河西走廊防风固沙林结构模式及其影响因素分析

王明国 袁宏波 刘淑娟 刘开琳 万翔 李菁菁 李学敏

摘要 ：防風固沙林在控制风沙和保障区域生态安全等方面发挥着重要的作用。通过对河西走廊防风固沙林进行调查分析，结果表明：河西走廊防风固沙林的乔木应用比例只有8.18%，灌木树种比例达91.82%，其中梭梭占比60.93%。纯林所占比例达56.82%，其中梭梭纯林的比例达到50.00%；造林密度超过1650株/hm²林地占调查样地的84.38 %，都是株距小行距大的均匀结构林。灾害性大风和长期干旱影响和限制了防风固沙林分布与人工林建设，早期造林所建防风固沙林密度过大、配置不合理等问题已经显现。

关键词：河西走廊；防风固沙林；林分结构；影响因素；公众意识

The structure and type of windbreak and sand fixation forest in Hexi corridor and its effect factors

Wang Minggou， Yuan Hongbo， Liu Shujuan^*， Liu Kailin， Wan Xiang， Li Jinjin， Li Xuomin

（Gansu Minqin National Studies Station for Desert Steppe Ecosystem & Gansu Desert Control Research Institute， Lanzhou 730070，Gansu， China）

Abstract：Windbreak and sand fixation forests play an important role in controlling wind-sand and ensuring regional ecological security. In the Hexi corridor with strong wind-sand， a large-scale area of windbreak and sand fixation forest had been established， and the investigation and analysis of the characteristics of the windbreak and sand fixation forest would provide reference for its maintenance management and regional ecological construction. The proportion of tree used in the windbreak and sand fixation forest in the Hexi corridor was only 8.18%， and the proportion of shrub species reached 91.82%， of which theHaloxylon ammodendronaccounted for 60.93%， and theHaloxylon ammodendronwas used for afforestation in the sand dunes， sandy land， Gobi and reclaimed farmland under different precipitation conditions in the Hexi corridor. The proportion of forest with single in windbreak and sand fixation forest reached 56.82%， of which the proportion of pure forest reached 50.00%. The afforestation density was more than 1650 plants/hm²accounted for 84.38% of the survey plots， all of which were uniform structure forests with small plant spacing and large row spacing. Severe winds and long-term drought have affected and limited the distribution of windbreak and sand fixation forests and the construction of planted forests. The problems， such as excessive density and unreasonable allocation of windbreak and sand fixation forests of afforestation had emerged. The evaluation index system and evaluation methods of the benefits of windbreak and sand fixation forests could fully reflect the role of windbreak and sand fixation forests， and the public awareness also affected the management and protection of shelter forests. The government departments should formulate relevant support policies to mobilize farmers to actively manage and protect shelter forests.

Key words：Hexi Corridor; windbreak and sand fixation forests; forest structure; influencing factors; public awareness

河西走廊北邻巴丹吉林沙漠，东接腾格里沙漠，西部受库姆塔格沙漠影响，是我國沙尘暴多发区^[1]。建立防风固沙林是减少区域风沙危害，改善区域小气候的重要措施^[2]，我国在20世纪80年代之后的大规模造林治沙已取得了良好效果^[3-5]。但是，随着时间推移和经济社会发展以及科技条件等因素所限，河西走廊防护林的成熟林、过熟林、残次林已达5.61×10⁴hm^2[3]，生态和防护效益日益减弱，影响着粮食稳产和高产^[3-5]。如何营造更高效稳定的防护林体系，实现生态效益、社会效益和经济效益的提高，成为当今防护林体系修复与重建面临的重要问题^[5-7]。河西走廊的防护林体系存在需要选择多树种混交模式提高防风固沙体系效能^[8，9]。梭梭（Haloxylon ammodendron）是河西走廊适应性最好的流动沙地造林树种^[4]，花棒 （Hedysarum scoparium ）和沙拐枣（Calligonum mongolicum）也被广泛应用于流动沙丘治理^[10]。防风固沙林配置的梭梭纯林面积较大，也有混交林，林分结构有疏透和紧密型防护林带^[10]。目前，人工防风固沙林以覆盖度为标准进行造林，验收标准则为密度^[11，12]，对于防风固沙林结构配置的研究较少^[13]。经过多年的演替，梭梭防风固沙林已开始衰败^[3]，进行防风固沙林结构现状的综合论述，将有助于抚育和修复衰败防风固沙林，提高防风固沙效能。本文通过分析河西走廊防风固沙林的树种、结构和配置模式，对河西走廊防风固沙林结构现状进行综合论述，以期为河西走廊营造稳定、高效、可持续发展的防风固沙林系统提供参考。

