榆林沿黃土石山區(qū)防護(hù)林的防風(fēng)及水文效應(yīng)分析

王建新

摘要 為闡明防護(hù)林帶對(duì)防風(fēng)、田間蒸發(fā)量、空氣與土壤濕度、水平降水等水分因子的影響，了解防護(hù)林對(duì)區(qū)域小氣候環(huán)境的改善作用，以陜西省榆林市沿黃土石山區(qū)農(nóng)田防護(hù)林為研究對(duì)象，對(duì)其林帶內(nèi)的水分特征進(jìn)行了調(diào)查分析，結(jié)果表明：農(nóng)田防護(hù)林能有效降低蒸發(fā)力，提高農(nóng)田林網(wǎng)間的空氣濕度和土壤濕度，阻攔降水徑流，增加水平降水，改良田間土壤，提高作物單產(chǎn)。研究結(jié)果豐富了防護(hù)林有關(guān)水文特征的研究，同時(shí)也為榆林沿黃土石山區(qū)生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展及森林恢復(fù)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞榆林;沿黃土石山區(qū);防護(hù)林;水文效應(yīng);分析

中圖分類號(hào)：S727.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.03.011

Analysis of Windbreak and Hydrological Effects of Shelter Forests along Loess and Rocky Mountain Areas in Yulin

Wang Jianxin

（Yulin Forestry Station， Yulin719000，Shaanxi）

AbstractIn order to clarify the influence of shelterbelt on windbreak， field evaporation， air and soil moisture， horizontal precipitation and other water factors， understand the effect of shelterbelts on the regional small environment， this study investigated the water characteristics of farmland shelterbelts along loess and? rocky mountain areas in Yulin of Shaanxi Province.The results showed that farmland shelterbelt could effectively reduce evaporation， increase air humidity and soil moisture， block rainfall runoff， increase precipitation， improve field soil and increase crop yield. The results of this study not only enrich the study on the hydrological characteristics of shelter forest， but also provide a reference for ecological protection， highquality development and forest restoration in loess and rocky areas.

Key wordsYulin; along loess and rocky mountain areas; shelterbelt; hydrological effects; analysis

防護(hù)林（Shelter forest）是為了保持水土、防風(fēng)固沙、 涵養(yǎng)水源、 調(diào)節(jié)氣候、減少污染所經(jīng)營(yíng)的天然林和人工林。農(nóng)田防護(hù)林是為保護(hù)農(nóng)田，防御或減輕自然災(zāi)害對(duì)農(nóng)作物的危害，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)而營(yíng)造的人工林。營(yíng)造農(nóng)田防護(hù)林帶是人工改造小氣候極為有效的一種措施。據(jù)西部網(wǎng)報(bào)道，榆林市2022年的沿黃防護(hù)林高質(zhì)量發(fā)展工程穩(wěn)步推進(jìn)，完成綠化1 733.33 hm ，為保障生產(chǎn)、改善環(huán)境和維持生態(tài)平衡發(fā)揮了重要作用[1]。因此，研究防護(hù)林農(nóng)田林網(wǎng)內(nèi)防風(fēng)及水文特征，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提高營(yíng)造林意識(shí)、促進(jìn)沿黃土石山區(qū)生態(tài)空間綜合治理具有十分重要的意義。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市吳堡縣寇家塬，屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱區(qū)，全年平均氣溫11.3 ℃，氣溫年較差和日變化率較大，無(wú)霜期170～190 d。年平均降水量486 mm，多集中在夏秋季，干旱頻繁，春旱嚴(yán)重。平均年日照時(shí)數(shù)2 738.0 h，6月日照時(shí)間最長(zhǎng)，2月日照時(shí)間最短。作物生長(zhǎng)季節(jié)，光照充分，熱量豐富，適宜發(fā)展農(nóng)林牧副業(yè)。棗樹(shù)（Ziziphus jujuba）、柳樹(shù)（Salix?spp.）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、楊樹(shù)（Populus?spp.）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）等是該區(qū)域的主要喬木樹(shù)種，荊條（Vitex negundo）、河蒴蕘花（Wikstroemia chamedaphne ）、酸棗樹(shù)（Ziziphus jujuba var.?spinosa）等為主要灌木樹(shù)種，花椒樹(shù)（Zanthoxylum bungeanum）、山楂（Crataegus pinnatifida）、核桃（Juglans regia）等經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種發(fā)展迅速，農(nóng)作物主要有玉米（Zea mays）、谷子（Setaria italica）、馬鈴薯（Solanum tuberosum）等。

