不同帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林防風(fēng)效應(yīng)與帶間植被組成

閆 敏, 左合君, 楊 陽(yáng), 劉宇勝, 郭婧宇, 王 強(qiáng), 李鋼鐵

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院 內(nèi)蒙古風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010011)

檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)作為我國(guó)重要的防風(fēng)阻沙灌木樹(shù)種，被廣泛應(yīng)用于干旱、半干旱區(qū)造林以及人工植被恢復(fù)重建中[1]。但在人工造林過(guò)程中，為尋求防風(fēng)阻沙效果明顯，大多采用高覆蓋度造林，盡管沙地通過(guò)人工植被建設(shè)治理效果短期內(nèi)較為明顯，但過(guò)大規(guī)模的人工植被建設(shè)會(huì)使沙地水分條件逐步惡化，影響人工植被的穩(wěn)定發(fā)展[2]。相關(guān)研究認(rèn)為：植被覆蓋度低于40%，不能完全固定流沙和阻止風(fēng)沙流的形成[3-5]。但近年研究發(fā)現(xiàn)：在低覆蓋度造林時(shí)，植物體的存在對(duì)固定流沙和阻止風(fēng)沙流的作用差異很大[6]。有研究表明營(yíng)造低蓋度(15%～25%)防護(hù)林既能夠起到很好的防風(fēng)固沙作用，又能夠顯著減少生態(tài)用水；同時(shí)對(duì)于帶間植被恢復(fù)也有明顯作用[7-9]。在大量的實(shí)踐研究中發(fā)現(xiàn)，由于水分條件的制約，在干旱、半干旱地區(qū)，營(yíng)造接近自然分布密度的稀疏防風(fēng)固沙林最為合理，其結(jié)構(gòu)為行帶式水平配置結(jié)構(gòu)[10]。行帶式格局是一種特殊的集群分布，能顯著提高低蓋度防護(hù)林的防風(fēng)效果[11]。相關(guān)研究通過(guò)野外試驗(yàn)與室內(nèi)風(fēng)洞模擬確定了行帶式防護(hù)林的合理帶間距，并提出在營(yíng)造灌木防護(hù)林時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大帶間距[12-14]。在確定了營(yíng)造低覆蓋度行帶式防風(fēng)阻沙林后，部分學(xué)者進(jìn)一步對(duì)帶間植被恢復(fù)情況做了研究，認(rèn)為較寬帶間距更有利于植被恢復(fù)，物種多樣性增加，植被接近于地帶性植被[15-16]。

如何利用防風(fēng)效果與帶間植被修復(fù)效應(yīng)找出適宜控制、促進(jìn)植被恢復(fù)的林帶栽植密度與配置格局顯得至關(guān)重要。內(nèi)蒙古四子王旗屬典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，該區(qū)域不合理的土地利用導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化、土地沙漠化[17]，加之對(duì)該區(qū)域低蓋度行帶式防護(hù)林模式鮮有研究。因此，對(duì)于內(nèi)蒙古四子王旗采用低蓋度行帶式防護(hù)林以確保沙地治理和治理后的生態(tài)環(huán)境持續(xù)穩(wěn)定高效的發(fā)展具有重要價(jià)值。

