吐鲁番市不同年限人工梭梭林防风固沙效益及其与生物量的关系

Effectiveness of wind and sand stabilization by artificial Haloxylon ammodendron forests of different ages in Turpan City and its relationship with biomass

摘要

目的 评估不同种植年限的人工梭梭（Haloxylon ammodendron）林对风沙流的防风固沙效益，探索快速评价防风固沙效益的方法，界定生物量—防风固沙效益的下限，为荒漠植被恢复与重建提供科学依据。 方法 以新疆吐鲁番市的荒漠化区域不同种植年限的人工梭梭林为研究对象，通过野外调查、野外观测和室内分析对其各项防风固沙效益指标进行监测和分析，对比防风固沙效益指标与生物量变化的关系。 结果 ①人工梭梭林随着营造年限的增长，其防风效能、地表粗糙度、地表蚀积量与阻沙效能均随种植年限增加显著提升（p<0.05）。 ②人工梭梭林随着营造年限的增长，区域内的风速廓线规律发生改变，原生荒漠风速廓线呈现“L”形变化特征，2年生、4年生的人工梭梭林风速廓线呈现出“I”形变化特征，6年生、8年生、10年生的人工梭梭林风速廓线呈现出反“J”形变化特征。 ③人工梭梭林输沙通量随着营造年限的增加而呈现递减趋势，并随着高度的增长也呈现递减趋势。 ④基于5种不同年限梭梭林，本研究构建了生物量—防风固沙效益指标模型，其中，立木生物量指数与防风效益、地表蚀积量、地表粗糙度、输沙通量、阻沙效能的关系，最佳函数模型分别为幂函数模型、幂函数模型、二次方程函数、指数函数模型、Logistic函数模型，R²分别为0.651，0.962，0.790，0.804，0.925。 ⑤若要起到良好的防风固沙效益，人工梭梭林立木生物量指数下限需达到4.94 kg/m²。 结论 人工梭梭林种植4 a以上时，防风固沙效益可达到稳定状态，可采用相应模型估算评估指标。当人工梭梭林立木生物量指数≥4.94 kg/m²时，可稳定发挥防风固沙效益。

Abstract

Objective The aims of this study were to explore the wind and sand flow prevention and stabilization benefits of artificial Haloxylon ammodendron forests with different planting years， rapidly evaluate the wind and sand flow prevention and stabilization benefits， and define the lower limit of the biomass-anti-sand flow prevention and stabilization benefits to provide scientific basis for the restoration and reconstruction of desert vegetation. Methods Artificial H. ammodendron forests of varying planting ages in desertified areas of Turpan City， Xijiang Wei Autonomous Region， were selected as the study subjects. Field surveys， observations， and laboratory analyses were conducted to monitor windbreak and sand fixation benefit indicators. The relationships between these indicators and the changes in biomass were compared. Results ① The windbreak efficiency， surface roughness， surface erosion-deposition volume， and sand-blocking efficiency of artificial Haloxylon ammodendron forests significantly improved （p < 0.05） with increasing planting age. ② The wind speed profile in the region changed with the growth of artificial H. ammodendron forests. The wind speed profile of the primary desert showed type ‘L’ change characteristics， the wind speed profile of the 2 and 4-year-old artificial H. ammodendron forests showed type ‘I’ change characteristics. The wind speed contours of 6， 8， and 10-year-old planted H. ammodendron forests showed the opposite of type ‘J’ changes. ③ The sand transport flux of the planted H. ammodendron forest showed a decreasing trend with an increase in the establishment period and also showed a decreasing trend with an increase in height. ④ The biomass-windbreak and sand fixation efficiency index model was constructed based on five age-variant H. ammodendron forests， in which the best function models between the standing biomass index and the relationship between windbreak efficiency， surface erosion， surface roughness， sand transport flux， and sand blocking efficiency was the power function， the idempotent function， quadratic function， exponential function， and the logistic function models with R² values of 0.651， 0.962， 0.790， 0.804， and 0.925， respectively. ⑤ The standing biomass index of artificial H. ammodendron forests must reach a minimum threshold of 4.94 kg/m² to achieve effective windbreaks and sand fixation benefits. Conclusion Artificial H. ammodendron forests achieved stable windbreak and sand fixation benefits 4 years of planting. These benefits could be estimated using the relevant models. The forests could stably deliver windbreak and sand-fixation effects when the standing biomass index was ≥4.94 kg/m².

