河北壩上農(nóng)田防護林帶結構配置

1、河北壩上農(nóng)田防護林帶結構配置土壤風蝕是風對地表土壤的侵蝕、 搬運和堆積的過程， 也是 風與地表顆粒相互作用的過程。 土壤風蝕破壞地表， 造成地表細 顆粒物質(zhì)和土壤養(yǎng)分損失，導致土地沙漠化或貧瘠化 1-2 ，土 壤風蝕在干旱、 半干旱區(qū)域尤為嚴重。 農(nóng)田防護林作為生態(tài)建設 的重要措施，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要屏障 3-5 ，具有明顯降低 風速、增加土壤濕度、防治土壤風蝕的作用，是農(nóng)田土壤風蝕防 治的最主要措施之一 6-8 。防護林帶的防護效益與林帶疏透度、 透風系數(shù)、配置方式、行數(shù)、株行距等林帶結構因子有關 9 ， 防護林帶建設應遵循“宜林則林、 宜灌則灌、 林灌結合”的原則 10-12 。河北壩上

2、地區(qū)農(nóng)田防護林多建于 20 世紀 60 年代的“三北防 護林”工程及 2000 年后的京津風沙源治理工程，以河北省康保 縣為例，1950年林地面積為69 hm2, 2010年猛增至75 944.92 hm213。河北壩上地區(qū)主要的土地利用方式是旱作農(nóng)田，且以 傳統(tǒng)、非保護性耕作方式為主 14-15 ，林草地與農(nóng)田之間缺乏 整體性規(guī)劃。 在農(nóng)田防護林建設過程中， 單純重視防護林數(shù)量和 規(guī)模，林帶配置不合理，樹種選擇重視喬木、輕視灌木，樹種單 一，多以楊樹為主 16 ，加之營造時間較長和管理手段粗放，大 部分的防護林帶均處于衰退期或已經(jīng)死亡， 無法滿足保護農(nóng)田的 需求，土壤風蝕與土質(zhì)沙化現(xiàn)象十分嚴

3、重， 是京津特大城市主要 沙塵源之一 17 。本試驗以河北壩上康保縣農(nóng)田防護林為對象， 通過野外調(diào)查和試驗觀測， 選擇區(qū)域內(nèi)典型的農(nóng)田防護林帶為目 標，對其結構配置特征展開研究， 為該區(qū)域農(nóng)田防護林體系的建 設提供理論參考。材料與方法研究區(qū)概況康?？h地處河北省西北部壩上地區(qū)， 位于內(nèi)蒙古高原東南邊 緣（114 12 114 56 E、41 25 42 09 N）,具有明 顯的大陸性氣候特征；全年多受蒙古高壓控制，干旱少雨，年均 降水量306.3409.6 mm,是河北省降水量相對最少的縣（市、 區(qū)）之一；年均氣溫1.2 C左右，是河北省熱量條件最差的縣 域之一；夏季涼爽而短促，無霜期為 92

4、d 左右，極端最高氣溫 為33.6 C;冬季嚴寒漫長，極端最低氣溫可達-36.4 C； 6級以上大風日數(shù)年均為 60 d 左右，冬春季節(jié)常有雪暴、沙塵暴出 現(xiàn)。全縣森林覆蓋率達 21%，以楊樹、榆樹為主?，F(xiàn)有農(nóng)田防護 林絕大部分為 20 世紀 60 年代末 70 年代初所營造的，以喬木為 主，樹種主要是楊樹，北部、西北部分布有榆樹防護林，已達到 過熟期。林帶樣地選擇2014年4月18 26日，對康?？h多個區(qū)域進行林帶調(diào)查。 調(diào)查林帶具有地形平坦開闊、 林帶前后均有大片農(nóng)田、 地塊長度 20 X防護林樹高（H）、耕作方式相對一致等特征，具體參數(shù)詳見表 1。疏透度的測定與計算疏透度是指林帶、 林緣

5、垂面上透光孔隙投影面積與垂面總投 影面積之比 18 。對每個調(diào)查林帶拍攝照片， 采用數(shù)字圖像處理， 對冠層與干層分開計算， 并采用加權平均法計算出林帶的疏透度 19 。計算公式為：B = (B 1H1 + B 2H2) /H。式中：B為疏透度；B 1為林冠疏透度，為林冠填充像素點數(shù) / 林冠所在方框內(nèi)的總像素點數(shù)； B 2 為林干疏透度，為林干填 充像素點數(shù)/林干所在方框內(nèi)的總像素點數(shù)； H為林帶均高，H1 為林冠均高，H2為林干均高。林帶防風效能觀測 選擇垂直于主風向的東北 -西南走向林帶，使用便攜式近地 層風速廓線儀觀測防風效能，最大觀測高度為4m，配有9個風杯，測量風速范圍為0.330

