風(fēng)吹雪災(zāi)害防護(hù)林格局及配置研究

包巖峰，丁國棟，趙媛媛，高廣磊，馮莎莎，石 星，馮 穎

（水土保持與荒漠化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083）

風(fēng)吹雪作為一種自然現(xiàn)象廣泛分布在我國寒冷地區(qū)。當(dāng)降雪過程中或降雪過后，風(fēng)力達(dá)到一定的強(qiáng)度，風(fēng)吹起雪粒一起運(yùn)動(dòng)即形成了風(fēng)雪流。風(fēng)雪流是氣流挾帶著分散雪粒的非典型兩相流[1]。風(fēng)雪流包括低吹雪、高吹雪和暴風(fēng)雪三種，對(duì)自然積雪有重新分配的作用[2]。積雪容易引發(fā)多種災(zāi)害（風(fēng)吹雪和雪崩），而風(fēng)雪流形成的積雪深度能夠達(dá)到一般積雪深度3～8倍[3]，風(fēng)雪流問題研究已經(jīng)成為當(dāng)前學(xué)界研究的熱點(diǎn)問題之一。20紀(jì)70年代中期國際風(fēng)雪流研究處于加速發(fā)展階段，實(shí)現(xiàn)了由對(duì)風(fēng)雪流的定性描述到定量研究突破[4-7]。我國在20世紀(jì)70年代后對(duì)風(fēng)雪流的研究與災(zāi)害防治開始投入大量的資金，針對(duì)中國風(fēng)吹雪雪害區(qū)劃、風(fēng)雪流形成的物理過程、分布規(guī)律以及吹蝕與堆積轉(zhuǎn)化機(jī)制、防災(zāi)減災(zāi)等方面做了較為詳細(xì)研究，先后在天山、西藏東南、滇北等地開展雪崩、公路風(fēng)吹雪調(diào)查與防治研究[8-11]。同時(shí)也對(duì)我國西北、華北、東北和西南地區(qū)雪害嚴(yán)重地區(qū)雪粒的起動(dòng)、時(shí)空分布與運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了較為全面的研究，完成了對(duì)我國雪害、風(fēng)雪流的區(qū)劃，把中國風(fēng)吹雪區(qū)劃分為2個(gè)區(qū)域、3個(gè)大區(qū)、13個(gè)地帶、39個(gè)地區(qū)和131個(gè)區(qū)[3,8,12-13]。一些學(xué)者通過西部山區(qū)公路風(fēng)雪流災(zāi)害防治的研究，利用野外觀測(cè)和風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，成功研究不同地帶的風(fēng)雪流流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和多種防雪技術(shù)的作用機(jī)制，提出了山區(qū)道路雪害防治的措施和方法[9]。并通過野外實(shí)驗(yàn)的方法檢驗(yàn)了擋雪墻、導(dǎo)風(fēng)板、防雪柵欄、儲(chǔ)雪溝等一系列工程措施在防治風(fēng)雪災(zāi)害過程中的應(yīng)用效果[3,8-9,13]?？v觀國內(nèi)外大部分研究，發(fā)現(xiàn)針對(duì)風(fēng)吹雪災(zāi)害的研究主要集中在風(fēng)雪流形成機(jī)理以及通過工程措施對(duì)山區(qū)公路風(fēng)吹雪防治等方面，采用生物措施特別是防雪林配置技術(shù)對(duì)風(fēng)吹雪防治方面的研究還未見報(bào)道。

我國西部地區(qū)面臨風(fēng)雪及風(fēng)沙災(zāi)害危害嚴(yán)重，所以對(duì)高寒地帶較大面積上重點(diǎn)區(qū)域的風(fēng)雪防治尤為重要。與工程措施不同，營造結(jié)構(gòu)合理、配置科學(xué)的防雪林不僅有效增加了防護(hù)面積，而且更加經(jīng)濟(jì)、有效和持久。本文以新疆吉木乃縣為研究區(qū)，通過對(duì)該地區(qū)多年風(fēng)信資料、土壤情況及鄉(xiāng)土樹種的調(diào)查分析，同時(shí)結(jié)合該地區(qū)風(fēng)雪災(zāi)害成災(zāi)致災(zāi)原理和機(jī)制的相關(guān)研究，以研究區(qū)立地條件特點(diǎn)為基礎(chǔ)，提出幾種不同配置結(jié)構(gòu)的防雪林營造技術(shù)模式，為風(fēng)吹雪地區(qū)防治風(fēng)雪災(zāi)害提供理論依據(jù)與實(shí)踐參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

