河北壩上農田防護林帶結構配置

邱夢如++彭帥++郭中領++王仁德++鄒學勇++胡國云++常春平

摘要：以河北壩上康保地區農田防護林帶為對象，通過野外調查和試驗觀測，對農田防護林帶的空間配置方式、樹種選擇搭配、林帶寬度及株行距等進行對比，并對現有農田防護林帶的防風效應進行探討，以尋找合適的農田防護林帶配置模式。結果表明，品字形配置方式優于矩形配置方式；喬灌混交配置方式能夠兼顧防風效能、防護距離，是研究區農田防護林帶樹種配置的首選；窄林帶的林帶結構和防護效益優于寬林帶；疏透型林帶寬度一般不超過10 m，通風型林帶寬度應控制在10～15 m范圍內；小青楊在研究區適用的株行距為2.5 m×3.0 m或3.0 m×4.0 m。因此，康保地區的農田防護林應多種植喬灌混交林，以品字形配置為主，林帶帶寬選擇窄林帶更佳。

關鍵詞：河北壩上；農田防護林；林網結構；防風效能；康保縣；配置

中圖分類號： S727.24文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0145-04

土壤風蝕是風對地表土壤的侵蝕、搬運和堆積的過程，也是風與地表顆粒相互作用的過程。土壤風蝕破壞地表，造成地表細顆粒物質和土壤養分損失，導致土地沙漠化或貧瘠化[1-2]，土壤風蝕在干旱、半干旱區域尤為嚴重。農田防護林作為生態建設的重要措施，是農田生態系統的重要屏障[3-5]，具有明顯降低風速、增加土壤濕度、防治土壤風蝕的作用，是農田土壤風蝕防治的最主要措施之一[6-8]。防護林帶的防護效益與林帶疏透度、透風系數、配置方式、行數、株行距等林帶結構因子有關[9]，防護林帶建設應遵循“宜林則林、宜灌則灌、林灌結合”的原則[10-12]。

河北壩上地區農田防護林多建于20世紀60年代的“三北防護林”工程及2000年后的京津風沙源治理工程，以河北省康保縣為例，1950年林地面積為69 hm2，2010年猛增至 75 944.92 hm2[13]。河北壩上地區主要的土地利用方式是旱作農田，且以傳統、非保護性耕作方式為主[14-15]，林草地與農田之間缺乏整體性規劃。在農田防護林建設過程中，單純重視防護林數量和規模，林帶配置不合理，樹種選擇重視喬木、輕視灌木，樹種單一，多以楊樹為主[16]，加之營造時間較長和管理手段粗放，大部分的防護林帶均處于衰退期或已經死亡，無法滿足保護農田的需求，土壤風蝕與土質沙化現象十分嚴重，是京津特大城市主要沙塵源之一[17]。本試驗以河北壩上康保縣農田防護林為對象，通過野外調查和試驗觀測，選擇區域內典型的農田防護林帶為目標，對其結構配置特征展開研究，為該區域農田防護林體系的建設提供理論參考。

1材料與方法

1.1研究區概況

康保縣地處河北省西北部壩上地區，位于內蒙古高原東南邊緣（114°12′～114°56′E、41°25′～42°09′N），具有明顯的大陸性氣候特征；全年多受蒙古高壓控制，干旱少雨，年均降水量306.3～409.6 mm，是河北省降水量相對最少的縣（市、區）之一；年均氣溫1.2 ℃左右，是河北省熱量條件最差的縣域之一；夏季涼爽而短促，無霜期為92 d左右，極端最高氣溫為 33.6 ℃；冬季嚴寒漫長，極端最低氣溫可達-36.4 ℃；6級以上大風日數年均為60 d左右，冬春季節常有雪暴、沙塵暴出現。全縣森林覆蓋率達21%，以楊樹、榆樹為主。現有農田防護林絕大部分為20世紀60年代末70年代初所營造的，以喬木為主，樹種主要是楊樹，北部、西北部分布有榆樹防護林，已達到過熟期。

1.2林帶樣地選擇

2014年4月18—26日，對康保縣多個區域進行林帶調查。調查林帶具有地形平坦開闊、林帶前后均有大片農田、地塊長度≥20×防護林樹高（H）、耕作方式相對一致等特征，具體參數詳見表1。

1.3疏透度的測定與計算

疏透度是指林帶、林緣垂面上透光孔隙投影面積與垂面總投影面積之比[18]。對每個調查林帶拍攝照片，采用數字圖像處理，對冠層與干層分開計算，并采用加權平均法計算出林帶的疏透度[19]。計算公式為：