Graphical abstract

关键词

不同种植年限 / 人工梭梭林 / 生物量 / 防风固沙效益

Key words

different planting years / artificial Haloxylon ammodendron forest / biomass / windbreak and sand-fixation benefits

文献参数： 王璞， 孙桂丽， 各文婷， 等.吐鲁番市不同年限人工梭梭林防风固沙效益及其与生物量的关系［J］.水土保持通报，2025，45（3）：109-118. Citation:Wang Pu， Sun Guili， Ge Wenting， et al. Effectiveness of wind and sand stabilization by artificial Haloxylon ammodendron forests of different ages in Turpan City and its relationship with biomass ［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation，2025，45（3）：109-118.

新疆吐鲁番市地处西北极端干旱区，年均降水量仅16.4 mm，风沙危害严重，土地沙漠化频发，生态环境十分脆弱^［1］。营造人工防护林是防治风沙灾害的一种重要措施^［2］。梭梭（Haloxylon ammodendron）属于藜科梭梭属植物，具有抗旱、耐盐及防风沙的特点，广泛分布于中国新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区、甘肃省西部、宁夏回族自治区西北部等干旱荒漠区。种植梭梭林可有效抵御风沙侵蚀，改善土壤物理结构，提高土壤肥力，加快沙地成土的进程^［3］。并且梭梭可接种肉苁蓉，具有非常高的经济价值，享有“沙漠人参”之美誉，可以提高农民收入。吐鲁番市周边有大量天然和人工梭梭林，是该地区的主要防风固沙树种，也是干旱区植被生物量、碳储量的主体^［4］。人工梭梭林接种肉苁蓉技术也得到迅速发展，位居全疆前列，促进了当地的社会经济发展，实现治沙和致富并举。

近年来，部分学者^［5-8］对人工梭梭林的土壤和根系微生物群落特征、保存率及生长状况、物种多样性以及风沙运动分布等方面做了相关研究，然而，针对极端干旱区不同种植年限下人工梭梭林防风固沙效应的研究较少，在极端干旱环境条件下，不同种植年限人工梭梭林防风固沙效益有着怎样的变化规律？地上生物量与防风固沙效益间关系如何？这些问题都亟待深入研究。基于此，本研究以吐鲁番市原生荒漠及不同种植年限的人工梭梭林为研究对象，通过野外调查、野外观测和室内分析的方法，对其风速、地表蚀积量和输沙通量进行观测，对比研究人工梭梭林防风效能、地表粗糙度、风速廓线、地表蚀积量、输沙通量、阻沙效能等指标随营造年限的变化规律及其与梭梭生长变化之间的关系，揭示不同种植年限人工梭梭林其防风固沙效益的变化规律，探讨人工梭梭林地上生物量与防风固沙效益关系，为极端干旱区沙漠化防治、生态修复以及科学合理保护梭梭荒漠植被、合理发展沙产业提供理论基础和科学依据。

1 研究区概况

试验观测地位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市高昌区恰特喀勒乡公相村，试验区属于典型的极端干旱区大陆性荒漠气候，试验观测区地处东经89°11'12″—89°11'31″，北纬42°49'31″—42°49'23″，年均降水量16.4 mm，年均蒸发量3 000 mm以上，主要风向为偏东风，年平均风速5.5 m/s^［9］。年均气温在11~23 ℃，极端高温50.1 ℃，夏季天气极端炎热，日照时间长；试验区多大风天气，最大风速可达24.7 m/s，土壤成分主要为风沙土，少数为红壤与棕漠土。

2 数据测定与研究方法

2.1 试验布设与数据采集

选取吐鲁番市高昌区公相村内不同种植年限的人工梭梭林作为研究对象，于2024年3—10月期间每月的大风天气下，开展对人工梭梭林的防护效益监测。在区域内选择不同种植年限的人工梭梭林，布设6个监测样地，分别为原生荒漠、2年生、4年生、6年生、8年生、10年生人工梭梭林，每块样地设置3个样方，每块样方面积约为900 m²，并将样方设置于样地区域中心附近，样方内梭梭树密度约为0.18株/m²。样地基本条件及管理措施详见表1，其中，样地人工梭梭林前5 a均接种肉苁蓉，由于肉苁蓉生长需要汲取养分，故在生长季进行滴灌作业并定期施肥和除草；自第6 a开始，肉苁蓉接种收益不佳，因此，6年及以上人工梭梭林不再接种肉苁蓉，故仅在春季进行滴灌作业，后期梭梭林会进行更新复壮，再进行肉苁蓉的接种。

