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Ecological effect of windbreaks and sand-fixation forests on Heihe River valley—A case study of Gaotai County,Gansu Province

黑河流域防风固沙林生态效益研究——以甘肃省高台县为例



全 文 :    倡 甘肃沙漠综合治理技术研究创新团队项目 、甘肃省科学事业项目 (QS041唱C31唱02)资助
收稿日期 :2006唱07唱27   改回日期 :2006唱11唱04
黑河流域防风固沙林生态效益研究 倡
———以甘肃省高台县为例
廖空太1 ,2  严子柱2  满多清1 ,2  张锦春2  李得禄2
(1 .中国科学院寒区旱区环境与工程研究所  兰州   730000 ;
2畅甘肃省荒漠化防治重点实验室 甘肃省治沙研究所   武威   733000)
摘   要   通过对黑河流域高台地区防风固沙林体系的定位观测 ,分析了该区防风固沙林 20 年来的生态效益变化 。
研究结果表明 :在防风固沙效益方面 ,花棒 × 柠条锦鸡儿 × 梭梭混交林最好 ,梭梭纯林(6m × 9m)最差 ;防风固沙林
建立 20 年后 ,林内土壤粗粒沙(1畅0 ~ 0畅5mm)含量降低 66畅4 % ,而 < 0畅25mm 的细沙和粉(黏)沙含量由 12畅8 % 提
高至 72畅0 % ,土壤有机质含量提高 30畅1 % ,土壤全 N 增加 48畅3 % ,全 P增加 76畅3 % ,全 K 增加 58畅0 % ,土壤 pH 值
和全盐量均有降低 。 20 年来防风固沙林的防风固沙效益和改土作用显著 。
关键词   黑河流域   防风固沙林  生态效益   改土效应
Ecological effect of windbreaks and sand唱fixation forests on Heihe River valley — A case study of Gaotai County ,Gansu
Province .L IAO Kong唱Tai1 ,2 ,YAN Zi唱Zhu2 ,MAN Duo唱Qing1 ,2 ,ZHANG Jin唱Chun2 ,L I De唱Lu2 (1 .Institute of Environ唱
mental and Engineering Research of Cold and Arid Regions , Chinese Academy of Sciences , Lanzhou 730000 , China ; 2
Gansu Key Laboratory for Combating Desertification & Gansu Desert Cont rol Research Institute , Wuwei 733000 ,Chi唱
na) , CJEA , 2007 ,15(6) :26 ~ 29
Abstract   This paper , through positioning observation of sand唱fixation w indbreak systems in Gaotai region of Heihe River
valley ,analyzed changes in ecological effect of sand唱fixation forest in recent 20 years . The analysis reveal following re唱
sults :With regard wind prevention and sand唱fixation , Headysarum scopar ium × Caragana korshinskii × Hallox ylon am唱
mondendron windbreak system proves to be the best , while pure Haloxyllon ammondendron forest(6m × 9m) is simply
the worst .20 years after the establishment of sand唱fixation forests , the intensity of crude sand particles (sand particles be唱
t ween 1畅0 ~ 0畅5mm in diameter) in the forest drops by 66畅4 % , while fine sand particles ( less than 0畅25mm) increase
from 12畅8 % to 72畅0 % . Soil organic matter increases by 30畅1 % , total soil nit rogen by 48畅3 % , total soil phosphate by
76畅3 % ,and total soil potassium by 58畅0 % .Both soil pH and total salt drop .There is a significant positive ecological ef唱
fect of both sand唱fixation forests and windbreaks on Heihe River valley soils in the past 20 years .
