买尔旦·阿不都卡德 阿丽亚·拜都热拉 孙桂丽 董中凯

(新疆农业大学，乌鲁木齐，830052)

土壤风蚀是指土壤或成土母质在外力(水、风)作用下被破坏剥蚀、搬运和沉积的过程[1]。由于土壤性质、气候因素以及生物的影响，土壤侵蚀表现形式也很复杂[2]。为了更好地反映和揭示不同类型风蚀特征和区域分异规律，必须从植被，土壤，气候特征入手。风蚀的强度受风力的大小、地表状况、土壤粒径密度的大小等因素影响。在一般条件下，当风速大于4 m/s时就产生土壤风蚀[3]。叶城县310万hm2面积中，绿洲面积只有76 000 hm2，因地处塔克拉玛干沙漠边缘，生态环境十分脆弱。每年春冬两季频发的沙尘暴对各族群众的生产、生活和身体健康造成了极为不利的影响，也在一定程度上制约了县域经济持续健康发展[4]。叶城县恰其库木管理区城郊防护林(曾经这里是一片荒漠瀚海，也是叶城县著名的风沙口)位于喀喇昆仑山北麓，塔里木盆地西缘，东北面与塔克拉玛干沙漠接壤，是叶城县主要生态屏障之一。对叶城县生态环境有着至关重要的作用，因此加强该地区防护林的防护效益显得尤为重要[4]。近年来，多位学者对防护林都进行了大量研究，提出防护林主要用来防御外界恶劣环境，具有防风效益、热力效益、水文效益、土壤改良效益等多种生态效益[5-7]，是改善生态环境的重要保障[8]。但目前关于喀什地区叶城县生态防护林的防护效益相关研究尚为欠缺。为了寻求适于叶城县生态防护林防风效能最佳模式，改善干旱区防护林防风阻沙效能，对于区域环境的改善及风沙危害的防治具有重要实践意义[9]。选取塔克拉玛干南缘县城-叶城县恰其库木管理区城郊防护林，通过野外实地观测，对塔克拉玛干沙漠绿洲防护林防风效能的研究，以此明确不同样地内土壤风蚀量、防风效果，基本物理化学性质相关性，进而通过对比不同结构类型的生态林防护效益，指出防护效果最佳的防护林结构，给当地网格条田可持续发展提出理论指导。

1 研究区概况

研究区位于喀喇昆仑山北麓，塔里木盆地西缘，东北面与塔克拉玛干沙漠接壤的叶城县恰其库木管理区(38°2′11″～38°17″E，77°9′～77°10′12″N)境内的城郊防护林。研究区白杨林于2016年3月份定植，苗木由当地农牧民提供，均为乡土树种，林带成活率达98%，总面积310.5 hm2，分33个网格条田，其中林带面积146.11 hm2，空地面积154.21 hm2，道路面积10.18 hm2，树木株行距为2.0 m×1.5 m，栽植密度3 331株/hm2，林带树种为毛白杨(Populustomentosavar.Tomentosa)，共计325万株。水源采用地下水，平均每405 hm2打一眼机井。供水系统采用地下水配套滴管工程供水，单眼机井抽水量150 m3/h，作业时间240 d/a。

2 材料与方法

2020年7月至2021年5月，通过对研究区实地考察和勘踏，依据自然地势和地形样貌特点，选择地势平坦开阔且与主害风方向垂直的典型3个不同结构防护林林带，林龄为7年生，林带宽为50 m。根据样地内活立木进行每木检尺，调查树高、胸径、枝下高等树木生长指标，确定典型标准样地后对各样地迎背风面风速、输沙量和风蚀量进行同步测定[10](表1)。

在标准样地选择3个50 m×50 m小样方用勃鲁莱斯(Blume-Leiss)测高仪，胸径尺、钢卷尺等仪器测定每木检尺，采用YGY-QXY手持式气象站同步观测风速风向，风蚀量采用地埋陷阱式集沙桶来观测，风沙流(输沙量)观测利用QN-JSY集沙仪，粒径分布观测采用Topsizer激光粒度分布仪。

