河北壩上農(nóng)田防護(hù)林帶結(jié)構(gòu)配置

邱夢如++彭帥++郭中領(lǐng)++王仁德++鄒學(xué)勇++胡國云++常春平

摘要：以河北壩上康保地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林帶為對象，通過野外調(diào)查和試驗(yàn)觀測，對農(nóng)田防護(hù)林帶的空間配置方式、樹種選擇搭配、林帶寬度及株行距等進(jìn)行對比，并對現(xiàn)有農(nóng)田防護(hù)林帶的防風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行探討，以尋找合適的農(nóng)田防護(hù)林帶配置模式。結(jié)果表明，品字形配置方式優(yōu)于矩形配置方式；喬灌混交配置方式能夠兼顧防風(fēng)效能、防護(hù)距離，是研究區(qū)農(nóng)田防護(hù)林帶樹種配置的首選；窄林帶的林帶結(jié)構(gòu)和防護(hù)效益優(yōu)于寬林帶；疏透型林帶寬度一般不超過10 m，通風(fēng)型林帶寬度應(yīng)控制在10～15 m范圍內(nèi)；小青楊在研究區(qū)適用的株行距為2.5 m×3.0 m或3.0 m×4.0 m。因此，康保地區(qū)的農(nóng)田防護(hù)林應(yīng)多種植喬灌混交林，以品字形配置為主，林帶帶寬選擇窄林帶更佳。

關(guān)鍵詞：河北壩上；農(nóng)田防護(hù)林；林網(wǎng)結(jié)構(gòu)；防風(fēng)效能；康?？h；配置

中圖分類號： S727.24文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0145-04

土壤風(fēng)蝕是風(fēng)對地表土壤的侵蝕、搬運(yùn)和堆積的過程，也是風(fēng)與地表顆粒相互作用的過程。土壤風(fēng)蝕破壞地表，造成地表細(xì)顆粒物質(zhì)和土壤養(yǎng)分損失，導(dǎo)致土地沙漠化或貧瘠化[1-2]，土壤風(fēng)蝕在干旱、半干旱區(qū)域尤為嚴(yán)重。農(nóng)田防護(hù)林作為生態(tài)建設(shè)的重要措施，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要屏障[3-5]，具有明顯降低風(fēng)速、增加土壤濕度、防治土壤風(fēng)蝕的作用，是農(nóng)田土壤風(fēng)蝕防治的最主要措施之一[6-8]。防護(hù)林帶的防護(hù)效益與林帶疏透度、透風(fēng)系數(shù)、配置方式、行數(shù)、株行距等林帶結(jié)構(gòu)因子有關(guān)[9]，防護(hù)林帶建設(shè)應(yīng)遵循“宜林則林、宜灌則灌、林灌結(jié)合”的原則[10-12]。

河北壩上地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林多建于20世紀(jì)60年代的“三北防護(hù)林”工程及2000年后的京津風(fēng)沙源治理工程，以河北省康保縣為例，1950年林地面積為69 hm2，2010年猛增至 75 944.92 hm2[13]。河北壩上地區(qū)主要的土地利用方式是旱作農(nóng)田，且以傳統(tǒng)、非保護(hù)性耕作方式為主[14-15]，林草地與農(nóng)田之間缺乏整體性規(guī)劃。在農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)過程中，單純重視防護(hù)林?jǐn)?shù)量和規(guī)模，林帶配置不合理，樹種選擇重視喬木、輕視灌木，樹種單一，多以楊樹為主[16]，加之營造時(shí)間較長和管理手段粗放，大部分的防護(hù)林帶均處于衰退期或已經(jīng)死亡，無法滿足保護(hù)農(nóng)田的需求，土壤風(fēng)蝕與土質(zhì)沙化現(xiàn)象十分嚴(yán)重，是京津特大城市主要沙塵源之一[17]。本試驗(yàn)以河北壩上康?？h農(nóng)田防護(hù)林為對象，通過野外調(diào)查和試驗(yàn)觀測，選擇區(qū)域內(nèi)典型的農(nóng)田防護(hù)林帶為目標(biāo)，對其結(jié)構(gòu)配置特征展開研究，為該區(qū)域農(nóng)田防護(hù)林體系的建設(shè)提供理論參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

