王 旭,張學(xué)利,張日升,遲琳琳,肖 巍,王翠萍

(1.遼寧省沙地治理與利用研究所 遼寧章古臺科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,遼寧 阜新 123000；2.國家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,西安 710048)

我國西起塔里木盆地,東至松嫩平原西部分布著大面積的沙漠化土地,這些地區(qū)是我國沙塵天氣的頻發(fā)區(qū)。沙塵天氣不僅會對人類健康造成威脅,抑制降水形成[1],影響全球氣候[2],還會對社會活動、經(jīng)濟(jì)等形成不利影響,這已經(jīng)成為不可忽視的生態(tài)環(huán)境問題之一。中國沙塵暴主要有3條移動路徑,分別為西北路、西路和北路,其中，西北路:柴達(dá)木盆地—河套地區(qū)—內(nèi)蒙古東部；西路:西北歐—西西伯利亞—新疆西部地區(qū)—河西走廊—河套地區(qū)、內(nèi)蒙古東部[3],2條均經(jīng)過內(nèi)蒙古東部,阜新與內(nèi)蒙古東部接壤,也受到沙塵暴的嚴(yán)重影響。采取一定的措施來治理風(fēng)沙活動,減少沙塵沉降是十分必要的。目前,防治沙塵天氣的有效生物措施是林草建設(shè),即提高植被覆蓋度,植被對近地表沙塵具有明顯的抑制作用,相同風(fēng)速條件下,植被蓋度越高,輸沙率越低[4]。特別是人工林在易發(fā)生沙塵天氣地區(qū)發(fā)揮著重要的防風(fēng)固沙作用。當(dāng)沙塵天氣出現(xiàn)時,沙粒一邊受風(fēng)力作用的影響,一邊受自身重力作用的影響,向地表降落形成自然沉降物[5]。近年來,研究者們大多通過收集沙塵暴期間的大氣粉塵或天然塵降,對其成分、來源等進(jìn)行分析,進(jìn)而對沙塵天氣進(jìn)行研究。如，對陜甘寧鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程沿線的風(fēng)沙治理[6],對新疆喀什地區(qū)沙塵暴的防治措施[7]等。另外,孟平等[8]發(fā)現(xiàn),農(nóng)林生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)能夠有效地減少塵埃輸送量,減少降塵量可達(dá)到20%～60%。防護(hù)林在就地阻沙、穩(wěn)固地表方面起到良好的作用,其原理是通過降低風(fēng)速,顆粒較大的沙塵開始降落,從而有效地起到阻擋沙塵的移動[9],同時防護(hù)林會對沙塵顆粒物起到抑制作用,不易向大氣中釋放沙塵物質(zhì),因而使得地表沉積物趨于細(xì)?；痆4]。營造綠洲及其邊緣地區(qū)的護(hù)田林網(wǎng),不僅能防止或減輕沙質(zhì)耕地的風(fēng)蝕起沙和沙塵暴對農(nóng)田的危害,還能改善田間的局部小氣候[10-11]。

前人對科爾沁沙地人工林與沙地之間的響應(yīng)的研究有很多,且較為詳細(xì)和全面,如，吳德東[12]著有《區(qū)域防護(hù)林構(gòu)建和更新改造技術(shù)》,焦樹仁[13-14]著有《科爾沁沙地水分條件與固沙林生長和穩(wěn)定的關(guān)系》，其都深刻的分析了相關(guān)內(nèi)容。但是對該地區(qū)人工林與沙塵天氣過程中的降塵的響應(yīng)探究較少。本文通過研究樟子松人工林在沙塵天氣過程中對塵降的響應(yīng),旨在為防沙治沙、控制沙害提供科學(xué)依據(jù),進(jìn)而保護(hù)生態(tài)環(huán)境,使該地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)得以穩(wěn)定、持續(xù)地發(fā)展。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于科爾沁沙地東南緣的遼寧省彰武縣章古臺鎮(zhèn)(42°43′～42°51′N,121°53′～122°22′E),海拔226.5m,屬典型半干旱農(nóng)牧交錯生態(tài)脆弱區(qū)。土壤多為風(fēng)沙土,其物理沙粒含量多、粘粒含量少,養(yǎng)分瘠薄,有機(jī)質(zhì)含量較低,酸堿度中性或偏酸。年均溫6.1℃,平均無霜期154d,年降水量500mm左右,主要集中在6—8月,年蒸發(fā)量約為降水量的3倍,空氣相對濕度60.4%,年均風(fēng)速2.6 m/s,3—5月多南風(fēng)、西南風(fēng)、北風(fēng),風(fēng)力大,持續(xù)時間長。

