干旱半干旱區(qū)落葉期農(nóng)田防護林防風(fēng)效果的風(fēng)洞試驗研究

賽 克，趙媛媛，包巖峰，劉辰明，丁國棟，高廣磊

干旱半干旱區(qū)落葉期農(nóng)田防護林防風(fēng)效果的風(fēng)洞試驗研究

賽 克1,2，趙媛媛1,2，包巖峰3，劉辰明4，丁國棟1,2※，高廣磊1,2

（1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，水土保持國家林業(yè)和草原局重點實驗室，北京 100083；2. 寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，鹽池 751500；3. 中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091；4. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，呼和浩特 010010）

探究落葉期不同結(jié)構(gòu)喬灌木農(nóng)田防護林帶的空氣動力學(xué)特征，合理配置林帶結(jié)構(gòu)對于減輕風(fēng)季（10月-翌年5月）干旱、半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕災(zāi)害具有重要意義。該研究利用風(fēng)洞模擬技術(shù)，以“2行1帶”式喬灌木林帶為研究對象，按照1：100的縮尺比例，設(shè)計了不同疏透度、不同行距的林帶模型，分析不同結(jié)構(gòu)林帶的風(fēng)速廓線、防風(fēng)效能和有效防護比，揭示落葉期不同結(jié)構(gòu)林帶空氣流場特征和防風(fēng)效果。結(jié)果表明：喬、灌木林帶對空氣流場垂直結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不同影響，喬木林帶對氣流具有分層作用，風(fēng)影區(qū)位于林帶后5倍樹高處（5），灌木林帶對氣流具有抬升作用，風(fēng)影區(qū)緊鄰林帶；疏透度較低的林帶風(fēng)速削弱作用更明顯，疏透度45%、58%的喬木林帶主要防風(fēng)效能區(qū)間分別為20%～25%和15%～20%，疏透度36%、54%的灌木林帶主要防風(fēng)效能區(qū)間分別為10%～20%和5%～15%；在疏透度相近的條件下，行距對喬木林帶防護效果的影響較小，在相同防風(fēng)效能下不同行距喬木林帶的累積有效防護比相差不到5個百分點，行距對灌木林帶防護效果能產(chǎn)生較明顯的影響，4 cm行距灌木林帶相比2.5 cm行距林帶在相同防風(fēng)效能下的累積有效防護比高18～25個百分點；本研究中，喬木林帶和灌木林帶最優(yōu)配置均為低疏透度（喬木45%、灌木35%）寬行距（喬木6 cm、灌木4 cm）模式。因此，在干旱、半干旱地區(qū)構(gòu)建農(nóng)田防護林帶時，應(yīng)當(dāng)充分考慮林木落葉期的結(jié)構(gòu)特征，針對喬木、灌木各自的特點有針對性地進行搭配，在合理的林帶疏透度范圍內(nèi)，適當(dāng)增大林帶行距，以提高林帶的防風(fēng)能力，保障林木的健康生長。

試驗；風(fēng)洞；有效防護面積；防風(fēng)效能；林帶結(jié)構(gòu)；株行距；風(fēng)速廓線

0 引 言

全球每年由于荒漠化造成1 200萬hm2可耕地流失，中國干旱、半干旱地區(qū)地處受風(fēng)蝕荒漠化威脅的前沿地帶，由于氣候條件惡劣，農(nóng)田土壤風(fēng)蝕、沙化現(xiàn)象嚴(yán)重，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的生產(chǎn)生活造成了不利影響[1-2]。以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主要防護對象的農(nóng)田防護林能夠起到降低風(fēng)速、改善農(nóng)田小氣候環(huán)境的作用，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土等生態(tài)功能[3-5]。而研究農(nóng)田防護林帶結(jié)構(gòu)對空氣流場的影響，能夠為干旱、半干旱地區(qū)科學(xué)構(gòu)建農(nóng)田防護林提供理論依據(jù)。

