晉北風(fēng)沙區(qū)防風(fēng)林帶設(shè)計研究

晉北風(fēng)沙區(qū)防風(fēng)林帶設(shè)計研究

土壤風(fēng)蝕是指由風(fēng)和土壤組成的復(fù)雜物理過程。防風(fēng)林帶是防止土壤風(fēng)蝕、減少風(fēng)沙危害的一種防護(hù)林類型。晉北位于毛烏素沙漠前沿,是環(huán)京津地區(qū)三大風(fēng)沙源之一,風(fēng)沙危害面積達(dá)2.0萬km2,較嚴(yán)重的沙化土地面積達(dá)7000km2。40多年來,為改變晉北惡劣的生態(tài)環(huán)境,在防護(hù)林體系建設(shè)中營造了大面積小葉楊防風(fēng)林帶,林帶設(shè)計中統(tǒng)一遵循的理論原則是林帶間距為林帶高度的20倍,林帶走向與風(fēng)向垂直。在這種理論的支持下,形成了大面積樹種單一、林帶間距基本一致、布局模式相似的西南至東北走向防風(fēng)林帶。雖然這種防風(fēng)林帶對土地沙化起到了積極的防御作用,但防護(hù)效益低下,是長期存在的事實,防風(fēng)林帶的優(yōu)化設(shè)計也成為生產(chǎn)中一直關(guān)心和爭論的焦點,穩(wěn)定高效的防風(fēng)林設(shè)計是老林帶更新改造中急需解決的現(xiàn)實問題。本項研究基于對晉北害風(fēng)發(fā)生規(guī)律、風(fēng)沙性質(zhì)和表層土壤機械組成的分析,通過建立數(shù)學(xué)模型,對防風(fēng)林帶設(shè)計的關(guān)鍵因子進(jìn)行了定量化研究。1降水量、土壤條件及主要土壤質(zhì)地研究區(qū)的主要地形為平原農(nóng)區(qū),海拔900~1200m,年平均氣溫5.3~7.2℃,無霜期120~130d,年降水量330~450mm,年蒸發(fā)量1500~1700mm,年平均風(fēng)速2.5~3.0m/s,每年8級以上大風(fēng)天數(shù)為20~30d。主要土壤類型為栗鈣土、淡栗鈣土,土壤質(zhì)地為沙壤、中壤,結(jié)構(gòu)疏松。氣候特點為干旱、寒冷、冬春風(fēng)沙大。2學(xué)習(xí)方法2.1表層土壤粒徑、風(fēng)洞試驗方法及測點風(fēng)速的測定于土壤干燥期(3-5月)在晉北地區(qū)左云縣、朔城區(qū)、平魯區(qū)、大同縣、懷仁縣、應(yīng)縣6個縣(區(qū))范圍內(nèi)的空曠地,隨機采集240個表層土壤土樣,采用篩分法和比重計法測定表層土壤不同徑級土粒含量。采用風(fēng)洞試驗測定不同徑級土粒在不同風(fēng)力作用下開始滾動時的風(fēng)速。風(fēng)速風(fēng)向觀測采用三杯便攜式風(fēng)速風(fēng)向儀在林帶迎風(fēng)面的空曠地、背風(fēng)面距林帶1H(1倍樹高)、3H、5H、7H、9H、11H、13H、15H、17H、19H處離地面1.0m高度設(shè)置定位觀測點進(jìn)行觀測。2.2帶高度、枝下高調(diào)查時間在風(fēng)沙危害最嚴(yán)重的3-5月進(jìn)行。林帶高度、枝下高采用測高儀進(jìn)行測量,在距林帶不同距離處測量3次取其平均值。林帶寬度用測繩實測。林帶疏透度的測定采用數(shù)字圖像處理法。2.3多因子回歸分析以調(diào)查觀測的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用回歸分析法,建立1.0m高度風(fēng)速與10m高度氣象站臺風(fēng)速的關(guān)系;進(jìn)行多因子回歸分析,分析各林帶因子、害風(fēng)因子間的相關(guān)關(guān)系,確定最佳林帶結(jié)構(gòu)時林帶的疏透度;根據(jù)最佳林帶結(jié)構(gòu)時的疏透度和起沙風(fēng)速,分析研究林帶最大有效防風(fēng)距離;以害風(fēng)風(fēng)向頻率為指標(biāo),確定不同縣(區(qū))林帶的最佳走向;分析研究林帶樹種及林帶的設(shè)計樹高,計算林帶間距。