尚白軍， 吳書普， 周智彬， 宋春武， 鄭博文

(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，國家荒漠-綠洲生態(tài)建設(shè)工程技術(shù)研究中心，830011，烏魯木齊；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站，832000，新疆石河子；3.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所塔克拉瑪干沙漠研究站，841000，新疆庫爾勒；4.中國科學(xué)院大學(xué)，100049，北京)

荒漠綠洲作為荒漠生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，由于其分布的區(qū)域氣候干旱、風(fēng)沙活動頻繁[2]，是干旱區(qū)最為敏感的地區(qū)[3]。在生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干旱地區(qū)，防護(hù)林的建設(shè)與維護(hù)對改善綠洲生產(chǎn)生活環(huán)境、農(nóng)田小氣候、防止風(fēng)沙侵蝕具有重要作用[4]；因此對干旱區(qū)防護(hù)林的研究對于評估該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境變化有著重要意義[5]。疏透度可以作為防護(hù)林防護(hù)效益的評價指標(biāo)，測量疏透度的方法包括目測法、照相法、概率估計法等[6]，但是這些方法操作性難且不穩(wěn)定。為更準(zhǔn)確測量林帶疏透度，眾多學(xué)者采用“光學(xué)相機(jī)”和“數(shù)字圖像處理”相結(jié)合的方法[7-8]，實現(xiàn)林帶疏透度較精確的定量化測定[9]。疏透度是最直觀的林帶結(jié)構(gòu)參數(shù)[10]，近年也有學(xué)者認(rèn)為透風(fēng)系數(shù)能反映林帶對風(fēng)的削弱作用[11-13]。姜鳳岐等[14]用數(shù)字圖像處理法測定東北西部典型楊樹林帶的疏透度，并構(gòu)建疏透度與林帶結(jié)構(gòu)因子相關(guān)的主導(dǎo)因子模型；杜鶴強(qiáng)等[15]探究西北防護(hù)林的防風(fēng)效能，并給出防護(hù)林郁閉度與地面粗糙度之間的函數(shù)關(guān)系式；劉江等[16]分析植株側(cè)影面積、冠幅與疏透度之間的關(guān)系，結(jié)果表明植株冠幅與側(cè)影面積呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而植株疏透度與冠幅與側(cè)影面積相關(guān)性不顯著；胡喜生等[17]研究疏透度與降低噪音之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明疏透度與降低噪音效果之間具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。防護(hù)林的構(gòu)建對干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義，而防護(hù)林樹種的選擇、種植密度影響著干旱區(qū)生態(tài)服務(wù)功能的可持續(xù)性。筆者用疏透度評估研究區(qū)防護(hù)林的防風(fēng)固沙效益，用郁閉度(蓋度)評估研究區(qū)防護(hù)林的種植是否合理，不僅可以了解150團(tuán)防護(hù)林的構(gòu)建狀況，也能為增加防護(hù)林防風(fēng)固沙效益、降低土壤侵蝕，提高防護(hù)林水土保持功能提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

150團(tuán)地處天山北麓，位于準(zhǔn)噶爾盆地南部，包括22個行政單位(21個連部、1個團(tuán)部)。場區(qū)南北長33.57 km，東西寬17.66 km，全團(tuán)森林覆蓋率為38%，海拔346～358.8 m，年均凍土深度為0.96 m，最大凍深1.25 m。平均氣溫6.1 ℃(最高氣溫43.1 ℃，最低氣溫-42.8 ℃)，年平均降水量117 mm，年平均蒸發(fā)量1 945 mm，蒸發(fā)量為降水量的16倍，屬于典型的干旱半干旱大陸氣候。團(tuán)場地勢由東南向西北傾斜，土壤以灰漠土為主，占全團(tuán)面積的67.7%，植物以胡楊(Populuseuphratica)、榆樹(Ulmuspumila)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、梭梭(Haloxylonammodendron)、檉柳(Tamarixchinensis)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)為主。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

