風沙區(qū)不同類型防護林防風效果比較
——以第十四師224團為例

王 雄 周正立 呂瑞恒 袁 林 李 荔

（1 塔里木大學生命科學學院，新疆 阿拉爾843300）

（2 塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾843300）

（3 新疆生產(chǎn)建設兵團塔里木盆地生物資源保護利用重點實驗室，新疆 阿拉爾843300）

防護林是以防御自然災害、維護基礎設施、保護生產(chǎn)、改善環(huán)境和維持生態(tài)平衡等為主要目的的森林群落。它是中國林種分類中的一個主要林種。是以改善人們生產(chǎn)、生活條件為目的的天然林和人工林［1-3］。對于防風固沙林而言，防護林帶對近地面的風速起到了削弱作用，因而減少近地面高程內的輸沙率。防護林帶的防護效能取決于特定結構的林帶對風壓力、風速及湍流應力等空氣動力學特征的影響［4，5］。防風固沙林主要營建于干旱半干旱地區(qū)的沙漠邊緣，植被的生長不僅降低了近地表的風速，同時改變了下墊面狀況，使地表粗糙度增加，從而減小沙蝕量和風沙流的挾沙量，達到防風固沙作用。由于防護林明顯改變了下墊面的性質，一般可使風速平均降低20%～30%，當氣流含沙量較大時，通過植物的濾沙作用，氣流含沙量減?。?］。多年來，國內外對荒漠區(qū)防風固沙林做了大量的研究，目前李荔［7］對南疆地區(qū)防護林進行適宜性評價，確定了不同立地條件下防風固沙林可采用胡楊、新疆楊、箭桿楊等速生樹種，以灌木（檉柳、沙棘等）為輔。利用逐步回歸確定出稀疏型的防風固沙林帶防風效果最好。

南疆地區(qū)環(huán)境惡劣，屬于我國西北干旱區(qū)和半干旱區(qū)，降水稀少，風沙大，經(jīng)常造成綠洲農(nóng)田作物傾倒和沙埋，嚴重影響該地區(qū)的農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，降低了農(nóng)民的經(jīng)濟收入。因此該區(qū)主要以防風效益的目的來營造防護林，本文在前人研究的基礎上主要對防風固沙林的防風效益做了研究。通過不同配置和不同結構類型的防護林帶對其防風效果進行比較，為南疆地區(qū)防護林的樹種優(yōu)化配置和林帶結構類型提供理論參考。

1 研究區(qū)自然概況

224 團位于新疆塔克拉瑪干大沙漠西南緣和田地區(qū)十四師，地處皮山縣與墨玉縣交界的阿克蘭干地區(qū)，地理位置坐標從東經(jīng)79°14′60″至79°22′31″，北緯37°12′32″至37°24′52″，海拔為1 304—1 397 m，東隔沙漠與墨玉縣相望、西臨戈壁與皮山縣毗鄰，南抵喀喇昆侖山麓，北入塔克拉瑪干沙漠與阿瓦提縣接壤，南北長21.8 km，東西平均寬9.2 km，總面積約209 km2，地勢南北方向有3%的坡度，北面較低。研究區(qū)屬于暖溫帶干旱荒漠氣候，具有明顯的大陸性氣候特征。常年降水稀少，干旱多風，日照時間長，光熱資源豐富，年平均氣溫為12. 2℃、極端最高氣溫為42.7℃，極端最低氣溫為-23.7℃。年平均降水量為32.1 mm，蒸發(fā)量高達2 563.9 mm，年平均日照時數(shù)2 713.8 h。氣象災害主要為春、秋季大風(沙塵暴、浮塵)、干熱風等，年均大風11. 5 次，浮塵天數(shù)達200多天。

該區(qū)植被物種組成單一，自然植被喬木以灰葉胡楊（Populus pruinosa Schrenk）、胡楊（Populus euphratica）為主，灌木主要以檉柳（Tamarix ramosissima Lcdcb）、梭梭（Haloxylon Bunge）、沙棗（Elaeagnus angustifolia Linn）、駱駝刺（Alhagi sparsifolia Shap）、黑果枸杞（Lycium ruthenicum Murr）為主，草本主要有蘆葦（Phragmites australis）、甘 草（Glycyrrhiza uralensis Fisch）、苦 豆 子（Sophora alopecuroides L）、花 花 柴（Kareliniacaspia Less）、河西苣（Hexinia polydichotoma H.L.Yang）、鹽生草（Halogeton arachnoideus Moq）、羅布麻（Poacynum hendersonii Woodson）等。224 團是在沙漠邊緣人工開墾的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，除檉柳林為主要的生態(tài)公益人工林外，常見的造林樹種有新疆楊、胡楊、竹 柳（Takeyanagi of the United States）、桑 樹（Morus alba L）、榆樹（Ulmus Pumila L）、沙棗、梭梭、沙拐棗（Calligonum mongolicum Turcz）等。

