防护林降低沙尘暴风速及农作物损伤的调查分析

刘开琳，段晓峰，刘淑娟，李学敏，万翔，刘虎俊

(甘肃省治沙研究所，甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，甘肃 兰州 730070)

沙尘暴常常造成交通不便、人们生活困难和生命财产损失，例如1993年5月5日的特大沙尘暴造成多列客货列车迟发、晚点和停运，有多人伤亡，据不完全统计，吹毁棚膜和地膜2.0万～2.6万hm，部分供电线路中断，有些地方还引起火灾。 河西走廊是我国沙尘暴多发区，沙尘暴是影响区域农业生产的主要灾害。众多研究者观测研究了沙尘暴发生时期和空间分布、气候特征、动力条件及物理量，也对其危害和防治方法进行了分析。研究认为，在3—5月的河西走廊东部的沙尘暴强度最大，年最大发生天数出现在民勤县。河西走廊出现沙尘暴的典型环流形势可以归纳为西北气流型、西南气流型和西风气流型3类。沙尘暴区域随着高层螺旋度负值区域中心的增大而增大。也有学者调查分析了沙尘暴的危害方式，提出了以增加植被为主要措施的沙尘暴防治方法。近年来河西走廊的沙尘暴表现为递减趋势。但是，每年还是发生影响区域生产和生活的较大沙尘暴。为了减轻沙尘暴的危害，对沙尘暴过程的致灾因子的风险特点进行评述，提出了及时预报沙尘暴，通过保护植被，建立防护林带减轻沙尘暴危害的方法。但是，目前对沙尘暴成因和预报方法的研究较多，而对区域承灾载体及受灾响应和模式的研究还是较少。本文以2021 年 5 月 12日晚至5月13日的民勤沙尘暴为背景，对本次沙尘暴经过防护林的风速变化和受灾作物表现与受害程度进行调查分析，以期得到不同防护林减轻沙尘暴损害和农作物受害特点，为提高沙尘暴防治能力提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

调查区位于甘肃省民勤县西沙窝的民勤治沙综合试验站(102°59′05″ E，38°34′25″ N)。该区域属于温带大陆性荒漠气候，年平均气温7.6 ℃，极端低温-30.8 ℃，极端高温40.0 ℃，无霜期175 d；年均降水量113.2 mm，年均蒸发量2 604.3 mm，平均相对湿度47.0%，年均日照时间2 799.4 h，≥10 ℃的活动积温3 036.4 ℃；春季盛行西北风，年平均风沙日可达83 d，并多集中在2—5月，最大风速为23.0 m·s。调查样地位于民勤绿洲内，农田外围是半固定沙地，田缘、农田地埂、田间道和渠旁种植防护林，农田种植的作物有玉米、向日葵和小麦。

1.2 防护林特征

农田外围为稀疏梭梭()林，田间的防护林树种有沙枣()、杨树()和枣树()。防护林走向正好与主风向垂直。防护林网依田边-渠-路设置，沙漠边缘是沙枣林，田地中间为二白杨林，田间道路两边为枣树林。防护林带的间距分别为：沙枣林距杨树林150 m，杨树林和枣树林之间的距离240 m，防护林均为单行。沙枣的冠幅上部小，中下部较宽，呈瓮状，通体疏透度相近，防护林的行内无间断。杨树上部叶较密，中下部则叶较疏，呈哑铃状，上、下疏透度差异较大，防护林的行内有间断。枣树正在放叶，呈桶状，上、下疏透度差异不大，防护林的行内无间断。防护林结构和林相的参数如表1所示，以均匀度和连续性表示林相整齐程度，均匀度为林带垂直方向枝叶连续的比例，连续度则为水平方向间断长度占整个林带长度的百分比。防护林各参数之间有交互作用，均匀度和连续度说明防护林林相，其值越大表示越好，疏透度则相反。因此，将均匀度和连续度取值为正，疏透度取值为负，求三者之和计算综合指数，比较防护林特征，综合指数为：沙枣林>枣树林>杨树林(表1)。

表1 3种防护林特征参数

1.3 调查和分析方法

1.3.1 调查方法 在2021年5月12日下午，民勤县出现了沙尘暴，次日上午风停。在13日下午，对“甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站”东南部的农作物受沙尘暴损害情况进行了调查。调查沿着防护林垂直方向进行，分别在沙枣林、杨树林和枣树林后不同距离调查作物受害数量、受害部位、受害表现。同时，测量和记录防护林高度、宽度、冠幅和空隙。在调查过程，发现15～20 cm高度的地埂后一定距离的作物未受沙尘暴伤害，因此也对地埂后作物进行观测，以无防护林的作物受害情况作为对照。沙尘暴风速数据来自“甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站”设立的沙尘暴观测系统。沙尘暴观测系统包括3个观测塔：在沙漠(3号)、沙漠与绿洲过渡带梭梭林(2号)和绿洲防护林(1号)各有50 m高的沙尘暴观测塔1座，塔上25 m以下每1 m装有风速记录仪和沙尘收集仪。

