图1 研究区位置
Fig. 1 Location of the study area
北京大学学报(自然科学版) 第61卷 第5期 2025年9月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 61, No. 5 (Sept. 2025)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2025.082
山西省基础研究计划自由探索类项目(202203021212429, 202203021222014)、国家自然科学基金(32201630)、山西农业大学“杰青优青培育工程”项目(2024YQPYGC06)、山西农业大学博士科研启动项目(2021BQ105)、山西省“博士毕业生、博士后研究人员来晋工作奖励经费”科研项目(SXBYKY2022052)和山西省回国留学人员科研资助项目(2023-017)资助
收稿日期: 2024–07–15;
修回日期: 2025–04–01
摘要 以不同类型的防护林(小叶杨纯林、油松纯林、小叶杨–油松混交林)为研究对象, 采用样地调查与半固定观测方法, 以柠条林、草地和农田为对照, 探究风蚀特征及风蚀引起的 PM1, PM2.5 和 PM10 扩散规律, 从而量化防护林的风蚀抑制率和颗粒物削减率。结果表明, 柠条林和草地抑制土壤起沙能力较强; 小叶杨林、油松林和混交林对颗粒物的阻滞作用显著, PM10 浓度在油松林和小叶杨林内呈先升高后降低的趋势, 在混交林内降低缓慢; 不同植被类型防护林的风蚀抑制率与颗粒物削减率之间呈非线性关系, 油松林对两者的拟合关系最佳; 不同植被类型的防护林抑制土壤风蚀和阻滞颗粒物的功能有差异, 油松林的综合防护作用最佳。
关键词 防护林; 防风固沙; 风蚀扬尘; 颗粒物扩散
随着全球气候变暖, 大风天气频繁发生。由土壤风蚀引起的沙尘事件导致 PM1, PM2.5 和 PM10等颗粒物悬浮在空气中, 造成空气污染[1], 影响人体健康和生态环境[2–3]。实施生态措施对防治土壤风蚀起重要作用[4–5]。以往营造防护林以防风固沙为主, 现在对其阻滞颗粒物的需求不断增加。因此, 探究不同植被类型的防护林对土壤风蚀的作用过程以及颗粒物的扩散规律, 提升其防风固沙和阻滞颗粒物的综合防护功能, 对防治土壤风蚀及颗粒物污染具有重要意义[6–7]。
中国在过去几十年建立三北防护林体系, 缓解了日益严重的风沙灾害。通过对防护林周围的风沙进行监测, 可以较直观地分析防护林的防风固沙效益[8]。将防护林种植或放置在气流路径中, 充当表面屏障, 导致气流向上改道[9–10]。这种导流伴随着一定高度的风阻力, 能够减缓风速和拦截风沙[11–12], 形成风速梯度, 改变风向, 分散风力, 减少风蚀, 提高风蚀抑制率[13–14]。植被可以通过改变地表粗糙度来增加风蚀物质的堆积, 植被类型会对地表粗糙度和风蚀物堆积产生异质性[15]。植被类型和覆盖度也会影响不同土地利用方式的土壤风蚀强 度[16]。在植被覆盖度较低时, 不同植被之间的风蚀抑制效率差异较大[17]。同时, 防护林在阻滞颗粒物扩散方面起重要作用。研究表明, 防护林可以减少PM10 在下风向区域的扩散[18], 对降低 PM10 垂直通量也有一定的作用, 相较于草地和耕地, 林地对PM2.5 削减率有较大的解释率[19]。
目前, 有关生态措施防护效益的研究仅针对部分农田防风林周围以及个别植物周围在特定气流条件下的防风和固沙效益展开, 对风沙防治区典型防护林兼具防风固沙与阻滞颗粒物功能的研究较少。晋西北地区为典型的黄土高原丘陵风沙区[20], 属于“三北”工程中黄河“几字弯”攻坚战片区, 是强烈生态脆弱区。量化不同植被类型防护林的风蚀抑制率及颗粒物削减率, 对黄土高原的风蚀防治以及由风蚀引起的空气颗粒物污染防治有重要意义。本文通过对比分析晋西北地区不同植被类型防护林的垂直输沙率和颗粒物浓度的扩散规律, 探究兼具防风固沙和阻滞颗粒物功能的最佳防护林类型, 以期为该地区的生态环境改善提供科学依据。
研究区位于山西省忻州市偏关县, 地理坐标为39°12′—39°40′N, 111°20′—112°01′E(图 1)。该地区气候为温带大陆性季风气候, 冬季受蒙古高压气流控制, 干旱寒冷, 晚春和初夏期间多大风(年均多达35 次), 黄土丘陵沟壑区的土层较厚, 风蚀作用十分严重。年均气温为 5～8℃, 极端最低气温为−31℃, 最高气温为 38.1℃。研究区内防护林以小叶杨(Po-pulus simonii)为主, 其次是油松(Pinus tabulaeformis Carr.)以及落叶松(Larix gmelinii), 大多分布在海拔1500m以上的大庙山、柏杨岭山、南堡子山的东部和海子楼东北地带。灌木林主要为柠条(Caragana korshinskii Kom.), 大面积生长在沙梁、沟坡, 此外还有沙棘(Hippophae rhamnoides L.)以及柽柳(Salix matsudana Koidz)等。
