不同帶距防護林網(wǎng)及林網(wǎng)中不同植被防風(fēng)效能的風(fēng)洞模擬

桑巴葉，阿通古麗·買買提，陳啟民

(1.新疆林業(yè)科學(xué)研究院 造林治沙研究所，新疆 烏魯木齊 830063；2.新疆精河荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，新疆 精河 833300；3.庫爾勒市香梨研究中心，新疆 庫爾勒 814000)

農(nóng)田防護林是減少農(nóng)作物遭受風(fēng)沙危害的一道綠色安全屏障，對有效改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和田間小氣候具有十分重要的意義。其作用主要體現(xiàn)在削弱綠洲內(nèi)的風(fēng)速，阻止流沙危害，保障綠洲生態(tài)安全[1-2]。國內(nèi)外有關(guān)防護林林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速分布的研究較多，主要圍繞防護林的結(jié)構(gòu)、疏透度、透風(fēng)系數(shù)、樹種組成、配置方式、林分密度、林帶行數(shù)、林帶高度、寬度，與風(fēng)向夾角和空間配置等方面做了大量工作[3-13]。楊文斌等[14]對覆蓋度20%左右的不同水平配置格局的灌木叢內(nèi)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)及固沙效果進行了風(fēng)洞模擬試驗，得出行帶式配置具有非常顯著的削弱風(fēng)速的作用，風(fēng)速減弱36%～43%。董慧龍等[15]在風(fēng)洞模擬中測量了不同覆蓋度防護林帶水平、垂直空間的田間風(fēng)速變化，按影響大小劃分為4個變化層。梁海榮等[16]通過對單行一帶和兩行一帶喬木林帶前后風(fēng)速進行了風(fēng)洞模擬試驗，得出單行林帶前對風(fēng)速削弱程度高于兩行一帶林帶，但是林帶后的風(fēng)速削弱情況則是兩行一帶林帶高于單行一帶。W.Z.Zhaoetal[17]通過測定河西走廊不同防護體系下的輸沙率、風(fēng)速等諸多數(shù)據(jù)，得出由秸稈草方格、植被固沙帶和農(nóng)田防護林共同組成的防護體系防風(fēng)效能可達70%，并能阻擋氣流中96%的流沙。范志平等[18]通過對農(nóng)田防護林網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)場分析，得出網(wǎng)狀配置的防護林林帶防護效果最佳，林帶內(nèi)最低風(fēng)速出現(xiàn)在林緣4～8H范圍。鄭波等[19]研究農(nóng)田防護林網(wǎng)中種植棗樹等植株高大作物時，防護林風(fēng)場特征及防風(fēng)效能，得出高大作物(棗樹)對林帶前后流場均具有顯著影響，尤其是林帶后近地面風(fēng)速削減程度較大。目前農(nóng)田林網(wǎng)中的不同植被(作物)在不同風(fēng)速下的防風(fēng)效能與林網(wǎng)協(xié)同配置的研究較少，相關(guān)不同帶距防護林風(fēng)場研究更少。

因此，為進一步掌握不同帶距林網(wǎng)和林網(wǎng)中植被對整個林網(wǎng)內(nèi)近地面風(fēng)速影響，本研究通過空間多點觀測，分析農(nóng)田防護林高度范圍內(nèi)的風(fēng)場及防風(fēng)效能，了解不同帶距林網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)場，揭示農(nóng)田防護林網(wǎng)協(xié)同植被對農(nóng)田風(fēng)速運移變化所產(chǎn)生的作用，掌握林網(wǎng)內(nèi)不同植被的整體防風(fēng)效能，以期為今后綠洲防護林建設(shè)配置提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備

