林分密度和種植點配置對梭梭人工林防風(fēng)效應(yīng)的影響

牛丹妮， 韓 蓉， 馬 瑞， 王振亭， 劉虎俊， 魏林源

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070）

防風(fēng)固沙林是以防治風(fēng)沙危害為目的的防護(hù)林，在遏制風(fēng)沙危害、改善農(nóng)田微氣候、維持生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要作用［1-2］。受樹種組成及混交方式［3-4］、林分密度［5］或孔隙度［1］、林帶寬度［6］、季相［7-10］等因素的影響，不同結(jié)構(gòu)的防風(fēng)固沙林的防風(fēng)效應(yīng)存在顯著差異。其中，林分密度是影響純林防風(fēng)效應(yīng)最為重要的因子。對于一個既定樹種，植株個體的幾何形狀和結(jié)構(gòu)是相似的，因此，密度和種植點格局成為影響整個防護(hù)林參數(shù)，如孔隙率、體積密度、空間流場以及氣流格局的重要因子。以空氣動力學(xué)孔隙度為著眼點的研究表明，高密度低孔隙度會產(chǎn)生高的風(fēng)速降幅［11］，然而，與較為稀疏的林帶相比，孔隙度＆lt;20%的林帶下風(fēng)向的風(fēng)速恢復(fù)的較快，防護(hù)距離較短，最小風(fēng)速點位置也更靠近林帶［12-13］?？紤]到沙區(qū)干旱缺水的生境條件，我國學(xué)者更關(guān)注于對低覆蓋度林帶的研究［14-16］，并據(jù)此提出了低覆蓋度治沙理論［17］。然而，由于關(guān)注點的不同，對密度與防風(fēng)效應(yīng)間的量化關(guān)系的研究還有待深入。種植點配置是種植點在造林地上的間距及其排列方式，分行狀配置和群狀配置2 類，其中，行狀配置中的品字形配置有利于保持水土和防風(fēng)固沙，故成為山地和沙區(qū)造林中普遍采用的配置方式［18］。關(guān)于種植點配置對風(fēng)速的影響研究目前還未見報道。

梭梭（Haloxylon ammodendron）為沙生大灌木或小喬木，是我國北方荒漠區(qū)防護(hù)林建設(shè)的主要樹種。上世紀(jì)60年代以來，梭梭被大量種植于綠洲外圍［19］，以保護(hù)綠洲免遭風(fēng)沙危害，本研究以梭梭林為研究對象，通過風(fēng)洞仿真模擬試驗，對梭梭林在密度和種植點配置發(fā)生變化時的流場和防風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行研究，以期為防風(fēng)固沙林建設(shè)和防風(fēng)效應(yīng)評價提供技術(shù)參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

風(fēng)洞試驗中，滿足幾何相似對試驗結(jié)果的影響尤為重要［20］。采用Ma［4］等的方法，以野外壯年期梭梭單株為參照，選用仿真植物模型作為試驗材料，通過調(diào)節(jié)枝角和修剪枝葉的方式調(diào)整其空間構(gòu)型和孔隙度。模型與梭梭植株原型的尺寸比例為1:15。模型的主干和枝條用塑料包裹的鐵絲制成，細(xì)枝和葉用塑料制成，以保證其在風(fēng)力作用下能夠模擬實際枝葉的擺動。梭梭及仿真植物模型的主要特征參數(shù)見表1。

表1 梭梭和仿真植物模型的特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of Haloxylon ammodendron and wind tunnel simulation plant models

1.2 試驗設(shè)備

風(fēng)洞模擬試驗在甘肅省治沙研究所“風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞實驗室”進(jìn)行，該風(fēng)洞為直吹式風(fēng)洞，試驗段長16 m，寬1.2 m，高1.2 m，可調(diào)風(fēng)速4～35 m·s-1。本試驗利用皮托管測定風(fēng)壓并通過微差壓傳感器轉(zhuǎn)換為風(fēng)速，由計算機記錄。

