防護(hù)林降低沙塵暴風(fēng)速及農(nóng)作物損傷的調(diào)查分析

劉開琳，段曉峰，劉淑娟，李學(xué)敏，萬翔，劉虎俊

(甘肅省治沙研究所，甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 蘭州 730070)

沙塵暴常常造成交通不便、人們生活困難和生命財(cái)產(chǎn)損失，例如1993年5月5日的特大沙塵暴造成多列客貨列車遲發(fā)、晚點(diǎn)和停運(yùn)，有多人傷亡，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，吹毀棚膜和地膜2.0萬～2.6萬hm，部分供電線路中斷，有些地方還引起火災(zāi)。 河西走廊是我國沙塵暴多發(fā)區(qū)，沙塵暴是影響區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要災(zāi)害。眾多研究者觀測研究了沙塵暴發(fā)生時期和空間分布、氣候特征、動力條件及物理量，也對其危害和防治方法進(jìn)行了分析。研究認(rèn)為，在3—5月的河西走廊東部的沙塵暴強(qiáng)度最大，年最大發(fā)生天數(shù)出現(xiàn)在民勤縣。河西走廊出現(xiàn)沙塵暴的典型環(huán)流形勢可以歸納為西北氣流型、西南氣流型和西風(fēng)氣流型3類。沙塵暴區(qū)域隨著高層螺旋度負(fù)值區(qū)域中心的增大而增大。也有學(xué)者調(diào)查分析了沙塵暴的危害方式，提出了以增加植被為主要措施的沙塵暴防治方法。近年來河西走廊的沙塵暴表現(xiàn)為遞減趨勢。但是，每年還是發(fā)生影響區(qū)域生產(chǎn)和生活的較大沙塵暴。為了減輕沙塵暴的危害，對沙塵暴過程的致災(zāi)因子的風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)進(jìn)行評述，提出了及時預(yù)報(bào)沙塵暴，通過保護(hù)植被，建立防護(hù)林帶減輕沙塵暴危害的方法。但是，目前對沙塵暴成因和預(yù)報(bào)方法的研究較多，而對區(qū)域承災(zāi)載體及受災(zāi)響應(yīng)和模式的研究還是較少。本文以2021 年 5 月 12日晚至5月13日的民勤沙塵暴為背景，對本次沙塵暴經(jīng)過防護(hù)林的風(fēng)速變化和受災(zāi)作物表現(xiàn)與受害程度進(jìn)行調(diào)查分析，以期得到不同防護(hù)林減輕沙塵暴損害和農(nóng)作物受害特點(diǎn)，為提高沙塵暴防治能力提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

調(diào)查區(qū)位于甘肅省民勤縣西沙窩的民勤治沙綜合試驗(yàn)站(102°59′05″ E，38°34′25″ N)。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶曰哪畾夂颍昶骄鶜鉁?.6 ℃，極端低溫-30.8 ℃，極端高溫40.0 ℃，無霜期175 d；年均降水量113.2 mm，年均蒸發(fā)量2 604.3 mm，平均相對濕度47.0%，年均日照時間2 799.4 h，≥10 ℃的活動積溫3 036.4 ℃；春季盛行西北風(fēng)，年平均風(fēng)沙日可達(dá)83 d，并多集中在2—5月，最大風(fēng)速為23.0 m·s。調(diào)查樣地位于民勤綠洲內(nèi)，農(nóng)田外圍是半固定沙地，田緣、農(nóng)田地埂、田間道和渠旁種植防護(hù)林，農(nóng)田種植的作物有玉米、向日葵和小麥。

