阿斯布爾，秦富倉，楊 超，王嘉元，芳菲

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

1 引言

人工防護(hù)林具有改善和穩(wěn)定生態(tài)環(huán)境，維持生態(tài)平衡以及防治水土流失和土地荒漠化的作用，從而對社會(huì)進(jìn)步，人類生活以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來正效益[1]。防護(hù)林是提供生產(chǎn)社會(huì)所需產(chǎn)品、公共福利以及具有服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)的人工營造林，在半干旱、干旱地區(qū)營造防護(hù)林的主要是為了改善土壤性質(zhì)，進(jìn)行防風(fēng)阻沙，繼而達(dá)到控制水土流失的效果[2]。在生態(tài)壞境脆弱且生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的地區(qū)營造防護(hù)林，對該地區(qū)土壤質(zhì)地的改良，控制水土流失，改善生態(tài)環(huán)境，優(yōu)化環(huán)境條件等發(fā)揮重要的作用。防護(hù)林作為一種保護(hù)性森林，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，生態(tài)環(huán)境改善乃至人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中起著極為重要的作用[3～5]。

林地土壤是森林植被生長發(fā)育的最主要物質(zhì)基礎(chǔ)，林地土壤為植被提供養(yǎng)分、水分以及一個(gè)相對穩(wěn)定的溫度，讓植物可以承受溫度過高或過低帶來的影響，林地土壤對植物起到一定的保護(hù)作用。各種植物的根系在土壤中生長深入，使各種植物的地上部分能夠抵御外界惡劣的環(huán)境[6～9]。森林植被與森林土壤是相輔相成，相互作用的，土壤結(jié)構(gòu)、特性、質(zhì)地的改善會(huì)對森林植物產(chǎn)生直接的影響，同樣森林也會(huì)對土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)，比如土壤氮磷鉀含量，土壤容重，土壤酸堿度，土壤水容量和土壤孔隙度等產(chǎn)生影響[10]。

內(nèi)蒙古呼和浩特市武川縣既存在旱作耕地的水土流失以及風(fēng)蝕沙化，也有因不合理農(nóng)墾、過度放牧、過度砍伐等人為影響引起的生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象。這些問題同樣也是整個(gè)西部地區(qū)所面臨的一個(gè)問題，因此不實(shí)施退耕還林[11]，水土流失和土地沙化問題就不可能得到根本解決。武川縣因上述原因在一些地區(qū)實(shí)施了退耕還林政策，由于受北部低氣壓氣流的影響，風(fēng)天較多，土壤風(fēng)蝕沙化等環(huán)境問題較為嚴(yán)重[12～15]。為了響應(yīng)國家退耕還林政策，武川縣在退耕還林區(qū)上營造了防護(hù)林[16]。因此本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，選取武川縣退耕還林區(qū)防護(hù)林為研究對象，通過野外實(shí)地觀測，對武川縣退耕還林區(qū)上種植的不同類型防護(hù)林的土壤理化性質(zhì)以及對風(fēng)速的防控效果進(jìn)行研究，分析探討武川縣退耕還林區(qū)防護(hù)林對該地區(qū)風(fēng)速防控的效果和土壤改善效益，以期為武川縣的退耕還林區(qū)防護(hù)林的營造以及防止風(fēng)蝕的推進(jìn)提供參考依據(jù)。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究去概況

研究區(qū)位于呼和浩特市西北部的武川縣二份子鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°31′～111°53′，北緯40°47′～41°23′，海拔高度1500～2200 m，年平均氣溫3.0 ℃，歷年平均降水為354.1 mm左右，研究區(qū)主要喬木植被油松(Pinustabulaeformis)、白樺(Betulaplatyphylla)、楊樹(Populusdavidiana)、云杉(PiceaasperataMast)、樟子松(Pinussylvestrisvar)等；主要灌木植被山杏(Armeniacasibirica)、黃刺玫(RosaxanthinaLindl.)、檸條(CaraganaKorshinskiiKom)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)等；主要草本植被蒙古蒿(A.mongolicaN.)、菊葉委陵菜(PotentillatanacetifoliaW.S.)、土莊繡線菊(SpiraeapubescensTurcz.)等。