2019年7—8月，對150團(tuán)墾區(qū)進(jìn)行野外調(diào)查，并用GPS定位。在莫索灣150團(tuán)林業(yè)部門工作人員的指導(dǎo)下，選取不同種植年限(10年、20年、30年)、不同種植類型(胡楊、榆樹、梭梭等)且生長良好的防風(fēng)固沙林、防風(fēng)阻沙基干林、農(nóng)田防護(hù)林、人居綠化防護(hù)林做每木檢尺，共觀測90條林帶(內(nèi)部喬木43條、外部灌木47條)。每個林帶連續(xù)測量15株樹木，記錄樹木胸徑、株高、冠幅、枝下高等數(shù)據(jù)(圖1)，并拍攝林帶照片，用于計算疏透度。拍攝距離根據(jù)林帶高度、林帶長度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，拍攝時需注意塔尺、林帶樹冠、林帶樹干均應(yīng)出現(xiàn)在照片中，且要保證塔尺垂直于地面。在SPSS 21中對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析；在ArcGIS 10.2中對內(nèi)部喬木郁閉度和外部灌木蓋度進(jìn)行趨勢分析；在ENVI 5.2 中計算疏透度。

圖1 內(nèi)部喬木和外圍灌木采樣點Fig.1 Sampling points of internal trees and peripheral shrubs

2.2 疏透度的計算

疏透度與防護(hù)林的防護(hù)效應(yīng)密切相關(guān)，并且認(rèn)為其值在0.25～0.40防護(hù)效益最大[14,18]，也是判斷林帶結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的指標(biāo)之一[19]，利用ENVI 5.2記錄林帶各像元數(shù)，并依據(jù)公式計算疏透度。

(1)

(2)

S=((H-h)S′+hS″)/H，

(3)

式中：S為疏透度；S′為樹冠疏透度；S″為樹干疏透度；Pguan為林帶冠層填充像元數(shù)，個；Pguanzong為林冠總的像元數(shù)，個；Pgan為林干填充的像元數(shù)，個；Pganzong為林干總的像元數(shù)，個；H為林帶平均樹高，m；h為平均枝下高，m。

3 結(jié)果與分析

3.1 150團(tuán)植被資源基本統(tǒng)計

對150團(tuán)下屬各行政單位的林地面積、覆蓋率和人均林地占有量進(jìn)行統(tǒng)計分析(表1和表2)。由表1可見，150團(tuán)各行政單位林地面積、人均林地占有量的變異系數(shù)(CV)分別為64.61%和87.89%，表明兩者處于中等程度變異(10%100%)，表明各行政單位林地覆蓋度差異較大。林地面積均值為57.42 hm2，5連林地面積最小，為5.73 hm2，22連林地面積最大，為162.33 hm2。覆蓋度均值為5.42%，5連覆蓋度最低，僅為0.1%，團(tuán)部覆蓋度最高，為43.98%。人均林地占有量均值為0.095 hm2/人，團(tuán)部人均林地占有量最少，僅為0.015 hm2/人，7連人均林地占有量最多，高達(dá)0.44 hm2/人。農(nóng)田林網(wǎng)化均值為68.29%，14連農(nóng)田林網(wǎng)化最低(指農(nóng)田四周受林帶保護(hù)面積與農(nóng)田總面積積之比)，僅為35%，良繁2連最高，為100%，各行政單位農(nóng)田林網(wǎng)化變異系數(shù)為24.97%，屬中等程度變異。

表1 150團(tuán)各行政單位林地資源描述性統(tǒng)計Tab.1 Descriptive statistics of forestland resources in administrative units of Regiment 150

