且末綠洲沙漠過(guò)渡帶防護(hù)林工程小氣候效應(yīng)研究

楊興虎,范敬龍,徐新文,黃 媛,馬景永,席 霞

(1.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),蘭州 730070)

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且末綠洲沙漠過(guò)渡帶防護(hù)林工程小氣候效應(yīng)研究

楊興虎1,2,范敬龍1,徐新文1,黃 媛1,2,馬景永3,席 霞3

(1.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),蘭州 730070)

為了探討沙漠綠洲過(guò)渡帶不同林齡的防護(hù)林對(duì)區(qū)域內(nèi)小氣候的影響，揭示風(fēng)速、溫度、濕度等氣象要素的時(shí)空變化規(guī)律，針對(duì)且末綠洲邊緣區(qū)塊狀防護(hù)林生態(tài)屏障，設(shè)置了5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，采用小型自動(dòng)氣象站對(duì)防護(hù)林區(qū)和裸露流沙區(qū)的風(fēng)速、空氣溫度、濕度進(jìn)行連續(xù)同步觀測(cè)。結(jié)果表明：(1)相對(duì)裸露流沙地，梭梭林(2 a，5 a，7 a林齡)，17 a林齡混交林防風(fēng)效能分別為5.26%，31.57%，42.10%，78.94%?；旖涣?17 a)的防風(fēng)效能顯著高于梭梭林(2 a，5 a，7 a林齡)，但各防護(hù)林防風(fēng)效能隨著風(fēng)速的增大有所下降。(2)防護(hù)林可以降低區(qū)域內(nèi)的日均氣溫，且林齡越大，降溫效果越明顯；但達(dá)到一定年限后，降溫效應(yīng)不再增強(qiáng)。(3)夜晚裸露流沙區(qū)氣溫高于防護(hù)林區(qū)，白天混交林(17 a)區(qū)氣溫顯著高于裸露流沙區(qū)。(4)防護(hù)林可以增加空氣濕度，林齡越大，增濕效應(yīng)越強(qiáng)，防護(hù)林區(qū)夜晚的增濕效應(yīng)高于白天。

防護(hù)林工程; 小氣候效應(yīng); 綠洲沙漠過(guò)渡帶; 塔克拉瑪干沙漠南緣; 且末

小氣候通常表征相同大氣候和局地氣候范圍內(nèi)，由于地形、土壤和植被等下墊面構(gòu)造和特性的差異，引起水熱收支不同，而形成的近地層特殊氣候現(xiàn)象[1]。人工建立的防護(hù)林能夠有效改變下墊面性質(zhì)，從而影響區(qū)域小氣候，近年來(lái)，防護(hù)林對(duì)小氣候的改善作用，已被人們所公認(rèn)[2]。防護(hù)林可以增加地表粗糙度，改變貼地層氣流運(yùn)動(dòng)，從而降低風(fēng)速[3-4]，在荒漠流沙區(qū)域，風(fēng)速的降低，減小了風(fēng)對(duì)地表沙物質(zhì)的搬運(yùn)能力，可以減緩沙丘移動(dòng)，減輕沙塵災(zāi)害。防護(hù)林可以改變區(qū)域內(nèi)的溫濕度，防護(hù)林對(duì)其所在區(qū)域具有縮小氣溫日較差、降低氣溫的作用[5-7]。有研究表明，流沙地的氣溫在夜間要顯著高于林地[3]，早晨檸條林的氣溫顯著低于流動(dòng)沙丘，中午檸條林的氣溫顯著高于流動(dòng)沙丘[8]。也有研究認(rèn)為，白天防護(hù)林內(nèi)氣溫比林外低，而在晚上林內(nèi)氣溫比林外高[9-11]，這也許是防護(hù)林所處區(qū)域的下墊面性質(zhì)差異所致，也可能是防護(hù)林類(lèi)型的不同引起的差異。防護(hù)林能夠有效增加空氣濕度，人工防護(hù)林內(nèi)的相對(duì)濕度均顯著高于荒漠流沙區(qū)[12]，研究發(fā)現(xiàn)，空氣溫度最大值出現(xiàn)的時(shí)刻空氣濕度達(dá)到最小值，即空氣溫度、濕度呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性[13-14]。