1.2 防護(hù)林特征

農(nóng)田外圍為稀疏梭梭()林，田間的防護(hù)林樹種有沙棗()、楊樹()和棗樹()。防護(hù)林走向正好與主風(fēng)向垂直。防護(hù)林網(wǎng)依田邊-渠-路設(shè)置，沙漠邊緣是沙棗林，田地中間為二白楊林，田間道路兩邊為棗樹林。防護(hù)林帶的間距分別為：沙棗林距楊樹林150 m，楊樹林和棗樹林之間的距離240 m，防護(hù)林均為單行。沙棗的冠幅上部小，中下部較寬，呈甕狀，通體疏透度相近，防護(hù)林的行內(nèi)無間斷。楊樹上部葉較密，中下部則葉較疏，呈啞鈴狀，上、下疏透度差異較大，防護(hù)林的行內(nèi)有間斷。棗樹正在放葉，呈桶狀，上、下疏透度差異不大，防護(hù)林的行內(nèi)無間斷。防護(hù)林結(jié)構(gòu)和林相的參數(shù)如表1所示，以均勻度和連續(xù)性表示林相整齊程度，均勻度為林帶垂直方向枝葉連續(xù)的比例，連續(xù)度則為水平方向間斷長度占整個林帶長度的百分比。防護(hù)林各參數(shù)之間有交互作用，均勻度和連續(xù)度說明防護(hù)林林相，其值越大表示越好，疏透度則相反。因此，將均勻度和連續(xù)度取值為正，疏透度取值為負(fù)，求三者之和計(jì)算綜合指數(shù)，比較防護(hù)林特征，綜合指數(shù)為：沙棗林>棗樹林>楊樹林(表1)。

表1 3種防護(hù)林特征參數(shù)

1.3 調(diào)查和分析方法

1.3.1 調(diào)查方法 在2021年5月12日下午，民勤縣出現(xiàn)了沙塵暴，次日上午風(fēng)停。在13日下午，對“甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站”東南部的農(nóng)作物受沙塵暴損害情況進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查沿著防護(hù)林垂直方向進(jìn)行，分別在沙棗林、楊樹林和棗樹林后不同距離調(diào)查作物受害數(shù)量、受害部位、受害表現(xiàn)。同時，測量和記錄防護(hù)林高度、寬度、冠幅和空隙。在調(diào)查過程，發(fā)現(xiàn)15～20 cm高度的地埂后一定距離的作物未受沙塵暴傷害，因此也對地埂后作物進(jìn)行觀測，以無防護(hù)林的作物受害情況作為對照。沙塵暴風(fēng)速數(shù)據(jù)來自“甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站”設(shè)立的沙塵暴觀測系統(tǒng)。沙塵暴觀測系統(tǒng)包括3個觀測塔：在沙漠(3號)、沙漠與綠洲過渡帶梭梭林(2號)和綠洲防護(hù)林(1號)各有50 m高的沙塵暴觀測塔1座，塔上25 m以下每1 m裝有風(fēng)速記錄儀和沙塵收集儀。

1.3.2 分析方法 為了說明作物受風(fēng)沙危害的情況，采用①受害比例(D)：受傷植株數(shù)占調(diào)查植株數(shù)的比例；②受害程度(C)：調(diào)查植株受傷葉長度占葉總長度比例；③受害起始距離：從防護(hù)林后緣至作物枝葉表現(xiàn)出傷害的距離；④最大受害距離：從防護(hù)林后緣至作物枝葉受傷害結(jié)束的距離；⑤受害指數(shù)()：受傷級別與數(shù)量乘積之和占最高受傷級別與總數(shù)量乘積的比例；⑥最大受傷部位：風(fēng)沙傷害作物部位；⑦受傷表現(xiàn)：作物受傷的顏色、折斷和褶皺等變化。根據(jù)調(diào)查受傷作物株數(shù)、表現(xiàn)等，應(yīng)用Excel軟件計(jì)算傷害指數(shù)。為了比較作物受傷程度，根據(jù)作物葉受傷比例分為4級：小于30%計(jì)為1級，31%～49%為2級，50%～69%為3級，>70%為4級。主要作物傷害指數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：為受害比例，為受傷植株數(shù)，為調(diào)查植株總數(shù)；為受害程度，為植株受傷葉長度，為調(diào)查葉總長度；為受害指數(shù)，為受傷等級植株數(shù)量，為受傷等級，為調(diào)查植株的總數(shù)，為受傷最高等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙塵暴風(fēng)速特征

