浅谈陕北毛乌素沙地大规模喷灌农田防护林体系的建设

张梦珈,王晓荣

(榆林学院 生命科学学院,陕西 榆林 719000)

防护林是具有一定树种组成和结构功能的生态防护体系[1],是沙区生态保护的重要屏障。防护林的建设对降低风速、防治风蚀灾害、改良土壤、改善气候环境、增加农作物产量和保障人民的生产生活等方面具有重要作用。在我国北方的一些地区很早就开展了农田防护林的建设。其中,在内蒙古乌兰布的沙漠绿洲农田防护林中,总结了综合防护林、乔灌混交防护林、乔木防护林这三种适用于当地农田防护林的造林模式,并从造林时间、树种和造林地的选择、整地、苗木、株行距、栽植方式及管理等方面介绍了防护林的造林技术[2];甘肃张掖市甘州区的农田防护林已基本形成了以农田林网为主体,带、片、网、点相结合,渠、路、林、田相配套的农田防护林体系[3];还有甘肃省靖远县,根据该区的土地利用现状,分析出林带的方位及距离、排水设置等方面,从而建立了农田林网防护林体系,使农田防护林建设取得了优异的成果[4],这些防护林的建设都大幅度提高生态环境及区域经济影响。甘肃省的农田防护林总面积现已达到282.4 万hm2,主要分布在河西走廊,它的农田防护林网基本由主林带和副林带构成,主林带质量较以前有所改善[5]。

陕北毛乌素沙地通过近十多年来大规模的造林绿化工程和防沙治沙工程,已经取得了非常好的成效。2020 年4 月22 日,陕西省林业局发布数据,榆林市沙化土地治理率已达93.24%[6],过去的沙地如今成了林地,草地,还有良田。榆林,从沙漠之都,变成了大漠绿洲,毛乌素沙漠即将从陕西版图上“消失”。但是近年来,榆林市为了发展经济,对毛乌素沙地进行了大面积的开发,而开发后的大面积时针式喷灌农田很少有防护林保护,长此以往,就会造成局部地区风蚀加剧。防止土地再度沙漠化,建立农田防护林迫在眉睫。截止目前,也有学者针对毛乌素沙地农田防护林展开研究,包括有:陕北榆林风沙区农田防护林的结构配置以及增产效益的研究[7];榆林沙区农田防护林中,不同树高距离处对小气候因子观测和分析的研究[8],还有毛乌素沙地农田防护林中最合适的结构配置研究[9]。但对建设毛乌素沙地大规模喷灌农田防护林的体系尚未研究。通过本文参考相似地区以及榆林毛乌素沙地已有的经验,对毛乌素沙地大规模喷灌农田防护林的林带结构、宽度、疏透度、间距和树种等进行了探讨。

1 陕北毛乌素沙地概况

毛乌素沙地是中国的四大沙地之一,在蒙古语中也被称作不好的水,环境条件较差。陕北毛乌素沙地位于陕西省榆林市北部,从西到东依次是定边县、靖边县、横山区、榆阳区和神木市这五个市县。毛乌素沙地总面积约为4.22 万km2,榆林市占2.4万km2。陕北毛乌素沙地主要是风沙草滩区,土壤以风沙土、沼泽土、草甸土和盐碱土为主。该地属于暖温带干旱半干旱大陆性季风气候,气候较为寒冷,年平均气温6～8 ℃,春季气温比秋季气温高,冬季寒冷,夏季炎热。降水较少,年降水量为410 mm 左右,多集中在秋季,无霜期140～171 天,春季时常伴有沙尘暴发生,主要害风为西北风,基本的生境条件是干旱多风,寒冷少雨。

资料显示,从2001 年开始,随着大型喷灌设施的引进利用,毛乌素沙地土地开发呈现井喷式增长,到2018 年农用地面积比2011 年增加了46.22%。农业生产方式也逐渐呈现出由旱作栽培向灌溉栽培、由零散种植向规模化种植的发展趋势。目前,单个面积在30 hm2以上的大型指针式喷灌作业圈已经发展到600 余个,总面积在2 万hm2左右[10]。这些指针式喷灌农田种植的农作物主要以马铃薯为主,但马铃薯的生育期只有不到半年的时间,其余时间地表都处于裸露状态,并且指针式喷灌农田面积较大。因此建造榆林风沙区农田防护林体系具有显著降低风速和调节农田小气候的作用[8]。