吉木乃縣（地理坐標(biāo)為：北緯47°00′～47°59′，東經(jīng)85°33′～87°09′）位于新疆伊犁哈薩克自治州阿勒泰地區(qū)。地處準(zhǔn)葛爾盆地北緣，薩吾爾山北麓，額爾齊斯河南岸，地勢(shì)南高北低，南陡北緩。遠(yuǎn)離海洋，屬大陸性北溫帶寒冷氣候區(qū)，春旱多風(fēng)，夏季涼爽，秋季短暫，冬季寒冷而漫長(zhǎng)。降水量少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，日照充足。年平均氣溫3.5℃，氣溫分布趨勢(shì)由北向南隨海拔高度的增加而逐漸降低。年日照時(shí)數(shù)2 940.8 h，無霜期151 d，年平均降水量為202.2 mm，夏季降水量占全年降水量的34.9%，秋季占16.8%，春季占20.7%，冬季占27.5%，蒸發(fā)量是降水量的10.5倍。土壤類型與地貌類型相對(duì)應(yīng)，由南向北垂直分布可分為薩吾爾山山地土壤和平原農(nóng)區(qū)土壤，土壤類型包括荒漠土壤、草原土壤、草地草甸和草甸草原土壤、鹽堿土壤及風(fēng)沙土壤。吉木乃縣是典型的內(nèi)陸干旱地區(qū)，地被植物種類較少。喬木多為人工防護(hù)林，灌木與草本植物以典型荒漠植物為主。

1.2 研究方法

1.2.1 研究區(qū)多年風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)定

風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)均來自新疆吉木乃縣氣象站，取吉木乃2001～2010年10年日平均風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，風(fēng)向數(shù)據(jù)以2005～2010年5年最大風(fēng)速的風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。雪粒起動(dòng)風(fēng)速及林帶間風(fēng)速通過手持風(fēng)速儀（FC-16025）、HOBO小型氣象站三杯風(fēng)速儀進(jìn)行觀測(cè)。

1.2.2 研究區(qū)立地現(xiàn)狀分析

實(shí)地踏勘研究區(qū)，了解造林地地貌類型，并通過在造林地內(nèi)挖土壤剖面，提取分析土壤各層0～10 cm、10～30 cm、30～50以及50～90 cm 土壤含水率和土壤養(yǎng)分含量。

1.2.3 研究區(qū)植被調(diào)查

通過對(duì)研究區(qū)現(xiàn)有植被的調(diào)查，選取適宜造林的樹種。防雪林樹種選擇條件為樹體高大、樹冠較窄，根深，不易風(fēng)倒、風(fēng)折；速生，尤其是樹干生長(zhǎng)快、干直兼有經(jīng)濟(jì)效益及觀賞性；具有較強(qiáng)的抗寒、抗旱、抗高溫、抗病蟲害、耐水濕、耐鹽堿等能力，在當(dāng)?shù)匾延谐晒υ炝纸?jīng)驗(yàn)的鄉(xiāng)土樹種。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速分析

通過統(tǒng)計(jì)分析吉木乃縣近5年（2005～2010年）日平均風(fēng)速，篩選出大于等于5 m·s-1的風(fēng)速即雪粒的起動(dòng)風(fēng)速。得出月平均大于等于5 m·s-1的風(fēng)速為1月21 d，2月20 d，3月28 d，4月30 d，5月31 d，6月30 d，7月31 d，8月31 d，9月30 d，10月29 d，11月23 d，12月22 d（見表1）。可見研究區(qū)每月發(fā)生大于起動(dòng)風(fēng)速的天數(shù)均大于20 d，表明，降雪易引發(fā)風(fēng)吹雪災(zāi)害。