1.2樣地布設(shè)

在研究區(qū)內(nèi)選取的農(nóng)田防護(hù)林基本呈正方形，雙行結(jié)構(gòu)，株行距2 m×4 m，主副林帶間距為200～240 m，網(wǎng)格約4.5 hm，主林帶栽植樹(shù)種為河北楊，副林帶栽灌木樹(shù)種花椒，屬二層稀疏結(jié)構(gòu)林帶，透風(fēng)系數(shù)0.3～0.5，疏透度0.4～0.5。

1.3測(cè)點(diǎn)布置

分別在林帶迎風(fēng)面3倍主林帶高（3H）、林緣，背風(fēng)面林緣、3倍（3 H）、7倍（7 H）、11倍（11 H）、15倍（15 H）、20倍（10 H）主林帶高布點(diǎn)，測(cè)定風(fēng)速和干濕度。

1.4對(duì)照點(diǎn)的選取

在林網(wǎng)內(nèi)取防護(hù)效能最低處為對(duì)照，即25倍林帶高（25 H）以后的位置。

1.5護(hù)田林帶小氣候效應(yīng)的測(cè)定

1.5.1風(fēng)的測(cè)定

用三杯風(fēng)速儀測(cè)定風(fēng)速。林帶影響下的風(fēng)速變化是反映一定時(shí)間的平均值，而不是風(fēng)的瞬時(shí)速度。且在風(fēng)速的觀測(cè)中，由于存在因?yàn)轱L(fēng)的陣性、儀器特性等原因引起的誤差，必須進(jìn)行多次重復(fù)觀測(cè)。

1.5.2水熱狀況的測(cè)定

用1xt65041阿斯曼通風(fēng)干濕表測(cè)量濕度，為讀數(shù)方便，1.0 m以上高度的干濕表垂直懸掛，1.0 m以下高度的干濕表水平懸掛，為防止溫度表的感應(yīng)部分被太陽(yáng)直射，每次觀測(cè)記取3次讀數(shù)，取其平均值。

1.5.3土壤濕度測(cè)定

采用土壤鉆取土烘干，分別取測(cè)點(diǎn)0～10，>10～20和>20～30 cm土層的深度的土樣，用以計(jì)算土壤含水量的變化，采樣在上午完成，隨采隨稱，稱質(zhì)量后放入烘箱，烘箱溫度控制在100～105 ℃，經(jīng)過(guò)48 h后再稱其質(zhì)量。之后再放入烘箱，經(jīng)3～4 h后再次稱其質(zhì)量，2次之差不超過(guò)5%即可，計(jì)算土壤含水率，且每10 d采樣一次，求其平均值。

1.6數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Excel2010進(jìn)行整理和分析。

2結(jié)果與分析

2.1林帶的防風(fēng)效應(yīng)

農(nóng)防林帶作為一個(gè)龐大的生物群體，是害風(fēng)前進(jìn)的較大障礙物，當(dāng)風(fēng)吹向林帶時(shí)，氣流受到林帶的阻擋，一部分穿過(guò)樹(shù)木間的空隙，另一部分從林帶的上部翻過(guò)，由于樹(shù)干、樹(shù)葉的摩擦、碰撞作用，把氣流中較大的渦旋分割成無(wú)數(shù)大小不等且方向相反在小渦旋，改變了氣流原有的結(jié)構(gòu)和方向，氣流的動(dòng)能發(fā)生損失。監(jiān)測(cè)顯示，在距背風(fēng)面林緣一定距離內(nèi)風(fēng)速減弱且形成一個(gè)較大范圍的弱風(fēng)區(qū)（表1）。