表1 研究区生态林平均每木检尺

根据林带疏透度大小，通常将防护林林带分为紧密结构、疏透结构、通风结构3种。同一年种植，株行距，水肥，管理措施基本一致的生态林长势、防护效益、林下植被、土壤状况有显著差异。

防风效能的计算公式为：

Eh=((Uh-Uh0)/Uh)×100%。

式中：Eh为高度2 m处的防风效能(%)；Uh为空地2 m高处平均风速(m/s)；Uh0为林带背风面对应高度的平均风速(m/s)[7]。

数据分析：研究区气象站监测的风速和风向数据，利用Origin 2018软件对其进行统计并绘制风场玫瑰图。

3 结果与分析

3.1 研究区观测期间风速风向分布变化特征

研究区气象站监测的风速和风向数据，利用Origin 2018软件对其进行统计并绘制风场玫瑰图。研究区观测期间风场玫瑰图绘制结果见图1。左图是用2 min平均风速数据绘制的风场玫瑰图，右图是用最大风速数据绘制的风场玫瑰图。从平均风速与最大风速风向次数可看出，研究区观测期主导的风向为西北西—西北—北北西(WNW-WN-NNW)方向，角度集中在270.0°～337.5°，从该图可直观地看出，研究区主导风的方向为西北风。

3.2 林带不同风面风速空间变化特征

不同结构林带对风速的降低程度有所不同。因此，不同结构林带的防风效果也不尽相同。3种不同疏透度林带均在一定程度上起到阻碍气流的作用，但不同疏透度林带防风作用的大小和范围亦有差别。

紧密结构林带(图2)最低风速出现在林带背风面1倍树高处，但风速恢复较快，其有效防护水平距离比较近不到3倍树高处，到15倍树高距离风速逐渐加快，林带背风面风速接近旷野风速，林带的防风效果不显著。

疏透结构林带(图3)背风面1～5倍树高处形成一个静风区，超过7倍树高处之后风速逐渐增加，低风速区域较大，背风面有效防风距离达15倍树高，林带迎风面平均风速显著小于林带背风面平均风速，林带背风面风速一般在2.5 m/s以下的小风或轻风。

通风结构林带(图4)也有一定程度降低风速，但是通风结构林带降低风速幅度较小，背风缘附近风速降低不明显，风速恢复亦较慢。最低风速同样出现在1～5倍树高处范围，防护距离比疏透结构林带相差不大，但是削减效率比疏透结构林带要低。

3.3 林带结构与防风效能的关系

3.3.1 林带防风效率水平变化

林带的削减风速能力在水平和垂直方向都有一定的变化规律。在水平距离下，水平距越大，林带防风效率越低，由表2可知，紧密结构林带在背风面水平距离1倍树高处防风效率相对其余水平距离比较好，平均为85.00%，在15倍树高处防风效率最低，为26.02%，平均防风效率为56.23%。疏透结构林带水平距离1～15倍树高处防风效率相对其余林带结构相同距离防风效率较高，水平距离下平均防风效率为75.75%。通风结构林带水平距离下有效防风距离达至5倍树高处，平均防风效率为62.79%。

3.3.2 林带防风效率垂直变化

林带防风效率的垂直高度变化中，气流速度被林带受阻后有所下降。由于林带结构的不同林带背风面风速变化程度也不同，风速和林带疏透度的大小决定林带防风效率大小的关键因素。可见，林带垂直防风效率随着高度的增加先增加后降低。由表3林带背风面垂直高度下防风效率结果得知，疏透结构林带与通风结构林带背风面1.5 m高处平均防风效率最佳，疏透结构林带(80.60%)防风效率大于通风结构林带(70.79%)。2 m高处平均防风效率相对较低，由大到小分别为紧密结构林带(73.55%)、疏透结构林带(60.17%)、通风型(51.28%)。3种林带结构垂直梯度下防风效率紧密结构最佳，达65.58%，疏透结构为63.61%，紧密结构为62.59%。

