河西走廊酒泉绿洲农田防护林格局与结构
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The structure and pattern of farmland shelterbelts in Jiuquan Oasis of Hexi Corridor
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通讯作者:
收稿日期: 2022-12-03 修回日期: 2023-02-20
基金资助: |
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Received: 2022-12-03 Revised: 2023-02-20
作者简介 About authors
吕王亦庄(1996—),女,河北石家庄人,硕士研究生,研究方向为生态经济E-mail:
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吕王亦庄, 赵文智.
Lv Wangyizhuang, Zhao Wenzhi.
0 引言
在干旱荒漠区,防护体系在维持绿洲稳定和可持续性方面具有不可替代的作用。绿洲防护体系一般是由绿洲边缘防沙体系和农田防护林体系组成的复合系统,防护体系分布格局与区域风沙危害状况、被保护对象在绿洲中的位置等有关。在河西走廊绿洲和荒漠之间的过渡带建立综合防护体系是保护绿洲免遭风沙危害的有效措施,该系统主要由绿洲边缘的乔木防护带、绿洲外围人工种植的植物固沙带,以及封育保护沙丘前沿的天然植被形成的封沙育草带组成[1]。对于河西走廊临泽北部绿洲防护体系的功能,研究者认为前缘阻沙林带能明显降低风速,是维护绿洲安全的第一道防线;植物固沙带通过增加地表覆盖可以有效降低输沙率[2-3]。农田防护林建立在绿洲农田中,一般呈网格状或条带状配置,林网由主林带和副林带构成,主林带间距为林带高度的25~30倍,林带宽6~18 m,多呈“窄林带、小网格”的特征[4]。
绿洲农田防护林可以有效保护绿洲农田遭受风沙侵害,保证绿洲农业生产稳定。但农田防护林林带的遮阴、林木水分和养分消耗也会造成林缘两侧的农作物减产,即林带的胁地现象。就咸阳市王东沟农田防护林对棉花产量的影响研究结果表明,林带胁地效应与气候、田间水肥条件、生产水平和树种组成等诸多因素有关,总体上对0.75倍林带高度范围内的棉花产量负作用明显,在0.5H内存在严重的减产效应,一是因为林带的遮阴,二是因为林网对田间水肥的竞争[5-6]。胡海波等[7]研究徐州市大庙镇农田防护林带对小麦产量影响认为,农田防护林北侧和西侧树冠遮阴造成的胁地影响较重,越靠近林带影响越大;采取切断林带侧根能明显减少林带对农作物的胁地影响,可以明显降低距林带1H范围内小麦减产幅度,与未切断林带侧根比较小麦平均产量高7.7%。
对于水资源非常宝贵的干旱区而言,农田防护林面积过大会增加绿洲水资源消耗,而防护林面积过小则无法保证农田防护林的防护效益,因此建立水资源经济型的防护体系是绿洲建设的目标。因此,了解绿洲农田防护林结构与空间分布状况是建立资源经济型绿洲防护体系的基础,也是提高绿洲水效益的重要依据。以往对于农田防护林的研究主要在防护林的防护效益、对农田水热条件和土壤改良影响等方面。Caborn[8]认为,平原或山地的防护林都可以通过林带的遮蔽有效改善局部小气候,缓解强风对农作物和家畜造成损伤;Thomas等[9]调查表明奥地利东北部农田防护林可以使农田产量增加大约10%;Nuberg等[10]研究了防护林对小麦的水利用效率和产量的作用,发现防护林可以提高小麦产量并减少早期生长用水;吴鹤吟等[11]认为农田防护林可以通过林带增加地表粗糙度从而减小风速,其中林带的疏透度对防风效益的影响最为显著。这些研究加深了人们对农田防护林结构与防护效应之间关系的认识,也为促进防护林结构优化配置提供了科学依据。
在景观尺度上研究农田防护林结构及其空间分布是确定包括绿洲在内的农田防护林最佳配置格局的基础。对吉林省农安县前岗乡林网带斑比、优势度、连接度、环度等特征的研究,明确了东北平原林网数量、分布以及成型状况等[12-13];范志平等[14]对东北地区农田防护林的研究表明,林网带斑比可以度量林网在农田景观中的比例,林网连接度可以衡量林网成型状况及网格完整程度,这些指标可以用来综合评价农田防护林状况;Deng等[15]通过分析东北防护林保护区农田防护林密度、连接度、分布均匀性等变化规律,认为林带密度逐渐增加与耕地密度增加没有明显相关性,耕地变化对农田防护林的影响较小;Shi等[16]对吉林中西部农田防护林网的景观指数进行分类,提出了农田防护林带空间异质性综合评价的方法;对新疆玛纳斯河流域农田防护林空间配置进行研究,结果表明,防护林与农田的带斑比达到3.5%时可以有效促进当地棉花产量,大于3.5%时带斑比与棉花增产不再具有相关性,改善防护林的其他空间结构可以继续增加产量[17-18]。