本試驗于2018年10月在中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所風(fēng)洞實驗室進行。該實驗室位于莫索灣沙漠研究站。風(fēng)洞為直流開口吹氣式，全長16.2 m，試驗段長8 m，試驗段截面為矩形，寬1.3 m，高1 m，高寬比為1.3，試驗段采用側(cè)壁擴散式結(jié)構(gòu)，每側(cè)壁擴散角0.2°，動力裝置采用變頻電動機，通過調(diào)節(jié)電流頻率來調(diào)節(jié)風(fēng)速。風(fēng)速測量采用畢托管(KIMO TPL-03-300)、微壓傳感器(C239)和風(fēng)洞系統(tǒng)配套軟件。

模型固定于試驗段入口下風(fēng)向1 m處風(fēng)洞底板中軸線上，垂直及45°于來流方向。以模型迎風(fēng)坡坡腳所在位置為0，在其上風(fēng)向、林網(wǎng)和下風(fēng)向觀測點布設(shè)移測架，試驗條件下附面層厚度(δ)>15 cm，模型高度均在附面層內(nèi)。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗材料 試驗?zāi)Ｐ陀扇嵝运芰匣ㄖ瞥桑雷o林樹種為新疆楊(Populusalbavar.pyramidalis)，單株楊樹模型高16.0 cm，冠幅為2.5 cm×2.5 cm，株行距為1.5 cm×2 cm，為4行楊樹防護林，疏透度為33.1%；林網(wǎng)中果樹選用南疆常用樹種核桃(Juglansregia)為試驗?zāi)Ｐ?，模型高度?0 cm，冠幅為6 cm×6 cm，株行距為6 cm×8 cm；小麥(Triticumaestivum)模型高度為0.8 cm。模型與實物的尺寸比例1∶100。

1.2.2 模型設(shè)置 主林帶間距為150、200 m和300 m，設(shè)置風(fēng)速為8 m·s-1。

主林帶間距300 m的林網(wǎng)中布設(shè)果樹和小麥等植被，對照為裸地。設(shè)置風(fēng)速為8、10、14 m·s-1。

1.2.3 測點布設(shè) 移測架上皮托管安裝中心與風(fēng)洞底板距離分別為：1、2、3、5、7、10、15、30 cm。林網(wǎng)前后水平測點均為-10、-5、-2、-1、0H(為第1道林帶，林帶中有3個測點，H為樹高)、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20H(150 m和300 m帶距防護林測點布設(shè)至20H，200 m帶距布設(shè)至18H)。150 m帶距防護林第2道林帶位于9H，200 m帶距位于12H，300 m帶距位于18H，林帶中設(shè)有3個測點。H為林帶高度，“-”符號為林帶前。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 防風(fēng)效能利用公式(1)計算[17]，計算結(jié)果平均值為該點防風(fēng)效能。

Exz=(U0,z-Ux,z)/U0,z×100%

(1)

式中:Ux,z為距離林帶為x、高度為z處的時間平均風(fēng)速；U0,z為試驗轉(zhuǎn)速下高度z的初始風(fēng)速；Exz為距離林帶為x、高度為z處的防風(fēng)效能。

在設(shè)定的風(fēng)速條件下采集風(fēng)速數(shù)據(jù)，同一測點停留5 min，每1 s記錄1次數(shù)據(jù)，求出平均值，并用防風(fēng)效能公式計算出防風(fēng)效能，根據(jù)試驗結(jié)果，采用Sufer 11繪制風(fēng)場圖和防風(fēng)效能靠等值線圖。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同帶距防護林風(fēng)場及防風(fēng)效能差異

