不同配置喬灌混交林防風(fēng)效益的風(fēng)洞試驗

厲靜文，Dosmanbetov D A，郭 浩※，辛智鳴，劉朋飛，劉明虎

（1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091；2. Kazakh National Agrarian University，Nursultan 050010；3. 中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心，磴口 015200）

0 引 言

防護林是干旱半干旱區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，它通過改變氣流流速和方向，影響林帶的流場結(jié)構(gòu)[2-3]，從而達(dá)到降低風(fēng)速和控制流沙的目的，在改善綠洲生態(tài)環(huán)境、保護生物多樣性、促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要作用[4-5]。

林帶的空間結(jié)構(gòu)和樹種選擇是決定防護林能否持續(xù)發(fā)揮最佳防護效益的關(guān)鍵因素[6]。防護林的密度、高度、樹種影響林帶的斷面結(jié)構(gòu)和疏透度，使得不同防護林的流場結(jié)構(gòu)、防護距離和有效防護面積存在顯著差異[7-8]。其中，林帶密度能直接反映林帶空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣[9]，相同行數(shù)的林帶密度越大，其防護范圍越大[10]，但造林密度受當(dāng)?shù)厮临Y源的限制，若防護林密度超出土壤、水資源的承載范圍，植被將衰退甚至死亡，影響防護效果[11-12]；林帶高度影響防護林的有效防護距離，同一林帶的帶高增加，其防護效果變化明顯，然而當(dāng)前研究多局限在林帶某一特定時期[13-15]，鮮有根據(jù)林齡變化模擬林帶未來防護效果的研究。

胡楊（Populus euphratica）、新疆楊（Populus alba）、箭桿楊（Populus nigra）、旱柳（Salix matsudana）等高大喬木因生長速度快、防護性能好，常作為防風(fēng)固沙林的主要樹種[16-18]，但單一速生喬木林在成熟期和過熟期，枯死、殘缺現(xiàn)象嚴(yán)重，防風(fēng)阻沙效果有限；喬灌混交林多為單一喬木與灌木的混交[18-20]，對于多樹種、高效益的喬灌混交防風(fēng)固沙林的研究甚少。

因此，本研究選取干旱半干旱區(qū)速生喬木旱柳、固沙灌木油蒿（Artemisia ordosica）、梭梭（Haloxylon ammodendron）為研究對象，以不同水資源承載力下3 種研究對象均能正常生長為前提，通過風(fēng)洞模擬試驗，分析不同高度、密度的油蒿、梭梭、旱柳喬灌混交林的風(fēng)速變化、有效防護面積，以期為防風(fēng)固沙林的配置優(yōu)化提供新思路。

1 研究方法

1.1 試驗設(shè)備

風(fēng)洞試驗在北京林業(yè)大學(xué)風(fēng)沙物理實驗室（116.11°E，40.06°N）進行，試驗風(fēng)洞長24 m，包括驅(qū)動系統(tǒng)、洞體和監(jiān)控系統(tǒng)。洞體由風(fēng)扇段、過渡段、穩(wěn)定段、收縮段和擴散段5 部分組成[21]，主要試驗段約長12 m，橫截面積為0.6 m×0.6 m，風(fēng)速范圍為3～42 m/s，且連續(xù)可調(diào)，有效試驗截面風(fēng)速脈動小于1.5%[11]。

風(fēng)洞的邊界層厚度制約著模型的大小，該風(fēng)洞試驗段的底板邊界層厚度約為0.25 m，大于林帶模型，符合試驗?zāi)Ｐ捅仨毎菰陲L(fēng)洞邊界層內(nèi)的要求[22]；風(fēng)洞側(cè)面邊界層厚度為0.05 m，即風(fēng)洞中軸線左右各 0.25 m 寬度范圍內(nèi)風(fēng)速均衡穩(wěn)定。

風(fēng)速流場的觀測采用KIMO 熱線風(fēng)速儀，該儀器為加熱負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，能通過感測空氣流動帶走的熱量，推算出風(fēng)速，KIMO 熱線風(fēng)速儀每1 s 記錄1 次風(fēng)速數(shù)據(jù)，測量精度為測量值 ± 0.1 m/s[23]。