β=（β1H1+β2H2）/H。

式中：β為疏透度；β1為林冠疏透度，為林冠填充像素點數/林

冠所在方框內的總像素點數；β2為林干疏透度，為林干填充像素點數/林干所在方框內的總像素點數；H為林帶均高，H1為林冠均高，H2為林干均高。

1.4林帶防風效能觀測

選擇垂直于主風向的東北-西南走向林帶，使用便攜式近地層風速廓線儀觀測防風效能，最大觀測高度為4 m，配有9個風杯，測量風速范圍為0.3～30 m/s。觀測距離以防護林樹高H為單位，在防護林帶后H、3H、5H、7H、10H、15H、20H及林前對照點處共設置8個觀測點，每個點觀測15 min，獲得林帶前后8個點的風速數據；用Oringinlab 9.0軟件對數據進行分析，制作防風效能圖，同時以付亞星等的觀測數據[20]作為補充。

2結果與分析

2.1林帶樹木配置方式

林帶內樹木一般采取矩形、品字形和隨機3種布置形式[21]，而林帶疏透度是林帶結構合理性的主要量化指標[22]。調查結果表明，研究區內農田防護林帶的林木多以矩形、品字形布置為主；品字形配置的林帶能充分利用樹木個體空間，在樹木個體數相同的情況下可獲得更小的疏透度，在同樣的線性密度條件下，品字形配置的林帶比矩形配置的林帶獲得的疏透度平均小約0.9%（表2）；矩形方式配置的林帶，樹木須減少株行距或增加栽植量以獲得較小的疏透度，從而容易導致林帶內部樹木生長空間縮小，影響樹冠形狀及枝干發育；研究區內冬季相農田防護林帶多為通風結構，平均疏透度為 0.57，說明康保縣的防護林帶在無葉期透風系數遠高于 0.3～0.5的理想值。

2.2林帶樹種搭配

研究區農田防護林有純楊樹或榆樹喬木林、楊樹榆樹混交林、楊樹或榆樹與灌木混交林、灌木林共4種類型，且以純楊樹或榆樹喬木林為主，而純林帶由于樹種單一，林分結構簡單，枯死率高，易形成通風結構。調查結果表明，純林帶中，楊樹、榆樹樹種的邊行平均胸徑分別比內行大20.1%、33.5%，呈現出明顯的“邊行效應”（表3）；“楊-榆-榆-楊”行間混交林帶由于邊行效應，林帶邊緣喬木發育較好，與內行樹高、胸徑的發育相比有較大差距，縱斷面上呈“凹”形結構，防護效果相對較差；榆樹與灌木混交林株間距相對較小，而與灌木生長良好發育、保存率為71.8%相比，榆樹（喬木）保存率相對較低，為62.3%（表4），形成的林分結構下層較緊密，填補了喬木枝下透風空隙，使林帶透風空隙較為均勻；康保縣灌木林樹種以枸杞、檸條為主，發育良好，保存率和覆蓋度均較高，形成的林帶高度較低，透風空隙均勻，防護效果相對好，但防護距離短。由圖1可見，榆檸混交林弱風區在H～7H處，H～20H范圍內平均防風效能為28.60%；枸杞灌木林弱風區在3H～7H處，平均防風效能為22.32%；喬木林帶（楊樹純林帶、楊榆混交林、榆楊混交林）的防護范圍相對較廣，弱風區在H～10H處，平均防風效能為18.87%，楊榆混交林、榆楊混交林平均防風效能分別為16.55%、21.96%；林后防風效能由高到低為榆檸混交林>枸杞灌木林帶>楊榆混交林、榆楊混交林>楊樹純林帶，但純楊樹、混交喬木林帶防風距離相對更遠。因此，灌木樹種區域適應性較強，防風效能較高，但防護距離相對較小，不適合作為以大田塊布局的壩上地區農田防護林建設樹種；喬木防護林帶盡管防護距離大，有利于穩定防護林結構，但由于其需水量大、存活率低，成林結構較差，防護效能較低，不適合單獨作為農田防護林選擇樹種；而喬灌混交防護林可以有效提升防護林防風效能，且防護林結構相對穩定，可成為研究區農田防護林配置的主體。

2.3林寬的確定

實地調查發現，研究區防護林帶的寬度一般不大于

25 m，行數多為12行以內。通過對8、10、15、20 m共4個林帶寬度等級的疏透型、通風型林帶防風效應[23]進行觀測發現，疏透型林帶（林帶編號分別為26、14、19、7）的疏透度β≈0.55，通風型林帶（林帶編號分別為21、13、20、9）的疏透度 β≈0.65；同一林帶型4個林帶寬度等級的防風效能差異性較小，疏透型林帶中8、10 m寬度的林帶、通風型林帶中10、15 m 寬度的林帶防風效能相對較好（圖2）。因此，建議康保縣在建設防護林帶時，疏透型林帶造林寬度控制在10 m以內，通風型林帶造林寬度應在10～15 m范圍內。