2 农田防护林体系的建设

喷灌圈的喷灌方式与其它地面灌溉的不同[11],因此设计喷灌圈农田防护林时也存在差异性。

2.1 农田防护林的建设原则

陕北毛乌素沙地农田防护林建设:以保护自然为主,坚持因地制宜、适地适树的种植原则,合理布局配植树种,少占耕地,科学规划农田林网;设计防护林带投资较大,但树木生长缓慢,要考虑长期利益和短期利益相结合,树种要选择速生高大乔木为主;还要考虑以人为本的设计理念,防护林的建设要结合当地社会经济的发展需要,要与人民群众的生活条件相联系,满足当地人的需求,提高农民的经济水平,获得最高的生态经济效益。

2.2 营建农田防护林的要点

农田防护林网的建设主要是由主林带和副林带构成,林带结构是影响农田防护林防风能力的一个关键因素,而林带结构还会受其它因子的影响[12],疏透度、林分密度、树种组成、配置方式、林带高度、林带宽度、林带间距等结构因子均对防护林的防风能力具有不同程度的影响[13]。防护林的建设涵盖规划设计、树种选择和造林方法。

2.2.1 林带方位的确定

林带方位是指主林带配置的方向。一般主副林带相互垂直而形成林网,呈长方形或正方形[14]。在大面积的农田上,只有营造很多纵横交织的林带,形成很多网格,才能起到全面的防护作用[15]。林带方位以主林带垂直于主害风和副林带,且副林带平行于主害风,防护强度最佳。

榆林毛乌素沙地的主风向为西北风,以17 m/s以上的大风较多。主林带与主害风(西北风)方向垂直配置时具有最大的防护作用[8]。陕北毛乌素沙地林带方位,主林带方位应设置在东北方向45°和西南方向45°上,副林带设置在垂直于主林带的西南方向225°～东北方向45°之间,才能有效防护西北风的危害。

林带方位还可依据乔木配置的行数,当主林带要营建2～3 行乔木时,主林带的方位要与西北风方向呈45°夹角或大于45°夹角(方便农户耕作),这时的防护效果最好。当主林带营建4 行以上的乔木时,林带方位要与西北风方向垂直,这样主副林带会同时发挥防护作用,有效防治所有的风害。

2.2.2 主林带与主害风风向的交角与偏角

交角是指林带与主害风之间的夹角。偏角是指90°减去交角后所剩的夹角度数。而且林带方位的确定不一定与西北风风向完全垂直,可以有一定的偏角。大多经验表明,偏角在30°以内对林带的防护作用影响不大,疏透型结构和通风型结构会增强防护作用,但偏角超过45°时,防护效果明显下降。因此我们设计林带方位时,偏角最大不能超过45°为宜。

2.2.3 林带间距

林带间距是指林带与林带之间的距离,特指主、副林带之间的间距。防护林主林带间距大小的决定因素是林带的防护距离和树高[16]。通常主林带间距等于有效防护距离[14]。防护距离通常用林带树高的倍数来表示。林带疏透度和高度在相同的情况下,主林带间距小的林带防风效果好[7]。

有学者在研究榆林沙区的防风效益时,得出防护林带主带距为200 m,副林带距为300 m 防护效益最好[8]。因此,营建陕北毛乌素沙地农田防护林时,通常设计乔木的树高约为9～10 m,有效防护距离以树高的20 倍来计算,则主林带间距180～200 m,可选主林带间距200 m,副林带间距取1.5 倍主间距,则副林带的间距为300 m 能达到最佳防护效果。

2.2.4 林带结构

林带结构是指林带树冠上下组成的层次、宽度、横断面形状、枝叶状况、密度和透光状况等综合情况[15],包含通风型、疏透型和稀疏型三种结构。

有经验表明在风沙大的地区,防护林的林带采用“窄林带、小网格”的方法可增强抵御风沙能力[14]。设计时针式喷灌圈农田防护林时,要考虑风力对喷灌设备的影响,3 级以上的风力会使喷灌不均匀,降低农田的水分利用率,应采用紧密型或疏透型结构林带[17]。为使管道受压均匀,因此时针式喷灌农田应设计为正方形条田。在毛乌素沙地农田防护林结构配置研究中可知,稀疏型林带防风效果比疏透型、通风型林带要好,疏透型则优于通风型林带[9]。所以陕北毛乌素沙地农田防护林应选择稀疏型或低度疏透型结构的林带。最后在主林带外侧根据害风情况营造1～2 条大型防风基干林,能抵御6 级以上大风的危害。

