阿克蘇市郊柯柯牙防護林不同林齡新疆楊防風(fēng)及土壤改良效應(yīng)

張利霞，玉米提·哈力克，，阿麗亞·拜都熱拉，劉開通，阿不都拉·阿不力孜，，Martin Welp

（1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 新疆綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊830046；2.新疆大學(xué)物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046；3.Eberswalde應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 森林與環(huán)境學(xué)院，德國 埃伯斯瓦爾德16225）

柯柯牙地處塔克拉瑪干沙漠北緣的阿克蘇市和溫宿縣東北城郊，曾是一片土壤貧瘠、鹽堿肆虐、草木稀疏的亙古荒原，其東面的沙漠區(qū)是阿克蘇市區(qū)和溫宿縣城區(qū)風(fēng)沙危害的主要發(fā)源地。據(jù)環(huán)保部門測定，20世紀70，80年代阿克蘇市以浮塵為主的大氣總懸浮顆粒物（TSP）超過國家規(guī)定的大氣環(huán)境質(zhì)量二級標準的37倍［1］。為了徹底根治風(fēng)沙、浮塵危害，1986年阿克蘇地區(qū)啟動了柯柯牙綠化工程，至2010年已完成綠化面積13 900hm2，建成了一道寬150～500m，長25km，集多種生態(tài)林、經(jīng)濟林于一體的“綠色長城”，成為蔚為壯觀的城郊“森林公園”和令世人驚嘆的“大漠綠屏”［2］。阿克蘇市也因此先后榮獲“中國人居環(huán)境范例獎”（2001年），“全國園林綠化先進城市”（2003年）、“國家森林城市”（2008年）稱號。

新疆楊（PopulusbolleanaLauche）是新疆南部各綠洲最為常見的鄉(xiāng)土樹種，具有喜光，耐寒、耐旱、耐鹽漬，適應(yīng)性及抗污染能力強等特點。由于擁有特殊的葉背面結(jié)構(gòu)，吸附浮塵能力明顯，成為柯柯牙綠化工程的主要防護林樹種，防風(fēng)阻沙、空氣凈化以及土壤改良方面均有明顯的效果。

國內(nèi)外許多學(xué)者對人工防護林治沙防風(fēng)效益及土壤改良作用做了大量研究［3－6］。蔣德明等［6］以科爾沁沙地6年生和11年生小葉錦雞兒為對象，研究結(jié)果表明隨著高度的降低，小葉錦雞兒對風(fēng)速的降低作用越來越明顯，且11年生的防風(fēng)效果大于6年生，同時都可明顯提高土壤中養(yǎng)分含量。李鋒瑞等［7］通過研究指出科爾沁沙地人工楊樹林對N，NNE，NE，ENE和NNW風(fēng)的生態(tài)防護性能最好，4月和5月的風(fēng)速顯著高于6月和7月。閆德仁等［8］指出不同的管理方式和種植模式都會影響楊樹林內(nèi)土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力。以往大多數(shù)研究都集中在灌木植被，部分對楊樹生態(tài)效益的對比研究也多集中于不同配置模式之間，對不同林齡人工新疆楊純林防護效益及土壤改良效益的研究報道較少。本文選取不同年齡階段的新疆楊為研究對象，對其防風(fēng)效果及土壤改良效益進行研究，以期為今后柯柯牙綠化工程生態(tài)效益的評估提供理論基礎(chǔ)，也為阿克蘇市今后的綠化工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

柯柯牙綠化工程始于1986年，北起天山托木爾峰下的溫宿縣境，橫跨阿克蘇市城區(qū)，南與塔克拉瑪干沙漠邊緣的阿拉爾市團場連壤，地理坐標80°15′—80°19′E，40°11′—41°20′N。屬于暖溫帶干旱型氣候，蒸發(fā)量大，降水量少，多年平均降水量56.7mm／a，潛在蒸發(fā)量1 897～2 602mm／a。全年盛行偏北風(fēng)，最大風(fēng)速一般在20m／s左右，風(fēng)向多為西北風(fēng)或西風(fēng)。年平均氣溫為11℃，月平均最高氣溫為24.2℃，月平均最低氣溫－7.6℃；35℃酷熱日數(shù)平均為5.5d，≥－20℃的日數(shù)2.8d。年日照時數(shù)2 854h，≥10℃的積溫2 200℃，無霜期211d。原始植被主要有駱駝刺（Alhagisparsifolia），駱駝蓬（Peganum harmala），蒿 （Artemisiaspp.），蘆 葦 （Phragmites australis）等，但數(shù)量極少、疏散，分布不均。土壤類型主要是棕漠土（主要為沙土、沙壤土、黏土、重黏土、鹽堿土）。

