張夢珈,王曉榮
(榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,陜西 榆林 719000)
防護(hù)林是具有一定樹種組成和結(jié)構(gòu)功能的生態(tài)防護(hù)體系[1],是沙區(qū)生態(tài)保護(hù)的重要屏障。防護(hù)林的建設(shè)對降低風(fēng)速、防治風(fēng)蝕災(zāi)害、改良土壤、改善氣候環(huán)境、增加農(nóng)作物產(chǎn)量和保障人民的生產(chǎn)生活等方面具有重要作用。在我國北方的一些地區(qū)很早就開展了農(nóng)田防護(hù)林的建設(shè)。其中,在內(nèi)蒙古烏蘭布的沙漠綠洲農(nóng)田防護(hù)林中,總結(jié)了綜合防護(hù)林、喬灌混交防護(hù)林、喬木防護(hù)林這三種適用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)田防護(hù)林的造林模式,并從造林時(shí)間、樹種和造林地的選擇、整地、苗木、株行距、栽植方式及管理等方面介紹了防護(hù)林的造林技術(shù)[2];甘肅張掖市甘州區(qū)的農(nóng)田防護(hù)林已基本形成了以農(nóng)田林網(wǎng)為主體,帶、片、網(wǎng)、點(diǎn)相結(jié)合,渠、路、林、田相配套的農(nóng)田防護(hù)林體系[3];還有甘肅省靖遠(yuǎn)縣,根據(jù)該區(qū)的土地利用現(xiàn)狀,分析出林帶的方位及距離、排水設(shè)置等方面,從而建立了農(nóng)田林網(wǎng)防護(hù)林體系,使農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)取得了優(yōu)異的成果[4],這些防護(hù)林的建設(shè)都大幅度提高生態(tài)環(huán)境及區(qū)域經(jīng)濟(jì)影響。甘肅省的農(nóng)田防護(hù)林總面積現(xiàn)已達(dá)到282.4 萬hm2,主要分布在河西走廊,它的農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)基本由主林帶和副林帶構(gòu)成,主林帶質(zhì)量較以前有所改善[5]。
陜北毛烏素沙地通過近十多年來大規(guī)模的造林綠化工程和防沙治沙工程,已經(jīng)取得了非常好的成效。2020 年4 月22 日,陜西省林業(yè)局發(fā)布數(shù)據(jù),榆林市沙化土地治理率已達(dá)93.24%[6],過去的沙地如今成了林地,草地,還有良田。榆林,從沙漠之都,變成了大漠綠洲,毛烏素沙漠即將從陜西版圖上“消失”。但是近年來,榆林市為了發(fā)展經(jīng)濟(jì),對毛烏素沙地進(jìn)行了大面積的開發(fā),而開發(fā)后的大面積時(shí)針式噴灌農(nóng)田很少有防護(hù)林保護(hù),長此以往,就會(huì)造成局部地區(qū)風(fēng)蝕加劇。防止土地再度沙漠化,建立農(nóng)田防護(hù)林迫在眉睫。截止目前,也有學(xué)者針對毛烏素沙地農(nóng)田防護(hù)林展開研究,包括有:陜北榆林風(fēng)沙區(qū)農(nóng)田防護(hù)林的結(jié)構(gòu)配置以及增產(chǎn)效益的研究[7];榆林沙區(qū)農(nóng)田防護(hù)林中,不同樹高距離處對小氣候因子觀測和分析的研究[8],還有毛烏素沙地農(nóng)田防護(hù)林中最合適的結(jié)構(gòu)配置研究[9]。但對建設(shè)毛烏素沙地大規(guī)模噴灌農(nóng)田防護(hù)林的體系尚未研究。通過本文參考相似地區(qū)以及榆林毛烏素沙地已有的經(jīng)驗(yàn),對毛烏素沙地大規(guī)模噴灌農(nóng)田防護(hù)林的林帶結(jié)構(gòu)、寬度、疏透度、間距和樹種等進(jìn)行了探討。
