買爾旦·阿不都卡德 阿麗亞·拜都熱拉 孫桂麗 董中凱

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，烏魯木齊，830052)

土壤風(fēng)蝕是指土壤或成土母質(zhì)在外力(水、風(fēng))作用下被破壞剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程[1]。由于土壤性質(zhì)、氣候因素以及生物的影響，土壤侵蝕表現(xiàn)形式也很復(fù)雜[2]。為了更好地反映和揭示不同類型風(fēng)蝕特征和區(qū)域分異規(guī)律，必須從植被，土壤，氣候特征入手。風(fēng)蝕的強(qiáng)度受風(fēng)力的大小、地表狀況、土壤粒徑密度的大小等因素影響。在一般條件下，當(dāng)風(fēng)速大于4 m/s時就產(chǎn)生土壤風(fēng)蝕[3]。葉城縣310萬hm2面積中，綠洲面積只有76 000 hm2，因地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。每年春冬兩季頻發(fā)的沙塵暴對各族群眾的生產(chǎn)、生活和身體健康造成了極為不利的影響，也在一定程度上制約了縣域經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展[4]。葉城縣恰其庫木管理區(qū)城郊防護(hù)林(曾經(jīng)這里是一片荒漠瀚海，也是葉城縣著名的風(fēng)沙口)位于喀喇昆侖山北麓，塔里木盆地西緣，東北面與塔克拉瑪干沙漠接壤，是葉城縣主要生態(tài)屏障之一。對葉城縣生態(tài)環(huán)境有著至關(guān)重要的作用，因此加強(qiáng)該地區(qū)防護(hù)林的防護(hù)效益顯得尤為重要[4]。近年來，多位學(xué)者對防護(hù)林都進(jìn)行了大量研究，提出防護(hù)林主要用來防御外界惡劣環(huán)境，具有防風(fēng)效益、熱力效益、水文效益、土壤改良效益等多種生態(tài)效益[5-7]，是改善生態(tài)環(huán)境的重要保障[8]。但目前關(guān)于喀什地區(qū)葉城縣生態(tài)防護(hù)林的防護(hù)效益相關(guān)研究尚為欠缺。為了尋求適于葉城縣生態(tài)防護(hù)林防風(fēng)效能最佳模式，改善干旱區(qū)防護(hù)林防風(fēng)阻沙效能，對于區(qū)域環(huán)境的改善及風(fēng)沙危害的防治具有重要實(shí)踐意義[9]。選取塔克拉瑪干南緣縣城-葉城縣恰其庫木管理區(qū)城郊防護(hù)林，通過野外實(shí)地觀測，對塔克拉瑪干沙漠綠洲防護(hù)林防風(fēng)效能的研究，以此明確不同樣地內(nèi)土壤風(fēng)蝕量、防風(fēng)效果，基本物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性，進(jìn)而通過對比不同結(jié)構(gòu)類型的生態(tài)林防護(hù)效益，指出防護(hù)效果最佳的防護(hù)林結(jié)構(gòu)，給當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)格條田可持續(xù)發(fā)展提出理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于喀喇昆侖山北麓，塔里木盆地西緣，東北面與塔克拉瑪干沙漠接壤的葉城縣恰其庫木管理區(qū)(38°2′11″～38°17″E，77°9′～77°10′12″N)境內(nèi)的城郊防護(hù)林。研究區(qū)白楊林于2016年3月份定植，苗木由當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民提供，均為鄉(xiāng)土樹種，林帶成活率達(dá)98%，總面積310.5 hm2，分33個網(wǎng)格條田，其中林帶面積146.11 hm2，空地面積154.21 hm2，道路面積10.18 hm2，樹木株行距為2.0 m×1.5 m，栽植密度3 331株/hm2，林帶樹種為毛白楊(Populustomentosavar.Tomentosa)，共計325萬株。水源采用地下水，平均每405 hm2打一眼機(jī)井。供水系統(tǒng)采用地下水配套滴管工程供水，單眼機(jī)井抽水量150 m3/h，作業(yè)時間240 d/a。

2 材料與方法

2020年7月至2021年5月，通過對研究區(qū)實(shí)地考察和勘踏，依據(jù)自然地勢和地形樣貌特點(diǎn)，選擇地勢平坦開闊且與主害風(fēng)方向垂直的典型3個不同結(jié)構(gòu)防護(hù)林林帶，林齡為7年生，林帶寬為50 m。根據(jù)樣地內(nèi)活立木進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查樹高、胸徑、枝下高等樹木生長指標(biāo)，確定典型標(biāo)準(zhǔn)樣地后對各樣地迎背風(fēng)面風(fēng)速、輸沙量和風(fēng)蝕量進(jìn)行同步測定[10](表1)。

