宁夏盐池盐池沙地农田防护林防风阻沙效能研究

宁夏盐池盐池沙地农田防护林防风阻沙效能研究

土壤物理侵蚀是环境恶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农业生产活动而受损约1200万hm的耕地。土壤资源管理的损失严重影响了农业的可持续发展。我国受土壤风蚀及土地沙漠化影响主要集中在北方旱作农业区,其中北方农牧交错带对环境变化极为敏感,加上土地承载力与人口增长的矛盾,使得这一地区成为风蚀最严重和最难治理的地区。干旱半干旱区的防护林体系是用以改善沙区生产生活环境、农田小气候、防止风蚀及由风蚀引起的危害农作物生长的灾害性因子的生态林分。在干旱半干旱风沙区,农田防护林的主要功能是防风阻沙,减少风蚀。林种结构一般分为林带、林网、片林等配置形式,由于所处立地条件各异,各地有针对性地设计不同类型的防护林。本文通过对宁夏盐池旱作农田防护林的防风阻沙效能的实地观测,分析了盐池沙区现有典型农田防护林的防风效能及阻沙效应,并对该区各类农田防护林进行了功能评价,以期为当地的农田防护林建设提供技术支撑。1阴山山地南缘干草原区试验地选在宁夏盐池县王乐井乡官滩村。盐池县位于宁夏回族自治区东部,地理坐标北纬37°04′～38°10′,东经106°30′～107°41′。自然地理上,其北与毛乌素沙地相连,南靠黄土高原,属于一个典型的过渡地带,即自南向北地貌上是从黄土高原向鄂尔多斯台地(沙地)过渡地带;气候上是从半干旱区向干旱区的过渡地带;植被上是从干草原向荒漠草原的过渡带;在资源利用上是从农区向牧区过渡地带—农牧交错带。这种过渡性造成了本县自然资源的多样性和景观生态的脆弱性等特点。2生态效益观测2006年4月28日～5月20日,在研究区域内,选择灌木片林、农田边缘人工沙柳林带、典型的乔木农田防护林带和林网进行防风效益观测。同时,选择旱作农田、流动沙地、稀疏沙质草场进行起沙风速观测。观测点布设在灌木林带、乔木林带走向的中垂线上,在迎风面10H、5H、3H、1H处,背风面1H、3H、5H、7H、10H、15H处;灌木片林距迎风面7H、5H、3H、1H处和背风面1H、3H、5H、7H、10H处;对照点风速观测点分别布设在空旷农田中心处和荒草地上。2.1林分及覆盖度该林分为25年生的小叶锦鸡儿(CaraganaMicrophyllaL.)纯林,南北长约500m,东西宽约150m,平均树高2.5m,平均冠幅为4.0m×4.0m,林分覆盖度约为50%;林内地面有少量赖草(LeymussecalinusTzvel.)分布,平均盖度小于10%;林地平坦开阔,西面为空旷裸露的沙质草场,东面是新开垦的农田。2.2林分密度和树高生长情况白榆(UlmuspumilaL.)林带,呈东北西南走向,带长200m,林带宽32m,株行距为4m×4m,平均胸径为22cm,平均冠幅为7.5m×8.0m,平均树高12m,30年生,整个林带平均枝下高2.5m。林带林相不整齐且多处存在缺口;观测期间林带的疏透度为0.6,属于透风结构。2.3灌木林带h.y.期沙柳(SalixpsammophilaC.WangetCh.Y.Yang)灌木林带呈东北西南走向,带宽2.5m,高2.8m;单行构成,疏透度0.65,属于透风结构。林带周围方圆500m内为平坦开阔的沙质旱作农田,农田内没有任何覆盖。2.4比较点在离观测点500m以外,选择地势平坦开阔的空旷裸露沙质农田和沙质草场。距离上符合对照观测要求。3内容和方法的研究3.1脑的处理用数码照相机现场拍摄林带纵断面图,在室内把图象输入电脑,用Photoshop7.0软件进行处理。其计算公式为:β=aA×100%β=aA×100%式中,A为林分垂直断面上的投影总面积,a为断面上透光空隙的面积。3.2风速观测采用美国产HOBO多通道自记风速仪。观测高度为距地面0.5m、2.0m同时观测,每5min读取一次数据,每10次取其平均值。3.3砂速采用中国天津产手持DEM—6型三杯风向风速表(精度在0.2m/s),观测点距离地面垂直高度为2m处的风速,同时记录地面起沙情况。3.4风压密度的在线复杂性采用插杆法,木杆上有刻度,用前一次观测值减去后一次观测值的计算结果来判断地面蚀、积状况:如果为负数,则表示风蚀量,正数则为阻积沙量,零则蚀阻平衡。沿林带、林网和片林走向的中垂线,从林带、林网主林带和片林的迎风面10H处开始设3条平行线,在线上每隔2m布一个点一直进入植被内部并且延伸到背风面15H处。在整个试验期间每次大风前后记录标杆刻度,用以计算积、蚀量,取3条线上的平均值。3.5调查能计算公式为了便于与土壤起沙风速作比较,以距地面2m高度的风速为准来确定防风效能。