河北壩上農(nóng)田防護林防風效能及類型配置研究
——以河北省康保縣為例

付亞星, 王 樂, 彭 帥, 王紅營, 常春平

(河北師范大學 資源與環(huán)境科學學院/河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設省級重點實驗室, 石家莊 050024)

河北壩上農(nóng)田防護林防風效能及類型配置研究
——以河北省康?？h為例

付亞星, 王 樂, 彭 帥, 王紅營, 常春平

(河北師范大學 資源與環(huán)境科學學院/河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設省級重點實驗室, 石家莊 050024)

通過野外試驗觀測，對比分析了不同種類和林網(wǎng)結構農(nóng)田防護林的防風效能，在此基礎上提出了區(qū)域防護林優(yōu)化配置建議。結果表明：綜合防風效應和有效防護距離因素分析，對喬木農(nóng)田防護林的綜合防風效應進行評價：疏透型農(nóng)田防護林>通風型農(nóng)田防護林>緊密型農(nóng)田防護林護林；在垂直方向上，三種疏透度的喬木農(nóng)田防護林在不同高度上大體遵循隨高度的增加防風效能逐漸下降的趨勢。喬灌混交林、灌木防護林平均防風效能：榆樹+檸條的喬灌混交林帶21.5%>灌木防護林帶20.5%，風速降低20%的有效防護距離分別出現(xiàn)在林后25H和12H。防護林建設方面喬灌木混交林應為首選；灌木防護林可布設在沙漠化嚴重的坡耕地或風口地帶的農(nóng)田；喬木防護林不是最佳的選擇。

農(nóng)田防護林; 防風效能; 疏透度

農(nóng)田防護林作為生態(tài)建設的重要措施，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要屏障，對生態(tài)安全與人類生存環(huán)境質(zhì)量的提高有重要意義[1]。農(nóng)田防護林能夠通過林帶的動力作用，改變氣流的結構，影響水分、熱量的分配，發(fā)揮熱力效應、水文效應、氣候效益、生物效應、土壤改良效應，從而保護農(nóng)作物生長，提高農(nóng)作物產(chǎn)量[2-4]；農(nóng)田防護林具有降低風速、防止土壤風蝕的效能[5]，同時對區(qū)域生態(tài)修復和水土保持具有重大意義[6]。河北壩上地區(qū)是我國北方土地沙漠化發(fā)展最迅速的地區(qū)之一，土地沙化不僅威脅到區(qū)域生態(tài)安全，而且對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大影響。20世紀60年代該地區(qū)被納入“三北”防護林體系，開始營建農(nóng)田防護林，同時21世紀初開始逐步實施“退耕還林還草”工程，生態(tài)環(huán)境有所改善。由于農(nóng)田防護林的多種效益具有長期性和不可變性，區(qū)域在農(nóng)田防護林建設過程中，忽視了防護林的類型及林網(wǎng)結構配置對于農(nóng)田防護林效應的重要作用[7-9]，造成林網(wǎng)配置不盡合理。為發(fā)揮農(nóng)田防護林多樣性、穩(wěn)定性的作用，必須按科學要求進行技術設計和營造，實現(xiàn)農(nóng)田林網(wǎng)化，不僅包括防護需要的數(shù)量和規(guī)模，還必須有較高的質(zhì)量。開展防護林空間配置與結構優(yōu)化調(diào)控技術研究，對構建穩(wěn)定高效防護林體系具有十分重要的意義。為此，本文通過野外試驗觀測，針對河北壩上康?？h農(nóng)田防護林不同林種配置、林網(wǎng)結構對農(nóng)田防護林防風效能的影響開展研究，為河北壩上地區(qū)土地沙化研究、農(nóng)田防護林樹種、林網(wǎng)結構的合理配置提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

康?？h地處河北省西北部壩上地區(qū)，為內(nèi)蒙古高原的東南邊緣，其地理坐標為東經(jīng)114°12′—114°56′，北緯41°25′—42°09′，東臨內(nèi)蒙古自治區(qū)太仆寺旗，東北靠正鑲白旗，西與西北部與化德縣毗鄰，南與河北省張北縣接壤，東南與沽源縣相連，是京津地區(qū)沙塵的主要來源[10]。該區(qū)域?qū)儆诖箨懶詺夂?，全年多受蒙古高壓所控制，年平均氣溫?.2℃左右，夏季涼爽而短促，無霜期為92 d左右。大風較多，每年6級以上風日平均60 d左右，冬季常有“雪暴”、“沙塵暴”出現(xiàn)，影響生活生產(chǎn)。干旱少雨。年平均降水量306.3～409.6 mm，是河北省降水量最少的縣之一。當?shù)貑棠疽杂軜浜蜅顦錇橹?，灌木主要為檸條、沙棘、枸杞等，春小麥、莜麥、土豆等為當?shù)刂饕r(nóng)作物。