Key words   Heihe River valley , Sand唱fixation forest ,Ecological effect , Soil improvement
(Received July 27 ,2006 ; revised Nov .4 , 2006)
黑河是我国第二大内陆河 ,流经青海 、甘肃和内蒙古三省(区) ,河流尾闾东 、西居延海及周边额济纳绿
洲是西北和华北地区重要的生态屏障 ,黑河中下游也是我国沙尘的发源地之一[1 ,2] 。 高台县地处黑河流域
中下游 ,是甘肃省的主要产粮区 ,也是河西走廊沙漠化强烈发展区 。 近 20 年来 ,高台县防风固沙林体系不断
完善 。
防风固沙林是防护林的一种类型[3] ,其生态效益的研究前人已作了大量工作[4 ~ 10] ,但防风固沙林建立
20 年后的变化 、不同林种配置类型的防风固沙效益以及改土作用的研究尚少见报道 。 本试验研究了防风固
沙林体系长时间的生态效益 ,为干旱区不断变化的环境条件选择适宜的防风固沙林模式 ,建立稳固有效的
防风固沙林体系提供依据 。
1   研究区概况与研究方法
研究区位于甘肃省高台县八坝村西 3畅5km 的西沙窝(99°45′23″E ,39°29′34″N) ,北接合黎山 ,南临黑河 ,
海拔 1350m 。 危害沙源系合黎山冲积扇前沙粒搬运而成 ,沙丘形态以新月型沙丘链和横向沙龚为主 ,呈南
第 15卷第 6 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .15   No .6
2 0 0 7年 1 1月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture Nov .,  2007
北走向 ,高 2 ~ 4m ,长 300 ~ 500m ;丘间地开阔 ,宽 10 ~ 80m 不等 。 该区属典型的大陆性荒漠气候 ,年均气温
9畅6 ℃ ,极端最高气温 38畅5 ℃ ,极端最低气温 - 26畅4 ℃ ,年降水量 104畅4mm ,年蒸发量 1523畅4mm ,地下水位
5m左右 ;该区风力强盛 ,各月均有风日出现 ,最大风速 29m/s ,年均风速 2畅5m/s ,常年多东风 ,主要风害为西
北风 。 植被属温带荒漠植被 ,流动沙丘基本无植物生长 ,丘间地植被稀疏 ,生长不良 ,天然植物种有蒙古沙
拐枣( Calligonum mongolicum) 、多枝柽柳( Tamar ix ramosissima) 、花棒( Hedysar um scopar ium) 、骆驼刺
( Alhagi sparsi folia) 、沙蒿( Ar temisia arenar ia) 、罗布麻( A pocynum venetu m)和泡泡刺( Nitrar ia sphaero唱
car pa)等 。
本研究以 1985 年定植 、立地条件相同的 7 种防风固沙林配置类型为调查对象 ,7 种类型分别为花棒 ×
多枝柽柳 、花棒 × 柠条锦鸡儿 × 梭梭 、梭梭纯林(3m × 3m) 、梭梭 × 花棒 、梭梭纯林(6m × 9m) 、梭梭 × 罗布麻
和柠条锦鸡儿纯林 。 在防风固沙林不同林种配置类型中分别设置 300m2标准地 ,按沙丘上 、中 、下部位分成
3 个 100m2大样方 。 调查标准地的立地因子 ,测定样方内每株灌木的高 、冠幅 、地径和一级分枝数 ,沿对角线
调查样方内活地被物 。
2006 年春季在防风固沙林不同配置类型背风面距林带 2m 处 、林外流动沙丘(对照)分别布置测点 ,同
时启动多路风速风向仪(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研制) ,测定距地表 2m 和 0畅5m 处的风速 。
数据采集仪设定每秒读数 1 次 ,每组 100 次 ,同一观测点连续观测 3 组后取平均值 。 同时在固沙林前 、中 、后
部位以及流动沙丘(对照)利用集沙仪测定输沙量 ,在防风固沙林不同配置类型 ,分沙丘上 、中 、下部位测定
灌丛的沉积沙层厚度 。
在不同配置类型每个标准地的 3 个样方内按沙丘上(丘顶) 、中(迎风坡 2/3) 、下(迎风坡 1/3)3 个部位
取样 ,同标准地同部位同层样品混合后 ,分析其主要理化性质 。 机械组成测定取样深度为 0 ~ 5cm ,含盐量及