2.2 研究方法

2.2.1 防護(hù)林帶的選取

選取立地條件基本相似、地勢開闊且與當(dāng)?shù)刂骱︼L(fēng)垂直的5種類型防護(hù)林進(jìn)行風(fēng)速測定。試驗(yàn)選取林帶基本信息如表1所示，因?yàn)楸敬窝芯苛謳Ь鶠橐呀ǚ雷o(hù)林，所以在選取林帶時(shí)，選取長勢正常、林帶較為完整并且形成一定郁閉度的防護(hù)林為研究對象，為了保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選取林帶長度大于50 m的林帶(消除林帶內(nèi)指標(biāo)測定過程中的邊緣效應(yīng))，選取的5種防護(hù)林主要為，以檸條、沙棘、油松、樟子松以及檸條油松混交方式的防護(hù)林。

表1 林分基本信息

2.2.2 風(fēng)速的測定

(1)風(fēng)速流場的測定。在林帶中布設(shè)的位置分別為曠野處、林前1H處以及林帶間，帶間風(fēng)杯布設(shè)于防護(hù)林前后兩帶中間位置，共觀測4帶防護(hù)林，布設(shè)6套風(fēng)杯測風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)杯的觀測高度為0.2 m、0.5 m、1 m、2 m處4個(gè)位置。如圖1示意。

圖1 風(fēng)杯布設(shè)示意

(2)防風(fēng)效能的計(jì)算。

(1)

式(1)中VX，Z為距離林帶為X處高度為Z處的平均風(fēng)速，V0，Z為曠野高度為Z處的平均風(fēng)速，EX，Z為距離林帶為X處高度為Z處的防風(fēng)效能。

2.2.3 土壤理化性質(zhì)的測定

在5種不同防護(hù)林的林帶中隨機(jī)選擇3個(gè)樣點(diǎn)，對照點(diǎn)選在無防護(hù)林的草地上，在不破壞土壤層結(jié)構(gòu)的情況下，用容積為100 cm3的環(huán)刀分別在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、分3層取土，每個(gè)組合重復(fù)3次。自上而下逐層取土裝進(jìn)塑封袋，再用環(huán)刀以及鋁盒自下而上逐層采集土樣并稱重標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)，最后取完土樣后全部回填。在室內(nèi)采用環(huán)刀法，測定土壤容重、毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)等土壤理化指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型人工防護(hù)林防風(fēng)效益分析

3.1.1 風(fēng)速流場

由5種不同類型人工防護(hù)林風(fēng)速流場圖(圖2～4)可以看出，在不同對照風(fēng)速條件下，不同類型人工林均對風(fēng)速具有減弱作用，并且在林帶間形成風(fēng)影區(qū)和加速區(qū)。從圖2(曠野風(fēng)速5m/s)中可以看出，檸條和沙棘灌木林帶隨著林帶數(shù)量的增加，灌木林在第2帶后近地表0.2m處風(fēng)速檸條、沙棘分別為：0.76 m/s、1.51 m/s，近地表風(fēng)速得到了完全控制，其2 m處風(fēng)速為3.89 m/s、4.54 m/s，風(fēng)速仍然較高，風(fēng)速流場線穩(wěn)定抬升在第4帶后近地表風(fēng)速流場線已經(jīng)呈現(xiàn)出平行的趨勢，說明風(fēng)速已經(jīng)得到較好的防控，此時(shí)檸條、沙棘2 m處風(fēng)速為3.43 m/s、3.76 m/s，其2 m處風(fēng)速防控效果較差，整體防護(hù)主要集中在近地表，對2 m處防控效果不明顯，防控效果表現(xiàn)為檸條>沙棘；油松和樟子松喬木林帶間風(fēng)速也得到了控制，但對近地表處風(fēng)速防控效果不明顯，2帶后，近地表0.2 m處風(fēng)速油松和樟子松分別為：1.76 m/s、2.04 m/s，對比灌木林，風(fēng)速控制效果較差，但是，3帶后2 m處的風(fēng)速油松、樟子松分別為：3.27 m/s、3.49 m/s，比灌木林4帶后的風(fēng)速要低，說明喬木林的防護(hù)效果主要集中在1～2 m處，但其對0.2～0.5 m處的防控效果較差，并且喬木林帶間明顯形成了風(fēng)速擾流的情況，與灌木林的風(fēng)速流場存在顯著的差異；油松檸條混交林對于風(fēng)速的防控效果與灌木林相似但其也保留了喬木林對于1～2 m處的風(fēng)速防控效果，因此，其1～2 m處風(fēng)速流場線隨著帶數(shù)的增加抬升比灌木林的更為明顯，并且3帶后已經(jīng)可以穩(wěn)定控制帶間風(fēng)速。