四子王旗周邊種植了大量檸條錦雞兒防護(hù)林，但部分由于密度過(guò)大等問(wèn)題導(dǎo)致其帶間植被存在一定程度退化。因此，對(duì)四子王旗檸條錦雞兒防護(hù)林帶間植被進(jìn)行有效保護(hù)或人工促進(jìn)，對(duì)該區(qū)自然生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要影響。本文以四子王旗不同帶間距行帶式檸條錦雞兒防護(hù)林及其帶間植被為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)檸條錦雞兒防護(hù)林防風(fēng)效果以及帶間植被修復(fù)效應(yīng)的分析，找出適宜當(dāng)?shù)氐臋帡l錦雞兒防護(hù)林林分密度以及配置模式。為今后營(yíng)造檸條錦雞兒防風(fēng)阻沙林提供理論依據(jù)，同時(shí)也為促進(jìn)帶間天然植被修復(fù)，合理規(guī)劃與配置行帶式造林密度以及最大限度提高生態(tài)恢復(fù)效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古四子王旗，地理坐標(biāo)為：41°26′08″—41°55′25″N，111°38′25″—111°40′59″E，海拔為1 300～1 590 m。氣候類型屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫4.4℃，年平均降水量為310 mm，降雨多集中在6—8月份，年均潛在蒸發(fā)量為2 300 mm。年平均風(fēng)速為4～5 m/s，全年大風(fēng)日數(shù)在50 d以上[18]。地帶性植被包括荒漠草原和典型草原，建群種為針茅。主要植物種有克氏針茅(Stepkrylovii)、羊草(Leymuschinensi)、百里香(Thymusmongolicus)、冷蒿(Artemisiafrigida)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、豬毛菜(Salsolacollina)、狗尾草(Setariaviridis)、獨(dú)行菜(Lepidiumapetalum)、風(fēng)毛菊(Saussureajaponica)、益母草(Leonurusjaponicus)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的布設(shè) 選擇地勢(shì)平坦開(kāi)闊的行帶式檸條錦雞兒防護(hù)林作為試驗(yàn)樣地，其中包括帶寬4 m，6 m，8 m樣地3塊，曠野對(duì)照樣地1塊(盡量保證試驗(yàn)樣地與對(duì)照樣地立地條件相似)，每塊樣地設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)重復(fù)；并將檸條錦雞兒防護(hù)林及其帶間植被作為本文的研究對(duì)象。具體情況見(jiàn)表1，調(diào)查內(nèi)容包括林齡、樹(shù)高、冠幅、株距、帶間距等。

表1 檸條錦雞兒防護(hù)林基本特征

注：CK1表示無(wú)檸條錦雞兒防護(hù)林。

1.2.2 風(fēng)速測(cè)定

(1) 風(fēng)速流場(chǎng)測(cè)定。檸條錦雞兒防護(hù)林林帶風(fēng)速測(cè)定示意圖見(jiàn)圖1，試驗(yàn)時(shí)間為2016年4月，利用HOBO風(fēng)速儀測(cè)定曠野風(fēng)速與林帶間風(fēng)速。曠野風(fēng)速觀測(cè)點(diǎn)位與第一林帶的距離為7 H(H為樹(shù)高)，林帶前1 H處布設(shè)一觀測(cè)點(diǎn)位，帶間風(fēng)速觀測(cè)點(diǎn)位布設(shè)于林帶中間。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位測(cè)定20，50，100，200 cm共4個(gè)高度的風(fēng)速，測(cè)量時(shí)間為10 min，時(shí)間間隔為2 s。

(2) 防風(fēng)效果的計(jì)算[19]。

(1)

式中：EXZ為相對(duì)風(fēng)速(防風(fēng)效果)，即林內(nèi)X處、高度為Z處的風(fēng)速占曠野對(duì)照風(fēng)速的百分比；VOZ為同一高度曠野的平均風(fēng)速；VXZ為林內(nèi)X處、高度為Z處的平均風(fēng)速。

1.2.3 帶間植被調(diào)查

(1) 調(diào)查內(nèi)容。采用樣方法對(duì)帶間植被進(jìn)行調(diào)查，采樣時(shí)間為2016年8月。每1樣地平行于林帶走向在林帶中間布設(shè)1條平行樣線，延樣線方向每隔2 m設(shè)置1個(gè)50 cm×50 cm樣方梯度進(jìn)行調(diào)查，共5個(gè)梯度，在每個(gè)梯度設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共15個(gè)。整個(gè)試驗(yàn)區(qū)共調(diào)查樣本數(shù)60個(gè)，測(cè)量指標(biāo)主要有植物種類、數(shù)量、高度、冠幅、蓋度以及密度等。