林帶結(jié)構(gòu)是影響農(nóng)田防護林防風(fēng)能力的一個關(guān)鍵因素，而林帶結(jié)構(gòu)受多種因子影響[6]。已有研究表明，疏透度[7-9]、林分密度[10-12]、樹種組成[13-14]、配置方式[15-16]、林帶高度[12]、林帶寬度[17]、林帶間距[18-19]等結(jié)構(gòu)因子均對防護林的防風(fēng)能力具有不同程度的影響。其中，疏透度是影響林帶防風(fēng)能力的最為直接的因子，大部分研究通過調(diào)整林分密度來改變林帶的覆蓋度與疏透度。有研究認為，在一定覆蓋度范圍內(nèi)，林網(wǎng)內(nèi)的防護面積會隨著林帶覆蓋度的增加而增大，而當(dāng)林帶覆蓋度低于0.4時，植被的防風(fēng)固沙效果會受到嚴(yán)重影響[20-21]。然而從另一個角度考慮，受風(fēng)沙危害嚴(yán)重的地區(qū)水熱條件往往較為苛刻，難以承載高覆蓋度的樹木生長。進入21世紀(jì)后，國內(nèi)學(xué)者提出了低覆蓋度治沙理論，認為行帶式灌木配置的防護林具有規(guī)則穩(wěn)定的流場結(jié)構(gòu)，在較低密度下也能有效降低風(fēng)速并控制土壤風(fēng)蝕[22]。根據(jù)行帶式防護林的結(jié)構(gòu)特點，可以通過分別調(diào)整株間距和行間距來改變林帶的疏透度和林分密度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)較低林分密度和較低林帶疏透度的統(tǒng)一[23]。其中“2行1帶”式防護林配置具備良好的應(yīng)用前景，同時也是目前國家在干旱、半干旱區(qū)重點推廣的造林模式之一[24]。但該理論主要應(yīng)用于防風(fēng)固沙林，在農(nóng)田防護林中應(yīng)用較少。目前在國內(nèi)干旱、半干旱地區(qū)營造的農(nóng)田防護林仍多是以速生喬木樹種為主，灌木林的應(yīng)用則較少，有待于進一步研究。此外，大多數(shù)研究都是針對生長期的林木，而風(fēng)沙活動強烈的時期，同時也是農(nóng)田土壤最易遭受風(fēng)蝕侵害的時期，通常對應(yīng)林木的落葉期，落葉期防護林帶對空氣流場影響的相關(guān)研究則較為少見。

因此，本研究以落葉期的喬木與灌木農(nóng)田防護林為研究對象，利用風(fēng)洞模擬技術(shù)，探索不同株間距和行間距的“2行1帶”式農(nóng)田防護林帶的防風(fēng)能力，觀測其防護范圍內(nèi)的風(fēng)速廓線、防風(fēng)效能與有效防護面積，總結(jié)不同結(jié)構(gòu)喬木、灌木林帶的流場特征，以期為干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)田防護林的配置結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化建議。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備

本研究在北京林業(yè)大學(xué)位于鷲峰實驗林場的風(fēng)沙物理學(xué)試驗風(fēng)洞中進行，該風(fēng)洞為標(biāo)準(zhǔn)直流式低速氣動風(fēng)洞，主要由洞體和測控系統(tǒng)組成（圖1a、1b）。風(fēng)洞全長24.5 m，其中試驗段長12.0 m，橫截面0.6 m×0.6 m。根據(jù)TSI生產(chǎn)的IFA300型熱膜風(fēng)速儀監(jiān)測結(jié)果，風(fēng)洞內(nèi)側(cè)壁邊界層厚度小于0.05 m，截面內(nèi)具備足夠的空間進行模型試驗；風(fēng)洞試驗段底面邊界層厚度約0.25 m，滿足模型試驗要求[25]。試驗段全段鋪設(shè)3 mm厚ABS板材作為床面以固定模型。風(fēng)機風(fēng)速范圍3～40 m/s連續(xù)可調(diào)，有效截面風(fēng)速脈動小于1.5%。測控系統(tǒng)由變頻電機、控制柜、三維移測系統(tǒng)以及KIMO熱線風(fēng)速儀組成。熱線風(fēng)速儀依據(jù)熱平衡原理，利用放置在流場中的具有加熱電流的細金屬絲來測量流場中的流速，風(fēng)速變化會改變金屬絲的溫度，從而產(chǎn)生電信號獲得風(fēng)速[26]。