毛烏素沙地是中國的四大沙地之一,在蒙古語中也被稱作不好的水,環(huán)境條件較差。陜北毛烏素沙地位于陜西省榆林市北部,從西到東依次是定邊縣、靖邊縣、橫山區(qū)、榆陽區(qū)和神木市這五個(gè)市縣。毛烏素沙地總面積約為4.22 萬km2,榆林市占2.4萬km2。陜北毛烏素沙地主要是風(fēng)沙草灘區(qū),土壤以風(fēng)沙土、沼澤土、草甸土和鹽堿土為主。該地屬于暖溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候,氣候較為寒冷,年平均氣溫6~8 ℃,春季氣溫比秋季氣溫高,冬季寒冷,夏季炎熱。降水較少,年降水量為410 mm 左右,多集中在秋季,無霜期140~171 天,春季時(shí)常伴有沙塵暴發(fā)生,主要害風(fēng)為西北風(fēng),基本的生境條件是干旱多風(fēng),寒冷少雨。
資料顯示,從2001 年開始,隨著大型噴灌設(shè)施的引進(jìn)利用,毛烏素沙地土地開發(fā)呈現(xiàn)井噴式增長,到2018 年農(nóng)用地面積比2011 年增加了46.22%。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式也逐漸呈現(xiàn)出由旱作栽培向灌溉栽培、由零散種植向規(guī)?;N植的發(fā)展趨勢。目前,單個(gè)面積在30 hm2以上的大型指針式噴灌作業(yè)圈已經(jīng)發(fā)展到600 余個(gè),總面積在2 萬hm2左右[10]。這些指針式噴灌農(nóng)田種植的農(nóng)作物主要以馬鈴薯為主,但馬鈴薯的生育期只有不到半年的時(shí)間,其余時(shí)間地表都處于裸露狀態(tài),并且指針式噴灌農(nóng)田面積較大。因此建造榆林風(fēng)沙區(qū)農(nóng)田防護(hù)林體系具有顯著降低風(fēng)速和調(diào)節(jié)農(nóng)田小氣候的作用[8]。
噴灌圈的噴灌方式與其它地面灌溉的不同[11],因此設(shè)計(jì)噴灌圈農(nóng)田防護(hù)林時(shí)也存在差異性。
陜北毛烏素沙地農(nóng)田防護(hù)林建設(shè):以保護(hù)自然為主,堅(jiān)持因地制宜、適地適樹的種植原則,合理布局配植樹種,少占耕地,科學(xué)規(guī)劃農(nóng)田林網(wǎng);設(shè)計(jì)防護(hù)林帶投資較大,但樹木生長緩慢,要考慮長期利益和短期利益相結(jié)合,樹種要選擇速生高大喬木為主;還要考慮以人為本的設(shè)計(jì)理念,防護(hù)林的建設(shè)要結(jié)合當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要,要與人民群眾的生活條件相聯(lián)系,滿足當(dāng)?shù)厝说男枨?提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)水平,獲得最高的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。