养分含量测定取样深度为 0 ~ 10cm 。 土壤的机械组成分析用筛分法 ;含盐量测定 HCO - 用双指示剂滴定法 ,
Cl -用硝酸银滴定法 ,SO2 -4 、Ca2 + 、Mg2 + 用 EDTA 滴定法 ,K + + Na + 用差减法 ,CO2 -3 用硫酸滴定法 ;土壤养
分全 N 用全自动定 N 仪测定 ,速效磷以钼酸铵抗比色法用分光光度仪测定 ,速效钾用 ICP唱等粒子光谱仪测
定 ,有机质用重铬酸钾容量法唱释热法测定 ,pH值用 pH计法测定 。
本研究引用的不同时期的数据均是防风固沙林不同配置类型长期定位观测的分析结果 ,所有数据以对
比法统计分析 。
2   结果与分析
2畅1   防风固沙林的防风固沙效应
防风固沙效应是防风固沙林的最基本效应 。 4 月 、5 月是高台地区风沙活动的主要时期 ,起沙风发生频
率高 ,风速大 ,危害严重 。 该时期沙生植物尚处在萌发早期 ,地面盖度相对较小 ,研究此时的防风固沙效益
具有重要的现实意义 。 尽管这一时期林地的叶面积指数小 ,透风系数较大 ,但如有疏密得当的树冠层结构 ,
仍可使出林后的风速显著降低 。 防风固沙林的防风效应因林型不同 、林分结构与配置不同而有很大差异 ,
透风系数越大 ,防风效应越差 。 根据观测 ,定植 20年后 7种防风固沙林配置类型生长状况见表 1 ,其不同高度
的透风系数有明显差异(表 2) 。 由表 2可知 ,不同配置类型在 2m高度的透风系数花棒 ×多枝柽柳 >梭梭 × 罗
布麻 > 花棒 × 柠条锦鸡儿 ×
梭梭 > 梭梭纯林(3m × 3m) >
梭梭 × 花棒 > 柠条锦鸡儿纯
林 > 梭梭纯林 (6m × 9m) ;不
同配置类型在 0畅5m 高度的
透风系数梭梭纯林 (6m ×
9m) > 梭梭纯林(3m × 3m) >
柠条锦鸡儿纯林 > 梭梭 × 罗
布麻 > 花棒 × 多枝柽柳 > 梭
梭 ×花棒 > 花棒 × 柠条锦鸡
儿 × 梭梭 。 在 0畅5m 高度 ,7
种防风固沙林配置类型的防
表 1   防风固沙林不同配置类型林分的生长状况
Tab .1   The grow th condition of windbreak and sand fixation fo rests in different patterns
配置类型
Arrangement t ype
高度 /cm
Height
冠幅/
cm × cm
Cro wn
地径 /cm
Base
diamete r
一级分枝数/个
First g rade
branch no畅
密度 /
株·h m - 2
Density
盖度/ %
Coverage
花棒 × 多枝柽柳 187 149 × 132 3畅0 7 589畅5 13畅8
花棒 × 柠条锦鸡儿 × 梭梭 169 231 × 196 4畅8 9 525畅0 31畅1
梭梭纯林 (3m × 3m) 151 113 × 113 3畅3 8 1155畅0 18畅8
梭梭 × 花棒 180 175 × 192 3畅0 6 738畅0 29畅4
梭梭纯林 (6m × 9m) 239 298 × 324 7畅3 5 175畅5 18畅1
梭梭 × 罗布麻 132 132 × 115 2畅7 4 1383畅0 27畅0
柠条锦鸡儿纯林 193 277 × 268 2畅7 10 330畅0 30畅9
第 6期 廖空太等 :黑河流域防风固沙林生态效益研究 27 
表 2   防风固沙林不同配置类型背风面风速与对照风速比较
Tab .2   Comparison of wind speed at leeward in different
pat terns of windbreak and sand fixation forests to wind speed in contrast
配置类型
Ar rangement type
风速 /m·s - 1 Wind velocit y
2m 高度   2m high 0畅5m 高度   0畅5m high
对   照
Contrast
背风面林缘
Forest f ringes
of leew ard
透风系数/ %
Coe fficient of
vent ilat ion
对   照
Contrast
背风面林缘
Forest f ringes
of leew ard
透风系数 / %
Coe fficient of
vent ilat ion