吉木乃縣年平均風(fēng)速為4.4 m·s-1，最大年平均為5.1 m·s-1，最小年平均為3.8 m·s-1。風(fēng)速的日變化是：一般早上風(fēng)速小，午后最強(qiáng)，日落后逐漸減弱。若在寒潮等天氣的影響下，風(fēng)速變化隨天氣強(qiáng)度而變化。

大風(fēng)（大于17 m·s-1的風(fēng)速）是決定一個(gè)地區(qū)風(fēng)雪災(zāi)害程度的動(dòng)力基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析吉木乃縣10年（2001～2010年）的風(fēng)速數(shù)據(jù)，得到近10年月平均大風(fēng)天數(shù)為：1月2 d，2月2 d，3月4 d，4月7 d，5月9 d，6月8 d，7月6 d，8月5 d，9月5 d，10月4 d，11月3 d，12月2 d；年平均大風(fēng)日數(shù)為32 d，最多年份2005年達(dá)到42 d，最少年份2009年22 d，最大風(fēng)速27.4 m·s-1（風(fēng)向ESE）。在風(fēng)雪同期的11月至翌年3月，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到大于等于17 m·s-1時(shí)所形成的風(fēng)雪流直接造成災(zāi)害或者通過對(duì)降雪的再分配造成二次風(fēng)雪災(zāi)害。而由特殊的地形地貌引起風(fēng)速的“峽谷效應(yīng)”可以使風(fēng)速加劇，這種現(xiàn)象在當(dāng)?shù)厮追Q“諾海風(fēng)”，所造成的風(fēng)雪災(zāi)害將更加嚴(yán)重。

表1 2005～2010年各月日平均風(fēng)速大于等于5 m·s-1的統(tǒng)計(jì)表Table1 Statistical table about daily average wind speed of each month greater than or equal to 5 m·s-1from 2005～2010

2.2 風(fēng)向分析

分析吉木乃2005～2010年近5年大于等于起動(dòng)風(fēng)速的風(fēng)向數(shù)據(jù)，得出該地區(qū)風(fēng)向多數(shù)以西北風(fēng)為主導(dǎo)，其中西北偏西風(fēng)（WNW）年均出現(xiàn)為111 d，西北風(fēng)（NW）年均出現(xiàn)為49 d，西風(fēng)（W）年均出現(xiàn)40 d，而南風(fēng)（S）、東風(fēng)（E）以及北風(fēng)（N）年均出現(xiàn)頻率不多。風(fēng)向年均日數(shù)大于等于20 d的頻率依次為：WNW＞NW＞S＞SSW＞W(wǎng)＞E。

由于風(fēng)吹雪大多在每年的冬春季節(jié)，滿足一定的動(dòng)力條件以及有豐富的降雪時(shí)發(fā)生。所以分析風(fēng)雪同發(fā)期的有害風(fēng)向?qū)I造“因害設(shè)防”的防雪林有著至關(guān)重要的意義。因此篩選出2005～2010年各年11月到翌年3月大于等于起動(dòng)風(fēng)速的風(fēng)向數(shù)據(jù)（見表2），并繪制了2006，2007，2008，2009年近4年的風(fēng)向玫瑰圖（見圖1）來分析研究區(qū)主要成災(zāi)風(fēng)向，做到因害布設(shè)防護(hù)林帶。