農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)的建設(shè)主要是由主林帶和副林帶構(gòu)成,林帶結(jié)構(gòu)是影響農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)能力的一個(gè)關(guān)鍵因素,而林帶結(jié)構(gòu)還會(huì)受其它因子的影響[12],疏透度、林分密度、樹種組成、配置方式、林帶高度、林帶寬度、林帶間距等結(jié)構(gòu)因子均對防護(hù)林的防風(fēng)能力具有不同程度的影響[13]。防護(hù)林的建設(shè)涵蓋規(guī)劃設(shè)計(jì)、樹種選擇和造林方法。
2.2.1 林帶方位的確定
林帶方位是指主林帶配置的方向。一般主副林帶相互垂直而形成林網(wǎng),呈長方形或正方形[14]。在大面積的農(nóng)田上,只有營造很多縱橫交織的林帶,形成很多網(wǎng)格,才能起到全面的防護(hù)作用[15]。林帶方位以主林帶垂直于主害風(fēng)和副林帶,且副林帶平行于主害風(fēng),防護(hù)強(qiáng)度最佳。
榆林毛烏素沙地的主風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),以17 m/s以上的大風(fēng)較多。主林帶與主害風(fēng)(西北風(fēng))方向垂直配置時(shí)具有最大的防護(hù)作用[8]。陜北毛烏素沙地林帶方位,主林帶方位應(yīng)設(shè)置在東北方向45°和西南方向45°上,副林帶設(shè)置在垂直于主林帶的西南方向225°~東北方向45°之間,才能有效防護(hù)西北風(fēng)的危害。
林帶方位還可依據(jù)喬木配置的行數(shù),當(dāng)主林帶要營建2~3 行喬木時(shí),主林帶的方位要與西北風(fēng)方向呈45°夾角或大于45°夾角(方便農(nóng)戶耕作),這時(shí)的防護(hù)效果最好。當(dāng)主林帶營建4 行以上的喬木時(shí),林帶方位要與西北風(fēng)方向垂直,這樣主副林帶會(huì)同時(shí)發(fā)揮防護(hù)作用,有效防治所有的風(fēng)害。
2.2.2 主林帶與主害風(fēng)風(fēng)向的交角與偏角
交角是指林帶與主害風(fēng)之間的夾角。偏角是指90°減去交角后所剩的夾角度數(shù)。而且林帶方位的確定不一定與西北風(fēng)風(fēng)向完全垂直,可以有一定的偏角。大多經(jīng)驗(yàn)表明,偏角在30°以內(nèi)對林帶的防護(hù)作用影響不大,疏透型結(jié)構(gòu)和通風(fēng)型結(jié)構(gòu)會(huì)增強(qiáng)防護(hù)作用,但偏角超過45°時(shí),防護(hù)效果明顯下降。因此我們設(shè)計(jì)林帶方位時(shí),偏角最大不能超過45°為宜。
2.2.3 林帶間距
林帶間距是指林帶與林帶之間的距離,特指主、副林帶之間的間距。防護(hù)林主林帶間距大小的決定因素是林帶的防護(hù)距離和樹高[16]。通常主林帶間距等于有效防護(hù)距離[14]。防護(hù)距離通常用林帶樹高的倍數(shù)來表示。林帶疏透度和高度在相同的情況下,主林帶間距小的林帶防風(fēng)效果好[7]。
有學(xué)者在研究榆林沙區(qū)的防風(fēng)效益時(shí),得出防護(hù)林帶主帶距為200 m,副林帶距為300 m 防護(hù)效益最好[8]。因此,營建陜北毛烏素沙地農(nóng)田防護(hù)林時(shí),通常設(shè)計(jì)喬木的樹高約為9~10 m,有效防護(hù)距離以樹高的20 倍來計(jì)算,則主林帶間距180~200 m,可選主林帶間距200 m,副林帶間距取1.5 倍主間距,則副林帶的間距為300 m 能達(dá)到最佳防護(hù)效果。