(2) 重要值的計(jì)算。

重要值=(相對(duì)密度+相對(duì)頻度+相對(duì)蓋度)/3

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林防風(fēng)效應(yīng)分析

2.1.1 風(fēng)速流場(chǎng)特征 由不同帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林風(fēng)速流場(chǎng)圖(圖2—4)可以看出，在不同曠野風(fēng)速下風(fēng)速流場(chǎng)變化趨勢(shì)基本一致，隨著林帶數(shù)的增加，風(fēng)速流場(chǎng)線逐漸抬升，但帶內(nèi)的風(fēng)速變化開(kāi)始紊亂。在檸條錦雞兒林前，流場(chǎng)線均有小幅度的抬升，表明林帶對(duì)于林前的風(fēng)速具有減弱的作用，但減弱作用不明顯；在經(jīng)過(guò)林帶后，不同帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林都形成了風(fēng)影區(qū)和加速區(qū)組合的復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在不同曠野風(fēng)速條件下風(fēng)速流場(chǎng)線均劇烈抬升，均在林后1 H處抬升至最高，此時(shí)風(fēng)速降到最低，表明檸條錦雞兒林在林后1 H處的風(fēng)速防控能力最強(qiáng)；風(fēng)穿過(guò)第2條林帶后，流場(chǎng)線持續(xù)抬升，風(fēng)速降低，低風(fēng)速時(shí)近地表0.2 m處風(fēng)速基本被有效地控制在4 m/s以下，高風(fēng)速時(shí)風(fēng)速仍然較高；當(dāng)風(fēng)穿過(guò)第3條林帶后，流場(chǎng)線漸近于平穩(wěn)，表明林帶對(duì)風(fēng)速的影響趨于穩(wěn)定，但在林后都出現(xiàn)弱風(fēng)區(qū)，低風(fēng)速時(shí)近地表0.2 m處風(fēng)速基本被控制在2 m/s以下，高風(fēng)速時(shí)近地表0.2 m處風(fēng)速也被控制在4 m/s以下。在高度大于1 m處，風(fēng)速在經(jīng)過(guò)第一林帶后有一個(gè)明顯的風(fēng)速加強(qiáng)區(qū)，這是由于檸條錦雞兒前來(lái)流遭遇檸條錦雞兒的阻擋，使之在檸條錦雞兒上方抬升，流線從植株頂部繞過(guò)后下落，并在此形成了風(fēng)速加強(qiáng)區(qū)。在高度0.2～0.5 m處，受檸條錦雞兒影響較大，風(fēng)速降低效果明顯。

6 m(圖3)，8 m(圖4)寬帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林風(fēng)速流場(chǎng)變化特征與4 m寬帶間距防護(hù)林具有相似性，即在檸條錦雞兒頂部也存在一個(gè)風(fēng)速加強(qiáng)區(qū)，近地面處風(fēng)速減弱較快。8 m寬帶間距在曠野風(fēng)速為6.55，8.05，10.07 m/s下，第4帶后近地表風(fēng)速最低為1.76，1.95，3.87 m/s，均在起沙風(fēng)速以下。通過(guò)比較4 m寬帶間距接近地表處風(fēng)速降低最大，防護(hù)效果最明顯，但同時(shí)可以看出8 m寬帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林在0.2～0.5 m高度處風(fēng)速降低也較為明顯。由此可以表明8 m寬帶間距檸條錦雞兒林對(duì)較低的風(fēng)速能進(jìn)行有效防護(hù)，對(duì)較高的風(fēng)速也能控制在起沙風(fēng)速以下。

圖2 4 m帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林風(fēng)速流場(chǎng)

圖3 6 m帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林風(fēng)速流場(chǎng)

