科爾沁沙地樟子松人工林對沙塵沉降的影響

王 旭,張學(xué)利,張日升,遲琳琳,肖 巍,王翠萍

(1.遼寧省沙地治理與利用研究所 遼寧章古臺科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,遼寧 阜新 123000；2.國家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,西安 710048)

我國西起塔里木盆地,東至松嫩平原西部分布著大面積的沙漠化土地,這些地區(qū)是我國沙塵天氣的頻發(fā)區(qū)。沙塵天氣不僅會對人類健康造成威脅,抑制降水形成[1],影響全球氣候[2],還會對社會活動、經(jīng)濟等形成不利影響,這已經(jīng)成為不可忽視的生態(tài)環(huán)境問題之一。中國沙塵暴主要有3條移動路徑,分別為西北路、西路和北路,其中，西北路:柴達(dá)木盆地—河套地區(qū)—內(nèi)蒙古東部；西路:西北歐—西西伯利亞—新疆西部地區(qū)—河西走廊—河套地區(qū)、內(nèi)蒙古東部[3],2條均經(jīng)過內(nèi)蒙古東部,阜新與內(nèi)蒙古東部接壤,也受到沙塵暴的嚴(yán)重影響。采取一定的措施來治理風(fēng)沙活動,減少沙塵沉降是十分必要的。目前,防治沙塵天氣的有效生物措施是林草建設(shè),即提高植被覆蓋度,植被對近地表沙塵具有明顯的抑制作用,相同風(fēng)速條件下,植被蓋度越高,輸沙率越低[4]。特別是人工林在易發(fā)生沙塵天氣地區(qū)發(fā)揮著重要的防風(fēng)固沙作用。當(dāng)沙塵天氣出現(xiàn)時,沙粒一邊受風(fēng)力作用的影響,一邊受自身重力作用的影響,向地表降落形成自然沉降物[5]。近年來,研究者們大多通過收集沙塵暴期間的大氣粉塵或天然塵降,對其成分、來源等進行分析,進而對沙塵天氣進行研究。如，對陜甘寧鹽環(huán)定揚黃工程沿線的風(fēng)沙治理[6],對新疆喀什地區(qū)沙塵暴的防治措施[7]等。另外,孟平等[8]發(fā)現(xiàn),農(nóng)林生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)能夠有效地減少塵埃輸送量,減少降塵量可達(dá)到20%～60%。防護林在就地阻沙、穩(wěn)固地表方面起到良好的作用,其原理是通過降低風(fēng)速,顆粒較大的沙塵開始降落,從而有效地起到阻擋沙塵的移動[9],同時防護林會對沙塵顆粒物起到抑制作用,不易向大氣中釋放沙塵物質(zhì),因而使得地表沉積物趨于細(xì)?；痆4]。營造綠洲及其邊緣地區(qū)的護田林網(wǎng),不僅能防止或減輕沙質(zhì)耕地的風(fēng)蝕起沙和沙塵暴對農(nóng)田的危害,還能改善田間的局部小氣候[10-11]。

前人對科爾沁沙地人工林與沙地之間的響應(yīng)的研究有很多,且較為詳細(xì)和全面,如，吳德東[12]著有《區(qū)域防護林構(gòu)建和更新改造技術(shù)》,焦樹仁[13-14]著有《科爾沁沙地水分條件與固沙林生長和穩(wěn)定的關(guān)系》，其都深刻的分析了相關(guān)內(nèi)容。但是對該地區(qū)人工林與沙塵天氣過程中的降塵的響應(yīng)探究較少。本文通過研究樟子松人工林在沙塵天氣過程中對塵降的響應(yīng),旨在為防沙治沙、控制沙害提供科學(xué)依據(jù),進而保護生態(tài)環(huán)境,使該地區(qū)的社會經(jīng)濟得以穩(wěn)定、持續(xù)地發(fā)展。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于科爾沁沙地東南緣的遼寧省彰武縣章古臺鎮(zhèn)(42°43′～42°51′N,121°53′～122°22′E),海拔226.5m,屬典型半干旱農(nóng)牧交錯生態(tài)脆弱區(qū)。土壤多為風(fēng)沙土,其物理沙粒含量多、粘粒含量少,養(yǎng)分瘠薄,有機質(zhì)含量較低,酸堿度中性或偏酸。年均溫6.1℃,平均無霜期154d,年降水量500mm左右,主要集中在6—8月,年蒸發(fā)量約為降水量的3倍,空氣相對濕度60.4%,年均風(fēng)速2.6 m/s,3—5月多南風(fēng)、西南風(fēng)、北風(fēng),風(fēng)力大,持續(xù)時間長。