在各监测样地布设气象站、测钎、集沙仪，样地中心布设HOBO U30小型气象站（包括4个风速传感器和1个风向传感器），设置风杯高度为30，50，100和200 cm，将仪器布设于样地中心点，仪器设置间隔5 min监测1次，显示5 min内的平均风速，测量总时间为24 h，并计算24 h内的平均风速；利用测钎沿样地地垄前后各布设3根测钎，每根测钎直径约1 cm，长度为50 cm，在距下端25 cm处进行标记（此标记与地面平行），插入地下25 cm，地上留高25 cm，最底部标记距地表10 cm再次进行标记，且每隔10 cm做1次标记，每月取样1次；在下风向边缘布设旋转式集沙仪，布设高度为30，50，70和90 cm，每层集沙口为宽2 cm×5 cm，每月取样1次。

2.2 研究方法

数据统计处理主要使用Origin 2024和Excel 2019软件完成。

2.2.1 防风效益

（1） 防风效能计算公式：

E_h=\frac{V_{h\mathrm{0}}-V_h}{V_{h\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

式中：E_h 为高度（h）在30，50，100，200 cm处的防风效能； V_h0为代表对照原生荒漠高度为h₀处平均风速（m/s）； V_h 代表风杯高度为h处的平均风速（m/s）。

（2） 地表粗糙度计算公式：

\mathrm{l}\mathrm{g}{Z}_{\mathrm{0}}=\frac{\mathrm{l}\mathrm{g}{Z}_{\mathrm{2}}-\mathrm{l}\mathrm{g}{Z}_{\mathrm{1}}\times \frac{u_{\mathrm{1}}}{u_{\mathrm{2}}}}{\mathrm{1}-\frac{u_{\mathrm{1}}}{u_{\mathrm{2}}}}（2）

式中：Z₀ 为地表粗糙度（cm）； Z为代表下垫面高度，Z₁ =30 cm，Z₂ =200 cm； u₁ 为同一时刻Z₁ =30 cm高度处的风速（m/s）； u₂ 为同一时刻Z₂ =200 cm高度处的风速（m/s）。

（3） 风速廓线计算公式：

U_z=\frac{u_{*}}{k}\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{z-d}{z_{\mathrm{0}}}\right)（3）

对同一高度，同一时段风速进行平均，再用均值进行回归分析：

U_Z=A+B\mathrm{l}\mathrm{n}Z（4）

式中：U_Z 为高度（z）在20，50，100，200 cm处的风速； A，B为回归系数，

摩阻速度计算公式为：

u_{*}=k·b（5）

式中：k=0.4； b为回归系数。

2.2.2 固沙阻沙效益

（1） 地表蚀积量计算公式为：

A=Z·S\times \mathrm{1}\mathrm{000}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta（6）

式中：A为土壤侵蚀体积（m³）； Z为侵蚀厚度（m）； S为水平投影面积（m²）； \theta为坡面坡度（°）。

（2） 输沙通量计算公式为：

Q_t=\frac{Q}{s·t}（7）

式中：Q_t为输沙通量〔kg/（m² · h）〕； Q为集沙仪各层沙样质量（kg）； s为进沙口面积（m²）； t为收集持续时间（h）。

（3） 阻沙效果计算公式：

E_z=\frac{Q_d-Q_z}{Q_d}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（8）

式中：E_z 为群落样地的阻沙效果（%）； Q_d，Q_z 分别代表对照样地和梭梭样地各高度单位时间内总输沙率。

2.2.3 立木生物量指数

通过实地调查，测量各样方内所有梭梭树的株高、基径、冠幅、保存率等指标，计算其平均株高、平均地径、平均冠幅、保存率等指标，选定各样地标准株，并查阅文献，选取适合该地区的人工梭梭林的生长回归方程，并估算出各样地标准株的生物量，该值作为本文各样地立木生物量指数估算的基础。

标准株生物量的估算^［10］

W=\frac{\mathrm{1.302}\mathrm{5}\times {\left(D^{\mathrm{2}}·H\right)}^{\mathrm{0.942}\mathrm{3}}}{\mathrm{1}\mathrm{000}}（9）

