新疆莫索湾垦区150团防护林防护效益分析

尚白军， 吴书普， 周智彬， 宋春武， 郑博文

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所，国家荒漠-绿洲生态建设工程技术研究中心，830011，乌鲁木齐；2.中国科学院新疆生态与地理研究所莫索湾沙漠研究站，832000，新疆石河子；3.中国科学院新疆生态与地理研究所塔克拉玛干沙漠研究站，841000，新疆库尔勒；4.中国科学院大学，100049，北京)

荒漠绿洲作为荒漠生态系统的重要组成部分[1]，由于其分布的区域气候干旱、风沙活动频繁[2]，是干旱区最为敏感的地区[3]。在生态环境脆弱的干旱半干旱地区，防护林的建设与维护对改善绿洲生产生活环境、农田小气候、防止风沙侵蚀具有重要作用[4]；因此对干旱区防护林的研究对于评估该地区生态系统和环境变化有着重要意义[5]。疏透度可以作为防护林防护效益的评价指标，测量疏透度的方法包括目测法、照相法、概率估计法等[6]，但是这些方法操作性难且不稳定。为更准确测量林带疏透度，众多学者采用“光学相机”和“数字图像处理”相结合的方法[7-8]，实现林带疏透度较精确的定量化测定[9]。疏透度是最直观的林带结构参数[10]，近年也有学者认为透风系数能反映林带对风的削弱作用[11-13]。姜凤岐等[14]用数字图像处理法测定东北西部典型杨树林带的疏透度，并构建疏透度与林带结构因子相关的主导因子模型；杜鹤强等[15]探究西北防护林的防风效能，并给出防护林郁闭度与地面粗糙度之间的函数关系式；刘江等[16]分析植株侧影面积、冠幅与疏透度之间的关系，结果表明植株冠幅与侧影面积呈显著正相关关系，而植株疏透度与冠幅与侧影面积相关性不显著；胡喜生等[17]研究疏透度与降低噪音之间的相关关系，结果表明疏透度与降低噪音效果之间具有显著的负相关关系。防护林的构建对干旱区绿洲农业、经济的发展具有重要意义，而防护林树种的选择、种植密度影响着干旱区生态服务功能的可持续性。笔者用疏透度评估研究区防护林的防风固沙效益，用郁闭度(盖度)评估研究区防护林的种植是否合理，不仅可以了解150团防护林的构建状况，也能为增加防护林防风固沙效益、降低土壤侵蚀，提高防护林水土保持功能提供科学依据和数据支撑。

1 研究区概况

150团地处天山北麓，位于准噶尔盆地南部，包括22个行政单位(21个连部、1个团部)。场区南北长33.57 km，东西宽17.66 km，全团森林覆盖率为38%，海拔346～358.8 m，年均冻土深度为0.96 m，最大冻深1.25 m。平均气温6.1 ℃(最高气温43.1 ℃，最低气温-42.8 ℃)，年平均降水量117 mm，年平均蒸发量1 945 mm，蒸发量为降水量的16倍，属于典型的干旱半干旱大陆气候。团场地势由东南向西北倾斜，土壤以灰漠土为主，占全团面积的67.7%，植物以胡杨(Populuseuphratica)、榆树(Ulmuspumila)、沙拐枣(Calligonummongolicum)、梭梭(Haloxylonammodendron)、柽柳(Tamarixchinensis)、骆驼刺(Alhagisparsifolia)为主。

2 材料与方法

2.1 数据采集与处理

2019年7—8月，对150团垦区进行野外调查，并用GPS定位。在莫索湾150团林业部门工作人员的指导下，选取不同种植年限(10年、20年、30年)、不同种植类型(胡杨、榆树、梭梭等)且生长良好的防风固沙林、防风阻沙基干林、农田防护林、人居绿化防护林做每木检尺，共观测90条林带(内部乔木43条、外部灌木47条)。每个林带连续测量15株树木，记录树木胸径、株高、冠幅、枝下高等数据(图1)，并拍摄林带照片，用于计算疏透度。拍摄距离根据林带高度、林带长度进行适当调整，拍摄时需注意塔尺、林带树冠、林带树干均应出现在照片中，且要保证塔尺垂直于地面。在SPSS 21中对数据进行描述性统计分析；在ArcGIS 10.2中对内部乔木郁闭度和外部灌木盖度进行趋势分析；在ENVI 5.2 中计算疏透度。