河西走廊是中国重要的荒漠绿洲区,也是严重受风沙危害的绿洲区。绿洲建设过程中, 沿道路、农田、渠系和村庄等栽植林带,有的地方也交织成网,有效地保障绿洲农业生产,保护了绿洲安全,为区域生态安全和经济发展提供了重要保障[21-28],但对农田防护林体系的格局和结构了解得并不全面,成为建设节水型绿洲防护体系的知识缺陷[29-30]。本文选择河西走廊西段的讨赖河流域典型绿洲,围绕基于遥感数据提取绿洲防护体系的数据源选择与提取方法、绿洲农田防护林体系格局及其尺度依赖性、农田防护林结构等,探讨遥感数据提取农田防护林属性的方法、分析讨赖河中游农田防护林的空间格局和结构,旨在为制定荒漠绿洲农田防护林建设的规模和布局提供科学依据。
1 研究区概况和数据处理
1.1 研究区概况
研究区选择在讨赖河流域的酒泉绿洲区。讨赖河发源于托勒牧场,上游蜿蜒于祁连山区,出山后流经嘉峪关市,进入中游酒泉盆地,流域总面积为2.81万km2,主河道全长370 km,多年平均径流量为6.37亿m3。年降水量约为270 mm,年蒸发量1 800~2 500 mm[31]。讨赖河流域共有6河3坝11条小河沟,主要河流自西向东依次为讨赖河、洪水河、红山河、观山河、丰乐河、马营河。据酒泉气象站观测数据,多年平均气温7.3 ℃、降水量约84 mm、风速2.3 m·s-1。酒泉绿洲农田主要靠讨赖河引水和少量地下水灌溉,农田防护林主要依赖灌溉生存。在酒泉绿洲的肃州区果园镇雷家下庄以北选择样地调查(图1)。
图1
图1
研究区位置及取样点分布
Fig.1
Location of the study area and distribution of sampling points
1.2 数据来源及处理
1.2.1 遥感数据
使用2020年哨兵-2A遥感影像(Sentinel-2A)数据根据归一化植被指数(NDVI)进行人机交互解译提取农田林网信息[32-34]。考虑到酒泉绿洲农田防护林树种主要是杨树,主要种植农作物为玉米的实际,根据杨树的物候特征和玉米的物候特征,选定4、6、8月的哨兵-2A遥感影像分别进行人机交互解译,对比哪个时间影像数据效果最好。选用效果最好时间的影像数据提取农田防护林和农田的信息。通过空间幅度变化来分析景观格局的尺度效应,即保持遥感影像分辨率不变,借助ArcGIS的空间分析模块从中心点以100 m为步长向外逐渐增加正方形边长,使空间幅度发生改变,最小幅度为100 m×100 m,最大幅度为90 km×90 km,用Fragstats 4.2.1和ArcGIS软件结合实地调查,计算不同幅度和固定粒度(2 km)下的农田防护林格局及其尺度依赖性。
1.2.2 防护林格局参数
表1 农田林带格局结构参数内涵和计算方法
Table 1
指标 | 因子含义 | 指标意义 | 公式 |
---|---|---|---|
带斑比 | Sb 代表林网面积,A代表区域内需要被保护的农田面积 | 代表防护林的相对丰富度,数值越大则代表防护林在农田的占比越高 | |
完整度 指数 | i代表地类为林地,cijk 为在临界距离之内的林地j与k的连接状况;ni 为景观中林带的条数 | 代表该地块内防护林网的连续性,反映防护林形成条带或网状的完整程度,最大值为100,数值越大林网完整度越高 | |
疏透度 | 表示林带疏密状况和透风程度的指标。林带间隙越大则疏透度越大,疏透度达到1则代表不存在林带 |
1.2.3 防护林格局尺度效应分析
选用移动窗口法对不同尺度下的农田防护林面积与农田面积的带斑比、单位面积农田中的林带长度等指标进行尺度效应分析,在0~90 km以0.1 km为尺度间隔进行计算(图2)。
图2
图2
移动窗口法分析农田防护林尺度效应
Fig.2
Scale effect of farmland shelterbelts on moving window method
1.2.4 防护林带结构分级
在研究区选择18块样地内31条林带进行了实地调查,并使用无人机航拍结合遥感影像计算带斑比。结合实地调查,本文划定防护林带疏透度0~0.3为紧密结构,0.3~0.7为疏透结构,0.7~1为通风结构。研究区内农田防护林主要由新疆杨组成,平均树高为17.5 m,平均胸径为25.7 cm(表2)。