沙塵暴出現(xiàn)在2021年5月12日傍晚，次日上午風(fēng)停。此次沙塵暴的風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，正好與“甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站”設(shè)立的沙塵暴觀測系統(tǒng)的3個塔的走向一致。根據(jù)3個沙塵暴觀測塔的風(fēng)速記錄，最大風(fēng)速為21.50 m·s(3號觀測塔10 m高處)，最小值為6.40 m·s(1號觀測塔3 m高處)。綠洲內(nèi)平均風(fēng)速9.31 m·s，梭梭林平均風(fēng)速13.53 m·s，沙漠的平均風(fēng)速則達(dá)到17.42 m·s。綠洲內(nèi)1 m高度的平均風(fēng)速為7.10 m·s，大于當(dāng)?shù)仄鹕筹L(fēng)速5.00 m·s。綠洲內(nèi)部(1號塔)的風(fēng)速變率最大(變異系數(shù)23.61%)，其次是梭梭林的風(fēng)速變率(變異系數(shù)18.64%)，沙漠的風(fēng)速隨高度變化率最小(變異系數(shù)17.72%)。無論是沙漠內(nèi)還是防護(hù)林內(nèi)，風(fēng)速隨著高度增大而增加，呈波狀變化，不同下墊面的風(fēng)速波動節(jié)點(diǎn)不同(圖1)。

圖1 不同下墊面的沙塵暴風(fēng)速隨高度變化值

在防護(hù)林帶內(nèi)，3 m高處的沙塵暴風(fēng)速降低(2號塔和1號塔)，這可能與防護(hù)林的影響有關(guān)。沙塵暴向綠洲逐漸減弱，主要表現(xiàn)在: 從沙漠(3號)到綠洲(1號)風(fēng)速最大降低率達(dá) 61.21%(3 m)，平均降低風(fēng)速46.28%；從梭梭林至綠洲的風(fēng)速最大降低率46.24%(9 m)，3 m高度的風(fēng)速降低率則是37.25%。在高度5 m以下，梭梭林(2號)到綠洲(1號)內(nèi)風(fēng)速遞減率最小，為26.04%，平均降低風(fēng)速35.56%。

2.2 防護(hù)林類型與作物受害關(guān)系

調(diào)查區(qū)的大面積作物是玉米和向日葵，在楊樹防護(hù)林后面有666.67 m小麥。玉米種植面積最大，故以玉米受沙塵暴危害為例分析不同防護(hù)林的保護(hù)作用。受害比例是楊樹防護(hù)林間隙最大，其次是楊樹防護(hù)林后的，再次是棗樹林后的，沙棗林后玉米受傷比例最小(表2)。楊樹防護(hù)林后受傷玉米植株達(dá)到90%以上，這個數(shù)值比無防護(hù)林的還要大，是沙棗林后受傷玉米植株比例的2.5倍，差異顯著(<0.05)。棗樹防護(hù)林后的玉米平均60%植株受損，與楊樹林的差異不顯著(>0.05)。

表2 不同防護(hù)林類型下的玉米受害特征參數(shù)

除了楊樹防護(hù)林間隙的受害程度(超過90%)外，其他防護(hù)林和地埂之后的玉米植株受害程度差異不顯著(>0.05)。沙棗林后玉米植株受害程度小于楊樹林后的21.53個百分點(diǎn)、棗樹林后的22.41個百分點(diǎn)。無防護(hù)林與沙棗林、楊樹林、棗樹林和地埂后的玉米植株受害程度相差16.67、-4.86、-5.74和2.35個百分點(diǎn)。有防護(hù)林帶和無防護(hù)林帶的沙塵暴傷害作物程度相似。