表2 150團(tuán)林地資源統(tǒng)計Tab.2 Forestland resources statistics of Regiment 150

3.2 防護(hù)林疏透度

150團(tuán)南部地區(qū)防護(hù)林呈良性發(fā)展趨勢，為進(jìn)一步了解防護(hù)林防風(fēng)固沙效益，筆者進(jìn)一步選用疏透度和郁閉度2個指標(biāo)評估團(tuán)場防護(hù)林防風(fēng)固沙效益。在ENVI 5.2 中利用像元個數(shù)計算各林帶疏透度(表3和圖2)。由表3可知，不同林帶疏透度也存在顯著差異，疏透度最小為0.1，最大為0.9。已有研究[18-19]表明，防護(hù)林疏透度在0.25～0.40之間，防護(hù)效益最大。由表3可見，疏透度>0.40的防護(hù)林?jǐn)?shù)量較多，占總數(shù)的1/2，0.25～0.40之間的數(shù)量僅占總數(shù)的1/4，表明150團(tuán)南部地區(qū)防護(hù)林配置存在問題。防護(hù)林疏透度過大，未能較好發(fā)揮防護(hù)效益，主要原因是林帶結(jié)構(gòu)單一，冠幅較小的樹種如胡楊種植數(shù)量過多。此外，由表3可見，不同林帶平均樹高、平均枝下高差異較大，平均樹高最小值為1.9 m，最大樹高是9.9 m，平均枝下高最小值為0 m(梭梭等灌叢)，最大值為2.3 m。由于我們觀測的樹種類型有高大喬木(胡楊、榆樹)、灌木(梭梭、沙拐棗)，不同類型樹高、冠幅、枝下高、胸徑等觀測數(shù)據(jù)差異較大，因此筆者選用相對統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)(疏透度)進(jìn)行防護(hù)效益分析。

表3 林帶基本信息Tab.3 Basic information of forest belt

3.3 防護(hù)林郁閉度分布特征

防護(hù)林種植密度影響著林帶資源的分配，對防護(hù)林防護(hù)功能持續(xù)性產(chǎn)生很大影響。密度太高，在光照、水分、養(yǎng)分等資源匱乏的情況下，種間、種內(nèi)競爭加劇，極端氣候下會造成防護(hù)林成片死亡。為進(jìn)一步了解150團(tuán)防護(hù)林種植是否合理，對團(tuán)場內(nèi)部喬木的郁閉度和外圍灌木的蓋度進(jìn)行分析。外圍灌木主要是防風(fēng)固沙林，內(nèi)部喬木主要是農(nóng)田防護(hù)林和居住地防護(hù)林。由表4可知，內(nèi)部喬木郁閉度最小值為0.40，最大值為0.89，均值為0.57，變異系數(shù)為22.8%，屬于中度變異，表明內(nèi)部喬木郁閉度存在差異；外圍灌木蓋度最小值為30%，最大值為44%，均值35.91%，變異系數(shù)為8%，屬于弱變異，表明外圍灌木蓋度差異較小。

表4 150團(tuán)防護(hù)林郁閉度(蓋度)描述性統(tǒng)計Tab.4 Descriptive statistics of canopy density (Coverage)

對內(nèi)部喬木郁閉度和外圍灌木蓋度進(jìn)行趨勢分析(圖3)，圖中X軸表示正東方向，Y軸表示正北方向。由圖3可見，外圍灌木林蓋度從南向北呈增加趨勢，內(nèi)部喬木郁閉度從南向北呈弱增長趨勢，東西方向無明顯差異。

圖3 郁閉度(蓋度)趨勢分析Fig.3 Trend analysis of canopy closure (coverage)

4 討論

莫索灣墾區(qū)150團(tuán)地處沙漠腹地，生態(tài)安全對團(tuán)場的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活環(huán)境至關(guān)重要。團(tuán)場防護(hù)林整體向良性發(fā)展，但是北部地區(qū)出現(xiàn)大面積的退化，南部地區(qū)防護(hù)林得到明顯改善。通常氣候因素是影響干旱區(qū)植被生長的主要原因，但是150團(tuán)南北地區(qū)氣候差異并不明顯，海拔、坡度、坡向等地形因子、地下水位也無明顯差異，因此氣候因素、地形因子和地下水位并不是導(dǎo)致南北地區(qū)防護(hù)林發(fā)展出現(xiàn)差異的主要原因。150團(tuán)北部地區(qū)比南部地區(qū)受到的風(fēng)沙危害更為強(qiáng)烈，并且團(tuán)場內(nèi)部無任何河流湖泊。當(dāng)瑪納斯河水經(jīng)莫索灣干渠引到團(tuán)場時，南部地區(qū)居民生活用水、農(nóng)田灌溉用水和部分防護(hù)林消耗大量的水分，北部地區(qū)防護(hù)林用水量大幅減少。北部地區(qū)多為外圍灌木，距居民地較遠(yuǎn)，無法利用城市中水得到補(bǔ)給，長期以往，在風(fēng)沙侵害和干旱脅迫下，北部地區(qū)防護(hù)林出現(xiàn)大面積退化。防護(hù)林的退化會對干旱區(qū)現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的可持續(xù)性產(chǎn)生重大影響，進(jìn)而抑制綠洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此選用適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)進(jìn)行防護(hù)林防護(hù)效益的評估顯得尤為重要。