2 研究方法

2.1樣地設置

對224團防護林帶進行踏查的基礎上，選擇有代表性的地段，根據(jù)防護林帶長度、林帶段結構，在各樣地帶選取不同的林帶段作為研究對象，共選取8條防護林帶段。借助周新華、關文彬等［8，9］的調查方法，并根據(jù)現(xiàn)有的研究條件，采用臨時標準地法進行林帶段結構的調查，對所選的防護林帶進行每木調查，對植物種類、高度、胸徑、株行距和冠幅等指標進行詳細調查（表1）。

表1 樣地基本概況

2.2 風速的測定

該研究區(qū)主要以西北風為主。同一時刻下，在垂直梯度上采用三杯風速儀分別測定0.2 m、1.5 m、2.5 m 三個高度風向風速，水平梯度變化取垂直于主林帶，用四合一表在迎風面距離林帶0H、3H 處測定，背風面距離林帶0H、3H、5H、7H 和11H 處測定。以空曠地為對照。重復三次。

2.3 疏透度的測定

(1)用數(shù)碼相機在水平方向垂直于林帶段20—30 m處手動攝取林帶段的縱切面圖，相機距地面高度為1.65 m。由于不同林帶段迎風面與背風面的透光性存在差異，故純林只在其迎風面或背風面進行拍攝，混交林帶在其迎風面和背風面兩面進行拍攝。在室內將照片輸入電腦，用Photoshop7.0 進行圖片處理，計算各林帶段的疏透度。

(2)林帶疏透度的計算，對于由單一樹種組成的防護林，采用加權平均法計算林帶的疏透度［10］，其公式為β=（β1×h1+β2×h2）/H(β 為疏透度，β1為林冠疏透度，β2為林干疏透度，H 為林帶平均高，h1為林冠平均高，h2為林干平均高)。對于由兩種及兩種以上樹種組成的混交防護林，用混交林帶疏透度的計算式β’=(β3+β4)/N(β’為疏透度，β3為迎風面疏透度，β4為背風面疏透度，N為物種數(shù)）。

2.4 防風效能的測定

防風效能計算公式［11］：V(%)=(V1-V2)/V1×100%（V1為空地風速，V2為林帶前后實測風速）。

2.5 降風效果的測定

林帶降風效果 計 算 公式：E1(%)=(V1′- V2′)/ V1′×100%，E2(%)=(V1′-V3′)/V1′×100%（E1為林帶中降風效果，E2為林帶內降風效果，V1′為林帶迎風面風速，V2′為林帶中風速，V3′為林帶背風面風速）。

3 結果與分析

3.1 防護林降風效應

對研究區(qū)的風速進行測定，處理后得到表2。從表中可以看出林帶中降風效果由強到弱依次為：8、6、5、2、7、1、4、3。新疆楊、胡楊和檉柳的混交防護林帶風速降低了48.46%，胡楊和沙棘的混交林帶風速降低了35.42%，新疆楊和胡楊的混交林帶風速降低了35.03%，新疆楊防護林帶風速降低了26.88%，新疆楊和箭桿楊的防護林帶風速降低了25.59%，胡楊林帶風速降低了23.14%，新疆楊和沙棗的混交林帶風速降低了20.78%，檉柳林帶風速降低了14.83%。林帶內降風效果由強到弱依次為：8、6、2、7、5、1、3。新疆楊、胡楊和檉柳的混交防護林帶風速降低了26. 61%，胡楊和沙棘的混交林帶風速降低了17.71%，新疆楊防護林帶風速降低了16.77%，新疆楊和箭桿楊的防護林帶風速降低了15.35%，新疆楊和胡楊的混交林帶風速降低了10.73%，胡楊林帶風速降低了9.17%，檉柳林帶風速降低了6.55%。新疆楊和沙棗的混交林帶風速反而還有所增加，這可能與風向的變化、樹齡較小和密度較低有關?？傮w而言，混交防護林帶的降風效果優(yōu)于純林。

表2 不同防護林帶平均風速和最大風速

3.2 防護林的防風效能分析

在同一條林帶的林帶前3H、0H 處和林帶后0H、3H、5H、7H、11H 處，風速不同，對應的防風效能也是不同的。通過對224 團8 條林帶防風效能的分析，得到表3，即在0.2 m 的觀測高度下，8 號林帶的林帶后0H 處的防風效能最大，為80. 65%，而1 號林帶的林帶前3H處的防風效能最小，為3.51%。