從表1可以看出，空曠地和林帶保護(hù)范圍內(nèi)風(fēng)速有明顯的差異，當(dāng)風(fēng)吹向迎風(fēng)面3H范圍時(shí)開(kāi)始逐漸減弱，在背風(fēng)面3H處風(fēng)速?gòu)目諘绲氐?.3 m·s降低到了1.5 m·@s，占空曠地的65.2%，在背風(fēng)面7H處風(fēng)速降低到了1.3 m·s，占空曠地的56.5%，以后在11H處又逐漸增加，直到20H處還未達(dá)到曠野風(fēng)速，受林帶保護(hù)的區(qū)域比空曠地風(fēng)速平均降低27.9%，但在3～7H范圍內(nèi)，風(fēng)速減弱最多，防風(fēng)效能最佳（圖1）。這與左忠等[2]、賽克等[3]的研究認(rèn)為在防護(hù)林的3～10H 處風(fēng)力減小作用最明顯，防風(fēng)效能可達(dá)16%～27%，防風(fēng)效益變化幅度呈較規(guī)律的倒拋物線形狀的結(jié)果基本一致。

2.2林帶對(duì)蒸發(fā)蒸騰作用的影響

蒸發(fā)力可用量杯的方法來(lái)計(jì)算蒸發(fā)的水分，然后折合成為蒸發(fā)水層厚度。據(jù)調(diào)查，林帶對(duì)農(nóng)田的蒸發(fā)力有降低作用，林帶對(duì)風(fēng)速及氣流的渦動(dòng)性質(zhì)，氣溫、濕度的改變，將綜合反映在蒸發(fā)力的降低上。多次測(cè)定結(jié)果表明，在距林帶15～20H樹(shù)高范圍內(nèi)平均可以減弱蒸發(fā)力20%左右。在生產(chǎn)上常以此作為確定林帶防護(hù)距離的最大限度。調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，疏透型結(jié)構(gòu)的林帶對(duì)蒸發(fā)的降低變化范圍在10%～30%，經(jīng)計(jì)算，此值相當(dāng)于減少40～100 mm的蒸發(fā)量，節(jié)約灌溉用水約15%。因此，在林帶保護(hù)的農(nóng)田上，蒸騰系數(shù)減小，促使有效蒸騰提高，使作物生長(zhǎng)過(guò)程中不斷地和有效地利用土壤中的水分、養(yǎng)分制造更多的干物質(zhì)，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。劉亞萍研究認(rèn)為受防護(hù)林保護(hù)的農(nóng)田農(nóng)作物產(chǎn)量有明顯提高[4]。根據(jù)對(duì)吳堡寇家塬農(nóng)田試驗(yàn)地內(nèi)玉米和谷子產(chǎn)量的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：有防護(hù)林的農(nóng)田玉米產(chǎn)量平均為13 500 kg·hm，對(duì)照產(chǎn)量平均為11 200 kg·hm，增產(chǎn)20.5%;有防護(hù)林的農(nóng)田谷子產(chǎn)量平均為2 925 kg·hm，對(duì)照產(chǎn)量平均為2 400 kg·hm，增產(chǎn)21.9%。

2.3林帶對(duì)空氣濕度的影響

林帶對(duì)空氣濕度有一定的影響。由于在林帶防護(hù)范圈內(nèi)風(fēng)速和湍流交換的減弱，林帶間總的蒸發(fā)增加，使得被蒸發(fā)出來(lái)的水汽不易擴(kuò)散，所以空氣相對(duì)濕度比曠野高。表3是對(duì)不同天氣條件下及干旱條件林網(wǎng)內(nèi)空氣濕度變化的觀測(cè)結(jié)果，可以看出，在無(wú)風(fēng)條件下，林網(wǎng)內(nèi)空氣相對(duì)濕度比對(duì)照增加4%～8%，旱風(fēng)天氣條件下則平均增加16%。

2.4林帶對(duì)土壤濕度的影響

在一般情況下，有林帶防護(hù)的田間土壤濕度比無(wú)林帶的土壤濕度大，土壤含水量高，這主要是由于風(fēng)速降低，湍流交換削弱，使其土壤表面水分蒸發(fā)力減小的結(jié)果。表4是對(duì)林帶影響下0～25 cm土壤深度的田間含水量調(diào)查結(jié)果，表明林帶防護(hù)下的土壤平均含水量5月比曠野高36.5%，8月比曠野平均高26.2%，影響范圍距5倍樹(shù)高處最顯著，占曠野的150.5%。據(jù)王濤等研究發(fā)現(xiàn)，楊樹(shù)林帶保護(hù)下的土壤容重、持水量、孔隙度等物理性狀變化顯著，自然含水率介于19.44%～87.15%[5]。另外據(jù)韓同吉研究發(fā)現(xiàn)，有防護(hù)林的田間土壤容重均小于裸地對(duì)照，表明各個(gè)林分均起到一定的改良土壤結(jié)構(gòu)作用，容重較小的土壤，意味著土壤的孔隙狀況較好，具有較高的持水和透水能力，其土壤水文功能越強(qiáng)[6]。