图1 内部乔木和外围灌木采样点Fig.1 Sampling points of internal trees and peripheral shrubs

2.2 疏透度的计算

疏透度与防护林的防护效应密切相关，并且认为其值在0.25～0.40防护效益最大[14,18]，也是判断林带结构优劣的指标之一[19]，利用ENVI 5.2记录林带各像元数，并依据公式计算疏透度。

(1)

(2)

S=((H-h)S′+hS″)/H，

(3)

式中：S为疏透度；S′为树冠疏透度；S″为树干疏透度；Pguan为林带冠层填充像元数，个；Pguanzong为林冠总的像元数，个；Pgan为林干填充的像元数，个；Pganzong为林干总的像元数，个；H为林带平均树高，m；h为平均枝下高，m。

3 结果与分析

3.1 150团植被资源基本统计

对150团下属各行政单位的林地面积、覆盖率和人均林地占有量进行统计分析(表1和表2)。由表1可见，150团各行政单位林地面积、人均林地占有量的变异系数(CV)分别为64.61%和87.89%，表明两者处于中等程度变异(10%100%)，表明各行政单位林地覆盖度差异较大。林地面积均值为57.42 hm2，5连林地面积最小，为5.73 hm2，22连林地面积最大，为162.33 hm2。覆盖度均值为5.42%，5连覆盖度最低，仅为0.1%，团部覆盖度最高，为43.98%。人均林地占有量均值为0.095 hm2/人，团部人均林地占有量最少，仅为0.015 hm2/人，7连人均林地占有量最多，高达0.44 hm2/人。农田林网化均值为68.29%，14连农田林网化最低(指农田四周受林带保护面积与农田总面积积之比)，仅为35%，良繁2连最高，为100%，各行政单位农田林网化变异系数为24.97%，属中等程度变异。

表1 150团各行政单位林地资源描述性统计Tab.1 Descriptive statistics of forestland resources in administrative units of Regiment 150

表2 150团林地资源统计Tab.2 Forestland resources statistics of Regiment 150

3.2 防护林疏透度

150团南部地区防护林呈良性发展趋势，为进一步了解防护林防风固沙效益，笔者进一步选用疏透度和郁闭度2个指标评估团场防护林防风固沙效益。在ENVI 5.2 中利用像元个数计算各林带疏透度(表3和图2)。由表3可知，不同林带疏透度也存在显著差异，疏透度最小为0.1，最大为0.9。已有研究[18-19]表明，防护林疏透度在0.25～0.40之间，防护效益最大。由表3可见，疏透度>0.40的防护林数量较多，占总数的1/2，0.25～0.40之间的数量仅占总数的1/4，表明150团南部地区防护林配置存在问题。防护林疏透度过大，未能较好发挥防护效益，主要原因是林带结构单一，冠幅较小的树种如胡杨种植数量过多。此外，由表3可见，不同林带平均树高、平均枝下高差异较大，平均树高最小值为1.9 m，最大树高是9.9 m，平均枝下高最小值为0 m(梭梭等灌丛)，最大值为2.3 m。由于我们观测的树种类型有高大乔木(胡杨、榆树)、灌木(梭梭、沙拐枣)，不同类型树高、冠幅、枝下高、胸径等观测数据差异较大，因此笔者选用相对统一的标准(疏透度)进行防护效益分析。

表3 林带基本信息Tab.3 Basic information of forest belt

3.3 防护林郁闭度分布特征

防护林种植密度影响着林带资源的分配，对防护林防护功能持续性产生很大影响。密度太高，在光照、水分、养分等资源匮乏的情况下，种间、种内竞争加剧，极端气候下会造成防护林成片死亡。为进一步了解150团防护林种植是否合理，对团场内部乔木的郁闭度和外围灌木的盖度进行分析。外围灌木主要是防风固沙林，内部乔木主要是农田防护林和居住地防护林。由表4可知，内部乔木郁闭度最小值为0.40，最大值为0.89，均值为0.57，变异系数为22.8%，属于中度变异，表明内部乔木郁闭度存在差异；外围灌木盖度最小值为30%，最大值为44%，均值35.91%，变异系数为8%，属于弱变异，表明外围灌木盖度差异较小。

