寧夏鹽池鹽池沙地農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)阻沙效能研究

寧夏鹽池鹽池沙地農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)阻沙效能研究

土壤物理侵蝕是環(huán)境惡化和土壤肥力下降的主要原因之一。世界上每年因不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)而受損約1200萬hm的耕地。土壤資源管理的損失嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)受土壤風(fēng)蝕及土地沙漠化影響主要集中在北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū),其中北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶對(duì)環(huán)境變化極為敏感,加上土地承載力與人口增長(zhǎng)的矛盾,使得這一地區(qū)成為風(fēng)蝕最嚴(yán)重和最難治理的地區(qū)。干旱半干旱區(qū)的防護(hù)林體系是用以改善沙區(qū)生產(chǎn)生活環(huán)境、農(nóng)田小氣候、防止風(fēng)蝕及由風(fēng)蝕引起的危害農(nóng)作物生長(zhǎng)的災(zāi)害性因子的生態(tài)林分。在干旱半干旱風(fēng)沙區(qū),農(nóng)田防護(hù)林的主要功能是防風(fēng)阻沙,減少風(fēng)蝕。林種結(jié)構(gòu)一般分為林帶、林網(wǎng)、片林等配置形式,由于所處立地條件各異,各地有針對(duì)性地設(shè)計(jì)不同類型的防護(hù)林。本文通過對(duì)寧夏鹽池旱作農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)阻沙效能的實(shí)地觀測(cè),分析了鹽池沙區(qū)現(xiàn)有典型農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)效能及阻沙效應(yīng),并對(duì)該區(qū)各類農(nóng)田防護(hù)林進(jìn)行了功能評(píng)價(jià),以期為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田防護(hù)林建設(shè)提供技術(shù)支撐。1陰山山地南緣干草原區(qū)試驗(yàn)地選在寧夏鹽池縣王樂井鄉(xiāng)官灘村。鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部,地理坐標(biāo)北緯37°04′～38°10′,東經(jīng)106°30′～107°41′。自然地理上,其北與毛烏素沙地相連,南靠黃土高原,屬于一個(gè)典型的過渡地帶,即自南向北地貌上是從黃土高原向鄂爾多斯臺(tái)地(沙地)過渡地帶;氣候上是從半干旱區(qū)向干旱區(qū)的過渡地帶;植被上是從干草原向荒漠草原的過渡帶;在資源利用上是從農(nóng)區(qū)向牧區(qū)過渡地帶—農(nóng)牧交錯(cuò)帶。這種過渡性造成了本縣自然資源的多樣性和景觀生態(tài)的脆弱性等特點(diǎn)。2生態(tài)效益觀測(cè)2006年4月28日～5月20日,在研究區(qū)域內(nèi),選擇灌木片林、農(nóng)田邊緣人工沙柳林帶、典型的喬木農(nóng)田防護(hù)林帶和林網(wǎng)進(jìn)行防風(fēng)效益觀測(cè)。同時(shí),選擇旱作農(nóng)田、流動(dòng)沙地、稀疏沙質(zhì)草場(chǎng)進(jìn)行起沙風(fēng)速觀測(cè)。觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)在灌木林帶、喬木林帶走向的中垂線上,在迎風(fēng)面10H、5H、3H、1H處,背風(fēng)面1H、3H、5H、7H、10H、15H處;灌木片林距迎風(fēng)面7H、5H、3H、1H處和背風(fēng)面1H、3H、5H、7H、10H處;對(duì)照點(diǎn)風(fēng)速觀測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)在空曠農(nóng)田中心處和荒草地上。2.1林分及覆蓋度該林分為25年生的小葉錦雞兒(CaraganaMicrophyllaL.)純林,南北長(zhǎng)約500m,東西寬約150m,平均樹高2.5m,平均冠幅為4.0m×4.0m,林分覆蓋度約為50%;林內(nèi)地面有少量賴草(LeymussecalinusTzvel.)分布,平均蓋度小于10%;林地平坦開闊,西面為空曠裸露的沙質(zhì)草場(chǎng),東面是新開墾的農(nóng)田。2.2林分密度和樹高生長(zhǎng)情況白榆(UlmuspumilaL.)林帶,呈東北西南走向,帶長(zhǎng)200m,林帶寬32m,株行距為4m×4m,平均胸徑為22cm,平均冠幅為7.5m×8.0m,平均樹高12m,30年生,整個(gè)林帶平均枝下高2.5m。林帶林相不整齊且多處存在缺口;觀測(cè)期間林帶的疏透度為0.6,屬于透風(fēng)結(jié)構(gòu)。2.3灌木林帶h.y.期沙柳(SalixpsammophilaC.WangetCh.Y.Yang)灌木林帶呈東北西南走向,帶寬2.5m,高2.8m;單行構(gòu)成,疏透度0.65,屬于透風(fēng)結(jié)構(gòu)。林帶周圍方圓500m內(nèi)為平坦開闊的沙質(zhì)旱作農(nóng)田,農(nóng)田內(nèi)沒有任何覆蓋。2.4比較點(diǎn)在離觀測(cè)點(diǎn)500m以外,選擇地勢(shì)平坦開闊的空曠裸露沙質(zhì)農(nóng)田和沙質(zhì)草場(chǎng)。距離上符合對(duì)照觀測(cè)要求。3內(nèi)容和方法的研究3.1腦的處理用數(shù)碼照相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝林帶縱斷面圖,在室內(nèi)把圖象輸入電腦,用Photoshop7.0軟件進(jìn)行處理。其計(jì)算公式為:β=aA×100%β=aA×100%式中,A為林分垂直斷面上的投影總面積,a為斷面上透光空隙的面積。3.2風(fēng)速觀測(cè)采用美國(guó)產(chǎn)HOBO多通道自記風(fēng)速儀。觀測(cè)高度為距地面0.5m、2.0m同時(shí)觀測(cè),每5min讀取一次數(shù)據(jù),每10次取其平均值。3.3砂速采用中國(guó)天津產(chǎn)手持DEM—6型三杯風(fēng)向風(fēng)速表(精度在0.2m/s),觀測(cè)點(diǎn)距離地面垂直高度為2m處的風(fēng)速,同時(shí)記錄地面起沙情況。3.4風(fēng)壓密度的在線復(fù)雜性采用插桿法,木桿上有刻度,用前一次觀測(cè)值減去后一次觀測(cè)值的計(jì)算結(jié)果來判斷地面蝕、積狀況:如果為負(fù)數(shù),則表示風(fēng)蝕量,正數(shù)則為阻積沙量,零則蝕阻平衡。沿林帶、林網(wǎng)和片林走向的中垂線,從林帶、林網(wǎng)主林帶和片林的迎風(fēng)面10H處開始設(shè)3條平行線,在線上每隔2m布一個(gè)點(diǎn)一直進(jìn)入植被內(nèi)部并且延伸到背風(fēng)面15H處。在整個(gè)試驗(yàn)期間每次大風(fēng)前后記錄標(biāo)桿刻度,用以計(jì)算積、蝕量,取3條線上的平均值。