式中：W为生物量（kg）； D为梭梭树基径（cm）； H为梭梭树高（cm）。

该公式计算出生物量R²可达到0.999 2，根据公式（9）计算出不同种植年限的梭梭单株生物量。

为区别于单株生物量，设林网生物量W_w，则林网生物量应为单株生物量W与总株数的乘积，而总株数又为单位带长拥有的株数与带长的乘积，再乘以保存率，再乘行数，则林网生物量通用计算公式为：

W_w=\frac{W·M·K·\rho }{L}（10）

式中：W_w 为林网生物量（kg）； W为单株生物量（kg）； M为林带带长（m）； K为行数； ρ为林带保存率（%）； L为株距（m）。

基于此，本文提出立木生物量指数（W_l）即防风固沙林网单位面积上所拥有的活立木生物量，其计算方法为单株生物量与林网总株数的乘积，其值大小与林带结构关系密切，该参数可用作防护林的经营和管理，以提高防风效益。

W_l=\frac{W·M·K·\rho }{L·M·O}（11）

式中：W_l为立木生物量指数（kg/m²）； O为行距（m）。

2.3 防风固沙效益模型选择

由立木生物量指数建立防风固沙效益模型，研究选取6种常用的模型构建人工梭梭林区域的防风固沙指标基础模型，以5种防风固沙效益指标，防风效能（E_h ）、地表粗糙度（Z₀）、地表蚀积量（A）、输沙通量（Q_t ）、阻沙效果（E_z ）作为因变量，立木生物量指数（W_l）为自变量。将不同种植年限区域内的生物量数据与各项防风固沙效益指标建立模型，并通过决定系数（R²）及平均绝对误差（MAE）对模型的精度进行检验。计算公式为：

R^{\mathrm{2}}=\mathrm{1}-\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{\left(y_i-{\widehat{y}}_i\right)}^{\mathrm{2}}}{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{\left(y_i-\overline{y}\right)}^{\mathrm{2}}}（12）

\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{S}\mathrm{E}=\sqrt[]{\frac{\mathrm{1}}{n}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}(y_i-{\widehat{y}}_i{)}^{\mathrm{2}}}（13）

\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{E}=\frac{\mathrm{1}}{n}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\left|y_i-{\widehat{y}}_i\right|（14）

式中：y_i为植物地上生物量的实测值（g）；{\widehat{y}}_i为植物地上生物量的估测值（g）； {\overline{y}}_i为植物地上生物量的实测平均值（g）； n为样本数。

3 结果与分析

3.1 防风固沙效益

3.1.1 防风效能

由图1可以看出，不同种植年限人工梭梭的防风效能随着种植年限增长逐渐提升。2年生、4年生、6年生、8年生、10年生的人工梭梭林的防风效能分别可达到66%，77%，86%，83%，89%。其中，6年生、8年生、10年生的人工梭梭林防风效能变化趋势基本相似，防风效能也大致相同，表明随着种植年限的增加，在一定范围内，防风效能的提升并不像之前那样显著，而是逐渐趋于稳定。

随空间高度的变化，不同种植年限人工梭梭林防风效能呈现不同变化趋势。2年生的人工梭梭林在离地表30~50 cm的高度范围内，防风效能随高度的增加而明显增加，在距离地表50 cm以上时，防风效能有所降低，其防风作用主要集中在0~50 cm，防风效能平均可达78.5%；4年生的梭梭林在距离地表0~100 cm的高度内，随着高度的增加有明显增加，在距离地表100 cm以上，防风效能有所降低，但仍具有良好的防风效能，防风作用主要集中在0~100 cm，防风效能平均可达到82%；6年生、8年生、10年生梭梭林防风效能规律基本类似，在距离地表100 cm高度范围内，防风效能随着高度的增加变化较小，防风效能较高，平均效能可达93%，但在100~200 cm高度以内，防风效能均有轻微下降，不过仍然具有良好的防风效能，平均值均可达到74%。表明不同种植年限的人工梭梭林对近地面防风作用有着不同程度的影响。在2~4年生的种植年限阶段，可能是受人工梭梭林自身植被高度与冠幅等因素的限制（梭梭生长垂直高度约为1.0 m），在垂直高度1.0 m以下区域，植被较为密集，能有效阻挡近地面气流，极大地削弱风速，所以在相对较低高度呈现出较高的防风效能。但随着高度上升，由于植被高度的限制，空间渐趋开阔，植被密度也逐渐降低，对气流的阻挡作用相应减弱，防风效能也就随之下降；在6~8年生的种植年限阶段，人工梭梭林株高、冠幅、构型等因素不再发生显著变化，整体趋于稳定，所以在100~200 cm范围防风固沙效益不再显著变化。