3結(jié)果與分析3.1表層土壤風(fēng)蝕害風(fēng)即風(fēng)速大于起沙風(fēng)速的風(fēng)。害風(fēng)是風(fēng)沙形成的動力,土壤是風(fēng)沙形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。晉北處于農(nóng)牧交錯地段,氣候干燥、害風(fēng)發(fā)生頻繁,風(fēng)蝕嚴(yán)重地段年土壤風(fēng)蝕量可達(dá)120~135m3/hm2,表層土壤是風(fēng)蝕的主要對象。表層土壤的機械組成、害風(fēng)發(fā)生次數(shù)、發(fā)生時間及風(fēng)力大小等決定著土壤的風(fēng)蝕程度。3.1.1土粒開始風(fēng)速風(fēng)壓晉北地區(qū)左云縣、朔城區(qū)、平魯區(qū)、大同縣、懷仁縣、應(yīng)縣6個縣(區(qū))表層土壤機械組成分析結(jié)果見表1。各縣(區(qū))表層土壤徑級<0.1mm土粒占6.7%~8.5%,徑級≥0.1mm土粒占91.5%~93.3%,且各測點表層土壤土粒徑級大小的分布規(guī)律和趨勢相一致。為便于分析,用平均值代表風(fēng)沙區(qū)表層土壤的機械組成,<0.1mm的土粒含量為7.6%,≥0.1mm土粒含量為92.4%。起沙風(fēng)速即在風(fēng)力的作用下土粒開始滾動時的風(fēng)速。表1中起沙風(fēng)速為距地面1m高度的起沙風(fēng)速,不同徑級土粒的起沙風(fēng)速不同。徑級<0.1mm的土粒含量為7.6%,起沙風(fēng)速為3.00m/s,徑級為0.1~0.25mm土粒的起沙風(fēng)速為3.20m/s,如果將風(fēng)速控制在3.2m/s以下,徑級≥0.1mm的土粒將不會被風(fēng)蝕,即表層土壤中92.4%的土粒不會受到風(fēng)蝕。上述分析的起沙風(fēng)速是1m高度的風(fēng)速,而氣象站觀測的風(fēng)速數(shù)據(jù)是10m高度的風(fēng)速。為便于利用氣象站的風(fēng)速觀測資料,需分析1m高度與10m高度風(fēng)速之間關(guān)系。根據(jù)79次的觀測數(shù)據(jù),通過回歸分析,1m高度的風(fēng)速與10m高度的風(fēng)速呈直線相關(guān)關(guān)系,得回歸方程式為:V1m=0.35+0.6V10m(R0.05=0.857**)(1)式中:V1m為1m高度風(fēng)速(m/s);V10m為10m高度風(fēng)速(m/s)(氣象站臺觀測)。根據(jù)方程(1),由徑級0.1mm土粒1m高度的起沙風(fēng)速3.2m/s推算同一地點10m高度的風(fēng)速為4.75m/s。因此,氣象站臺觀測到≥4.75m/s的風(fēng)為該區(qū)域的害風(fēng)。由于氣象臺站的風(fēng)速觀測均是以整數(shù)為單位,為此,可將氣象臺站觀測資料中≥5m/s的風(fēng)稱之為害風(fēng)。3.1.2不同風(fēng)速下的害風(fēng)情況據(jù)據(jù)晉北地區(qū)左云、朔城、平魯、大同、懷仁、應(yīng)縣6個縣(區(qū))氣象站15年逐日風(fēng)速觀測資料計算,有85%的害風(fēng)出現(xiàn)在10月至次年5月,雖然在這段時間各縣(區(qū))不同風(fēng)速害風(fēng)出現(xiàn)頻率的絕對值不同,但發(fā)生的規(guī)律性基本一致,即各縣(區(qū))風(fēng)速為5m/s的害風(fēng)出現(xiàn)的頻率均最大,分別為28.0%,29.2%,25.5%,28.1%,29.3%,30.8%,平均值為28.5%;風(fēng)速為10m/s的害風(fēng)出現(xiàn)頻率的平均值為6.2%;風(fēng)速為5~10m/s的害風(fēng)出現(xiàn)頻率之和為92.1%,可見這個風(fēng)速范圍的害風(fēng)是晉北地區(qū)的主要害風(fēng),出現(xiàn)機會最多,只要通過林帶的配置使氣象站臺觀測到的風(fēng)速為10m/s及以下的害風(fēng)得到控制,就可以避免92.1%的害風(fēng)對土壤造成風(fēng)蝕。