康?？h地處河北省西北部壩上地區(qū)，位于內(nèi)蒙古高原東南邊緣（114°12′～114°56′E、41°25′～42°09′N），具有明顯的大陸性氣候特征；全年多受蒙古高壓控制，干旱少雨，年均降水量306.3～409.6 mm，是河北省降水量相對最少的縣（市、區(qū)）之一；年均氣溫1.2 ℃左右，是河北省熱量條件最差的縣域之一；夏季涼爽而短促，無霜期為92 d左右，極端最高氣溫為 33.6 ℃；冬季嚴(yán)寒漫長，極端最低氣溫可達(dá)-36.4 ℃；6級以上大風(fēng)日數(shù)年均為60 d左右，冬春季節(jié)常有雪暴、沙塵暴出現(xiàn)。全縣森林覆蓋率達(dá)21%，以楊樹、榆樹為主?，F(xiàn)有農(nóng)田防護(hù)林絕大部分為20世紀(jì)60年代末70年代初所營造的，以喬木為主，樹種主要是楊樹，北部、西北部分布有榆樹防護(hù)林，已達(dá)到過熟期。

1.2林帶樣地選擇

2014年4月18—26日，對康?？h多個(gè)區(qū)域進(jìn)行林帶調(diào)查。調(diào)查林帶具有地形平坦開闊、林帶前后均有大片農(nóng)田、地塊長度≥20×防護(hù)林樹高（H）、耕作方式相對一致等特征，具體參數(shù)詳見表1。

1.3疏透度的測定與計(jì)算

疏透度是指林帶、林緣垂面上透光孔隙投影面積與垂面總投影面積之比[18]。對每個(gè)調(diào)查林帶拍攝照片，采用數(shù)字圖像處理，對冠層與干層分開計(jì)算，并采用加權(quán)平均法計(jì)算出林帶的疏透度[19]。計(jì)算公式為：

β=（β1H1+β2H2）/H。

式中：β為疏透度；β1為林冠疏透度，為林冠填充像素點(diǎn)數(shù)/林

冠所在方框內(nèi)的總像素點(diǎn)數(shù)；β2為林干疏透度，為林干填充像素點(diǎn)數(shù)/林干所在方框內(nèi)的總像素點(diǎn)數(shù)；H為林帶均高，H1為林冠均高，H2為林干均高。

1.4林帶防風(fēng)效能觀測

選擇垂直于主風(fēng)向的東北-西南走向林帶，使用便攜式近地層風(fēng)速廓線儀觀測防風(fēng)效能，最大觀測高度為4 m，配有9個(gè)風(fēng)杯，測量風(fēng)速范圍為0.3～30 m/s。觀測距離以防護(hù)林樹高H為單位，在防護(hù)林帶后H、3H、5H、7H、10H、15H、20H及林前對照點(diǎn)處共設(shè)置8個(gè)觀測點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)觀測15 min，獲得林帶前后8個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)；用Oringinlab 9.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，制作防風(fēng)效能圖，同時(shí)以付亞星等的觀測數(shù)據(jù)[20]作為補(bǔ)充。

2結(jié)果與分析

2.1林帶樹木配置方式

林帶內(nèi)樹木一般采取矩形、品字形和隨機(jī)3種布置形式[21]，而林帶疏透度是林帶結(jié)構(gòu)合理性的主要量化指標(biāo)[22]。調(diào)查結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田防護(hù)林帶的林木多以矩形、品字形布置為主；品字形配置的林帶能充分利用樹木個(gè)體空間，在樹木個(gè)體數(shù)相同的情況下可獲得更小的疏透度，在同樣的線性密度條件下，品字形配置的林帶比矩形配置的林帶獲得的疏透度平均小約0.9%（表2）；矩形方式配置的林帶，樹木須減少株行距或增加栽植量以獲得較小的疏透度，從而容易導(dǎo)致林帶內(nèi)部樹木生長空間縮小，影響樹冠形狀及枝干發(fā)育；研究區(qū)內(nèi)冬季相農(nóng)田防護(hù)林帶多為通風(fēng)結(jié)構(gòu)，平均疏透度為 0.57，說明康保縣的防護(hù)林帶在無葉期透風(fēng)系數(shù)遠(yuǎn)高于 0.3～0.5的理想值。