相比普通畢托管，熱線風(fēng)速儀能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測量，量程較大，靈敏度高，可測量0.15～3.00 m/s范圍的微風(fēng)速，精度為±0.03 m/s；大風(fēng)量程為3.1～30.0 m/s，精度為±0.1 m/s。三維移動測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對風(fēng)洞試驗段內(nèi)（沿風(fēng)洞軸向前后）、（橫截面左右）、（高度）3個方向上的風(fēng)速測量，其中可以根據(jù)需要測量300 cm的范圍，以風(fēng)洞中線為軸可以測量左右各25 cm范圍，可以測量0.8～30 cm高度內(nèi)任意高度處的風(fēng)速。為便于描述，本研究中方向以林帶所在位置為0，上風(fēng)向（林帶前）為負值，下風(fēng)向（林帶后）為正值，風(fēng)洞中軸處值取25 cm，軸以床面為0。

1.2 林帶模型設(shè)計

本研究采用塑膠仿真樹木模型，以抗旱、耐寒的鄉(xiāng)土樹種白榆（L.）和檸條（Kom.）分別作為喬木樹種和灌木樹種的原型，在設(shè)計上參考原型植株常見的大小及其冬季落葉期的形態(tài)，縮放比例為1:100，設(shè)置模型灌木樹高3 cm，冠幅直徑3 cm，喬木樹高10 cm，枝下高4 cm，冠幅直徑5 cm，林帶模型阻塞率小于5%，滿足風(fēng)洞模擬試驗幾何相似條件[25]。結(jié)合野外實測數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻[27]確認本研究的目標(biāo)風(fēng)速廓線，在風(fēng)洞內(nèi)設(shè)置尖劈及粗糙元（圖1a），在對照條件下觀測風(fēng)洞試驗段風(fēng)速廓線，與目標(biāo)廓線進行擬合，若決定系數(shù)（R）過小則調(diào)節(jié)尖劈和粗糙元的相對位置后重新觀測，直到R達到0.8以上[25]。本研究中最終采用的風(fēng)速廓線R達到了0.95，由公式（1）計算雷諾數(shù)Re=3.2×105，達到了自模擬范圍，滿足風(fēng)洞模擬試驗運動相似條件[25]。

式中Re為雷諾數(shù)；為額定風(fēng)速，本研究中為8 m/s；為流管當(dāng)量直徑，本風(fēng)洞為0.6 m；為空氣動力黏度，取試驗條件下近似值1.5×10-5m2/s。

以“2行1帶”式防護林作為基本配置，以株行距作為變量設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的林帶模型，根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《造林技術(shù)規(guī)程》（GB/T_15776-2016）關(guān)于造林密度的規(guī)定設(shè)計林帶的株行距（栽植距離，即樹干中點之間的距離）：喬木之間，寬距6 cm，窄距4 cm；灌木之間，寬距4 cm，窄距2.5 cm。分別根據(jù)不同的株距、行距進行搭配，按“品”字形布設(shè)樹木模型，用熱熔膠槍將其固定在床面上，得到喬木林帶模型4組，灌木林帶模型4組，共計8組不同結(jié)構(gòu)的林帶模型。通過數(shù)字圖像處理法[28]，在Adobe Photoshop CC平臺上統(tǒng)計林帶模型照片中前景色（樹木本體）或背景色（林帶孔隙）與林帶模型整體的像素值之比，計算不同林帶的疏透度和覆蓋度等參數(shù)，得到各林帶模型的基本參數(shù)（表1）。