根據(jù)方程(1),由氣象臺站觀測到的風(fēng)速為10m/s的害風(fēng)推算同一地點距地面1m高度的風(fēng)速為6.4m/s。因此,風(fēng)速≤6.4m/s的害風(fēng)是晉北地區(qū)應(yīng)該防御的主要害風(fēng),即6.4m/s的風(fēng)速是防風(fēng)林帶設(shè)計應(yīng)考慮的害風(fēng)風(fēng)速指標(biāo)。3.2有效防風(fēng)距離的關(guān)系3.2.1背風(fēng)面風(fēng)速減幅在晉北地區(qū)的不同縣(區(qū)),對不同結(jié)構(gòu)小葉楊林帶的寬度、疏透度、風(fēng)向、樹高、枝下高等因子及防風(fēng)效益進(jìn)行調(diào)查。以林帶背風(fēng)面風(fēng)速減幅為因變量,林帶因子為自變量進(jìn)行多元線性回歸分析,得方程式為:Y1=26.4535-35.7038X1-0.4794X2+43.2344X3+2.0970X4-0.0648X5(2)復(fù)相關(guān)系數(shù)(R1)=0.7916**(R0.05=0.2172,R0.01=0.2830)式中:Y1為林帶背風(fēng)面風(fēng)速減幅(%);X1為林帶疏透度;X2為林帶寬度(m);X3為風(fēng)向與林帶夾角的正弦值;X4為樹高(m);X5為枝下高(m)。方程(2)回歸系數(shù)和相關(guān)系數(shù)綜合分析表明,林帶背風(fēng)面風(fēng)速減幅與林帶疏透度呈極顯著負(fù)相關(guān),林帶疏透度對林帶的防風(fēng)效果影響很大。以林帶背風(fēng)面風(fēng)速減幅為因變量,以林帶冠層疏透度、林冠下層疏透度、林帶寬度、風(fēng)向與林帶夾角、樹高、枝下高為自變量進(jìn)行多元線性回歸分析,得方程式為:Y2=88.1411+29.2224X1-82.7526X2-0.7608X3+18.8989X4+0.2498X5-0.1785X6(3)復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)=0.9126**(R0.05=0.2172,R0.01=0.2830)式中:Y2為林帶背風(fēng)面風(fēng)速減幅(%);X1為林冠層疏透度;X2為林冠下層疏透度;X3為林帶寬度(m);X4為風(fēng)向與林帶夾角的正弦值;X5為樹高(m);X6為枝下高(m)。方程(3)回歸系數(shù)和相關(guān)系數(shù)綜合分析表明,林冠層疏透度、風(fēng)向與林帶夾角的正弦值與風(fēng)速減幅為極顯著正相關(guān),林冠下層疏透度與風(fēng)速減幅為極顯著負(fù)相關(guān)。當(dāng)林冠下層疏透度相同時,林冠層疏透度愈小,即林冠愈密,冠層透過的風(fēng)越少,而林冠下層相對透過的風(fēng)越多,風(fēng)速減幅愈小;相反,林冠層疏透度愈大,即林冠層愈稀,林冠層透過的風(fēng)愈多,林冠下層透過的風(fēng)越少,而林冠層又主要是影響遠(yuǎn)距離的防風(fēng)效果,這樣林帶背風(fēng)面近距離風(fēng)速減幅較大。從方程(3)來看,林冠下層的疏透度對防風(fēng)效果的作用更大,呈極顯著負(fù)相關(guān)。3.2.2不同疏透度林分防風(fēng)固沙計算林帶疏透度是反映林帶疏密結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo),也是影響林帶防風(fēng)距離的重要因子。林帶有效防風(fēng)距離是指在林帶的防護(hù)下,林帶背風(fēng)面土壤不受風(fēng)蝕的距離。為分析林帶疏透度與林帶有效防風(fēng)距離的關(guān)系,對不同疏透度林帶的有效防風(fēng)距離進(jìn)行了觀測。根據(jù)前節(jié)分析,晉北地區(qū)距地面1.0m高92.1%的害風(fēng)風(fēng)速為≤6.4m/s,要使這部分害風(fēng)風(fēng)速降至3.2m/s,風(fēng)速減幅應(yīng)為50%。