1研究区概况

河西走廊地处中国西北干旱区与青藏高原北缘，黄河以西，东起乌峭岭，行政区划包括武威市、张掖市、金昌市、酒泉市和嘉峪关市。区域地势南高北低，南部为祁连山，北部有龙首山、合黎山等组成的断续低山残丘，中部是石羊河、黑河、疏勒河等冲击形成的绿洲平原。东、北、西三面依次被腾格里、巴丹吉林、库姆塔克三大沙漠包围，沙漠面积达30700 km²，风沙线蜿蜒1600 km，是我国的严重风沙危害区之一^[2]。河西走廊属于典型的温带大陆性气候区，年降水量40～ 300 mm，自东南至西北降低。 年蒸发量为1769-3522 mm；主导风向为西北风，年平均风速2.0-4.6 m/s，年均8级以上大风日数15.9-68.5d。区域内绿洲广布，农业发达，土地利用类型包括耕地、林地、草地和居民工矿交通用地。

2研究方法

通过实地调查确定防护林树种、类型、结构；根据卫星影像判读，确定防护林的分布位置，并实地进行验证。在研究区不同类型防风固沙体系内选择典型区域设定调查样地，进行防护林树种、类型、结构、土壤风蚀、行政区域和经纬度等指标的调查测定。防护林设置一个100m×100m的大样方，用“5点法”在样方的4个角和中心设置5个小样方，小样方的大小同“样线与样方设置”。在设置大样方时，根据调查面积大小和地表复杂程度，样方中应包括该林地不同的地貌（如沙丘上部、中部、下部、丘间低地等）。

3结果与分析

3.1防风固沙林的树种

河西走廊防风固沙林类型根据造林树种不同有9种类型，其中乔木林形成的防风固沙林只占8.18 %，分布在丘间地和退耕地，形成沙枣林和胡杨林。灌木林是河西走廊主要的防风固沙林，占91.82%，其中梭梭林占60.93%，即梭梭占河西走廊主要的防风固沙林55.95%，形成大面积的梭梭林。河西走廊防风固沙林的乔木有沙枣和胡杨（Populus euphratica）在走廊自东向西都有栽植，主要分布在田边、河湖岸和有灌溉条件的造林地。榆树（Ulmus pumila）则只在古浪八步沙呈孤立木或几株形成的片林。梭梭在河西走廊不同降水条件的沙丘、沙地、戈壁和退耕地都用于造林。花棒在降水量相对较大的古浪和凉州应用较多，而且多为混交林搭配树种（表1），另外在地下水位较高的金塔水库组合成混交防风固沙林，形成梭梭+花棒、梭梭+花棒+柠条（Caragana korshinskii）防风固沙林。沙拐枣和白刺（Nitraria tangutorum）主要与其他树种形成天然混交林较多， 沙拐枣有小面积人工造林，白刺的人工造林很少，二者是重要的人工林伴生灌木树种。

3.2河西走廊防风固沙林结构类型及配置模式

3.2.1河西走廊防风固沙林结构类型

防风固沙林配置是指造林树种的空间排列以及树种搭配。根据调查样地数量的比例计算，河西走廊的防风固沙林配置模式中纯林所占比例达56.82%（图1），其中梭梭纯林的比例达到50.00%，其他树种或为人工混交林，或为天然混交林。天然混交林是天然灌木树种数量占比超过主栽树种50.00%的一种人工林和天然林自然混交的特殊林型，在河西走廊比较常见，比例达到了27.27 %。

