不同帶間距檸條錦雞兒防護林防風效應與帶間植被組成

閆 敏, 左合君, 楊 陽, 劉宇勝, 郭婧宇, 王 強, 李鋼鐵

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院 內蒙古風沙物理與防沙治沙工程重點實驗室, 呼和浩特 010011)

檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)作為我國重要的防風阻沙灌木樹種，被廣泛應用于干旱、半干旱區造林以及人工植被恢復重建中[1]。但在人工造林過程中，為尋求防風阻沙效果明顯，大多采用高覆蓋度造林，盡管沙地通過人工植被建設治理效果短期內較為明顯，但過大規模的人工植被建設會使沙地水分條件逐步惡化，影響人工植被的穩定發展[2]。相關研究認為：植被覆蓋度低于40%，不能完全固定流沙和阻止風沙流的形成[3-5]。但近年研究發現：在低覆蓋度造林時，植物體的存在對固定流沙和阻止風沙流的作用差異很大[6]。有研究表明營造低蓋度(15%～25%)防護林既能夠起到很好的防風固沙作用，又能夠顯著減少生態用水；同時對于帶間植被恢復也有明顯作用[7-9]。在大量的實踐研究中發現，由于水分條件的制約，在干旱、半干旱地區，營造接近自然分布密度的稀疏防風固沙林最為合理，其結構為行帶式水平配置結構[10]。行帶式格局是一種特殊的集群分布，能顯著提高低蓋度防護林的防風效果[11]。相關研究通過野外試驗與室內風洞模擬確定了行帶式防護林的合理帶間距，并提出在營造灌木防護林時應適當增大帶間距[12-14]。在確定了營造低覆蓋度行帶式防風阻沙林后，部分學者進一步對帶間植被恢復情況做了研究，認為較寬帶間距更有利于植被恢復，物種多樣性增加，植被接近于地帶性植被[15-16]。

如何利用防風效果與帶間植被修復效應找出適宜控制、促進植被恢復的林帶栽植密度與配置格局顯得至關重要。內蒙古四子王旗屬典型的農牧交錯帶，該區域不合理的土地利用導致生態環境惡化、土地沙漠化[17]，加之對該區域低蓋度行帶式防護林模式鮮有研究。因此，對于內蒙古四子王旗采用低蓋度行帶式防護林以確保沙地治理和治理后的生態環境持續穩定高效的發展具有重要價值。

四子王旗周邊種植了大量檸條錦雞兒防護林，但部分由于密度過大等問題導致其帶間植被存在一定程度退化。因此，對四子王旗檸條錦雞兒防護林帶間植被進行有效保護或人工促進，對該區自然生態環境和社會經濟發展都具有重要影響。本文以四子王旗不同帶間距行帶式檸條錦雞兒防護林及其帶間植被為研究對象，通過對檸條錦雞兒防護林防風效果以及帶間植被修復效應的分析，找出適宜當地的檸條錦雞兒防護林林分密度以及配置模式。為今后營造檸條錦雞兒防風阻沙林提供理論依據，同時也為促進帶間天然植被修復，合理規劃與配置行帶式造林密度以及最大限度提高生態恢復效益提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古四子王旗，地理坐標為：41°26′08″—41°55′25″N，111°38′25″—111°40′59″E，海拔為1 300～1 590 m。氣候類型屬中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫4.4℃，年平均降水量為310 mm，降雨多集中在6—8月份，年均潛在蒸發量為2 300 mm。年平均風速為4～5 m/s，全年大風日數在50 d以上[18]。地帶性植被包括荒漠草原和典型草原，建群種為針茅。主要植物種有克氏針茅(Stepkrylovii)、羊草(Leymuschinensi)、百里香(Thymusmongolicus)、冷蒿(Artemisiafrigida)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、豬毛菜(Salsolacollina)、狗尾草(Setariaviridis)、獨行菜(Lepidiumapetalum)、風毛菊(Saussureajaponica)、益母草(Leonurusjaponicus)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的布設 選擇地勢平坦開闊的行帶式檸條錦雞兒防護林作為試驗樣地，其中包括帶寬4 m，6 m，8 m樣地3塊，曠野對照樣地1塊(盡量保證試驗樣地與對照樣地立地條件相似)，每塊樣地設置3個試驗重復；并將檸條錦雞兒防護林及其帶間植被作為本文的研究對象。具體情況見表1，調查內容包括林齡、樹高、冠幅、株距、帶間距等。