1.3 林帶設(shè)計

在風(fēng)洞試驗段鋪設(shè)厚4 cm的粗糙木板，木板前緣為流線型，可使氣流在爬升過程中平穩(wěn)過度而不至于發(fā)生附面層分離。在沒有布設(shè)植物模型的情況下，測定到木板上風(fēng)速達(dá)到99%，主流風(fēng)速的高度約為24 cm，即附面層厚度為24 cm。本試驗所采用的仿真植物模型的高度位于附面層范圍內(nèi)，符合風(fēng)洞試驗要求。林帶布設(shè)在試驗段中段，將植物模型的主干底端通過鉆孔固定在木板上，使其植入點呈“品”字形布設(shè)，試驗共設(shè)計了3個林分密度，編號分別為A、B、C，其中B密度林帶布設(shè)為B1和B2兩種不同的種植點格局（圖1）。4 個林帶對應(yīng)的株行距分別為A：17 cm×17 cm，B1：34 cm×17 cm，B2：17 cm×34 cm，C：34 cm×34 cm，其密度比為A：B1：B2：C=4：2：2：1。該設(shè)計對應(yīng)的野外株行距約為A：2.5 m×2.5 m，B1：5.0 m×2.5 m，B2：2.5 m×5.0 m，C：5.0 m×5.0 m；對應(yīng)的實際種植密度約為A=1500 株·hm-2，B1=B2=750株·hm-2，C=375株·hm-2，蓋度約為A=93.0%，B1=B2=46.5%，C=23.2%。

圖1 林帶設(shè)計示意圖Fig.1 Schematic diagram of windbreak design

1.4 風(fēng)速測定

林帶的流場特征主要受植物個體構(gòu)型、群體孔隙度、林帶寬度等因素的影響，而受風(fēng)速的影響較?。?,4,6］，據(jù)此，本研究選擇10 m·s-1的中等風(fēng)速作為控制風(fēng)速。在該風(fēng)速下，沿風(fēng)洞中軸線在林帶前-4H至林帶后25H的范圍內(nèi)布設(shè)測點，H為模型植物的高度，H=20 cm。測點分布見圖2。在各測點測定了9個高度（1 cm、3 cm、5 cm、8 cm、13 cm、20 cm、30 cm、40 cm 和60 cm）的水平風(fēng)速。每個測點測定不少于100 個瞬時風(fēng)速，歷時約1 min，對所得數(shù)據(jù)取均值。以無植物時測定的風(fēng)速作為對照。

圖2 林帶風(fēng)速測定范圍及測點布設(shè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of wind speed measurement range and measurement point layout of forest belt

1.5 數(shù)據(jù)分析

有林帶時測定的風(fēng)速用U表示，無林帶時測定的風(fēng)速用U0表示，對測定的風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，處理后的風(fēng)速為相對風(fēng)速，記作U/U0。利用Surfer 8.0 軟件（美國Golden Software 公司）繪制U/U0等值線圖，圖中，U/U0＆gt;1的區(qū)域為風(fēng)速加速區(qū)，U/U0＆lt;1的區(qū)域為風(fēng)速減速區(qū)。林帶的防風(fēng)效應(yīng)用風(fēng)速降幅表示，表達(dá)式為ε=（U0－U）/U0×100%，ε為正時，表明風(fēng)速被降低，ε為負(fù)時，表明風(fēng)速被增大。

2 結(jié)果與分析

2.1 流場結(jié)構(gòu)