1.3 風(fēng)速測定

為了直觀描述林帶相對防護距離，并與野外植被原型建立尺度轉(zhuǎn)換，軸方向上測點位置用仿真植株高度（）的倍數(shù)表示[17]。沿垂直和水平兩個平面觀測風(fēng)速，根據(jù)相關(guān)文獻[29]與預(yù)試驗風(fēng)速梯度變化規(guī)律布設(shè)測點。垂直面為了最大程度減小風(fēng)洞壁的邊際效應(yīng)影響，選擇沿風(fēng)洞中軸的垂直斷面，喬木林帶測點高度分布為1、2、3、4、6、8、10、12、14、16、20 cm，軸分布為-5、-3、-、、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、15；灌木林帶高度分布為1、2、3、4、6、10、14、20 cm，軸分布為?10、?5、?3、?、、3、6、9、12、15、20、25、30、40。選擇水平測量面時，優(yōu)先考慮對農(nóng)田土壤風(fēng)蝕影響更為直接的近地表高度，結(jié)合測量儀器的尺寸以及模型相似比，選擇距床面2 cm高度水平斷面作為水平測量面，該高度對應(yīng)野外高度為2 m，距離地表較近，同時也便于與領(lǐng)域內(nèi)其他研究相互對照[26]，軸在0～50 cm范圍內(nèi)，按照5 cm間隔設(shè)置測點，喬木林帶軸測點分布為?5、?3、?、、3、5、7、9、11、13、15，灌木林帶為?10、?5、?3、?、、3、5、7、9、11、13、15、20、25、30、40。

表1 不同結(jié)構(gòu)林帶模型基本參數(shù)

通過三維移測系統(tǒng)移動風(fēng)速儀（圖1c），測定凈風(fēng)流場，風(fēng)速儀1 s可記錄一個瞬時風(fēng)速，每個測點停留30 s取平均值作為該點測定風(fēng)速。以風(fēng)洞中軸面25 cm高度處測得的8 m/s的風(fēng)速值作為額定風(fēng)速，該風(fēng)速對應(yīng)實際風(fēng)力5級以上，可造成土壤風(fēng)蝕，是干旱、半干旱地區(qū)野外常見的風(fēng)速[29]。觀測空風(fēng)洞中試驗段橫截面的各測點風(fēng)速作為對照風(fēng)速（CK）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 風(fēng)速廓線模擬

在本研究中，風(fēng)洞內(nèi)部氣流不存在溫度梯度，呈中性層結(jié)，在對照條件下風(fēng)速廓線滿足速度對數(shù)分布律[28,30]，如公式（2）。

本研究中以空風(fēng)洞下的風(fēng)速廓線作為對照，經(jīng)測定計算得對照條件下摩阻流速為0.244 m/s。在設(shè)置好林帶模型后，根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)繪制風(fēng)速廓線圖，并進行對數(shù)擬合計算。風(fēng)速數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)統(tǒng)計與風(fēng)速廓線圖像的繪制在Microsoft Excel 2013中完成，對數(shù)擬合系數(shù)的計算在IBM SPSS Statistics 22.0平臺上完成。

1.4.2防風(fēng)效能計算

防風(fēng)效能是衡量林帶對氣流削減程度的重要指標(biāo)[28,30]，其計算公式如下：

本研究對防風(fēng)效能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計在Microsoft Excel 2013中完成，利用Golden Software Surfer 13.0進行數(shù)據(jù)的可視化處理，以實際測點為基礎(chǔ)，采用KRIGING插值法進行插值[29]，根據(jù)測點分布，為便于描述與對比，設(shè)定插值范圍為：軸喬木林帶為?6～16（?60～160 cm），灌木林帶為?10～40（?30～120 cm）；軸為0～50 cm；軸為0～30 cm。

1.4.3 有效防護面積計算

林帶的存在改變了空氣流場分布，具有一定的防風(fēng)效能，在林帶前后不同位置的防風(fēng)效能也存在不同，達到某防風(fēng)效能區(qū)間的區(qū)域面積稱為該防風(fēng)效能區(qū)間對應(yīng)的有效防護面積，達到或高于某防風(fēng)效能值的面積占防護區(qū)（測定區(qū)域）總面積的比例稱為該防風(fēng)效能對應(yīng)的累積有效防護比[29]，計算如式（4）。有效防護比能夠更加直觀地反應(yīng)林帶對空氣流場的影響程度和涉及的區(qū)域面積。

式中()為防風(fēng)效能大于等于時的累積有效防護比，%；S為防風(fēng)效能區(qū)間為的有效防護面積，cm2；max為林帶后防風(fēng)效能最高值，%；0為防護區(qū)（測定區(qū)域）總面積，cm2。