花棒 × 多枝柽柳 5畅27 5畅19 98畅5 4畅24 2畅71 63畅9
花棒 × 柠条锦鸡儿 × 梭梭 5畅90 5畅21 88畅3 5畅09 2畅85 56畅0
梭梭纯林(3m × 3m) 5畅70 4畅91 86畅1 5畅15 3畅39 65畅8
梭梭 × 花棒 5畅70 4畅72 82畅8 5畅15 3畅11 60畅4
梭梭纯林(6m × 9m) 5畅51 4畅15 75畅3 4畅98 3畅65 73畅3
梭梭 × 罗布麻 5畅59 4畅99 89畅3 4畅44 2畅89 65畅1
柠条锦鸡儿纯林 5畅90 4畅83 81畅9 5畅09 3畅33 65畅4
风效应表现出混交林
大于纯林 ,3 个树种的
混交林大于两个树种
混交林的特征 。
风沙流搬运沙量
的绝大部分都是在离
地表 30cm 的低层内 ,
其中 0 ~ 10cm 高程内
通过的沙量占总搬运
量的 80 % 以上[11] 。 因
此 ,0畅5m 高度的透风
系数对防风固沙林的
固沙效应有直接对应
关系 。 在以上 7 种类
型中 ,梭梭纯林(6m ×
9m)虽有最大高度 ,平均达 2畅39m ,2m 高处风速减弱系数达 75畅3 % ,但由于高大的梭梭盖度最小 ,仅为
18畅1 % ,下层枝叶少 ,0畅5m 高度降低风速的作用比上层小 ,故梭梭纯林(6m × 9m)的固沙效果在 7 种类型中
最差 。花棒 × 柠条锦鸡儿 × 梭梭混交类型盖度达31畅1 % ,在7种类型中最高 ,而在 0畅5m高度透风系数最
小 ,为 56畅0 % ,降低风速最大 ,故花棒 × 柠条锦鸡儿 × 梭梭混交
类型固沙效果最佳 。 据不同梯度的风沙流观测 ,人工定植固沙林
20 年后 ,防风固沙林的最大集沙量出现在 6 ~ 8cm 范围内 ,较流
动沙丘提高了 4cm 。 产生这种现象的主要原因是林带内部较大
的风速梯度产生强烈湍流 ,使上举力增大而形成 。 林带在降低输
沙量的同时 ,最大集沙量也随之降低 ,防风固沙林后部林带的输
沙量较流沙带降低 82畅7 % 。
2畅2   防风固沙林的改土效应
研究结果表明 ,高台沙区灌木固沙林带的改土效应明显 。 从
风沙土机械组成看(表 3) ,流沙经固定后 ,粒径组成发生了很大
变化 :粗沙含量降低 66畅4 % ,中沙含量降低 63畅4 % ,而 < 0畅25mm
的细沙和粉(黏)沙含量由固定前的 12畅8 % 提高到固定 20 年后
的 72畅0 % 。 虽然细沙和粉(黏)沙含量显著提高 ,但土壤表层物
理黏粒含量极低 ,增加幅度也极小 ,流动沙丘固定后成土过程相
当漫长 。
表 3   防风固沙林带土壤机械组成变化
Tab .3   Changes of soil mechanical composition in
windbreak and sand fixation forests
粒径/mm
Part ical
diameter
定植人工林前
流动沙丘/ %
Moving dunes
be fo re man唱
made f orest
定植人工林 20 年后
固定沙丘 / %
Fi xed dunes
aft er man唱made
fo rests f or 20
years
1畅0 ~ 0畅5 11畅6 3畅9
0畅5 ~ 0畅25 65畅6 24畅0
0畅25 ~ 0畅1 6畅2 57畅7
0畅1 ~ 0畅05 6畅0 13畅4
< 0畅05   0畅6 0畅9
< 0畅25   12畅8 72畅0
    由于生草作用和植物枯落物的腐解 ,土壤表层有机质聚积 ,并随土壤的发育而逐渐增加 。 据分析资料
(表4) ,流动沙丘固定前土壤有机质含量1畅56 g/kg ,植物固定5年后有机质含量提高31畅4 % ,植物固定 20
表 4   防风固沙林带建立后不同时期土壤
养分变化
Tab .4   Changes on soil nut rition in windbreak
and sand fixation forests at differen t stages
项   目
I tem
养分含量/g·kg - 1 Nutritio n cont ent
年份 Year
1984 1990 2006
全 N 0畅118 0畅100 0畅175
全 P 0畅173 0畅134 0畅305
全 K 2畅95 4畅35 4畅66
有机质 1畅56 2畅05 2畅03