表1 檸條錦雞兒防護林基本特征

注：CK1表示無檸條錦雞兒防護林。

1.2.2 風速測定

(1) 風速流場測定。檸條錦雞兒防護林林帶風速測定示意圖見圖1，試驗時間為2016年4月，利用HOBO風速儀測定曠野風速與林帶間風速。曠野風速觀測點位與第一林帶的距離為7 H(H為樹高)，林帶前1 H處布設一觀測點位，帶間風速觀測點位布設于林帶中間。每個觀測點位測定20，50，100，200 cm共4個高度的風速，測量時間為10 min，時間間隔為2 s。

(2) 防風效果的計算[19]。

(1)

式中：EXZ為相對風速(防風效果)，即林內X處、高度為Z處的風速占曠野對照風速的百分比；VOZ為同一高度曠野的平均風速；VXZ為林內X處、高度為Z處的平均風速。

1.2.3 帶間植被調查

(1) 調查內容。采用樣方法對帶間植被進行調查，采樣時間為2016年8月。每1樣地平行于林帶走向在林帶中間布設1條平行樣線，延樣線方向每隔2 m設置1個50 cm×50 cm樣方梯度進行調查，共5個梯度，在每個梯度設置3個重復，共15個。整個試驗區共調查樣本數60個，測量指標主要有植物種類、數量、高度、冠幅、蓋度以及密度等。

(2) 重要值的計算。

重要值=(相對密度+相對頻度+相對蓋度)/3

(2)

2 結果與分析

2.1 不同帶間距檸條錦雞兒防護林防風效應分析

2.1.1 風速流場特征 由不同帶間距檸條錦雞兒防護林風速流場圖(圖2—4)可以看出，在不同曠野風速下風速流場變化趨勢基本一致，隨著林帶數的增加，風速流場線逐漸抬升，但帶內的風速變化開始紊亂。在檸條錦雞兒林前，流場線均有小幅度的抬升，表明林帶對于林前的風速具有減弱的作用，但減弱作用不明顯；在經過林帶后，不同帶間距檸條錦雞兒防護林都形成了風影區和加速區組合的復雜流場結構。在不同曠野風速條件下風速流場線均劇烈抬升，均在林后1 H處抬升至最高，此時風速降到最低，表明檸條錦雞兒林在林后1 H處的風速防控能力最強；風穿過第2條林帶后，流場線持續抬升，風速降低，低風速時近地表0.2 m處風速基本被有效地控制在4 m/s以下，高風速時風速仍然較高；當風穿過第3條林帶后，流場線漸近于平穩，表明林帶對風速的影響趨于穩定，但在林后都出現弱風區，低風速時近地表0.2 m處風速基本被控制在2 m/s以下，高風速時近地表0.2 m處風速也被控制在4 m/s以下。在高度大于1 m處，風速在經過第一林帶后有一個明顯的風速加強區，這是由于檸條錦雞兒前來流遭遇檸條錦雞兒的阻擋，使之在檸條錦雞兒上方抬升，流線從植株頂部繞過后下落，并在此形成了風速加強區。在高度0.2～0.5 m處，受檸條錦雞兒影響較大，風速降低效果明顯。

6 m(圖3)，8 m(圖4)寬帶間距檸條錦雞兒防護林風速流場變化特征與4 m寬帶間距防護林具有相似性，即在檸條錦雞兒頂部也存在一個風速加強區，近地面處風速減弱較快。8 m寬帶間距在曠野風速為6.55，8.05，10.07 m/s下，第4帶后近地表風速最低為1.76，1.95，3.87 m/s，均在起沙風速以下。通過比較4 m寬帶間距接近地表處風速降低最大，防護效果最明顯，但同時可以看出8 m寬帶間距檸條錦雞兒防護林在0.2～0.5 m高度處風速降低也較為明顯。由此可以表明8 m寬帶間距檸條錦雞兒林對較低的風速能進行有效防護，對較高的風速也能控制在起沙風速以下。

