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    景電灌區(qū)農(nóng)田防護(hù)林體系生態(tài)效應(yīng)觀測(cè)分析

    2010-12-05 09:59:14馮宜明王輝
    水土保持通報(bào) 2010年5期
    關(guān)鍵詞:背風(fēng)面林帶防護(hù)林

    馮宜明,王輝

    (甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)系,甘肅蘭州730070)

    防護(hù)林是保護(hù)、控制、穩(wěn)定改善生態(tài)環(huán)境的一種再生資源性林種,而農(nóng)田防護(hù)林又是防護(hù)林的主體。在新型灌區(qū),農(nóng)田防護(hù)林也是區(qū)域防護(hù)林體系及林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)的主體,不僅有著調(diào)節(jié)農(nóng)田小氣候,改善區(qū)域環(huán)境,保障農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),提高農(nóng)民收入等作用,而且擔(dān)負(fù)著綠化、美化新農(nóng)村,提高農(nóng)區(qū)森林覆蓋率的任務(wù)。因此,農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)作為一項(xiàng)集生態(tài)效益、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益于一身的生物工程措施越來(lái)越受到農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者們的重視。

    近年來(lái),國(guó)內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田防護(hù)林的研究主要集中在防護(hù)林營(yíng)造技術(shù)[1-5],防護(hù)林效益評(píng)價(jià)研究及防護(hù)林優(yōu)化改造和更新技術(shù)研究[6-18]等方面。但對(duì)于一些特殊區(qū)域,特別是對(duì)于新型灌區(qū)防護(hù)林體系的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益的研究報(bào)道卻較少。特別是近年來(lái),由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)制度的改變,使一些區(qū)域原有林網(wǎng)體系遭到了不同程度破壞,嚴(yán)重影響著區(qū)域防護(hù)林體系的整體功能。

    因此,調(diào)查分析現(xiàn)有防護(hù)林的防護(hù)效益和經(jīng)濟(jì)效益,分析研究其存在的問(wèn)題,對(duì)防護(hù)林體系的進(jìn)一步建設(shè)與改造十分必要。

    本研究通過(guò)對(duì)景電一、二期灌區(qū)防護(hù)林體系的實(shí)地觀測(cè),以分析揭示該區(qū)域現(xiàn)有防護(hù)體系的防護(hù)效應(yīng)和增產(chǎn)效應(yīng),科學(xué)評(píng)價(jià)其區(qū)域農(nóng)田防護(hù)林體系的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng),為該區(qū)今后農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)和發(fā)展提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù),也為同類地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)提供參考。

    1 研究區(qū)概況

    甘肅省景電灌區(qū)是國(guó)家投資建設(shè)的“兩西”重大基礎(chǔ)性開(kāi)發(fā)工程,即引黃提灌工程建設(shè)后開(kāi)發(fā)起來(lái)的一個(gè)新型灌區(qū)。由景電一期、二期和景電二期延伸向民勤調(diào)水工程3部分組成,橫跨景泰、古浪2縣,延伸至民勤,以其揚(yáng)程高、流量大、多梯級(jí)而被譽(yù)為引黃提灌工程建設(shè)的“中華之最”。

    景電灌區(qū)位于 36°43′—37°41′N,103°20′—104°15′E之間,地處黃河上游的溫帶干旱荒漠氣候區(qū),北臨騰格里沙漠。

    區(qū)域內(nèi)有可墾地93 333 hm2,目前灌溉面積達(dá)65 200 hm2。其中一期工程灌溉20 400 hm2,二期工程灌溉34 700 hm2,景電二期延伸向民勤調(diào)水工程新增灌溉面積10 100 hm2。整個(gè)區(qū)域地勢(shì)平坦,土層深厚(1~1.5 m以上),光熱資源充足,≥10℃活動(dòng)積溫2 988℃,日照時(shí)數(shù)2 726 h,年降水量185 mm,蒸發(fā)量3 038 mm,為降水量的16.4倍,年平均風(fēng)速3.7 m/s,大風(fēng)日數(shù) 27.7 d,地帶性土壤為灰棕荒漠土[19-21]。該區(qū)常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害主要是干旱和風(fēng)沙危害。因此,防護(hù)林體系建設(shè)與經(jīng)營(yíng)對(duì)新灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有極其重要的意義。