3.1.2 地表粗糙度

从表2中可以看出，随着种植年限的增长，人工梭梭林地表粗糙度逐渐提高，原生荒漠的地表粗糙度平均值为0.18 cm，而经过2年生、4年生、6年生、8年生、10年生人工梭梭林的地表粗糙度均值分别为73.15，102.69，108.29，124.27和124.38 cm。显而易见，随着人工梭梭林种植年限的增加，地表粗糙度呈现出明显的增长趋势，在营造2年生以后相较于原生荒漠便有较为显著的提升，在营造4年生后，继续呈现出增长趋势，此时，已具有良好的防风效益，特别是在营造8 a生后，人工梭梭林群落结构稳定，地表粗糙度开始趋于平衡不再显著提升（p>0.05）。由方差分析结果可知，不同年份人工梭梭林地表粗糙度均显著大于未改造原生荒漠地表粗糙度（p<0.05），并且4年生、6年生的梭梭林地表粗糙度也大于2年生的地表粗糙度，而8年生、10年生的梭梭林地表粗糙度则显著大于4年生的地表粗糙度。表明随着种植年限的增加，人工梭梭林在地表粗糙度方面的变化特征及其对环境产生的影响。

3.1.3 风速廓线

由图2可知，不同种植年限的人工梭梭林在垂直方向上的气流影响作用下，风速廓线变化规律发生了变化，其变化趋势也表现出差异性。原生荒漠的风速廓线形状特征为“L”形。而2年生和4年生的人工梭梭林风速廓线形状特征表现出斜“I”形的风速廓线。6年生、8年生和10年生的人工梭梭林风速廓线形状特征则显示为反“J”形变化趋势。2年生、4年生的人工梭梭林，在0~50 cm高度区间，2年生和4年生的人工梭梭林表现出较强的风速降低效果，降幅显著；而在50~100 cm高度区间，风速降低效果仍显著，但降幅有所减少，并逐渐趋近于原生荒漠的风速。100~200 cm高度区间内，风速的增幅加大，显示出快速回归至对照风速的趋势。对于6年生、8年生和10年生的人工梭梭林，在0~100 cm高度区间内，风速基本保持稳定，而在100~200 cm区间，风速增幅增大，保持了良好的稳定性趋势。这表明随着种植年限的增加，人工梭梭林在垂直方向上对风速的调节能力逐渐增强，能够更好地适应不同高度的气流环境。

3.1.4 地表蚀积量

由图3可知，原生荒漠的地表蚀积量约为-21.24 m³，而在人工梭梭林种植2年后，株前平均地表蚀积量约为-11.4 m³，株后平均地表蚀积量约为-11.8 m³，总平均地表蚀积量显著减少至-10.27 m³，整体呈现侵蚀形态。随着梭梭林的生长，4年生的人工梭梭林株前平均地表蚀积量约为-8.13 m³，株后平均地表蚀积量约为-6.93 m³，总平均地表蚀积量进一步减少至-7.53 m³。然而，当人工梭梭林种植达到6 a时，株前平均地表蚀积量约为-1.6 m³，株后平均地表蚀积量约为-1.67 m³，总平均地表蚀积量出现正值，为0.33 m³，并且这个趋势持续到了8和10 a的种植周期，株前平均地表蚀积量分别约为3.53和6.33 m³，株后平均地表蚀积量约为5.4和7.4 m³，总平均地表蚀积量分别增加到4.46和6.86 m³，表明随着人工梭梭林的成长，地表开始由侵蚀转为堆积，土壤稳定性得到显著提升。具体来看，2年生的人工梭梭林在地表蚀积量方面相对于原始荒漠减少了48.06%，而4年生的减少幅度为64.54%；到了6 a时，减少幅度急剧增加至101.16%，标志着土壤侵蚀的转变点。在8年生和10年生的人工梭梭林中，可以观察到持续的土壤堆积效果，这对于改善生态环境和促进可持续发展具有重要意义。