表2 研究区观测期间集沙量变化

3.4 观测期间林带不同风面单位面积风蚀量变化

本试验依据沙粒的运动形式利用全方位多梯度便携式集沙仪，观测不同结构林带迎风面、背风面、空旷沙地(CK)3个不同高度(30、50、100 cm)集沙量变化，由表4可见，土壤颗粒物密度随着高度的增大而递减，林带迎风面30 cm高沙粒密度最高，50 cm高风蚀物密度次之，100 cm高风蚀物密度最低。林带背风面而言通风结构林带背风面细沙物质总密度最高，对高度而言30 cm高处集沙密度最高，为3.52 g/cm2。

林带迎风面风沙量与空旷沙地(CK)集沙量无显著差异。疏透型林带迎风面30 cm集沙量相对空旷沙地(CK)减少了8.98%，50 cm高处集沙量减少了14.86%，通风型林带迎风面30、50 cm集沙量分别减少了3.22%、20.43%。到林带背风面疏透型林带30 cm高处集沙量减少了45.62%，50 cm处集沙量减少70.05%，通风型带背风面30、50 cm处集沙量分别减少18.89%、31.88%。紧密型林带迎风面，蠕移密度比空旷沙地(CK)更高，达5.28 g/cm2。林带背风面疏透型林带蚀颗粒密度最低，3个不同高度风蚀物累计量比空旷沙地风蚀物累计量减少了56.45%。紧密结构林带和通风结构林带背风面累计集沙量分别比空旷沙地分别减少了47.05%、25.00%。

3.5 观测期间林带不同风面输沙量变化

表2是研究区标准样地林带观测期间不同风面集沙量空间变化，林带不同风面集沙量随着集沙孔位置的增高而减少。空旷沙地离地平面30 cm高处的集沙量为最多，为30.79 g/cm2，而背风面30 cm高处的集沙量低于迎风面和空旷沙地集沙量，总集沙量空旷沙地为最多(49.79 g/cm2)，林带迎风面集沙量次之(26.43 g/cm2)，背风面为最少(10.48 g/cm2)。

3.6 观测期间研究区风沙粒径分布规律

从研究区不同林带结构土壤风蚀粒度组成与分布特征(表3)来看，每个林带结构林带迎、背风面土壤风蚀样总粒径分级情况，每种林带结构土壤粒径范围存在差异。在疏透结构林带不管是迎风面还是背风面100～500 μm粒径微分占比较高，在此结构林带直径250 μm的沙粒占比最多；250和500 μm的颗粒分别占迎、背风面份量总数的51.82%，46.26%，迎风面小于1 000 μm的颗粒占总数的100%。

表3 不同林带结构条件风面土壤风蚀粒径分布特征

通风结构林带不同风面土壤风蚀粒度50和250 μm的粒径占比较高，背风面50和100 μm的颗粒份量占比最高，占总数的57.49%，迎风面50和100 μm的颗粒份量占比次之，占总数的54.73%，迎背风面小于1 000 μm的颗粒占总数的100%。

在紧密结构林带25～1 000 μm颗粒分布较均匀，50和100 μm粒径微分百分比相对较高，分别为35.61%、33.12%。此结构林带风蚀粒径小于1 000 μm的颗粒占总数的100%。

3.7 研究区不同结构林下土壤基本理化性质及土壤风蚀相关性特征

通过对疏透结构林下土壤基本理化性质及土壤风蚀Pearson相关性分析可知：土壤含水率和土壤持水率、全磷、全钾及有机质呈负相关，pH和风蚀量呈正相关；土壤持水率和pH负显著相关(P<0.05)，全磷、全钾及有机质呈正相关；pH和全钾呈负极显著相关(P<0.01)，全氮和土壤风蚀量呈正相关。全氮和全磷、钾、有机质呈负相关，而风蚀量呈正相关(表4)。

表4 疏透结构林下土壤基本理化性质及土壤风蚀相关性

通过对通风结构林下土壤基本理化性质及土壤风蚀Pearson相关性分析可知：在此林带结构林下土壤含水率除全钾质量分数呈负显著相关(P<0.05)外，其他指标都呈正相关；土壤持水率和pH呈正相关，全量养分、有机质及土壤风蚀量呈负相关关系。土壤风蚀量与全氮、磷质量分数呈负显著相关关系(表5)。