圖2 不同防護(hù)林曠野風(fēng)速5m/s風(fēng)速流場

從圖3(曠野風(fēng)速8m/s)中可以看出，檸條和沙棘灌木林帶隨著林帶數(shù)量的增加，灌木林在第2帶后近地表0.2 m處風(fēng)速檸條、沙棘分別為：1.38 m/s、2.51 m/s，近地表風(fēng)速得到了完全控制，其2 m處風(fēng)速為6.57 m/s、7.29 m/s，風(fēng)速仍然較高，風(fēng)速流場線穩(wěn)定抬升在第4帶后近地表風(fēng)速流場線已經(jīng)呈現(xiàn)出平行的趨勢，說明風(fēng)速已經(jīng)得到較好的防控，此時(shí)檸條、沙棘2 m處風(fēng)速為5.28 m/s、5.38 m/s，其2 m處風(fēng)速防控效果較差，整體防護(hù)主要集中在近地表，對2 m處防控效果不明顯，防控效果表現(xiàn)為檸條>沙棘；油松和樟子松喬木林帶間風(fēng)速也得到了控制，但對近地表處風(fēng)速防控效果不明顯，2帶后，近地表0.2 m處風(fēng)速油松和樟子松分別為：3.76 m/s、3.87 m/s，對比灌木林，風(fēng)速控制效果較差，但是，4帶后2 m處的風(fēng)速油松、樟子松分別為：4.77 m/s、5.04 m/s，比灌木林4帶后的風(fēng)速要低，說明喬木林的防護(hù)效果主要集中在1～2 m處，但其對0.2～0.5 m處的防控效果較差，并且喬木林帶間明顯形成了風(fēng)速擾流的情況，與灌木林的風(fēng)速流場存在顯著的差異；油松檸條混交林對于風(fēng)速的防控效果與灌木林相似，但其也保留了喬木林對于1～2 m處的風(fēng)速防控效果，因此，其1～2 m處風(fēng)速流場線隨著帶數(shù)的增加抬升比灌木林的更為明顯，并且3帶后已經(jīng)可以穩(wěn)定控制帶間風(fēng)速。