代表性植物有元寶槭(Acertruncatum)、山里紅(Crataeguspinnatifida)、白榆(UlmuspumilaL.)、山杏(Armeniacasibirica(L.)Lam)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、花曲柳(Fraxinusrhynchophylla)、等。經(jīng)過半個世紀(jì)的生態(tài)建設(shè),目前以樟子松人工林和楊樹為主的固沙林植被群落已成為本區(qū)重要的人工沙地生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設(shè)計

選取周圍均是農(nóng)田的樟子松近熟林,2020年,在林分的正北、正南和西南方位向林分中心的沿線上共設(shè)置13個顆粒物收集點,分別在距林緣10,20,30m和林分中心處,收集沙塵天氣過程中不同方位農(nóng)田顆粒物的沉降數(shù)量。2021年,在3個方位增設(shè)收集點,從林緣開始,每隔10m設(shè)置1個收集點,直到距林緣100m處,共設(shè)置30個顆粒物收集點,同樣,收集沙塵天氣過程中不同方位農(nóng)田顆粒物的沉降數(shù)量。

1.2.2樣品的采集和分析

在每個收集點布設(shè)采集瓶,將干凈有蓋的玻璃瓶埋在地下,將瓶蓋及其下至2cm處露于地表以上,沙塵來臨時將瓶蓋擰開,將漏斗塞入玻璃瓶中,每次沙塵結(jié)束后,將同一收集點所有瓶中顆粒物收集后帶回實驗室。于6月份采集各收集點0～5cm,5～10cm,10～15 cm的土壤樣品。樣品陰干后待測,降塵粒徑機械組成采用激光粒度儀進行測定；降塵和土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法[15]測定；降塵和土壤全氮含量采用半微量開氏法[16]測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)評價離林緣不同距離對降塵量的影響,方差分析達(dá)到顯著水平后,采用LSD進行多重比較。統(tǒng)計分析采用SPSS 23.0進行。作圖使用Excel 2010。

2 結(jié)果與分析

2.1 塵降量變化

通過對樟子松人工林不同方位沙塵沉降量的變化研究發(fā)現(xiàn),隨著離林緣距離越來越遠(yuǎn),3個方位的顆粒物沉降量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,即顆粒物沉降量與離林緣距離呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。整體來說,3個方向監(jiān)測點距林緣0～20m處是沙塵主要的堆積區(qū),占進入林地沙塵沉降量的70%～80%,距林緣20m以后沙塵沉降量逐漸減少,60m以后沙塵沉降量基本穩(wěn)定。

2020年監(jiān)測期間,4月份和5月份平均風(fēng)速分別為3.0,3.1m/s。本文選擇2020年4月11日的樟子松人工林不同方位的沙塵沉降量進一步研究,當(dāng)天主風(fēng)向為北風(fēng),風(fēng)力6級,時間從15:00—19:00,共持續(xù)4h。對該天沙塵沉降量進行分析,發(fā)現(xiàn)正南方向的收集點顆粒物沉降量為0g/m2,這是因為當(dāng)天的主風(fēng)向為北風(fēng)。正北方向林緣處的降塵量是距林緣10m處的24倍,距林緣20～60m處的降塵量穩(wěn)定在5.8～9.5g/m2。西南方向距林緣10m處的降塵量與林緣處的相比急劇下降,距林緣20m處的降塵量降為0g/m2。隨著距離林緣越遠(yuǎn),降塵量不斷下降,距林緣20m及更遠(yuǎn)的收集點,降塵量趨于穩(wěn)定,甚至為0g/m2。

