尚白軍, 吳書普, 周智彬, 宋春武, 鄭博文
(1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所,國家荒漠-綠洲生態(tài)建設工程技術研究中心,830011,烏魯木齊;2.中國科學院新疆生態(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.中國科學院大學,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),防護林的建設與維護對改善綠洲生產(chǎn)生活環(huán)境、農(nóng)田小氣候、防止風沙侵蝕具有重要作用[4];因此對干旱區(qū)防護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林防護效益的評價指標,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。為更準確測量林帶疏透度,眾多學者采用“光學相機”和“數(shù)字圖像處理”相結合的方法[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構參數(shù)[10],近年也有學者認為透風系數(shù)能反映林帶對風的削弱作用[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,并構建疏透度與林帶結構因子相關的主導因子模型;杜鶴強等[15]探究西北防護林的防風效能,并給出防護林郁閉度與地面粗糙度之間的函數(shù)關系式;劉江等[16]分析植株側影面積、冠幅與疏透度之間的關系,結果表明植株冠幅與側影面積呈顯著正相關關系,而植株疏透度與冠幅與側影面積相關性不顯著;胡喜生等[17]研究疏透度與降低噪音之間的相關關系,結果表明疏透度與降低噪音效果之間具有顯著的負相關關系。防護林的構建對干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義,而防護林樹種的選擇、種植密度影響著干旱區(qū)生態(tài)服務功能的可持續(xù)性。筆者用疏透度評估研究區(qū)防護林的防風固沙效益,用郁閉度(蓋度)評估研究區(qū)防護林的種植是否合理,不僅可以了解150團防護林的構建狀況,也能為增加防護林防風固沙效益、降低土壤侵蝕,提高防護林水土保持功能提供科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
150團地處天山北麓,位于準噶爾盆地南部,包括22個行政單位(21個連部、1個團部)。場區(qū)南北長33.57 km,東西寬17.66 km,全團森林覆蓋率為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。團場地勢由東南向西北傾斜,土壤以灰漠土為主,占全團面積的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。
2019年7—8月,對150團墾區(qū)進行野外調查,并用GPS定位。在莫索灣150團林業(yè)部門工作人員的指導下,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)且生長良好的防風固沙林、防風阻沙基干林、農(nóng)田防護林、人居綠化防護林做每木檢尺,共觀測90條林帶(內部喬木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、林帶長度進行適當調整,拍攝時需注意塔尺、林帶樹冠、林帶樹干均應出現(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)進行描述性統(tǒng)計分析;在ArcGIS 10.2中對內部喬木郁閉度和外部灌木蓋度進行趨勢分析;在ENVI 5.2 中計算疏透度。
圖1 內部喬木和外圍灌木采樣點Fig.1 Sampling points of internal trees and peripheral shrubs
疏透度與防護林的防護效應密切相關,并且認為其值在0.25~0.40防護效益最大[14,18],也是判斷林帶結構優(yōu)劣的指標之一[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。
對150團下屬各行政單位的林地面積、覆蓋率和人均林地占有量進行統(tǒng)計分析(表1和表2)。由表1可見,150團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%
表1 150團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團林地資源統(tǒng)計Tab.2 Forestland resources statistics of Regiment 150
150團南部地區(qū)防護林呈良性發(fā)展趨勢,為進一步了解防護林防風固沙效益,筆者進一步選用疏透度和郁閉度2個指標評估團場防護林防風固沙效益。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,防護林疏透度在0.25~0.40之間,防護效益最大。由表3可見,疏透度>0.40的防護林數(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團南部地區(qū)防護林配置存在問題。防護林疏透度過大,未能較好發(fā)揮防護效益,主要原因是林帶結構單一,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)一的標準(疏透度)進行防護效益分析。
表3 林帶基本信息Tab.3 Basic information of forest belt
防護林種植密度影響著林帶資源的分配,對防護林防護功能持續(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、種內競爭加劇,極端氣候下會造成防護林成片死亡。為進一步了解150團防護林種植是否合理,對團場內部喬木的郁閉度和外圍灌木的蓋度進行分析。外圍灌木主要是防風固沙林,內部喬木主要是農(nóng)田防護林和居住地防護林。由表4可知,內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團防護林郁閉度(蓋度)描述性統(tǒng)計Tab.4 Descriptive statistics of canopy density (Coverage)
對內部喬木郁閉度和外圍灌木蓋度進行趨勢分析(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)
莫索灣墾區(qū)150團地處沙漠腹地,生態(tài)安全對團場的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟發(fā)展和生活環(huán)境至關重要。團場防護林整體向良性發(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致南北地區(qū)防護林發(fā)展出現(xiàn)差異的主要原因。150團北部地區(qū)比南部地區(qū)受到的風沙危害更為強烈,并且團場內部無任何河流湖泊。當瑪納斯河水經(jīng)莫索灣干渠引到團場時,南部地區(qū)居民生活用水、農(nóng)田灌溉用水和部分防護林消耗大量的水分,北部地區(qū)防護林用水量大幅減少。北部地區(qū)多為外圍灌木,距居民地較遠,無法利用城市中水得到補給,長期以往,在風沙侵害和干旱脅迫下,北部地區(qū)防護林出現(xiàn)大面積退化。防護林的退化會對干旱區(qū)現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)服務功能的可持續(xù)性產(chǎn)生重大影響,進而抑制綠洲經(jīng)濟發(fā)展,因此選用適當?shù)闹笜诉M行防護林防護效益的評估顯得尤為重要。
氣候因素對150團防護林整體發(fā)展是有影響的,但是團場高度重視防護林的建設和保護,每年都會投入大量的人力、物力進行防護林補種和更新;因此氣候因素對防護林的影響被掩蓋了。就整個團場而言,生態(tài)保護政策、生態(tài)建設投入和生態(tài)保護意識是影響防護林發(fā)展的主要原因。通過疏透度、郁閉度分析可知,團場防護林并沒有將防風固沙效益發(fā)揮到最大,并且可能存在種植密度過高的問題。高密度使得防護林對養(yǎng)分、水分、光照、空間等生存資源的競爭加劇,從而導致部分樹種被淘汰,引起防護林大面積的退化;因此想要提高防護林的防風固沙效益、提高防護林樹種的成活率,必須要合理控制防護林種植密度,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,以提高防護林的防沙治沙效益。疏透度作為防護林防護效益的評價指標,其與林帶結構密切相關,可能在不同的生長期,其與林帶樹高、冠幅、枝下高等指標的關系存在差異;因此以后的工作需要闡明林帶結構如株行距、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團防護林的防護效益、種植是否合理進行分析,并沒有明確指出當?shù)貧夂?、地形、水分條件下防護林的適宜密度、樹種選擇及合理搭配,下一步需要探究出適合當?shù)氐臉浞N和合理的種植密度,為150團生態(tài)建設和生態(tài)保護提供科學依據(jù)。
1)150團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%
2)由疏透度可知,團場防護林疏透度大多>0.40,疏透度過高,防護林未能發(fā)揮最好的防護效益;由郁閉度(蓋度)可知,外圍灌木防護林蓋度在30%~44%之間,屬于中度郁閉,內部喬木防護林郁閉度大多數(shù)高于0.70,屬于高度郁閉。
3)強烈的風沙侵蝕、水分供應不足和種植密度過高是導致北部地區(qū)防護林出現(xiàn)大面積退化的主要原因;生態(tài)環(huán)境保護政策與生態(tài)屏障建設高投入是團場防護林整體向良性發(fā)展的主要原因。