由圖1和表2分析可知，吉木乃縣近幾年在風(fēng)雪同發(fā)期11月到翌年3月，南風(fēng)（S）為主導(dǎo)風(fēng)，西北偏西風(fēng)（WNW）和東風(fēng)（E）次之。風(fēng)向出現(xiàn)頻率較多為：S＞SSW＞W(wǎng)NW＞NW≥ESE＞E，有害風(fēng)向?yàn)槲鞅逼憋L(fēng)（WNW）和東風(fēng)（E）。雖然南風(fēng)（S）在風(fēng)雪期為主導(dǎo)風(fēng)，但是由于吉木乃縣南部建設(shè)布局及地貌特征，不具備形成風(fēng)雪流的開闊平坦地勢(shì)和豐富雪源，所以由南風(fēng)（S）引發(fā)的風(fēng)吹雪危害并不大。而西北偏北風(fēng)（WNW）和東風(fēng)（E）是造成吉木乃縣風(fēng)雪災(zāi)害的主要風(fēng)向，其中東風(fēng)（E）雖然出現(xiàn)頻率相對(duì)少，但由于吉木乃縣東部山脈特殊的地貌形態(tài)，使風(fēng)速加劇形成了“峽谷效應(yīng)”，產(chǎn)生了強(qiáng)勁的東風(fēng)（E），一般風(fēng)力達(dá)5～6級(jí)，最大可達(dá)12級(jí)，在當(dāng)?shù)胤Q之為“諾海風(fēng)”。在布設(shè)防雪林時(shí)注意防護(hù)林帶走向應(yīng)與有害風(fēng)方向保持垂直，若不能垂直也應(yīng)當(dāng)將林帶與風(fēng)向間的夾角控制在45°至90°范圍內(nèi)，不能小于45°。

結(jié)果見表2。

表2 2005～2010年11月1日～3月31日風(fēng)向統(tǒng)計(jì)分析表Table2 Statistical table about daily wind direction from 2005～2010 between 11.1～3.31

2.3 立地條件及植被調(diào)查情況分析

2.3.1 土壤立地類型

研究區(qū)土壤類型為荒漠土壤、草原土壤、草地草甸和草甸草原土壤、鹽堿土壤及風(fēng)沙土壤。通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)多個(gè)位置上土壤剖面的分析，建立立地條件質(zhì)量評(píng)價(jià)表（見表4）。選取土壤厚度（A）-植被類型（B）兩個(gè)立地因子對(duì)本區(qū)立地類型進(jìn)行描述，本研究在營造防雪林時(shí)涉及立地類型為A2-B1、A2-B2、A2-B33種類型（見表3）。

防雪林主要營造在A2-B1、A2-B2、A2-B3這3種立地類型上，由于這幾種立地類型主要是棄耕地和耕地，其中荒灘地很少，土層較深厚，一般在40 cm以上，土壤養(yǎng)分條件中等偏上（見表5），所以常規(guī)喬木造林可行。對(duì)于土壤養(yǎng)分條件一般的卵石荒灘地以及個(gè)別退耕地和荒草地采用灌木造林。

表3 研究區(qū)立地類型劃分表Table3 Table about site type of the study area

2.3.2 防雪林樹種的選擇

通過野外植被調(diào)查研究，結(jié)合吉木乃地區(qū)氣候條件，以及林木的適應(yīng)性和滯雪、抗雪性能等分析得出，營造防雪林盡量選擇鄉(xiāng)土樹種或者在當(dāng)?shù)赜谐晒υ炝纸?jīng)驗(yàn)的樹種為主要樹種。喬木選用俄羅斯楊（Populus.Russkii Jabl）、新疆白榆（Ulmus pumila L.）、沙棗（Elaeagnus angustifolia L.）、小葉白蠟（Fraxinus bungeana DC.）作為主栽樹種，灌木選用檸條（Caragana intermedia intermedia）、檉柳（Tamarix ramosissima Ledeb）、沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）、黃刺玫（Rosa xanthina Lindl.）。

圖1 2006～2010年11月1日～3月31日風(fēng)向頻率玫瑰圖Fig.1 Wind roses of daily wind direction from 2005-2010 between 11.1-3.31

表4 研究區(qū)立地條件質(zhì)量評(píng)價(jià)Table4 Quality evaluation of site conditions on study area