1.2 林帶設(shè)計及試驗材料

風(fēng)洞模擬試驗最重要的是保證模型符合幾何相似的要求，即模型與實體構(gòu)型相同、對應(yīng)成比例；同時使用無量綱化的物理量，確保分析研究結(jié)果相互關(guān)系時，不再考察物理量本身，只要對比物理量數(shù)值即可[23-24]。基于上述準(zhǔn)則，實地調(diào)查烏蘭布和沙漠樹齡5、10 和20 a的旱柳、梭梭、油蒿，并結(jié)合文獻資料[25-27]確定模擬對象的樹高、胸徑、疏透度等重要參數(shù)?？紤]到風(fēng)洞邊界層對試驗精度的影響，按照1∶100 設(shè)計模型，模型實物如圖1 所示，3 種樹齡的旱柳高度分別為4、6 和10 cm，油蒿分別為1、2、4 cm，梭梭分別為1、2、4 cm。

設(shè)計9 種喬灌混交林迎風(fēng)面前4 行為油蒿、5～8 行為梭梭、9～10 行為旱柳，共10 行林帶；按照林帶密度分為A（高密度）、B（中密度）、C（低密度）3 種，A類林帶帶寬18 cm，株行距為2 cm×2 cm，B 類林帶帶寬29 cm，灌木間株行距為3 cm×3 cm，喬木間株行距為4 cm×4 cm，C 類林帶帶寬40 cm，灌木間株行距為4 cm×4 cm，喬木間株行距為6 cm×6 cm。根據(jù)林帶株行距、樹高等參數(shù)的特點，分別進行編號，詳見表1。9 種配置的試驗?zāi)Ｐ屯ㄟ^熱熔膠固定在熱塑性材料（ABS）板面上，同時在林帶前后鋪設(shè)等厚度的空白ABS 板，防止因床面厚度不一造成前沿附面層氣流的分離。

圖1 喬灌混交林模型圖 Fig.1 Model of arbor-shrub mixed forest belt

表1 不同配置喬灌混交林模型參數(shù) Table 1 Model parameters of arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

1.3 風(fēng)速觀測

為滿足力學(xué)相似的條件，試驗?zāi)Ｐ退茱L(fēng)荷載應(yīng)與野外環(huán)境下研究對象對應(yīng)位置所受的風(fēng)荷載相似，因此，試驗時借助尖劈和粗糙元，調(diào)整洞體內(nèi)的風(fēng)環(huán)境，使其與烏蘭布和沙漠曠野48 m 高風(fēng)速通量塔不同高度擬合成的風(fēng)速廓線方程保持一致，同時對不同高度風(fēng)速進行擬合驗證，結(jié)果表明二者最佳擬合關(guān)系為對數(shù)函數(shù)，與前人研究結(jié)果一致[28]。由于烏蘭布和沙漠2 m 高度常見風(fēng)速為8 m/s，故設(shè)定試驗軸心風(fēng)速為12 m/s，試驗條件下摩阻風(fēng)速為0.48 m/s，最小雷諾數(shù)為4.8×105，滿足雷諾數(shù)與流場結(jié)構(gòu)無關(guān)的試驗要求。利用KIMO VT200 熱線風(fēng)速儀和三維移測系統(tǒng)獲取試驗點風(fēng)速數(shù)據(jù)，每個觀測點測量10 s，取其平均值作為該點的風(fēng)速數(shù)據(jù)。

由于3 類喬灌混交林帶寬度不同，為使各類林帶帶后位置統(tǒng)一，試驗時將9 種喬灌混交林帶迎風(fēng)面第10 行布設(shè)在相同位置。風(fēng)速觀測從林帶后10 cm 起，平面測點的布設(shè)規(guī)格為10 cm × 5 cm，測量高度為2 cm，99 個測點均不受邊界層影響，對照風(fēng)速為各觀測點空風(fēng)洞下的風(fēng)速，詳見圖2。

圖2 風(fēng)速觀測點布設(shè) Fig.2 Wind speed observation point layout

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 風(fēng)速統(tǒng)計

統(tǒng)計各觀測點的實測風(fēng)速數(shù)據(jù)，不但可以篩查風(fēng)速數(shù)據(jù)，加強試驗的可靠性，而且能初步掌握不同配置林帶風(fēng)速的分布規(guī)律。本文利用SPSS22.0 分析不同配置喬灌混交林帶風(fēng)速數(shù)據(jù)的平均值、最大值、最小值、峰度、偏度、變異系數(shù)等統(tǒng)計參數(shù)，直觀獲得實測數(shù)據(jù)分布的削尖、變異程度。此外，由于林帶風(fēng)速數(shù)據(jù)取值具有隨機性，為分析風(fēng)速的分布情況和集中性，利用MATLAB繪制林帶的風(fēng)速概率密度圖，進一步了解各林帶的風(fēng)速分布特征。