表2 实地调查统计结果
Table 2
样地序号 | 平均胸径/cm | 平均树高/m | 带斑比/% | 疏透度 |
---|---|---|---|---|
1 | 20.4±1.76 | 15.7±1.27 | 7.72 | 0.78 |
2 | 19.7±0.90 | 16.9±0.26 | 1.93 | 0.56 |
3 | 23.8±1.83 | 20.4±0.55 | 4.09 | 0.88 |
4 | 45.5±3.67 | 15.0±0.90 | 2.31 | 0.85 |
5 | 26.9±1.10 | 13.3±1.53 | 5.71 | 0.82 |
6 | 22.0±1.17 | 17.6±1.64 | 3.70 | 0.53 |
7 | 19.2±0.78 | 20.9±0.58 | 11.42 | 0.24 |
8 | 25.8±1.97 | 20.2±0.84 | 3.61 | 0.77 |
9 | 24.3±1.06 | 20.4±0.64 | 5.48 | 0.44 |
10 | 21.8±1.51 | 17.2±1.95 | 2.57 | 0.69 |
11 | 30.8±0.97 | 20.1±0.53 | 4.31 | 0.62 |
12 | 24.3±0.51 | 21.3±1.00 | 3.81 | 0.76 |
13 | 31.7±1.29 | 21.9±0.68 | 3.54 | 0.84 |
14 | 35.1±1.16 | 18.9±0.62 | 6.34 | 0.82 |
15 | 22.7±0.95 | 15.7±0.49 | 2.35 | 0.27 |
16 | 20.3±0.93 | 17.2±1.40 | 12.52 | 0.25 |
17 | 15.4±0.85 | 14.7±0.57 | 2.45 | 0.51 |
18 | 32.6±3.18 | 8.3±0.68 | 6.88 | 0.92 |
2 结果分析
2.1 根据植被物候差异提取农田防护林空间信息
基于遥感影像数据提取农田防护林格局及其结构的空间信息存在的问题主要在于遥感数据的空间分辨率不同,采用空间分辨率过低的影像数据省时省力但可能会忽略地物细节,不能区分条带状的农田防护林与块状农田,当影像空间分辨率较高时可以更好区分林地和农田,但这类遥感影像数据可获得性较低。此外,农田防护林与农作物在植被生长季内表现出相同的遥感特征,如果影像选择时间不当难以区分林带和农作物。本文在酒泉绿洲的肃州区果园镇雷家下庄附近选择样地,样地中农田面积约7 hm2,长约290 m,宽约240 m,以大豆和玉米为主要农作物,整体长势良好。样地中农田防护林由杨树构成,4月上旬展叶,10月上旬落叶,农作物在4月中旬播种,4月下旬逐渐出苗。基于二者的物候差异,选择不同时间提取林带和农田信息,确定提取的最佳时间。
图3为样地在4月3日、6月2日、8月1日的哨兵-2A遥感影像、对应的NDVI影像和植被提取结果,从时序变化可以看出植被范围明显变化,其中4月3日的遥感影像可以看出明显呈条带状分布在农田周围的农田防护林,因此使用10 m分辨率的哨兵-2A遥感数据,根据NDVI遥感影像提取植被范围,并结合人机交互解译,可以较好地提取出农田防护林的分布范围。对4月3日的遥感影像提取结果进行Kappa分析,精度达到80%。这说明,采用4月上旬的遥感影像可以较好地提取农田防护林的空间信息。
图3
图3
4、6、8月遥感影像及提取的林带信息特征
Fig.3
Remote sensing image and extraction of shelterbelts from April, June and August
2.2 农田防护林格局及其尺度依赖性
由窗口移动法计算不同尺度下农田防护林带斑比、单位面积农田中的林带长度,可以看出随着尺度变化均表现出明显的尺度依赖性。根据曲线的变化特征,将尺度效应分为3个区间:在0.1~10 km区间,指标随幅度增加而剧烈波动,尺度效应明显;10~20 km区间,指标随幅度增加逐渐减小,尺度效应渐弱;20~90 km区间,指标保持稳定,尺度效应逐渐减小至消失。
不同尺度下各指标的变异系数区间相似,尺度依赖性最强的空间幅度均在0.5 km以内。带斑比的变异系数为0.24%~219.67%,峰值出现在0.4 km,每公顷农田中的林带长度的变异系数为0.15%~235.17%,峰值出现在0.1 km(图4)。
图4