氣候因素對150團(tuán)防護(hù)林整體發(fā)展是有影響的，但是團(tuán)場高度重視防護(hù)林的建設(shè)和保護(hù)，每年都會投入大量的人力、物力進(jìn)行防護(hù)林補(bǔ)種和更新；因此氣候因素對防護(hù)林的影響被掩蓋了。就整個團(tuán)場而言，生態(tài)保護(hù)政策、生態(tài)建設(shè)投入和生態(tài)保護(hù)意識是影響防護(hù)林發(fā)展的主要原因。通過疏透度、郁閉度分析可知，團(tuán)場防護(hù)林并沒有將防風(fēng)固沙效益發(fā)揮到最大，并且可能存在種植密度過高的問題。高密度使得防護(hù)林對養(yǎng)分、水分、光照、空間等生存資源的競爭加劇，從而導(dǎo)致部分樹種被淘汰，引起防護(hù)林大面積的退化；因此想要提高防護(hù)林的防風(fēng)固沙效益、提高防護(hù)林樹種的成活率，必須要合理控制防護(hù)林種植密度，在保證密度合理的前提下，多種植抗旱、抗鹽堿的鄉(xiāng)土樹種，以提高防護(hù)林的成活率；此外，要注意喬灌搭配，在高大喬木下多種植一些灌木，以提高防護(hù)林的防沙治沙效益。疏透度作為防護(hù)林防護(hù)效益的評價指標(biāo)，其與林帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，可能在不同的生長期，其與林帶樹高、冠幅、枝下高等指標(biāo)的關(guān)系存在差異；因此以后的工作需要闡明林帶結(jié)構(gòu)如株行距、樹高、冠幅、枝下高等對疏透度如何產(chǎn)生影響以及影響程度。此外，筆者僅對150團(tuán)防護(hù)林的防護(hù)效益、種植是否合理進(jìn)行分析，并沒有明確指出當(dāng)?shù)貧夂?、地形、水分條件下防護(hù)林的適宜密度、樹種選擇及合理搭配，下一步需要探究出適合當(dāng)?shù)氐臉浞N和合理的種植密度，為150團(tuán)生態(tài)建設(shè)和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

1)150團(tuán)各行政單位林地面積、人均林地占有量的變異系數(shù)(CV)分別為64.61%和87.89%，表明兩者處于中等程度變異(10%100%)，表明各行政單位林地覆蓋度差異較大；各行政單位農(nóng)田林網(wǎng)化變異系數(shù)為24.97%，屬中等程度變異。

2)由疏透度可知，團(tuán)場防護(hù)林疏透度大多>0.40，疏透度過高，防護(hù)林未能發(fā)揮最好的防護(hù)效益；由郁閉度(蓋度)可知，外圍灌木防護(hù)林蓋度在30%～44%之間，屬于中度郁閉，內(nèi)部喬木防護(hù)林郁閉度大多數(shù)高于0.70，屬于高度郁閉。

3)強(qiáng)烈的風(fēng)沙侵蝕、水分供應(yīng)不足和種植密度過高是導(dǎo)致北部地區(qū)防護(hù)林出現(xiàn)大面積退化的主要原因；生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策與生態(tài)屏障建設(shè)高投入是團(tuán)場防護(hù)林整體向良性發(fā)展的主要原因。