圖3 不同防護(hù)林曠野風(fēng)速8 m/s風(fēng)速流場

從圖4(曠野風(fēng)速10 m/s)中可以看出，檸條和沙棘灌木林帶隨著林帶數(shù)量的增加，灌木林在第3帶后近地表0.2 m處風(fēng)速檸條、沙棘分別為：1.51 m/s、2.25 m/s，近地表風(fēng)速得到了完全控制，其2 m處風(fēng)速為8.54 m/s、8.53 m/s，風(fēng)速仍然較高，風(fēng)速流場線穩(wěn)定抬升在第4帶后近地表風(fēng)速流場線呈現(xiàn)出平行的趨勢，說明風(fēng)速已經(jīng)得到較好的防控，此時(shí)檸條、沙棘2 m處風(fēng)速為7.19 m/s、7.35 m/s，其2 m處風(fēng)速防控效果較差，整體防護(hù)主要集中在近地表，對2 m處防控效果不明顯，防控效果表現(xiàn)為檸條>沙棘；油松和樟子松喬木林帶間風(fēng)速也得到了控制，但對近地表處風(fēng)速防控效果不明顯，4帶后，近地表0.2 m處風(fēng)速油松和樟子松分別為：3.52 m/s、3.76 m/s，對比灌木林，風(fēng)速控制效果較差，但是，4帶后2 m處的風(fēng)速油松、樟子松分別為：6.53 m/s、6.81 m/s，比灌木林4帶后的風(fēng)速要低，說明喬木林的防護(hù)效果主要集中在1～2 m處，但其對0.2～0.5 m處的防控效果較差，并且喬木林帶間明顯形成了風(fēng)速擾流的情況，與灌木林的風(fēng)速流場存在顯著的差異；油松檸條混交林對于風(fēng)速的防控效果與灌木林相似，但其也保留了喬木林對于1～2 m處的風(fēng)速防控效果，因此，其1～2 m處風(fēng)速流場線隨著帶數(shù)的增加抬升比灌木林的更為明顯，并且4帶后已經(jīng)可以穩(wěn)定控制帶間風(fēng)速。

圖4 不同防護(hù)林曠野風(fēng)速10 m/s風(fēng)速流場

3.1.2 防風(fēng)效能

由5種不同類型人工防護(hù)林防風(fēng)效能對比如圖5，可以看出，對近地表20 cm處不同位置的防風(fēng)效能進(jìn)行分析。灌木林帶與喬灌混交林帶隨著林帶數(shù)量的，其防風(fēng)效能變化趨勢相似，隨著林帶數(shù)量的增加，防風(fēng)效能逐漸增大，4帶后檸條、沙棘、油松檸條混交的防風(fēng)效能分別為76.88%、70.71%、67.51%，4帶后防風(fēng)效能均能達(dá)到60%以上，說明灌木林以及喬木灌木混交林對近地表20 cm處的防風(fēng)效果較好。喬木林在近地表20 cm處的防風(fēng)效能呈先減小后逐漸增大的趨勢，但其增速相對于灌木林以及喬灌混交林有所差異，喬木林在第1帶后的防風(fēng)效能油松和樟子松分別為-4.6%、-8.65%，防風(fēng)效能為負(fù)值，說明風(fēng)速反而增加，從第2帶以后，防風(fēng)效能開始逐漸增加，但是增加幅度較緩慢，第4帶后油松、樟子松的防風(fēng)效能分別為26.90%、23.82%，表明喬木林對近地表20 cm出的風(fēng)速防控效果較差。

圖5 不同防護(hù)林防風(fēng)效能對比

對近地表50 cm處不同位置的防風(fēng)效能進(jìn)行分析。灌木林帶、喬木林帶以及喬灌混交林帶隨著林帶數(shù)量的，其防風(fēng)效能變化趨勢相似，隨著林帶數(shù)量的增加，帶間的防風(fēng)效能逐漸增大，4帶后檸條、沙棘、油松、樟子松、油松檸條混交的防風(fēng)效能分別為84.92%、73.97%、69.21%、63.97%、74.06%，4帶后防風(fēng)效能均能達(dá)到60%以上，說明灌木林、喬木林以及喬木灌木混交林對近地表50 cm處的防風(fēng)效果均較好，但灌木林整體高于喬木林、喬灌混交林與灌木林相似

對近地表100 cm處不同位置的防風(fēng)效能進(jìn)行分析。灌木林帶、喬木林帶以及喬灌混交林帶隨著林帶數(shù)量的，其防風(fēng)效能變化趨勢相似，隨著林帶數(shù)量的增加，林帶防風(fēng)效能逐漸增大，4帶后檸條、沙棘、油松、樟子松、油松檸條混交的防風(fēng)效能分別為58.22%、56.71%、72.85%、68.70%、71.30%，4帶后防風(fēng)效能均能達(dá)到50%以上，說明灌木林、喬木林以及喬木灌木混交林對近地表100 cm處的防風(fēng)效果均較好，但喬木林防風(fēng)效能整體大于灌木林，喬灌混交林與喬木林相似。

