。

表2 不同防護林類型下的玉米受害特征參數

除了楊樹防護林間隙的受害程度(超過90%)外，其他防護林和地埂之后的玉米植株受害程度差異不顯著(>0.05)。沙棗林后玉米植株受害程度小于楊樹林后的21.53個百分點、棗樹林后的22.41個百分點。無防護林與沙棗林、楊樹林、棗樹林和地埂后的玉米植株受害程度相差16.67、-4.86、-5.74和2.35個百分點。有防護林帶和無防護林帶的沙塵暴傷害作物程度相似。

隨著距防護林帶距離增加，玉米植株受害比例也增加，沙棗林后玉米受傷植株比例變化相對棗樹后的要大(圖2)。從樹高1倍(1 H)后至10倍(10 H)后，沙棗林后玉米植株受傷率相差100%，棗樹林后的只增加了42.92%。在樹高5倍(5 H)的距離范圍，沙棗林后玉米植株受害比例小于棗樹林的，10倍(10 H)樹高距離后的玉米受害植株比例則相反。從沙棗防護林后沒有受傷植株至3倍(3 H)防護林高增加了36.36%，相同樹高距離后的棗樹防護林的玉米傷株比例與沙棗林后相差14.05個百分點。到了樹高5倍(5 H)距離后，沙棗林后玉米受傷植株比棗樹林后的小15.56個百分點。如果以作物傷害率小于60%為參照，沙棗林和棗樹林后的防護距離約3倍(3 H)樹高，即沙棗林林后9 m和棗樹林后的6 m。沙棗林后玉米植株受害起始距離是其樹高的3.3倍，楊樹林后玉米植株受害起始距離是其樹高的1/2(1/2 H)，棗樹林后玉米植株受害起始距離是其樹高的1倍多，地埂后玉米植株受害起始距離是其高度的5倍，防護距離是最大的(5 H)。最大受害距離是防護物高度的2.5～10倍。防護距離與其高度不成比例，這可能與不同防護物的疏透度不同，從而影響其防護距離有關。

圖2 依林帶距離(以樹高倍數表示)的玉米植株受害比例變化

如果綜合評價防護效果，受害比例和受害程度值越小，說明這種防護物的防護效果越強，取值為負；而受害起始距離和最大受害距離越大，則說明此類防護物的防護效果越強，取值為正。求4項指標之和為受害綜合指數。綜合上述參數進行評價，防護效能則是沙棗林>地埂>棗樹林>無防護林>楊樹林>楊樹防護林間隙。

2.3 農作物受害比較

調查區的作物有玉米、向日葵和小麥，玉米高度10～15 cm，有5～6對葉。向日葵高5～8 cm，真葉剛剛露出來，子葉嫩綠，莖白嫩。小麥為孕穗前期，高約50 cm，生長茂盛，位于疏透度最大的楊樹林后面。 這次沙塵暴受害最嚴重的是玉米，其次是向日葵，小麥幾乎沒有受害(表3)。玉米的受害指數是向日葵的1.61倍，是小麥的2.64倍；向日葵的受害指數是小麥的1.63倍。玉米受害葉多位于一側，多是中下部葉受傷。但是，向日葵整株完全受傷的比例是玉米的4.50倍，而且向日葵不同受傷級別的都有，向日葵苗莖有被扭擰傷痕跡，有些子葉全部發黑。玉米和向日葵受傷葉比例較大，沒有將作物完整致死，但可能會不同程度地影響了作物生長。

表3 不同作物受沙塵暴傷害的特征參數

3 結論與討論

防護林可遮擋阻降沙塵暴，使其風速從沙漠到綠洲內部明顯降低。沙塵暴風速隨著高度的增加而增大，綠洲內的風速垂直變率較大，這與以往的觀測結果相同。但是，此次沙塵暴的風速從沙漠到綠洲的降低率平均為46.28%，大于以往觀測的降低率(30.45%)，最大風速降低高度在3 m，也小于以往的觀測值(5 m)。這可能與觀測期的下墊面不同有關，也與觀測值的計算有關。營造防風固沙林和農田防護林是防治沙塵暴危害的有效措施。本次沙塵暴時期沙棗、楊樹和梭梭等都已完全展葉，更有效地降低了沙塵暴的風速。

疏透度較小且均勻整齊的防護林保護作物免受沙塵暴傷害的效果較大，防護林存在間隙會增大沙塵暴的危害。防護林設計首先應該考慮疏透度, 其次是林帶高度。因此，如果考慮疏透度，防護效果楊樹林>沙棗林>棗樹林，玉米受害比例的次序是楊樹林>棗樹林>沙棗林。楊樹防護林后玉米受害比例與棗樹林、地埂和沙棗林的差異顯著(<0.05)，棗樹林、地埂和沙棗林的差異不顯著。地埂后的玉米受害比例大于沙棗林的，地埂可以認為疏透度為0，也就是說并不是防護林的疏透度越小，防護沙塵暴效果越大。但是也說明種植模式是可以減少大風對作物傷害的，這與常兆風等的觀測結果相似。防護林疏透度為25%～30%的防護效果較大。除了楊樹防護林間隙的受害程度(超過90%)外，其他防護林和地埂之后的玉米植株受害程度差異不顯著(>0.05)，作物受風傷害的程度差別不大。這與新疆的農田防護林和民勤的防風固沙林觀測研究結果相似。沙棗林防護距離為樹高的3.3倍，棗樹林為1倍，地埂是其高度的5倍，楊樹則只有樹高的1/2。這個距離都小于多數研究的結果。防護林帶消減沙塵暴風速的比例不僅與林相有關，也與風速大小有關。

沙塵暴傷害農作物的直觀表現為機械損傷，不同作物受害模式與程度各異。雖然經過防護林阻滯，沙塵暴的風速減弱，但是大風還是對作物造成了不同程度的傷害。這次沙塵暴受害最嚴重的是玉米，其次是向日葵，小麥幾乎沒有受害。玉米受害葉多位于一側，多是中下部葉受傷。

玉米的受害指數是向日葵的1.61倍，是小麥的2.64倍；向日葵的受害指數是小麥的1.63倍。但是，向日葵整株完全受傷的比例是玉米的4.50倍。這與1993年特大沙塵暴玉米受害程度大于小麥相一致。大風會對農作物造成機械和生理傷害，在風速3.5 m·s時高羊毛()表皮開裂。植物形態結構不同對抵御風蝕傷害的表現不同，玉米和向日葵是幼苗期，玉米葉比小麥葉扁平，相對較嫩，向日葵則真葉剛發出，子葉幼嫩，容易受到傷害。本調查只進行了野外觀測，以玉米、小麥和向日葵葉的機械損傷為標準比較沙塵暴傷害農作物模式，大風對它們生理特性的影響沒有觀測和研究，是本次觀測的不足。