1.3.2 分析方法 为了说明作物受风沙危害的情况，采用①受害比例(D)：受伤植株数占调查植株数的比例；②受害程度(C)：调查植株受伤叶长度占叶总长度比例；③受害起始距离：从防护林后缘至作物枝叶表现出伤害的距离；④最大受害距离：从防护林后缘至作物枝叶受伤害结束的距离；⑤受害指数()：受伤级别与数量乘积之和占最高受伤级别与总数量乘积的比例；⑥最大受伤部位：风沙伤害作物部位；⑦受伤表现：作物受伤的颜色、折断和褶皱等变化。根据调查受伤作物株数、表现等，应用Excel软件计算伤害指数。为了比较作物受伤程度，根据作物叶受伤比例分为4级：小于30%计为1级，31%～49%为2级，50%～69%为3级，>70%为4级。主要作物伤害指数计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：为受害比例，为受伤植株数，为调查植株总数；为受害程度，为植株受伤叶长度，为调查叶总长度；为受害指数，为受伤等级植株数量，为受伤等级，为调查植株的总数，为受伤最高等级。

2 结果与分析

2.1 沙尘暴风速特征

沙尘暴出现在2021年5月12日傍晚，次日上午风停。此次沙尘暴的风向为西北风，正好与“甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站”设立的沙尘暴观测系统的3个塔的走向一致。根据3个沙尘暴观测塔的风速记录，最大风速为21.50 m·s(3号观测塔10 m高处)，最小值为6.40 m·s(1号观测塔3 m高处)。绿洲内平均风速9.31 m·s，梭梭林平均风速13.53 m·s，沙漠的平均风速则达到17.42 m·s。绿洲内1 m高度的平均风速为7.10 m·s，大于当地起沙风速5.00 m·s。绿洲内部(1号塔)的风速变率最大(变异系数23.61%)，其次是梭梭林的风速变率(变异系数18.64%)，沙漠的风速随高度变化率最小(变异系数17.72%)。无论是沙漠内还是防护林内，风速随着高度增大而增加，呈波状变化，不同下垫面的风速波动节点不同(图1)。

图1 不同下垫面的沙尘暴风速随高度变化值

在防护林带内，3 m高处的沙尘暴风速降低(2号塔和1号塔)，这可能与防护林的影响有关。沙尘暴向绿洲逐渐减弱，主要表现在: 从沙漠(3号)到绿洲(1号)风速最大降低率达 61.21%(3 m)，平均降低风速46.28%；从梭梭林至绿洲的风速最大降低率46.24%(9 m)，3 m高度的风速降低率则是37.25%。在高度5 m以下，梭梭林(2号)到绿洲(1号)内风速递减率最小，为26.04%，平均降低风速35.56%。

2.2 防护林类型与作物受害关系

调查区的大面积作物是玉米和向日葵，在杨树防护林后面有666.67 m小麦。玉米种植面积最大，故以玉米受沙尘暴危害为例分析不同防护林的保护作用。受害比例是杨树防护林间隙最大，其次是杨树防护林后的，再次是枣树林后的，沙枣林后玉米受伤比例最小(表2)。杨树防护林后受伤玉米植株达到90%以上，这个数值比无防护林的还要大，是沙枣林后受伤玉米植株比例的2.5倍，差异显著(<0.05)。枣树防护林后的玉米平均60%植株受损，与杨树林的差异不显著(>0.05)。

表2 不同防护林类型下的玉米受害特征参数

除了杨树防护林间隙的受害程度(超过90%)外，其他防护林和地埂之后的玉米植株受害程度差异不显著(>0.05)。沙枣林后玉米植株受害程度小于杨树林后的21.53个百分点、枣树林后的22.41个百分点。无防护林与沙枣林、杨树林、枣树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个百分点。有防护林带和无防护林带的沙尘暴伤害作物程度相似。

随着距防护林带距离增加，玉米植株受害比例也增加，沙枣林后玉米受伤植株比例变化相对枣树后的要大(图2)。从树高1倍(1 H)后至10倍(10 H)后，沙枣林后玉米植株受伤率相差100%，枣树林后的只增加了42.92%。在树高5倍(5 H)的距离范围，沙枣林后玉米植株受害比例小于枣树林的，10倍(10 H)树高距离后的玉米受害植株比例则相反。从沙枣防护林后没有受伤植株至3倍(3 H)防护林高增加了36.36%，相同树高距离后的枣树防护林的玉米伤株比例与沙枣林后相差14.05个百分点。到了树高5倍(5 H)距离后，沙枣林后玉米受伤植株比枣树林后的小15.56个百分点。如果以作物伤害率小于60%为参照，沙枣林和枣树林后的防护距离约3倍(3 H)树高，即沙枣林林后9 m和枣树林后的6 m。沙枣林后玉米植株受害起始距离是其树高的3.3倍，杨树林后玉米植株受害起始距离是其树高的1/2(1/2 H)，枣树林后玉米植株受害起始距离是其树高的1倍多，地埂后玉米植株受害起始距离是其高度的5倍，防护距离是最大的(5 H)。最大受害距离是防护物高度的2.5～10倍。防护距离与其高度不成比例，这可能与不同防护物的疏透度不同，从而影响其防护距离有关。