在標(biāo)準(zhǔn)樣地選擇3個50 m×50 m小樣方用勃魯萊斯(Blume-Leiss)測高儀，胸徑尺、鋼卷尺等儀器測定每木檢尺，采用YGY-QXY手持式氣象站同步觀測風(fēng)速風(fēng)向，風(fēng)蝕量采用地埋陷阱式集沙桶來觀測，風(fēng)沙流(輸沙量)觀測利用QN-JSY集沙儀，粒徑分布觀測采用Topsizer激光粒度分布儀。

表1 研究區(qū)生態(tài)林平均每木檢尺

根據(jù)林帶疏透度大小，通常將防護(hù)林林帶分為緊密結(jié)構(gòu)、疏透結(jié)構(gòu)、通風(fēng)結(jié)構(gòu)3種。同一年種植，株行距，水肥，管理措施基本一致的生態(tài)林長勢、防護(hù)效益、林下植被、土壤狀況有顯著差異。

防風(fēng)效能的計算公式為：

Eh=((Uh-Uh0)/Uh)×100%。

式中：Eh為高度2 m處的防風(fēng)效能(%)；Uh為空地2 m高處平均風(fēng)速(m/s)；Uh0為林帶背風(fēng)面對應(yīng)高度的平均風(fēng)速(m/s)[7]。

數(shù)據(jù)分析：研究區(qū)氣象站監(jiān)測的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，利用Origin 2018軟件對其進(jìn)行統(tǒng)計并繪制風(fēng)場玫瑰圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)觀測期間風(fēng)速風(fēng)向分布變化特征

研究區(qū)氣象站監(jiān)測的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，利用Origin 2018軟件對其進(jìn)行統(tǒng)計并繪制風(fēng)場玫瑰圖。研究區(qū)觀測期間風(fēng)場玫瑰圖繪制結(jié)果見圖1。左圖是用2 min平均風(fēng)速數(shù)據(jù)繪制的風(fēng)場玫瑰圖，右圖是用最大風(fēng)速數(shù)據(jù)繪制的風(fēng)場玫瑰圖。從平均風(fēng)速與最大風(fēng)速風(fēng)向次數(shù)可看出，研究區(qū)觀測期主導(dǎo)的風(fēng)向?yàn)槲鞅蔽鳌鞅薄北蔽?WNW-WN-NNW)方向，角度集中在270.0°～337.5°，從該圖可直觀地看出，研究區(qū)主導(dǎo)風(fēng)的方向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。

3.2 林帶不同風(fēng)面風(fēng)速空間變化特征

不同結(jié)構(gòu)林帶對風(fēng)速的降低程度有所不同。因此，不同結(jié)構(gòu)林帶的防風(fēng)效果也不盡相同。3種不同疏透度林帶均在一定程度上起到阻礙氣流的作用，但不同疏透度林帶防風(fēng)作用的大小和范圍亦有差別。

緊密結(jié)構(gòu)林帶(圖2)最低風(fēng)速出現(xiàn)在林帶背風(fēng)面1倍樹高處，但風(fēng)速恢復(fù)較快，其有效防護(hù)水平距離比較近不到3倍樹高處，到15倍樹高距離風(fēng)速逐漸加快，林帶背風(fēng)面風(fēng)速接近曠野風(fēng)速，林帶的防風(fēng)效果不顯著。

疏透結(jié)構(gòu)林帶(圖3)背風(fēng)面1～5倍樹高處形成一個靜風(fēng)區(qū)，超過7倍樹高處之后風(fēng)速逐漸增加，低風(fēng)速區(qū)域較大，背風(fēng)面有效防風(fēng)距離達(dá)15倍樹高，林帶迎風(fēng)面平均風(fēng)速顯著小于林帶背風(fēng)面平均風(fēng)速，林帶背風(fēng)面風(fēng)速一般在2.5 m/s以下的小風(fēng)或輕風(fēng)。

通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶(圖4)也有一定程度降低風(fēng)速，但是通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶降低風(fēng)速幅度較小，背風(fēng)緣附近風(fēng)速降低不明顯，風(fēng)速恢復(fù)亦較慢。最低風(fēng)速同樣出現(xiàn)在1～5倍樹高處范圍，防護(hù)距離比疏透結(jié)構(gòu)林帶相差不大，但是削減效率比疏透結(jié)構(gòu)林帶要低。