本研究的目的在于：針對(duì)且末綠洲邊緣區(qū)塊狀防護(hù)林生態(tài)屏障，研究防護(hù)林系統(tǒng)的小氣候效應(yīng)，分析不同林齡防護(hù)林地小氣候效應(yīng)的差異，揭示風(fēng)速、溫度、濕度等氣象要素的時(shí)空變化規(guī)律。防護(hù)林對(duì)小氣候的影響因素主要有林種、配置結(jié)構(gòu)、林齡等，當(dāng)前眾多的研究都集中于對(duì)防護(hù)林不同林種以及不同配置結(jié)構(gòu)的研究[15-17]。由于干旱區(qū)防護(hù)林體系一般是交通干線、河流明渠兩側(cè)的線性防護(hù)工程。而對(duì)于沙漠綠洲外圍的大規(guī)模區(qū)塊狀防護(hù)工程，研究程度相對(duì)較低，相關(guān)的小氣候效應(yīng)研究相對(duì)欠缺。因此，對(duì)于這類(lèi)綠洲核心區(qū)的外圍防護(hù)體系的深入研究，對(duì)改善綠洲環(huán)境，發(fā)展綠洲可持續(xù)生態(tài)文明，都具有重要的研究?jī)r(jià)值。

1　研究區(qū)概況

在近代氣候極端干旱、少雨多大風(fēng)、沙塵頻發(fā)的荒漠環(huán)境中，人類(lèi)文明是扎根綠洲而逐步發(fā)展的。且末綠洲位于塔克拉瑪干沙漠南緣(圖1)，是依靠車(chē)爾臣河和昆侖山南坡諸小河發(fā)展起來(lái)的，也是塔里木盆地南部較大的綠洲之一，地處東經(jīng)83°25′—87°30′，北緯35°40′—40°10′，屬典型的大陸荒漠性氣候，主風(fēng)向?yàn)镹E，春夏季多大風(fēng)、沙塵暴和浮塵天氣，據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，年平均8級(jí)以上大風(fēng)16 d，沙塵暴天氣20.5 d，浮塵天氣193.7 d；年均降水量18.6 mm，年均潛在蒸發(fā)量2 507 mm；年平均氣溫11.7℃，年極端最高溫度41.3℃，極端最低溫度-26.4℃，全年無(wú)霜期243 d，全年日照時(shí)數(shù)為2 853.2 h。

圖1　研究區(qū)地理位置與觀測(cè)斷面布設(shè)

由于風(fēng)沙地貌發(fā)展和歷史沿革，且末綠洲核心區(qū)域的人類(lèi)聚居地，距離流動(dòng)沙漠最近距離僅有1 km，因此且末縣是新疆最早自發(fā)投入、義務(wù)建設(shè)過(guò)渡帶防護(hù)林生態(tài)工程的縣城之一。防護(hù)林直接營(yíng)造在流動(dòng)沙漠上，整個(gè)防護(hù)林體系歷經(jīng)十多年的不斷建設(shè)，由綠洲邊緣向流動(dòng)沙區(qū)不斷延伸，目前已營(yíng)造防護(hù)林面積達(dá)33.35 km2左右。林分以梭梭(Haloxylon Bge.)、檉柳(Tamarix L.)、沙拐棗(Calligonum L.)、胡楊(Populus euphratica)為主。

2　試驗(yàn)材料與方法

在且末綠洲沙漠過(guò)渡帶防護(hù)林工程區(qū)域選擇一個(gè)觀測(cè)斷面進(jìn)行小氣候觀測(cè)，斷面布設(shè)情況見(jiàn)圖1，斷面長(zhǎng)度約5.8 km，在前沿裸露流沙地設(shè)置觀測(cè)對(duì)照點(diǎn)1個(gè)，在梭梭林(2，5，7 a)和混交林(17 a)依次分別設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)各1個(gè)，共計(jì)5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，基本情況見(jiàn)表1。