2 研究方法

2.1 試驗地點

通過實地考察并結合當?shù)剞r(nóng)田防護林的空間分布，本研究農(nóng)田防護林實驗地點共選擇5處，A：康保縣盧家營鄉(xiāng)三臺房村南；B：康?？h閆油坊鄉(xiāng)紅圍子村東；C：康保縣李家地鎮(zhèn)民善村東；D：康?？h康保鎮(zhèn)西5公里新民堡村西北；E：康?？h滿德堂鄉(xiāng)六段村南，觀測點的農(nóng)田防護林概況見表1。

表1 觀測點的農(nóng)田防護林概況

2.2 風速的測定

野外試驗觀測使用兩臺便攜式近地層風速廓線儀，一臺放在防護林的上風向，用來觀測沒有防護林影響的風速，另一臺放在防護林的下風向，通過移動的方式測定不同高度、距離處的風速值，二者比較確定防護林防風效能。該儀器是由風向標、風杯、支架和數(shù)據(jù)采集器組成，支架上可安裝9個風杯，同時觀測不同高度上的風速，風速的識別范圍為0.3～30 m/s。便攜式近地層風速廓線儀的數(shù)據(jù)采集器，能自動記錄1 min，10 min和1 h的平均數(shù)據(jù)，為防止風速的不確實性和盡量減少誤差，各測點均連續(xù)監(jiān)測15 min。本研究根據(jù)農(nóng)田防護林不同類型選取不同的觀測點位及觀測高度，見表2。

表2 不同類型防護林觀測點位及觀測高度

2.3 農(nóng)田防護林疏透度的計算

本文采用數(shù)字圖像處理法，即“數(shù)碼相機”和“遙感圖像處理軟件”相結合的方法測定農(nóng)田防護林的疏透度(β)[11-12]。用相機拍攝林帶照片，將照片存入電腦中，在Windows 7平臺支持下，用信息處理軟件將無關信息剔除。首先采用Adobe Photoshop CS4裁定林帶斷面，同時確定林干、林冠平均高度；喬木樹干和樹冠疏透度采取分開計算方式，以確保疏透度計算的精確性，最后采用加權法計算得出結果。

2.4 農(nóng)田防護林防風效能的計算

① 相對風速：相對風速采用下式表示：

(1)

式中：UX,Z——距防護林帶x處、高z處的相對風速；θX,Z——距離防護林帶x處、高度為z處的平均風速；U0,Z——同一高度曠野風的平均風速。

② 防風效能：指距防護林帶x處，高度為z的風速比曠野風速減少的百分比：

(2)

③ 有效防護距離[13]：

α=1.1β0.468

(3)

LΔ=A(B-α)aebα

(4)

式中：β——疏透度；α——透風系數(shù)；LΔ——有效防護距離；Δ——風速減弱的百分數(shù)；A，B，a，b——實驗常數(shù)，可近似地看成是Δ的線性函數(shù)。

3 喬木農(nóng)田防護林防風效能研究

3.1 喬木農(nóng)田防護林疏透度類型確定

防護林帶因疏透度不同可分為稀疏型、疏透型、通風型3種結構類型，具體劃分標準為:稀疏型結構林帶(β為0.30～0.50)，上下枝葉稀疏，有上下均勻分布的小通風空隙；疏透型結構林帶(β為0.50～0.60)，林冠層稀疏，有均勻分布的小空隙，林干層空隙較大；通風型結構林帶(β>0.60)，林冠層緊密,林干層有大的通風孔道[14]。本研究喬木農(nóng)田防護林疏透度類型計算結果見表3。

表3 喬木農(nóng)田防護林疏透度計算結果

3.2 疏透型農(nóng)田防護林防風效能分析

根據(jù)盧家營鄉(xiāng)三臺房村南疏透型防護林的觀測數(shù)據(jù)，由公式(1)計算出不同高度、水平不同距離的相對風速見圖1a，由公式(2)計算出疏透型的農(nóng)田防護林的防風效能見圖1b。