2 研究方法

野外觀測及取樣選擇沿柯柯牙路柯柯牙林管站附近不同時間段所種植的新疆楊防護林地進行。為了對比分析，選擇植被覆蓋度＜5%的裸露沙地為對照地。選擇6年，15年，22年生的新疆楊防護林為研究對象，其生長狀況如表1所示。

表1 樹木生長狀況調(diào)查結(jié)果m

2.1 地表粗糙度的計算

為了描述不同林齡間新疆楊防護林的綜合防風(fēng)效果，我們進一步對其地表粗糙度進行了計算。

所謂地表粗糙度是近地表風(fēng)速為零的高度，它是反映地表對風(fēng)阻抗的重要參數(shù)［9］。改變地表性質(zhì)，增加下墊面粗糙度，可以更加有效地控制風(fēng)沙流，達到防風(fēng)治沙的目的［10－11］，地表粗糙度越大，則防護效益越好。地表粗糙度的計算公式如下［12］：

式中：Z1，Z2——不同的觀測高度（0.5m，2.0m）；A——不同高度風(fēng)速比，A＝Z2／Z1；Z0——地表粗糙度。

2.2 防風(fēng)效果觀測

選擇大風(fēng)日（2011年4月12日和2011年4月28日），風(fēng)速為6.3～7.2m／s，采用便攜式手持氣象儀于迎風(fēng)緣、林內(nèi)1H，3H，5H處以及背風(fēng)面1H，3H，5H處分別測定6年生、15年生和22年生新疆楊人工防護林0.5m，2m高度的風(fēng)速，同時測定裸露沙地相應(yīng)高度的風(fēng)速作為對照。每10s記錄一次瞬時風(fēng)速，求平均值。每個處理均做3個重復(fù)。防風(fēng)效能公式：

式中：Ei——某一高度的防風(fēng)效能；U0——相應(yīng)高度裸露沙地風(fēng)速值；Ui——相應(yīng)高度實驗地風(fēng)速值；

2.3 土樣的采集與測定

在林帶內(nèi)和裸露沙地分別取樣，按五點采樣法，分別布置5個采樣點，按0—10，10—30和30—50cm分層采取土壤，將同一樣地同層部位的土壤混合后作為分析土樣。各項測定指標按常規(guī)方法進行。pH值采用玻璃電極法測定；土壤容重采用環(huán)刀法；土壤有機質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法—外加熱法；土壤全氮用凱氏定氮法；土壤全磷用HCIO4—H2SO4法測定；土壤堿解氮用堿解擴散法；土壤速效磷用0.5mol／L NaHCO3法；速效鉀用醋酸銨—火焰光度計法。

3 結(jié)果與分析

3.1 新疆楊防護林的防風(fēng)效果

由圖1可以看出，不同林齡的新疆楊防護林都可以明顯地降低風(fēng)速。在2m高度，林內(nèi)防風(fēng)效能：22年生＞15年生＞6年生，分別為54.95%，53.30%和50.80%，背風(fēng)面防風(fēng)效能：15年生＞22年生＞6年生，分別為68.07%，66.40%，58.67%，2m 高度不同林齡新疆楊對風(fēng)速的降低作用差別不大。0.5m高度，林內(nèi)防風(fēng)效能：15年生＞22年生＞6年生，背風(fēng)面防風(fēng)效能：22年生＞15年生＞6年生。由于6年生新疆楊尚處于幼齡階段，樹木還未長成，分枝較少，冠幅也較小，縱斷面上孔隙較大，所以導(dǎo)致到達迎風(fēng)面林緣的氣流，一小部分被抬升，大部分進入了林帶內(nèi)，所以林內(nèi)風(fēng)速較15年生，22年生防護林的大。此外，由于6年生新疆楊林下草本植物極少，地面粗糙度較小，因而，在0.5m高度處，其對風(fēng)速的降低作用明顯不及15年生和22年生。

通過式（1）計算得到6年生，15年生，22年生新疆楊人工防護林的地表粗糙度分別為0.11，1.94，2.46，即22年生＞15年生＞6年生。其中15年生和22年生相差不大，但均明顯大于6年生。故15年生和22年生的新疆楊人工防護林的防風(fēng)效果相近，但均比6年生的好。這主要是由于在裸露沙地上栽種人工植被后在很大程度上改變了地表的土壤結(jié)構(gòu)，為一些草本植被的生存提供了條件，從而增大了地表粗糙度，有效地防止了風(fēng)沙。

圖1 不同林齡新疆楊防護林對風(fēng)速的影響

3.2 新疆楊防護林的改土效應(yīng)