同時,選擇2021年5月3日樟子松人工林不同方位的沙塵沉降量進一步研究,該天主風(fēng)向為西南風(fēng),風(fēng)力6級,時間從10:30—20:00時,共持續(xù)9.5h。對該天沙塵沉降量進行分析發(fā)現(xiàn),正北方向的收集點顆粒物沉降量為0g/m2,這是因為當(dāng)天的主風(fēng)向為西南風(fēng)。正南方向林緣處和距林緣10m處的降塵量較多,收集容器均已盛滿,隨著距離林緣越遠(yuǎn),降塵量不斷下降,距林緣60～100m處的降塵量穩(wěn)定在108～210g/m2。西南方向林緣處的降塵量是距林緣10m處的2倍,距林緣20～40m處的降塵量穩(wěn)定在12～61g/m2,距林緣50m處的降塵量已降為0g/m2。2020年4月11日和2021年5月3日人工林不同方位沙塵沉降量的變化顯示,人工林對沙塵天氣起到了明顯的消減沙塵作用。

對2020年和2021年4—5月收集的所有降塵樣品的顆粒物沉降量進行分析,結(jié)果表明,設(shè)置在林塊正南方監(jiān)測點不同位置的平均顆粒物沉降量最大,其次為西南方向,正北方向監(jiān)測點收集的沉降量最少。這說明2020年春季沙塵天氣過程中,攜帶沙塵的來源主要為南風(fēng),其次為西南風(fēng)。在2021年春季沙塵天氣過程中,4—5月份,正南方向和西南方向監(jiān)測點的沙塵沉降量明顯多于正北方向的監(jiān)測點,因而2021年春季攜帶沙塵的來源也主要為南風(fēng),其次為西南風(fēng)。

2.2 降塵機械組成變化

2020年不同方位收集點的顆粒物機械組成變化如圖1所示。北、南和西南3個方位監(jiān)測點降塵的砂粒含量由林緣向林內(nèi)逐漸減少,粉粒和粘粒的含量則逐漸增多,3個方位監(jiān)測點林緣處降塵的砂粒含量均占90%以上,而距林緣60m處降塵的砂粒含量逐漸下降至50%。說明樟子松人工林具有明顯的消減沙塵作用,尤其對砂粒的運動具有阻礙作用。對不同方向相同距離的比對發(fā)現(xiàn),正北方的降塵的砂粒含量相對較少,西南方向的砂粒含量較多,原因可能是4—5月份的主風(fēng)向為南風(fēng),且5月份以后,農(nóng)戶開始耕種,地表被翻動,地表大粒徑更容易在偏南風(fēng)的作用下發(fā)生短距離的位移。

圖1 樟子松人工林不同方位降塵的機械組成變化Fig.1 Mechanical composition changes of dust fall in Pinus sylvestris plantation at different directions

對不同方位降塵量與降塵機械組成二者的關(guān)系進行分析發(fā)現(xiàn)(圖2),隨著顆粒物沉降量的不斷增加,砂粒含量占比顯著增多,粉粒含量占比顯著減小,粘粒含量占比呈下降趨勢。印證了人工林確實對砂粒的運動具有阻礙作用,顆粒物沉降量越靠近林分中心越少,顆粒物沉降量越少,砂粒含量占比越小,粉粒含量占比越大,粘粒含量占比越大。