圖1 疏透型農(nóng)田防護林相對風速和防風效能分布

由圖1分析可知，疏透型林帶縱斷面上從上到下分布比較均勻，風遇到林帶分成兩部分：一部分通過林帶，在背風面形成許多小旋渦，另—部分氣流穿過林帶在背風面擴散，形成紊流區(qū)，以200 cm最為明顯，迎風面低層看不到渦流運動。在垂直方向上，風速減弱的程度和林帶透風系數(shù)有關，透風系數(shù)越小，減弱風速越強烈，因此在30 cm，50 cm，100 cm和200 cm的高度上總體表現(xiàn)隨著高度的增加，相對風速增加，防風效能降低的趨勢。水平方向上，風速在疏透型農(nóng)田防護林林前6H處逐漸下降，林帶背風面出現(xiàn)弱風區(qū)，峰谷出現(xiàn)在背風面1H的處，30 cm，50 cm，100 cm和200 cm高度上的防風效能分別為32.1%，30.5%，29.2%，25.0%，最低風速出現(xiàn)在30 cm高度處，此時防風效能達最大值。而后相對風速呈上升的趨勢，防風效能逐漸下降，從林后4H開始相對風速處于平穩(wěn)趨勢。

3.3 緊密型農(nóng)田防護林防風效能分析

根據(jù)閆油坊鄉(xiāng)紅圍子村東緊密型防護林的觀測數(shù)據(jù)，由公式(1)計算出不同高度、水平不同距離的相對風速見圖2a，由公式(2)計算出緊密型的農(nóng)田防護林的防風效能見圖2b。

由圖2分析可以看出，緊密結構林帶枝葉密集，風遇到林帶時基本不能通過，大部分空氣由林帶上部繞行，在背風側(cè)附近形成弱風區(qū)，風速削弱雖然比較強烈，但風速恢復也很快，至10H處相對風速已達88%左右，林帶背風面15H至30H低層出現(xiàn)高風速區(qū)。在水平方向上，30 cm，50 cm，100 cm，200 cm高度上防風效應在林前、林后2H處均產(chǎn)生了峰值，防風效應平均為17.0%和34.6%。林前產(chǎn)生峰值是由于遇到緊密型農(nóng)田防護林，一部分氣流被阻擋回流，在林前形成漩渦，風速擬合疊加造成的；林后產(chǎn)生峰值是由于迎風面另一部分氣流被抬升，從防護林上面越過，與通過的氣流形成劇烈的紊流區(qū)，致使風速升高。

在垂直方向上，總體上也表現(xiàn)為隨高度的增加，風速逐漸增加、防風效能逐漸減小的趨勢，但在林帶不同高度處均出現(xiàn)了風速波動現(xiàn)象，這主要是由于劇烈的紊流作用造成的。

圖2 緊密型農(nóng)田防護林相對風速和防風效能分布

3.4 通風型農(nóng)田防護林防風效能分析

根據(jù)李家地鎮(zhèn)民善村東通風型防護林的觀測數(shù)據(jù)，由公式(1)計算出不同高度、水平不同距離的相對風速見圖3a，由公式(2)計算出通風型的農(nóng)田防護林的防風效能圖3b。

由圖3分析可知，當氣流遇到通風結構林帶林帶，空氣被分為兩部分：一部分從下層穿過，一部分從林帶上面繞行。在水平方向上，氣流經(jīng)過該類型防護林時從林前6H處到林后1H處，風速平緩降低，防風效能從林前6H處的7.25%增至林后1H處的11.4%，防風效能平穩(wěn)增強。從林后1H處開始，風速迅速降低，防風效能增大，到林后2H處防風效能達到最大峰值，防風效能并沒有和其他兩類型的防護林一樣迅速下降，而是在林后2H到林后6H處出現(xiàn)風速的低谷區(qū)，防風效能在此區(qū)間達到最大，其效能均在21%～27.3%之間，而后風速平緩上升，逐漸恢復到曠野風速，這主要是萬徒利效應造成的。在垂直方向上，背風面產(chǎn)生紊流效應，風速波動現(xiàn)象明顯，以200 cm波動最為明顯，整體上依然表現(xiàn)為隨高度的增加，風速和相對風速增加，防風效能降低的現(xiàn)象。

圖3 通風型農(nóng)田防護林相對風速和防風效能分布

4 喬灌混交林以及灌木農(nóng)田防護林防風效能研究

根據(jù)滿德堂鄉(xiāng)六段村南喬灌混交林、新民堡村西北枸杞灌木林的觀測數(shù)據(jù)，由公式(1)計算出水平不同距離的相對風速見圖4，由公式(2)計算出的農(nóng)田防護林的防風效能見圖5。