2.1.1 風(fēng)場分析 林帶是氣流運動中的障礙物，當運動的氣流遇到林帶受阻后，風(fēng)場結(jié)構(gòu)發(fā)生較為復(fù)雜變化。為了掌握試驗風(fēng)速8 m·s-1下3種帶距防護林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速的空間變化，繪制了風(fēng)場圖(圖1)。由圖1可見，3種帶距林網(wǎng)基本規(guī)律是大部分氣流被迫抬升，從林帶上空越過，形成風(fēng)速的增值區(qū)，在林帶背風(fēng)面的風(fēng)速出現(xiàn)明顯的降低。在影響林網(wǎng)系統(tǒng)防風(fēng)作用的許多因素中，林帶間距是最重要的因素之一。由于林帶間距不同而組成了不同規(guī)格的林網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)格內(nèi)風(fēng)速的降低情況差異較大。3種帶距林網(wǎng)最低風(fēng)速基本都出現(xiàn)在5.5～7.5H，低于林帶高度(16 cm)范圍內(nèi)的平均風(fēng)速為1.0～1.7 m·s-1。150 m帶距間距較短，風(fēng)速處在低值，尚未上升又進入下一道林帶，第2道林帶位于9H處，帶前風(fēng)速為1.2 m·s-1；200 m帶距林帶最低風(fēng)速出現(xiàn)在6H，風(fēng)速為1.2 m·s-1，第2道林帶位于12H，林帶前風(fēng)速2.3 m·s-1，為試驗風(fēng)速的28.3%，風(fēng)速稍有上升；300 m帶距林帶最低風(fēng)速出現(xiàn)在5H，風(fēng)速為1.0 m·s-1，第2道林帶位于18H，林帶前風(fēng)速為3.5 m·s-1，為試驗風(fēng)速的44.3%。

由于多條林帶的互相影響，以及進入下一條林帶風(fēng)速的降低，促使后面林帶的防風(fēng)作用得以提高，從而表現(xiàn)了綜合防風(fēng)作用效果。150 m帶距林網(wǎng)第2道林帶后1～2H處平均風(fēng)速為試驗風(fēng)速的74.4%，較第1道林帶相同位置降低46.15%；200 m帶距和300 m帶距林網(wǎng)同樣情況，第2道林帶后1～2H處風(fēng)速分別為試驗風(fēng)速的74.7%和71.2%，較第1道林帶分別降低32.4%和26.0%。

2.1.2 防風(fēng)效能 試驗風(fēng)速8 m·s-1下，3種帶距防護林網(wǎng)低于林帶高度(16 cm)范圍內(nèi)的防風(fēng)效能等值線見圖2，3種帶距林網(wǎng)防風(fēng)效能趨勢基本相同，林帶后均急劇上升，達到高峰后再緩慢下降。150 m帶距林網(wǎng)中7～16 cm高度全區(qū)段防風(fēng)效能均>60%，1～5 cm高度4～9H(第2道林帶)范圍防風(fēng)效能也>60%；200 m帶距林網(wǎng)中5～16 cm高度全區(qū)段防風(fēng)效能均>63%，1～3 cm高度3～12H(第2道林帶)范圍防風(fēng)效能>64%；300 m帶距林網(wǎng)3～18H(第2道林帶)防風(fēng)效能基本>50%。

防護林網(wǎng)中農(nóng)作物是營造農(nóng)田防護林的主要目的。農(nóng)作物一般高度為1 m左右(模型高度為1 cm)，故本試驗防風(fēng)效能比對點選擇在1 cm高度處，做出防風(fēng)效能曲線圖(圖3)。由圖3可看出，150 m帶距防風(fēng)效能最高值出現(xiàn)在7H處，4～9H防風(fēng)效能在69.9%～93.4%，第2道林帶后1H和2H處的防風(fēng)效能較第1道林帶有較大幅度提高，由第1道林帶1、2H防風(fēng)效能10.9%和17.9%分別提高至72.2%和83.8%，達6.6倍和4.7倍，削弱程度明顯；200 m帶距和300 m帶距林網(wǎng)從3H后至第2道林帶，防風(fēng)效能基本都>50.0%，第2道林帶后1、2H處防風(fēng)效能跟150 m帶距相同，均高于第1道林帶后相同位置，分別高出3.0～3.5倍。3種帶距林網(wǎng)第2道林帶處風(fēng)速均上升，是因為氣流遇到林帶時大部分氣流從林帶上空越過，形成風(fēng)速的增值區(qū)，所以此處的防風(fēng)效能隨著降低。

2.2 不同試驗風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)不同植被風(fēng)場及防風(fēng)效能差異