對近地表200 cm處不同位置的防風(fēng)效能進(jìn)行分析。灌木林、喬木林帶與喬灌混交林帶隨著林帶數(shù)量的，其防風(fēng)效能變化趨勢相似，隨著林帶數(shù)量的增加，防風(fēng)效能逐漸增大，但喬木林與喬灌混交林的增加幅度遠(yuǎn)大于灌木林，檸條、沙棘、油松、樟子松、油松檸條混交的防風(fēng)效能分別為16.67%、15.25%、35.60%、32.64%、36.72%，喬木林與喬灌混交林在4帶后的防風(fēng)效能遠(yuǎn)大于灌木林，說明喬木林、喬灌混交林對近地表200 cm處的防風(fēng)效果較好，而灌木林對近地表200 cm處的防風(fēng)效果較差。

3.2 不同類型人工防護(hù)林土壤改良效益分析

不同類型人工防護(hù)林地土壤理化性質(zhì)如表2，可以看出檸條林在0～20 cm、20～40 cm以及40～60 cm土層的土壤容重要均大于其他林分類型，由此可以推斷出就土壤容重而言檸條林地土壤的物理性質(zhì)相比較與其他林分的土壤物理性質(zhì)較差，對土壤松實(shí)度以及土壤結(jié)構(gòu)的改善能力較低。油松林和油松、檸條混交林從總孔隙度以及0～20 cm、20～40 cm以及40～60 cm土層的土壤孔隙度基本都要大于其他林分類型，所以油松林和油松、檸條混交林相比較于其他林分類型對土壤改善以及土壤蓄水、持水能力更強(qiáng)，相反檸條從總孔隙度以及0～20 cm、20～40 cm以及40～60 cm土層的土壤孔隙度基本都要小于其他林分類型，所以相比之下檸條林以及沙棘林對土壤改善以及水土保持能力較差。土壤有機(jī)質(zhì)含量依次順序?yàn)橛退?、檸條混交林>油松林>樟子松林>沙棘林>檸條林>草地，由此可以看出混交林相比與純林喬木林對土壤有機(jī)質(zhì)含量以及土壤改善具有相對較好的作用。綜合分析，油松檸條混交林的對土壤結(jié)構(gòu)與質(zhì)地的改良效果均要優(yōu)于起來類型的防護(hù)林。

表2 土壤理化性質(zhì)指標(biāo)

4 討論

(1)防護(hù)林的防風(fēng)效益與其林分類型存在這較大的關(guān)系[17,18]，不同林分類型的防風(fēng)效果以及特點(diǎn)間存在較大的差異，而引起這種差異的主要因素在于不同林分的形態(tài)差異，檸條沙棘屬于灌木林，其特點(diǎn)就是近地表沒有明顯的枝干之分，并且其林帶疏透度較低，因此，對于近地表0.2～0.5 m區(qū)間的防風(fēng)效果較好，但由于其疏透度低且株高相對較小，不論在較低風(fēng)速或者較高風(fēng)速下，帶后的防護(hù)效果均十分明顯，通過本研究確定，灌木林帶3帶后基本可以穩(wěn)定控制風(fēng)速，控制近地表風(fēng)速，但是由于其植株相對喬木較小，因此，其2 m處的風(fēng)速防控效果一般。這與楊陽、張延旭[19,20]等的結(jié)果一致。油松、樟子松屬于喬木，其特點(diǎn)就是具有明顯的樹干，并且樹冠距離地面較高，疏透度較高，因此，造成其對近地表0.2～0.5 m區(qū)間的防風(fēng)效果較差，并且以樹冠處為分界線，風(fēng)會(huì)從樹冠上方以及樹干部位進(jìn)行風(fēng)速擾流尤其在風(fēng)速較大的時(shí)候更加明顯，在一定程度上加劇了林帶下方的風(fēng)蝕，但對1～2 m區(qū)間的防護(hù)效果較好，并且喬木具有較大的株高，其防護(hù)距離也相對較遠(yuǎn)，但當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)候，4帶后也不能穩(wěn)定控制近地表風(fēng)速，因此在風(fēng)速較大地區(qū)，不建議單獨(dú)采用喬木進(jìn)行防風(fēng)，需要配合灌木林。喬灌混交林在防風(fēng)效果上表現(xiàn)較好，由于混交林帶中既有灌木，也有喬木，其在防風(fēng)效益上綜合集中了喬木與灌木的優(yōu)點(diǎn)，綜合表現(xiàn)在其防護(hù)距離與防護(hù)效果上，這與段娜、李永平[21,22]等的結(jié)果一致。

