包巖峰，丁國棟，趙媛媛，高廣磊，馮莎莎，石 星，馮 穎

（水土保持與荒漠化教育部重點實驗室，北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083）

風吹雪作為一種自然現(xiàn)象廣泛分布在我國寒冷地區(qū)。當降雪過程中或降雪過后，風力達到一定的強度，風吹起雪粒一起運動即形成了風雪流。風雪流是氣流挾帶著分散雪粒的非典型兩相流[1]。風雪流包括低吹雪、高吹雪和暴風雪三種，對自然積雪有重新分配的作用[2]。積雪容易引發(fā)多種災害（風吹雪和雪崩），而風雪流形成的積雪深度能夠達到一般積雪深度3～8倍[3]，風雪流問題研究已經(jīng)成為當前學界研究的熱點問題之一。20紀70年代中期國際風雪流研究處于加速發(fā)展階段，實現(xiàn)了由對風雪流的定性描述到定量研究突破[4-7]。我國在20世紀70年代后對風雪流的研究與災害防治開始投入大量的資金，針對中國風吹雪雪害區(qū)劃、風雪流形成的物理過程、分布規(guī)律以及吹蝕與堆積轉化機制、防災減災等方面做了較為詳細研究，先后在天山、西藏東南、滇北等地開展雪崩、公路風吹雪調查與防治研究[8-11]。同時也對我國西北、華北、東北和西南地區(qū)雪害嚴重地區(qū)雪粒的起動、時空分布與運動規(guī)律進行了較為全面的研究，完成了對我國雪害、風雪流的區(qū)劃，把中國風吹雪區(qū)劃分為2個區(qū)域、3個大區(qū)、13個地帶、39個地區(qū)和131個區(qū)[3,8,12-13]。一些學者通過西部山區(qū)公路風雪流災害防治的研究，利用野外觀測和風洞模擬實驗，成功研究不同地帶的風雪流流場的結構和多種防雪技術的作用機制，提出了山區(qū)道路雪害防治的措施和方法[9]。并通過野外實驗的方法檢驗了擋雪墻、導風板、防雪柵欄、儲雪溝等一系列工程措施在防治風雪災害過程中的應用效果[3,8-9,13]?？v觀國內外大部分研究，發(fā)現(xiàn)針對風吹雪災害的研究主要集中在風雪流形成機理以及通過工程措施對山區(qū)公路風吹雪防治等方面，采用生物措施特別是防雪林配置技術對風吹雪防治方面的研究還未見報道。

我國西部地區(qū)面臨風雪及風沙災害危害嚴重，所以對高寒地帶較大面積上重點區(qū)域的風雪防治尤為重要。與工程措施不同，營造結構合理、配置科學的防雪林不僅有效增加了防護面積，而且更加經(jīng)濟、有效和持久。本文以新疆吉木乃縣為研究區(qū)，通過對該地區(qū)多年風信資料、土壤情況及鄉(xiāng)土樹種的調查分析，同時結合該地區(qū)風雪災害成災致災原理和機制的相關研究，以研究區(qū)立地條件特點為基礎，提出幾種不同配置結構的防雪林營造技術模式，為風吹雪地區(qū)防治風雪災害提供理論依據(jù)與實踐參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

吉木乃縣（地理坐標為：北緯47°00′～47°59′，東經(jīng)85°33′～87°09′）位于新疆伊犁哈薩克自治州阿勒泰地區(qū)。地處準葛爾盆地北緣，薩吾爾山北麓，額爾齊斯河南岸，地勢南高北低，南陡北緩。遠離海洋，屬大陸性北溫帶寒冷氣候區(qū)，春旱多風，夏季涼爽，秋季短暫，冬季寒冷而漫長。降水量少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，日照充足。年平均氣溫3.5℃，氣溫分布趨勢由北向南隨海拔高度的增加而逐漸降低。年日照時數(shù)2 940.8 h，無霜期151 d，年平均降水量為202.2 mm，夏季降水量占全年降水量的34.9%，秋季占16.8%，春季占20.7%，冬季占27.5%，蒸發(fā)量是降水量的10.5倍。土壤類型與地貌類型相對應，由南向北垂直分布可分為薩吾爾山山地土壤和平原農(nóng)區(qū)土壤，土壤類型包括荒漠土壤、草原土壤、草地草甸和草甸草原土壤、鹽堿土壤及風沙土壤。吉木乃縣是典型的內陸干旱地區(qū)，地被植物種類較少。喬木多為人工防護林，灌木與草本植物以典型荒漠植物為主。