隨著距防護(hù)林帶距離增加，玉米植株受害比例也增加，沙棗林后玉米受傷植株比例變化相對棗樹后的要大(圖2)。從樹高1倍(1 H)后至10倍(10 H)后，沙棗林后玉米植株受傷率相差100%，棗樹林后的只增加了42.92%。在樹高5倍(5 H)的距離范圍，沙棗林后玉米植株受害比例小于棗樹林的，10倍(10 H)樹高距離后的玉米受害植株比例則相反。從沙棗防護(hù)林后沒有受傷植株至3倍(3 H)防護(hù)林高增加了36.36%，相同樹高距離后的棗樹防護(hù)林的玉米傷株比例與沙棗林后相差14.05個百分點(diǎn)。到了樹高5倍(5 H)距離后，沙棗林后玉米受傷植株比棗樹林后的小15.56個百分點(diǎn)。如果以作物傷害率小于60%為參照，沙棗林和棗樹林后的防護(hù)距離約3倍(3 H)樹高，即沙棗林林后9 m和棗樹林后的6 m。沙棗林后玉米植株受害起始距離是其樹高的3.3倍，楊樹林后玉米植株受害起始距離是其樹高的1/2(1/2 H)，棗樹林后玉米植株受害起始距離是其樹高的1倍多，地埂后玉米植株受害起始距離是其高度的5倍，防護(hù)距離是最大的(5 H)。最大受害距離是防護(hù)物高度的2.5～10倍。防護(hù)距離與其高度不成比例，這可能與不同防護(hù)物的疏透度不同，從而影響其防護(hù)距離有關(guān)。

圖2 依林帶距離(以樹高倍數(shù)表示)的玉米植株受害比例變化

如果綜合評價(jià)防護(hù)效果，受害比例和受害程度值越小，說明這種防護(hù)物的防護(hù)效果越強(qiáng)，取值為負(fù)；而受害起始距離和最大受害距離越大，則說明此類防護(hù)物的防護(hù)效果越強(qiáng)，取值為正。求4項(xiàng)指標(biāo)之和為受害綜合指數(shù)。綜合上述參數(shù)進(jìn)行評價(jià)，防護(hù)效能則是沙棗林>地埂>棗樹林>無防護(hù)林>楊樹林>楊樹防護(hù)林間隙。

2.3 農(nóng)作物受害比較

調(diào)查區(qū)的作物有玉米、向日葵和小麥，玉米高度10～15 cm，有5～6對葉。向日葵高5～8 cm，真葉剛剛露出來，子葉嫩綠，莖白嫩。小麥為孕穗前期，高約50 cm，生長茂盛，位于疏透度最大的楊樹林后面。 這次沙塵暴受害最嚴(yán)重的是玉米，其次是向日葵，小麥幾乎沒有受害(表3)。玉米的受害指數(shù)是向日葵的1.61倍，是小麥的2.64倍；向日葵的受害指數(shù)是小麥的1.63倍。玉米受害葉多位于一側(cè)，多是中下部葉受傷。但是，向日葵整株完全受傷的比例是玉米的4.50倍，而且向日葵不同受傷級別的都有，向日葵苗莖有被扭擰傷痕跡，有些子葉全部發(fā)黑。玉米和向日葵受傷葉比例較大，沒有將作物完整致死，但可能會不同程度地影響了作物生長。

表3 不同作物受沙塵暴傷害的特征參數(shù)