3.2.1 對土壤容重的影響 土壤容重是土壤的基本物理性質(zhì)，對土壤的透氣性、入滲性能、持水能力、溶質(zhì)遷移能力以及土壤的抗侵蝕能力都有很大的影響。自然條件下土壤容重受成土母質(zhì)、成土過程、氣候、生物作用及耕作的影響，是高度變異的土壤性質(zhì)指標［13］。對柯柯牙新疆楊防護林地0—10，10—30和30—50cm的剖面進行了土壤容重的測定，分析得出，6年生、15年生、22年生新疆楊人工林內(nèi)各層土壤容重均較對照地低（圖2），分別較對照地降低了0.128，0.214和0.244g／cm3。另外，不同林齡新疆楊林內(nèi)整體呈現(xiàn)出表層土壤（0—10cm）容重大于下層土壤，0—10cm土層土壤容重平均大于10—30，30—50cm土層0.014和0.009g／cm3。主要原因是防護林帶內(nèi)由于植物根系的擾動和灌溉等措施，改變了土壤結(jié)構(gòu)，使得土壤孔隙度增大，土壤中空氣量增多，固體與氣體的比值減少，故使得土壤容重減少［14］。另外，該地區(qū)以前幾乎無植被覆蓋，土壤沙化比較嚴重，表層土壤砂粒含量明顯高于下層土壤，因而導(dǎo)致表層土壤容重大于以下各層土壤容重。在0.01水平上對林齡和土層對土壤容重的影響進行方差分析，結(jié)果表明，不同林齡之間對土壤容重的影響達到顯著水平（F值為103.09＞F－crit＝18，P＝3.62×10－3＜0.01）。

圖2 不同林齡新疆楊防護林土壤容重變化

3.2.2 對土壤pH值及養(yǎng)分的影響 土壤pH值是是土壤形成過程和熟化培肥過程的重要指標［15］。它對土壤中養(yǎng)分存在形式和有效性，對土壤的理化性質(zhì)以及作物生長都能產(chǎn)生直接影響，可以作為鹽堿土改良利用的重要依據(jù)［16］。由表2可以看出，3種不同林齡的新疆楊人工林土壤pH值都呈堿性。其中22年生和15年生新疆楊對土壤pH值的改良作用較為明顯，與對照地相比分別降低了0.37和0.39。不同林帶下生長的不同草本植物凋落物的降解產(chǎn)生的有機酸可以改變土壤的pH值，同時，人為撫育措施在一定程度上可以增加土壤的通氣性，提高土壤氧化還原電位，從而改變土壤pH值。合適的pH值環(huán)境更有利于植被對土壤養(yǎng)分的吸收和利用。

表2 柯柯牙防護林不同林齡新疆楊防護林土壤養(yǎng)分及pH值變化

土壤有機質(zhì)是土壤中各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來源。土壤有機質(zhì)含量是土壤肥力高低的重要指標［17］。由表2可知，各樣地土壤中有機質(zhì)含量均大于裸露沙地，含量大小依次為：22年生＞15年生＞6年生。

隨著土層的加深，有機質(zhì)含量逐漸減少。其中22年生新疆楊防護林平均有機質(zhì)含量較裸露沙地高出87.69g／kg，是裸露沙地的3倍多。這是由于新疆楊防護林有效地防治了風(fēng)對地表土壤的侵蝕，并隨著林齡的不斷增大，每年大量枯枝落葉進入土壤，在水熱條件及微生物的作用下形成養(yǎng)分，在一定程度上增大了土壤有機質(zhì)的含量。土壤中氮、磷的主要來源是有機質(zhì)，因此也大大增加了氮、磷養(yǎng)分的含量。裸露沙地由于沒有栽種植被，當大風(fēng)來時，會帶走大量表層土壤，從而導(dǎo)致有機質(zhì)含量極低。

土壤速效養(yǎng)分是土壤供給植物的當前肥力［18］，是評價土壤肥力的重要指標。由表2可以看出，各速效養(yǎng)分在新疆楊林帶內(nèi)的含量均大于裸露沙地。15年生新疆楊防護林內(nèi)堿解氮、速效鉀的含量均達到最大，分別為11.02和817.19mg／kg，是對照地土壤的4.7和6.3倍，22年生次之。堿解氮、速效鉀含量隨著新疆楊林齡的增大表現(xiàn)出先增大后減少的趨勢，有效磷含量則表現(xiàn)出先減少后增大的趨勢，這與新疆楊在不同生長階段對土壤養(yǎng)分的選擇性吸收有關(guān)。