1.2 研究方法

1.2.1 研究區(qū)多年風速、風向測定

風速、風向數(shù)據(jù)均來自新疆吉木乃縣氣象站，取吉木乃2001～2010年10年日平均風速進行統(tǒng)計分析，風向數(shù)據(jù)以2005～2010年5年最大風速的風向數(shù)據(jù)進行分析。雪粒起動風速及林帶間風速通過手持風速儀（FC-16025）、HOBO小型氣象站三杯風速儀進行觀測。

1.2.2 研究區(qū)立地現(xiàn)狀分析

實地踏勘研究區(qū)，了解造林地地貌類型，并通過在造林地內挖土壤剖面，提取分析土壤各層0～10 cm、10～30 cm、30～50以及50～90 cm 土壤含水率和土壤養(yǎng)分含量。

1.2.3 研究區(qū)植被調查

通過對研究區(qū)現(xiàn)有植被的調查，選取適宜造林的樹種。防雪林樹種選擇條件為樹體高大、樹冠較窄，根深，不易風倒、風折；速生，尤其是樹干生長快、干直兼有經(jīng)濟效益及觀賞性；具有較強的抗寒、抗旱、抗高溫、抗病蟲害、耐水濕、耐鹽堿等能力，在當?shù)匾延谐晒υ炝纸?jīng)驗的鄉(xiāng)土樹種。

2 結果與分析

2.1 風速分析

通過統(tǒng)計分析吉木乃縣近5年（2005～2010年）日平均風速，篩選出大于等于5 m·s-1的風速即雪粒的起動風速。得出月平均大于等于5 m·s-1的風速為1月21 d，2月20 d，3月28 d，4月30 d，5月31 d，6月30 d，7月31 d，8月31 d，9月30 d，10月29 d，11月23 d，12月22 d（見表1）。可見研究區(qū)每月發(fā)生大于起動風速的天數(shù)均大于20 d，表明，降雪易引發(fā)風吹雪災害。

吉木乃縣年平均風速為4.4 m·s-1，最大年平均為5.1 m·s-1，最小年平均為3.8 m·s-1。風速的日變化是：一般早上風速小，午后最強，日落后逐漸減弱。若在寒潮等天氣的影響下，風速變化隨天氣強度而變化。

大風（大于17 m·s-1的風速）是決定一個地區(qū)風雪災害程度的動力基礎，統(tǒng)計分析吉木乃縣10年（2001～2010年）的風速數(shù)據(jù)，得到近10年月平均大風天數(shù)為：1月2 d，2月2 d，3月4 d，4月7 d，5月9 d，6月8 d，7月6 d，8月5 d，9月5 d，10月4 d，11月3 d，12月2 d；年平均大風日數(shù)為32 d，最多年份2005年達到42 d，最少年份2009年22 d，最大風速27.4 m·s-1（風向ESE）。在風雪同期的11月至翌年3月，當風速達到大于等于17 m·s-1時所形成的風雪流直接造成災害或者通過對降雪的再分配造成二次風雪災害。而由特殊的地形地貌引起風速的“峽谷效應”可以使風速加劇，這種現(xiàn)象在當?shù)厮追Q“諾海風”，所造成的風雪災害將更加嚴重。

表1 2005～2010年各月日平均風速大于等于5 m·s-1的統(tǒng)計表Table1 Statistical table about daily average wind speed of each month greater than or equal to 5 m·s-1from 2005～2010

2.2 風向分析

分析吉木乃2005～2010年近5年大于等于起動風速的風向數(shù)據(jù)，得出該地區(qū)風向多數(shù)以西北風為主導，其中西北偏西風（WNW）年均出現(xiàn)為111 d，西北風（NW）年均出現(xiàn)為49 d，西風（W）年均出現(xiàn)40 d，而南風（S）、東風（E）以及北風（N）年均出現(xiàn)頻率不多。風向年均日數(shù)大于等于20 d的頻率依次為：WNW＞NW＞S＞SSW＞W(wǎng)＞E。

由于風吹雪大多在每年的冬春季節(jié)，滿足一定的動力條件以及有豐富的降雪時發(fā)生。所以分析風雪同發(fā)期的有害風向對營造“因害設防”的防雪林有著至關重要的意義。因此篩選出2005～2010年各年11月到翌年3月大于等于起動風速的風向數(shù)據(jù)（見表2），并繪制了2006，2007，2008，2009年近4年的風向玫瑰圖（見圖1）來分析研究區(qū)主要成災風向，做到因害布設防護林帶。