代表性植物有元寶槭(Acertruncatum)、山里紅(Crataeguspinnatifida)、白榆(UlmuspumilaL.)、山杏(Armeniacasibirica(L.)Lam)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、花曲柳(Fraxinusrhynchophylla)、等。經(jīng)過半個世紀(jì)的生態(tài)建設(shè),目前以樟子松人工林和楊樹為主的固沙林植被群落已成為本區(qū)重要的人工沙地生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設(shè)計

選取周圍均是農(nóng)田的樟子松近熟林,2020年,在林分的正北、正南和西南方位向林分中心的沿線上共設(shè)置13個顆粒物收集點(diǎn),分別在距林緣10,20,30m和林分中心處,收集沙塵天氣過程中不同方位農(nóng)田顆粒物的沉降數(shù)量。2021年,在3個方位增設(shè)收集點(diǎn),從林緣開始,每隔10m設(shè)置1個收集點(diǎn),直到距林緣100m處,共設(shè)置30個顆粒物收集點(diǎn),同樣,收集沙塵天氣過程中不同方位農(nóng)田顆粒物的沉降數(shù)量。

1.2.2樣品的采集和分析

在每個收集點(diǎn)布設(shè)采集瓶,將干凈有蓋的玻璃瓶埋在地下,將瓶蓋及其下至2cm處露于地表以上,沙塵來臨時將瓶蓋擰開,將漏斗塞入玻璃瓶中,每次沙塵結(jié)束后,將同一收集點(diǎn)所有瓶中顆粒物收集后帶回實驗室。于6月份采集各收集點(diǎn)0～5cm,5～10cm,10～15 cm的土壤樣品。樣品陰干后待測,降塵粒徑機(jī)械組成采用激光粒度儀進(jìn)行測定；降塵和土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法[15]測定；降塵和土壤全氮含量采用半微量開氏法[16]測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)評價離林緣不同距離對降塵量的影響,方差分析達(dá)到顯著水平后,采用LSD進(jìn)行多重比較。統(tǒng)計分析采用SPSS 23.0進(jìn)行。作圖使用Excel 2010。

2 結(jié)果與分析

2.1 塵降量變化

通過對樟子松人工林不同方位沙塵沉降量的變化研究發(fā)現(xiàn),隨著離林緣距離越來越遠(yuǎn),3個方位的顆粒物沉降量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,即顆粒物沉降量與離林緣距離呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。整體來說,3個方向監(jiān)測點(diǎn)距林緣0～20m處是沙塵主要的堆積區(qū),占進(jìn)入林地沙塵沉降量的70%～80%,距林緣20m以后沙塵沉降量逐漸減少,60m以后沙塵沉降量基本穩(wěn)定。

2020年監(jiān)測期間,4月份和5月份平均風(fēng)速分別為3.0,3.1m/s。本文選擇2020年4月11日的樟子松人工林不同方位的沙塵沉降量進(jìn)一步研究,當(dāng)天主風(fēng)向為北風(fēng),風(fēng)力6級,時間從15:00—19:00,共持續(xù)4h。對該天沙塵沉降量進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)正南方向的收集點(diǎn)顆粒物沉降量為0g/m2,這是因為當(dāng)天的主風(fēng)向為北風(fēng)。正北方向林緣處的降塵量是距林緣10m處的24倍,距林緣20～60m處的降塵量穩(wěn)定在5.8～9.5g/m2。西南方向距林緣10m處的降塵量與林緣處的相比急劇下降,距林緣20m處的降塵量降為0g/m2。隨著距離林緣越遠(yuǎn),降塵量不斷下降,距林緣20m及更遠(yuǎn)的收集點(diǎn),降塵量趨于穩(wěn)定,甚至為0g/m2。