1.4.2 克里金插值

克里金（Kriging）插值是一種根據(jù)協(xié)方差函數(shù)對隨機場進行空間預(yù)測的回歸算法，其能通過目標(biāo)區(qū)域內(nèi)已知點的形狀、方位和與未知點的空間相關(guān)性，對區(qū)域變量進行無偏最優(yōu)估計[23-24]，反映出空間場的各向異性。本文采用該方法，利用Surfer 10.0 繪制風(fēng)速流場圖，能直觀分析不同配置混交林帶的風(fēng)速流場空間分布變化規(guī)律。

1.4.3 有效防護面積

基于防護林帶內(nèi)一定防風(fēng)效能下的防護面積為有效防護面積[23]。本文采用ArcGIS 對不同配置林帶的有效防風(fēng)效能數(shù)據(jù)進行重采樣，根據(jù)數(shù)據(jù)分布特征確定防風(fēng)效能的分割閾值，并將分割后的結(jié)果依據(jù)屬性特征分類匯總，分別獲得防風(fēng)效能>30%、>50%、>80%的防護面積。

一定防風(fēng)效能下的有效防護面積與林帶背風(fēng)面總面積之比為有效防護面積比，其計算公式為

式中A 為有效防護面積比，%；SΔ為指定防風(fēng)效能下的有效防護面積，cm2；S總為林帶背風(fēng)面總面積，cm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速統(tǒng)計分析

不同配置喬灌混交林帶后風(fēng)速統(tǒng)計如表2 所示，林帶密度增加，喬灌混交林對風(fēng)的阻擋作用加強，帶后平均風(fēng)速減??；等密度林帶的帶高增加，帶后平均風(fēng)速減小，且高密度林帶風(fēng)速變化最大，中密度林帶風(fēng)速變化最??；隨林帶高度增加，密度對其影響減弱，樹齡20 a的低密度林帶C3 帶后平均風(fēng)速與樹齡5 a 的高密度A1林帶相近；高密度林帶降低風(fēng)速作用明顯，但風(fēng)速恢復(fù)迅速，樹齡10 a 的高密度A2 林帶最大風(fēng)速是最小風(fēng)速的11.85 倍，變異系數(shù)高達(dá)49.77，同A2 相比，等高度的B2、C2 帶后最大風(fēng)速與其相似，但最小風(fēng)速分別為A2的5.88、7.27 倍。

表2 不同配置喬灌混交林帶后風(fēng)速分布統(tǒng)計參數(shù) Table 2 Statistical parameters of wind speed distribution of arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

偏度能反映數(shù)據(jù)相對于平均值的不對稱程度，峰度可以衡量數(shù)據(jù)分布的集中程度或分布曲線的削尖程度。中、低密度林帶增至6 cm 高時，偏度開始大于0，B2、B3、C2、C3 林帶均為正偏度，高密度林帶增至10 cm 高時，偏度開始大于0，A3 林帶為正偏度；9 種林帶中，B3、C1 和C3 為低闊峰，風(fēng)速分布低闊，散布較廣；其余6 種林帶為高狹峰，風(fēng)速集中分布在平均數(shù)兩側(cè)。

根據(jù)各林帶背風(fēng)面的風(fēng)速概率密度圖（圖3）可知，樹齡5 a 的林帶風(fēng)速分布多為右單峰，樹齡20 a 林帶的風(fēng)速分布呈左單峰，樹齡10 a 的林帶由于氣流的擾動，其風(fēng)速在帶后0～110 cm 間分布更均勻；等密度林帶中，林帶高度越大，對風(fēng)的削減作用越強，風(fēng)速集中分布點的數(shù)值越低，樹齡5 a 的A1 林帶風(fēng)速多為6.5～8.5 m/s，B1 林帶風(fēng)速多為7.2～7.6 m/s，C1 林帶的風(fēng)速多為7.5～8.5 m/s，樹齡20 a 的A3、B3、C3 林帶風(fēng)速分別集中分布在2.5～3.5、 4～5、4.5～5 m/s。