在防風(fēng)效能可視化的基礎(chǔ)上，本研究利用Adobe Photoshop CC平臺對不同結(jié)構(gòu)防護林帶在不同防風(fēng)效能下對應(yīng)的有效防護面積進行測度，在Microsoft Excel 2013中完成有效防護比的計算與圖像的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)林帶風(fēng)速廓線特征

由喬木林帶的風(fēng)速廓線圖（圖2）可以看出，對照、?3以及15處的風(fēng)速廓線接近對數(shù)曲線，通過對數(shù)擬合可知其符合對數(shù)分布律（表2，<0.05），其中對照及林帶前（?3處）風(fēng)速廓線擬合優(yōu)度較高，達0.949～0.974，15處為0.809～0.853。氣流在林帶前（?3處）風(fēng)速分布與對照相似，但整體偏低。在穿過林帶后風(fēng)速廓線發(fā)生了明顯的變化：3處0～5 cm高度范圍內(nèi)風(fēng)速隨高度的增加而大幅降低，5 cm以上風(fēng)速隨高度的增加而快速升高，到10 cm左右風(fēng)速廓線的走勢逐漸與對照趨于一致，略高于對照。隨著與林帶距離的增大，近地表風(fēng)速逐漸降低，0～5 cm以內(nèi)風(fēng)速隨高度升高而降低的幅度也逐漸緩和。到林帶后15時，風(fēng)速廓線逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱握{(diào)遞增曲線，風(fēng)速隨高度的升高而逐漸增大。

不同結(jié)構(gòu)灌木林帶不同位置處風(fēng)速廓線均滿足對數(shù)分布律（表2，<0.01），擬合優(yōu)度均在0.9以上。由灌木林帶的風(fēng)速廓線特征（圖3）可以看出，氣流在林帶前（-3處）風(fēng)速分布特征與對照相似，整體相差不大，略低于對照。在穿過林帶后，近地表風(fēng)速明顯降低，3處0～3 cm范圍內(nèi)風(fēng)速明顯低于對照，同時隨高度的升高而大幅增加，到3 cm以上風(fēng)速逐漸增大到與對照相同的水平。隨著與林帶距離的增大，風(fēng)速廓線斜率逐漸增大，近地表（0～3 cm范圍內(nèi)）風(fēng)速逐漸增大。

表2 不同結(jié)構(gòu)林帶前后不同距離處風(fēng)速廓線對數(shù)擬合系數(shù)

2.2 不同結(jié)構(gòu)林帶防風(fēng)效能

2.2.1 不同結(jié)構(gòu)林帶防風(fēng)效能垂直分布特征

由圖4所示，根據(jù)防風(fēng)效能高低，可將不同結(jié)構(gòu)林帶防風(fēng)效能的垂直分布劃分出如下幾個區(qū)域：林帶前減速區(qū)（區(qū)域1），林帶后風(fēng)影區(qū)（區(qū)域2），林帶后加速區(qū)（區(qū)域3），中性區(qū)（區(qū)域4）。

喬木林帶區(qū)域1位于林帶前5距離內(nèi)，大致呈現(xiàn)出距離林帶越近、越靠近地表，防風(fēng)效能越高的趨勢。區(qū)域2位于林帶后，影響范圍超過15，高度在10 cm以內(nèi)，其中1到8距離區(qū)間，防風(fēng)效能隨高度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，防風(fēng)效能峰值出現(xiàn)在林冠高度（5～8 cm）范圍內(nèi)，低疏透度林帶（林帶2、4，疏透度約45%）防風(fēng)效能值可達30%以上，高疏透度林帶（林帶1、3，疏透度約58%）在20%以上；在林帶后8距離之后，防風(fēng)效能的最高值逐漸貼近地表，并隨著高度的增加逐漸降低。區(qū)域3位于林帶后高度10 cm以上，并隨著距離的增加逐漸升高，該區(qū)域防風(fēng)效能出現(xiàn)了負值，說明防護林帶對林帶后高空處氣流產(chǎn)生了一定的加速作用。喬木林帶沒有明顯的區(qū)域4分布。