其计算公式为:Ex=μ0−μxμ0×100%Ex=μ0-μxμ0×100%式中,Ex是林带附近距离为x、高度为2m处防风能,μ0为观测高度为2m处对照点的平均风速,μx距林带x、高2m处的平均风速。4结果与分析4.1稀疏沙草场生长与生态关系从对春季风沙活动观测得到的表1中可看出,旱作农田、流动沙地、稀疏沙质荒草场的起沙风速分别为4.53m/s、4.88m/s、5.17m/s。显然稀疏沙质草场的起沙风速大于旱作农田和流动沙地的起沙风速,其差异产生的原因主要是下垫面性质不同所致:裸露农田缺少保护,土壤结构松散、颗粒细小、质地较轻,容易受到风蚀;稀疏沙质草场相对于旱作农田和流动沙地,其地表粗糙度较大,植被对地面起了保护作用,增大了起沙风速。盐池县王乐井乡大量分布着这样的裸露农田、流动沙地、稀疏沙质草地景观,它们是该区域产生风沙的物质基础。4.2防雨防护性能4.2.1林分结构参数沙区农田防护林的防护效益主要表现在冬春季节对抑制农田土壤风蚀发挥作用。通过观测,典型防护林带的结构参数分别为:白榆防护林带的疏透度为0.6,透风系数为0.71;沙柳林带的疏透度为0.65,透风系数为0.74。可以看出,两种林带均属于高度透风结构林带,而灌木片林,由于林分宽度大,则不能用疏透度来描述其结构特性,测得的透风系数为0.25,相当于紧密结构。4.2.2林内和背风面位置的阵风锋由表2可以看出,小叶锦鸡儿片林迎风面距林缘1H～10H范围内的平均防风效能为21.7%,但从风速分布看,地表仍处在风蚀状态;在林内距迎风缘1H～7H范围内的平均防风效能为54.1%,3H处的风速即可降到起沙风速以下。在背风面距背风缘1H～10H范围内的平均防风效能为33.6%,但在5H以后风速可达到起沙风速。因此,可以看出片林的有效防护范围主要在林内和背风面1H～3H内。背风面的有效防护范围较小与片林的高度和参差不齐的林缘有关。4.2.3平均防风效能由表3可以看出,沙柳林带迎风面距林缘1H～3H范围内的平均防风效能为8.5%;在背风面距1H～10H范围内的平均防风效能为13.5%。从风速减低的程度看,迎风面和背风面的风速都处于起沙风速以上。因此,可以看出这种结构的沙柳林带对农田不能形成有效防护。4.2.4平均防风效能由表4可以看出,白榆林带迎风面距林缘1H～5H范围内的平均防风效能为7%,但防护效能最好也只有11%;在背风面距1H～10H范围内的平均防风效能为14%,从风速减低的程度看,背风面1H～5H处在有效防护范围内。然而,林带背风面1H～10H范围内的整体防风效能偏低,林带的有效防护范围狭窄,这主要是林带的残缺不齐严重影响了防护林的防风效益。4.2.5积沙特征比较从图1和表5可以看出,沙柳林带迎风面2H处开始有积沙,但积沙量仅占10.6%,越靠近林带积沙量呈现增加趋势,在林带的背风面1H～3H处积沙量最大,背风面积沙量占总量的75.6%;白榆林带迎风面3H处开始有积沙,但积沙量仅占18.5%,越靠近林带积沙量呈现增加趋势,在林带的背风面1H～3H处积沙量最大,背风面积沙量占总量的70.2%。两种林带总的积沙特征相似,都是林带背风面大量积沙,说明现存的两类林带作为农田防护林未能把风沙流中的来沙阻挡在农田以外,已不能有效发挥应有的作用。片林在迎风面1H～3H范围内的阻沙量为14.3%,而且在1H处积沙量开始急增。进入林缘内部的1H～3H范围内出现的积沙量最大;在1H～7H范围内,积沙量的分布随着风速的降低也逐渐减少,林内积沙量占总量的85.7%,说明片林阻沙量的分布范围大,且主要分布在林内。5防护林防沙能力分析稀疏沙质草场的起沙风速大于旱作农田和流动沙地的起沙风速,其差异产生的原因主要是下垫面性质不同所致。旱作农田、流动沙地、稀疏沙质荒草场的起沙风速分别为4.53m/s、4.88m/s、5.17m/s。在背风面距背风缘1H～10H范围内,白榆林带和沙柳林带的防风效能分别为14%、13.5%,但远远小于小叶锦鸡儿片林33.6%的防风效能。防护林结构不同造成防护林之间防风效能存在较大差异。白榆林带和沙柳灌木林带的疏透度很大,均在0.6以上,尤其是林带的透风系数均在0.7以上,这种高度透风的林带结构是其防风阻沙效益低下的直接因素。3种防护林在观测期间的防风阻沙效能存在显著的差异,其平均阻沙量:片林为2.90mm/m2、白榆林带为0.94mm/m2、沙柳林带为2.50mm/m2;积沙形态也不同:片林迎风面3H处开始出现沉降沙粒,迎风面沉降量约占总沉降量的14.3%,即片林的积沙量主要集中在林缘前部;白榆林带在迎风面1H处开始出现沉降沙粒积沙,在林带距迎风林缘1H处的区域出现积沙量最大;沙柳林带在迎风面1H处的范围内开始出现积沙现象,而且越靠近林带积沙量呈增