同時,選擇2021年5月3日樟子松人工林不同方位的沙塵沉降量進(jìn)一步研究,該天主風(fēng)向為西南風(fēng),風(fēng)力6級,時間從10:30—20:00時,共持續(xù)9.5h。對該天沙塵沉降量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),正北方向的收集點(diǎn)顆粒物沉降量為0g/m2,這是因為當(dāng)天的主風(fēng)向為西南風(fēng)。正南方向林緣處和距林緣10m處的降塵量較多,收集容器均已盛滿,隨著距離林緣越遠(yuǎn),降塵量不斷下降,距林緣60～100m處的降塵量穩(wěn)定在108～210g/m2。西南方向林緣處的降塵量是距林緣10m處的2倍,距林緣20～40m處的降塵量穩(wěn)定在12～61g/m2,距林緣50m處的降塵量已降為0g/m2。2020年4月11日和2021年5月3日人工林不同方位沙塵沉降量的變化顯示,人工林對沙塵天氣起到了明顯的消減沙塵作用。

對2020年和2021年4—5月收集的所有降塵樣品的顆粒物沉降量進(jìn)行分析,結(jié)果表明,設(shè)置在林塊正南方監(jiān)測點(diǎn)不同位置的平均顆粒物沉降量最大,其次為西南方向,正北方向監(jiān)測點(diǎn)收集的沉降量最少。這說明2020年春季沙塵天氣過程中,攜帶沙塵的來源主要為南風(fēng),其次為西南風(fēng)。在2021年春季沙塵天氣過程中,4—5月份,正南方向和西南方向監(jiān)測點(diǎn)的沙塵沉降量明顯多于正北方向的監(jiān)測點(diǎn),因而2021年春季攜帶沙塵的來源也主要為南風(fēng),其次為西南風(fēng)。

2.2 降塵機(jī)械組成變化

2020年不同方位收集點(diǎn)的顆粒物機(jī)械組成變化如圖1所示。北、南和西南3個方位監(jiān)測點(diǎn)降塵的砂粒含量由林緣向林內(nèi)逐漸減少,粉粒和粘粒的含量則逐漸增多,3個方位監(jiān)測點(diǎn)林緣處降塵的砂粒含量均占90%以上,而距林緣60m處降塵的砂粒含量逐漸下降至50%。說明樟子松人工林具有明顯的消減沙塵作用,尤其對砂粒的運(yùn)動具有阻礙作用。對不同方向相同距離的比對發(fā)現(xiàn),正北方的降塵的砂粒含量相對較少,西南方向的砂粒含量較多,原因可能是4—5月份的主風(fēng)向為南風(fēng),且5月份以后,農(nóng)戶開始耕種,地表被翻動,地表大粒徑更容易在偏南風(fēng)的作用下發(fā)生短距離的位移。

圖1 樟子松人工林不同方位降塵的機(jī)械組成變化Fig.1 Mechanical composition changes of dust fall in Pinus sylvestris plantation at different directions

對不同方位降塵量與降塵機(jī)械組成二者的關(guān)系進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)(圖2),隨著顆粒物沉降量的不斷增加,砂粒含量占比顯著增多,粉粒含量占比顯著減小,粘粒含量占比呈下降趨勢。印證了人工林確實對砂粒的運(yùn)動具有阻礙作用,顆粒物沉降量越靠近林分中心越少,顆粒物沉降量越少,砂粒含量占比越小,粉粒含量占比越大,粘粒含量占比越大。