(2)土壤物理性質(zhì)與其林分類型具有一定的關(guān)系[23]。通過本研究證明，不同林分類型的林地土壤物理性質(zhì)存在明顯的差異，引起這種差異的主要原因在于林分根系分布對土壤影響程度。油松、樟子松屬于喬木，其特點(diǎn)為根系分布較深，因根系相比灌木要深入土壤，對土壤的堅(jiān)實(shí)程度影響較大，所以土壤容重要小于灌木，土壤孔隙度要大于灌木，故而喬木相較于灌木對土壤物理性質(zhì)的改善更有利。喬灌混交林0～60 cm土壤容重普遍小于喬木林和灌木林，這是因?yàn)閱坦嗷旖涣旨扔袉棠居钟泄嗄?，?～60 cm土層深度的根系的分布較深且較廣，從而對土壤物理性質(zhì)的影響要大于喬木和灌木。但通過土壤含水率的研究證明，喬木林與喬灌混交林對于水分的需求要明顯大于灌木林，所以喬木以及喬灌混交林常見于陰坡處。因此，建議在較為干旱或者土壤水分稀缺的地區(qū)栽植灌木林為主，從而起到防治水土流失，改善土壤的作用。林分對其林分土壤化學(xué)性質(zhì)的影響是相互作用的，兩者之間有著緊密的聯(lián)系[24]，而且不同的林分類型在土壤化學(xué)性質(zhì)上存在較大的差異，比如喬灌混交林和喬木林的土壤有機(jī)質(zhì)含量要明顯高于灌木林，這是因?yàn)閮烧咄寥辣韺泳哂休^多的枯落物，枯落物形成土壤的有機(jī)質(zhì)，再被土壤微生物進(jìn)行分解形成土壤的養(yǎng)分，比如土壤中的氮磷鉀。因此通過對土壤化學(xué)性質(zhì)的研究證明，喬木林和喬灌混交林相較于灌木林對土壤養(yǎng)分的形成以及積累具有更積極的作用，所以采用喬木搭配灌木的方式更優(yōu)于單獨(dú)樹種的土壤養(yǎng)分形成與積累。

4 結(jié)論

(1)防護(hù)林帶能夠顯著降低林帶內(nèi)部的風(fēng)速，但不同林分類型對風(fēng)速的防控效果及特性存在差異性，由于不同林分類型防護(hù)林其形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異性，造成檸條林和沙棘林等灌木林防護(hù)區(qū)域主要集中在0.2～0.5 m處，油松林和樟子松林等喬木林對風(fēng)速防控的距離較遠(yuǎn)，防護(hù)區(qū)域主要集中在1～2 m處，油松檸條混交林在風(fēng)速防控上表現(xiàn)最佳。而5種類型防護(hù)林中，油松檸條混交林對土壤的改良作用最明顯，油松林次之，檸條林最差。

(2)結(jié)合以上所有研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)檸條油松混交林在防風(fēng)效果以及對土壤改良效益上均好于其他類型的防護(hù)林，所以本文得出結(jié)論為武川縣退耕還林區(qū)5種防護(hù)林類型中油松檸條混交林防護(hù)效益最優(yōu)，因此建議在武川縣風(fēng)蝕沙化嚴(yán)重的退耕還林區(qū)采用油松檸條混交配置的防護(hù)林,從而對防治風(fēng)蝕和土壤改良起到較好的效果。