3.3 林帶結(jié)構(gòu)與防風(fēng)效能的關(guān)系

3.3.1 林帶防風(fēng)效率水平變化

林帶的削減風(fēng)速能力在水平和垂直方向都有一定的變化規(guī)律。在水平距離下，水平距越大，林帶防風(fēng)效率越低，由表2可知，緊密結(jié)構(gòu)林帶在背風(fēng)面水平距離1倍樹高處防風(fēng)效率相對其余水平距離比較好，平均為85.00%，在15倍樹高處防風(fēng)效率最低，為26.02%，平均防風(fēng)效率為56.23%。疏透結(jié)構(gòu)林帶水平距離1～15倍樹高處防風(fēng)效率相對其余林帶結(jié)構(gòu)相同距離防風(fēng)效率較高，水平距離下平均防風(fēng)效率為75.75%。通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶水平距離下有效防風(fēng)距離達(dá)至5倍樹高處，平均防風(fēng)效率為62.79%。

3.3.2 林帶防風(fēng)效率垂直變化

林帶防風(fēng)效率的垂直高度變化中，氣流速度被林帶受阻后有所下降。由于林帶結(jié)構(gòu)的不同林帶背風(fēng)面風(fēng)速變化程度也不同，風(fēng)速和林帶疏透度的大小決定林帶防風(fēng)效率大小的關(guān)鍵因素。可見，林帶垂直防風(fēng)效率隨著高度的增加先增加后降低。由表3林帶背風(fēng)面垂直高度下防風(fēng)效率結(jié)果得知，疏透結(jié)構(gòu)林帶與通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶背風(fēng)面1.5 m高處平均防風(fēng)效率最佳，疏透結(jié)構(gòu)林帶(80.60%)防風(fēng)效率大于通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶(70.79%)。2 m高處平均防風(fēng)效率相對較低，由大到小分別為緊密結(jié)構(gòu)林帶(73.55%)、疏透結(jié)構(gòu)林帶(60.17%)、通風(fēng)型(51.28%)。3種林帶結(jié)構(gòu)垂直梯度下防風(fēng)效率緊密結(jié)構(gòu)最佳，達(dá)65.58%，疏透結(jié)構(gòu)為63.61%，緊密結(jié)構(gòu)為62.59%。

表2 研究區(qū)觀測期間集沙量變化

3.4 觀測期間林帶不同風(fēng)面單位面積風(fēng)蝕量變化

本試驗(yàn)依據(jù)沙粒的運(yùn)動形式利用全方位多梯度便攜式集沙儀，觀測不同結(jié)構(gòu)林帶迎風(fēng)面、背風(fēng)面、空曠沙地(CK)3個不同高度(30、50、100 cm)集沙量變化，由表4可見，土壤顆粒物密度隨著高度的增大而遞減，林帶迎風(fēng)面30 cm高沙粒密度最高，50 cm高風(fēng)蝕物密度次之，100 cm高風(fēng)蝕物密度最低。林帶背風(fēng)面而言通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶背風(fēng)面細(xì)沙物質(zhì)總密度最高，對高度而言30 cm高處集沙密度最高，為3.52 g/cm2。

林帶迎風(fēng)面風(fēng)沙量與空曠沙地(CK)集沙量無顯著差異。疏透型林帶迎風(fēng)面30 cm集沙量相對空曠沙地(CK)減少了8.98%，50 cm高處集沙量減少了14.86%，通風(fēng)型林帶迎風(fēng)面30、50 cm集沙量分別減少了3.22%、20.43%。到林帶背風(fēng)面疏透型林帶30 cm高處集沙量減少了45.62%，50 cm處集沙量減少70.05%，通風(fēng)型帶背風(fēng)面30、50 cm處集沙量分別減少18.89%、31.88%。緊密型林帶迎風(fēng)面，蠕移密度比空曠沙地(CK)更高，達(dá)5.28 g/cm2。林帶背風(fēng)面疏透型林帶蝕顆粒密度最低，3個不同高度風(fēng)蝕物累計量比空曠沙地風(fēng)蝕物累計量減少了56.45%。緊密結(jié)構(gòu)林帶和通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶背風(fēng)面累計集沙量分別比空曠沙地分別減少了47.05%、25.00%。

3.5 觀測期間林帶不同風(fēng)面輸沙量變化

表2是研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)樣地林帶觀測期間不同風(fēng)面集沙量空間變化，林帶不同風(fēng)面集沙量隨著集沙孔位置的增高而減少。空曠沙地離地平面30 cm高處的集沙量為最多，為30.79 g/cm2，而背風(fēng)面30 cm高處的集沙量低于迎風(fēng)面和空曠沙地集沙量，總集沙量空曠沙地為最多(49.79 g/cm2)，林帶迎風(fēng)面集沙量次之(26.43 g/cm2)，背風(fēng)面為最少(10.48 g/cm2)。