年后土壤有机质含量和固定 5 年基本相等 。 在干旱地区 ,由于空气
湿度小 ,枯落物分解速度慢 ,沙丘土壤有机质的积累非常缓慢 。 根据
我国土壤肥力分级标准[12] ,肥力等级极低的标准全 N 、全 P 、全 K 含
量分别小于 0畅6g/kg 、0畅2 ~ 0畅4g/kg 、1g/kg 。 从表 4 可以看出高台沙
区固定前的流动沙丘极度缺全 N 、全 P ,富全 K 。 人工林定植 20 年
后 ,土壤全 N 、全 P虽有大幅度提高 ,仍为极度缺乏 。 有机质的聚集 ,
在固定沙丘剖面上形成了一个淡薄的有机质表层 。 这种土壤性质的
改变直接显示出沙丘生态环境的改善和土壤的发育 ,对该区生态系
统的稳定具有重要作用 。
2畅3   防风固沙林含盐量及 pH 值的变化
根据测定 ,流动沙丘和定植固沙植物 5 年后的半固定沙丘 pH 值
28  中 国 生 态 农 业 学 报 第 15 卷
均呈碱性 ,而定植固沙植物 20 年后的固定沙丘 pH 值为 7畅87 ,
显微碱性 ,防风固沙林能有效降低风沙土的 pH 值 ,改变土壤性
状(表 5) 。 流动沙丘全盐量 0畅0761 % ,定植固沙植物 5 年后为
0畅0596 % ,而定植固沙植物 20 年后为 0畅0581 % 。 随时间的推
移 ,防风固沙林通过抑制土壤蒸发 、促进土壤渗透及植物自身物
质循环等途径 ,减少土壤库中的盐分 ,从而逐步降低土壤含盐
量 ,改变土壤化学性质 。 土壤含盐量是植物生长的限制因子之
一 ,高台沙区固定沙丘全盐量仅为 0畅0581 % ,不会对花棒 、柠条
锦鸡儿和梭梭等现存植物产生盐害[13] 。
3   小   结
防风固沙林生态效益的研究一般在建立 5 年内最初定植的
模式内进行 ,对模式的长期稳定性考虑不多[14 ~ 17] 。 本研究以
建立 20 年后的防风固沙林为研究对象 ,分析了不同配置类
型的防风固沙效益 、改土效益 、含盐量及pH变化 ,研究结果对
表 5   防风固沙林带不同时期土壤盐分及 pH变化
Tab .5   Changes of soil salts and pH in windbreak
and sand fixation forests at different stages
项   目
I tem
年份 Year
1984 1990 2006
Ca2 + / % 0畅0056 0畅0042 0畅0046
M g2 + / % 0畅0010 0畅0008 0畅0012
K + + Na + / % 0畅0178 0畅0101 0畅0110
CO 2 -3 / % 0畅0000 0畅0000 0畅0000
HCO -3 / % 0畅0196 0畅0254 0畅0167
Cl - / % 0畅0113 0畅0083 0畅0099
SO2 -4 / % 0畅0208 0畅0108 0畅0147
全盐量/ % 0畅0761 0畅0596 0畅0581
pH 8畅26 8畅30 7畅87
于建立稳固的防风固沙林体系 ,并使其发挥长久持续的生态效益更具指导意义 。
干旱区防风固沙林生态效益的研究多在固沙植物有叶期开展[14 ~ 17] 。 而在高台地区 ,风沙活动的主要
时期在展叶期以前 ,研究此时的防风固沙效益对防风固沙林的防护效益更具说服力 。 在研究的 7 中配置类
型中 ,花棒 × 柠条锦鸡儿 × 梭梭混交林尽管是在无叶期 ,但其透风系数仅为 56畅0 % ,基本达到了最佳防护效
果[18] ,该配置类型应在高台地区推广 ;在固沙效益方面 ,在定植人工林 20 年后的无叶期 ,林内最大集沙量均
出现在 6 ~ 8cm ,较流动沙丘提高 4cm ,防风固沙林后的输沙量较流沙带降低 82畅7 % 。 随着防风固沙林的逐
步稳定 ,林内最大集沙量高度逐步抬高 。
防风固沙林带的改土效应持续明显 。 防风固沙林定植 20 年后 ,林内土壤中粗粒沙含量降低 66畅4 % ,
而 < 0畅25mm 的细沙和粉(黏)沙含量由 12畅8 % 提高至 72畅0 % ,土壤有机质含量提高 ,全 N 增加 48畅3 % ,全 P
增加 76畅3 % 。 全 K 增加 58畅0 % ,土壤含盐量及 pH 逐渐降低 。 这些土壤性质的改变直接显示出沙丘生态环
境的改善和土壤的稳定发育 ,这对该区生态系统的稳定具有重要作用 。
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