注:公式中“**”表示顆粒物沉降量與機械組成占比關(guān)系極顯著。

2.3 塵降養(yǎng)分變化

樟子松人工林不同方位沙塵沉降養(yǎng)分的變化(圖3)顯示,離林緣距離越遠(yuǎn),降塵的有機質(zhì)和全氮含量越高。對于正北方向來說,距林緣60m處的降塵有機質(zhì)含量顯著大于距林緣30m處的,顯著大于距林緣20m處的,顯著大于距林緣10m處的(P<0.05),但林緣處與距林緣10m處的降塵有機質(zhì)含量無顯著差異。對于正南方向來說,距林緣60m處的降塵有機質(zhì)含量顯著大于距林緣30m處的,顯著大于距林緣20m處的(P<0.05),但距林緣20m處的降塵有機質(zhì)含量與距林緣10m處的無顯著差異,距林緣10m處的降塵有機質(zhì)含量與林緣處的無顯著差異。對于西南方向來說,距林緣60m處的降塵有機質(zhì)含量顯著大于距林緣30m處的,但距林緣30m處的降塵有機質(zhì)含量與距林緣20m處的無顯著差異,距林緣20m處的降塵有機質(zhì)含量顯著大于距林緣10m處的,顯著大于距林緣處的(P<0.05)。對于正南和正北方向來說,越靠近林分中心,其降塵的全氮含量越高。而在西南方向,距林緣60m處的降塵全氮含量顯著大于距林緣30m處的,顯著大于20m的,顯著大于10m的,顯著大于林緣處的(P<0.05)。

注:不同字母表示在不同收集點間有顯著差異(P<0.05)。

對不同方位降塵養(yǎng)分與降塵機械組成二者的關(guān)系進行分析(圖4),發(fā)現(xiàn)降塵養(yǎng)分與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),降塵養(yǎng)分與粉粒和粘粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。隨著降塵的有機質(zhì)含量的不斷增加,砂粒含量顯著減小,粉粒含量顯著增加,粘粒含量顯著增加；同樣,隨著降塵的全氮含量的不斷增加,砂粒含量顯著減小,粉粒含量顯著增加,粘粒含量顯著增加。

注:公式中“**”表示降塵養(yǎng)分含量與機械組成占比關(guān)系極顯著。

2.4 對人工林土壤肥力的影響

距離林緣不同方位不同土層土壤有機質(zhì)、速效氮含量的變化(圖5)顯示,離人工林林緣越遠(yuǎn)的監(jiān)測點,表層土壤有機質(zhì)和全氮含量越高。方位北、方位南和方位西南距林緣10～60m觀測點的降塵有機質(zhì)含量較林緣處的分別增加174.5%～210.0%,6.6%～80.0%和57.5%～163.3%。而方位北、方位南和方位西南距林緣10～60m觀測點的降塵全氮含量較林緣處的分別增加116.5%～134.1%,9.4%～95.2%和55.0%～147.0%。同時,通過觀察各觀測點不同土層的土壤有機質(zhì)和全氮含量變化,發(fā)現(xiàn)整體而言,土壤有機質(zhì)含量和全氮含量隨著土層深度的增加而降低,僅個別采集點出現(xiàn)土壤有機質(zhì)含量和全氮含量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。

圖5 距離林緣不同方位 不同土層土壤有機質(zhì) 速效氮含量的變化Fig.5 Changes of soil organic matter content and available nitrogen content in different soil layers at different directions from the forest edge

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

1) 在干旱和半干旱地區(qū),控制降塵量和地表沙塵的輸送是減少風(fēng)沙危害的關(guān)鍵,防護林在應(yīng)對風(fēng)沙方面的主要作用是降低大氣渾濁度,減少降塵量,減少林網(wǎng)內(nèi)的沙塵輸入量[17]。有研究表明[18],防護林具有較高的防風(fēng)效益,其防風(fēng)效果受植被類型影響顯著。如，在烏蘭布和沙漠綠洲中由2行喬木構(gòu)成的疏密型林網(wǎng)防風(fēng)效能在67%以上,由2行喬木2行灌木混交林帶構(gòu)成的林網(wǎng),當(dāng)防風(fēng)效能為60%時,其防護面積是2行純喬木林帶的2.5倍。丁延龍等[19]對吉蘭泰鹽湖風(fēng)沙防護林體系35年的防護效果進行了評估,發(fā)現(xiàn)1986年林帶內(nèi)輸沙量為流動沙壟的22.2%,而2017年林帶內(nèi)輸沙量僅為流動沙壟的4.5%,歷經(jīng)幾十年發(fā)展后,防護林帶阻沙作用更為顯著。本文就科爾沁沙地南部樟子松人工林對沙塵天氣的阻沙作用進行量化分析,研究表明,隨著塵降收集點距離林緣越來越遠(yuǎn),各方位收集點的沉降量也不斷減小,總體來說,距林緣30m處沉降量趨于穩(wěn)定。肖洪浪等[20]通過對騰格里沙漠東南緣塵降的測定結(jié)果分析表明,近地層空氣中約有30%～60%以上的塵埃沉積被阻截在人工植被地段；成國勛[21]也證實了營造防護林后,風(fēng)沙日數(shù)和強度明顯減少和減弱；劉艷萍等[22]通過風(fēng)洞實驗表明,降塵量在林網(wǎng)內(nèi)具有一定的水平分布特征,從林緣至林網(wǎng)中心降塵量依次降低,這與本研究結(jié)果相似,距離林分中心越近,降塵量越小,說明樟子松人工林在沙塵天氣過程中有良好的消減沙塵作用。