表5 通风结构林下土壤基本理化性质及土壤风蚀相关性

通过对紧密结构林下土壤基本理化性质及土壤风蚀Pearson相关性分析可知：在此林带结构林下土壤含水率和全磷、有机质呈负显著相关(P<0.05)，全钾质量分数呈负相关；持水率和pH、全氮及风蚀量呈正相关。持水率除了pH和全磷质量分数呈负相关外，其他都呈正相关；pH值与有机质呈负显著相关(P<0.05)、全磷和全钾呈负相关，土壤风蚀量和全氮呈正相关关系(表6)。

表6 紧密结构林下土壤基本理化性质及土壤风蚀相关性

4 讨论

防护林在水土保持与荒漠化防治方面具有非常重要的地位[11]，几乎在任何条件下防护林都有阻缓水蚀和土壤风蚀的作用[12]，可以减缓气流流速，固结土壤和改良土壤，能有效地减少土壤风蚀、沙尘暴，降尘等气象灾害[13-14]。“适地适树、适树适地”是国内外防护林树种选择中普遍认同的原则[15]。选择防护林树种要求考虑树种配置，树木成活、树木适应性，树木生长等对防护林防护效益的影响，另外应考虑防护林的稳定性或抗逆性、持久性和自然更新能力等生态要素[16-17]。防护林树种选择应更加注重乡土树种，对研究区不同结构防护林防风效果进行对比，疏透结构防护林的防风效果最佳，紧密结构防护林次之[18-19]，说明林带结构直接影响其防风效果，影响林带结构的因子有密度、宽度、树种组成及配置方式等[6，20]。林带疏透度随造林密度和林带宽度的增加而减小，随造林密度和林带宽度的减小而增加[21-23]。因此，国内外防护林研究中，普遍认为宽林带紧密结构有许多缺点，而趋于营造窄、疏透型或通风型林带[24]。许多研究结果显示，土壤质地与其沉积物的来源、它们之间距离的关系，土壤质地分布与外营力动能的相关性，其分布的随机性、结构性、物源复杂性等之间的关系[25-27]。

本研究通过分析不同结构林带林土壤的粒径分布特征，进行采样分析，比较不同结构防护林土壤的粒径以及分布特征及其生态意义。

通过对叶城县城郊防护林树种调查发现，该区人工栽植防护林存在一定技术障碍如下：随着生态林树龄壮大，滴管灌溉满足不了树种生长需求，需要从不同地区水源引水使用。生态林树种单一，不间断地发生病虫害，受灾情况严重。生态林株行距过密，不利于生态林地长期发展。生态林建设区部分地区土壤开始盐渍化，影响生态林的生长。野鸡、野兔等野生动物对防护林的危害较大。

5 结论

本文通过一系列研究，探讨了塔克拉玛干沙漠西南缘绿洲城郊防护林整体防护效应，并揭示了干旱区城郊防护林的综合防护特征和规律，对改善区域生态环境和促进干旱区社会经济的可持续发展具有重要的现实意义。

主害风穿过疏透结构防护林林带时，一部分气流均匀穿过林带，另一部分气流绕过林带，这时，在背风林缘形成弱风区，随着距离的远离风速逐渐增加，该结构林带防护效果较为理想。主害风遇到通风结构林带时，因林带上部紧密不透风不透光，下部易透风透光，气流一部分从林冠上方越过，一部分从林带下方穿过，林带背风面风速降低较少，弱风区出现距离较远，随着远离林带，风速逐渐增大，最容易引起土壤风蚀。通过以上研究，主要得出以下结论：在防风效能方面，疏透结构林带能够有效降低主害风的风速，而且防护距离也较大，防风效果最为明显。在土壤风蚀方面，疏透结构林带迎、背风面风蚀量均较少。紧密结构林带背风面防风蚀效果最好。在土壤改良方面，疏透结构林带存活率较低，对土壤的改良效果不明显。