植物附近的流場可劃分為來流區(qū)、前部減速區(qū)、上部加速區(qū)、兩側(cè)加速區(qū)、后部減速區(qū)和回流區(qū)等6 個區(qū)域［21］。因林帶寬度遠(yuǎn)大于單株植物，流場結(jié)構(gòu)被重新塑造，下面利用相對風(fēng)速（U/U0）詳細(xì)分析林帶流場結(jié)構(gòu)。圖3 為相對風(fēng)速U/U0的等值線圖，表2 為圖3 相對風(fēng)速取值范圍的面積占比。由圖3可知，4個林帶均在林帶前、冠下及冠上約40 cm以上的部分區(qū)域形成了U/U0＆gt;1的風(fēng)速加速區(qū)，在冠部及林帶后形成了U/U0＆lt;1的風(fēng)速減速區(qū)。A、B1、B2、C 林帶的風(fēng)速減速區(qū)的面積分別占流場總面積的78.06%、70.41%、74.36%、82.80%（表2），株距與行距不等的B1、B2林帶的風(fēng)速減速區(qū)面積小于株距與行距相等的A、C林帶。4個林帶中，A林帶的減速幅度最為明顯，U/U0＆lt;0.4 的弱風(fēng)區(qū)面積達(dá)到了22.46%，B1、B2林帶的弱風(fēng)區(qū)面積則僅占0.73%和5.91%。雖然C林帶風(fēng)速減速區(qū)的面積最大，但其降低風(fēng)速的幅度最不明顯，U/U0主要在0.7～1.0。

表2 相對風(fēng)速U/U0的面積占比Tab.2 Area ratio of relative wind speed U/U0

圖3 相對風(fēng)速（U/U0）的等值線Fig.3 Contour map of relative wind speed U/U0

2.2 風(fēng)速變化

當(dāng)氣流接近林帶時，一部分氣流因受阻向上偏移并翻越林帶，另一部分氣流進(jìn)入林帶。進(jìn)入林帶的氣流可進(jìn)一步被分為兩部分，一部分從林冠空隙間受阻穿過，另一部分從林冠下的樹干間通過。為了分析冠上、冠部、冠下3個不同高度層的風(fēng)速變化特征，對各測點冠上（30 cm、40 cm、60 cm），冠部（8 cm、13 cm、20 cm），以及冠下（1 cm、3 cm、5 cm）的平均風(fēng)速值進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

由圖4 可知，在冠上，4 個林帶的風(fēng)速變化趨勢相似，當(dāng)風(fēng)到達(dá)林帶時風(fēng)速都保持在11 m·s-1左右，在流經(jīng)林帶上方時速度有小幅增加，之后逐漸減小，整個過程中風(fēng)速波動較小。在冠部，風(fēng)到達(dá)林分密度最大的A 林帶時速度急劇降低，由-1H 處的9.5 m·s-1降低至林帶第一行的2.7 m·s-1，之后以低速通過林帶并在林帶后逐漸恢復(fù)；而當(dāng)風(fēng)到達(dá)林分密度最小的C林帶時速度則先增后減，在2H之后保持相對穩(wěn)定，維持在6～6.5 m·s-1；B1和B2為密度相同但種植點配置不同的2 個林帶，其帶內(nèi)風(fēng)速變化趨勢及變化幅度相差較大，B1林帶內(nèi)的風(fēng)速表現(xiàn)為先增后減，B2林帶內(nèi)的風(fēng)速則表現(xiàn)為先減后增，但帶后的變化趨勢較為一致。在冠下，氣流進(jìn)入各林帶后速度均先增后減，其中，A、B1、B2林帶的最大風(fēng)速值大約出現(xiàn)在林帶內(nèi)的第3～4 行處，C 林帶則出現(xiàn)在林帶后的1H處。圖4還表明林分密度越大，冠下最小風(fēng)速點越靠近林帶，即A 林帶的最近（11H），C 林帶的最遠(yuǎn)（20H），B 林帶的最小風(fēng)速點約在15H 處。林帶后的風(fēng)速恢復(fù)有兩個特點，一是密度越大，林帶后風(fēng)速降幅越大，但恢復(fù)也最快；二是4個林帶在25H 處的風(fēng)速趨于一致，冠層以下風(fēng)速均為對照風(fēng)速的60%左右，且差異不大。

圖4 3個不同高度的平均風(fēng)速變化Fig.4 Average wind speed changes at three different heights