2.2.4 林帶結(jié)構(gòu)
林帶結(jié)構(gòu)是指林帶樹冠上下組成的層次、寬度、橫斷面形狀、枝葉狀況、密度和透光狀況等綜合情況[15],包含通風(fēng)型、疏透型和稀疏型三種結(jié)構(gòu)。
有經(jīng)驗(yàn)表明在風(fēng)沙大的地區(qū),防護(hù)林的林帶采用“窄林帶、小網(wǎng)格”的方法可增強(qiáng)抵御風(fēng)沙能力[14]。設(shè)計(jì)時(shí)針式噴灌圈農(nóng)田防護(hù)林時(shí),要考慮風(fēng)力對噴灌設(shè)備的影響,3 級以上的風(fēng)力會(huì)使噴灌不均勻,降低農(nóng)田的水分利用率,應(yīng)采用緊密型或疏透型結(jié)構(gòu)林帶[17]。為使管道受壓均勻,因此時(shí)針式噴灌農(nóng)田應(yīng)設(shè)計(jì)為正方形條田。在毛烏素沙地農(nóng)田防護(hù)林結(jié)構(gòu)配置研究中可知,稀疏型林帶防風(fēng)效果比疏透型、通風(fēng)型林帶要好,疏透型則優(yōu)于通風(fēng)型林帶[9]。所以陜北毛烏素沙地農(nóng)田防護(hù)林應(yīng)選擇稀疏型或低度疏透型結(jié)構(gòu)的林帶。最后在主林帶外側(cè)根據(jù)害風(fēng)情況營造1~2 條大型防風(fēng)基干林,能抵御6 級以上大風(fēng)的危害。
2.2.5 林帶寬度、疏透度
防護(hù)林的疏透度是評價(jià)防護(hù)林結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)[18]。但對林帶的寬度都各抒己見,要考慮自然條件和病蟲害等因素。有經(jīng)驗(yàn)得知寬度比較小且透風(fēng)系數(shù)與疏透度適宜的林帶其防護(hù)作用大于寬林帶[14]。
有經(jīng)驗(yàn)表明在榆林風(fēng)沙區(qū)林帶疏透度對防風(fēng)效能的影響中,林帶的總平均疏透度為40%~50%防風(fēng)效能好[7]。還有實(shí)踐證明防護(hù)林最佳的林帶寬度和密度是:在栽植1~2 行林帶的條件下,株行距要小,采用1~1.5 m×1.5~2 m,林帶寬度以4.5~8 m 為宜,單位長度株數(shù)控制在1.3~2 株/m 為合適。在栽植3~5 行或更多行的林帶下,株行距應(yīng)增大,采用1~2 m×1.5~2 m,林帶寬度以7~10 m 為宜,單位長度株數(shù)控制在2.9~3 株/m[9]。
設(shè)計(jì)陜北毛烏素沙地農(nóng)田防護(hù)林時(shí),采用多行、寬度較小的林帶為宜。設(shè)計(jì)時(shí)針式噴灌圈為正方形條田:先從噴灌圈內(nèi)營建主林帶與主林帶間距為200 m、副林帶與副林帶間距為300 m 的6 個(gè)長方形條田,主林帶與副林帶相互垂直,并在各林帶四周種植喬木,形成一個(gè)600×600 m 的正方形條田。其次分別在6 個(gè)長方形條田內(nèi),主林帶各栽植喬木4~6行,株行距設(shè)置在1.5×2 m,10 m 寬的窄林帶,以三角形圖案栽植。各個(gè)副林帶共栽植2~4 行,要求與1~2 行的常綠灌木或者針葉樹種互相搭配,采用1×1.5 m 的株行距,形成6 m 寬的窄林帶。最后在每個(gè)噴灌圈外圍栽植1~2 行的大型防風(fēng)基干林,起到抵御大風(fēng)的作用,最終形成一個(gè)“窄林帶、小網(wǎng)格”的疏透型結(jié)構(gòu)。
2.2.6 樹種選擇