1.2.1 试验设置
试验开展于 2024 年春季。选择油松林、小叶杨林和小叶杨–油松混交林 3 种典型林分, 以柠条林、草地和农田为对比进行研究。在大风期间, 对附近没有遮挡的农田进行输沙率和颗粒物浓度背景值观测, 计算各植被类型的风蚀抑制率和颗粒物削减率。各植被类型具有相似的立地条件、土壤类型和抚育措施。样地的基本特征见表 1。
在大风事件发生前, 将集沙仪布设在各样地的上风向和下风向处, 采样高度为 0.5, 1 和 2m, 每次放置 72 小时。集沙仪尺寸为 22cm×7cm×9cm, 进沙口宽度为 7cm×9cm。末端设排风口, 减少空气对流对集沙效果的影响。将收集到的风蚀物用毛刷刷出, 在室内称量各高度的收集样品, 用于计算输沙率。
使用 Dustmate 便携式粉尘监测仪(Turnkey, 英国), 监测各样地上风向和下风向处空气中 PM1 (d≤ 1.0μm)、PM2.5 (d≤2.5μm)和 PM10 (d≤10μm)的质量浓度, 测定范围为 0～6000μg/m3, 分辨率为 0.1μg/m3, 粒径的测量范围为 0.5～15μm, 采样频率为 30s/次。下风向监测点距离林缘 1H, 2H, 3H 和 5H (H 是树的高度), 监测高度为 0.5, 1 和 2m。每轮次的测量在30 分钟内完成, 进行 3 次重复。
图1 研究区位置
Fig. 1 Location of the study area
表1 样地概况
Table 1 Plot profile
林分类型树种 样地数林龄/a树高/m胸径/cm疏透度/%林分密度/(株·hm−2) 纯林小叶杨1025～356.3±0.2616.60±1.610.54±0.03472.50±13.67 纯林油松 523～357.7±0.3416.32±1.290.46±0.02490.00±23.18 混交林油松–小叶杨 432～456.6±0.6618.96±1.440.61±0.03493.75±25.77
使用手持气象站(Kestrel 5000, 美国), 监测各样地上风向以及下风向处的空气温度、相对湿度和风速等气象因素, 空气温度的测定范围为−45°C～ 125°C, 测量精度为±1.0°C; 相对湿度 RH 的测定范围为 0%～100%, 测量精度为±3%; 风速测定范围为0.4～60.0m/s, 测量精度为±0.1m/s。采样频率为 1 次/ min。下风向监测点距离林缘 1H, 3H 和 5H, 监测高度为 0.2, 0.5, 1 和 2m。每个高度测 10 分钟, 在每个高度完成所有测试后向上移动。每次运行的测量在 40 分钟内完成, 进行 3 次重复。仪器布设情况见表 2。
1.2.2 监测指标及方法
记录样地内活立木的树高、胸径、冠幅、郁闭度、疏透度和林分密度等基本参数, 采用样地对角线一步一抬头法调查林分郁闭度。用数码相机拍下垂直方向的图像, 然后用 Photoshop 软件计算疏透度(用图像中白色部分的百分比表示)。
1)垂直输沙率:
(1)
式中, qH 为垂直输沙率(g/(m·d)), mH 为每层沙量(g), t为采集沙尘的时间(d), d 为集沙盒进沙口宽度(m)。
2)颗粒物垂直通量:
(2)
式中, Fv 为颗粒物的垂直通量(μg/(m·s)), k 为冯·卡门常数(0.4), u*是摩擦速度, C1 和 C2 为高度 Z1(1.5m)和 Z2(2m)处颗粒物浓度。
3)风蚀抑制效率[21]:
(3)
式中, K 为风蚀抑制效率(%), F1 为裸地的风蚀量, F2为不同林分类型的风蚀量。
4)颗粒物削减率[22]:
(4)
式中, PMRE 为森林内颗粒物观测浓度与森林外颗粒物观测浓度的相对减少比, PMforest 为森林内颗粒物的平均浓度, PMoutside 为林外监测站颗粒物的平均浓度。
所有统计分析均采用 IBM SPSS Statistics 26.0软件进行, 作图均使用 Origin 2024。对不同林分类型的风蚀抑制率进行正态分布检验和方差齐性检验, 通过单因素方差(One-way ANOVA)分析风蚀抑制率与颗粒物削减率的差异。