3.6 觀測期間研究區(qū)風(fēng)沙粒徑分布規(guī)律

從研究區(qū)不同林帶結(jié)構(gòu)土壤風(fēng)蝕粒度組成與分布特征(表3)來看，每個林帶結(jié)構(gòu)林帶迎、背風(fēng)面土壤風(fēng)蝕樣總粒徑分級情況，每種林帶結(jié)構(gòu)土壤粒徑范圍存在差異。在疏透結(jié)構(gòu)林帶不管是迎風(fēng)面還是背風(fēng)面100～500 μm粒徑微分占比較高，在此結(jié)構(gòu)林帶直徑250 μm的沙粒占比最多；250和500 μm的顆粒分別占迎、背風(fēng)面份量總數(shù)的51.82%，46.26%，迎風(fēng)面小于1 000 μm的顆粒占總數(shù)的100%。

表3 不同林帶結(jié)構(gòu)條件風(fēng)面土壤風(fēng)蝕粒徑分布特征

通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶不同風(fēng)面土壤風(fēng)蝕粒度50和250 μm的粒徑占比較高，背風(fēng)面50和100 μm的顆粒份量占比最高，占總數(shù)的57.49%，迎風(fēng)面50和100 μm的顆粒份量占比次之，占總數(shù)的54.73%，迎背風(fēng)面小于1 000 μm的顆粒占總數(shù)的100%。

在緊密結(jié)構(gòu)林帶25～1 000 μm顆粒分布較均勻，50和100 μm粒徑微分百分比相對較高，分別為35.61%、33.12%。此結(jié)構(gòu)林帶風(fēng)蝕粒徑小于1 000 μm的顆粒占總數(shù)的100%。

3.7 研究區(qū)不同結(jié)構(gòu)林下土壤基本理化性質(zhì)及土壤風(fēng)蝕相關(guān)性特征

通過對疏透結(jié)構(gòu)林下土壤基本理化性質(zhì)及土壤風(fēng)蝕Pearson相關(guān)性分析可知：土壤含水率和土壤持水率、全磷、全鉀及有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，pH和風(fēng)蝕量呈正相關(guān)；土壤持水率和pH負(fù)顯著相關(guān)(P<0.05)，全磷、全鉀及有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)；pH和全鉀呈負(fù)極顯著相關(guān)(P<0.01)，全氮和土壤風(fēng)蝕量呈正相關(guān)。全氮和全磷、鉀、有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，而風(fēng)蝕量呈正相關(guān)(表4)。

表4 疏透結(jié)構(gòu)林下土壤基本理化性質(zhì)及土壤風(fēng)蝕相關(guān)性

通過對通風(fēng)結(jié)構(gòu)林下土壤基本理化性質(zhì)及土壤風(fēng)蝕Pearson相關(guān)性分析可知：在此林帶結(jié)構(gòu)林下土壤含水率除全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)顯著相關(guān)(P<0.05)外，其他指標(biāo)都呈正相關(guān)；土壤持水率和pH呈正相關(guān)，全量養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)及土壤風(fēng)蝕量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤風(fēng)蝕量與全氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)顯著相關(guān)關(guān)系(表5)。

表5 通風(fēng)結(jié)構(gòu)林下土壤基本理化性質(zhì)及土壤風(fēng)蝕相關(guān)性

通過對緊密結(jié)構(gòu)林下土壤基本理化性質(zhì)及土壤風(fēng)蝕Pearson相關(guān)性分析可知：在此林帶結(jié)構(gòu)林下土壤含水率和全磷、有機(jī)質(zhì)呈負(fù)顯著相關(guān)(P<0.05)，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)；持水率和pH、全氮及風(fēng)蝕量呈正相關(guān)。持水率除了pH和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)外，其他都呈正相關(guān)；pH值與有機(jī)質(zhì)呈負(fù)顯著相關(guān)(P<0.05)、全磷和全鉀呈負(fù)相關(guān)，土壤風(fēng)蝕量和全氮呈正相關(guān)關(guān)系(表6)。