2.1.2 防風(fēng)效果 不同帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林防風(fēng)效能見(jiàn)表2，通過(guò)對(duì)不同曠野風(fēng)速下不同帶間距檸條錦雞兒林在0.2，0.5，1，2 m各高度的防風(fēng)效能計(jì)算后取平均值，結(jié)果表明不同帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林防風(fēng)效能隨著林帶數(shù)的增加，防風(fēng)效能呈先增長(zhǎng)后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。林前1 H的防風(fēng)效能均較低，4 m帶距、6 m帶距與8 m帶距的防風(fēng)效能分別為6.43%，3.37%和5.98%，隨著帶間距的增大，防風(fēng)效能隨之增加。經(jīng)過(guò)4條林帶的防護(hù)，4 m寬林帶防風(fēng)效能達(dá)55.47%，6 m林帶防風(fēng)效能達(dá)51.38%，8 m林帶防風(fēng)效能達(dá)48.06%，各林帶防風(fēng)效能逐漸趨于穩(wěn)定，但其防護(hù)效果均顯著。由此可以表明：多條林帶的組合防風(fēng)效果具有累加作用。有研究表明15 m寬帶間距檸條錦雞兒林在經(jīng)過(guò)4帶的防護(hù)后，其防風(fēng)效能僅為30%，說(shuō)明當(dāng)帶間距過(guò)大時(shí)，林帶的防風(fēng)效果將降低[20]。由此可以表明，8 m寬林帶可以起到很好的防護(hù)作用，在今后營(yíng)造灌木防護(hù)林時(shí)應(yīng)適當(dāng)拉大帶間距。

2.2 不同帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林帶間植被恢復(fù)分析

2.2.1 帶間植被種類及生活型 帶狀檸條錦雞兒防護(hù)林帶間植被種類與生活型見(jiàn)表3。種植檸條錦雞兒防護(hù)林前后的退化草地植被種類存在一定差異，各林帶植物種類共有7科19屬21種。其中8 m寬檸條錦雞兒防護(hù)林帶間植被種類較為豐富，共有15種，主要有百里香、冷蒿、黃花蒿，獨(dú)行菜與狗尾草等植被；6 m寬檸條錦雞兒防護(hù)林帶間植物種類共有10種，以冷蒿、羊草、沙蘆草與藜等植被為主，偶見(jiàn)種為細(xì)葉扁蓿豆、狗尾草；4 m寬檸條錦雞兒防護(hù)林帶間植被種類共有7種，主要包括藜、沙蓬、沙蘆草與蒲公英等植被。

檸條錦雞兒防護(hù)林帶間植被生活型共有3種，即半灌木、一年生草本、多年生草本，其中4 m寬帶間植被有4種為多年生草本，3種為一年生草本；6 m寬帶間植被有7種為多年生草本，3種為一年生草本；8 m寬帶間植被有1種為半灌木，6種為多年生草本，8種為一年生草本。種植帶狀檸條錦雞兒后物種生活型明顯提高，隨著帶間距的增加，多年生草本數(shù)量增加，并在8 m帶間距出現(xiàn)半灌木，且禾本科和菊科植物種類增加，這表明帶間的優(yōu)質(zhì)牧草增加，帶間植被趨于穩(wěn)定，由此可見(jiàn)8 m帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林更有利于植被恢復(fù)。

圖4 8 m帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林風(fēng)速流場(chǎng)

表2不同帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林防風(fēng)效能%

帶間距林前1 H第1帶第2帶第3帶第4帶CK10.000.000.000.000.004 m帶距6.4337.4050.2654.7955.476 m帶距3.3730.4849.3050.4251.388 m帶距5.9826.3335.5246.6248.06

