新疆托克逊县不同配置防护林的防风蚀效能

若山古丽·芒力克, 阿丽亚·拜都热拉, 蔡凯旭, 木合塔尔·扎热, 宋 敏

(1.新疆农业大学 林学与风景园林学院, 新疆 乌鲁木齐 830052; 2.新疆林业科学院, 新疆 乌鲁木齐 830092)

新疆维吾尔自治区吐鲁番市托克逊县位于中国西北干旱区新疆东南部，以“风城”而出名，每年大风日数84 d，春夏季刮风日数较多且集中，年均蒸发量远大于降水量，气候极其干旱，生态环境恶劣[1]。在每年的风季大小交通事故频发，严重影响当地居民的生命及财产安全。根据托克逊县气象台报道，2021年4月22日发生大风天气(风速达到10—12级)，往年同时间段[2]发生的灾害性大风天气中风速达到11—13级风，瞬时风速30 m/s。风蚀过程中大量的沙尘颗粒物离开土壤表面悬浮到空气中，从而出现沙尘天气[3-4]。城郊植被通过增加地表摩擦力，有效降低风速，削减风蚀强度[5-7]。研究[8]认为，人工防护林建设在防风治沙中效果显著。不同地区的气候条件和土壤性质存在差异，因此在适地适树的基础上，利用不同配置方式来得到更大的防风阻沙效能是目前防风阻沙预防危害的较好选择[9-10]。植物的防风阻沙功能分为垂直方向和水平方向两种[11]。马士龙[12]在植被覆盖度对土壤风蚀的影响机理研究中发现粗糙度与风速成负相关关系；查同刚[13]研究表明宁夏地区农田防护林覆盖度35%～45%时防风效能最佳，同时具有降温增湿及提高土壤含水量的效能；也有学者[14]认为植被覆盖度达到50%时能有效控制风蚀。增加植被覆盖度能达到降温增湿的目的，也能有效提高地表粗糙度，从而提高地表土壤抗风蚀能力。近年来托克逊县的植被覆盖度有所提高。在春夏大风天气中托克逊县内的风蚀和扬尘状况有所好转，但城郊工业区、克尔碱、小草湖等区域状况依然很严重。如何准确选用防风蚀效能较强的城郊绿化植被，合理配置并提高其防风阻沙能力已成为亟待解决的科学问题。对于新疆而言，有关这方面的研究主要集中在塔克拉玛干沙漠边缘城郊防护林的防风阻沙能力及其合理配置方面，位于吐鲁番市城郊活化沙丘附近防护林的现状评价及功能分析方面没有较系统的研究成果。本研究以新疆吐鲁番市托克逊县城郊防护林为研究对象，通过对比分析不同配置防护林迎风林缘与背风林缘的防风蚀效能，给该地区生态建设及防沙治沙提供建议，为改善生态环境方面提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为托克逊县南侧，托克逊县位于新疆维吾尔族自治区中东部，天山南麓，吐鲁番盆地西部(87°14′05″—89°11′08″E，41°21′14″—43°18′11″N)，三面为山地环绕，北边高东边低，0 m等高线穿过县城中心，向东渐低，东部最低为-125 m。吐鲁番市托克逊县属于典型大陆性暖温带荒漠气候，极端性最高温度 48 ℃，年均气温13.8 ℃，降水量5.7 mm，蒸发 量3 171.9 mm，是中国降雨量最少的地方。托克逊县素有“风城”之称，年均风速8 m/s，年均大风天数为84 d，春夏季刮风频繁，尤其是春天，这两季刮风天数占70%，秋季占25%，冬季占5%。据托克逊县安全生产监督管理局2017年数据显示，该县共有森林资源105 400 hm2，森林覆盖率4%。

1.2 试验样地的布设

根据托克逊县南侧城郊防护林配置结构，防护林树种、防护林长势、林地地势地貌，选取相对一致、树木年龄相同的林地。每片防护林的面积相等，长宽为940 m×560 m。不同配置防护林包括混交林1：胡杨(占68%)+柽柳(占32%)；混交林2：柽柳(占65%)+胡杨(占35%)；梭梭林。

在每片林地沿着中轴线，垂直风向，打两个(大小为30 m×30 m)标准样方(减少3种防护林的相互干扰林地迎风面边缘，林地背风面边缘各打一个样方)。对每个样方进行每木检尺，不同样地及植被状况详见表1。