注:公式中“**”表示顆粒物沉降量與機(jī)械組成占比關(guān)系極顯著。

2.3 塵降養(yǎng)分變化

樟子松人工林不同方位沙塵沉降養(yǎng)分的變化(圖3)顯示,離林緣距離越遠(yuǎn),降塵的有機(jī)質(zhì)和全氮含量越高。對于正北方向來說,距林緣60m處的降塵有機(jī)質(zhì)含量顯著大于距林緣30m處的,顯著大于距林緣20m處的,顯著大于距林緣10m處的(P<0.05),但林緣處與距林緣10m處的降塵有機(jī)質(zhì)含量無顯著差異。對于正南方向來說,距林緣60m處的降塵有機(jī)質(zhì)含量顯著大于距林緣30m處的,顯著大于距林緣20m處的(P<0.05),但距林緣20m處的降塵有機(jī)質(zhì)含量與距林緣10m處的無顯著差異,距林緣10m處的降塵有機(jī)質(zhì)含量與林緣處的無顯著差異。對于西南方向來說,距林緣60m處的降塵有機(jī)質(zhì)含量顯著大于距林緣30m處的,但距林緣30m處的降塵有機(jī)質(zhì)含量與距林緣20m處的無顯著差異,距林緣20m處的降塵有機(jī)質(zhì)含量顯著大于距林緣10m處的,顯著大于距林緣處的(P<0.05)。對于正南和正北方向來說,越靠近林分中心,其降塵的全氮含量越高。而在西南方向,距林緣60m處的降塵全氮含量顯著大于距林緣30m處的,顯著大于20m的,顯著大于10m的,顯著大于林緣處的(P<0.05)。

注:不同字母表示在不同收集點(diǎn)間有顯著差異(P<0.05)。

對不同方位降塵養(yǎng)分與降塵機(jī)械組成二者的關(guān)系進(jìn)行分析(圖4),發(fā)現(xiàn)降塵養(yǎng)分與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),降塵養(yǎng)分與粉粒和粘粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。隨著降塵的有機(jī)質(zhì)含量的不斷增加,砂粒含量顯著減小,粉粒含量顯著增加,粘粒含量顯著增加；同樣,隨著降塵的全氮含量的不斷增加,砂粒含量顯著減小,粉粒含量顯著增加,粘粒含量顯著增加。

注:公式中“**”表示降塵養(yǎng)分含量與機(jī)械組成占比關(guān)系極顯著。

2.4 對人工林土壤肥力的影響

距離林緣不同方位不同土層土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮含量的變化(圖5)顯示,離人工林林緣越遠(yuǎn)的監(jiān)測點(diǎn),表層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量越高。方位北、方位南和方位西南距林緣10～60m觀測點(diǎn)的降塵有機(jī)質(zhì)含量較林緣處的分別增加174.5%～210.0%,6.6%～80.0%和57.5%～163.3%。而方位北、方位南和方位西南距林緣10～60m觀測點(diǎn)的降塵全氮含量較林緣處的分別增加116.5%～134.1%,9.4%～95.2%和55.0%～147.0%。同時,通過觀察各觀測點(diǎn)不同土層的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量變化,發(fā)現(xiàn)整體而言,土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量隨著土層深度的增加而降低,僅個別采集點(diǎn)出現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。

圖5 距離林緣不同方位 不同土層土壤有機(jī)質(zhì) 速效氮含量的變化Fig.5 Changes of soil organic matter content and available nitrogen content in different soil layers at different directions from the forest edge

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

1) 在干旱和半干旱地區(qū),控制降塵量和地表沙塵的輸送是減少風(fēng)沙危害的關(guān)鍵,防護(hù)林在應(yīng)對風(fēng)沙方面的主要作用是降低大氣渾濁度,減少降塵量,減少林網(wǎng)內(nèi)的沙塵輸入量[17]。有研究表明[18],防護(hù)林具有較高的防風(fēng)效益,其防風(fēng)效果受植被類型影響顯著。如，在烏蘭布和沙漠綠洲中由2行喬木構(gòu)成的疏密型林網(wǎng)防風(fēng)效能在67%以上,由2行喬木2行灌木混交林帶構(gòu)成的林網(wǎng),當(dāng)防風(fēng)效能為60%時,其防護(hù)面積是2行純喬木林帶的2.5倍。丁延龍等[19]對吉蘭泰鹽湖風(fēng)沙防護(hù)林體系35年的防護(hù)效果進(jìn)行了評估,發(fā)現(xiàn)1986年林帶內(nèi)輸沙量為流動沙壟的22.2%,而2017年林帶內(nèi)輸沙量僅為流動沙壟的4.5%,歷經(jīng)幾十年發(fā)展后,防護(hù)林帶阻沙作用更為顯著。本文就科爾沁沙地南部樟子松人工林對沙塵天氣的阻沙作用進(jìn)行量化分析,研究表明,隨著塵降收集點(diǎn)距離林緣越來越遠(yuǎn),各方位收集點(diǎn)的沉降量也不斷減小,總體來說,距林緣30m處沉降量趨于穩(wěn)定。肖洪浪等[20]通過對騰格里沙漠東南緣塵降的測定結(jié)果分析表明,近地層空氣中約有30%～60%以上的塵埃沉積被阻截在人工植被地段；成國勛[21]也證實了營造防護(hù)林后,風(fēng)沙日數(shù)和強(qiáng)度明顯減少和減弱；劉艷萍等[22]通過風(fēng)洞實驗表明,降塵量在林網(wǎng)內(nèi)具有一定的水平分布特征,從林緣至林網(wǎng)中心降塵量依次降低,這與本研究結(jié)果相似,距離林分中心越近,降塵量越小,說明樟子松人工林在沙塵天氣過程中有良好的消減沙塵作用。