表3 0.2 m處防護林帶不同位置的防風效能比較

通過表4 發(fā)現(xiàn)，在1. 5 m 的觀測高度下，8 號林帶的林帶后0H 處的防風效能最大，為61. 76%，而1號林帶的林帶前3H 處的防風效能最小，為3. 85%。

表4 1.5 m處防護林帶不同位置的防風效能比較

通過表5 發(fā)現(xiàn)，在2. 5 m 的觀測高度下，8 號林帶的林帶后0H 處的防風效能最大，為83. 33%，而1號林帶的林帶前3H 處的防風效能最小，為2. 30%。

表5 2.5 m處防護林帶不同位置的防風效能比較

表6 垂直梯度下各防護林帶的防風效能比較

圖1 林帶防護距離與防風效能

通過表6 發(fā)現(xiàn)，0. 2 m 處5 號林帶的防風效能最大，其數(shù)值為52. 64%，3 號林帶防風效能最小，為16. 29%。1. 5 m 處6 號林帶防風效能最大，為35.76%，1 號林帶防風效能最小，為20.19%。2.5 m處8 號林帶防風效能最大，其值為36.83%，3 號林帶防風效能最小，為14.39%。

總體情況，由圖1 發(fā)現(xiàn)，水平梯度下，在林帶前，3H 處的防風效能比0H 處的防風效能小，而在林帶后，0H和3H處的防風效能明顯要大于5H、7H和11H處的防風效能。林帶后（0H、3H）的防風效能遠遠高于林帶前。垂直梯度下，0.2 m 處的防風效能較1.5 m、2. 5 m 處高了8. 7%、11. 57%。結果表明，不同配置的防護林帶的防護效能是不相同的，且混交防護林帶的防風效能要大于純林的防護效能。

3.3 疏透度對防風效果的影響

在眾多林帶結構因子中，疏透度是其他各項林帶結構因子的綜合表征［12］。在生產(chǎn)實踐及理論科學研究中，常用疏透度作為區(qū)別林帶結構好壞的主要指標之一［13］。疏透度不同，防風效能也明顯不同。先計算各條防護林帶的疏透度（表1），從表7 可以看到，林帶防護效能較好的疏透度為32%—47%，其數(shù)值為33.69%，疏透度為42%的8 號林帶防風效能最大，為36.76%。而疏透度為29%的3 號林帶防風效能最小，為17.91%。

表7 林帶疏透度對防風效能的影響

圖2 林帶疏透度與防風效能

從圖2 可以看出林帶的防風效能隨疏透度增大呈逐漸降低的趨勢?？傮w而言，稀疏型的防護林帶防風效果最好，疏透型次之，通風型和緊密型防風效果最差。因此224 團防護林結構選擇應以稀疏型結構為主。

4 討論與結論

（1）選取不同的防護林帶，通過對各個林帶風速的測定和分析，計算各條防護林帶的防風效能，得出不同防護林帶的防風效果不一樣，混交林的防風效果要大于純林，純喬木林的防風效果大于灌木林。與馮瑞等［14］、付亞星等［15］的研究結果基本一致。新疆楊、胡楊和檉柳的混交林帶防風效果最好，新疆楊和胡楊的混交林帶防風效能較好，胡楊純林防護效能較差，而檉柳林的防風效果最差。檉柳灌木林一般是生長在風沙前沿區(qū)的自然林和人工林，高度低、蓋度大、根系發(fā)達，以固沙為主要的防護作用。

（2）分析不同防護距離下各條防護林帶的防風效能，得出不同防護距離下防護林帶的防風效能之間有差異，林帶后隨著防護距離的增大，防風效果逐漸減低，即0H＞3H＞5H＞7H＞11H。新疆楊、胡楊和檉柳的混交林帶在不同的防護距離處防風效能都優(yōu)于其它各林帶。在垂直梯度下，各防護林帶在不同高度下總體隨高度的增加防風效能逐漸下降的趨勢。這與付亞星等［15］研究結果一致。

（3）段娜等［16］研究結果顯示，稀疏型林帶防風效果最佳，疏透型次之，通風型防風效果最差。本文研究與以上結果基本一致。將224 團不同配置防護林帶的疏透度和防風效能綜合分析，得到稀疏型(30%-50%)的防護林帶防風效果最好，即新疆楊、胡楊和檉柳的混交林帶、新疆楊和沙棗的混交林帶、新疆楊和胡楊的混交林帶以及胡楊和沙棘的混交林帶防風效果最好；疏透型(50%-60%)的防護林帶防風效果次之，即新疆楊防護林帶、新疆楊和箭桿楊的防護林帶的防風效果較好；而通風型(＞60%)與緊密型(＜30%)的防護林帶防風效果最差，即胡楊防護林帶和檉柳林帶。