表1 各林地概况

1.3 野外观测

野外试验于2020年3—5月，2021年3—5月分两段进行，3种不同防护林地为研究对象，在不同防护林地迎风林缘，背风林缘，在紧挨着迎背风林缘边行树木的位置设置了观测点、布设QN-FS风速廓线仪，计算林地粗糙度，同步用QN-FS风速风向仪观测近地表风速及风向，风杯观测高度分别10，50，80，120，160和200 cm，每次观测时间为1 h，每隔2 s采样1次，每30 s记录1次，不同林地大风情况下总观测时间为不少于8 h。在每个风速廓线仪布设的位置同时布设QN-JSY不同高度多通道组合式集沙仪(集沙仪高度为130 cm，5层10个集沙口，每个集沙口大小为5 cm×5 cm)，对不同垂直高度的流沙运动进行观测，把多通道集沙仪直立安装试验样地，每个通道系好布袋子。集沙量观测时间为8 h，采完样后不同垂直高度集沙通道集的沙样分开装到自封袋带回实验室称重。为了保证试验数据的准确度多次重复测量风速及集沙量，最后取平均值。

1.4 计算方法

(1) 风速标准化的计算参照文献[3]的方法，计算公式为：

(1)

式中：U′(z)是任意测点高度的标准化风速(m/s)；U(t,z)表示为t时段z高度的风速(m/s)；U迎风边缘(t0,z=2 m)表示为林地迎风边缘t0时刻2 m高的风速(m/s)；U迎风边缘(t,z=2 m)为林地迎风边缘t时刻2 m高的风速(m/s)。

(2) 防风效能的计算参照文献[7]的方法，计算公式为：

(2)

式中：E表示某一位置的防风效能(%)；U迎风边缘为表示林地迎风边缘不同位置的平均风速(m/s)；U表示林地不同位置的平均风速(m/s)。

(3) 输沙通量的计算公式参照文献[3]的方法，计算公式为：

(3)

式中：Qt为输沙通量〔g/(cm2·min)〕；Q为输沙量(g)；s为集沙面积(cm2)；t为收集持续时间(min)。

(4) 阻沙效能的计算参照文献[3]的方法，计算公式为：

(4)

式中：E′表示为阻沙效能；Q迎风边缘为林地迎风边缘的输沙量；Q为林地输沙量(g)。

(5) 近地表风速为零的高度，表现地表对气流的摩阻力。粗糙度的计算参照文献[15]的方法，计算公式为：

(5)

式中：z0为地表粗糙度；u1，u2分别为同一时刻任意不同两个高度处的风速。

2 结果与分析

2.1 风速廓线与粗糙度

不同林地内风速的垂直变化特征如图1所示。在不同林地的风速廓线拟合曲线图可以看出，风速随着距地表垂直高度的增加而增大。各林地垂直高度10 cm的风速明显降低，表明地表及地表面的植物和风速之间产生摩擦，导致风速降低；对混交林1而言，10—50 cm高度的风速降低不明显，该区主要为胡杨林，枝下高50 cm以上；50—160 cm都保持增加趋势。混交林2各垂直高度的风速削弱高于其他林地。林地植被加强地表粗糙度，从而气流受到地表的阻挡和削弱，地表对摩擦阻力随距地表垂直高度的增加而变小。根据风速廓线计算，不同林地地表粗糙度分别是混交林1为0.378 cm，混交林2为0.569 cm，梭梭林0.123 cm，各林地粗糙度高到低依次为：混交林2>混交林1>梭梭林。随着地表粗糙度增高，林地削弱风速能力增强。

图1 研究区不同林地风速廓线

2.2 起沙风速与防风效能比较

起沙风速是大气边界层的气流运动过程中，风速达到一定程度后地表的沙粒得到动力，同时脱离地表开始运动及形成扬尘现象，地表沙粒进入运动状态的那么一瞬间的风速称起沙风速[16]。观测发现混交林1的起沙风速为5. 98 m/s，混交林2的起沙风速为6.17 m/s，梭梭林的起沙风速为6.02 m/s。不同配置林地防风蚀效能比较详见表2。防风效能各不同垂直高度均表现为：混交林2>混交林1>梭梭林；各林地不同垂直高度的风速统一随着距地表垂直高度的增加而增大，背风林缘的风速均低于迎风林缘的风速，防风效能随着距地表垂直高度的增加而减少。植物高度、冠幅、形态、植被覆盖度、林地土壤地质等多种因素都影响林地防风效能。