3 結(jié)論與討論

防護(hù)林可遮擋阻降沙塵暴，使其風(fēng)速從沙漠到綠洲內(nèi)部明顯降低。沙塵暴風(fēng)速隨著高度的增加而增大，綠洲內(nèi)的風(fēng)速垂直變率較大，這與以往的觀測結(jié)果相同。但是，此次沙塵暴的風(fēng)速從沙漠到綠洲的降低率平均為46.28%，大于以往觀測的降低率(30.45%)，最大風(fēng)速降低高度在3 m，也小于以往的觀測值(5 m)。這可能與觀測期的下墊面不同有關(guān)，也與觀測值的計(jì)算有關(guān)。營造防風(fēng)固沙林和農(nóng)田防護(hù)林是防治沙塵暴危害的有效措施。本次沙塵暴時期沙棗、楊樹和梭梭等都已完全展葉，更有效地降低了沙塵暴的風(fēng)速。

疏透度較小且均勻整齊的防護(hù)林保護(hù)作物免受沙塵暴傷害的效果較大，防護(hù)林存在間隙會增大沙塵暴的危害。防護(hù)林設(shè)計(jì)首先應(yīng)該考慮疏透度, 其次是林帶高度。因此，如果考慮疏透度，防護(hù)效果楊樹林>沙棗林>棗樹林，玉米受害比例的次序是楊樹林>棗樹林>沙棗林。楊樹防護(hù)林后玉米受害比例與棗樹林、地埂和沙棗林的差異顯著(<0.05)，棗樹林、地埂和沙棗林的差異不顯著。地埂后的玉米受害比例大于沙棗林的，地埂可以認(rèn)為疏透度為0，也就是說并不是防護(hù)林的疏透度越小，防護(hù)沙塵暴效果越大。但是也說明種植模式是可以減少大風(fēng)對作物傷害的，這與常兆風(fēng)等的觀測結(jié)果相似。防護(hù)林疏透度為25%～30%的防護(hù)效果較大。除了楊樹防護(hù)林間隙的受害程度(超過90%)外，其他防護(hù)林和地埂之后的玉米植株受害程度差異不顯著(>0.05)，作物受風(fēng)傷害的程度差別不大。這與新疆的農(nóng)田防護(hù)林和民勤的防風(fēng)固沙林觀測研究結(jié)果相似。沙棗林防護(hù)距離為樹高的3.3倍，棗樹林為1倍，地埂是其高度的5倍，楊樹則只有樹高的1/2。這個距離都小于多數(shù)研究的結(jié)果。防護(hù)林帶消減沙塵暴風(fēng)速的比例不僅與林相有關(guān)，也與風(fēng)速大小有關(guān)。

沙塵暴傷害農(nóng)作物的直觀表現(xiàn)為機(jī)械損傷，不同作物受害模式與程度各異。雖然經(jīng)過防護(hù)林阻滯，沙塵暴的風(fēng)速減弱，但是大風(fēng)還是對作物造成了不同程度的傷害。這次沙塵暴受害最嚴(yán)重的是玉米，其次是向日葵，小麥幾乎沒有受害。玉米受害葉多位于一側(cè)，多是中下部葉受傷。

玉米的受害指數(shù)是向日葵的1.61倍，是小麥的2.64倍；向日葵的受害指數(shù)是小麥的1.63倍。但是，向日葵整株完全受傷的比例是玉米的4.50倍。這與1993年特大沙塵暴玉米受害程度大于小麥相一致。大風(fēng)會對農(nóng)作物造成機(jī)械和生理傷害，在風(fēng)速3.5 m·s時高羊毛()表皮開裂。植物形態(tài)結(jié)構(gòu)不同對抵御風(fēng)蝕傷害的表現(xiàn)不同，玉米和向日葵是幼苗期，玉米葉比小麥葉扁平，相對較嫩，向日葵則真葉剛發(fā)出，子葉幼嫩，容易受到傷害。本調(diào)查只進(jìn)行了野外觀測，以玉米、小麥和向日葵葉的機(jī)械損傷為標(biāo)準(zhǔn)比較沙塵暴傷害農(nóng)作物模式，大風(fēng)對它們生理特性的影響沒有觀測和研究，是本次觀測的不足。