沿海風(fēng)口木麻黃基干林帶防風(fēng)效能研究

朱煒 吳惠忠 李茂瑾 蘇親桂

摘要福建省沙地木麻黃基干防護(hù)林帶是沿海地區(qū)抵御風(fēng)沙的生態(tài)屏障，在改善沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮了重要作用。通過建立的生態(tài)定位監(jiān)測站，利用長期觀測的年序列數(shù)據(jù)針對沿海風(fēng)口木麻黃基干林帶不同季節(jié)、風(fēng)向的防風(fēng)效能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：春季、秋季和冬季主風(fēng)向以NNE、NE和ENE為主，夏季以SSW、SW為主，主風(fēng)向上風(fēng)速等級高頻率也大。主風(fēng)向在不同季節(jié)垂直方向上，隨著高度增加，風(fēng)速增加，防風(fēng)效能降低；林帶內(nèi)垂直于林帶的風(fēng)向，防風(fēng)效能最小，而隨著角度的減少，防風(fēng)效能逐漸增大；水平方向上，林帶后1H防風(fēng)效能最大，垂直于林帶的風(fēng)向防風(fēng)效能最大，隨著角度的減少，防風(fēng)效能逐漸減小，林帶后5～20H隨著距離的增加防風(fēng)效能下降，但趨勢變緩。

關(guān)鍵詞木麻黃；基干林帶；防風(fēng)效能；風(fēng)向；風(fēng)速

中圖分類號：S792.93;S727.26文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.02.004

StudyontheWindPreventionEffectofCasuarinaequisetifoliaMainShelterbeltintheDraughtoftheCoastalZone

ZhuWei1，WuHuizhong2，LiMaojin2，SuQingui2

（1.FujianForestryAcademyofSciences，F(xiàn)uzhou350012，China；

2.FujianProvinceHuianChihuState-ownedForestFarm，Quanzhou362131，China）

AbstractCasuarinaequisetifoliamainshelterbeltinsandylandofFujianProvinceisanecologicalbarrieragainstwindandsandincoastalareas，andplaysanimportantroleinimprovingtheecologicalenvironmentincoastalareas.Basedontheestablishedecologicalpositioningmonitoringstation，thestatisticalanalysisofitswindpreventioneffectivenessindifferentseasonsandwinddirectionswascarriedoutbyusingthelong-termobservedannualseriesdata.Theresultsshowedthatthemainwinddirectioninspring，autumnandwinterwasmainlyNNE，NEandENE，andinsummerwasmainlySSWandSW，andthewindspeedgradeinthemainwinddirectionwashighandthefrequencywaslarge.Intheverticaldirectionofthemainwinddirectionindifferentseasons，withtheincreaseofheightandwindspeed，thewindpreventioneffectdecreased.Intheforestbelt，thewinddirectionperpendiculartotheforestbelthadthelowestwindproofefficiency，andwiththedecreaseoftheangle，thewindpreventioneffectgraduallyincreased.Inthehorizontaldirection，thewindpreventioneffectwasthelargestin1Haftertheforestbelt，andtheeffectwasthelargestinthewinddirectionperpendiculartotheforestbelt，andwiththedecreaseoftheangle，thewindpreventioneffectgraduallydecreased，andtheeffectdecreasedwiththeincreaseofdistancefrom5Hto20Haftertheforestbelt，butthetrendsloweddown.

KeywordsCasuarinaequisetifolia;mainshelterbelt;thewindpreventioneffect;winddirection;windspeed

福建省海岸處于陸海交替地帶，是臺(tái)風(fēng)、海潮、風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害多發(fā)區(qū)，沙質(zhì)海岸線由于受大風(fēng)、流沙和干旱等惡劣生態(tài)條件的影響，特別是風(fēng)口地段的風(fēng)速大，風(fēng)力等級高，時(shí)常遭受臺(tái)風(fēng)直接或間接的危害，因此，防風(fēng)治沙是目前沿海防護(hù)林體系建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1]。木麻黃（Casuarinaequisetifolia）作為我國東南沿海的防護(hù)林樹種，尤其是良好的適應(yīng)性和抗逆性，使之成為最重要的防護(hù)林造林樹種，這不僅為人民生活需要提供了急需的木材和燃料，更重要的是減免了風(fēng)、沙、潮水災(zāi)害造成的威脅，改善了福建省濱海地區(qū)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[2]。

木麻黃基干林帶地處海岸風(fēng)口生境條件十分困難的地段，能有效削弱風(fēng)能，減輕風(fēng)害，同時(shí)抑制風(fēng)蝕和風(fēng)沙活動(dòng)的發(fā)生。眾多學(xué)者對防護(hù)林的防風(fēng)效能進(jìn)行了相關(guān)的研究，葉功富等[3-5]以不同林帶結(jié)構(gòu)、發(fā)育階段木麻黃林帶為觀測對象，設(shè)置多條測線定時(shí)進(jìn)行風(fēng)速測定，探討風(fēng)速變化規(guī)律和對防風(fēng)效能的影響；杜鶴強(qiáng)等[6]在不同距地高度和疏透度條件下對農(nóng)田片狀林在有效距離內(nèi)的防風(fēng)效能進(jìn)行觀測與分析；魏龍等[7]通過設(shè)置定位站分析比較典型木麻黃防護(hù)林帶的風(fēng)場特征及其防風(fēng)效能。由于受限于人力、財(cái)力等因素，許多研究存在觀測時(shí)間不連續(xù)、時(shí)距短等問題，難以在時(shí)間序列上長期進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，相關(guān)的文獻(xiàn)少見報(bào)道?；诖?，本研究利用福建省惠安赤湖國有防護(hù)林場的生態(tài)定位監(jiān)測站，開展海岸木麻黃基干林帶防風(fēng)效能的長期定位監(jiān)測研究，相關(guān)的分析結(jié)果將為今后沿海防護(hù)林的減災(zāi)防災(zāi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和效益評價(jià)提供技術(shù)支撐，為沿海防護(hù)林的合理布局與可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1試驗(yàn)點(diǎn)概況