    景電灌區(qū)農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)的建設(shè)以小網(wǎng)格、窄林帶的基本模式為主,并輔之以寬林帶、團(tuán)叢狀、散狀等模式,造林樹(shù)種以楊、榆、槐、柳、沙棗等樹(shù)種為主。其中,新疆楊(Poplus alba L.var.pyramidalis Bunge)、二白楊(Populus gansuensis)占造林樹(shù)種的80%以上,廊坊楊(P.langf angensis)、沙棗(Elseagnus angustif alia)、沙拐棗(Calligonum mongolicum)、枸杞(Lycium Chinese)等樹(shù)種在局部地區(qū)較多。此外,景電灌區(qū)“四旁”植樹(shù)和灌區(qū)邊緣的大型防風(fēng)阻沙林帶也是灌區(qū)農(nóng)田防護(hù)林體系的重要組成部分。

    經(jīng)過(guò)數(shù)十年的建設(shè),景電灌區(qū)現(xiàn)有林木覆蓋率已達(dá)14%,灌區(qū)防護(hù)林帶已連成一片,形成了騰格里沙漠南緣的綠色屏障,有效地改善、保護(hù)了生態(tài)環(huán)境,灌區(qū)小氣候得到了改觀。但近年來(lái),原有林網(wǎng)體系的人為破壞也較為嚴(yán)重,部分地帶的農(nóng)田防護(hù)林體系已殘缺不全。

    2 研究?jī)?nèi)容及方法

    2.1 灌區(qū)防護(hù)林布局現(xiàn)狀的調(diào)查

    通過(guò)實(shí)地踏查,結(jié)合當(dāng)?shù)亓謽I(yè)主管部門(mén)的統(tǒng)計(jì)資料,調(diào)查分析景電一、二期灌區(qū)農(nóng)田防護(hù)林、“四旁”植樹(shù)、防風(fēng)治沙林等的建造及管護(hù)現(xiàn)狀。

    2.2 林帶生態(tài)防護(hù)效應(yīng)觀測(cè)分析方法

    防風(fēng)效應(yīng)是風(fēng)沙危害區(qū)農(nóng)田防護(hù)林最重要的生態(tài)防護(hù)效應(yīng)之一。在研究區(qū)域內(nèi),選擇了在當(dāng)?shù)赜写硇缘牟煌瑯?shù)種組成、不同造林時(shí)間的農(nóng)田防護(hù)林帶和林網(wǎng)進(jìn)行防風(fēng)效益觀測(cè)。觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)在林帶走向的中垂線上,根據(jù)林帶間距在迎風(fēng)面6H,4H,2H處,背風(fēng)面2H,4H,6H處設(shè)點(diǎn),對(duì)照點(diǎn)布設(shè)在空曠農(nóng)田中心處。

    采用上海滬鑠電子科技有限公司生產(chǎn)的手持DEM-6型三杯風(fēng)向風(fēng)速表(精度為0.2 m/s)觀測(cè)距地面垂直高度1.5 m處風(fēng)速。觀測(cè)時(shí)間為2008年7月20—30日,選擇大風(fēng)天氣進(jìn)行。大風(fēng)天氣主要以能見(jiàn)度為標(biāo)準(zhǔn),能見(jiàn)度小于1 000 m定為大風(fēng)天氣。林帶防風(fēng)效能的計(jì)算公式為:

    式中:Ex——林帶附近距離為x,高度為1.5 m處防風(fēng)效能;μ0——對(duì)照點(diǎn)觀測(cè)高度1.5 m處的平均風(fēng)速;μx——距林帶 x,高1.5 m處的平均風(fēng)速[22]。

    林帶溫、濕度調(diào)節(jié)作用的觀測(cè)點(diǎn)同上。用通風(fēng)干濕表定時(shí)測(cè)定各設(shè)定點(diǎn)處農(nóng)田距地面1.5 m高處的大氣溫度和大氣濕度,觀測(cè)在2008年7月20—30日內(nèi)晴朗無(wú)風(fēng)天氣進(jìn)行(表1)。

    表1 試驗(yàn)林帶結(jié)構(gòu)特征

    2.3 林帶經(jīng)濟(jì)效應(yīng)觀測(cè)分析方法

    農(nóng)田防護(hù)林的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)可依其農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益進(jìn)行間接分析。測(cè)定選擇土壤條件和灌溉條件等相當(dāng),種植同種作物的林網(wǎng)內(nèi)農(nóng)田和無(wú)防護(hù)林防護(hù)的農(nóng)田,調(diào)查林帶背風(fēng)面20H內(nèi)作物成熟期平均高度、距林帶30H內(nèi)農(nóng)作物的平均產(chǎn)量、林帶背風(fēng)面20H內(nèi)作物的千粒重,進(jìn)行對(duì)比分析[23-24],以確定防護(hù)林的實(shí)際增產(chǎn)效益。要求觀測(cè)區(qū)和對(duì)照區(qū)農(nóng)作物管理水平基本一致,并在成熟后進(jìn)行單打單收,林帶及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況(表2)。