2.2.1 風(fēng)場分析 試驗風(fēng)速8、10、14 m·s-1條件下，300 m帶距防護林網(wǎng)內(nèi)種植果樹模式、小麥模式和裸地(CK)的風(fēng)場見圖4。

在3組試驗風(fēng)速下，林帶高度(16 cm)范圍內(nèi)平均風(fēng)速變化進行詳細分析比較，由圖4可見，林網(wǎng)中有無植被對風(fēng)場變化影響較大，植被增加下墊面的摩阻作用，協(xié)同林帶削弱風(fēng)速，防風(fēng)作用顯著增加。在8 m·s-1風(fēng)速下，果樹協(xié)同林帶防護，背風(fēng)面2～12H范圍內(nèi)使平均風(fēng)速降低到2 m·s-1以下；小麥模式低于2 m·s-1風(fēng)速范圍為3～9H；CK為4～7H。在10 m·s-1和14 m·s-1風(fēng)速下，果樹模式2 m·s-1以下風(fēng)速范圍為3～10H；小麥模式為3～8H；CK為4～8H。

隨著風(fēng)速增大，林帶協(xié)同網(wǎng)中植被的防風(fēng)作用得到相應(yīng)的提高，有植被比對照風(fēng)速消減程度明顯。14 m·s-1風(fēng)速下，果樹模式和小麥模式最低風(fēng)速出現(xiàn)在8H處，分別為1.3、1.6 m·s-1，降低風(fēng)速90.9%、88.4%，隨后風(fēng)速逐漸上升，到第2道林帶(18H)時分別上升至5.3、5.8 m·s-1；CK最低風(fēng)速在6H處，隨后上升較快，14H時已達7.1 m·s-1。

風(fēng)速經(jīng)過第1道林帶到達第2道林帶時削弱程度各有差異，14 m·s-1風(fēng)速下，果樹模式第2道林帶處作物高度(1 cm)風(fēng)速降低81.4%，小麥模式降低63.1%，CK為58.2%；10 m·s-1風(fēng)速下，果樹模式降低92.0%，小麥模式降低60.7%，CK為58.9%；8 m·s-1風(fēng)速下，果樹模式降低88.8%，小麥模式降低64.0%，CK為61.2%。遇到第2道林帶的阻擋，氣流運動再次被削弱，隨著風(fēng)速降低。14 m·s-1風(fēng)速下，果樹模式第2道林帶后1～2H處風(fēng)速較第1道林帶相同位置降低61.8%，小麥模式降低30.9%，CK為19.1%；10 m·s-1風(fēng)速下，果樹模式降低90.7%，小麥模式降低29.7%，CK為21.3%；8 m·s-1風(fēng)速下，果樹模式降低76.0%，小麥模式降低23.9%，CK為22.9%。

2.2.2 防風(fēng)效能 低于林帶高度(16 cm)范圍內(nèi)的防風(fēng)效能等值線見圖5，1 cm高度處防風(fēng)效能曲線見圖6。

林網(wǎng)中植被對林帶防風(fēng)效能具有明顯提升作用，特別是果樹類高大作物防風(fēng)效能提升幅度很大。由圖5可看出，氣流穿過林帶時受林冠阻擋，進入林網(wǎng)內(nèi)再次被高大果樹受阻。因此，林網(wǎng)內(nèi)種植果樹模式防風(fēng)效能最大，優(yōu)于小麥模式和對照，8 m·s-1風(fēng)速下，林網(wǎng)中僅1H處防效為43%，其余均>50%， 最佳防風(fēng)效能出現(xiàn)在帶后2～18H距離10 cm高度以下范圍，防效為65%～92%；10 m·s-1和14 m·s-1風(fēng)速下仍有較高的防效，除了1H處所有高度和其他區(qū)段林冠高度處(10～16 cm)防效相對較低外，其他部位防效均高，均>55%。林網(wǎng)內(nèi)種植小麥模式防效雖弱于果樹模式，但是較對照仍有一定的防效，隨著風(fēng)速的增加防風(fēng)效能明顯提高，8 m·s-1風(fēng)速下平均防風(fēng)效能較對照增加4.9%～20.6%，10 m·s-1和14 m·s-1風(fēng)速下較對照分別增加5.3%～28.0%、5.1%～29.0%。就林網(wǎng)中每一層高度防風(fēng)效能而言，1 cm處防效最高，2 cm次之，林冠層(10 cm以上)防效最低。