灌木林帶區(qū)域1位于林帶前6距離內(nèi)，10 cm高度范圍內(nèi)，防風(fēng)效能隨高度增加而降低，整體防風(fēng)效能值不高，低疏透度林帶（林帶6、8，疏透度約36%）近地表防風(fēng)效能值為10%，高疏透度林帶（林帶5、7，疏透度約54%）為5%。區(qū)域2位于林帶后20范圍內(nèi)，3 cm高度范圍內(nèi)，防風(fēng)效能峰值出現(xiàn)在林帶后1到10范圍內(nèi)近地表處，高疏透度林帶可達15%～20%，低疏透度林帶可達20%～30%；隨著高度的增加，區(qū)域2內(nèi)防風(fēng)效能值快速降低，在3 cm高度處降低至5%以下。區(qū)域3位于林帶后10距離內(nèi)，5～20 cm高度范圍中，防風(fēng)效能出現(xiàn)負值，風(fēng)速有一定程度的增加。除了前3個區(qū)域以外的其他區(qū)域為區(qū)域4，風(fēng)速相比對照沒有明顯變化，林帶對該區(qū)域氣流影響不大。

2.2.2 不同結(jié)構(gòu)林帶防風(fēng)效能水平分布特征

農(nóng)田防護林的主要防護對象是位于地表的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，因此考察防護林在近地表范圍內(nèi)的防風(fēng)效能具有重要意義。不同結(jié)構(gòu)林帶防風(fēng)效能的水平分布（圖5）可以劃分為：林帶前減速區(qū)（區(qū)域1），林帶后減速區(qū)（區(qū)域2），林帶后風(fēng)影區(qū)（區(qū)域3），林帶后恢復(fù)區(qū)（區(qū)域4）。

喬木林帶區(qū)域1位于林帶前6距離內(nèi)，風(fēng)速平穩(wěn)下降，穿過林帶后到達區(qū)域2（林帶后5距離內(nèi)），風(fēng)速削減，防風(fēng)效能大幅提高，隨即在區(qū)域3內(nèi)（林帶后5之后）維持在一個相對比較高的水平上，形成較大范圍的風(fēng)影區(qū)域。林帶2、4（疏透度較低，約45%）風(fēng)影區(qū)防風(fēng)效能可達22%以上，其中林帶4（行距6 cm，較寬）防風(fēng)效能更高，可達27%；林帶1、3（疏透度較高，約58%）風(fēng)影區(qū)防風(fēng)效能可達16%～20%，不同行距林帶差別不大。

灌木林帶區(qū)域1位于林帶前5距離內(nèi)，風(fēng)速平穩(wěn)下降，穿過林帶后防風(fēng)效能迅速升高，不再有區(qū)域2，而直接形成一定范圍的風(fēng)影區(qū)（區(qū)域3），其中林帶6、8（疏透度較低，約36%）風(fēng)影區(qū)在林帶后16距離內(nèi)，林帶5（疏透度較高，約54%；行距較寬，4 cm）風(fēng)影區(qū)位于林帶后10距離內(nèi)，林帶7（疏透度約54%，行距2.5 cm）則沒有明顯的風(fēng)影區(qū)。之后風(fēng)力有所恢復(fù)，但相比對照依然有所減弱，形成較大面積的恢復(fù)區(qū)。林帶6、林帶8風(fēng)影區(qū)防風(fēng)效能可達18%以上，恢復(fù)區(qū)防風(fēng)效能可維持在13%~18%，不同行距林帶相差不大；林帶7沒有明顯的風(fēng)影區(qū)，恢復(fù)區(qū)防風(fēng)效能可維持在6%～14%，林帶5風(fēng)影區(qū)防風(fēng)效能可達17%以上，恢復(fù)區(qū)可維持在8%～17%。