2.2 風(fēng)速流場分布特征

不同配置喬灌混交林的帶后風(fēng)速流場分布如圖4所示，等密度林帶中，林帶越高，其帶后相同位置的風(fēng)速越小、氣流越平穩(wěn)。高密度林帶A2、A3 風(fēng)速變化趨勢相同，均形成了相對整齊、與林帶走向平行的風(fēng)速等值線圖，且A3 帶后風(fēng)速整體小于A2，但A2林帶背風(fēng)面林緣處風(fēng)速比樹齡20 a 的A3 小1.33 m/s，說明高林帶A3 使得氣流在背風(fēng)林緣處被迫爬升；低密度林帶中，樹齡5 a 林帶C1 氣流變化最劇烈，帶后40～60 cm 間出現(xiàn)多個渦流加速區(qū)，隨林帶高度增加，帶后湍流減少，但樹齡20 a 的C3 林帶帶后0～10 cm 間風(fēng)速加速明顯，其原因在于氣流穿過混交林帶時被切割阻擋，一部分氣流被迫從林帶間穿過，形成的狹管氣 流流速不斷增加[29]。

等高林帶中，高密度的A 型林帶帶后氣流運動更平穩(wěn)，削減風(fēng)力能力更強，但風(fēng)速恢復(fù)迅速，A1 林帶在帶后0～50 cm 內(nèi)風(fēng)速明顯小于B1、C1，但在帶后110 cm處風(fēng)速值與B1、C1 相當(dāng)；林帶高度有限時，林帶密度是影響林帶防風(fēng)效能的重要因子，適當(dāng)增加林帶密度，能提高林帶的防風(fēng)效果，樹齡10 a 的中密度B2 林帶平均風(fēng)速與樹齡5 a 的高密度A1 林帶平均風(fēng)速相當(dāng)；林帶高度增加，林帶密度優(yōu)勢減弱，帶高對林帶防風(fēng)效能的作用增加，樹齡20 a 的低密度C3 林帶帶后平均風(fēng)速遠(yuǎn)小于樹齡10 a 的中、高密度林帶A2、C2。

林帶風(fēng)速降低到對照風(fēng)速的25%以下會形成明顯的靜風(fēng)區(qū)[23]，樹齡10 a 和20 a 的高密度 A2、A3 帶后具有較大面積的靜風(fēng)區(qū)，說明氣流受到高大密林的阻擋，在背風(fēng)林附近急速下沉形成旋渦，使得帶后風(fēng)速下降明顯；林帶風(fēng)速降低到對照風(fēng)速50%以下的區(qū)域防風(fēng)效益較好，3 種密度林帶的防風(fēng)效益最佳區(qū)均隨帶高增加而向后移動，樹齡5 a 的林帶A1、B1、C1 的防風(fēng)效益最佳區(qū)為帶后0～20 cm，樹齡10 a的林帶A2、B2防風(fēng)效益最佳區(qū)為帶后20～50 cm，C2 為帶后10～40 cm，樹齡20 a 的A3、B3、C3 防風(fēng)效益最佳區(qū)域分別為帶后40～70、40～80、50～80 cm。

圖4 不同配置喬灌混交林風(fēng)速流場圖 Fig.4 Wind speed flow fields in arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

2.3 有效防護面積

有效防護面積是體現(xiàn)林帶防護效應(yīng)的關(guān)鍵因子，計算防風(fēng)效能固定值的面積如表3 所示，樹齡20 a 的A3林帶防護能力最強，防風(fēng)效能大于 50%的面積為4 283.29 cm2，有效防護比為78%，大于80%的面積為1 417.93 cm2，有效防護比為26%；密度是影響林帶防風(fēng)能力的重要因素，高密度林帶A2 防風(fēng)效能大于50%的有效防護比為56%，比中密度、低密度的林帶B2、C2 分別大35%、56%；高密度林帶中，林帶高度增加，有效防護面積增加幅度低于中低密度林帶，高密度A2 林帶防風(fēng)效能大于30%的有效防護比為81%，比A1 大24 個百分點，中密度B2 防風(fēng)效能大于30%的有效防護比與B1 林帶相比高出49 個百分點，低密度C2 林帶防風(fēng)效能大于30%的有效防護比較C1 高56 個百分點；在稀疏的喬灌混交林帶中，帶高是影響防風(fēng)能力的重要因素，樹齡10 a 的C2 林帶防風(fēng)效能大于30%的有效防護比為60%，比C1高 56 個百分點，C3 防風(fēng)效能大于 30%的面積為4 584.75 cm2，比C1、C2 分別大4 624.02、1 529.26 cm2。

表3 不同配置喬灌混交林有效防護面積 Table 3 Effective protection areas of arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