6、m/s。觀測距離以防護林樹高 H為 單位，在防護林帶后 H 3H、5H、7H、10H 15H 20H及林前對 照點處共設置8個觀測點，每個點觀測15 min,獲得林帶前后8 個點的風速數(shù)據(jù)；用 Oringinlab 9.0 軟件對數(shù)據(jù)進行分析，制 作防風效能圖，同時以付亞星等的觀測數(shù)據(jù) 20 作為補充。結果與分析2.1 林帶樹木配置方式林帶內(nèi)樹木一般采取矩形、品字形和隨機 3 種布置形式 21 ，而林帶疏透度是林帶結構合理性的主要量化指標 22 。調(diào) 查結果表明， 研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田防護林帶的林木多以矩形、 品字形布 置為主； 品字形配置的林帶能充分利用樹木個體空間， 在樹木個 體數(shù)相同的情況下可獲

7、得更小的疏透度， 在同樣的線性密度條件 下，品字形配置的林帶比矩形配置的林帶獲得的疏透度平均小約 0.9%（表 2）；矩形方式配置的林帶，樹木須減少株行距或增加 栽植量以獲得較小的疏透度， 從而容易導致林帶內(nèi)部樹木生長空 間縮小， 影響樹冠形狀及枝干發(fā)育； 研究區(qū)內(nèi)冬季相農(nóng)田防護林 帶多為通風結構，平均疏透度為 0.57 ，說明康?？h的防護林帶 在無葉期透風系數(shù)遠高于 0.30.5的理想值。2.2 林帶樹種搭配 研究區(qū)農(nóng)田防護林有純楊樹或榆樹喬木林、楊樹榆樹混交 林、楊樹或榆樹與灌木混交林、灌木林共 4 種類型，且以純楊樹 或榆樹喬木林為主，而純林帶由于樹種單一，林分結構簡單，枯 死率高，易形

8、成通風結構。調(diào)查結果表明，純林帶中，楊樹、榆 樹樹種的邊行平均胸徑分別比內(nèi)行大 20.1%、33.5%，呈現(xiàn)出明 顯的“邊行效應”（表 3）；“楊 -榆- 榆-楊”行間混交林帶由 于邊行效應，林帶邊緣喬木發(fā)育較好，與內(nèi)行樹高、胸徑的發(fā)育 相比有較大差距， 縱斷面上呈“凹”形結構， 防護效果相對較差； 榆樹與灌木混交林株間距相對較小， 而與灌木生長良好發(fā)育、 保 存率為 71.8%相比，榆樹（喬木）保存率相對較低， 為 62.3%（表4），形成的林分結構下層較緊密，填補了喬木枝下透風空隙， 使林帶透風空隙較為均勻； 康保縣灌木林樹種以枸杞、 檸條為主， 發(fā)育良好，保存率和覆蓋度均較高，形成的林帶

9、高度較低，透風 空隙均勻，防護效果相對好，但防護距離短。由圖 1 可見，榆檸 混交林弱風區(qū)在H7H處，H20H范圍內(nèi)平均防風效能為 28.60%;枸杞灌木林弱風區(qū)在 3H7H處，平均防風效能為 22.32%；喬木林帶（楊樹純林帶、楊榆混交林、榆楊混交林）的 防護范圍相對較廣，弱風區(qū)在 H10H處，平均防?L效能為 18.87%，楊榆混交林、榆楊混交林平均防風效能分別為16.55%、21.96%;林后防風效能由高到低為榆檸混交林 枸杞灌木林帶 楊榆混交林、榆楊混交林 楊樹純林帶，但純楊樹、混交喬木林 帶防風距離相對更遠。因此，灌木樹種區(qū)域適應性較強，防風效 能較高， 但防護距離相對較小， 不適合

10、作為以大田塊布局的壩上 地區(qū)農(nóng)田防護林建設樹種; 喬木防護林帶盡管防護距離大， 有利 于穩(wěn)定防護林結構，但由于其需水量大、存活率低，成林結構較 差，防護效能較低，不適合單獨作為農(nóng)田防護林選擇樹種;而喬 灌混交防護林可以有效提升防護林防風效能， 且防護林結構相對 穩(wěn)定，可成為研究區(qū)農(nóng)田防護林配置的主體。2.3 林寬的確定實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)防護林帶的寬度一般不大于25 m,行數(shù)多為12行以內(nèi)。通過對8、10、15、20 m共4 個林帶寬度等級的疏透型、 通風型林帶防風效應 23 進行觀測發(fā)現(xiàn)，疏透型林帶（林帶編號分別為26、 14、19、7）的疏透度B0.55，通風型林帶（林帶編號分別為 21、