表3 進(jìn)一步給出了冠上、冠部及冠下的平均風(fēng)速值，由表3可知，4個林帶冠上的平均風(fēng)速均在10 m·s-1以上；在冠部及冠下，林分密度越大，風(fēng)速越小，風(fēng)速由小到大的排序為A＆lt;B（B1、B2）＆lt;C；對于密度B，B2型林帶在冠部的風(fēng)速（6.63 m·s-1）明顯低于B1型林帶在冠部的風(fēng)速（7.76 m·s-1），在冠下兩者沒有明顯差異。

表3 林帶不同高度層的平均風(fēng)速Tab.3 Average wind speed at different heights around the windbreaks

2.3 風(fēng)速降幅

以上風(fēng)速變化分析表明林帶對風(fēng)速的影響存在明顯的空間差異，為了進(jìn)一步分析林帶防風(fēng)效應(yīng)的空間異質(zhì)性，以40 cm、13 cm、3 cm 作為3 個代表性高度，計算并繪制了風(fēng)速降幅沿風(fēng)向的變化圖（圖5）。由圖5可知，在40 cm高度處，4個林帶的風(fēng)速降幅無論在帶前還是帶后均不超過25%。在13 cm 高度處，4 個林帶的風(fēng)速降幅在林帶前均以負(fù)值為主，到達(dá)林帶后被大幅提升，其中，風(fēng)進(jìn)入A 林帶后風(fēng)速降幅立即提高至80%左右，持續(xù)至7H，之后開始下降；B1、B2、C 林帶的風(fēng)速降幅在穿過林帶后穩(wěn)定在40%～60%，且整體上表現(xiàn)為B2＆gt;B1＆gt;C。在3 cm 高度處，風(fēng)速降幅沿主風(fēng)向的變化明顯，但帶后最大風(fēng)速降幅與13 cm 高度處較為一致。總體來看，林帶A 的防風(fēng)效應(yīng)最好，林帶C 的防風(fēng)效應(yīng)最差，林帶B2的防風(fēng)效應(yīng)大于林帶B1，防風(fēng)效應(yīng)排序為A＆gt;B2＆gt;B1＆gt;C。4 個林帶在25H 處的防風(fēng)效應(yīng)趨于一致。

圖5 3個高度風(fēng)速降幅的變化特征Fig.5 Variation characteristics of wind speed decrease at three heights

近地層的防風(fēng)效應(yīng)關(guān)系到地表的蝕積過程及微地貌的形成，因此是防護(hù)林研究的重點。對林帶在株高20 cm 以下的風(fēng)速降幅求平均值（表4），可知，A、B1、B2林帶前近地層的風(fēng)速比無林帶時有所增大，風(fēng)速降幅出現(xiàn)“負(fù)值”，C林帶前近地層風(fēng)速略有降低，其風(fēng)速降幅為0.43%；防風(fēng)效應(yīng)主要體現(xiàn)在林帶后，在林帶后25H范圍內(nèi)，A、B1、B2、C林帶近地層的平均風(fēng)速降幅分別為63.15%、35.86%、38.66%和24.37%，其比值為A:B:C≈6:3:2。

表4 林帶周圍近地層（20 cm以下）平均風(fēng)速降幅Tab.4 Decrease of average wind speed in near-ground layer(below 20 cm)around the windbreaks

3 討論

林分密度與林帶的防風(fēng)效應(yīng)密切相關(guān)。對于梭梭人工林，構(gòu)成林帶的植株個體的幾何形狀、空間構(gòu)型等形態(tài)學(xué)特征一致，因此林分密度成為影響林帶結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子。本研究中，當(dāng)林分密度降低時，林帶對風(fēng)速的消減作用減弱，防風(fēng)效應(yīng)變差，其原因主要是由于在林分密度較小時用于消耗氣流能量的枝葉量大幅降低所致。然而，本研究顯示氣流動能消耗引起的風(fēng)速遞減并不完全與枝葉量的減少量成正比，具體表現(xiàn)為當(dāng)密度由A降低一半至B時，林帶后近地層的風(fēng)速降幅也降至A 林帶的1/2，但當(dāng)密度繼續(xù)降低一半，由B降至C時，林帶后近地層的風(fēng)速降幅只降低為B林帶的2/3，這說明風(fēng)速遞減率與林分密度間并非線性關(guān)系，在較大密度時林分密度的變化對防風(fēng)效應(yīng)的影響要大于在較小密度時的影響。