3.5調(diào)查能計(jì)算公式為了便于與土壤起沙風(fēng)速作比較,以距地面2m高度的風(fēng)速為準(zhǔn)來確定防風(fēng)效能。其計(jì)算公式為:Ex=μ0?μxμ0×100%Ex=μ0-μxμ0×100%式中,Ex是林帶附近距離為x、高度為2m處防風(fēng)能,μ0為觀測(cè)高度為2m處對(duì)照點(diǎn)的平均風(fēng)速,μx距林帶x、高2m處的平均風(fēng)速。4結(jié)果與分析4.1稀疏沙草場(chǎng)生長(zhǎng)與生態(tài)關(guān)系從對(duì)春季風(fēng)沙活動(dòng)觀測(cè)得到的表1中可看出,旱作農(nóng)田、流動(dòng)沙地、稀疏沙質(zhì)荒草場(chǎng)的起沙風(fēng)速分別為4.53m/s、4.88m/s、5.17m/s。顯然稀疏沙質(zhì)草場(chǎng)的起沙風(fēng)速大于旱作農(nóng)田和流動(dòng)沙地的起沙風(fēng)速,其差異產(chǎn)生的原因主要是下墊面性質(zhì)不同所致:裸露農(nóng)田缺少保護(hù),土壤結(jié)構(gòu)松散、顆粒細(xì)小、質(zhì)地較輕,容易受到風(fēng)蝕;稀疏沙質(zhì)草場(chǎng)相對(duì)于旱作農(nóng)田和流動(dòng)沙地,其地表粗糙度較大,植被對(duì)地面起了保護(hù)作用,增大了起沙風(fēng)速。鹽池縣王樂井鄉(xiāng)大量分布著這樣的裸露農(nóng)田、流動(dòng)沙地、稀疏沙質(zhì)草地景觀,它們是該區(qū)域產(chǎn)生風(fēng)沙的物質(zhì)基礎(chǔ)。4.2防雨防護(hù)性能4.2.1林分結(jié)構(gòu)參數(shù)沙區(qū)農(nóng)田防護(hù)林的防護(hù)效益主要表現(xiàn)在冬春季節(jié)對(duì)抑制農(nóng)田土壤風(fēng)蝕發(fā)揮作用。通過觀測(cè),典型防護(hù)林帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為:白榆防護(hù)林帶的疏透度為0.6,透風(fēng)系數(shù)為0.71;沙柳林帶的疏透度為0.65,透風(fēng)系數(shù)為0.74?？梢钥闯?兩種林帶均屬于高度透風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶,而灌木片林,由于林分寬度大,則不能用疏透度來描述其結(jié)構(gòu)特性,測(cè)得的透風(fēng)系數(shù)為0.25,相當(dāng)于緊密結(jié)構(gòu)。4.2.2林內(nèi)和背風(fēng)面位置的陣風(fēng)鋒由表2可以看出,小葉錦雞兒片林迎風(fēng)面距林緣1H～10H范圍內(nèi)的平均防風(fēng)效能為21.7%,但從風(fēng)速分布看,地表仍處在風(fēng)蝕狀態(tài);在林內(nèi)距迎風(fēng)緣1H～7H范圍內(nèi)的平均防風(fēng)效能為54.1%,3H處的風(fēng)速即可降到起沙風(fēng)速以下。在背風(fēng)面距背風(fēng)緣1H～10H范圍內(nèi)的平均防風(fēng)效能為33.6%,但在5H以后風(fēng)速可達(dá)到起沙風(fēng)速。因此,可以看出片林的有效防護(hù)范圍主要在林內(nèi)和背風(fēng)面1H～3H內(nèi)。背風(fēng)面的有效防護(hù)范圍較小與片林的高度和參差不齊的林緣有關(guān)。4.2.3平均防風(fēng)效能由表3可以看出,沙柳林帶迎風(fēng)面距林緣1H～3H范圍內(nèi)的平均防風(fēng)效能為8.5%;在背風(fēng)面距1H～10H范圍內(nèi)的平均防風(fēng)效能為13.5%。