    表2 林帶及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況

    3 景電灌區(qū)防護(hù)林效益分析

    3.1 農(nóng)田防護(hù)林帶防護(hù)效應(yīng)分析

    風(fēng)沙危害是景電灌區(qū)存在的主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。林帶是害風(fēng)方向上的一個(gè)障礙物。害風(fēng)通過(guò)林帶時(shí),氣流動(dòng)能受到極大的削弱,使保護(hù)區(qū)地面風(fēng)速減弱,進(jìn)而引起其他小氣候條件的變化。景電灌區(qū)農(nóng)田防護(hù)林帶的防護(hù)效能見(jiàn)表3。

    表3 2008年景電灌區(qū)農(nóng)田防護(hù)林帶防護(hù)效應(yīng)特征

    3.1.1 林帶的防風(fēng)效能 對(duì)林帶附近貼地層風(fēng)速觀測(cè)結(jié)果分析,得出不同防護(hù)林帶迎、背風(fēng)面的防風(fēng)效能變化(圖1)。結(jié)果表明,林帶背風(fēng)面防風(fēng)效果較迎風(fēng)面顯著,隨距林帶距離增加,林帶防風(fēng)效能逐漸減弱。在林帶背風(fēng)面0~6H處,10年生林帶防風(fēng)效能從26%降到5%,在距離林帶2H處出現(xiàn)一個(gè)較大的轉(zhuǎn)折點(diǎn),6H以后防風(fēng)效果基本喪失,降到5%以下;20年生林帶的防風(fēng)效能變化較為平緩,從40%降到22%,同樣在距離林帶2H處出現(xiàn)一個(gè)較大的轉(zhuǎn)折點(diǎn),這與烏拉等[25]的研究結(jié)果一致。但20年生林帶4H處的防風(fēng)效能與10年林帶2H處的防風(fēng)效能相當(dāng),表明隨著防護(hù)林林齡和林帶高度的增長(zhǎng),林帶結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化,從而使其防護(hù)效益呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì)。

    3.1.2 林帶的調(diào)溫效能 在林帶保護(hù)區(qū)內(nèi),由于其對(duì)短波輻射的作用,林帶附近及林帶內(nèi)地面得到太陽(yáng)輻射能量較小,故溫度降低[26]。經(jīng)過(guò)對(duì)氣溫的測(cè)定得出不同防護(hù)林帶迎、背風(fēng)面的溫度變化(圖2)。結(jié)果表明,林網(wǎng)內(nèi)溫度較曠區(qū)降低溫度0.2℃~0.5℃左右。距林帶越近,效果越明顯;林帶迎風(fēng)面的溫度高于林帶背風(fēng)面的溫度,距林帶的距離越近溫度越低。在距林帶相等距離條件下,20年生林帶較10年生林帶溫度低,同一林帶兩側(cè)相等距離處,背風(fēng)面較迎風(fēng)面溫度低,這與孫旭等[27-28]的研究結(jié)果相一致。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在晴朗高溫的夏季,林帶對(duì)于氣溫的調(diào)節(jié)作用明顯,尤其是對(duì)于最高氣溫而言。

    圖1 防護(hù)林帶迎風(fēng)面、背風(fēng)面防風(fēng)效能

    圖2 防護(hù)林帶迎風(fēng)面、背風(fēng)面的溫度變化

    3.1.3 林帶的增濕效能 林帶內(nèi)由于風(fēng)速的降低和亂流交換的減弱,在網(wǎng)格內(nèi)作物蒸騰和土壤蒸發(fā)出來(lái)的水蒸氣較長(zhǎng)時(shí)間停滯在近地面的空氣里,因而增加了林網(wǎng)內(nèi)農(nóng)田系統(tǒng)的空氣濕度。根據(jù)氣溫為28℃時(shí)林帶迎、背風(fēng)面0~6H處的相對(duì)濕度變化觀測(cè)結(jié)果(圖3),林帶內(nèi)平均相對(duì)濕度比林帶外對(duì)照大,差值為4%~5%,表明防護(hù)林具有增加空氣相對(duì)濕度的作用。在林帶迎、背風(fēng)面的不同距離處,其相對(duì)濕度也有較大的差異,隨著與林帶距離的增加,空氣相對(duì)濕度呈現(xiàn)有規(guī)律的遞減,而且林齡越大其增濕程度越顯著。