由圖6中可看出，不同風(fēng)速下，林網(wǎng)內(nèi)種植果樹模式1 cm高度處防風(fēng)效能最大，小麥模式次之，對照最小。8 m·s-1風(fēng)速下，果樹模式平均防風(fēng)效能較對照增加21.8%，小麥增加10.5%；10 m·s-1風(fēng)速下，果樹模式增加30.6%，小麥增加16.7%；14 m·s-1風(fēng)速下，果樹模式增加30.8%，小麥增加18.1%。

2.3 有效防護距離

林帶有效防護距離為林帶背風(fēng)面風(fēng)速恢復(fù)到對照風(fēng)速50%時與林帶之間的距離，用林帶高度表示(H)[10]。選取3種帶距林網(wǎng)，在8 m·s-1風(fēng)速下的林帶背風(fēng)面1 cm高度處降低風(fēng)速率(林帶背風(fēng)面風(fēng)速與同等高度對照風(fēng)速之比)進行分析比較，進而得出林帶有效防護距離。由圖7可知，林帶有效防護距離分別為150 m帶距4H至第2道林帶，200 m帶距和300 m帶距均為3H至至第2道林帶。3組試驗風(fēng)條件下，300 m帶距防護林不同植被林網(wǎng)內(nèi)降低風(fēng)速率比較分析結(jié)果得出(圖8)，果樹模式林網(wǎng)整個區(qū)段內(nèi)作物均收到有效防護，全線范圍降低風(fēng)速率均>50%，小麥模式除了1H外，其他范圍都在50%以上，對照為4～18H高于50%。就降低風(fēng)速情況而言，300 m帶距防護林不同植被林網(wǎng)內(nèi)降低風(fēng)速率均呈現(xiàn)隨風(fēng)速增加而稍有增大趨勢。

3 結(jié)論

通過以上分析，對不同帶距防護林網(wǎng)和不同試驗風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)不同植被風(fēng)場及防風(fēng)效能進行比較分析，揭示不同帶距林網(wǎng)和不同植被對林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速的作用和影響，得出的主要結(jié)論是：

1)在同一風(fēng)速下，3種帶距林網(wǎng)最低風(fēng)速基本都出現(xiàn)在5.5～7.5H。150 m帶距林帶間距較短，風(fēng)速尚未上升又進入下一道林帶，除1～3H距離內(nèi)1 cm高度防護效能較低外，其余區(qū)段均處于較高水平；200 m帶距林帶風(fēng)速稍有上升進入第2道林帶，除1～3H距離內(nèi)防風(fēng)效能18.1%～48.5%外，其余均>66.8%；300 m帶距上升至試驗風(fēng)速的44.3%進入第2道林帶，防護效能最低出現(xiàn)在1H和2H，其余區(qū)段均>51.8%。3種帶距林網(wǎng)平均防護效能排序為200 m帶距(70.9%)>300 m帶距(64.1%)>150 m帶距(60.7%)。

2)風(fēng)速從第1道林帶進入后，逐層削弱，多條林帶協(xié)同防護，從而表現(xiàn)了林網(wǎng)整體防風(fēng)作用效果。就林網(wǎng)第2道林帶后1～2H處平均風(fēng)速較第1道林帶相同位置降低程度而言，在8 m·s-1風(fēng)速下，150 m帶距林網(wǎng)優(yōu)于其他2種帶距林網(wǎng)，200 m帶距和300 m帶距林網(wǎng)相差不大；不同風(fēng)速下，300 m帶距林網(wǎng)內(nèi)不同模式降低程度排序為果樹模式>小麥模式>對照。