從風(fēng)速減低的程度看,迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)速都處于起沙風(fēng)速以上。因此,可以看出這種結(jié)構(gòu)的沙柳林帶對(duì)農(nóng)田不能形成有效防護(hù)。4.2.4平均防風(fēng)效能由表4可以看出,白榆林帶迎風(fēng)面距林緣1H～5H范圍內(nèi)的平均防風(fēng)效能為7%,但防護(hù)效能最好也只有11%;在背風(fēng)面距1H～10H范圍內(nèi)的平均防風(fēng)效能為14%,從風(fēng)速減低的程度看,背風(fēng)面1H～5H處在有效防護(hù)范圍內(nèi)。然而,林帶背風(fēng)面1H～10H范圍內(nèi)的整體防風(fēng)效能偏低,林帶的有效防護(hù)范圍狹窄,這主要是林帶的殘缺不齊嚴(yán)重影響了防護(hù)林的防風(fēng)效益。4.2.5積沙特征比較從圖1和表5可以看出,沙柳林帶迎風(fēng)面2H處開始有積沙,但積沙量?jī)H占10.6%,越靠近林帶積沙量呈現(xiàn)增加趨勢(shì),在林帶的背風(fēng)面1H～3H處積沙量最大,背風(fēng)面積沙量占總量的75.6%;白榆林帶迎風(fēng)面3H處開始有積沙,但積沙量?jī)H占18.5%,越靠近林帶積沙量呈現(xiàn)增加趨勢(shì),在林帶的背風(fēng)面1H～3H處積沙量最大,背風(fēng)面積沙量占總量的70.2%。兩種林帶總的積沙特征相似,都是林帶背風(fēng)面大量積沙,說明現(xiàn)存的兩類林帶作為農(nóng)田防護(hù)林未能把風(fēng)沙流中的來沙阻擋在農(nóng)田以外,已不能有效發(fā)揮應(yīng)有的作用。片林在迎風(fēng)面1H～3H范圍內(nèi)的阻沙量為14.3%,而且在1H處積沙量開始急增。進(jìn)入林緣內(nèi)部的1H～3H范圍內(nèi)出現(xiàn)的積沙量最大;在1H～7H范圍內(nèi),積沙量的分布隨著風(fēng)速的降低也逐漸減少,林內(nèi)積沙量占總量的85.7%,說明片林阻沙量的分布范圍大,且主要分布在林內(nèi)。5防護(hù)林防沙能力分析稀疏沙質(zhì)草場(chǎng)的起沙風(fēng)速大于旱作農(nóng)田和流動(dòng)沙地的起沙風(fēng)速,其差異產(chǎn)生的原因主要是下墊面性質(zhì)不同所致。旱作農(nóng)田、流動(dòng)沙地、稀疏沙質(zhì)荒草場(chǎng)的起沙風(fēng)速分別為4.53m/s、4.88m/s、5.17m/s。在背風(fēng)面距背風(fēng)緣1H～10H范圍內(nèi),白榆林帶和沙柳林帶的防風(fēng)效能分別為14%、13.5%,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小葉錦雞兒片林33.6%的防風(fēng)效能。防護(hù)林結(jié)構(gòu)不同造成防護(hù)林之間防風(fēng)效能存在較大差異。白榆林帶和沙柳灌木林帶的疏透度很大,均在0.6以上,尤其是林帶的透風(fēng)系數(shù)均在0.7以上,這種高度透風(fēng)的林帶結(jié)構(gòu)是其防風(fēng)阻沙效益低下的直接因素。3種防護(hù)林在觀測(cè)期間的防風(fēng)阻沙效能存在顯著的差異,其平均阻沙量:片林為2.90mm/m2、白榆林帶為0.94mm/m2、沙柳林帶為2.50mm/m2;積沙形態(tài)也不同:片林迎風(fēng)面3H處開始出現(xiàn)沉降沙粒,迎風(fēng)面沉降量約占總沉降量的14.3%,即片林的積沙量主要集中在林緣前部;白榆林帶在迎風(fēng)面1H處開始出現(xiàn)沉降沙粒積沙,在林帶距迎風(fēng)林緣1H處的區(qū)域出現(xiàn)積沙量最大;沙柳林帶在迎風(fēng)面1H處的范圍內(nèi)開始出現(xiàn)積沙現(xiàn)象,而且越靠近林帶積沙量呈增