趙亞沖,鄧嵐,王雄,董榮榮,周正立,3*

(1 塔里木大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)(2 塔里木大學(xué)園藝與林學(xué)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)(3 塔里木盆地生物資源保護(hù)利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,新疆 阿拉爾 843300)

荒漠綠洲過(guò)渡帶指荒漠生態(tài)系統(tǒng)和綠洲生態(tài)系統(tǒng)之間的生態(tài)接觸帶[1],由于分布在降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、風(fēng)沙活動(dòng)頻繁、生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干旱地區(qū),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(qū)域生態(tài)安全,而且對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)及發(fā)展也產(chǎn)生巨大威脅。農(nóng)田防護(hù)林作為抵御農(nóng)作物遭受自然災(zāi)害的重要屏障,對(duì)保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、防治風(fēng)沙和改善田間小氣候具有重要作用[2]。同時(shí),林帶的阻擋可使氣流發(fā)生紊亂和抬升,在林后形成一定的降風(fēng)區(qū)域,從而達(dá)到防治風(fēng)沙、保障綠洲生態(tài)安全的目的[3]。因此,研究防護(hù)林生態(tài)功能效益對(duì)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定具有重要意義[4]。

新疆楊(PopulusalbaL.varpyramidalis)是南疆各綠洲最為常見(jiàn)的鄉(xiāng)土樹(shù)種之一,因具有耐鹽、耐寒、耐旱和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),在南疆農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)的配置中占據(jù)很大比例[5],對(duì)構(gòu)建農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)屏障和改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全具有重要意義[6]。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)綠洲農(nóng)田防護(hù)林的研究多集中在疏透度[7]、樹(shù)種配置[8]、林帶高度[9]、林下植物多樣性[10]等方面,對(duì)防護(hù)林林帶結(jié)構(gòu)因子與防風(fēng)效能的關(guān)系研究較少。因此,為進(jìn)一步掌握影響南疆新疆楊防護(hù)林防護(hù)效益的關(guān)鍵因子,本研究通過(guò)空間多點(diǎn)觀測(cè)分析新疆楊防護(hù)林不同防護(hù)高度及距離的防風(fēng)效能,揭示影響新疆楊防護(hù)林發(fā)揮防護(hù)作用的主要因素,以期為新疆楊防護(hù)林的建設(shè)與維護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)狀況

試驗(yàn)區(qū)位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)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(diǎn),晝夜溫差大,土壤類型以沙土為主,風(fēng)沙危害較為嚴(yán)重,主風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)向,年平均風(fēng)速1.9 m/s,最大風(fēng)速28 m/s,8級(jí)以上大風(fēng)10～30 d。農(nóng)田防護(hù)林主要以新疆楊和胡楊(Populuseuphratica)純林為主,主要種植農(nóng)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(shè)置

在對(duì)試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田防護(hù)林進(jìn)行踏查的基礎(chǔ)上,選擇8條以新疆楊為造林樹(shù)種且具有代表性的林帶,參考關(guān)文彬等[11]調(diào)查方法,采用標(biāo)準(zhǔn)地法對(duì)所選防護(hù)林帶進(jìn)行每木檢尺,調(diào)查植物株高、冠幅、胸徑、株行距、行數(shù)等指標(biāo)。林帶基本概況見(jiàn)表1。

表1 防護(hù)林基本概況

2.2 疏透度計(jì)算

使用數(shù)碼相機(jī)沿主林帶中垂線方向合適位置拍攝正立面圖片,通過(guò)Photoshop 2021軟件處理后,采用加權(quán)平均法計(jì)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(xué)者的研究方法[13-15],根據(jù)防護(hù)林的疏透度將防護(hù)林分為稀疏型、疏透型和通風(fēng)型3種結(jié)構(gòu)類型。林帶結(jié)構(gòu)具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為稀疏型結(jié)構(gòu)疏透度為30%～50%,枝葉稀疏,樹(shù)冠層上下分布有均勻的空隙;疏透型結(jié)構(gòu)疏透度為50%～60%,樹(shù)冠層稀疏,干層空隙較大;通風(fēng)型結(jié)構(gòu)疏透度為60%以上,林冠層緊密,林干層有大的通風(fēng)孔。

2.3 相對(duì)風(fēng)速與防風(fēng)效能

選擇大風(fēng)天氣,使用四合一風(fēng)速儀同時(shí)測(cè)定林網(wǎng)不同位置的瞬時(shí)風(fēng)向風(fēng)速。其中垂直梯度上測(cè)定0.5 m、1.5 m、2.0 m 3個(gè)高度,水平梯度上測(cè)定背風(fēng)面距離林緣0H、1H、3H、5H、7H 5個(gè)距離(H為林帶高度,此處代表測(cè)量點(diǎn)與林緣的垂直距離)。以空曠平坦的沙地為對(duì)照,每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量16次,通過(guò)下式計(jì)算林帶的相對(duì)風(fēng)速[16]與防風(fēng)效能[17]:

在合肥這些年，總是不適，可也到底說(shuō)不好，究竟怎么了。等到一次次回到小城，方才恍然，合肥這座城市唯一的遺憾是缺少水系，干澀而無(wú)靈性。許多年以后，借一次出差的機(jī)會(huì)，我們開(kāi)車來(lái)到宣城，那種水田漠漠的溫潤(rùn)感剎那間擊中了我，直想大哭。原來(lái)，待在合肥這么多年的喑啞感，終于找到了原因。

V=V1/V0

(2)

E=(V0-V1)/V0

(3)

式(2)、式(3)中,V為相對(duì)風(fēng)速,E為防風(fēng)效能,V1為林帶內(nèi)風(fēng)速,V0為裸地中相同高度的曠野風(fēng)速。

2.4 防護(hù)林防護(hù)效益

采用隸屬函數(shù)法,通過(guò)極差歸一的標(biāo)準(zhǔn)化方式對(duì)防護(hù)林結(jié)構(gòu)因子、防風(fēng)效能指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理,按照式(4)計(jì)算各林帶在不同指標(biāo)中的具體隸屬函數(shù)值(Xu);對(duì)于防護(hù)林防護(hù)效果的負(fù)向指標(biāo)則使用反隸屬函數(shù)計(jì)算Xu,如式(5)所示。然后根據(jù)林帶各指標(biāo)的變異系數(shù)在所有測(cè)定指標(biāo)變異系數(shù)之和中的占比來(lái)確定各指標(biāo)所占的權(quán)重系數(shù)[18]。根據(jù)各指標(biāo)隸屬函數(shù)值與權(quán)重系數(shù)乘積之和計(jì)算各林帶的綜合隸屬函數(shù)D值。D值越大,防護(hù)林綜合防護(hù)效益越高。

(4)

(5)

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

2.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算各指標(biāo)綜合隸屬函數(shù)D值,采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析,采用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 防護(hù)林防風(fēng)效應(yīng)

表2 新疆楊防護(hù)林結(jié)構(gòu)類型劃分

表3 新疆楊防護(hù)林帶相對(duì)風(fēng)速分布

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

3.2 不同林帶結(jié)構(gòu)類型對(duì)防風(fēng)效能的影響

不同結(jié)構(gòu)類型防護(hù)林帶的防風(fēng)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(hù)林防風(fēng)效能隨防護(hù)距離的增加均表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)。其中0.5 m高度處,相同防護(hù)距離下的防風(fēng)效能表現(xiàn)為稀疏型>疏透型>通風(fēng)型,并且在0H、3H處,稀疏型防風(fēng)效能顯著大于疏透型與通風(fēng)型。而1.5 m高度處,稀疏型防護(hù)林防風(fēng)效能在0H、1H處顯著高于疏透型,在1H、3H處顯著高于通風(fēng)型;其他防護(hù)距離處防風(fēng)效能則無(wú)顯著差異。2.0 m高度處,隨防護(hù)距離的增加,通風(fēng)型防護(hù)林防風(fēng)效能呈“降-升-降”的趨勢(shì),稀疏型呈“先降后升”的趨勢(shì),疏透型則表現(xiàn)出“逐漸下降”的趨勢(shì);稀疏型防護(hù)林防風(fēng)效能僅在1H、3H處顯著大于通風(fēng)型,其他防護(hù)距離處3種類型防護(hù)林防風(fēng)效能無(wú)顯著差異。

不同小寫(xiě)字母表示不同結(jié)構(gòu)類型防護(hù)林防風(fēng)效能間差異顯著(P<0.05)。

3.3 不同防護(hù)林林后防風(fēng)效能分析

對(duì)試驗(yàn)區(qū)8條防護(hù)林帶防風(fēng)效能進(jìn)行分析,結(jié)果表明就同一防護(hù)林而言,不同的防護(hù)高度與距離,防風(fēng)效能不同。由表4可知,在0.5 m高度處,隨防護(hù)距離的增加,各林帶防風(fēng)效能變化趨勢(shì)一致,均呈“逐漸降低”的趨勢(shì)。其中林帶Ⅲ、Ⅴ(稀疏型)在0H、1H處防風(fēng)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(fēng)型)在0H、1H處防風(fēng)效能最小,分別為47.98%、44.34%。

表4 0.5 m高度處不同防護(hù)距離防風(fēng)效能比較

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

表5 1.5 m高度處不同防護(hù)距離防風(fēng)效能比較

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

表6 2.0 m高度處不同防護(hù)距離防風(fēng)效能比較

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

表7 各防護(hù)林帶不同防護(hù)距離處防風(fēng)效能比較

3.4 防護(hù)林防風(fēng)效能與林帶結(jié)構(gòu)因子相關(guān)性

由表8可知,防護(hù)林防風(fēng)效能與各林帶結(jié)構(gòu)因子間均存在一定的相關(guān)性關(guān)系。其中防風(fēng)效能與樹(shù)高、胸徑、林帶行數(shù)、冠幅呈正相關(guān),與防護(hù)林密度、疏透度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明新疆楊防護(hù)林樹(shù)高、胸徑、冠幅的增加能夠提高防風(fēng)效能。