榆林市常見的喬灌木樹種有50 余種。常見的常綠樹種有:樟子松、杜松、油松、側(cè)柏、白皮松等;落葉樹種有:新疆楊、刺槐、旱柳、沙棗、飼料桑樹、元寶楓、文冠果等。灌木主要以踏郎、紫穗槐、檸條、沙柳等為主。灌草結(jié)合型的植物有沙柳、狗尾草、胡枝子、砂地柏,其中沙柳、檸條、紫穗槐為優(yōu)勢樹種[19],都對環(huán)境資源的利用能力較強(qiáng)[20]。
營建農(nóng)田防護(hù)林要根據(jù)陜北毛烏素沙地的立地條件,選擇適宜當(dāng)?shù)厣L的植物及引入成功的外地優(yōu)良樹種,考慮其樹種的耐寒耐旱性、冠幅大、成林快、生長快等要素。還要注重喬灌木與地被植物相結(jié)合栽植,能展現(xiàn)出較好的景觀效果。還可以選擇栽植一些果樹、桑樹等具有防護(hù)性強(qiáng)并能夠給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)帶來較高效益的樹種,建設(shè)最佳的農(nóng)田防護(hù)林帶。
因此在設(shè)計(jì)陜北毛烏素沙地農(nóng)田防護(hù)林時(shí),主林帶選成材較快且防護(hù)效益好的楊樹、旱柳和樟子松等起防護(hù)作用的樹種;副林帶選擇種植比主林帶較低矮的喬灌木相互結(jié)合的樹種,既能減緩風(fēng)沙,也阻擋了災(zāi)害,如栽植沙柳、檸條和紫穗槐。而且陜北地區(qū)噴灌農(nóng)田內(nèi)的種植作物以馬鈴薯為主,還可以積極推廣冬季覆蓋模式,在馬鈴薯收獲后及時(shí)種植莜麥、冬小麥、油菜、苜蓿等輪作覆蓋種植越冬模式,還應(yīng)注意馬鈴薯在種植前要翻耕和壓青,既可做到冬季地表覆蓋,也可增加地面土壤的肥力。
2.2.7 林帶作業(yè)區(qū)缺口的設(shè)置
林帶作業(yè)區(qū)出入口的設(shè)置是為方便車輛通過,還能調(diào)節(jié)空氣流動(dòng),讓防護(hù)林林帶之間的溫度穩(wěn)定,而且林帶的缺口不宜過大,會(huì)使防風(fēng)作用減小。在主副林帶內(nèi)可以設(shè)計(jì)與道路構(gòu)成“兩林夾一路”的方案,以能通過最大的農(nóng)具機(jī)械為最小寬度。通行道應(yīng)設(shè)置在主副林帶的交接處,還要在背風(fēng)處,既不影響防風(fēng)效果,也提高了農(nóng)民的工作效率[11]。因此可以在各個(gè)林帶的中間設(shè)計(jì)一條6 m 寬的道路。噴灌圈內(nèi)都設(shè)有分干管,還要在分干管的最低處設(shè)置一個(gè)缺口,方便秋季挖坑放出管道內(nèi)多余水分,避免秋冬季管道凍壞[17]。最后在噴灌農(nóng)田的中心,正對井房并與分干管垂直位置也要留一條6 m 寬的道路,方便車輛駛?cè)牒?工作人員維修機(jī)井。
營建防護(hù)林時(shí),一般在春秋季4 月和10 月下旬栽植樹木。在同一條林帶上,要讓樹木的樹種、規(guī)格和高低都一樣,不僅可以使林相整齊美觀,還使喬灌木能均衡生長并發(fā)揮林帶的防護(hù)效果。還應(yīng)注意在樹木四周設(shè)計(jì)開挖斷根溝,目的是為了后期養(yǎng)護(hù)時(shí)可在休眠期內(nèi)進(jìn)行挖溝清理根部的病害枝,既保護(hù)了樹種,同時(shí)也提高了土地的利用率。最后還要考慮有可能出現(xiàn)的不確定因素,比如樹木生長不良,導(dǎo)致出現(xiàn)無葉期,使防護(hù)林林帶間疏透度增大等問題,才能達(dá)到毛烏素沙地農(nóng)田防護(hù)林的防護(hù)效果更佳。