2.5林帶對(duì)水平降水和積雪分布的影響

無(wú)云平靜天氣的夜晚，林帶背風(fēng)面由于土壤濕度和空氣濕度較大，風(fēng)速較低，易于凝結(jié)成露，從而增加林帶防護(hù)區(qū)的水分。在距林帶背風(fēng)面樹(shù)高2～6H處露水最大。觀測(cè)結(jié)果顯示，林帶內(nèi)比曠野平均可增加21%的露水，露水量隨距林帶越遠(yuǎn)而相應(yīng)減少。同時(shí)林帶還具有捕捉霧、增加水平降水、保護(hù)農(nóng)田上的積雪不會(huì)被強(qiáng)風(fēng)吹走等功能。在多雪地區(qū)，強(qiáng)風(fēng)常常將積雪吹至低洼地區(qū)，致使廣闊農(nóng)田上失去積雪的覆蓋和融雪水的聚積，在無(wú)林帶保護(hù)的農(nóng)田里，30%～50%甚至70%的積雪被強(qiáng)風(fēng)吹走;而在有林帶保護(hù)的農(nóng)田上就不會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。表5是有防護(hù)林網(wǎng)的區(qū)域與曠野區(qū)的降水觀測(cè)值，可以看出，防護(hù)林帶區(qū)域全年增加水平降水顯著，全年差值達(dá)到71.9 mm，這對(duì)半干旱區(qū)的土石山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，意義重大。

3結(jié)論與建議

在榆林沿黃土石山區(qū)營(yíng)造防護(hù)林特別是農(nóng)田防護(hù)林，能有效降低風(fēng)速，最小弱風(fēng)區(qū)在主林帶背風(fēng)面樹(shù)高3～7倍處，有效防護(hù)距離為樹(shù)高的20倍范圍，如果林帶樹(shù)高10～12 m，則林帶間距應(yīng)在240 m范圍，農(nóng)田網(wǎng)格面積應(yīng)在5.76 hm左右。

在防護(hù)林帶的作用下，農(nóng)田的蒸發(fā)力降低，蒸騰系數(shù)減小，有效蒸騰提高，農(nóng)作物產(chǎn)量提高，比沒(méi)有防護(hù)林的農(nóng)田增產(chǎn)約20%。

在防護(hù)林的影響下，土壤田間濕度明顯提高，土壤容重減少，土壤具有較高的持水和透水能力，土壤水文功能增強(qiáng)，同時(shí)林帶阻攔降水徑流，使更多的雨量滲入地下，而且增加了水平降水和冬季積雪，從而增加了土壤含水量。

基于榆林沿黃半干旱地區(qū)干燥缺水的立地條件，在樹(shù)種選擇上主林帶應(yīng)優(yōu)先選擇防風(fēng)和水土保持效能較高的本地鄉(xiāng)土樹(shù)種，如楊樹(shù)、柳樹(shù)、刺槐等，副林帶可選擇花椒等經(jīng)濟(jì)灌木樹(shù)種，從而兼顧林業(yè)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 加快生態(tài)治理 厚植生態(tài)底色—“榆林綠”由淺向深挺進(jìn)[EB/OL].（2022-01-07）[2022-03-10]http：cj.sina.com.cn/articles/view/1650414555/625f53db02001thf1

[2] 左忠，潘占兵，張安東，等.干旱風(fēng)沙區(qū)農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)空間風(fēng)速與地表風(fēng)蝕特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（2）：135-141

[3] 賽克，趙媛媛，包巖峰，等.干旱半干旱區(qū)落葉期農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效果的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37（5）：162-163

[4] 劉亞萍.遼西北風(fēng)沙區(qū)防風(fēng)固沙林保田增產(chǎn)效益研究[J].防護(hù)林科技，2017（6）：5-6

[5] 王濤，蒙仲舉，黨曉宏，等.庫(kù)布齊沙漠人工防護(hù)林林下枯落物及土壤水文效應(yīng)研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2021，30（4）：700-707

[6] 韓同吉.石質(zhì)山地防護(hù)林水文效應(yīng)及林分結(jié)構(gòu)配置研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2005