2.3 不同結(jié)構(gòu)林帶的有效防護面積

不同結(jié)構(gòu)林帶達到一定防風(fēng)效能時所對應(yīng)的有效防護面積有所不同。如圖6所示，對于喬木林帶而言，林帶1和林帶3（疏透度58%）處于15%～20%防風(fēng)效能區(qū)間的有效防護面積較大，防風(fēng)效能達到15%的累積有效防護比分別為68.80%和73.26%，不同行距林帶相差不到5個百分點；林帶2和林帶4（疏透度45%）則有較大面積集中于20%～25%防風(fēng)效能區(qū)間，達到20%防風(fēng)效能的累積有效防護比分別為69.84%和69.58%，不同行距林帶相差無幾。對于灌木林帶而言，林帶5和林帶7（疏透度54%）防護區(qū)中處于5%～15%防風(fēng)效能區(qū)間的有效防護面積較大，達到10%防風(fēng)效能的累積有效防護比分別為64.06%和39.14%，4 cm行距林帶比2.5 cm行距林帶高將近25個百分點；林帶6和林帶8（疏透度36%）則主要集中于10%～20%防風(fēng)效能區(qū)間，15%以上防風(fēng)效能的累積有效防護比分別為28.66%和46.42%，4 cm行距林帶比2.5 cm行距林帶高將近18個百分點。

3 討 論

3.1 株距與行距對林帶防風(fēng)能力的影響

喬木林帶防風(fēng)能力主要受疏透度影響，對行距的響應(yīng)并不明顯。株距是影響林帶疏透度的關(guān)鍵要素，低疏透度林帶的防風(fēng)效能普遍高于高疏透度林帶，與以往的研究結(jié)論相符[31]。對灌木的研究結(jié)果表明，行距對灌木林帶下風(fēng)向流場分布具有一定影響，寬行距灌木林帶對風(fēng)速的削減能力優(yōu)于窄行距灌木林帶，防風(fēng)效能較高，防護面積也更大。這種現(xiàn)象可能是由于寬行距林帶在沿風(fēng)向方向上沒有林冠重疊，氣流通過林帶時需要完整穿越兩行林冠，林冠對氣流的摩擦消能作用相比有林冠重疊的窄行距林帶發(fā)揮更為充分。行距的增加同時能夠在一定程度上降低林帶范圍內(nèi)的林分密度，從而更有利于林帶適應(yīng)干旱、半干旱地區(qū)干燥缺水的氣候條件，提高林木的成活率并降低養(yǎng)護成本[24]，因此對于防護效果接近的林帶，可優(yōu)先選擇寬行距林帶。

3.2 落葉期農(nóng)田防護林對空氣流場的影響特點

本研究中近地表風(fēng)速在林帶后隨距離的增大呈先減小后趨于穩(wěn)定再略有恢復(fù)的趨勢，與相關(guān)研究的規(guī)律一致[17,32-33]，但與枝葉完整的林帶相比防風(fēng)效能較低，說明林木枝葉完整性對流場結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律影響不大，但對防護林帶的防風(fēng)能力則有較大影響。有葉林帶由于疏透度較低，氣流被阻擋，疏透度因子占據(jù)了主導(dǎo)作用，導(dǎo)致空氣流場對其他結(jié)構(gòu)因子的響應(yīng)不夠明顯，行距的改變不足以影響到空氣的流場結(jié)構(gòu)；而落葉期林帶疏透度偏高，空氣流場對其他結(jié)構(gòu)因子，比如行距的改變，也能有一定的響應(yīng)。今后對此現(xiàn)象可以進一步研究與探索。干旱區(qū)風(fēng)季（10月-翌年5月）多為植被的落葉期，單純以林木夏季相作為研究對象，難免會在生產(chǎn)實踐應(yīng)用時產(chǎn)生偏差[34]。因此在農(nóng)田防護林帶結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)充分考慮林木落葉期時的形態(tài)特征，除了林帶疏透度，還應(yīng)該綜合考慮其他結(jié)構(gòu)因子的影響，灌木林帶可適當(dāng)增加行距，充分發(fā)揮林帶冠層的消能作用。

4 結(jié) 論

1）喬木林帶對氣流有阻滯、分層作用，林帶后枝下高范圍內(nèi)形成了逆速層，最低風(fēng)速位于林冠層高度范圍內(nèi)（5 cm）；水平方向上，風(fēng)影區(qū)出現(xiàn)在林帶后5（50 cm）距離之后，防風(fēng)效能可達16%～27%；灌木林帶對氣流有一定的阻滯、抬升作用，近地表高度范圍內(nèi)（0～3 cm）風(fēng)速明顯降低；水平方向上，風(fēng)影區(qū)緊鄰林帶分布，防風(fēng)效能為6%～18%。