2.4株行距的確定

以壩上地區廣泛存在、14個樹齡在20～22年之間的青

楊防護林帶為代表，分析其株行距乘數與林木平均胸徑的關系時發現，隨株行距乘數的增大，青楊樹的胸徑呈上漲趨勢，但在株行距乘數達到12.00時胸徑上漲趨緩。經擬合，得回歸方程為：y=15.906+1.506x-0.470x2，決定系數r2為 0.952（圖3）。式中：y為林帶樹木平均胸徑；x為株行距乘數。由此可見，株行距對樹木形體尺度的發育有直接影響，其影響主要是通過決定單株營養面積而實現的。根據王志剛等對林帶冬季相結構參數及透風系數的推導算法[24]，利用朱廷曜等定義的林帶地上生物量體積密度[25]，建立生物量體積密度表達式，為：

W=[V0（1+g）]/（SH）。

式中：W為生物量體積密度；V0為平均單株材積；g為枝葉生物量體積與材積比；S為平均單株營養面積；H為林高。推導得到全林帶生物體積密度W與風速削弱系數k的關系式為：

k=0.254 6+0.032 98lnW。

則可得到林帶平均單株營養面積為：

S=V0（1+g）/[H·e（k-0.254 6/0.032 98）]。

根據蔣伊尹等給出的林帶蓄積量生長模型[26]，推算出平均材積V0模型為：

V0=0.675 7（1-e-0.114 4A0）3.339 81。

式中：A0為初始防護成熟齡。以康保縣疏透型林帶的帶寬 10 m為例，根據朱廷曜等推算的林帶寬度與透風系數、風速削弱系數關系[27]，求得風速削弱系數k在0.061 3～0.070 2之間。根據徐文鐸提出的小青楊枝葉與材積比及與林齡的關系[28]，g取值范圍設為0.30～0.45、小青楊初始防護成熟齡A0為23.5年、林高H為15.58 m[29]，求得康保縣林帶平均單株營養面積S在13.3～15.6 m2之間，則株行距可設為 3.5 m×4.0 m或4.0 m×4.0 m。考慮到研究區風沙災害主要發生在春季，防護林帶正處于冬季相，可將株行距根據防護距離和防護需要調整到2.5 m×3.0 m或3.0 m×4.0 m。

3結論與討論

利用林帶樹木配置方式獲得理想的林帶結構，是防護林帶設計與經營的目標，而綜合考慮土地利用效率、防護效益及研究區的自然條件，以較少的栽植數量達到目標疏透度是農田防護林帶的建設目標。通過對河北壩上康保地區農田防護

林帶的空間配置、林網結構及防護效能等進行詳細分析可以看出，品字形配置林帶內樹木是一種有效科學的方式，可以充分利用林帶內樹木個體，與矩形配置相比，品字形配置林帶能夠用較少的栽植數量達到更緊密的疏透度；康保當地農田防護林帶樹種較單一，以楊樹喬木純林為主，而灌木生長狀況較喬木在當地適應性相對更好，但灌木防護距離較小，楊樹等喬木生長狀況差但防護距離大，喬灌混交配置方式能夠兼顧防風效能和防護距離，是研究區農田防護林帶樹種配置的首選；結合前人理論[30]，分析林寬對林帶的防風效應可以推斷，窄林帶的防風效應優于寬林帶，疏透型林帶帶寬一般不超過 10 m，通風型林帶應控制在10～15 m范圍內；以康保區域廣泛使用的防護林帶樹種青楊為例，通過回歸分析發現，隨株行距的增加，樹木胸徑呈遞增趨勢，株行距大于3.0 m×4.0 m，胸徑增長趨緩，并推算出適宜的青楊農田防護林帶株行距為2.5 m×3.0 m或3.0 m×4.0 m。

須說明的是，野外調查與觀測數據來自于康保地區的部分農田防護林帶，調查方法與分析手段較為單一，且只選用胸徑、樹高2個尺度來反映林帶的成林狀況，不可能完全說明林帶結構配置的優劣。另外，由于河北省康保縣冬季相無葉期疏透度較小的緊密型林帶很難找到，且緊密型林帶林寬對防風效應的影響機理較為復雜，本研究并未進行相關分析。因此，在今后的研究中應收集更多數據并采用更加多樣化的手段來加以補充和完善。

參考文獻：

[1]張正偲，董治寶. 土壤風蝕對表層土壤粒度特征的影響[J]. 干旱區資源與環境，2012，26（12）：86-89.