表6 緊密結(jié)構(gòu)林下土壤基本理化性質(zhì)及土壤風(fēng)蝕相關(guān)性

4 討論

防護(hù)林在水土保持與荒漠化防治方面具有非常重要的地位[11]，幾乎在任何條件下防護(hù)林都有阻緩水蝕和土壤風(fēng)蝕的作用[12]，可以減緩氣流流速，固結(jié)土壤和改良土壤，能有效地減少土壤風(fēng)蝕、沙塵暴，降塵等氣象災(zāi)害[13-14]。“適地適樹、適樹適地”是國內(nèi)外防護(hù)林樹種選擇中普遍認(rèn)同的原則[15]。選擇防護(hù)林樹種要求考慮樹種配置，樹木成活、樹木適應(yīng)性，樹木生長等對防護(hù)林防護(hù)效益的影響，另外應(yīng)考慮防護(hù)林的穩(wěn)定性或抗逆性、持久性和自然更新能力等生態(tài)要素[16-17]。防護(hù)林樹種選擇應(yīng)更加注重鄉(xiāng)土樹種，對研究區(qū)不同結(jié)構(gòu)防護(hù)林防風(fēng)效果進(jìn)行對比，疏透結(jié)構(gòu)防護(hù)林的防風(fēng)效果最佳，緊密結(jié)構(gòu)防護(hù)林次之[18-19]，說明林帶結(jié)構(gòu)直接影響其防風(fēng)效果，影響林帶結(jié)構(gòu)的因子有密度、寬度、樹種組成及配置方式等[6，20]。林帶疏透度隨造林密度和林帶寬度的增加而減小，隨造林密度和林帶寬度的減小而增加[21-23]。因此，國內(nèi)外防護(hù)林研究中，普遍認(rèn)為寬林帶緊密結(jié)構(gòu)有許多缺點(diǎn)，而趨于營造窄、疏透型或通風(fēng)型林帶[24]。許多研究結(jié)果顯示，土壤質(zhì)地與其沉積物的來源、它們之間距離的關(guān)系，土壤質(zhì)地分布與外營力動能的相關(guān)性，其分布的隨機(jī)性、結(jié)構(gòu)性、物源復(fù)雜性等之間的關(guān)系[25-27]。

本研究通過分析不同結(jié)構(gòu)林帶林土壤的粒徑分布特征，進(jìn)行采樣分析，比較不同結(jié)構(gòu)防護(hù)林土壤的粒徑以及分布特征及其生態(tài)意義。

通過對葉城縣城郊防護(hù)林樹種調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)人工栽植防護(hù)林存在一定技術(shù)障礙如下：隨著生態(tài)林樹齡壯大，滴管灌溉滿足不了樹種生長需求，需要從不同地區(qū)水源引水使用。生態(tài)林樹種單一，不間斷地發(fā)生病蟲害，受災(zāi)情況嚴(yán)重。生態(tài)林株行距過密，不利于生態(tài)林地長期發(fā)展。生態(tài)林建設(shè)區(qū)部分地區(qū)土壤開始鹽漬化，影響生態(tài)林的生長。野雞、野兔等野生動物對防護(hù)林的危害較大。

5 結(jié)論

本文通過一系列研究，探討了塔克拉瑪干沙漠西南緣綠洲城郊防護(hù)林整體防護(hù)效應(yīng)，并揭示了干旱區(qū)城郊防護(hù)林的綜合防護(hù)特征和規(guī)律，對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)干旱區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

主害風(fēng)穿過疏透結(jié)構(gòu)防護(hù)林林帶時，一部分氣流均勻穿過林帶，另一部分氣流繞過林帶，這時，在背風(fēng)林緣形成弱風(fēng)區(qū)，隨著距離的遠(yuǎn)離風(fēng)速逐漸增加，該結(jié)構(gòu)林帶防護(hù)效果較為理想。主害風(fēng)遇到通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶時，因林帶上部緊密不透風(fēng)不透光，下部易透風(fēng)透光，氣流一部分從林冠上方越過，一部分從林帶下方穿過，林帶背風(fēng)面風(fēng)速降低較少，弱風(fēng)區(qū)出現(xiàn)距離較遠(yuǎn)，隨著遠(yuǎn)離林帶，風(fēng)速逐漸增大，最容易引起土壤風(fēng)蝕。通過以上研究，主要得出以下結(jié)論：在防風(fēng)效能方面，疏透結(jié)構(gòu)林帶能夠有效降低主害風(fēng)的風(fēng)速，而且防護(hù)距離也較大，防風(fēng)效果最為明顯。在土壤風(fēng)蝕方面，疏透結(jié)構(gòu)林帶迎、背風(fēng)面風(fēng)蝕量均較少。緊密結(jié)構(gòu)林帶背風(fēng)面防風(fēng)蝕效果最好。在土壤改良方面，疏透結(jié)構(gòu)林帶存活率較低，對土壤的改良效果不明顯。