對40條不同疏透度林帶的防風(fēng)效果進(jìn)行觀測,以林帶背風(fēng)面風(fēng)速減幅50%為指標(biāo),以林帶樹高的倍數(shù)為單位,計算不同疏透度林帶有效防風(fēng)距離,并以其為因變量,林帶疏透度為自變量,進(jìn)行回歸分析,方程式為:L=(4.1+71.3X-130.4X2)H復(fù)相關(guān)系數(shù)(R3)=0.9317**,R0.01=0.4487(4)式中:L為風(fēng)速減幅為50%的有效防風(fēng)距離(m);X為林帶疏透度;H為林帶高度(m)。由方程(4)可推導(dǎo)出圖1,從圖中可知,林帶有效防風(fēng)距離隨林帶疏透度的增加而加大,疏透度達(dá)到0.3時,林帶的有效防風(fēng)距離最大,可達(dá)到13.8H;當(dāng)疏透度值大于0.3時,隨著疏透度的增加,林帶有效防風(fēng)距離逐漸減小;當(dāng)疏透度接近于0.6時,林帶有效防風(fēng)距離逐漸趨向于零,也就是說,如果曠野距地1.0m的害風(fēng)風(fēng)速為6.4m/s,林帶背風(fēng)面任何一點距地1.0m高的風(fēng)速均超過3.2m/s,此時存在土壤風(fēng)蝕。對一個特定的林帶來說,方程(4)中H(林帶高度)是一個已知數(shù)。如何把H作為一個變量來分析,可知林帶有效防風(fēng)距離與H為線性正相關(guān),即對于一個特定疏透度的林帶,林帶愈高,有效防風(fēng)距離愈大。3.3林帶趨勢分析3.3.1西南方向建設(shè)的頻率和平均風(fēng)速不同晉北地區(qū)害風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速的變化隨時間和季節(jié)的不同而異,而且害風(fēng)的風(fēng)向變化與風(fēng)速大小常不一致。例如:左云縣西北方向的害風(fēng)出現(xiàn)的頻率為15.9%,年平均風(fēng)速為5.6m/s,而西南方向害風(fēng)出現(xiàn)的頻率為2.3%,年平均風(fēng)速為7.5m/s,這樣就出現(xiàn)了在同一個地區(qū),某一方向的害風(fēng)出現(xiàn)的頻率大、平均風(fēng)速小,而另一個方向的害風(fēng)出現(xiàn)的頻率小、平均風(fēng)速大的情況,這種害風(fēng)頻率大小、風(fēng)速大小不相吻合的現(xiàn)象,在晉北地區(qū)不同的縣(區(qū))普遍存在。害風(fēng)的分散性為防風(fēng)林帶走向的確定帶來了困難。3.3.2不同區(qū)域的防風(fēng)林帶走向分析林帶走向與風(fēng)向垂直時,林帶防風(fēng)效益最徍。但晉北地區(qū)害風(fēng)因季節(jié)不同,風(fēng)向、風(fēng)速及出現(xiàn)頻率均在變化。相關(guān)學(xué)者認(rèn)為林帶與風(fēng)向的夾角不小于45°時,林帶防風(fēng)效果變化不大。根據(jù)這一理論,一個西北方向的害風(fēng),可通過建立由南至北走向的林帶或者由東至西走向的林帶進(jìn)行防御,且防護(hù)效果一樣,但事實上這是2條互相垂直的林帶,整體防御害風(fēng)的范圍和效果是不一樣的。針對晉北害風(fēng)風(fēng)向、風(fēng)速的分散變化,林帶走向的設(shè)計僅考慮對單一風(fēng)向的防護(hù)是不夠的,還應(yīng)考慮對一個區(qū)域范圍害風(fēng)的防護(hù)效果,這就需要用1個指標(biāo)來綜合體現(xiàn)害風(fēng)出現(xiàn)的頻率和強度,即害風(fēng)風(fēng)力率。風(fēng)力、風(fēng)力率可用下式表示。風(fēng)力=某一風(fēng)向害風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)×平均風(fēng)速害風(fēng)風(fēng)力率(%)=某一風(fēng)向的害風(fēng)風(fēng)力×100/各風(fēng)向害風(fēng)的風(fēng)力和某風(fēng)向的害風(fēng)風(fēng)力率越大,其危害程度也越大。