11、13、20、9）的疏 透度0.65 ;同一林帶型4個林帶寬度等級的防風效能差異 性較小，疏透型林帶中 8 10 m寬度的林帶、通風型林帶中 10、 15 m 寬度的林帶防風效能相對較好（圖2）。因此，建議康?？h在建設防護林帶時，疏透型林帶造林寬度控制在 10 m 以內(nèi)， 通風型林帶造林寬度應在 1015 m范圍內(nèi)。株行距的確定以壩上地區(qū)廣泛存在、 14個樹齡在 2022年之間的青 楊防護林帶為代表， 分析其株行距乘數(shù)與林木平均胸徑的關 系時發(fā)現(xiàn)，隨株行距乘數(shù)的增大，青楊樹的胸徑呈上漲趨勢，但 在株行距乘數(shù)達到 12.00 時胸徑上漲趨緩。 經(jīng)擬合， 得回歸方程 為：y=15.906+1.506

12、x-0.470 x2 ,決定系數(shù) r2 為 0.952 （圖 3）。 式中：y為林帶樹木平均胸徑；x為株行距乘數(shù)。由此可見，株 行距對樹木形體尺度的發(fā)育有直接影響， 其影響主要是通過決定 單株營養(yǎng)面積而實現(xiàn)的。 根據(jù)王志剛等對林帶冬季相結構參數(shù)及 透風系數(shù)的推導算法 24 ，利用朱廷曜等定義的林帶地上生物量 體積密度 25 ，建立生物量體積密度表達式，為：W=V0（ 1+g） / （ SH）。式中：W為生物量體積密度；V0為平均單株材積；g為枝葉 生物量體積與材積比；S為平均單株營養(yǎng)面積；H為林高。推導 得到全林帶生物體積密度 W與風速削弱系數(shù)k的關系式為：則可得到林帶平均單株營養(yǎng)面積為：S=

13、V0(1+g)/H?e (k-0.254 6/0.032 98) 。根據(jù)蔣伊尹等給出的林帶蓄積量生長模型 26 ，推算出平均 材積 V0 模型為：V0=0.675 7 ( 1-e-0.114 4A0 ) 3.339 81 。式中：AO為初始防護成熟齡。以康保縣疏透型林帶的帶寬10m為例，根據(jù)朱廷曜等推算的林帶寬度與透風系數(shù)、風速削弱系 數(shù)關系27，求得風速削弱系數(shù) k在0.061 30.070 2之間。 根據(jù)徐文鐸提出的小青楊枝葉與材積比及與林齡的關系 28 ， g 取值范圍設為0.300.45、小青楊初始防護成熟齡 A0為23.5 年、林高H為15.58 m29，求得康?？h林帶平均單株營養(yǎng)面

14、積 S在13.315.6 m2之間，則株行距可設為3.5 mX 4.0 m或4.0mx 4.0 m考慮到研究區(qū)風沙災害主要發(fā)生在春季，防護林帶正 處于冬季相，可將株行距根據(jù)防護距離和防護需要調(diào)整到 2.5 mX 3.0 m 或 3.0 m X 4.0 m 。結論與討論利用林帶樹木配置方式獲得理想的林帶結構， 是防護林帶設 計與經(jīng)營的目標， 而綜合考慮土地利用效率、 防護效益及研究區(qū) 的自然條件， 以較少的栽植數(shù)量達到目標疏透度是農(nóng)田防護林帶 的建設目標。通過對河北壩上康保地區(qū)農(nóng)田防護林帶的空間配置、 林網(wǎng)結構及防護效能等進行詳細分析可以看出， 品字形配置林帶內(nèi)樹木是一種有效科學的方式， 可以充

15、分 利用林帶內(nèi)樹木個體， 與矩形配置相比， 品字形配置林帶能夠用 較少的栽植數(shù)量達到更緊密的疏透度； 康保當?shù)剞r(nóng)田防護林帶樹 種較單一， 以楊樹喬木純林為主， 而灌木生長狀況較喬木在當?shù)?適應性相對更好， 但灌木防護距離較小， 楊樹等喬木生長狀況差 但防護距離大，喬灌混交配置方式能夠兼顧防風效能和防護距 離，是研究區(qū)農(nóng)田防護林帶樹種配置的首選； 結合前人理論 30 ， 分析林寬對林帶的防風效應可以推斷， 窄林帶的防風效應優(yōu)于寬 林帶，疏透型林帶帶寬一般不超過 10 m ，通風型林帶應控制在 1015 m范圍內(nèi)；以康保區(qū)域廣泛使用的防護林帶樹種青楊為 例，通過回歸分析發(fā)現(xiàn)， 隨株行距的增加， 樹木胸徑呈遞增趨勢， 株行距大于3.0 m X4.0 m,胸徑增長趨緩，并推算出適宜的青 楊農(nóng)田