2）低疏透度林帶的防護效果優(yōu)于高疏透度林帶；疏透度相近的條件下，不同行距喬木林帶的防護效果相差不大，而對于灌木林帶而言，寬行距（4 cm）林帶的防護效果優(yōu)于窄行距（2.5 cm）林帶；基于干旱、半干旱地區(qū)干燥缺水的立地條件，對于防風(fēng)效果相近的林帶，優(yōu)先選擇較低密度或覆蓋度的林帶結(jié)構(gòu)，即窄株距寬行距模式。

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Wind-tunnel tests study of shelter effects of deciduous farmland shelterbelts in arid and semi-arid areas

Sai Ke1,2, Zhao Yuanyuan1,2, Bao Yanfeng3, Liu Chenming4, Ding Guodong1,2※, Gao Guanglei1,2

(1.,100083,; 2.751500; 3.100091; 4.,, 010010,)

Shelterbelts can be expected to effectively reduce wind erosion of farmland soil in the wind season in arid and semi-arid lands. In this study, a systematic investigation was made to explore the aerodynamic characteristics, such as wind profile, shelter efficiency and effective protection ratios, of arbor and shrub farmland shelterbelts with deciduous features using wind-tunnel simulation. Based on the 2-row-1-belt pattern, 8 arbor/shrub shelterbelt models were manufactured at a scale of 1:100, according to different porosity (arbors of 45% and 58%, while shrubs of 35% and 54%), and row spacing (arbors of 4 and 6 cm, while shrubs of 2.5 and 4 cm). An attempt was made to analyze the influence of shelterbelt structure on the windproof capacity of farmland shelterbelts with deciduous aspect by measuring the mentioned aerodynamic characteristics, where the wind field of empty wind-tunnel (CK) was measured as well. The results showed that the arbor and shrub shelterbelts affected the vertical structure of the wind field in different ways. Specifically, the airflow was stratified by the arbor belts with the wind shadow located 5behind the belts, while lifted by the shrub belts with the wind shadow adjacent to the belts. Porosity exerted more impact than row spacing on the windproof capacity of shelterbelts. The shelterbelts with low porosity provided greater shelter efficiency than those with high porosity, where the major shelter efficiency intervals of dense arbors, sparse arbors, dense shrubs, and sparse shrubs were 20%-25%, 15%-25%, 10%-20%, and 5%-15%, respectively. In the deciduous shelterbelts with similar porosity, the row spacing exerted little effect on the windproof capacity of arbor belts, but influenced that of the shrub belts. The difference in the cumulative effective protection ratio of arbor belts with different row spacing was generally within 5 percentage points at the major shelter efficiency. Nevertheless, the cumulative effective protection ratio of shrub belts with a row spacing of 4 cm was 18-25 percentage points higher than that of shrub belts with a row spacing of 2.5 cm. The shelterbelt porosity, which can be adjusted by plant spacing, played an important role in the windbreak. Furthermore, the shelter efficiency of shelterbelts with low porosity (arbors of 45% and shrubs of 35%) was greater than that with high porosity (arbors of 58% and shrubs of 54%). The proposed model of low porosity (arbors of 45% and shrubs of 35%) and wide row spacing (arbors of 6 cm and shrubs of 4 cm) was suitable for a kind of shelterbelt structure considering simultaneously the windproof capacity and the site conditions in arid and semi-arid lands. Therefore, a strong recommendation was made to scientifically match the structural characteristics of deciduous shelterbelts. Within a reasonable density range, the row spacing can be used to improve the windproof capacity of farmland shelterbelts.

experiment; wind-tunnel; effective protection area; shelter efficiency; shelterbelt structure; plant and row spacing; wind profile

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2020-10-11

2021-02-17

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0500802）；國家自然科學(xué)基金項目（31600581）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展項目“渾善達克沙地生態(tài)文化產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”

賽克，博士生，主要研究方向為荒漠化防治。Email：sykee168@sina.com

丁國棟，博士，教授，主要研究方向為荒漠化防治。Email：dch1999@263.net

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.018

S721

A

1002-6819(2021)-05-0157-09