由圖4和圖5分析可知，榆樹與檸條混交防護林，迎風側(cè)距離防護林越近，防風效能越小，這是由于回流作用使風速增加產(chǎn)生的。風在經(jīng)過防護林后風速逐漸減小，防風效能逐步增加，弱風區(qū)位于2H—3H處，在林后3H處防風效能達到最大，防風效能為61.9%，而后防風效能下降，但下降趨勢不明顯，趨于平穩(wěn)狀態(tài)，在背風一側(cè)防風效能在觀測點20H處，仍可達到17.0%。灌木防護林防風效應與榆樹+檸條混交林類似，越臨近防護林，其防風效能相應減少。不同之處是在0H—3H處為防風效應平穩(wěn)趨勢，最大防風效能出現(xiàn)在林后5H處，為43.0%。林后9H后防風效能開始降低，且下降速度比喬灌混交防護林幅度大。

圖4榆樹+檸條防風效能分布圖5枸杞防風效能分布

5 結 論

(1) 喬木農(nóng)田防護林根據(jù)不同類型疏透度的防風效能為：疏透型防護林防風效應平均為18.5%；緊密型防風效應平均為16.0%；通風型防風效應平均為15.2%。疏透型、緊密型、通風型防護林風速降低20%時有效防護距離分別為35H，9H，16H?？紤]到緊密型林帶繞林流場風速衰減很快，風速恢復的也很快，有效防護距離太短，不同距離的防風效應波動較大[15]。綜合防風效應和有效防護距離因素分析，對喬木農(nóng)田防護林的綜合防風效應進行評價：疏透型農(nóng)田防護林>通風型農(nóng)田防>緊密型農(nóng)田防護林護林。

(2) 喬木農(nóng)田防護林在垂直方向上，以垂直高度為標準評價林前6H到林后30H的總防風效能：30 cm>50 cm>100 cm>200 cm，在不同高度上大體上均遵循隨高度的增加防風效能逐漸下降的趨勢。與董慧龍等[16]得出的垂直方向防風效應的規(guī)律一致。

(3) 榆樹+檸條的喬灌混交林帶平均防風效應為21.5%；灌木防護林帶平均防風效應為20.5%；風速降低20%的有效防護距離分別為25H和12H，因此從防風效應和防護距離兩方面分析總防風效應喬灌混交防護林>灌木防護林。

(4) 綜合分析，本研究對壩上地區(qū)防護林建設方面提出建議：喬灌木混交林防風效能及防護范圍較大，適應布局在地勢平緩，大面積連片布局農(nóng)田上，綜合比較從防風效應和適應性方面分析喬灌木混交防風林應為首選。灌木防護林效能相對于喬灌木混交林而言，防風距離較小，但灌木適應性強，固沙能力好，特別適應在沙漠化嚴重的坡耕地或風口地帶的農(nóng)田以及平緩處的鹽堿地。喬灌木混交林防護范圍較大，但喬木防護林因其生長緩慢，存活率低，抗風蝕力弱，且當?shù)赝翆颖?、地下水資源缺乏，大面積發(fā)展喬木防護林不是最佳的選擇[17]。

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ResearchonWindproofEfficiencyandTypeConfigurationofFarmlandShelterbeltinBashangRegionofHebeiProvince—TakingKangbaoCountyasanExample

FU Ya-xing, WANG Le, PENG Shuai, WANG Hong-ying, CHANG Chun-ping

(CollegeofResourcesandEnvironmentSciences,HebeiKeyLaboratoryofEnvironmentChangeandEcologicalConstruction,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050024,China)

Through field test observations, this paper made a comparative analysis of the windproof performance of farmland shelterbelt in different types and structure. Optimal allocation recommendations of shelterbelts are proposed on this basis. The results show that windproof effects decrease in the order sparse transparent farmland shelterbelts>ventilated farmland shelterbelts>compact shelterbelt forest; In the vertical direction, the three kind sparse transparent tree shelterbelts at different heights generally follow this trend of increase of wind with height performance gradual downward. The average wind performance of mixed shrubs and bushes shelterbelts is elm + caragana shrubs mixed with 21.5%>20.5% shrub shelter belts. The effective protection distance for wind reduction by 20% appeared at Corinthians 25H and 12H. Shelterbelt construction should be the preferred mixed shrubs; shrub shelterbelts can be laid in serious desertification of cropland or outlet strip of farmland; tree shelterbelts are not the best choice.

farmland shelterbelt; windbreak efficiency; porosity

2013-08-15

：2013-10-08

河北省自然科學基金項目(2008000183);河北省科技廳軟科學基地重點項目(13454213D)

付亞星(1986—),男,河北圍場人,在讀碩士,研究方向:災害防治與水土保持。E-mail:fuyaxing523@163.com

常春平(1969—),男,河北康保人,副教授,碩士生導師,博士,主要從事水土保持、環(huán)境評價方面的工作。E-mail:changchunping@126.com

S727.24

：A

：1005-3409(2014)03-0279-05