建設(shè)防護(hù)林后期的管理很重要,如有病蟲害導(dǎo)致的樹木生長發(fā)育較差的林帶,應(yīng)及時(shí)對樹木開展平茬復(fù)壯,平茬后要進(jìn)行除蘗、摘芽等措施,并要加強(qiáng)除掉雜草,施適量的有機(jī)或無機(jī)肥料,澆透水,可以讓樹種快速成林,達(dá)到較好的防護(hù)效果。其次是低矮的灌木林在后期要加強(qiáng)撫育管理,促進(jìn)其生長,使林木生長整齊,成為合理的矩形斷面結(jié)構(gòu)林帶[21]。
綜上所述,陜北毛烏素沙地時(shí)針式噴灌圈的農(nóng)田防護(hù)林設(shè)計(jì)為正方形農(nóng)田,適合最佳的結(jié)構(gòu)配置應(yīng)該是:
(1)防護(hù)林的結(jié)構(gòu)要以疏透型為主林帶,低度疏透型或者低度通風(fēng)型為副林帶。林帶的總平均疏透度控制在45%左右。
(2)主林帶方位應(yīng)與主害風(fēng)(西北風(fēng))方向垂直,且偏角最大不超過于45°。因此主林帶設(shè)置在東北方向45°和西南方向45°上,副林帶設(shè)置在垂直于主林帶的西南方向225°~東北方向45°之間。
(3)設(shè)計(jì)林帶的喬木樹高約為9~10 m,有效防護(hù)距離為樹高的20 倍來計(jì)算,則主林帶間距為200 m,副林帶間距取1.5 倍主間距,則副林帶間距為300 m 能達(dá)到最佳防護(hù)效果。
(4)林帶栽植1 行至2 行的情況下,株行距采用1~1.5 m×1.5~2 m,林帶寬度以4.5~8 m 為宜,株數(shù)在1.3~2 株/m。林帶栽植3~5 行或更多行的情況下,株行距要采用1~2 m×1.5~2 m,林帶寬度以7~10 m 為宜,株數(shù)在2.9~3 株/m 為宜。
(5)樹種選擇以鄉(xiāng)土樹種為主,常綠與落葉樹相結(jié)合。主林帶選成材較快且防護(hù)效益好的新疆楊或者樟子松為主,副林帶選擇混栽常綠喬木油松和落葉喬木紫穗槐。
(6)防護(hù)林帶缺口的寬度要以能通過最大的農(nóng)機(jī)具為主。在分干管的最低處和正對井房并與分干管垂直的位置各留一條道路,方便器械進(jìn)入維修,道路都以6 m 為最小寬度。
(7)設(shè)計(jì)方案:首先在噴灌圈內(nèi)設(shè)計(jì)主林帶與主林帶間距為200 m,副林帶與副林帶間距為300 m的6 個(gè)200×300 m 長方形條田,共形成12 個(gè)主林帶和副林帶。要求主林帶與副林帶相互垂直,形成一個(gè)以噴灌圈為中心的長方形農(nóng)田。分別在6 個(gè)長方形條田內(nèi),主林帶要求喬木種植4~6 行,株行距設(shè)置在1.5×2 m,10 m 寬的窄林帶,以三角形圖案栽植10 年生的落葉喬木新疆楊。副林帶各種植2~4行的小喬木,可栽植落葉小喬木紫穗槐并配植1~2行的常綠油松,采用1×1.5 m 的株行距,形成6 m寬的窄林帶。并要結(jié)合在各林帶的中間設(shè)計(jì)一條6 m 寬的道路,在其余空白土地種植砂地柏。最后在噴灌圈外圍栽植1~2 行的樟子松形成大型防風(fēng)基干林,增強(qiáng)抵御大風(fēng)的能力。
防護(hù)林的建設(shè)不僅要有設(shè)計(jì)方案,還應(yīng)當(dāng)制定合理的保護(hù)制度,提高防護(hù)林的建設(shè)水平,落實(shí)管理保護(hù)機(jī)制。相關(guān)部門要大力監(jiān)督其建設(shè)質(zhì)量,還要加大防護(hù)林保護(hù)的宣傳力度,讓群眾懂得發(fā)展農(nóng)田防護(hù)林不僅可以有效改善生態(tài)環(huán)境,推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,而且可以讓人民收入獲得大幅度的提升,獲得幸福感。