2.4 防雪林林帶滯雪能力分析

防雪林林帶間距及防雪林空間結(jié)構(gòu)配置對(duì)削弱風(fēng)能，降低風(fēng)速，滯留風(fēng)雪等有著至關(guān)重要的作用。由于與樹高和林帶疏透度關(guān)系密切，在疏透度一定的情況下，原則上樹高越高，防護(hù)距離越遠(yuǎn)，林帶間距越寬。根據(jù)關(guān)于林帶的高度與防雪效果的關(guān)系，有學(xué)者做過相關(guān)研究，并提出如下回歸方程：D=1.9919e0.0347H其中H為植被高度，D為積雪深度[14]。按上述方程，根據(jù)植被高度可以計(jì)算出積雪深度。若吉木乃縣最大降雪深度如為50 cm，則整個(gè)防護(hù)林帶可以積儲(chǔ)3倍于該寬度的來雪，即防護(hù)距離達(dá)6 km。然而林帶的防雪能力不僅僅與林帶的高度有關(guān)，防護(hù)林結(jié)構(gòu)能夠直接影響防雪林的滯雪多少，根據(jù)野外觀測(cè)，疏透結(jié)構(gòu)的防護(hù)林帶防風(fēng)的有效距離一般為樹高的15～20倍，但冬季由于樹木落葉，林帶很難達(dá)到疏透結(jié)構(gòu)（疏透度0.3～0.5），基本都是透風(fēng)結(jié)構(gòu)（疏透度＜0.5），有效防護(hù)距離要小得多，觀測(cè)結(jié)果為樹高的8～10倍。也就是說，營造5 m高的林帶，其有效防護(hù)距離約為40～50 m。本著最大限度滯留來雪的原則，并結(jié)合防雪林結(jié)構(gòu)配置，研究得出該配置下30 m的防雪林林帶間距能夠有效的降低風(fēng)速，滯留風(fēng)雪流中的雪粒，使其沉積在林帶內(nèi)或林帶間達(dá)到最大限度的防雪效果。

表5 不同立地類型土壤養(yǎng)分分析Table5 Soil nutrient analysis of different site types

2.5 防雪林結(jié)構(gòu)與配置

綜合考慮吉木乃縣氣候及立地條件，結(jié)合物種多樣性，喬灌結(jié)合，林木空間結(jié)構(gòu)配置對(duì)防治風(fēng)雪災(zāi)害的積極影響。得出以下幾種不同配置結(jié)構(gòu)的防雪林設(shè)計(jì)：

①選擇俄羅斯楊（Populus.Russkii Jabl）、小葉白蠟（Fraxinus bungeana DC.）、為喬木主要建設(shè)樹種，灌木樹種為黃刺玫（Rosa xanthina Lindl.）。采用喬灌結(jié)合的行帶式造林配置，6行一帶，喬木4行，灌木2行，喬木林帶靠近下風(fēng)側(cè)，株行距為3 m×3 m，灌木林帶靠近上風(fēng)側(cè)，株行距為1 m×2 m，林帶間距為30 m。林帶長(zhǎng)度及寬度可以根據(jù)防護(hù)目標(biāo)的面積大小來進(jìn)行調(diào)整，林木采用“品”字型布設(shè)，該設(shè)計(jì)喬木景觀基干林帶樹種的選擇是考慮了抗性的同時(shí)也考慮了景觀效果。可以應(yīng)用在城鄉(xiāng)人居環(huán)境風(fēng)吹雪災(zāi)害防治等方面。

②喬木樹種選擇俄羅斯楊（Populus.Russkii Jabl）和沙棗（Elaeagnus angustifolia L.）為主栽樹種，灌木樹種為檉柳（Tamarix ramosissima Ledeb）。采用喬灌結(jié)合的行帶式造林配置，6行一帶，喬木四行，灌木兩行，喬木林帶靠近下風(fēng)側(cè)，株行距為3 m×3 m，灌木林帶靠近上風(fēng)側(cè)，株行距為1 m×2 m，林帶間距為30 m。該防護(hù)林配置模式能夠在中等偏上的立地條件下較好發(fā)揮防治風(fēng)雪災(zāi)害的作用。