表1　觀測(cè)點(diǎn)基本屬性

在2015年5月1—26日進(jìn)行連續(xù)同步觀測(cè)，儀器采用YGY-QXY小型氣象站，該儀器由武漢市易谷科技有限公司研制。在國(guó)產(chǎn)氣象儀器中，該儀器具有便攜性強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)便，性?xún)r(jià)比高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較大的特點(diǎn)，觀測(cè)精度為：風(fēng)速，±0.3 m/s；溫度，±0.3℃；濕度，±5%RH。本次觀測(cè)項(xiàng)目包括風(fēng)速、空氣溫度、空氣濕度，儀器安裝距離地面1.5 m高度處，采樣時(shí)間間隔設(shè)定為5 min，即每個(gè)記錄數(shù)據(jù)為5 min內(nèi)該觀測(cè)項(xiàng)目的平均值。

數(shù)據(jù)圖表分析采用Excel(Microsoft，V2010)，方差分析采用SPSS(IBM，V16)進(jìn)行。

3　結(jié)果與分析

3.1防護(hù)林區(qū)與裸露流沙區(qū)風(fēng)速變化特征

為了便于理解，下文采用林齡作為觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)示，CK代表裸露流動(dòng)沙地。如圖2所示，各觀測(cè)時(shí)刻平均風(fēng)速日變化表現(xiàn)為白天>夜晚，風(fēng)速大小排序：CK>2 a>5 a>7 a>17 a，表現(xiàn)出隨林齡增大，風(fēng)速逐漸減弱的特點(diǎn)。

圖2　各觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速日變化

為了進(jìn)一步比較各防護(hù)林地之間的風(fēng)速差異，進(jìn)行了不同時(shí)段平均風(fēng)速的方差分析。由表2可知，0：00—10：00時(shí)段，各防護(hù)林地間風(fēng)速差異均極顯著(p<0.01)。10：00—20：00以及20：00—24：00兩個(gè)風(fēng)速較大的時(shí)段，CK風(fēng)速與2 a差異不顯著(p>0.05)，而與5 a，7 a，17 a差異顯著(p<0.05)。這說(shuō)明，在風(fēng)速增大時(shí)，林齡較小的2 a防護(hù)林的防風(fēng)效能有所下降。

表2　不同林齡防護(hù)林風(fēng)速變化　m/s

注：表中均值后的英文字母表示多重比較(LSD)結(jié)果，字母不相同，則表示兩處理之間在α=0.05水平上存在顯著差異，下表同。

人工植被增加了下墊面粗糙度，在一定程度上削弱了近地面空氣湍流交換作用的強(qiáng)度，可以降低近地表風(fēng)速。如圖3所示，1—5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速逐漸減弱，日平均風(fēng)速依次為：1.93，1.78，1.33，1.06，0.41 m/s，相對(duì)于CK，2 a，5 a，7 a，17 a防風(fēng)效能分別為：5.26%，31.57%，42.10%，78.94%；最大日平均風(fēng)速依次為：3.89，3.96，3.07，2.46，1.04 m/s，相對(duì)于CK，2 a，5 a，7 a，17 a防風(fēng)效能分別為：0，20.50%，35.90%，74.36%。表明林齡越大，防風(fēng)效能越大，且隨風(fēng)速增大，防風(fēng)效能有所下降。有相關(guān)研究也表明，防護(hù)林防風(fēng)效能隨著風(fēng)速的變化而變化，防風(fēng)效能會(huì)隨風(fēng)速增大而減弱[3,18]。