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，密度降低引起的防風(fēng)效應(yīng)的變化與由落葉植物沙棗（Elaeagnus angustifolia）組成的林帶防風(fēng)效應(yīng)從夏季到冬季的變化［7,22］具有相似性，即密度減小或落葉植物到了冬季均會擴大風(fēng)速減速區(qū)的范圍，同時減小了風(fēng)速變化的幅度。所不同的是密度對風(fēng)速的影響主要是通過改變植株個體間的距離實現(xiàn)，而落葉植物防風(fēng)效應(yīng)的季相變化則是通過植株冠層枝葉的脫落得以實現(xiàn)，二者具有異曲同工之處。

密度增大加速了林帶下風(fēng)向近地層風(fēng)速的恢復(fù)速率，使最小風(fēng)速點向林帶靠近。最小風(fēng)速點是風(fēng)速降至最低并開始恢復(fù)的位置，該位置很可能是影響林帶背風(fēng)側(cè)沙子沉積范圍的重要動力因素，對認(rèn)識林帶后的積沙現(xiàn)象具有重要意義［23-24］。有關(guān)不同疏透度林帶［7,12-13］和不同密度林帶［5,25］防風(fēng)效應(yīng)的研究表明，疏透度越小或密度越大，林帶背風(fēng)側(cè)最小風(fēng)速點越靠近林帶，本研究中密度變化引起的最小風(fēng)速點的位置變化情況與上述研究結(jié)果相一致。這一變化的原因主要是由于林帶作為一種障體，其通過影響氣流通徑和消耗氣流能量兩種方式使氣流加速或減速。由于A 林帶的林分密度最大，當(dāng)氣流進(jìn)入林帶時，動量被枝葉大量消耗，冠部氣流流速被大幅降低，而受阻被抬升到林帶上方的氣流加速也較快，這部分氣流在到達(dá)林帶下風(fēng)向時，摻混作用使得動量很快被傳遞到近地層氣流，所以，密度大的A 林帶背風(fēng)側(cè)近地層的風(fēng)速恢復(fù)比B林帶快，最小風(fēng)速點出現(xiàn)在距林帶較近的位置。同理，B林帶最小風(fēng)速點的位置比C林帶提前出現(xiàn)。

種植點配置是影響氣流通徑的關(guān)鍵因子。當(dāng)氣流進(jìn)入林帶時，氣流的向變和動能消耗受到氣流與林帶夾角、林分密度、林木個體疏透度、種植點位等多個因素的宏觀控制。對于特定的林分，密度或疏透度控制了進(jìn)入林帶和翻越林帶的氣流流量［5,26］，而種植點格局則對進(jìn)入林帶的氣流的路徑起到了引導(dǎo)作用，決定了對氣流動量的吸收過程，并對局部氣流的流速起到了加強或減緩的作用。顯然，當(dāng)氣流以與林帶走向相垂直的方向進(jìn)入林帶后，矩形配置會形成氣流長驅(qū)直入的氣流通道，而品字形配置則有利于形成網(wǎng)狀流道，這一網(wǎng)狀特征有2 個作用，一是加強了林內(nèi)氣流的紊動性，增加了氣流能量的消耗，二是減少了破土面和通風(fēng)道的形成［18］。因此，從防護(hù)原理上講，防護(hù)林建設(shè)應(yīng)優(yōu)先考慮品字形的種植點配置。由本研究可知，對于具有相同密度的林帶，B1林帶和B2林帶種植點空間格局的不同引起的風(fēng)速的差異主要表現(xiàn)在冠部，寬行距的B2林帶的防風(fēng)效應(yīng)明顯大于窄行距的B1林帶，這一研究結(jié)果與賽克等［22］對疏透度相近而行距不同的灌木林防護(hù)效應(yīng)的研究結(jié)果較為一致。究其原因，可能是由于當(dāng)氣流沿風(fēng)向通過行距較大的林帶時，氣流在相鄰行間形成的紊流強度較大，從而使較多的能量被消耗所致。因此，在營建防風(fēng)固沙林時，在密度確定的情況下應(yīng)優(yōu)先選用“小株距，大行距”的品字形配置方式。