3)不同風(fēng)速下，300 m帶距林網(wǎng)1 cm高度處平均防風(fēng)效能排序為果樹模式>小麥模式>裸地。

4)林帶有效防護距離分別為150 m帶距4H至第2道林帶，200 m帶距和300 m帶距均為3H至第2道林帶。3組試驗風(fēng)條件下，果樹模式整個林網(wǎng)內(nèi)作物得到有效防護，小麥模式有效防護距離2H至第2道林帶，對照為4H至第2道林帶。

4 討論

防護林網(wǎng)有防護效益，同時林網(wǎng)中作物也具有一定抗風(fēng)范圍，所以林網(wǎng)內(nèi)有作物的整體防風(fēng)效能顯著，特別是果樹類作物對林帶防風(fēng)效能的作用十分明顯。本研究表明，隨著風(fēng)速增大，林帶協(xié)同網(wǎng)中植被的防風(fēng)作用得到相應(yīng)的提高，有植被比對照風(fēng)速消減程度明顯，這與鄭波等[19]、高函等[20]的研究結(jié)論一致。但與唐玉龍等[10]在對林帶防風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞模擬試驗中得出的隨著風(fēng)速增大林帶背風(fēng)面防風(fēng)效能減小的研究結(jié)論有差異，這可能和林帶中有植被的存在而產(chǎn)生的差異。朱樂奎[21]通過農(nóng)田防護林野外調(diào)查并結(jié)合風(fēng)洞試驗，在基于流場分析的南疆農(nóng)田防護林體系優(yōu)化配置研究中表明，有棗樹林帶防風(fēng)效應(yīng)在20H距離時仍保持85%以上，則考慮進一步優(yōu)化防護林配置，設(shè)置更寬的林帶間距，減少林帶占地，這與本研究結(jié)論一致。充分考慮作物對防護林防風(fēng)效應(yīng)的影響，防護林網(wǎng)建設(shè)時可適當調(diào)整防護林和果樹類作物的配置比率，可減少防護林占地，增加果樹類作物的種植面積，既能提升防風(fēng)效能，又能增加經(jīng)濟效益。

目前南疆綠洲內(nèi)部廣泛采用4～6行窄林帶構(gòu)成的防護林網(wǎng)模式，多以疏透型結(jié)構(gòu)林帶為主，主林帶間距一般在250～300 m，風(fēng)沙危害嚴重的區(qū)域或綠洲邊緣區(qū)域主林帶在150～250 m[22]。本研究表明，就林網(wǎng)內(nèi)整體風(fēng)速而言，小網(wǎng)格的防風(fēng)作用明顯優(yōu)于大網(wǎng)格，150 m和200 m帶距林帶背風(fēng)面風(fēng)速尚未上升或稍有上升就進入下一道林帶，300 m帶距上升至試驗風(fēng)速的44.3%進入第2道林帶。從1 cm高度處平均防護效能分析比較發(fā)現(xiàn)，200 m帶距林帶防風(fēng)效能最佳，300 m帶距次之，150 m帶距最低?；谠黾愚r(nóng)作物種植面積，減少林帶用地，提高經(jīng)濟效益考慮，在綠洲內(nèi)部配置300 m帶距防護林綜合效應(yīng)最佳，既能發(fā)揮較好的防風(fēng)效能，又能兼顧實際生產(chǎn)問題。在綠洲外圍可適當考慮配置帶距較小的防護林。

本研究僅對與林帶走向垂直的一條線上進行觀測，而林帶背風(fēng)面氣流復(fù)雜，林網(wǎng)中各點風(fēng)速不同，所以僅對線狀進行觀測，很難準確反映林網(wǎng)整體的風(fēng)速分布及防護效果，下一步設(shè)置多個測點同步觀測，有望觀測林網(wǎng)內(nèi)的整體風(fēng)速空間分布變化規(guī)律。