由圖1和表2分析可知，吉木乃縣近幾年在風雪同發(fā)期11月到翌年3月，南風（S）為主導風，西北偏西風（WNW）和東風（E）次之。風向出現(xiàn)頻率較多為：S＞SSW＞W(wǎng)NW＞NW≥ESE＞E，有害風向為西北偏北風（WNW）和東風（E）。雖然南風（S）在風雪期為主導風，但是由于吉木乃縣南部建設布局及地貌特征，不具備形成風雪流的開闊平坦地勢和豐富雪源，所以由南風（S）引發(fā)的風吹雪危害并不大。而西北偏北風（WNW）和東風（E）是造成吉木乃縣風雪災害的主要風向，其中東風（E）雖然出現(xiàn)頻率相對少，但由于吉木乃縣東部山脈特殊的地貌形態(tài)，使風速加劇形成了“峽谷效應”，產(chǎn)生了強勁的東風（E），一般風力達5～6級，最大可達12級，在當?shù)胤Q之為“諾海風”。在布設防雪林時注意防護林帶走向應與有害風方向保持垂直，若不能垂直也應當將林帶與風向間的夾角控制在45°至90°范圍內，不能小于45°。

結果見表2。

表2 2005～2010年11月1日～3月31日風向統(tǒng)計分析表Table2 Statistical table about daily wind direction from 2005～2010 between 11.1～3.31

2.3 立地條件及植被調查情況分析

2.3.1 土壤立地類型

研究區(qū)土壤類型為荒漠土壤、草原土壤、草地草甸和草甸草原土壤、鹽堿土壤及風沙土壤。通過對研究區(qū)內多個位置上土壤剖面的分析，建立立地條件質量評價表（見表4）。選取土壤厚度（A）-植被類型（B）兩個立地因子對本區(qū)立地類型進行描述，本研究在營造防雪林時涉及立地類型為A2-B1、A2-B2、A2-B33種類型（見表3）。

防雪林主要營造在A2-B1、A2-B2、A2-B3這3種立地類型上，由于這幾種立地類型主要是棄耕地和耕地，其中荒灘地很少，土層較深厚，一般在40 cm以上，土壤養(yǎng)分條件中等偏上（見表5），所以常規(guī)喬木造林可行。對于土壤養(yǎng)分條件一般的卵石荒灘地以及個別退耕地和荒草地采用灌木造林。

表3 研究區(qū)立地類型劃分表Table3 Table about site type of the study area

2.3.2 防雪林樹種的選擇

通過野外植被調查研究，結合吉木乃地區(qū)氣候條件，以及林木的適應性和滯雪、抗雪性能等分析得出，營造防雪林盡量選擇鄉(xiāng)土樹種或者在當?shù)赜谐晒υ炝纸?jīng)驗的樹種為主要樹種。喬木選用俄羅斯楊（Populus.Russkii Jabl）、新疆白榆（Ulmus pumila L.）、沙棗（Elaeagnus angustifolia L.）、小葉白蠟（Fraxinus bungeana DC.）作為主栽樹種，灌木選用檸條（Caragana intermedia intermedia）、檉柳（Tamarix ramosissima Ledeb）、沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）、黃刺玫（Rosa xanthina Lindl.）。

圖1 2006～2010年11月1日～3月31日風向頻率玫瑰圖Fig.1 Wind roses of daily wind direction from 2005-2010 between 11.1-3.31

表4 研究區(qū)立地條件質量評價Table4 Quality evaluation of site conditions on study area

2.4 防雪林林帶滯雪能力分析

防雪林林帶間距及防雪林空間結構配置對削弱風能，降低風速，滯留風雪等有著至關重要的作用。由于與樹高和林帶疏透度關系密切，在疏透度一定的情況下，原則上樹高越高，防護距離越遠，林帶間距越寬。根據(jù)關于林帶的高度與防雪效果的關系，有學者做過相關研究，并提出如下回歸方程：D=1.9919e0.0347H其中H為植被高度，D為積雪深度[14]。按上述方程，根據(jù)植被高度可以計算出積雪深度。若吉木乃縣最大降雪深度如為50 cm，則整個防護林帶可以積儲3倍于該寬度的來雪，即防護距離達6 km。然而林帶的防雪能力不僅僅與林帶的高度有關，防護林結構能夠直接影響防雪林的滯雪多少，根據(jù)野外觀測，疏透結構的防護林帶防風的有效距離一般為樹高的15～20倍，但冬季由于樹木落葉，林帶很難達到疏透結構（疏透度0.3～0.5），基本都是透風結構（疏透度＜0.5），有效防護距離要小得多，觀測結果為樹高的8～10倍。也就是說，營造5 m高的林帶，其有效防護距離約為40～50 m。本著最大限度滯留來雪的原則，并結合防雪林結構配置，研究得出該配置下30 m的防雪林林帶間距能夠有效的降低風速，滯留風雪流中的雪粒，使其沉積在林帶內或林帶間達到最大限度的防雪效果。