2.2.5 林带宽度、疏透度

防护林的疏透度是评价防护林结构优劣的重要标准[18]。但对林带的宽度都各抒己见,要考虑自然条件和病虫害等因素。有经验得知宽度比较小且透风系数与疏透度适宜的林带其防护作用大于宽林带[14]。

有经验表明在榆林风沙区林带疏透度对防风效能的影响中,林带的总平均疏透度为40%～50%防风效能好[7]。还有实践证明防护林最佳的林带宽度和密度是:在栽植1～2 行林带的条件下,株行距要小,采用1～1.5 m×1.5～2 m,林带宽度以4.5～8 m 为宜,单位长度株数控制在1.3～2 株/m 为合适。在栽植3～5 行或更多行的林带下,株行距应增大,采用1～2 m×1.5～2 m,林带宽度以7～10 m 为宜,单位长度株数控制在2.9～3 株/m[9]。

设计陕北毛乌素沙地农田防护林时,采用多行、宽度较小的林带为宜。设计时针式喷灌圈为正方形条田:先从喷灌圈内营建主林带与主林带间距为200 m、副林带与副林带间距为300 m 的6 个长方形条田,主林带与副林带相互垂直,并在各林带四周种植乔木,形成一个600×600 m 的正方形条田。其次分别在6 个长方形条田内,主林带各栽植乔木4～6行,株行距设置在1.5×2 m,10 m 宽的窄林带,以三角形图案栽植。各个副林带共栽植2～4 行,要求与1～2 行的常绿灌木或者针叶树种互相搭配,采用1×1.5 m 的株行距,形成6 m 宽的窄林带。最后在每个喷灌圈外围栽植1～2 行的大型防风基干林,起到抵御大风的作用,最终形成一个“窄林带、小网格”的疏透型结构。

2.2.6 树种选择

榆林市常见的乔灌木树种有50 余种。常见的常绿树种有:樟子松、杜松、油松、侧柏、白皮松等;落叶树种有:新疆杨、刺槐、旱柳、沙枣、饲料桑树、元宝枫、文冠果等。灌木主要以踏郎、紫穗槐、柠条、沙柳等为主。灌草结合型的植物有沙柳、狗尾草、胡枝子、砂地柏,其中沙柳、柠条、紫穗槐为优势树种[19],都对环境资源的利用能力较强[20]。

营建农田防护林要根据陕北毛乌素沙地的立地条件,选择适宜当地生长的植物及引入成功的外地优良树种,考虑其树种的耐寒耐旱性、冠幅大、成林快、生长快等要素。还要注重乔灌木与地被植物相结合栽植,能展现出较好的景观效果。还可以选择栽植一些果树、桑树等具有防护性强并能够给当地的经济带来较高效益的树种,建设最佳的农田防护林带。

因此在设计陕北毛乌素沙地农田防护林时,主林带选成材较快且防护效益好的杨树、旱柳和樟子松等起防护作用的树种;副林带选择种植比主林带较低矮的乔灌木相互结合的树种,既能减缓风沙,也阻挡了灾害,如栽植沙柳、柠条和紫穗槐。而且陕北地区喷灌农田内的种植作物以马铃薯为主,还可以积极推广冬季覆盖模式,在马铃薯收获后及时种植莜麦、冬小麦、油菜、苜蓿等轮作覆盖种植越冬模式,还应注意马铃薯在种植前要翻耕和压青,既可做到冬季地表覆盖,也可增加地面土壤的肥力。

2.2.7 林带作业区缺口的设置

林带作业区出入口的设置是为方便车辆通过,还能调节空气流动,让防护林林带之间的温度稳定,而且林带的缺口不宜过大,会使防风作用减小。在主副林带内可以设计与道路构成“两林夹一路”的方案,以能通过最大的农具机械为最小宽度。通行道应设置在主副林带的交接处,还要在背风处,既不影响防风效果,也提高了农民的工作效率[11]。因此可以在各个林带的中间设计一条6 m 宽的道路。喷灌圈内都设有分干管,还要在分干管的最低处设置一个缺口,方便秋季挖坑放出管道内多余水分,避免秋冬季管道冻坏[17]。最后在喷灌农田的中心,正对井房并与分干管垂直位置也要留一条6 m 宽的道路,方便车辆驶入后,工作人员维修机井。