密度和種植點配置在實踐中的應(yīng)用。現(xiàn)階段，我國沙區(qū)梭梭林的初植密度多在833～1666株·hm-2間。本研究考慮了成林過程中的自然疏化，兼顧干旱區(qū)雨養(yǎng)梭梭林的土壤水分承載力，設(shè)計了1500株·hm-2、750株·hm-2、375株·hm-2共3種密度的品字形林帶，這3 種密度可分別代表梭梭人工林的初植密度，早期種植的梭梭林在雨養(yǎng)條件下的保存密度，以及天然梭梭林的密度［17］。如不考慮梭梭個體的生長變化，則由本研究可知初植密度下梭梭林的防風(fēng)效應(yīng)最好，在雨養(yǎng)條件下經(jīng)自然疏化后的梭梭林的防風(fēng)效應(yīng)約為初植密度的1/2，但仍優(yōu)于天然林的防護(hù)效應(yīng)。研究結(jié)果對干旱區(qū)造林和營林過程中的密度管理及不同種植點品字形林帶防風(fēng)效應(yīng)的評價具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

通過風(fēng)洞模擬試驗，對密度和種植點配置發(fā)生變化時的4個品字形林帶的流場和防風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行了研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）A、B1、B2、C 林帶的風(fēng)速減速區(qū)的面積分別占 流 場 總 面 積 的78.06% 、70.41% 、74.36% 、82.80%。林分密度越大，形成的弱風(fēng)區(qū)（U/U0＆lt;0.4）的面積越大。對于等密度的B1和B2林帶，其風(fēng)速加速區(qū)和風(fēng)速減速區(qū)的分布及其強度與種植點的分布格局有關(guān)，B2林帶的弱風(fēng)區(qū)的面積（5.91%）明顯大于B1林帶（0.73%）。

（2）4個林帶冠層上方的風(fēng)速均保持在11 m·s-1左右且變化趨勢一致；在冠層內(nèi)，A林帶的風(fēng)速降幅最大，最小風(fēng)速約為2 m·s-1，B1、B2林帶的風(fēng)速整體上不低于6 m·s-1，C林帶的風(fēng)速不低于8 m·s-1；氣流進(jìn)入冠下后，流速先增后減，其中，A、B1、B2林帶的最大風(fēng)速值約出現(xiàn)在林帶內(nèi)的第3～4 行處，C 林帶則出現(xiàn)在林帶后的1H 處。林分密度越大，冠下平均風(fēng)速越小，但林帶后近地層風(fēng)速恢復(fù)速度越快，最小風(fēng)速點越靠近林帶，A、B1、B2、C 林帶的最小風(fēng)速點分別在11H、15H、15H和20H處。

（3）在13 cm 高度處，A 林帶后風(fēng)速降幅高達(dá)80%左右，持續(xù)至7H后開始下降；B1、B2、C林帶后的風(fēng)速降幅穩(wěn)定在40%～60%。在冠下的3 cm 高度處，風(fēng)速降幅沿風(fēng)向的變化明顯，帶后最大風(fēng)速降幅與13 cm 高度處較為一致。整體而言，林分密度越大，防風(fēng)效應(yīng)越好，4個林帶的防風(fēng)效應(yīng)從大到小的排序為A＆gt;B2＆gt;B1＆gt;C。林帶防風(fēng)效應(yīng)與林分密度間為非線性關(guān)系，3 種密度的林帶在背風(fēng)側(cè)近地層的風(fēng)速降幅的比例關(guān)系為A:B:C≈6:3:2。