圖3　2015年5月各觀測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)速逐日變化

通過(guò)對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)日平均風(fēng)速進(jìn)行方差分析，由表3可知，風(fēng)速大小排序：CK>2 a>5 a>7 a>17 a，CK風(fēng)速與2 a差異不顯著(p>0.05)，CK風(fēng)速與5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a風(fēng)速與5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，5 a風(fēng)速與7 a差異不顯著(p>0.05)，17 a風(fēng)速與2 a，5 a，7 a差異極顯著(p<0.01)，這表明，隨著林齡的增大，防風(fēng)效能也逐漸增強(qiáng)。

表3　不同林齡防護(hù)林風(fēng)速和溫濕度變化

3.2防護(hù)林區(qū)與裸露流沙區(qū)空氣溫度變化特征

防護(hù)林和CK不同時(shí)刻氣平均氣溫變化狀況見(jiàn)圖4，林地與CK氣溫日內(nèi)變化趨勢(shì)基本一致，氣溫一般在7：00左右達(dá)到日內(nèi)最低值，隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，氣溫逐步升高，在16：00左右氣溫達(dá)到日內(nèi)最高值，之后，防護(hù)林與CK氣溫開(kāi)始逐步下降。

圖4　各觀測(cè)點(diǎn)空氣溫度日變化

林地氣溫與CK在白天和夜晚存在明顯差異。通過(guò)對(duì)不同時(shí)段平均氣溫進(jìn)行方差分析，由表4可知，0：00—8：00時(shí)段，CK氣溫與2 a差異不顯著(p>0.05)，CK氣溫與5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a氣溫與5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，5 a氣溫與7 a差異不顯著(p>0.05)，17 a氣溫與2 a，5 a，7 a差異極顯著(p<0.01)。8：00—10：00時(shí)段，CK氣溫與2 a，5 a，7 a，17 a差異不顯著(p>0.05)，2 a，5 a，7 a，17 a之間氣溫差異不顯著(p>0.05)。10：00—19：00時(shí)段，CK氣溫與2 a，5 a，7 a差異不顯著(p>0.05)，CK氣溫與17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a，5 a，7 a之間氣溫差異不顯著(p>0.05)，17 a氣溫與2 a，5 a，7 a差異極顯著(p<0.01)。19：00—0：00時(shí)段，CK氣溫與2 a，5 a，7 a，17 a差異不顯著(p>0.05)，2 a氣溫與5 a，7 a差異不顯著(p>0.05)，2 a氣溫與17 a差異顯著(p<0.05)，5 a，7 a，17 a之間氣溫差異不顯著(p>0.05)。

貼地層空氣溫度的變化主要決定于下墊面輻射狀況和湍流運(yùn)動(dòng)的變化[19]。7 a，17 a防護(hù)林郁閉度較高，對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)影響較大，當(dāng)湍流運(yùn)動(dòng)成為決定空氣溫度的主導(dǎo)因素時(shí)，7 a，17 a防護(hù)林相較CK能夠顯著影響湍流運(yùn)動(dòng)，所以在10：00—19：00時(shí)段，7 a，17 a林內(nèi)氣溫高于CK。2 a，5 a防護(hù)林郁閉度相對(duì)較低，相較CK對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)的影響較小，下墊面輻射狀況成為決定空氣溫度的主導(dǎo)因素，2 a，5 a由于植被反射，接受的輻射少于CK，所以2 a，5 a防護(hù)林氣溫小于CK。

表4　不同林齡防護(hù)林空氣溫度變化　℃

如圖5所示，防護(hù)林地與CK的日平均氣溫變化趨勢(shì)具有一致性，No.1—No.5觀測(cè)點(diǎn)日平均氣溫依次為：24.69，24.49，24.20，24.12，24.12℃，日平均氣溫大小排序：CK>2 a>5 a>7 a=17 a，表明CK日平均氣溫均高于2 a，5 a，7 a，17 a防護(hù)林，隨林齡增大，日平均氣溫降低，由于7 a氣溫與17 a相同，說(shuō)明到達(dá)一定年限，防護(hù)林降溫效應(yīng)不再增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)日平均氣溫進(jìn)行方差分析，由表3可知，CK氣溫與2 a，5 a，7 a，17 a差異不顯著(p>0.05)，2 a，5 a，7 a，17 a之間氣溫差異不顯著(p>0.05)，表明，防護(hù)林的降溫效應(yīng)是有限的。