③喬木選用俄羅斯楊（Populus.Russkii Jabl）和新疆白榆（Ulmus pumila L.），灌木選用沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）。防護(hù)林采用行帶式造林配置，喬灌結(jié)合，6行一帶，喬木4行、灌木2行，株行距為3 m×3 m，喬木林帶靠近下風(fēng)側(cè)，灌木林帶靠近上風(fēng)側(cè)。該防雪林兼?zhèn)淞己玫姆里L(fēng)雪效益與經(jīng)濟(jì)效益。

④對(duì)于立地條件一般不能直接種植喬木樹種的地區(qū)，通過營造樹體高大，樹冠較稀疏的耐寒耐旱灌木樹種來完成風(fēng)雪災(zāi)害的防治，并通過調(diào)整林帶配置來最大限度的削弱風(fēng)速，滯留積雪。其中灌木林帶樹種選用梭梭（Haloxylon ammodendron）和檉柳（Tamarix ramosissima Ledeb），采用兩行一帶造林模式，株行距為1.0 m×1.5 m，兩個(gè)樹種隔帶混交配置，帶距10 m。

3 討論與結(jié)論

新疆吉木乃縣風(fēng)雪活動(dòng)頻繁，2005～2010年≥5 m·s-1年平均起動(dòng)風(fēng)速全年有326 d。年平均大風(fēng)（＞17 m·s-1）日數(shù)為31.5 d，且大風(fēng)多發(fā)生在風(fēng)雪同發(fā)期（11月至翌年3月），為該地區(qū)造成風(fēng)雪災(zāi)害提供基礎(chǔ)。在吉木乃風(fēng)雪同發(fā)期，有害風(fēng)向?yàn)槲鞅逼黠L(fēng)（WNW）和東風(fēng)（E），其中東風(fēng)（E）在“峽谷效應(yīng)”作用下成災(zāi)更嚴(yán)重。

目前對(duì)于風(fēng)吹雪的防治研究，絕大部分是應(yīng)用擋雪墻、導(dǎo)風(fēng)板、防雪柵欄等工程措施來實(shí)施對(duì)點(diǎn)和線的防治，尤其是針對(duì)公路防雪方面的研究，而采用防雪林防治風(fēng)雪災(zāi)害的研究很少。西部地區(qū)大部分地處風(fēng)雪災(zāi)害頻發(fā)帶，飽受風(fēng)雪災(zāi)害的侵襲，給當(dāng)?shù)鼐用裆罴敖?jīng)濟(jì)帶來諸多影響。營造結(jié)構(gòu)合理，配置科學(xué)的防雪林可以對(duì)較大面積的重點(diǎn)地區(qū)起到有效防護(hù)作用。相比較其他措施防雪林是經(jīng)濟(jì)、有效和持久的方法。防雪林體系的建設(shè)應(yīng)本著“因害設(shè)防，因地制宜，適地適樹”的原則，緊密結(jié)合區(qū)域氣候特點(diǎn)和土壤特點(diǎn)，選擇抗逆性強(qiáng)的鄉(xiāng)土喬灌木樹種，高效利用水土資源，營造健康穩(wěn)定的防護(hù)林體系。研究完成了幾種不同空間配置結(jié)構(gòu)的防雪林技術(shù)模式，分別為采用喬灌結(jié)合的行帶式造林配置，6行一帶，喬木4行，灌木2行，喬木林帶靠近下風(fēng)側(cè)，株行距為3 m×3 m，灌木林帶靠近上風(fēng)側(cè)，株行距為1 m×2 m，林帶間距為30 m。以及灌木林采用兩行一帶造林模式，株行距為1.0 m×1.5 m，兩個(gè)樹種隔帶混交，帶距10 m。

本研究以風(fēng)速、風(fēng)向等氣象資料為基礎(chǔ)，充分分析氣候特征和土壤立地條件，從生物防治措施即防雪林體系建立的角度，對(duì)風(fēng)吹雪災(zāi)害的防治提供了理論依據(jù)并提出幾種防護(hù)林營造技術(shù)模式，為風(fēng)吹雪地區(qū)減輕風(fēng)雪災(zāi)害提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

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