3.1.5 输沙通量

根据图4分析可以发现，在不同的监测点位上，输沙通量随着高度的升高而逐渐降低。通过比较不同梭梭林输沙通量发现，原生荒漠的输沙通量平均为1.55 kg/（m² · h），显著高于经过不同年份人工梭梭林的输沙通量，其顺序为2年生、4年生、6年生、8年生、10年生的人工梭梭林，分别为0.178，0.063，0.047，0.032和0.030 kg/（m² · h），而人工梭梭林的输沙通量相较于原生荒漠分别降低了88.53%，95.95%，96.93%，97.9%，98.07%。这表明人工梭梭林在降低输沙通量方面具有显著的效果。值得注意的是，当人工梭梭林的营造年限达到4 a及以上时，其输沙通量之间的变化并不明显，呈现出一种相对稳定的状态。这意味着在人工梭梭林生长到一定年限后，其对输沙通量的调节作用已经趋于稳定，不会再随着年限的增加而出现大幅波动。说明人工梭梭林在治理风沙、减少输沙方面的重要作用并随着生长年限形成的稳定生态功能。

3.1.6 阻沙效能

据图5可知，不同年限的人工梭梭林的阻沙效能随着高度的增加而逐渐减少，整体变化呈现相同趋势，阻沙效能在相同高度上表现为：10 a>8 a>6 a>4 a>2 a，其平均阻沙效能为86.33%，94.25%，95.3%，96.92%，97.4%。在30 cm的高度，最高的阻沙效能可达98.75%，而最低的也达到90.13%。4年生及以上的人工梭梭林，其阻沙效能均超过了97%。在45 cm的高度，最高阻沙效能为98.15%，最低为88.92%。60 cm高度处，最高阻沙效能为97.79%，而最低为86.5%。90 cm的高度，最高的阻沙效能为94.88%，最低为82.33%。这表明人工梭梭林在阻沙方面具有显著的效果，能够有效地减少风沙的流动，对环境起到良好的保护作用，充分说明人工梭梭林具有显著的生态效益，能够为生态环境的改善做出重要的贡献。

3.2 立木生物量指数

3.2.1 立木生物量指数同防风固沙效益相关性分析

针对立木生物量指数与防风固沙效能指标展开相关性分析。由图6可知，立木生物量指数与防风效能之间存在正相关关系，相关系数为 0.67，说明立木生物量指数的增长可促使防风效能的增强；同时，立木生物量指数与地表蚀积量之间同样存在正相关关系，相关系数为 0.91，即立木生物量指数的增加导致地表蚀积量的相应增加；立木生物量指数与地表粗糙度也呈现出正相关关系，相关系数为 0.72，即立木生物量指数的增加使得地表粗糙度也随之增大；此外，立木生物量指数与阻沙效能也呈正相关关系，相关系数为 0.52，表明立木生物量指数的上升会提高阻沙效能。另一方面，立木生物量指数与输沙通量呈现出负相关关系，相关系数为-0.51，表明立木生物量指数的增加会减少输沙通量。基于以上研究发现，以立木生物量指数（W_l）作为自变量，以各项防风固沙效益指标作为因变量，利用立木生物量指数（W_l）与各项防风固沙效益指标构建了干旱区植被地上生物量—防风固沙效益模型。

3.2.2 立木生物量指数同防风固沙效益指标模型建立

使用立木生物量指数（W_l ）与各项防风固沙效益指标来构建干旱区植被地上生物量—防风固沙效益模型，以立木生物量指数（W_l ）为自变量，防风固沙效益指标为因变量，运用线性函数、对数函数、二次方程函数、幂函数、指数函数和Logistic函数6种常见模型构建研究区防风固沙效益指标估测模型。最后选取平均相对误差、均方根误差和总体预测精度作为检验指标。