對一條林帶來說,相對應(yīng)的害風(fēng)風(fēng)力率(由風(fēng)向與林帶的夾角≥45°的各個風(fēng)向的害風(fēng)計算)越大,其防御害風(fēng)的范圍越大。因此,在一個地區(qū),相對應(yīng)害風(fēng)風(fēng)力率最大時的林帶走向為該地區(qū)防風(fēng)林帶的最佳走向?；诙嗄甑挠^測數(shù)據(jù),計算晉北地區(qū)不同縣(區(qū))8個走向林帶對應(yīng)的害風(fēng)風(fēng)力率(表2)。從表2可知:在左云縣,8個走向的林帶,NE~SW(東北至西南)走向林帶對應(yīng)的害風(fēng)風(fēng)力率最大,為66.3%,因此,左云縣范圍內(nèi)的防風(fēng)林帶最佳走向為NE~SW走向,其次為NNE~SSW(東北偏北至西南偏南)走向。以此類推,朔城區(qū)、平魯區(qū)、大同縣、應(yīng)縣范圍內(nèi)的防風(fēng)林帶最佳走向均為NNE~SSW走向,懷仁縣范圍內(nèi)的防風(fēng)林帶最佳走向為N~S走向。3.4林帶距離分析與計算3.4.1不同高度的樹種樹高生長情況林帶高度是指組成林帶的第一高度樹種的高度。疏透結(jié)構(gòu)的林帶、林帶的高度與林帶最大有效防風(fēng)距離呈正相關(guān)。不同樹種組成的疏透結(jié)構(gòu)的林帶,其高度不同,有效防風(fēng)距離也不同。晉北地區(qū)適宜的防風(fēng)林帶樹種為新疆楊、合作楊、油松、樟子松等,這些樹種組成的林帶,其林帶高度是不一樣的,需要從不同樹種的生長過程來分析確定。在晉北地區(qū),12年生樹高為16.4m的新疆楊高生長過程為:7年生時樹高達(dá)13.1m,年平均生長量為1.87m;8年生時樹高連年生長量與平均生長量相當(dāng);9年生時樹高生長量為15.5m,占樹高總生長量的94.5%,年平均生長量為1.72m;從第9年至第12年樹高總生長量僅為0.9m;第12年的高生長為0.20m。因此,可以把9~10年生作為新疆楊高生長成熟年齡,這個結(jié)果與一些學(xué)者的研究相一致,即闊葉樹的數(shù)量成熟最高值維持在10年左右。因此,在晉北地區(qū),可認(rèn)為以新疆楊為第一高度喬木樹種營建防風(fēng)林帶時,林帶高度為16.0m。相同的分析可知,合作楊在晉北地區(qū)高生長的成熟年齡為9~10年,以合作楊為林帶第一高度樹種營建防風(fēng)林帶時,林帶高度為14.0m。油松、樟子松2個針葉樹種的高生長過程相對一致,20~25年生時,樹高的平均生長量和連年生長量均達(dá)到最大值,25年生油松、樟子松樹高生長量分別達(dá)到5.7,8.2m,占總生長量的91.9%和95.3%,25年以后樹高生長量很小。因此,可認(rèn)為樟子松、油松在晉北地區(qū)高生長的成熟年齡為25年,油松、樟子松作為林帶第一高度樹種營建防風(fēng)林帶時,林帶高度可分別確定為6.0,8.0m。3.4.2防風(fēng)林帶不同樹種組成根據(jù)對防風(fēng)林帶結(jié)構(gòu)和最大有效防風(fēng)距離的分析結(jié)果,在晉北地區(qū)防風(fēng)林帶的最佳結(jié)構(gòu)為疏透結(jié)構(gòu),林帶最大間距應(yīng)為林帶高度的13.8倍。實際生產(chǎn)中,防風(fēng)林帶的組成樹種可能是多種喬木或灌木,林帶的高度為第一高度樹種的高度計。不同樹種組成的林帶最大間距不同:新疆楊為林帶第一高度樹種時,林帶最大間距為16.0m×13.8≈221m;合作楊為林帶第一高度樹種時,林帶最大間距為14.0m×13.8≈193m;油松為林帶第一高度樹種時,林帶最大間距為6.0m×13.8≈83m;樟子松為林帶第一高度樹種時,林帶最大間距為8.0m×13.8≈110m。4構(gòu)建防風(fēng)林帶的理論依據(jù)防風(fēng)林帶建立的目的是防治或減少害風(fēng)的危害。防