2.2.2 帶間植被組成及重要值 采用重要值作為種群優(yōu)勢(shì)度指標(biāo)可以比較全面地反映植被不同的發(fā)育時(shí)期種群在群落中的功能地位和種群在群落中的分布格局[21]。不同帶間距帶間群落類型與主要植被組成見(jiàn)表4。4 m寬帶間植被以藜、沙蓬、沙蘆草等為主，其中，藜的重要值最大，占有主導(dǎo)地位，但其與地帶性植被差異較大；主要原因由于過(guò)窄的帶間距導(dǎo)致土壤水分下降，大部分土壤水分及養(yǎng)分供給檸條錦雞兒生長(zhǎng)，帶間草本得不到較好生長(zhǎng)條件，使其逐步退化，而隨著帶間距的增加，帶間植被所需水分與養(yǎng)分可以被更好地供給[22]。因此，其植被恢復(fù)情況較好，主要植物種類與地帶性植被相比較為接近。

沙蘆草雖然只在6 m處存在，這可能與取樣的選擇有關(guān)。蒲公英重要值變化較為平緩，克氏針茅和冷蒿都是林帶中間有，林下無(wú)。藜、獨(dú)行菜、糙隱子草和沙蓬重要值接近對(duì)照組(CK1)，部分較對(duì)照組(CK1)高，這主要是由于對(duì)照組(CK1)原有植被存在一定程度上的退化，而8 m寬行帶式檸條錦雞兒防護(hù)林對(duì)于植被的恢復(fù)具有較大作用。對(duì)照組(CK1)中重要值較大的細(xì)葉扁蓿豆恢復(fù)效果較差，但是在植被恢復(fù)過(guò)程中也有原始植被缺少的物種得到了恢復(fù)，其中有早熟禾、沙蘆草、冷蒿、百里香等，它們均是優(yōu)良的牧草種質(zhì)資源，對(duì)當(dāng)?shù)氐男竽翗I(yè)生產(chǎn)有極大的促進(jìn)作用。8 m寬帶間距出現(xiàn)了百里香半灌木，禾本科與菊科植物種類也相應(yīng)增加，這表明8 m寬帶間植被趨于穩(wěn)定，恢復(fù)情況較好。盡管與地帶性植被(CK2)還有所差異，但帶間植被表現(xiàn)出明顯的恢復(fù)跡象，羊草、冷蒿、狗尾草等荒漠草原常見(jiàn)種已成功定居。由此可以表明，適當(dāng)增大林帶間距有利于帶間植被恢復(fù)。

3 討 論

在干旱、半干旱區(qū)，風(fēng)是地表侵蝕的最主要外營(yíng)力，而能夠保護(hù)地表免受風(fēng)力侵蝕并對(duì)風(fēng)力起到阻礙和擾動(dòng)作用的主要是植被，營(yíng)造防護(hù)林對(duì)于風(fēng)的干擾作用較大，同時(shí)也對(duì)于植被的恢復(fù)具有重要作用。

表3 不同帶間距植被科屬種及生活型

注：(1) CK1表示無(wú)檸條錦雞兒防護(hù)林樣地；(2) +表示有該種植物；-表示無(wú)該種植物。

表4 不同帶間距群落類型、植物種類及重要值

注：CK2[24]表示地帶性植被。

(1) 本文通過(guò)對(duì)檸條錦雞兒防護(hù)林風(fēng)速流場(chǎng)特征的分析，結(jié)果表明檸條錦雞兒防護(hù)林的存在對(duì)風(fēng)場(chǎng)起到了減弱與干擾作用，在林帶后出現(xiàn)風(fēng)影區(qū)，林帶前會(huì)形成風(fēng)速加速區(qū)，多帶的組合增加了林帶的防風(fēng)效果，這與楊文斌等[10]學(xué)者研究結(jié)果一致。本文找出了帶間距4 m防風(fēng)效果最好，但8 m寬帶間距在經(jīng)過(guò)4條林帶的防護(hù)后，風(fēng)速降低至起沙風(fēng)速以下，防護(hù)效果較為明顯。連續(xù)的行帶式分布對(duì)風(fēng)速的阻礙和降低表現(xiàn)出明顯的累加作用，合理的帶間距不但有利于防止土壤風(fēng)蝕，而且有利于帶間植被的恢復(fù)。四子王旗屬典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶，本文就該區(qū)域現(xiàn)有不同帶間距檸條錦雞兒防護(hù)林進(jìn)行了觀測(cè)，研究認(rèn)為8 m寬帶間距為現(xiàn)有防護(hù)林的最佳帶間距，本文研究的結(jié)果更能真實(shí)地反映自然狀態(tài)下檸條錦雞兒?jiǎn)涡卸鄮椒雷o(hù)林的防風(fēng)效果，結(jié)合部分學(xué)者在風(fēng)洞試驗(yàn)以及人為設(shè)置的檸條錦雞兒防護(hù)林的試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為今后在該區(qū)域營(yíng)造檸條錦雞兒防護(hù)林可適當(dāng)拉大帶間距。