不同尺度区间指标均表现出相似的变化情况,尺度依赖性随幅度增加呈下降趋势,当空间尺度大于20 km时各指标变异系数变化不明显,尺度依赖性逐渐消失。当尺度大于20 km时估计标准误差小于1%,不同尺度间带斑比均值也在1%以内变化,这一区间的带斑比平均值为6.89%(图4)。
2.3 农田防护林结构特征
研究区内的林带结构通风结构占54.4%,疏透结构占33.3%,紧密结构占18.2%。综合遥感影像和无人机数据计算31条有效林带数据的带斑比,对计算结果进行频率分级统计,其中77.42%的数据位于2.50%~7.50%,整体均值为5.93%(图5)。
图5
图5
实地带斑比频率分布
Fig.5
Frequency distribution of ration of belt to patch of field survey
以2 km为粒度对研究区进行随机采样,指标结果分布频率如图6所示。
图6
由带斑比的频率分布结果可知,研究区中81.18%的带斑比位于2.50%~7.50%,呈明显集中分布,平均值为4.39%,与实地调查结果误差小于2%,基本一致;由林网完整度指数的分级结果可知,研究区内绝大多数农田防护林完整度指数在0.40以内,整体完整度较差,普遍存在林网断带的情况,没有形成连续性较好的条带状结构,这一结果也在实地调查中得到验证。
根据采样结果,对2 km粒度下的景观结构指数进行核密度分析。由图7可以看出,在渠首和湿地附近带斑比和完整度指数出现聚集,其他位置有零散分布的峰值。
图7
以讨赖河渠首为起点,以5 km为步长,对不同距离下的农田防护林带斑比和完整度进行统计分析。由图8可知,带斑比在距离渠首10 km以内时处于较高水平,随后在10~55 km范围内波动变化,完整度指数在不同距离上都保持波动,与渠首没有明显的距离关系。
图8
图8
防护林结构与渠首的距离关系
Fig.8
Correlation of shelterbelts structure and distance from the head of the canal
3 讨论
目前研究中对于遥感影像的选择主要是MODIS数据和Landsat卫星影像,其中MODIS数据分辨率为500 m、重访周期为1天,Landsat卫星影像分辨率为30 m、重访周期为16天,二者时空分辨率较低均无法有效观测到农田防护林实际分布,也不能及时反映农田防护林和农作物随时间的变化情况。哨兵-2A遥感影像数据空间分辨率为10 m,重访周期为5天,能够更好地保证遥感影像时效性和准确性,从而能够进行大尺度景观格局的计算。
使用10 m分辨率的哨兵-2A遥感数据,采用窗口移动法计算不同尺度下的带斑比,其中81.18%位于2.50%~7.50%,平均值为4.39%,与实地调查结果误差小于2%,也进一步说明采用10 m分辨率的哨兵-2A遥感数据调查绿洲农田林网是可行的。在提取农田防护林的过程中,本文从防护林与农作物的物候差异入手,通过生长期的差异能够有效提高农田防护林的空间信息。这一方法可以进一步对河西走廊其他绿洲农田防护林进行定量化研究。
本文通过移动窗口法对讨赖河中游绿洲农田防护林的尺度效应进行了计算,当空间幅度大于20 km时尺度效应逐渐消失,可以认为研究尺度达到20 km时能够较好反映研究区农田防护林格局的基本情况。在此基础上,本文对研究区的绿洲防护林结构特征进行深入分析,发现讨赖河中游的绿洲农田防护林与东北防护林保护区和新疆玛纳斯河流域相比[15,17],林网带斑比介于二者之间,但林网完整度明显弱于东北防护林保护区,与新疆玛纳斯河流域相似,这可能是西北干旱区绿洲农田林网的特点。带斑比、优势度、连接度、环度等指标能够充分反映林网数量、分布以及成型状况,在宏观描述绿洲农田防护林结构时具有较好的普适性,也便于对比不同地区的农田林网现状,而当只存在农田防护林和农田两种景观组分时,指标间相关性较高,可以用完整度和带斑比概括。
4 结论
使用哨兵-2A遥感影像结合防护林与农作物生长的物候差异可以有效提取农田防护林空间信息,也能够真实全面地反映绿洲农田防护林网的带斑比及其分布状况。
根据实地调查,讨赖河中游农田防护林以新疆杨为主,平均树高约17.5 m,平均胸径为25.7 cm,以通风结构为主,林网完整度指数普遍小于0.40,网状或带状结构完整度较低;
通过遥感影像计算得知,研究区中超过80%的带斑比分布在2.50%~7.50%,依赖性特征明显,表现在0.1~10 km内尺度效应明显,10~20 km内随幅度增加尺度效应减弱,当幅度大于20 km时尺度效应逐渐消失。
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