2) 越靠近林分中心,降塵的養(yǎng)分含量越高。究其原因,可能是因為樟子松人工林對砂粒的運(yùn)動具有阻礙作用,靠近林分中心的降塵中砂粒所占比例較低,粉粒和粘粒占比較高,降塵養(yǎng)分與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān),降塵養(yǎng)分與粉粒和粘粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。目前,對于科爾沁沙地南部的降塵組成的相關(guān)研究較少,但對土壤的研究較多,土壤砂粒與土壤養(yǎng)分呈極顯著負(fù)相關(guān),土壤粉、粘粒與土壤養(yǎng)分為極顯著正相關(guān)[23],這與本研究降塵機(jī)械組成的分析結(jié)果相似?？紤]到降塵機(jī)械組成的原因,風(fēng)沙天氣過程中,越靠近林分中心的降塵養(yǎng)分含量較高。

3) 離人工林林分中心越近,表層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量越高。這可能是林分內(nèi)部腐殖質(zhì)層較厚,且受外界環(huán)境影響較小,降塵量小,所以土壤養(yǎng)分含量較高,而靠近林緣處,受風(fēng)力影響腐殖質(zhì)層較薄,且降塵量大,所以土壤養(yǎng)分含量較低。許多學(xué)者[24-25]已證實降塵對土壤有重要影響,一方面降塵為土壤提供了大量細(xì)粒物質(zhì)和一些營養(yǎng)元素,加深了土壤的發(fā)育和演化；另一方面降塵來源多樣,組成復(fù)雜,因而對土壤的物理、化學(xué)、生物性狀必然產(chǎn)生重要的影響。本研究中3個方位林緣處降塵的機(jī)械組成中砂粒含量均占90%以上,養(yǎng)分含量較少,故而越靠近林緣處的土壤降塵量大,受降塵影響較大,土壤養(yǎng)分含量較少；反之,越靠近林分中心的土壤降塵量小,土壤養(yǎng)分含量較高。防護(hù)林及其內(nèi)農(nóng)作物生長季節(jié)明顯,對于提高作物產(chǎn)量有正向作用,進(jìn)而改良土壤理化性質(zhì),促進(jìn)土地可持續(xù)發(fā)展[26]。

3.2 結(jié)論

1) 該地區(qū)樟子松人工林對沙塵天氣能很好的起到消減沙塵作用,距離林緣0～20m的林地是沙塵的主要塵降區(qū),林地內(nèi)顆粒物沉降量與離林緣距離呈顯著負(fù)相關(guān)。

2) 距離林分中心越近,塵降的沙粒含量越低,距林緣60m處降塵的砂粒含量逐漸由90%下降至50%,同時,距離林分中心越近,塵降的有機(jī)質(zhì)和全氮含量越高。

3) 樟子松人工林對林內(nèi)土壤養(yǎng)分含量的增加起著積極的影響,對科爾沁沙地起到了消減沙塵、培肥地力的良好作用,具有較好的防護(hù)效益和應(yīng)用推廣前景。