    圖3 防護(hù)林帶迎、背風(fēng)面的相對(duì)濕度變化

    相關(guān)分析表明,林帶對(duì)相對(duì)濕度的影響與林帶防風(fēng)效能的變化趨勢(shì)相同,即在風(fēng)速減弱明顯區(qū),空氣相對(duì)濕度比較高,而在風(fēng)速減弱較低的區(qū)域,相對(duì)濕度的增加也較低。這表明農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)保護(hù)下的空氣相對(duì)濕度與林帶的防風(fēng)效應(yīng)密切相關(guān)。

    3.2 景電灌區(qū)防護(hù)林帶增產(chǎn)效應(yīng)分析

    在林帶防護(hù)下,農(nóng)作物生長(zhǎng)速率及產(chǎn)量有所提高。經(jīng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),景電一、二期灌區(qū)農(nóng)田防護(hù)林的平均增產(chǎn)效益不突出。在農(nóng)田林網(wǎng)較為完善的條山農(nóng)場(chǎng)和蘭煉農(nóng)場(chǎng)、四個(gè)山園林場(chǎng),可以使保護(hù)區(qū)小麥和玉米的產(chǎn)量分別提高18.3%和13.7%(表4)。但在農(nóng)田防護(hù)林不完善的上沙窩和四個(gè)山的部分地區(qū),因防護(hù)林帶的脅地減產(chǎn)影響,增產(chǎn)不明顯。這與以往農(nóng)田防護(hù)林效益的研究結(jié)果[1,29-31]相一致。

    由于林網(wǎng)為農(nóng)作物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的環(huán)境條件,使農(nóng)作物光合作用效率提高,物質(zhì)積累增多,從而提高了作物的千粒重。據(jù)測(cè)定發(fā)現(xiàn),林網(wǎng)內(nèi)農(nóng)作物千粒重要比空曠區(qū)對(duì)照點(diǎn)的千粒重提高15%~18%左右(表5),這與楊偉等[32]的研究結(jié)論相一致。

    表4 四個(gè)山園林場(chǎng)農(nóng)田防護(hù)林對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響 kg/hm2

    表5 景電灌區(qū)防護(hù)林帶對(duì)農(nóng)作物千粒重的影響(二期總3支15斗)

    4 結(jié)論

    (1)觀測(cè)分析表明,景電灌區(qū)農(nóng)田防護(hù)林帶的生態(tài)防護(hù)效應(yīng)主要表現(xiàn)在林帶迎、背風(fēng)面距林帶0—6H的范圍內(nèi)。隨與林帶距離的增大,其生態(tài)防護(hù)效應(yīng)遞減;20年生林帶的生態(tài)防護(hù)效應(yīng)優(yōu)于10年生林帶,表明隨著防護(hù)林林齡增加,其防護(hù)能力也隨之提高。但有關(guān)本區(qū)域農(nóng)田防護(hù)林的防護(hù)成熟齡問(wèn)題,還待進(jìn)一步的深入研究。

    (2)農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)改善了農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件,使作物光合效率提高,物質(zhì)積累增多,提高了作物產(chǎn)量及千粒重[22]。研究發(fā)現(xiàn):在灌區(qū)內(nèi)農(nóng)田林網(wǎng)較為完善的地帶,防護(hù)林保護(hù)下的小麥、玉米產(chǎn)量分別提高18.3%和13.7%;千粒重比對(duì)照點(diǎn)提高15%~18%左右,林帶的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益明顯。但在農(nóng)田林網(wǎng)不健全的條件下,增產(chǎn)效果表現(xiàn)則不顯著。

    (3)調(diào)查可見(jiàn),景電灌區(qū)內(nèi)一些早期營(yíng)造的農(nóng)田防護(hù)林存在著結(jié)構(gòu)配置、林帶管理、樹(shù)種改造等亟待解決的問(wèn)題,特別是許多楊樹(shù)防護(hù)林帶因天牛危害,植株瀕臨枯死,已基本喪失生態(tài)防護(hù)功能和經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。因此,綜合分析認(rèn)為,景電灌區(qū)現(xiàn)有農(nóng)田防護(hù)林體系的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)都有待于進(jìn)一步提高和完善。此外,改變重造輕管的經(jīng)營(yíng)理念,將對(duì)促進(jìn)和保障區(qū)域防護(hù)林體系的持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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