阿拉爾墾區新疆楊農田防護林防風效果研究

趙亞沖,鄧嵐,王雄,董榮榮,周正立,3*

(1 塔里木大學生命科學與技術學院,新疆 阿拉爾 843300)(2 塔里木大學園藝與林學學院,新疆 阿拉爾 843300)(3 塔里木盆地生物資源保護利用兵團重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地,新疆 阿拉爾 843300)

荒漠綠洲過渡帶指荒漠生態系統和綠洲生態系統之間的生態接觸帶[1],由于分布在降雨稀少、蒸發強烈、風沙活動頻繁、生態環境脆弱的干旱半干旱地區,是較為敏感的地帶之一,易形成沙塵暴等極端天氣,不僅影響區域生態安全,而且對當地農業生產及發展也產生巨大威脅。農田防護林作為抵御農作物遭受自然災害的重要屏障,對保護農田生態環境穩定、防治風沙和改善田間小氣候具有重要作用[2]。同時,林帶的阻擋可使氣流發生紊亂和抬升,在林后形成一定的降風區域,從而達到防治風沙、保障綠洲生態安全的目的[3]。因此,研究防護林生態功能效益對生態環境穩定具有重要意義[4]。

新疆楊(PopulusalbaL.varpyramidalis)是南疆各綠洲最為常見的鄉土樹種之一,因具有耐鹽、耐寒、耐旱和適應性強等特點,在南疆農田防護林網的配置中占據很大比例[5],對構建農田生態系統屏障和改善農業生產安全具有重要意義[6]。目前,國內對綠洲農田防護林的研究多集中在疏透度[7]、樹種配置[8]、林帶高度[9]、林下植物多樣性[10]等方面,對防護林林帶結構因子與防風效能的關系研究較少。因此,為進一步掌握影響南疆新疆楊防護林防護效益的關鍵因子,本研究通過空間多點觀測分析新疆楊防護林不同防護高度及距離的防風效能,揭示影響新疆楊防護林發揮防護作用的主要因素,以期為新疆楊防護林的建設與維護提供理論依據。

1 研究區狀況

試驗區位于新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市(80°30′～81°58′ E,40°22′～40°57′ N),地處塔克拉瑪干沙漠北緣,平均海拔1 100 m,屬溫帶大陸性干旱荒漠氣候,具典型荒漠地貌特點,晝夜溫差大,土壤類型以沙土為主,風沙危害較為嚴重,主風向為東北風向,年平均風速1.9 m/s,最大風速28 m/s,8級以上大風10～30 d。農田防護林主要以新疆楊和胡楊(Populuseuphratica)純林為主,主要種植農作物為紅棗(Ziziphusjujube)、棉花(Malvaceaegossypium)等。天然植被資源較為匱乏,喬木以胡楊、灰楊(Populuspruinosa)為主,灌木以檉柳(Tamarixchinensis)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)、駱駝刺(Alhagicamelorum)、枸杞(Lyciumbarbarum)為主,草本主要有甘草(Glycyrrhizauralensis)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、花花柴(Kareliniacaspia)、羅布麻(Apocynumvenetum)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

在對試驗區農田防護林進行踏查的基礎上,選擇8條以新疆楊為造林樹種且具有代表性的林帶,參考關文彬等[11]調查方法,采用標準地法對所選防護林帶進行每木檢尺,調查植物株高、冠幅、胸徑、株行距、行數等指標。林帶基本概況見表1。

表1 防護林基本概況

2.2 疏透度計算

使用數碼相機沿主林帶中垂線方向合適位置拍攝正立面圖片,通過Photoshop 2021軟件處理后,采用加權平均法計算林帶疏透度[12],如下式所示:

β=(β1×h1+β2×h2)/H

(1)

式(1)中,β為疏透度,β1為林冠疏透度,β2為林干疏透度,h1為冠層高度,h2為枝干高度,H為林帶平均高度。

借鑒多位學者的研究方法[13-15],根據防護林的疏透度將防護林分為稀疏型、疏透型和通風型3種結構類型。林帶結構具體劃分標準為稀疏型結構疏透度為30%～50%,枝葉稀疏,樹冠層上下分布有均勻的空隙;疏透型結構疏透度為50%～60%,樹冠層稀疏,干層空隙較大;通風型結構疏透度為60%以上,林冠層緊密,林干層有大的通風孔。

2.3 相對風速與防風效能

選擇大風天氣,使用四合一風速儀同時測定林網不同位置的瞬時風向風速。其中垂直梯度上測定0.5 m、1.5 m、2.0 m 3個高度,水平梯度上測定背風面距離林緣0H、1H、3H、5H、7H 5個距離(H為林帶高度,此處代表測量點與林緣的垂直距離)。以空曠平坦的沙地為對照,每個測點重復測量16次,通過下式計算林帶的相對風速[16]與防風效能[17]:

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V=V1/V0

(2)

E=(V0-V1)/V0

(3)

式(2)、式(3)中,V為相對風速,E為防風效能,V1為林帶內風速,V0為裸地中相同高度的曠野風速。

2.4 防護林防護效益

采用隸屬函數法,通過極差歸一的標準化方式對防護林結構因子、防風效能指標進行無量綱化處理,按照式(4)計算各林帶在不同指標中的具體隸屬函數值(Xu);對于防護林防護效果的負向指標則使用反隸屬函數計算Xu,如式(5)所示。然后根據林帶各指標的變異系數在所有測定指標變異系數之和中的占比來確定各指標所占的權重系數[18]。根據各指標隸屬函數值與權重系數乘積之和計算各林帶的綜合隸屬函數D值。D值越大,防護林綜合防護效益越高。

(4)

(5)

式(4)、式(5)中,X為某指標在林帶中的具體值,Xmax與Xmin分別為該指標在不同林帶中的最大值與最小值。

2.5 數據處理與分析

采用Excel 2010軟件對數據進行整理、計算各指標綜合隸屬函數D值,采用SPSS 25.0軟件進行方差分析、相關性分析,采用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

3 結果與分析

3.1 防護林防風效應

表2 新疆楊防護林結構類型劃分

表3 新疆楊防護林帶相對風速分布

就同一林帶而言,不同防護距離防風效果存在差異,相對風速隨防護距離的增加逐漸升高,除林帶Ⅲ相對風速表現為5H>7H>3H>1H>0H外,其余各林帶防護距離相對風速都表現為7H>5H>3H>1H>0H,且均差異顯著;林帶Ⅲ在林后7H處相對風速有所下降,這可能與林帶周邊環境、風向的變化、農作物的影響等因素使氣流紊亂有關?？傮w而言,各林帶均能達到顯著降低風速的效果。

3.2 不同林帶結構類型對防風效能的影響

不同結構類型防護林帶的防風效能不同。由圖1分析可知,0.5 m與1.5 m高度處,3種類型防護林防風效能隨防護距離的增加均表現為逐漸降低的趨勢。其中0.5 m高度處,相同防護距離下的防風效能表現為稀疏型>疏透型>通風型,并且在0H、3H處,稀疏型防風效能顯著大于疏透型與通風型。而1.5 m高度處,稀疏型防護林防風效能在0H、1H處顯著高于疏透型,在1H、3H處顯著高于通風型;其他防護距離處防風效能則無顯著差異。2.0 m高度處,隨防護距離的增加,通風型防護林防風效能呈“降-升-降”的趨勢,稀疏型呈“先降后升”的趨勢,疏透型則表現出“逐漸下降”的趨勢;稀疏型防護林防風效能僅在1H、3H處顯著大于通風型,其他防護距離處3種類型防護林防風效能無顯著差異。

不同小寫字母表示不同結構類型防護林防風效能間差異顯著(P<0.05)。

3.3 不同防護林林后防風效能分析

對試驗區8條防護林帶防風效能進行分析,結果表明就同一防護林而言,不同的防護高度與距離,防風效能不同。由表4可知,在0.5 m高度處,隨防護距離的增加,各林帶防風效能變化趨勢一致,均呈“逐漸降低”的趨勢。其中林帶Ⅲ、Ⅴ(稀疏型)在0H、1H處防風效能最大并顯著大于其他林帶,林帶Ⅲ分別為85.73%、76.93%,林帶Ⅴ分別為85.60%、70.84%,林帶Ⅰ(通風型)在0H、1H處防風效能最小,分別為47.98%、44.34%。

表4 0.5 m高度處不同防護距離防風效能比較

由表5可知,1.5 m高度處,隨防護距離的增加,除林帶Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ防風效能分別呈“降-增-降”“降-增”“增-降”趨勢外,其余林帶均呈“逐漸降低”的趨勢,并且林帶Ⅴ林內0H和林后1H處防風效能最大,分別為75.25%和73.20%,而林帶Ⅰ在林內0H、林后1H處防風效能最小,分別為44.19%、39.84%。

表5 1.5 m高度處不同防護距離防風效能比較

如表6所示,在2.0 m高度處,隨防護距離增加,各林帶防風效能變化趨勢不同,其中林帶Ⅰ呈“降-升-降-升”趨勢,林帶Ⅱ呈“降-升-降”趨勢,林帶Ⅲ呈“降-升”趨勢,林帶Ⅳ呈“升-降”趨勢,林帶Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ呈“逐漸降低”的趨勢。