表3列出了土壤養(yǎng)分與其他因素之間的Pearson相關(guān)系數(shù)。由表3可知，全氮、全磷、堿解氮、有效磷均與土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（p＜0.01），即土壤中氮、磷的含量隨著土壤有機質(zhì)含量的增加而增加。土壤容重與土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀都呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)（p＜0.01），即土壤容重隨著土壤中有機質(zhì)、堿解氮等養(yǎng)分含量的增加而減少，有機質(zhì)含量增加，土壤容重即小，愈有利于提高土壤的穩(wěn)定性，反過來，土壤容重越小，土質(zhì)越細密，更有利于土壤養(yǎng)分的吸收和儲存［19］。

表3 土壤養(yǎng)分與其他因素之間的Pearson相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

（1）柯柯牙不同林齡新疆楊人工防護林均具有良好的防風(fēng)作用，背風(fēng)面防風(fēng)效能在0.5m高度表現(xiàn)為22年生＞15年生＞6年生，在2m高度表現(xiàn)為15年生＞22年生＞6年生。6年生、15年生、22年生防護林的地表粗糙度分別為0.11，1.94，2.46，即綜合防風(fēng)效能15年生和22年生的相近，均大于6年生。

（2）通過對柯柯牙人工防護林0—10，10—30和30—50cm的剖面進行土壤容重的測定，分析得出，6年生、15年生、22年生新疆楊人工林內(nèi)各層土壤容重均低于對照地。且整體呈現(xiàn)出表層土壤容重大于下層土壤。通過方差分析得出，不同林齡防護林對土壤容重的影響達到顯著水平（p＜0.01）。

（3）與對照地相比，林帶內(nèi)各層土壤養(yǎng)分均明顯增加，相關(guān)分析表明，全氮、全磷、堿解氮、有效磷含量均與土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（p＜0.01），土壤容重與土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀等都呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)（p＜0.01）。

［1］ 阿克蘇市志編委會.阿克蘇市志［M］.北京：新華出版社，1991.

［2］ 阿克蘇柯柯牙綠化工程志編委會.柯柯牙綠化工程志［M］.烏魯木齊：新疆人民出版社，2006.

［3］ 劉媖心.包蘭鐵路沙坡頭地段鐵路防沙體系的建立及其效益［J］.中國沙漠，1987，7（4）：1－11.

［4］ Brown K W，Rosenberg N J.Shelter effects on microclimate，growth and water use by irrigated sugar beets in the Great Plains［J］.Agricultural Meteorology，1972，9：241－263.

［5］ 何興東，趙愛國，段爭虎，等.塔里木沙漠公路灌木固沙帶的防護效應(yīng)［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2002，21（4）：26－30.

［6］ 蔣德明，曹成有，押田敏雄，等.科爾沁沙地小葉錦雞兒人工林防風(fēng)固沙及改良土壤效應(yīng)研究［J］.干旱區(qū)研究，2008，25（5）：653－658.

［7］ 李瑞峰，張華，趙麗婭，等.科爾沁沙地人工楊樹林生態(tài)防風(fēng)效應(yīng)研究［J］.水土保持學(xué)報，2003，17（2）：62－66.

［8］ 閆德仁，劉永軍，馮立嶺，等.農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營土壤養(yǎng)分的變化［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，29（1）：53－56.

［9］ 馬世威，馬玉明，姚洪林，等.沙漠學(xué)［M］.呼和浩特：內(nèi)蒙古人民出版社，1998：20－36.

［10］ 許林書，許嘉巍.沙障成林的固沙工程及生態(tài)效益研究［J］.中國沙漠，1996，16（4）：392－396.

［11］ 朱朝云，丁國棟，楊明遠.風(fēng)沙物理學(xué)［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1992.

［12］ 丁國棟.地表粗糙度確定方法的研究［J］.內(nèi)蒙古林業(yè)，1994（6）：27.

［13］ 黃昌勇.土壤學(xué)［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000：66－97.

［14］ 何金軍，魏江生，左合君，等.集寧一二連浩特鐵路干線防護林土壤的理化特性［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2008，21（4）：151－156.

［15］ 林大儀.土壤學(xué)實驗指導(dǎo)［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2004.

［16］ 馬利強，郝玉光，張秋良，等.不同配置農(nóng)田防護林對土壤肥力的影響［J］.林業(yè)資源管理，2009，12（6）：91－95.

［17］ 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析 ［M］.3版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2008：99－114.

［18］ 孟祥楠，趙雨森.農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營對化學(xué)性質(zhì)的影響［J］.防護林科技，2006，7（4）：38－40.

［19］ 朱志梅，楊持，曹明明，等.多倫草原土壤理化性質(zhì)在沙漠化過程中的變化［J］.水土保持通報，2007，27（1）：1－5.