3.3防護(hù)林區(qū)與裸露流沙區(qū)空氣濕度變化特征

如圖6所示，CK空氣濕度與防護(hù)林區(qū)具有相似的日變化趨勢(shì)，24 h內(nèi)空氣濕度在約7：30達(dá)到最大值，約17：00達(dá)到最小值，與溫度的日變化呈反比關(guān)系，即溫度最低時(shí)濕度最大，溫度最高時(shí)，濕度最小。夜晚濕度>白天濕度，并且24 h內(nèi)各時(shí)刻CK的濕度始終低于防護(hù)林區(qū)。

圖5　2015年5月各觀測(cè)點(diǎn)平均空氣溫度逐日變化

圖6　各觀測(cè)點(diǎn)空氣濕度日變化

通過(guò)對(duì)不同時(shí)段平均濕度進(jìn)行方差分析，由表5可知，0：00—10：00時(shí)段，濕度較高，CK濕度與2 a，5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a，5 a，7 a，17 a之間濕度差異極顯著(p<0.01)。10：00—20：00時(shí)段，濕度較低，CK濕度與2 a，5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a，5 a，7 a，17 a之間濕度差異不顯著(p>0.05)。20：00—0：00時(shí)段，CK濕度與2 a，5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a濕度與5 a，7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，5 a，7 a之間濕度差異不顯著(p>0.05)，17 a濕度與5 a，7 a差異極顯著(p<0.01)。表明防護(hù)林具有一定的增濕效應(yīng)，且這種增濕效應(yīng)在夜晚比白天更加明顯。

表5　不同林齡防護(hù)林濕度變化　%

由圖7可知，防護(hù)林的日平均空氣濕度高于CK，1—5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的日平均空氣濕度依次為：16.86%，20.58%，21.66%，23.64%，27.32%，濕度大小排序：CK<2 a<5 a<7 a<17 a。通過(guò)對(duì)濕度日平均值進(jìn)行方差分析，由表3可知，CK濕度與2 a，5 a差異顯著(p<0.05)，CK濕度與7 a，17 a差異極顯著(p<0.01)，2 a濕度與5 a，7 a差異不顯著(p>0.05)，2 a濕度與17 a差異極顯著(p<0.01)，5 a，7 a之間濕度差異不顯著(p>0.05)，17 a濕度與5 a，7 a差異極顯著(p<0.01)。表明防護(hù)林內(nèi)的空氣濕度較CK有所增加，比較不同林齡的防護(hù)林，表現(xiàn)為林齡越大，增濕效果越明顯。

圖7　2015年5月各觀測(cè)點(diǎn)平均空氣濕度逐日變化

4　結(jié) 論

(1)研究區(qū)風(fēng)速日變化表現(xiàn)為白天>夜晚；相對(duì)于裸露流動(dòng)沙地，梭梭林(2 a，5 a，7 a)、混交林(17 a)防風(fēng)效能分別達(dá)到：5.26%，31.57%，42.10%，78.94%，表明隨林齡的增大，其防風(fēng)效能增強(qiáng)，并且混交林(17 a)的防風(fēng)效能顯著高于梭梭林(2 a，5 a，7 a)；隨著風(fēng)速的增大，防護(hù)林的防風(fēng)效能有所下降。

(2)防護(hù)林具有一定的降溫效果，并且林齡越大，降溫效果也越明顯，具體表現(xiàn)為：流沙地>2 a梭梭林>5 a梭梭林>7 a梭梭林=17 a混交林，當(dāng)達(dá)到一定年限，防護(hù)林的降溫效應(yīng)不再增強(qiáng)。