表2 不同林地风垂直风速变化特征及防风效能

2.3 输沙量及阻沙效能比较

风蚀是加强土地荒漠化的主要原因，一般输沙量表示地表土壤的蚀积状况。植被覆盖度、植被密度、植物形态、长势、植物所在的土壤条件都会影响输沙量。不同配置防护林的输沙量及风沙流结构决定防护林的阻沙效能。

由表3可知，各林地迎风边缘的集沙量高于林地背风边缘的集沙量，阻沙效能依次为：梭梭林(48.2%)>混交林2(45.6%)>混交林1(37.1%)；0—10 cm，10—20 cm垂直高度的集沙量明显高于20—50 cm高度的集沙量，随着高度的增加阻沙量成减少趋势。

表3 不同林地平均输沙量、风沙流结构及阻沙效能

3 讨 论

由于地表植被的影响，风速廓线发生位移，这个跟植被高度和植被覆盖度有密切相关的关系[17-19]。研究[20]表明相同风速下，植被盖度对近地表风速及沙尘有显著性影响。本研究中3种防护林均建造于2015年，起初均为裸沙地造林。结合表1各林地概况，混交林1和混交林2的树种同样，但种植比例不一样，高度和地表覆盖度也有所差异，混交林1为胡杨(68%)+柽柳(32%)，胡杨的平均高度为2.76 m，柽柳的平均高度为1.38 m；混交林1的林分植被覆盖度为17%。混交林2为柽柳(65%)+胡杨(35%)，柽柳均高度为1.68 m；胡杨均高度为3.08 m，混交林2的林分植被覆盖度为21%。梭梭林均高度为1.72 m，林分覆盖度为13%。从图1可知，不同林地对风速廓线的差异。林分覆盖度越高，林地地表粗糙度越高，风与地表之间的摩擦力增大，影响林地风速廓线。冯泽深等学者在不同配置格局灌木林对风蚀影响的研究中发现，枝条茂密，盖度高，树高较高的沙柳林对风速降低作用比枝条密度低，盖度低，树高较低的柠条降低风速作用更好[21]。尚润阳[22]的研究表明人工林的防风阻沙作用与其枝株密度、盖度、高度都有关，密植灌木林的防风阻沙作用优于疏枝灌木林。本试验结果与周鑫[23]的研究结果相对一致，混交林2的植株较高、枝条茂密、地表盖度大，从而地表粗糙度较高，对风速廓线的影响明显。

植被因子在一定程度的影响起沙风速，边凯[24]表明绿洲内部起沙风频率比沙漠—绿洲过渡带降低1/2左右。还有一些学者[25-28]在研究中发现各防护林及草地都对风速有影响。3种不同防护林的起沙风速为高到低依次为：混交林2>梭梭林>混交林1>；起沙风速越高表明林地抗风蚀能力越强。因树种组成的不同，不同配置防护林的防风固沙效益有所差异[15]，不同防护林地的防风效能依次为：混交林2>混交林1>梭梭林，距地表不同垂直高度上各防护林的防风效能随林地树种的形态特征而有所变化；以上表明植被形态、覆盖度、林地土壤性质都对防风效能，起沙风速、粗糙度有影响而且具有关联性。

输沙量一定程度上反映林地土壤地质，输沙量是近地表土壤在外力作用下搬运的重量；植被形态、覆盖度、林地土壤性质都对输沙量有影响；各林地背风边缘的输沙量都比林地迎风边缘的输沙量，同时0—10，10—20 cm高度的输沙量较多；随距地表垂直高度的增加而输沙量减少。混交林2在40—50 cm高度的输沙量为0，阻沙效能也较好，其跟林地覆盖度、树高、粗糙度有关。梭梭林的防风效能最差但阻沙效能最好，因为梭梭林种植密度较高。这一研究结果与郭树江[29]，董治宝等[30]学者研究植被覆盖度对风沙流输沙量的影响结果相对一致。

4 结 论

(1) 不同配置防护林的风速廓线、地表粗糙度、起沙风速都存在差异。柽柳(65%)+胡杨(35%)的混交林粗糙度、起沙风速以及防风效能均高于其他防护林，防土壤风蚀效果最好。

(2) 集沙量在0—10，10—20 cm垂直高度上占比较高，阻沙效能依次为：梭梭林(48.2%)>柽柳(65%)+胡杨(35%)的混交林(45.6%)>胡杨(68%)+柽柳(32%)的混交林(37.1%)，梭梭林对于距地表高度20 cm以下的防护效果较好。

(3) 通过比较防护林迎风林缘与背风林缘防风蚀特征，背风林缘输沙量明显低于迎风林缘输沙量，说明防护林起到很好的防御效果。