林地密度是防风固沙林造林和评价容易得到的数据，造林密度是防风固沙林建设首先考虑因子。根据调查林地的保存树木个数将林地分为三类。疏林是密度825-1245株/hm²，这类林约占调查林地的34.09%，主要是经过自然稀疏的梭梭林和乔木林，分布在国营林场。梭梭林地的疏林类型占比小于整个河西林地13.50个百分点。伴生的植物种较多，一年生植物、多年生草本和灌木都有分布，生物多样性较大。密林是密度1650-2475株/hm²的灌木林，梭梭林、梭梭+花棒、梭梭+花棒+柠条防风固沙林都是这种密度的防护林，占比为47.73 %，梭梭林的密林达55.88%，占比较大。伴生的灌木和草本植物种比疏林少，但是差异不显著（P<0.05）。过密林是密度3300-9900株/hm²，这种林主要是梭梭林，占比达26.47%（图1），伴生的灌木和草本植物种最少，与疏林的差异较显著（P<0.1）（图2）。

根据前期研究，10年生以上的石羊河下游人工梭梭林开始退化和自然稀疏，当林龄达25年（a）以上时，林分密度趋于平稳。因此本研究根据调查样地开花和结实比例以及走访当地群众确定的林龄，将调查的防风固沙林分下述4类：①青年林：包括正在生长发育的林分，林相还没有形成或正在形成，树体生长旺盛，没有自然稀疏现象，林地没有死亡植株。②中熟林：林地出現面积大于10 m²以上的不连续林窗，自然稀疏明显，植株下部枝条1/3死亡，死亡植株占比为1.0-30.0 %。③成熟林：所有植株全部开花结果，平均高度达到2.5-3.0 m，林地有自然稀疏现象，没有林窗形成，植株中下部枝条开始死亡，林地死亡植株<1.0 %。④过熟林：连续分布的林窗出现，密度<2250 株/hm²，死亡植株比例>30.0 %，植株中下部枝大部分死亡。

河西走廊所有类型防风固沙林中，成熟林比例达47.73%，其次是正处于生长发育期的青年林，这两种林在不同区域都有分布。中熟林和过熟林只有20.15%，主要分布在国营林场和民勤，这些区域造林治沙的历史比较悠久。梭梭林的成熟林比例达47.06%，略小于所有防风固沙林的比例。青春林和中熟林的比例相对较大一点（图3）。

3.2.2河西走廊防风固沙林配置模式

河西走廊防风固沙林配置简单，除去地下水位较高和灌溉区域，配置模式单一，多以均匀配置为主（表2）。河西走廊防风固沙林的同一林型内的株距相同，行距相同。株距有1.0 m、1.5 m、2.0 m和3.0 m。其中1.0 m株距占比37.50%最大，其次为株距2.0 m占比34.38%，1.5 m占比9.38 %，株距2 m和3m只有在退耕地和经过自然稀疏梭梭林地。1.0 m和2.0 m是普遍应用的造林株距。行距类型相对较多，1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、5.0 m。其中3.0 m行距占比40.63 %最大，其次为株距4.0 m占比18.75 %，再次为5.0 m占比15.63 %，行距2 m占比12.50 %，行距1.5 m和1.0 m只有2个地方和1 个调查样地。3.0 m、4.0 和5.0 m的造林行距应用较多。造林密度是1650-2475株/hm²应用的地方最多，占调查样地的56.25 %，其次是密度3300-9900株/hm²的过密林，占调查样地的28.13 %，密度825-1245株/hm²疏林地只有5处。疏林，经过自然稀疏，林窗较多，成通风结构，林间柽柳、沙拐枣、沙蒿相间生长，群落层片2-3层，生活型2-3类，一年生植物、多年生划本和半灌木。 整体植被长势偏差，环境恶劣，大概有六七成的枯枝，有羊粪，老鼠洞等扰动痕迹。密林和过密林地分布在流动沙丘和半固定沙丘，地表流动性较大，林相较整齐。