表6 2.0 m高度處不同防護距離防風效能比較

將0.5 m、1.5 m和2.0 m高度處的防風效能取平均值,得到各林帶整體的防風效能(表7)。整體來看,各林帶均在林內(0H)有最大的防風效能,隨防護距離的增大,防風效能逐漸降低。

表7 各防護林帶不同防護距離處防風效能比較

3.4 防護林防風效能與林帶結構因子相關性

由表8可知,防護林防風效能與各林帶結構因子間均存在一定的相關性關系。其中防風效能與樹高、胸徑、林帶行數、冠幅呈正相關,與防護林密度、疏透度呈負相關關系。說明新疆楊防護林樹高、胸徑、冠幅的增加能夠提高防風效能。

表8 防風效能與林帶結構因子相關性

3.5 隸屬函數對8種林帶排序結果

將防護林林帶結構因子、不同防護距離防風效能采用極差歸一的標準化方式無量綱化,并計算隸屬函數D值。以D值的大小代表新疆楊防護林的綜合防護效益,D值越大,防護林綜合防護效益越高。由表9可知,8條新疆楊防護林綜合防護效益隸屬函數值在0.097～0.770之間,表現為Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅶ>Ⅷ>Ⅱ>Ⅵ>Ⅰ。林帶Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ隸屬函數值在0.50以上,綜合防護效益較好;林帶Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ隸屬函數值分別為0.097、0.287和0.159,結合林帶Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ的林帶結構因子,分析可知3條林帶疏透度過大,會影響防護林的防護效果。

4 討論

防護林是以發揮樹林的各種防護效益為目的而營建的人工林[19],包括農田防護林、海岸防護林、公路防護林等,其作用是防止或減緩受保護區域為惡劣環境所影響。稀疏型防護林冠層分布更均勻,由于枝葉摩擦,阻擋氣流通過時更易在冠層間形成亂流,更多的風能轉化為樹干搖動的動能,風速顯著降低。通風型防護林可能因為冠層與林下干層空隙過大,對氣流起到的阻礙有限,風速降低效果相對較差。疏透型防護林相較于通風型,冠層更為緊密,氣流通過時在樹干層與冠層上方形成2條氣流通路,冠層上方形成高風速區,下方氣流較平穩地穿過干層,形成渦旋與高速區,防護距離增加[13]。

本研究結果表明,防護林防風效果受林帶結構類型的影響顯著,稀疏型、疏透型、通風型林帶防風效能依次減弱,與張延旭[20]研究結果一致。本研究中,防護林防風效能受林帶高度、疏透度、密度等多種因素影響,相關性分析表明,疏透度和胸徑與防風效能的相關性高于其他因子,譚芳林等[21]研究林帶防風效能得出林帶結構因子對基干林帶防風效能貢獻依次表現為胸徑>冠幅>樹高>林帶前地貌>密度>枝下高>林帶寬度,與本研究結果相似。隸屬函數分析也表明8條林帶中林帶Ⅲ、Ⅴ綜合防護效益最高,通過對比各林帶結構因子,林帶Ⅲ、Ⅴ疏透度分別為48.3%、44.2%,與王雄[22]對防風效能的研究結果相似,與段娜等[13]所研究的防護林防風效能較好的疏透度為40%～50%一致。林帶Ⅲ、Ⅴ的平均胸徑分別為21.89 cm、25.11 cm,均明顯高于其他林帶,結合相關性分析說明,胸徑是影響防護林發揮防護效果的重要因素,這與尤龍輝等[23]研究海岸林帶防護林結果相似,但與楊雨春等[16]認為防風效能與防護林胸徑呈負相關的研究結果不同,造成這種差異可能與防護林樹種組成、配置方式和林齡等綜合因素對防護效果存在影響有關。

5 結論

8條新疆楊防護林按疏透度劃分標準分為3種類型,其中林帶Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ為通風型,林帶Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ為稀疏型,林帶Ⅶ、Ⅷ為疏透型。防護林防風效能隨林帶高度、胸徑、行數、冠幅的增加而升高,隨疏透度、密度的增加而降低。防風效能在不同高度均表現為稀疏型>疏透型>通風型,并在總體上隨防護距離的增加逐漸下降。各林帶中林帶Ⅲ、Ⅴ防風效果最好,即新疆楊防護林的株行距為2.0 m×2.0 m或2.0 m×1.5 m,行數4～5行,密度為2 250～2 611株/hm2的稀疏型防護林能更好地發揮防護效果。

將本研究結論結合防護林基本概況可知,阿拉爾一些新疆楊防護林存在密度較大的問題,應加強修枝打叉以及合理疏伐等撫育工作以提高防風效益。