(3)防護(hù)林可以有效增加空氣濕度，林齡越大，增濕效應(yīng)越明顯。24 h內(nèi)空氣濕度在7：30左右達(dá)到最大值，17：00左右接近最小值，與溫度的變化趨勢(shì)相反；林帶內(nèi)，夜晚的增濕效應(yīng)高于白天。

(4)夜晚流沙地氣溫高于防護(hù)林地的現(xiàn)象，有研究認(rèn)為夜間植被區(qū)散熱面積大，散熱快，使貼地層氣溫稍低于流沙區(qū)[20]。也有人認(rèn)為沙漠地區(qū)風(fēng)速加大，機(jī)械湍流的混和作用加強(qiáng)，在夜晚導(dǎo)致上層空氣向下層傳熱加強(qiáng)，即感熱通量加強(qiáng)，導(dǎo)致近地面溫度變高[21]。筆者認(rèn)為，夜晚研究區(qū)風(fēng)速明顯低于白天，說(shuō)明湍流運(yùn)動(dòng)并不強(qiáng)，因而認(rèn)為，該現(xiàn)象是由下墊面輻射狀況變化引起，這與荒漠地區(qū)特殊下墊面性質(zhì)密切相關(guān)。由于裸露流沙區(qū)地形變化較大，太陽(yáng)輻射面積大于平地，接受的太陽(yáng)輻射較高。白天，太陽(yáng)輻射被地表沙物質(zhì)吸收并儲(chǔ)存，傍晚太陽(yáng)輻射減弱，儲(chǔ)存在流沙地的大量能量逐步向外界釋放，造成日落后流沙地溫度高于林地的現(xiàn)象。這些推論還需進(jìn)一步的驗(yàn)證與探討。

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Research on Microclimate Effects of Shelterbelt Project in the Oasis Desert Ecotone of Qiemo

YANG Xinghu1,2,FAN Jinglong1,XU Xinwen1,HUANG Yuan1,2,MA Jingyong3,XI Xia3

(1.Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011,China; 2.University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 3.Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

In order to investigate the effect of different desert oasis Ecotone shelterbelt forest age on microclimate within the region,reveal the spatial and temporal variation of wind speed,temperature,humidity and other weather elements for Qiemo Oasis protection forest ecological barrier blocks the peripheral zone,we set up five observation points to monitor the wind speed,air temperature,humidity in a small automatic weather station on the shelterbelt area and exposed quicksand area.The results showed that: (1)compared with bare quicksand,the windproof efficacy of Haloxylon ammodendron forests (forest ages of 2-year,5-year and 7-year)and 17-year mixed forest were 5.26%,31.57%,42.10%,78.94%.Mixed (17-year)of the draft efficacy was significantly higher than Haloxylon ammodendron forests (ages of 2-year,5-year and 7-year),but as the wind speed increases the effectiveness of wind has declined; (2)the shelterbelt can reduce the average daily temperature in the region,and the greater forest age is the more obvious cooling effect is,but after reaching a certain age,the cooling effect no longer enhanced; (3)night temperature of shelterbelt area is greater than that of the bare sand area,daytime temperature of mixed (17-year)zone is significantly higher than that of the bare sand area; (4)the shelterbelt can increase air humidity,the greater the forest age is,the stronger humidifying effect is,moist effect at night in protection forest area is higher than that in the daytime.

shelterbelt project; microclimate effect; oasis desert ecotone; southern edge of the Taklimakan Desert; Qiemo

2015-08-28

2015-09-28

國(guó)家科技惠民計(jì)劃項(xiàng)目“新疆且末縣河?xùn)|經(jīng)濟(jì)型生態(tài)屏障示范工程建設(shè)”(2013GS650203)

楊興虎(1987—),男,甘肅武威人,碩士研究生,研究方向?yàn)榛哪乐?。E-mail:429726240@qq.com

徐新文(1963—),男,山東菏澤人,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事荒漠化防治研究。E-mail:sms@ms.xjb.ac.cn

P463.2

A

1005-3409(2016)05-0183-05