4 河西走廊防风固沙林影响因素

4.1 严酷环境影响防护林建设

河西走廊属于大陆性干旱、半干旱性气候，当地多以大风和风沙天气为主，属于荒漠气候，日温差为 12～18℃，降水和热量差异显著且变化剧烈。河西走廊荒漠区降水较少，而且降水日数多冬季酷寒且个别地区长达半年之久，雨养灌木林这容易受到干旱的影响^[14，15]。由于人类活动对水资源的过度开发和利用，河西走廊生态环境恶化的现象日益显现，全球气候变暖也导致河西走廊地区降水量的明显变化。在2000—2020年，降水量不同降水年际波动增大^[14]，<5 mm的降水量占比达到80%以上，其中高台县最大达86.3%；5～15 mm的降水日数比例在11.6-15.5%，>15 mm的降水日数比例只有1.4-3.1%（表4）。河西走廊降水量少而分布不均，集中在7-9月，在地下水位较深的区域，只能应用灌木或小灌木造林。历史时期，人们所造乔木林多有失败^[4]。经过多年研究和尝试，河西走廊沙区已选择出梭梭、花棒 、沙拐枣、柠条锦鸡儿、怪柳等适应当地自然条件的树种，但是因为造林密度过大等因素，防风固沙灌木林开始退化^[16，17]。选择的树种大多数为抗旱、耐风蚀的灌木树种，以梭梭为主，占河西走廊主要的防风固沙林55.95%，形成大面积的梭梭林（图1）。河西走廊气候严酷，灾害性大风和长期干旱影响和限制了防风固沙林分布与人工林建设。

河西走廊地区为荒漠区，存在大面积戈壁和流动沙丘，主要分布在各大河流中下游绿洲附近，例如：自东向西有石羊河下游的民勤，黑河中游的临泽和高台，北大河下游的金塔；党河下游的敦煌等周围地区分布大面积流动沙丘。这些流动沙丘是区域风沙危害的主要源区，也是防风固沙林营造区域。沙地流动性较大，土壤贫瘠，水资源有限，造林树种和密度等受到影响。选择适宜树种和造林与配置模式，防风固沙林建设才能成功^[3，4，10]。

4.2防护林配置影响可持续性

河西走廊造林早期，为了快速成林发挥效益，所建防风固沙林密度过大、配置不合理等问题，防风固沙林长时间、大尺度的生态效益可持续发展受到影响。河西走廊防风固沙林配置简单，除去地下水位较高和灌溉区域，配置模式单一。1.0 m和2.0 m是普遍应用的造林株距。其中1.0 m株距占比37.50%最大，株距2.0 m占比34.38%。行距类型相对较多，其中3.0 m行距占比40.63 %最大。造林密度是1650-2475株/hm²应用的地方最多，占调查样地的56.25 %（表2）。由于水资源有限，造林密度过大，林地退化明显。在民勤，梭梭防风固沙林44.36%的样地处于“一般”状态，24.41%的样地处于“差”状态，处于较健康状况的样地为 0^[17]。 梭梭林整体植被长势偏差，环境恶劣，大概有六七成的枯枝，有羊粪，老鼠洞等扰动痕迹。密林和过密林地分布在流动沙丘和半固定沙丘，地表流动性较大，林相较整齐。因此，对防风固沙林体系进行长时段的系统研究，揭示其结构功能变化，进一步优化结构配置，提高综合效益，是河西走廊防风固沙林体系建设与研究的目标。

4.3公众认知对防护林影响

防风固沙林的建设和管护主要依靠地方政府组织，但乡镇政府工作人员缺乏专业技术人员，农民更是对防护林的认识不足，只能看到眼前的直接利益，对生态环境保护，净化环境的认识不足。防护林效益主要是间接的，因而存在栽树之后得不到收益或投资少于回报现象。同时，当涉及农民自身利益时会发生冲突，农民配合度会降低，影响防护林建设和管理。依据调查防护林生长状况、完整性、病虫害、有无牲畜破坏和有无用水保证五个方面去评价公众对防护林的现状认知（表6）。结果表明，（1）生长状况：认为目前当地的防护林的生长状况良好、一般、差的人数占比分别为62%、21%和17%，认为生长状况差的主要原因是树龄老化和缺水。（2）完整性：认为防护林体系完整或不完整的人数占比分别为72%和28%。认为不完整的原因主要是树种单一，树种抗旱性差而衰退死亡。（3）病虫害：认为防护林病虫害在无、轻微、严重等不同程度的人数占比分别为：21%、65%和14%。防风固沙林梭梭面积较大，主要是枯枝、白粉病和鼠害。（4）牲畜破坏：认为防护林牲畜无破坏、有破坏的人数占比分别为81%和19%。据受访者反映，随着国家退耕还林和封禁放牧政策的实施，当地基本以圈养牲畜，很少有牲畜对林区的破坏，该政策在当地群众得到较好的贯彻落实。（5）用水保证：认为防护林无用水保证和有用水保证的人数占比分别为25%和75%。防风固沙林以抗旱树种为主，灌溉较少，除了一部分是当地村和林草部门按期灌溉，另一部分无水源灌溉的地方，只能是雨养。