2.2林帶樹種搭配

研究區(qū)農(nóng)田防護(hù)林有純楊樹或榆樹喬木林、楊樹榆樹混交林、楊樹或榆樹與灌木混交林、灌木林共4種類型，且以純楊樹或榆樹喬木林為主，而純林帶由于樹種單一，林分結(jié)構(gòu)簡單，枯死率高，易形成通風(fēng)結(jié)構(gòu)。調(diào)查結(jié)果表明，純林帶中，楊樹、榆樹樹種的邊行平均胸徑分別比內(nèi)行大20.1%、33.5%，呈現(xiàn)出明顯的“邊行效應(yīng)”（表3）；“楊-榆-榆-楊”行間混交林帶由于邊行效應(yīng)，林帶邊緣喬木發(fā)育較好，與內(nèi)行樹高、胸徑的發(fā)育相比有較大差距，縱斷面上呈“凹”形結(jié)構(gòu)，防護(hù)效果相對較差；榆樹與灌木混交林株間距相對較小，而與灌木生長良好發(fā)育、保存率為71.8%相比，榆樹（喬木）保存率相對較低，為62.3%（表4），形成的林分結(jié)構(gòu)下層較緊密，填補(bǔ)了喬木枝下透風(fēng)空隙，使林帶透風(fēng)空隙較為均勻；康保縣灌木林樹種以枸杞、檸條為主，發(fā)育良好，保存率和覆蓋度均較高，形成的林帶高度較低，透風(fēng)空隙均勻，防護(hù)效果相對好，但防護(hù)距離短。由圖1可見，榆檸混交林弱風(fēng)區(qū)在H～7H處，H～20H范圍內(nèi)平均防風(fēng)效能為28.60%；枸杞灌木林弱風(fēng)區(qū)在3H～7H處，平均防風(fēng)效能為22.32%；喬木林帶（楊樹純林帶、楊榆混交林、榆楊混交林）的防護(hù)范圍相對較廣，弱風(fēng)區(qū)在H～10H處，平均防風(fēng)效能為18.87%，楊榆混交林、榆楊混交林平均防風(fēng)效能分別為16.55%、21.96%；林后防風(fēng)效能由高到低為榆檸混交林>枸杞灌木林帶>楊榆混交林、榆楊混交林>楊樹純林帶，但純楊樹、混交喬木林帶防風(fēng)距離相對更遠(yuǎn)。因此，灌木樹種區(qū)域適應(yīng)性較強(qiáng)，防風(fēng)效能較高，但防護(hù)距離相對較小，不適合作為以大田塊布局的壩上地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)樹種；喬木防護(hù)林帶盡管防護(hù)距離大，有利于穩(wěn)定防護(hù)林結(jié)構(gòu)，但由于其需水量大、存活率低，成林結(jié)構(gòu)較差，防護(hù)效能較低，不適合單獨(dú)作為農(nóng)田防護(hù)林選擇樹種；而喬灌混交防護(hù)林可以有效提升防護(hù)林防風(fēng)效能，且防護(hù)林結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，可成為研究區(qū)農(nóng)田防護(hù)林配置的主體。

2.3林寬的確定

實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)防護(hù)林帶的寬度一般不大于

25 m，行數(shù)多為12行以內(nèi)。通過對8、10、15、20 m共4個(gè)林帶寬度等級的疏透型、通風(fēng)型林帶防風(fēng)效應(yīng)[23]進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn)，疏透型林帶（林帶編號分別為26、14、19、7）的疏透度β≈0.55，通風(fēng)型林帶（林帶編號分別為21、13、20、9）的疏透度 β≈0.65；同一林帶型4個(gè)林帶寬度等級的防風(fēng)效能差異性較小，疏透型林帶中8、10 m寬度的林帶、通風(fēng)型林帶中10、15 m 寬度的林帶防風(fēng)效能相對較好（圖2）。因此，建議康?？h在建設(shè)防護(hù)林帶時(shí)，疏透型林帶造林寬度控制在10 m以內(nèi)，通風(fēng)型林帶造林寬度應(yīng)在10～15 m范圍內(nèi)。

2.4株行距的確定

以壩上地區(qū)廣泛存在、14個(gè)樹齡在20～22年之間的青

楊防護(hù)林帶為代表，分析其株行距乘數(shù)與林木平均胸徑的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨株行距乘數(shù)的增大，青楊樹的胸徑呈上漲趨勢，但在株行距乘數(shù)達(dá)到12.00時(shí)胸徑上漲趨緩。經(jīng)擬合，得回歸方程為：y=15.906+1.506x-0.470x2，決定系數(shù)r2為 0.952（圖3）。式中：y為林帶樹木平均胸徑；x為株行距乘數(shù)。由此可見，株行距對樹木形體尺度的發(fā)育有直接影響，其影響主要是通過決定單株?duì)I養(yǎng)面積而實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)王志剛等對林帶冬季相結(jié)構(gòu)參數(shù)及透風(fēng)系數(shù)的推導(dǎo)算法[24]，利用朱廷曜等定義的林帶地上生物量體積密度[25]，建立生物量體積密度表達(dá)式，為：