将立木生物量指数与各项防风固沙效益指标进行函数模型拟合，选择决定系数最高的函数模型，作为描述立木生物量指数与各项防风固沙效益之间关系的最佳模型（表3）。由表3可知，在立木生物量指数与防风效能、地表蚀积量关系的函数模型拟合过程中，幂函数模型决定系数最高，R²分别为0.651和0.790，因此，选择幂函数模型作为描述立木生物量指数与防风效能、地表蚀积量之间关系的最佳模型；在立木生物量指数与地表粗糙度关系的函数模型拟合过程中，二次方程函数模型决定系数最高，R²为0.962，因此，选择二次方程函数模型作为描述立木生物量指数与地表粗糙度之间关系的最佳模型；在立木生物量指数与输沙通量关系的函数模型拟合过程中，指数函数模型决定系数最高，R²为0.804，因此，选择指数函数模型作为描述立木生物量指数与输沙通量之间关系的最佳模型；在立木生物量指数与阻沙效能关系的函数模型拟合过程中，Logistic函数模型决定系数最高，R²为0.925，因此，选择Logistic函数模型作为描述立木生物量指数与阻沙效能之间关系的最佳模型。

3.3 立木生物量指数—防风固沙效益

生物量用于描述树木生长过程中的干物质产量，其干物质的质量大小直接影响树木立木表面积的大小，而立木表面积是影响梭梭防风固沙效益的重要因素，因此，生物量与防风效益存在密切关系，需要深入探索。建立生物量与防风固沙效益的关系，目的就在于同步估算防护林的生物量产量、防风效益，开展立木生物量指数—防风固沙效益评估，这对全面评价防护林综合效益具有重要意义。探究立木生物量指数与各项防风固沙效益的关系，具体方法是将防风固沙效益作为多项防风固沙效益指标，通过估算单位面积林网生物量开展相关研究。当防风固沙效益接近或达到合理值时，与之对应的立木生物量指数，便成为了防风固沙林在该特定参数下的下限。也就是说，当立木生物量指数达到这个下限值时，此时的防护林能够充分发挥出良好的防风效益。

由表4可知，当立木生物量指数达到4.94 kg/m²时，防风效能为85.9%，地表蚀积量为0.333 m³，呈现堆积状态，地表粗糙度为102.29 cm，输沙通量为0.047 kg/（m² · h），阻沙效能为95.7%，人工梭梭林的防风固沙效益表现为良好状态，所以认为若要起到良好的防风固沙效益，人工梭梭林立木生物量指数下限需达到4.94 kg/m²。

4 讨 论

4.1 不同年限人工梭梭林防风固沙效益对比

本研究发现，人工梭梭林随着种植年限的增加，其防风效能整体呈现逐渐增大趋势；在垂直高度上，2年生人工梭梭林的防风作用主要集中在距离地表0~50 cm；4年生人工梭梭林防风作用主要集中在0~100 cm；而6年生、8年生、10年生的人工梭梭林防风作用在距离地表100 cm高度范围内表现最佳，不过，这些林分在100~200 cm高度处的防风效能略有下降，但仍具有较好的防风效能。植物群落对垂直气流的影响改变了风速廓线的变化规律，原生荒漠呈现L形风速廓线，2年生、4年生的人工梭梭林呈现出I形变化特征，6年生、8年生、10年生的人工梭梭林风速廓线呈现出反J形变化特征，这些变化主要由人工梭梭林中树木的冠幅和株高决定，其中冠幅影响了林内的密度和通风情况，而株高则决定了风速减弱的高度范围。李鹏等^［11］对乌兰布和沙漠东北缘的人工梭梭林的研究结果发现随着人工梭梭林种植年限的增长，其内部梭梭树构型发生变化，使得梭梭林区域的地表粗糙度和风速廓线发生变化，从而导致防风固沙效益发生变化。随着营造年限的增加，对区域内梭梭林总体而言，其对近地表风速的减弱作用得到了增强，并且在垂直高度方面，随着梭梭的生长，其防护效果将进一步提升，这与本文中防风效能、风速廓线相吻合。

本研究发现在营造2 a以后与原生荒漠便具有显著的差异，在营造4 a后便具有良好的防风效益，而在经过8 a的生长后，人工梭梭林的地表粗糙度趋于稳定，未再发现显著变化。这表明一旦人工梭梭林的年限达到8 a，其生长速度和构型变化将不再对地表粗糙度产生显著影响。在同等风速条件下，地表粗糙度随着植被覆盖度的增加而发生变化^［12-13］。这一变化趋势与本研究的观察结果相吻合，其中地表粗糙度随着植被覆盖度的提高呈现出递增的趋势，其主要原因是随着人工梭梭林种植年限的延长，其结构发生了变化，导致了该区域植被覆盖度的增加，进而影响了林内的密度以及整体风速，相较于未经人为干预的原生荒漠地表，5种不同年限的梭梭林地表粗糙度均显示出显著的差异。