圖2 4 m帶間距檸條錦雞兒防護林風速流場

圖3 6 m帶間距檸條錦雞兒防護林風速流場

2.1.2 防風效果 不同帶間距檸條錦雞兒防護林防風效能見表2，通過對不同曠野風速下不同帶間距檸條錦雞兒林在0.2，0.5，1，2 m各高度的防風效能計算后取平均值，結果表明不同帶間距檸條錦雞兒防護林防風效能隨著林帶數的增加，防風效能呈先增長后趨于平穩的趨勢。林前1 H的防風效能均較低，4 m帶距、6 m帶距與8 m帶距的防風效能分別為6.43%，3.37%和5.98%，隨著帶間距的增大，防風效能隨之增加。經過4條林帶的防護，4 m寬林帶防風效能達55.47%，6 m林帶防風效能達51.38%，8 m林帶防風效能達48.06%，各林帶防風效能逐漸趨于穩定，但其防護效果均顯著。由此可以表明：多條林帶的組合防風效果具有累加作用。有研究表明15 m寬帶間距檸條錦雞兒林在經過4帶的防護后，其防風效能僅為30%，說明當帶間距過大時，林帶的防風效果將降低[20]。由此可以表明，8 m寬林帶可以起到很好的防護作用，在今后營造灌木防護林時應適當拉大帶間距。

2.2 不同帶間距檸條錦雞兒防護林帶間植被恢復分析

2.2.1 帶間植被種類及生活型 帶狀檸條錦雞兒防護林帶間植被種類與生活型見表3。種植檸條錦雞兒防護林前后的退化草地植被種類存在一定差異，各林帶植物種類共有7科19屬21種。其中8 m寬檸條錦雞兒防護林帶間植被種類較為豐富，共有15種，主要有百里香、冷蒿、黃花蒿，獨行菜與狗尾草等植被；6 m寬檸條錦雞兒防護林帶間植物種類共有10種，以冷蒿、羊草、沙蘆草與藜等植被為主，偶見種為細葉扁蓿豆、狗尾草；4 m寬檸條錦雞兒防護林帶間植被種類共有7種，主要包括藜、沙蓬、沙蘆草與蒲公英等植被。

檸條錦雞兒防護林帶間植被生活型共有3種，即半灌木、一年生草本、多年生草本，其中4 m寬帶間植被有4種為多年生草本，3種為一年生草本；6 m寬帶間植被有7種為多年生草本，3種為一年生草本；8 m寬帶間植被有1種為半灌木，6種為多年生草本，8種為一年生草本。種植帶狀檸條錦雞兒后物種生活型明顯提高，隨著帶間距的增加，多年生草本數量增加，并在8 m帶間距出現半灌木，且禾本科和菊科植物種類增加，這表明帶間的優質牧草增加，帶間植被趨于穩定，由此可見8 m帶間距檸條錦雞兒防護林更有利于植被恢復。

圖4 8 m帶間距檸條錦雞兒防護林風速流場

表2不同帶間距檸條錦雞兒防護林防風效能%

帶間距林前1 H第1帶第2帶第3帶第4帶CK10.000.000.000.000.004 m帶距6.4337.4050.2654.7955.476 m帶距3.3730.4849.3050.4251.388 m帶距5.9826.3335.5246.6248.06

2.2.2 帶間植被組成及重要值 采用重要值作為種群優勢度指標可以比較全面地反映植被不同的發育時期種群在群落中的功能地位和種群在群落中的分布格局[21]。不同帶間距帶間群落類型與主要植被組成見表4。4 m寬帶間植被以藜、沙蓬、沙蘆草等為主，其中，藜的重要值最大，占有主導地位，但其與地帶性植被差異較大；主要原因由于過窄的帶間距導致土壤水分下降，大部分土壤水分及養分供給檸條錦雞兒生長，帶間草本得不到較好生長條件，使其逐步退化，而隨著帶間距的增加，帶間植被所需水分與養分可以被更好地供給[22]。因此，其植被恢復情況較好，主要植物種類與地帶性植被相比較為接近。

沙蘆草雖然只在6 m處存在，這可能與取樣的選擇有關。蒲公英重要值變化較為平緩，克氏針茅和冷蒿都是林帶中間有，林下無。藜、獨行菜、糙隱子草和沙蓬重要值接近對照組(CK1)，部分較對照組(CK1)高，這主要是由于對照組(CK1)原有植被存在一定程度上的退化，而8 m寬行帶式檸條錦雞兒防護林對于植被的恢復具有較大作用。對照組(CK1)中重要值較大的細葉扁蓿豆恢復效果較差，但是在植被恢復過程中也有原始植被缺少的物種得到了恢復，其中有早熟禾、沙蘆草、冷蒿、百里香等，它們均是優良的牧草種質資源，對當地的畜牧業生產有極大的促進作用。8 m寬帶間距出現了百里香半灌木，禾本科與菊科植物種類也相應增加，這表明8 m寬帶間植被趨于穩定，恢復情況較好。盡管與地帶性植被(CK2)還有所差異，但帶間植被表現出明顯的恢復跡象，羊草、冷蒿、狗尾草等荒漠草原常見種已成功定居。由此可以表明，適當增大林帶間距有利于帶間植被恢復。