W=[V0（1+g）]/（SH）。

式中：W為生物量體積密度；V0為平均單株材積；g為枝葉生物量體積與材積比；S為平均單株?duì)I養(yǎng)面積；H為林高。推導(dǎo)得到全林帶生物體積密度W與風(fēng)速削弱系數(shù)k的關(guān)系式為：

k=0.254 6+0.032 98lnW。

則可得到林帶平均單株?duì)I養(yǎng)面積為：

S=V0（1+g）/[H·e（k-0.254 6/0.032 98）]。

根據(jù)蔣伊尹等給出的林帶蓄積量生長模型[26]，推算出平均材積V0模型為：

V0=0.675 7（1-e-0.114 4A0）3.339 81。

式中：A0為初始防護(hù)成熟齡。以康?？h疏透型林帶的帶寬 10 m為例，根據(jù)朱廷曜等推算的林帶寬度與透風(fēng)系數(shù)、風(fēng)速削弱系數(shù)關(guān)系[27]，求得風(fēng)速削弱系數(shù)k在0.061 3～0.070 2之間。根據(jù)徐文鐸提出的小青楊枝葉與材積比及與林齡的關(guān)系[28]，g取值范圍設(shè)為0.30～0.45、小青楊初始防護(hù)成熟齡A0為23.5年、林高H為15.58 m[29]，求得康保縣林帶平均單株?duì)I養(yǎng)面積S在13.3～15.6 m2之間，則株行距可設(shè)為 3.5 m×4.0 m或4.0 m×4.0 m?？紤]到研究區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害主要發(fā)生在春季，防護(hù)林帶正處于冬季相，可將株行距根據(jù)防護(hù)距離和防護(hù)需要調(diào)整到2.5 m×3.0 m或3.0 m×4.0 m。

3結(jié)論與討論

利用林帶樹木配置方式獲得理想的林帶結(jié)構(gòu)，是防護(hù)林帶設(shè)計(jì)與經(jīng)營的目標(biāo)，而綜合考慮土地利用效率、防護(hù)效益及研究區(qū)的自然條件，以較少的栽植數(shù)量達(dá)到目標(biāo)疏透度是農(nóng)田防護(hù)林帶的建設(shè)目標(biāo)。通過對河北壩上康保地區(qū)農(nóng)田防護(hù)

林帶的空間配置、林網(wǎng)結(jié)構(gòu)及防護(hù)效能等進(jìn)行詳細(xì)分析可以看出，品字形配置林帶內(nèi)樹木是一種有效科學(xué)的方式，可以充分利用林帶內(nèi)樹木個(gè)體，與矩形配置相比，品字形配置林帶能夠用較少的栽植數(shù)量達(dá)到更緊密的疏透度；康保當(dāng)?shù)剞r(nóng)田防護(hù)林帶樹種較單一，以楊樹喬木純林為主，而灌木生長狀況較喬木在當(dāng)?shù)剡m應(yīng)性相對更好，但灌木防護(hù)距離較小，楊樹等喬木生長狀況差但防護(hù)距離大，喬灌混交配置方式能夠兼顧防風(fēng)效能和防護(hù)距離，是研究區(qū)農(nóng)田防護(hù)林帶樹種配置的首選；結(jié)合前人理論[30]，分析林寬對林帶的防風(fēng)效應(yīng)可以推斷，窄林帶的防風(fēng)效應(yīng)優(yōu)于寬林帶，疏透型林帶帶寬一般不超過 10 m，通風(fēng)型林帶應(yīng)控制在10～15 m范圍內(nèi)；以康保區(qū)域廣泛使用的防護(hù)林帶樹種青楊為例，通過回歸分析發(fā)現(xiàn)，隨株行距的增加，樹木胸徑呈遞增趨勢，株行距大于3.0 m×4.0 m，胸徑增長趨緩，并推算出適宜的青楊農(nóng)田防護(hù)林帶株行距為2.5 m×3.0 m或3.0 m×4.0 m。

須說明的是，野外調(diào)查與觀測數(shù)據(jù)來自于康保地區(qū)的部分農(nóng)田防護(hù)林帶，調(diào)查方法與分析手段較為單一，且只選用胸徑、樹高2個(gè)尺度來反映林帶的成林狀況，不可能完全說明林帶結(jié)構(gòu)配置的優(yōu)劣。另外，由于河北省康?？h冬季相無葉期疏透度較小的緊密型林帶很難找到，且緊密型林帶林寬對防風(fēng)效應(yīng)的影響機(jī)理較為復(fù)雜，本研究并未進(jìn)行相關(guān)分析。因此，在今后的研究中應(yīng)收集更多數(shù)據(jù)并采用更加多樣化的手段來加以補(bǔ)充和完善。

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