2.3 防护林建设的其他问题

营建防护林时,一般在春秋季4 月和10 月下旬栽植树木。在同一条林带上,要让树木的树种、规格和高低都一样,不仅可以使林相整齐美观,还使乔灌木能均衡生长并发挥林带的防护效果。还应注意在树木四周设计开挖断根沟,目的是为了后期养护时可在休眠期内进行挖沟清理根部的病害枝,既保护了树种,同时也提高了土地的利用率。最后还要考虑有可能出现的不确定因素,比如树木生长不良,导致出现无叶期,使防护林林带间疏透度增大等问题,才能达到毛乌素沙地农田防护林的防护效果更佳。

2.4 防护林后期的管理措施

建设防护林后期的管理很重要,如有病虫害导致的树木生长发育较差的林带,应及时对树木开展平茬复壮,平茬后要进行除蘖、摘芽等措施,并要加强除掉杂草,施适量的有机或无机肥料,浇透水,可以让树种快速成林,达到较好的防护效果。其次是低矮的灌木林在后期要加强抚育管理,促进其生长,使林木生长整齐,成为合理的矩形断面结构林带[21]。

3 小结

综上所述,陕北毛乌素沙地时针式喷灌圈的农田防护林设计为正方形农田,适合最佳的结构配置应该是:

(1)防护林的结构要以疏透型为主林带,低度疏透型或者低度通风型为副林带。林带的总平均疏透度控制在45%左右。

(2)主林带方位应与主害风(西北风)方向垂直,且偏角最大不超过于45°。因此主林带设置在东北方向45°和西南方向45°上,副林带设置在垂直于主林带的西南方向225°～东北方向45°之间。

(3)设计林带的乔木树高约为9～10 m,有效防护距离为树高的20 倍来计算,则主林带间距为200 m,副林带间距取1.5 倍主间距,则副林带间距为300 m 能达到最佳防护效果。

(4)林带栽植1 行至2 行的情况下,株行距采用1～1.5 m×1.5～2 m,林带宽度以4.5～8 m 为宜,株数在1.3～2 株/m。林带栽植3～5 行或更多行的情况下,株行距要采用1～2 m×1.5～2 m,林带宽度以7～10 m 为宜,株数在2.9～3 株/m 为宜。

(5)树种选择以乡土树种为主,常绿与落叶树相结合。主林带选成材较快且防护效益好的新疆杨或者樟子松为主,副林带选择混栽常绿乔木油松和落叶乔木紫穗槐。

(6)防护林带缺口的宽度要以能通过最大的农机具为主。在分干管的最低处和正对井房并与分干管垂直的位置各留一条道路,方便器械进入维修,道路都以6 m 为最小宽度。

(7)设计方案:首先在喷灌圈内设计主林带与主林带间距为200 m,副林带与副林带间距为300 m的6 个200×300 m 长方形条田,共形成12 个主林带和副林带。要求主林带与副林带相互垂直,形成一个以喷灌圈为中心的长方形农田。分别在6 个长方形条田内,主林带要求乔木种植4～6 行,株行距设置在1.5×2 m,10 m 宽的窄林带,以三角形图案栽植10 年生的落叶乔木新疆杨。副林带各种植2～4行的小乔木,可栽植落叶小乔木紫穗槐并配植1～2行的常绿油松,采用1×1.5 m 的株行距,形成6 m宽的窄林带。并要结合在各林带的中间设计一条6 m 宽的道路,在其余空白土地种植砂地柏。最后在喷灌圈外围栽植1～2 行的樟子松形成大型防风基干林,增强抵御大风的能力。

防护林的建设不仅要有设计方案,还应当制定合理的保护制度,提高防护林的建设水平,落实管理保护机制。相关部门要大力监督其建设质量,还要加大防护林保护的宣传力度,让群众懂得发展农田防护林不仅可以有效改善生态环境,推动社会经济的发展,而且可以让人民收入获得大幅度的提升,获得幸福感。