3 討 論

在干旱、半干旱區，風是地表侵蝕的最主要外營力，而能夠保護地表免受風力侵蝕并對風力起到阻礙和擾動作用的主要是植被，營造防護林對于風的干擾作用較大，同時也對于植被的恢復具有重要作用。

表3 不同帶間距植被科屬種及生活型

注：(1) CK1表示無檸條錦雞兒防護林樣地；(2) +表示有該種植物；-表示無該種植物。

表4 不同帶間距群落類型、植物種類及重要值

注：CK2[24]表示地帶性植被。

(1) 本文通過對檸條錦雞兒防護林風速流場特征的分析，結果表明檸條錦雞兒防護林的存在對風場起到了減弱與干擾作用，在林帶后出現風影區，林帶前會形成風速加速區，多帶的組合增加了林帶的防風效果，這與楊文斌等[10]學者研究結果一致。本文找出了帶間距4 m防風效果最好，但8 m寬帶間距在經過4條林帶的防護后，風速降低至起沙風速以下，防護效果較為明顯。連續的行帶式分布對風速的阻礙和降低表現出明顯的累加作用，合理的帶間距不但有利于防止土壤風蝕，而且有利于帶間植被的恢復。四子王旗屬典型農牧交錯帶，本文就該區域現有不同帶間距檸條錦雞兒防護林進行了觀測，研究認為8 m寬帶間距為現有防護林的最佳帶間距，本文研究的結果更能真實地反映自然狀態下檸條錦雞兒單行多帶式防護林的防風效果，結合部分學者在風洞試驗以及人為設置的檸條錦雞兒防護林的試驗結果，認為今后在該區域營造檸條錦雞兒防護林可適當拉大帶間距。

(2) 行帶式人工林的配置格局對帶間植被蓋度及物種數目有著重要影響，在相同的立地條件下，帶間距離的寬窄決定了帶間植被恢復的效果，寬帶間距帶間植被恢復效果優于窄帶間距離。許德生[23]、楊洪曉[24]等對防風阻沙林做了相關研究，提出了低覆蓋度造林理論后，無論帶間植被修復多樣性變化還是生物量變化，對于在干旱、半干旱區營造檸條錦雞兒防護林，應建設寬林帶低覆蓋度的防風阻沙林。本文通過對不同帶間距帶間植被修復效應的分析，不可否認，較窄林帶間出現了各種非地帶性植被，即便在地帶性地段，由于過窄的林帶導致耗水量與遮蔭面積過大，進而不利于植被恢復。但隨著帶寬的增大，植被恢復效果隨之增加，寬林帶更有利于植物種定居，增加物種多樣性與生物量。在植被恢復過程中，原始植被缺少的物種得到了恢復，其中有蒲公英、沙蘆草、冷蒿、百里香等，一些地帶性植被也得到了恢復，使得自然植被更加接近于地帶性植被。

綜上所述，當帶間距過窄時，其防風效果雖好，但增加了植被耗水量與遮蔭面積，給植被自然恢復增加了難度。但是，如果沒有檸條錦雞兒防護林的保護，土壤風蝕不能得到很好地控制，植被自然修復過程也不能正常完成。因此，建立合理密度檸條錦雞兒防護林是至關重要的。本文提出的營造檸條錦雞兒防護林帶間距8 m以上、并布設4帶的研究結果對于農牧交錯帶防風固沙與植被恢復研究具有重要意義。

4 結 論

(1) 自然狀態下4 m寬檸條錦雞兒防護林防風效果最好，8 m寬防護林風速也可降低至起沙風速以下；較寬帶間距更有利于植被恢復，8 m寬帶間出現了以百里香、狗尾草以及蒿屬為主的草本群落，與地帶性草本群落(羊草+冷蒿)接近，恢復效果明顯。

(2) 綜合考慮防風效益及帶間植被恢復效果，8 m寬檸條錦雞兒防護林防護效果最佳。今后在該區域營造單行多帶式檸條錦雞兒防護林時應將帶寬設置在8 m以上，并布設4帶。

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