(2) 行帶式人工林的配置格局對(duì)帶間植被蓋度及物種數(shù)目有著重要影響，在相同的立地條件下，帶間距離的寬窄決定了帶間植被恢復(fù)的效果，寬帶間距帶間植被恢復(fù)效果優(yōu)于窄帶間距離。許德生[23]、楊洪曉[24]等對(duì)防風(fēng)阻沙林做了相關(guān)研究，提出了低覆蓋度造林理論后，無(wú)論帶間植被修復(fù)多樣性變化還是生物量變化，對(duì)于在干旱、半干旱區(qū)營(yíng)造檸條錦雞兒防護(hù)林，應(yīng)建設(shè)寬林帶低覆蓋度的防風(fēng)阻沙林。本文通過(guò)對(duì)不同帶間距帶間植被修復(fù)效應(yīng)的分析，不可否認(rèn)，較窄林帶間出現(xiàn)了各種非地帶性植被，即便在地帶性地段，由于過(guò)窄的林帶導(dǎo)致耗水量與遮蔭面積過(guò)大，進(jìn)而不利于植被恢復(fù)。但隨著帶寬的增大，植被恢復(fù)效果隨之增加，寬林帶更有利于植物種定居，增加物種多樣性與生物量。在植被恢復(fù)過(guò)程中，原始植被缺少的物種得到了恢復(fù)，其中有蒲公英、沙蘆草、冷蒿、百里香等，一些地帶性植被也得到了恢復(fù)，使得自然植被更加接近于地帶性植被。

綜上所述，當(dāng)帶間距過(guò)窄時(shí)，其防風(fēng)效果雖好，但增加了植被耗水量與遮蔭面積，給植被自然恢復(fù)增加了難度。但是，如果沒(méi)有檸條錦雞兒防護(hù)林的保護(hù)，土壤風(fēng)蝕不能得到很好地控制，植被自然修復(fù)過(guò)程也不能正常完成。因此，建立合理密度檸條錦雞兒防護(hù)林是至關(guān)重要的。本文提出的營(yíng)造檸條錦雞兒防護(hù)林帶間距8 m以上、并布設(shè)4帶的研究結(jié)果對(duì)于農(nóng)牧交錯(cuò)帶防風(fēng)固沙與植被恢復(fù)研究具有重要意義。

4 結(jié) 論

(1) 自然狀態(tài)下4 m寬檸條錦雞兒防護(hù)林防風(fēng)效果最好，8 m寬防護(hù)林風(fēng)速也可降低至起沙風(fēng)速以下；較寬帶間距更有利于植被恢復(fù)，8 m寬帶間出現(xiàn)了以百里香、狗尾草以及蒿屬為主的草本群落，與地帶性草本群落(羊草+冷蒿)接近，恢復(fù)效果明顯。

(2) 綜合考慮防風(fēng)效益及帶間植被恢復(fù)效果，8 m寬檸條錦雞兒防護(hù)林防護(hù)效果最佳。今后在該區(qū)域營(yíng)造單行多帶式檸條錦雞兒防護(hù)林時(shí)應(yīng)將帶寬設(shè)置在8 m以上，并布設(shè)4帶。

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