如图 2 所示, 在 0.5m 高度处, 输沙率排序为农田(6.30g/(m·d))>小叶杨林(6.1g/(m·d))>油松林 4.93 g/(m·d))>混交林(4.50g/(m·d))>柠条林(3.77g/(m·d)) >草地(2.21g/(m·d)); 在 1m 高度处, 输沙率排序为农田(5.36g/(m·d))>小叶杨林(3.80g/(m·d))>混交林3.70g/(m·d))>油松林(3.36g/(m·d))>柠条林(2.87g/(m·d))>草地(2.67g/(m·d)); 在 2m 高度处, 输沙率排序为农田(5.70g/(m·d))>混交林(2.70g/(m·d))>小叶杨林 2.47g/(m·d))>柠条林(1.47g/(m·d))>油松林(1.43g/(m·d))>草地(1.37g/(m·d))。
表2 仪器布设情况
Table 2 Instrument layout overview
观测设备布设位置观测高度/m 观测时间 Dustmate (英国, Turnkey)距林缘 1H, 2H, 3H 和 5H0.5, 1, 230分钟 Kestrel 5000 (美国)距林缘 1H, 3H 和 5H0.2, 0.5, 1, 240分钟 集沙仪农田、草地、柠条林、油松林、小叶杨林、小叶杨–油松混交林0.5, 1, 272小时
图2 距离地面0.5 , 1和2 m高度处的输沙率
Fig. 2 Sediment transport rate at heights of 0.5, 1 and 2 m from the ground
颗粒物浓度监测结果表明, 各样地的 PM10 均在 2H, 3H 和 5H 处呈递减趋势(图 3), 说明气流在防护林内对 PM10 沉降起到加速作用。小叶杨林、油松林和混交林分别在 3H, 2H 和 1H～2H 处 PM10 浓度最高。PM10 浓度在小叶杨林内 3H 处升高, 在 4H～ 5H 处下降, 在油松林内 1H～2H 处升高, 在 3H 处降低。在混交林内, 靠近林缘的地方浓度升高, 然后逐渐降低。
如表 3 所示, 在 0.5m 高度, 柠条林和草地的风蚀抑制率显著大于乔木林; 在 2m 高度, 不同植被类型之间风蚀抑制率没有显著差异。柠条林的颗粒物削减率显著低于乔木林, 草地的颗粒物削减率在0.5～1m 高度显著大于 2m 高度, 乔木林的颗粒物削减率随着颗粒物粒径增大而升高, 小叶杨林、柠条林和草地的 PM1 削减率在 1m 高度最大。
图3 与防护林林缘不同距离、不同高度处的PM10浓度
Fig. 3 PM10 concentration at different heights across diffe-rent distances from the edge of shelter forest
图 4 显示, 不同林分类型的风蚀抑制率与颗粒物削减率之间呈现非线性关系。采用最小二乘法, 进行多项式曲线拟合, 结果表明油松林的风蚀抑制率与颗粒物削减率之间拟合关系较好(图 4(a))。小叶杨林和混交林的拟合结果表明, 在达到一定的临界值后, 提高风蚀抑制率不会进一步提高颗粒物减排效果(图 4(b)和(c))。
表3 不同植被类型在0.5, 1和2 m的风蚀抑制率和颗粒物削减率
Table 3 Wind erosion inhibition rate and particle reduction rate of different vegetation types at 0.5, 1 and 2 m
植被类型风蚀抑制率/%PM1削减率/%0.5 m高度1 m高度2 m高度0.5 m高度1 m高度2 m高度 油松林47.50±4.02 a48.99±5.54 a46.48±7.57 a26.87±2.65 bc 14.43±5.92 ab23.91±4.44 a 小叶杨林38.65±2.30 a 56.15±4.96 ab66.24±5.55 a23.38±2.20 b 28.09±5.11 abc 27.04±5.81 ab 混交林44.03±6.67 a34.80±7.29 a41.29±2.70 a42.58±1.48 d 42.40±2.56 c53.14±3.67 b 柠条林64.40±2.89 b77.85±0.94 c53.71±4.22 a 9.04±2.70 a 11.43±2.54 a 8.49±2.22 a 草地80.73±4.38 c 57.80±6.24 ab49.82±4.42 a 34.95±0.89 cd37.70±2.13 bc 6.21±1.58 a 植被类型PM2.5削减率/%PM10削减率/% 0.5 m高度1 m高度2 m高度0.5 m高度1 