从农民角度来看，在一定程度上防护林增加了他们的负担，在造林初期进行整地、苗木选择，造林后浇水灌溉、防治病虫害等，不仅需要大量的时间和精力，也需要农民投资一部分金钱，很多家庭负担不起这些投资。防护林资源具有公共产品属性，由于这种属性出现了外部性问题，外部性问题就是私人收益与社会成本不一致造成，因此，在很多地方出现了管护粗放、投资不足，严重影响了防护林的可持续性。

5讨论与结论

目前，世界各国在农田防护林体系建设研究较多，防风固沙林的生态、经济和社会效益研究深入。但是防护林网抚育和更新改造，需要加强，特别是早年种植的防护林防护效应已逐渐减弱的河西走廊地区^[2-5]，迫切需要采取一定的措施，提升其防风固沙效应。

5．1河西走廊防风固沙林的乔木应用比例只有8.18%，灌木树种应用比例达91.82%，其中梭梭占比60.93%，梭梭在河西走廊不同降水条件的沙丘、沙地、戈壁和退耕地都用于造林。花棒、沙拐枣和白刺主要与其他树种形成天然混交林较多。 沙拐枣有小面积人工造林，白刺的人工造林很少，二者是重要的人工林伴生灌木树种。梭梭、花棒和沙拐枣被广泛应用于流动沙丘治理，沙枣和怪柳是低地最佳造林树种^[10]。

5．2河西走廊防风固沙林配置简单，配置模式单一。防风固沙林的纯林所占比例达56.82%，其中梭梭纯林的比例达到50.00%，其他树种或为人工混交林，或为天然混交林。研究认为配置方式以隔行混交为宜，适宜混交模式为花棒+柠条锦鸡儿+梭梭的隔带混交类型、梭梭+花棒的隔带混交类型为生态健康，综合效益好^[10]。造林密度超过1650株/hm²林地占调查样地的84.38 %，都是株距小行距大的均匀结构林。防风固沙林配置以花棒+柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）+梭梭的隔带混交类型、梭梭+花棒的隔带混交类型综合效益较好^[10]。沙枣（Elaeagnus angustifolia）、柽柳（Tamarix ramosissima）和沙棘 （Hippophae rhamnoides）是丘间低地造林最佳树种，配置方式以隔行混交为宜，林分结构有沙枣和沙棘的疏透型防护林带，沙枣和怪柳的紧密型防护林带^[10]。

5．3河西走廊气候严酷，灾害性大风和长期干旱影响和限制了防风固沙林分布与人工林建设，造林早期所建防风固沙林密度过大、配置不合理等问题已经显现。在民勤，梭梭防风固沙林44.36%的样地处于“一般”状态，24.41%的样地处于“差”状态^[17]，需要加强抚育。

5．4防风固沙林效益评价指标体系和评价方法不能完全反映防风固沙林的作用，野外长期定位连续观测的防风固沙林十分有限。利用多种方法结合来研究，如样地监测和风洞模拟试验、各种数学模型以及GIS遥感技术结合，对农田防护林进行多渠道、多角度验证。在野外长期定位连续观测的基础上，全面量化评价防风固沙林各种效益应是未来研究发展的趋势^[1]。

5．5公众意识影响防护林的管护，政府部门应制定相关的扶持政策，调动农民的积极性，让他们自愿管护防护林。应用抗树种建立防风固沙林，保证生态用水，补充灌溉，提高雨养防风固沙林的健康，发挥持续效能。

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