表8 防風(fēng)效能與林帶結(jié)構(gòu)因子相關(guān)性

3.5 隸屬函數(shù)對(duì)8種林帶排序結(jié)果

將防護(hù)林林帶結(jié)構(gòu)因子、不同防護(hù)距離防風(fēng)效能采用極差歸一的標(biāo)準(zhǔn)化方式無(wú)量綱化,并計(jì)算隸屬函數(shù)D值。以D值的大小代表新疆楊防護(hù)林的綜合防護(hù)效益,D值越大,防護(hù)林綜合防護(hù)效益越高。由表9可知,8條新疆楊防護(hù)林綜合防護(hù)效益隸屬函數(shù)值在0.097～0.770之間,表現(xiàn)為Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅶ>Ⅷ>Ⅱ>Ⅵ>Ⅰ。林帶Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ隸屬函數(shù)值在0.50以上,綜合防護(hù)效益較好;林帶Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ隸屬函數(shù)值分別為0.097、0.287和0.159,結(jié)合林帶Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ的林帶結(jié)構(gòu)因子,分析可知3條林帶疏透度過(guò)大,會(huì)影響防護(hù)林的防護(hù)效果。

4 討論

防護(hù)林是以發(fā)揮樹(shù)林的各種防護(hù)效益為目的而營(yíng)建的人工林[19],包括農(nóng)田防護(hù)林、海岸防護(hù)林、公路防護(hù)林等,其作用是防止或減緩受保護(hù)區(qū)域?yàn)閻毫迎h(huán)境所影響。稀疏型防護(hù)林冠層分布更均勻,由于枝葉摩擦,阻擋氣流通過(guò)時(shí)更易在冠層間形成亂流,更多的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為樹(shù)干搖動(dòng)的動(dòng)能,風(fēng)速顯著降低。通風(fēng)型防護(hù)林可能因?yàn)楣趯优c林下干層空隙過(guò)大,對(duì)氣流起到的阻礙有限,風(fēng)速降低效果相對(duì)較差。疏透型防護(hù)林相較于通風(fēng)型,冠層更為緊密,氣流通過(guò)時(shí)在樹(shù)干層與冠層上方形成2條氣流通路,冠層上方形成高風(fēng)速區(qū),下方氣流較平穩(wěn)地穿過(guò)干層,形成渦旋與高速區(qū),防護(hù)距離增加[13]。

本研究結(jié)果表明,防護(hù)林防風(fēng)效果受林帶結(jié)構(gòu)類型的影響顯著,稀疏型、疏透型、通風(fēng)型林帶防風(fēng)效能依次減弱,與張延旭[20]研究結(jié)果一致。本研究中,防護(hù)林防風(fēng)效能受林帶高度、疏透度、密度等多種因素影響,相關(guān)性分析表明,疏透度和胸徑與防風(fēng)效能的相關(guān)性高于其他因子,譚芳林等[21]研究林帶防風(fēng)效能得出林帶結(jié)構(gòu)因子對(duì)基干林帶防風(fēng)效能貢獻(xiàn)依次表現(xiàn)為胸徑>冠幅>樹(shù)高>林帶前地貌>密度>枝下高>林帶寬度,與本研究結(jié)果相似。隸屬函數(shù)分析也表明8條林帶中林帶Ⅲ、Ⅴ綜合防護(hù)效益最高,通過(guò)對(duì)比各林帶結(jié)構(gòu)因子,林帶Ⅲ、Ⅴ疏透度分別為48.3%、44.2%,與王雄[22]對(duì)防風(fēng)效能的研究結(jié)果相似,與段娜等[13]所研究的防護(hù)林防風(fēng)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(jié)合相關(guān)性分析說(shuō)明,胸徑是影響防護(hù)林發(fā)揮防護(hù)效果的重要因素,這與尤龍輝等[23]研究海岸林帶防護(hù)林結(jié)果相似,但與楊雨春等[16]認(rèn)為防風(fēng)效能與防護(hù)林胸徑呈負(fù)相關(guān)的研究結(jié)果不同,造成這種差異可能與防護(hù)林樹(shù)種組成、配置方式和林齡等綜合因素對(duì)防護(hù)效果存在影響有關(guān)。

5 結(jié)論

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

將本研究結(jié)論結(jié)合防護(hù)林基本概況可知,阿拉爾一些新疆楊防護(hù)林存在密度較大的問(wèn)題,應(yīng)加強(qiáng)修枝打叉以及合理疏伐等撫育工作以提高防風(fēng)效益。