2) 越靠近林分中心,降塵的養(yǎng)分含量越高。究其原因,可能是因為樟子松人工林對砂粒的運動具有阻礙作用,靠近林分中心的降塵中砂粒所占比例較低,粉粒和粘粒占比較高,降塵養(yǎng)分與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān),降塵養(yǎng)分與粉粒和粘粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。目前,對于科爾沁沙地南部的降塵組成的相關(guān)研究較少,但對土壤的研究較多,土壤砂粒與土壤養(yǎng)分呈極顯著負(fù)相關(guān),土壤粉、粘粒與土壤養(yǎng)分為極顯著正相關(guān)[23],這與本研究降塵機械組成的分析結(jié)果相似?？紤]到降塵機械組成的原因,風(fēng)沙天氣過程中,越靠近林分中心的降塵養(yǎng)分含量較高。

3) 離人工林林分中心越近,表層土壤有機質(zhì)和全氮含量越高。這可能是林分內(nèi)部腐殖質(zhì)層較厚,且受外界環(huán)境影響較小,降塵量小,所以土壤養(yǎng)分含量較高,而靠近林緣處,受風(fēng)力影響腐殖質(zhì)層較薄,且降塵量大,所以土壤養(yǎng)分含量較低。許多學(xué)者[24-25]已證實降塵對土壤有重要影響,一方面降塵為土壤提供了大量細(xì)粒物質(zhì)和一些營養(yǎng)元素,加深了土壤的發(fā)育和演化；另一方面降塵來源多樣,組成復(fù)雜,因而對土壤的物理、化學(xué)、生物性狀必然產(chǎn)生重要的影響。本研究中3個方位林緣處降塵的機械組成中砂粒含量均占90%以上,養(yǎng)分含量較少,故而越靠近林緣處的土壤降塵量大,受降塵影響較大,土壤養(yǎng)分含量較少；反之,越靠近林分中心的土壤降塵量小,土壤養(yǎng)分含量較高。防護林及其內(nèi)農(nóng)作物生長季節(jié)明顯,對于提高作物產(chǎn)量有正向作用,進而改良土壤理化性質(zhì),促進土地可持續(xù)發(fā)展[26]。

3.2 結(jié)論

1) 該地區(qū)樟子松人工林對沙塵天氣能很好的起到消減沙塵作用,距離林緣0～20m的林地是沙塵的主要塵降區(qū),林地內(nèi)顆粒物沉降量與離林緣距離呈顯著負(fù)相關(guān)。

2) 距離林分中心越近,塵降的沙粒含量越低,距林緣60m處降塵的砂粒含量逐漸由90%下降至50%,同時,距離林分中心越近,塵降的有機質(zhì)和全氮含量越高。

3) 樟子松人工林對林內(nèi)土壤養(yǎng)分含量的增加起著積極的影響,對科爾沁沙地起到了消減沙塵、培肥地力的良好作用,具有較好的防護效益和應(yīng)用推廣前景。