表4 150团防护林郁闭度(盖度)描述性统计Tab.4 Descriptive statistics of canopy density (Coverage)

对内部乔木郁闭度和外围灌木盖度进行趋势分析(图3)，图中X轴表示正东方向，Y轴表示正北方向。由图3可见，外围灌木林盖度从南向北呈增加趋势，内部乔木郁闭度从南向北呈弱增长趋势，东西方向无明显差异。

图3 郁闭度(盖度)趋势分析Fig.3 Trend analysis of canopy closure (coverage)

4 讨论

莫索湾垦区150团地处沙漠腹地，生态安全对团场的农业生产、经济发展和生活环境至关重要。团场防护林整体向良性发展，但是北部地区出现大面积的退化，南部地区防护林得到明显改善。通常气候因素是影响干旱区植被生长的主要原因，但是150团南北地区气候差异并不明显，海拔、坡度、坡向等地形因子、地下水位也无明显差异，因此气候因素、地形因子和地下水位并不是导致南北地区防护林发展出现差异的主要原因。150团北部地区比南部地区受到的风沙危害更为强烈，并且团场内部无任何河流湖泊。当玛纳斯河水经莫索湾干渠引到团场时，南部地区居民生活用水、农田灌溉用水和部分防护林消耗大量的水分，北部地区防护林用水量大幅减少。北部地区多为外围灌木，距居民地较远，无法利用城市中水得到补给，长期以往，在风沙侵害和干旱胁迫下，北部地区防护林出现大面积退化。防护林的退化会对干旱区现有的生态系统服务功能的可持续性产生重大影响，进而抑制绿洲经济发展，因此选用适当的指标进行防护林防护效益的评估显得尤为重要。

气候因素对150团防护林整体发展是有影响的，但是团场高度重视防护林的建设和保护，每年都会投入大量的人力、物力进行防护林补种和更新；因此气候因素对防护林的影响被掩盖了。就整个团场而言，生态保护政策、生态建设投入和生态保护意识是影响防护林发展的主要原因。通过疏透度、郁闭度分析可知，团场防护林并没有将防风固沙效益发挥到最大，并且可能存在种植密度过高的问题。高密度使得防护林对养分、水分、光照、空间等生存资源的竞争加剧，从而导致部分树种被淘汰，引起防护林大面积的退化；因此想要提高防护林的防风固沙效益、提高防护林树种的成活率，必须要合理控制防护林种植密度，在保证密度合理的前提下，多种植抗旱、抗盐碱的乡土树种，以提高防护林的成活率；此外，要注意乔灌搭配，在高大乔木下多种植一些灌木，以提高防护林的防沙治沙效益。疏透度作为防护林防护效益的评价指标，其与林带结构密切相关，可能在不同的生长期，其与林带树高、冠幅、枝下高等指标的关系存在差异；因此以后的工作需要阐明林带结构如株行距、树高、冠幅、枝下高等对疏透度如何产生影响以及影响程度。此外，笔者仅对150团防护林的防护效益、种植是否合理进行分析，并没有明确指出当地气候、地形、水分条件下防护林的适宜密度、树种选择及合理搭配，下一步需要探究出适合当地的树种和合理的种植密度，为150团生态建设和生态保护提供科学依据。

5 结论

1)150团各行政单位林地面积、人均林地占有量的变异系数(CV)分别为64.61%和87.89%，表明两者处于中等程度变异(10%100%)，表明各行政单位林地覆盖度差异较大；各行政单位农田林网化变异系数为24.97%，属中等程度变异。

2)由疏透度可知，团场防护林疏透度大多>0.40，疏透度过高，防护林未能发挥最好的防护效益；由郁闭度(盖度)可知，外围灌木防护林盖度在30%～44%之间，属于中度郁闭，内部乔木防护林郁闭度大多数高于0.70，属于高度郁闭。

3)强烈的风沙侵蚀、水分供应不足和种植密度过高是导致北部地区防护林出现大面积退化的主要原因；生态环境保护政策与生态屏障建设高投入是团场防护林整体向良性发展的主要原因。