3 討 論

防風(fēng)固沙林的防護效能由樹種個體特征[30-31]、林帶密度[32-33]、高度[34]、分布格局[35-36]等多種因素共同決定。本文研究的喬灌混交林由油蒿、梭梭、旱柳組成，植株個體的枝干形態(tài)、空間結(jié)構(gòu)相似，因此，樹種構(gòu)成對其影響不大，林帶密度和高度成為影響林帶防護效果的主要因素。

通過比較不同配置的喬灌混交林背風(fēng)面風(fēng)速變化和防護效果發(fā)現(xiàn)：喬灌混交林的密度增加，帶后平均風(fēng)速減小，與馬瑞等[12]、付亞星等[35]研究一致；等密度林帶中，樹高越高，帶后氣流越平穩(wěn)，相同位置的風(fēng)速越小，與馬彥軍等[19]的研究結(jié)論一致，中密度B 型林帶隨高度增加，帶后平均風(fēng)速變化小于A 型、C 型林帶，說明密度中等的林帶帶后風(fēng)速更加穩(wěn)定；樹齡10 a 的中密度B2林帶平均風(fēng)速與樹齡5 a的高密度A1林帶平均風(fēng)速相當(dāng)，說明林帶高度有限時，林帶密度是影響林帶防風(fēng)效能的重要因子，適當(dāng)增加林帶密度，能提高林帶的防風(fēng)效果；就林帶背風(fēng)面極值風(fēng)速而言，高度相同的A2、B2、C2帶后最大風(fēng)速相似，但B2、C2 的帶后最小風(fēng)速分別為A2 的5.88、7.27 倍，說明高密度林帶A2 降低風(fēng)速的作用明顯，但風(fēng)速恢復(fù)迅速；高大疏林C3 背風(fēng)面前緣存在明顯的氣流加速區(qū)，這是由于氣流受林帶阻擋，被迫從林帶帶間穿過，形成“狹管效應(yīng)”，該配置林帶對植被破壞作用較大，因此，為保證林帶防風(fēng)效果，不能盲目減小林帶密度。

多數(shù)林帶在背風(fēng)面均存在面積不等的靜風(fēng)區(qū)，這是由于氣流受到林帶阻擋在林帶背風(fēng)面急速下沉形成漩渦，且林帶的防風(fēng)效益最佳區(qū)均隨帶高增加而向后移動；高密度林帶隨高度增加，有效防護面積增加幅度低于中密度和低密度林帶，其中，低密度C 型林帶，高度增加，防風(fēng)效能大于30%的面積差異顯著，樹齡20 a 的C3 防風(fēng)效能大于30%的面積為4 584.75 cm2，比C1、C2 分別大4 624.02、1 529.26 cm2，進一步證明林帶高度增加，林帶密度優(yōu)勢減弱。

此外，林帶垂直方向上的風(fēng)速加速率可以直接反映林帶對氣流的加速情況[3]，本試驗尚未觀測林帶垂直風(fēng)速的變化，導(dǎo)致比較結(jié)果存在一定的局限性，可在未來試驗中補充垂直帶后風(fēng)速，豐富試驗結(jié)果。

4 結(jié) 論

1）高密度林帶降低風(fēng)速作用明顯，但風(fēng)速隨著林帶距離的增加恢復(fù)迅速，高密度林帶變異系數(shù)遠(yuǎn)大于其他林帶，不利于植被生長；中密度林帶風(fēng)速變化最小，氣流最穩(wěn)定。

2）林帶高度有限時，林帶密度是影響林帶防風(fēng)效能的重要因子，適當(dāng)增加林帶密度，能提高林帶的防風(fēng)效果，樹齡10 a 的中密度B2 林帶平均風(fēng)速與樹齡5 a 的高密度A1 林帶平均風(fēng)速相當(dāng)；但林帶高度增加，密度對林帶削減風(fēng)速的影響減弱。

3）等密度的喬灌混交林帶高度增加，防風(fēng)效益最佳區(qū)向后移動，樹齡5 a 的林帶A1、B1、C1 的防風(fēng)效益最佳區(qū)為帶后0～20 cm，樹齡10 a 的林帶A2、B2 防風(fēng)效益最佳區(qū)為帶后20～50 cm，C2 為帶后10～40 cm，樹齡20 a的A3、B3、C3 防風(fēng)效益最佳區(qū)域分別為帶后40～70、40～80、50～80 cm；帶高是影響中、低密度林帶防風(fēng)能力的主要因素，中、低密度林帶有效防護面積隨帶高增加增幅明顯。