图2 依林带距离(以树高倍数表示)的玉米植株受害比例变化

如果综合评价防护效果，受害比例和受害程度值越小，说明这种防护物的防护效果越强，取值为负；而受害起始距离和最大受害距离越大，则说明此类防护物的防护效果越强，取值为正。求4项指标之和为受害综合指数。综合上述参数进行评价，防护效能则是沙枣林>地埂>枣树林>无防护林>杨树林>杨树防护林间隙。

2.3 农作物受害比较

调查区的作物有玉米、向日葵和小麦，玉米高度10～15 cm，有5～6对叶。向日葵高5～8 cm，真叶刚刚露出来，子叶嫩绿，茎白嫩。小麦为孕穗前期，高约50 cm，生长茂盛，位于疏透度最大的杨树林后面。 这次沙尘暴受害最严重的是玉米，其次是向日葵，小麦几乎没有受害(表3)。玉米的受害指数是向日葵的1.61倍，是小麦的2.64倍；向日葵的受害指数是小麦的1.63倍。玉米受害叶多位于一侧，多是中下部叶受伤。但是，向日葵整株完全受伤的比例是玉米的4.50倍，而且向日葵不同受伤级别的都有，向日葵苗茎有被扭拧伤痕迹，有些子叶全部发黑。玉米和向日葵受伤叶比例较大，没有将作物完整致死，但可能会不同程度地影响了作物生长。

表3 不同作物受沙尘暴伤害的特征参数

3 结论与讨论

防护林可遮挡阻降沙尘暴，使其风速从沙漠到绿洲内部明显降低。沙尘暴风速随着高度的增加而增大，绿洲内的风速垂直变率较大，这与以往的观测结果相同。但是，此次沙尘暴的风速从沙漠到绿洲的降低率平均为46.28%，大于以往观测的降低率(30.45%)，最大风速降低高度在3 m，也小于以往的观测值(5 m)。这可能与观测期的下垫面不同有关，也与观测值的计算有关。营造防风固沙林和农田防护林是防治沙尘暴危害的有效措施。本次沙尘暴时期沙枣、杨树和梭梭等都已完全展叶，更有效地降低了沙尘暴的风速。

疏透度较小且均匀整齐的防护林保护作物免受沙尘暴伤害的效果较大，防护林存在间隙会增大沙尘暴的危害。防护林设计首先应该考虑疏透度, 其次是林带高度。因此，如果考虑疏透度，防护效果杨树林>沙枣林>枣树林，玉米受害比例的次序是杨树林>枣树林>沙枣林。杨树防护林后玉米受害比例与枣树林、地埂和沙枣林的差异显著(<0.05)，枣树林、地埂和沙枣林的差异不显著。地埂后的玉米受害比例大于沙枣林的，地埂可以认为疏透度为0，也就是说并不是防护林的疏透度越小，防护沙尘暴效果越大。但是也说明种植模式是可以减少大风对作物伤害的，这与常兆风等的观测结果相似。防护林疏透度为25%～30%的防护效果较大。除了杨树防护林间隙的受害程度(超过90%)外，其他防护林和地埂之后的玉米植株受害程度差异不显著(>0.05)，作物受风伤害的程度差别不大。这与新疆的农田防护林和民勤的防风固沙林观测研究结果相似。沙枣林防护距离为树高的3.3倍，枣树林为1倍，地埂是其高度的5倍，杨树则只有树高的1/2。这个距离都小于多数研究的结果。防护林带消减沙尘暴风速的比例不仅与林相有关，也与风速大小有关。

沙尘暴伤害农作物的直观表现为机械损伤，不同作物受害模式与程度各异。虽然经过防护林阻滞，沙尘暴的风速减弱，但是大风还是对作物造成了不同程度的伤害。这次沙尘暴受害最严重的是玉米，其次是向日葵，小麦几乎没有受害。玉米受害叶多位于一侧，多是中下部叶受伤。

玉米的受害指数是向日葵的1.61倍，是小麦的2.64倍；向日葵的受害指数是小麦的1.63倍。但是，向日葵整株完全受伤的比例是玉米的4.50倍。这与1993年特大沙尘暴玉米受害程度大于小麦相一致。大风会对农作物造成机械和生理伤害，在风速3.5 m·s时高羊毛()表皮开裂。植物形态结构不同对抵御风蚀伤害的表现不同，玉米和向日葵是幼苗期，玉米叶比小麦叶扁平，相对较嫩，向日葵则真叶刚发出，子叶幼嫩，容易受到伤害。本调查只进行了野外观测，以玉米、小麦和向日葵叶的机械损伤为标准比较沙尘暴伤害农作物模式，大风对它们生理特性的影响没有观测和研究，是本次观测的不足。