m高度2 m高度 油松林33.97±5.03 b25.00±6.95 a 26.95±5.83 ab39.76±4.91 b37.48±9.77 a35.79±7.08 ab 小叶杨林 23.51±2.01 ab 38.15±10.78 a 45.13±9.31 ab 28.57±2.93 ab 54.87±14.51 a 62.42±10.63 b 混交林 66.83±11.45 d42.58±8.92 a54.33±3.97 b 66.17±11.23 d34.98±8.00 a52.01±6.44 ab 柠条林11.40±2.88 a15.86±2.79 a10.97±2.58 a 15.20±4.56 a20.17±3.50 a13.62±3.85 a 草地35.40±1.04 b40.16±2.82 a 7.87±1.11 a 40.64±2.63 b45.45±2.19 a 9.14±0.40 a
说明: 上角标a, b, c和d表示每列差异性显著(P<0.05)。
风速和风的持续时间会影响输沙率, 因此本研究选择在同一时段内测量不同植被类型的输沙率。结果表明, 草地和柠条林的防风固沙效果最好, 其次为混交林, 与杨越等[23]和 Zhang 等[24]的研究结果相似。柠条林具有复杂的林分结构, 能够更好地限制沙粒启动, 在 0.5～1m 的高度防风固沙效益最佳, 与杨越等[23]和 Wu 等[25]研究结果一致。柠条林通过在土壤表面附近捕获沙粒, 对土壤起沙的直接影响比乔木更有效, 而乔木林通过降低顺风风速, 比灌木林更有效地间接影响土壤风蚀[24]。可能由于实验开展于春季, 在混交林中, 小叶杨还未长叶, 因此其防风固沙功能未达到最佳水平。
防护林对颗粒物的削减率因林分类型和颗粒物粒径的不同而产生差异。防护林内树木的阻挡作用使得风速减缓, 从而扰动颗粒物的扩散路径。不同林分类型对风速的降低程度有所不同, 显著地影响颗粒物的扩散, 且颗粒物的扩散路径很复杂, 因此颗粒物阻滞效益不易准确预测。此外, 粒径是影响颗粒物扩散的主要因素[26], 大颗粒比小颗粒沉积得快。粒径越细的颗粒物, 受空气阻力越小, 升空能力越强, 扩散距离越远。相较于 PM1 和 PM2.5, 防护林对 PM10 的阻滞效益更明显, 这与 Chang 等[18]的研究结果一致。本文的研究结果表明, 混交林内油松林的针叶可以阻滞更多的颗粒物, 因此春季 0.5m高度处 PM10 削减率最大的为混交林, 这与罗建平 等[27]和 Tarodiya 等[28]的研究结果相同。在 2m 高度处, 小叶杨对 PM10 的削减能力最强。
防护林内颗粒物浓度的增加是通过森林边缘附近与树顶的撞击以及森林内的沉积发生的, 大部分增加发生在上层而不是下层(图 3)。研究结果表明, PM10 在小叶杨林内距离林缘 3H 处浓度升高然后降低。土壤风蚀危害严重时, 小叶杨处于落叶期, 其疏透的上层空间有利于风流携带颗粒物运移。此外, 风向也影响着颗粒物的扩散方向[29–30], 研究地点的主要风向为西北风和西南风, 顺风方向有降低颗粒物沉降率的趋势。
风蚀抑制率与颗粒物削减率之间关系密切, 二者在风蚀过程中起着不可或缺的作用。可以将风蚀抑制率理解为对风蚀过程中土壤起沙的抑制效果, 将颗粒物削减率理解为对风蚀扬尘过程中颗粒物的阻挡效果。一般来说, 林分空间结构越致密, 对风蚀的抑制效果和对颗粒物的阻挡效果就越显著, 通常认为风蚀抑制率与颗粒物削减率之间存在正向关系。然而, 本文研究结果表明, 不同林分类型的风蚀抑制率与颗粒物削减率之间呈现非线性关系, 在试验过程中, 风蚀抑制率与 PM10 削减率的关系更密切。在小叶杨林和混交林中, 颗粒物削减率与风蚀抑制率的变化趋势一致, 当颗粒物削减率达到60%～80% (小叶杨林)和 50%～60% (混交林)时, 呈现逐渐下降的趋势。
深灰色阴影区表示 95%的置信区间, 浅灰色阴影区表示预测区间
图4 风蚀抑制率与颗粒物削减率的关系
Fig. 4 Relationship between wind erosion inhibition rate and particulate matter reduction rate
乔木林有更大的树冠面积, 可以更好地混合和稀释空气中的污染物, 为颗粒的捕获和保留提供更大的表面积, 而灌木林则可以更好地固定土壤颗 粒[31]。适当地增加林分枝干和密度, 可以有效地减少风蚀, 从而降低颗粒物浓度。通过提高风蚀抑制率和颗粒物削减率, 可以有效地减少土壤侵蚀, 改善空气质量。针对不同地区和不同生态环境, 可以种植本土针叶树种来建设和修复防护林, 通过提高风蚀抑制率和颗粒物削减率, 有效地控制土壤风蚀和扬尘现象。