[2]張露，韓霽昌，王歡元，等. 砒砂巖與風沙土復配后的粒度組成變化[J]. 中國水土保持科學，2015，13（2）：44-49.

[3]范志平，曾德慧，朱教君，等. 農田防護林生態作用特征研究[J]. 水土保持學報，2002，16（4）：130-133，140.

[4]王巖，魏忠平，潘文利，等. 遼河三角洲泥質海岸防護林小氣候效益研究[J]. 水土保持研究，2011，18（4）：65-68，73.

[5]朱教君. 防護林學研究現狀與展望[J]. 植物生態學報，2013，37（9）：872-888.

[6]王濤，李孝澤，哈斯，等. 壩上高原現代土地沙漠化的初步研究[J]. 中國沙漠，1991，11（2）：39-45.

[7]李進，寶音，張強，等. 河北壩上沙漠化土地綜合整治優化模式[J]. 中國沙漠，1994，14（4）：72-85.

[8]曹文生，邢兆凱. 風沙區農田防護林效益的研究[J]. 防護林科技，1999（1）：5-6.

[9]劉鈺華，文華，狄心志，等. 新疆和田地區農田防護林防護效益的研究[J]. 防護林科技，1994（12）：8-11.

[10]封斌，高保山，麻保林，等. 陜北榆林風沙區農田防護林結構配置與效益研究[J]. 西北林學院學報，2005，20（1）：118-124.

[11]邵愛英，吳燕，劉文蔚. 寧夏平原農田防護林幾種樹種配置模式綜合效益的初步研究[J]. 北京林業大學報，1998，20（4）：48-53.

[12]劉全友. 河北省壩上地區氣候與沙化關系研究[J]. 環境科學進展，1994，2（6）：47-57.

[13]李黎黎. 康保縣土地利用覆被變化及安全格局分析[D]. 北京：首都師范大學，2009：8-28.

[14]李玄姝，常春平，王仁德. 河北壩上土地利用方式對農田土壤風蝕的影響[J]. 中國沙漠，2014，34（1）：23-28.

[15]哈斯. 河北壩上高原土壤風蝕物垂直分布的初步研究[J]. 中國沙漠，1997，17（1）：9-14.

[16]高海樓. 河北壩上農田防護林防風效能以及空間布局研究——以康保縣為例[D]. 石家莊：河北師范大學，2012：1-10.

[17]高尚玉，張春來，鄒學勇，等. 京津風沙源治理工程效益[M]. 北京：科學出版社，2012：10-30.

[18]曹新孫. 農田防護林學[M]. 北京：中國林業出版社，1983：100-109.

[19]關文彬，李春平，李世鋒，等. 林帶疏透度數字化測度方法的改進及其應用研究[J]. 應用生態學報，2002，13（6）：651-657.

[20]付亞星，王樂，彭帥，等. 河北壩上農田防護林防風效能及類型配置研究——以河北省康保縣為例[J]. 水土保持研究，2014，21（3）：279-283.

[21]朱教君，姜鳳岐，范志平，等. 林帶空間配置與布局優化研究[J]. 應用生態學報，2003，14（8）：1205-1212.

[22]張紀林，呂樣生. 楊樹護田林帶疏透度模型及應用[J]. 生態學雜志，1993，12（3）：56-60.

[23]Elmerm Jvan et al. Windbreaks and shelterbelts[R]. WMO Technical Note，1964：59.

[24]王志剛，任昱. 林帶冬季相結構參數及透風系數的算法推導[J]. 林業科學研究，2012，25（1）：36-41.

[25]朱廷曜，關德新，吳家兵，等. 論林帶防風效應結構參數及其應用[J]. 林業科學，2004，40（4）：9-14.

[26]蔣伊尹，李鳳日，李長勝，等. 楊樹防護林生長的研究[C]//向開馥.東北西部內蒙古東部防護林研究（第一集）.哈爾濱：東北林業大學出版社，1989：59-70.

[27]朱廷曜，關德新，周廣勝，等. 農田防護林生態工程學[M]. 北京：中國林業出版社，2001：90-98.

[28]徐文鐸. 中國沙地森林生態系統[M]. 北京：中國林業出版社，1998：30-40.

[29]姜鳳岐，朱教君，周新華，等. 林帶的防護成熟與更新[J]. 應用生態學報，1994，5（4）：337-341.

[30]Caborn J M. Selterbelts and microclimate[M]. London：HM Stationery Office，1957：29.