表5 不同立地類型土壤養(yǎng)分分析Table5 Soil nutrient analysis of different site types

2.5 防雪林結構與配置

綜合考慮吉木乃縣氣候及立地條件，結合物種多樣性，喬灌結合，林木空間結構配置對防治風雪災害的積極影響。得出以下幾種不同配置結構的防雪林設計：

①選擇俄羅斯楊（Populus.Russkii Jabl）、小葉白蠟（Fraxinus bungeana DC.）、為喬木主要建設樹種，灌木樹種為黃刺玫（Rosa xanthina Lindl.）。采用喬灌結合的行帶式造林配置，6行一帶，喬木4行，灌木2行，喬木林帶靠近下風側，株行距為3 m×3 m，灌木林帶靠近上風側，株行距為1 m×2 m，林帶間距為30 m。林帶長度及寬度可以根據(jù)防護目標的面積大小來進行調整，林木采用“品”字型布設，該設計喬木景觀基干林帶樹種的選擇是考慮了抗性的同時也考慮了景觀效果?？梢詰迷诔青l(xiāng)人居環(huán)境風吹雪災害防治等方面。

②喬木樹種選擇俄羅斯楊（Populus.Russkii Jabl）和沙棗（Elaeagnus angustifolia L.）為主栽樹種，灌木樹種為檉柳（Tamarix ramosissima Ledeb）。采用喬灌結合的行帶式造林配置，6行一帶，喬木四行，灌木兩行，喬木林帶靠近下風側，株行距為3 m×3 m，灌木林帶靠近上風側，株行距為1 m×2 m，林帶間距為30 m。該防護林配置模式能夠在中等偏上的立地條件下較好發(fā)揮防治風雪災害的作用。

③喬木選用俄羅斯楊（Populus.Russkii Jabl）和新疆白榆（Ulmus pumila L.），灌木選用沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）。防護林采用行帶式造林配置，喬灌結合，6行一帶，喬木4行、灌木2行，株行距為3 m×3 m，喬木林帶靠近下風側，灌木林帶靠近上風側。該防雪林兼?zhèn)淞己玫姆里L雪效益與經(jīng)濟效益。

④對于立地條件一般不能直接種植喬木樹種的地區(qū)，通過營造樹體高大，樹冠較稀疏的耐寒耐旱灌木樹種來完成風雪災害的防治，并通過調整林帶配置來最大限度的削弱風速，滯留積雪。其中灌木林帶樹種選用梭梭（Haloxylon ammodendron）和檉柳（Tamarix ramosissima Ledeb），采用兩行一帶造林模式，株行距為1.0 m×1.5 m，兩個樹種隔帶混交配置，帶距10 m。

3 討論與結論

新疆吉木乃縣風雪活動頻繁，2005～2010年≥5 m·s-1年平均起動風速全年有326 d。年平均大風（＞17 m·s-1）日數(shù)為31.5 d，且大風多發(fā)生在風雪同發(fā)期（11月至翌年3月），為該地區(qū)造成風雪災害提供基礎。在吉木乃風雪同發(fā)期，有害風向為西北偏西風（WNW）和東風（E），其中東風（E）在“峽谷效應”作用下成災更嚴重。

目前對于風吹雪的防治研究，絕大部分是應用擋雪墻、導風板、防雪柵欄等工程措施來實施對點和線的防治，尤其是針對公路防雪方面的研究，而采用防雪林防治風雪災害的研究很少。西部地區(qū)大部分地處風雪災害頻發(fā)帶，飽受風雪災害的侵襲，給當?shù)鼐用裆罴敖?jīng)濟帶來諸多影響。營造結構合理，配置科學的防雪林可以對較大面積的重點地區(qū)起到有效防護作用。相比較其他措施防雪林是經(jīng)濟、有效和持久的方法。防雪林體系的建設應本著“因害設防，因地制宜，適地適樹”的原則，緊密結合區(qū)域氣候特點和土壤特點，選擇抗逆性強的鄉(xiāng)土喬灌木樹種，高效利用水土資源，營造健康穩(wěn)定的防護林體系。研究完成了幾種不同空間配置結構的防雪林技術模式，分別為采用喬灌結合的行帶式造林配置，6行一帶，喬木4行，灌木2行，喬木林帶靠近下風側，株行距為3 m×3 m，灌木林帶靠近上風側，株行距為1 m×2 m，林帶間距為30 m。以及灌木林采用兩行一帶造林模式，株行距為1.0 m×1.5 m，兩個樹種隔帶混交，帶距10 m。

本研究以風速、風向等氣象資料為基礎，充分分析氣候特征和土壤立地條件，從生物防治措施即防雪林體系建立的角度，對風吹雪災害的防治提供了理論依據(jù)并提出幾種防護林營造技術模式，為風吹雪地區(qū)減輕風雪災害提供理論依據(jù)和實踐參考。

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