1)不同植被类型在抑制风蚀和阻滞颗粒物功能方面有一定的差异。柠条林和草地在抑制风蚀方面表现较好, 小叶杨林、油松林和混交林对颗粒物阻滞作用较强。
2)林分类型及颗粒物粒径都是影响颗粒物扩散的重要因素, 小颗粒物更容易扩散, 而大颗粒物更容易沉降。
3)油松林的风蚀抑制率和颗粒物削减率拟合关系最好, 因此在防护林的营造过程中, 应充分考虑其防风固沙与阻滞颗粒物功能之间的协同作用, 可优先选择油松林这类协同作用功能较好的树种, 优化整体生态效益。
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Observation and Study on Dust Effect of Shelterbelt in Northwest Shanxi Province
Abstract By taking different types of shelterbelt (Populus simonii forest, Pinus tabulaeformis Carr. forest and Pinus tabulaeformis Carr. ×Populus simonii forest) as research objects, adopting sample site survey and semi-fixed observation methods, and by comparing with Caragana forest, grassland and farmland, this paper explores the characteristics of wind erosion and the diffusion law of PM1, PM2.5 and PM10 caused by wind erosion, so as to quantify the relationship between wind erosion inhibition rate and particulate matter reduction rate of shelterbelt. The results show that Caragana forest and grassland have better ability to inhibit soil sand formation. Populus simonii forest, Pinus tabulaeformis Carr. forest and Pinus tabulaeformis Carr. ×Populus simonii forest have significant effects on arresting particulate matter. The concentration of PM10 increases first and then decreases in Pinus tabulaeformis Carr. forest and Populus simonii forest, but decreases slowly in Pinus tabulaeformis Carr. ×Populus simonii forest. There is a nonlinear relationship between wind erosion inhibition rate and particulate matter reduction rate of shelterbelts with different vegetation types, and the fitting relationship between them is the best in Pinus tabulaeformis Carr. forest. Different vegetation types have different functions in inhibiting soil wind erosion and arresting particulate matter, among which Pinus tabulaeformis Carr. forest has the best comprehensive protection.
Key words shelterbelt; windbreak and sand fixation; wind erosion and dust; particle diffusion