在众多研究中，已经证实植物对减缓近地表风速具有显著影响，这一特性不仅有助于固定沙土，还能促使风沙动力系统中的沙粒向下沉积^［14-16］。例如，植物的高度和它们的生长周期对地表积累的沙粒数量有着直接影响，这一点在相关研究^［17］中得到了印证。在本研究中，随着营造年限的增长，输沙通量呈现出递增的趋势。这一变化可能归因于风速的减小、流动结构的改变以及植被覆盖度的增加，这些因素共同作用下，使得单一种植物及其形成的植被群落能够有效地减缓沙土流动，实现了防沙与固沙的目的。不同年限的梭梭林对风速的降低和沙土流动的阻碍作用有着明显的影响，这一点与其他研究者的发现相一致，即风沙流的输沙通量和阻沙效能随着高度的增加呈现指数级的递减^［18］。

4.2 不同年限人工梭梭林生物量指数与防风固沙效益指标模型

赵英铭^［4］对内蒙古自治区磴口县的农田防护林的研究结果表明，乔木立木生物量指数与防风效益关系密切，与林带疏透度呈负相关关系，最终模拟出生物量与防风效益指标立木疏透度之间的模型，并计算出在防风效益良好情况下，林带立木疏透度的下限值，以此评价区域防护林的生物量、碳储量上升潜力。本研究选择梭梭林立木生物量指数与各项防风固沙效益指标进行了相关性分析，通过所表现出的相关性，进行不同模型方程的拟合，选取最优模型，利用人工梭梭林立木生物量指数和该地区原始荒漠基础气象数据，即可快速估算出区域内的各项防风效益指标，并快速评价该区域的防风固沙效益。同时还可以在防风固沙良好的情况下，计算出该地区的生物量、碳储量的下限，来评价区域的生物量、碳储量潜力。

5 结 论

（1） 随着种植年限增加，人工梭梭林的防风效能、地表粗糙度、地表蚀积量及阻沙效能均呈显著上升趋势（p<0.05）。防风效能方面，2年生、4年生的人工梭梭林的防风作用主要集中在距离地表0~50 cm；6年生、8年生、10年生的人工梭梭林防风作用在距离地表100 cm高度范围内极佳，但在100~200 cm高度范围内，防风效能均有所下降；地表粗糙度也在逐渐提高营造2年后便具有显著效果，营造年限到达8年以后，梭梭林的地表粗糙度达到最大值，之后不再显著增加并趋于稳定；地表蚀积量在2年生、4年生的人工梭梭林区域呈现出风蚀状态，6年生、8年生、10年生的人工梭梭林区域呈现出堆积状态。不同种植年限的阻沙效能整体变化呈现相同趋势，呈现出随种植年限增加而逐年增强的趋势。

（2） 人工梭梭林随着营造年限的不断增长，对区域内的风速廓线规律产生了显著影响，原生荒漠风速廓线呈现“L”形变化特征，2年生、4年生的人工生梭梭林风速廓线呈现出斜“I”形变化特征，6年生、8年生、10年生的人工梭梭林风速廓线呈现出反“J”形变化特征。

（3） 人工梭梭林输沙通量随着营造年限的增加而呈现递减趋势，这种趋势在不同高度上也有所体现。具体而言，不同种植年限人工梭梭林减少输沙通量方面表现为：10 a>8 a>6 a>4 a>2 a。

（4） 基于5种不同年限的梭梭林构建了生物量—防风固沙效益指标模型，其中，立木生物量指数与防风效益、土壤蚀积量、地表粗糙度、输沙通量、阻沙效能的之间关系，最佳函数模型分别为幂函数模型、幂函数模型、二次方程函数、指数函数模型、Logistic函数模型，R²分别为0.651，0.962，0.790，0.804，0.925。

（5） 界定了人工梭梭林在特定参数条件下的生物量下限，若要起到良好的防风固沙效益，人工梭梭林立木生物量指数下限需达到4.94 kg/m²。

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基金资助

中国沙漠气象科学研究基金项目“极端干旱区吐鲁番市植被固碳能力估算及未来固碳潜力评估”(Sqj20240018)

中央财政林草科技示范推广项目（新［2022］TG09）