生態(tài)定位監(jiān)測站位于福建省惠安赤湖國有防護(hù)林場凈峰工區(qū)，屬于惠安縣崇武半島，地理位置118°55′E，24°35′N，屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫19.8℃，最高氣溫36.6℃，最低氣溫3.6℃，年平均日照時(shí)數(shù)為2206.6h，年平均降雨量為1029mm，降水量年際變化較大，年蒸發(fā)量2056.7mm，年平均相對濕度80%，干濕季明顯，干旱頻度大。夏季多臺(tái)風(fēng)，年平均5.1次；秋冬盛行東北風(fēng)，年平均風(fēng)速大于6.0m.s-1。土壤為沙壤土。木麻黃基干林帶營造于前沿的沙灘上，常見植被有老鼠艻（Spinifexlittoreus）、黃花月見草（Oenotheraglazioviana）、厚藤（ Ipomoeapes-caprae）或單葉蔓荊（Vitextrifoliavar.simpticifolia）等聚集分布。

2研究方法

2.1觀測儀器設(shè)置

超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器分別安裝在監(jiān)測站建設(shè)的6個(gè)氣象觀測塔上，水平梯度上距離林帶前沿靠?？諘绲?2m（1倍樹高，記為-1H）設(shè)置為1號塔，林帶寬度160m，中央設(shè)置為2號塔，林后按照1H、5H、10H、20H分別設(shè)置為3號塔、4號塔、5號塔和6號塔；垂直梯度上2號塔設(shè)置3層風(fēng)速風(fēng)向傳感器，高度分別為3、10和17m，其他5個(gè)觀測塔設(shè)置2層，高度分別為3m和10m。各觀測塔由太陽能系統(tǒng)獨(dú)立供電，經(jīng)由采集器利用GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)測站數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

2.2數(shù)據(jù)修訂

觀測數(shù)據(jù)首先需進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，因供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)，數(shù)據(jù)采集通道擁堵或測量環(huán)節(jié)故障容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常、失真甚至丟失，若直接使用異常數(shù)據(jù)進(jìn)行研究會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，嚴(yán)重影響評估結(jié)果的準(zhǔn)確度[8]。因此，對數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的異常值予以剔除，0值進(jìn)行篩選識別或儀器檢修無數(shù)據(jù)的情況做缺失值處理。

2.3風(fēng)速風(fēng)向計(jì)算

風(fēng)速采用算術(shù)平均法按公式（1）計(jì)算，風(fēng)向采用矢量平均法[9]計(jì)算。

u=1n∑ni=1uii=（1，2，…，n）（1）

式中，u為風(fēng)速的算術(shù)平均值，n為規(guī)定時(shí)段內(nèi)的采樣次數(shù)，ui為第i次的采樣結(jié)果。

風(fēng)速劃分0～2m.s-1、>2～4m.s-1、>4～6m.s-1和>6m.s-1四個(gè)等級，風(fēng)向頻率統(tǒng)計(jì)根據(jù)國標(biāo)GB/T35227-2017規(guī)定，以正北方向?yàn)?°，將風(fēng)向按22.5°順時(shí)針劃分16個(gè)方位：正北、北東北、東北、東東北、東、東東南、東南、南東南、南、南西南、西南、西西南、西、西西北、西北、北西北，對應(yīng)的符號分別為N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW。

2.4防風(fēng)效能計(jì)算

防風(fēng)效能按公式（2）[10]計(jì)算：Exz=u1z-uxzu1z×100%（x=2，3，4，5，6）（2）

式中：Exz為防風(fēng)效能，是指2～6號塔、高度為z處的平均風(fēng)速比對照1號塔平均風(fēng)速減少的百分?jǐn)?shù)，u1z表示1號塔高度z處的平均風(fēng)速，uxz表示2～6號塔高度z處的平均風(fēng)速。

2.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)據(jù)來源于2021年1月1日—2021年12月31日采集時(shí)間間隔10min風(fēng)速、風(fēng)向的觀測值，分別按照小時(shí)、天、季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。季節(jié)劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12—2月）。數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)使用Excel軟件，風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)處理及計(jì)算作圖等使用R語言軟件（版本4.1.3），加載openair和ggplot2程序包。

3結(jié)果與分析

3.1年風(fēng)速風(fēng)向頻率分析

選擇木麻黃林帶前沿1號塔的數(shù)據(jù)分析林分所處環(huán)境的風(fēng)速、風(fēng)向特征，因10m高的傳感器部分時(shí)段出現(xiàn)故障維護(hù)導(dǎo)致較多的缺失值，因此采用高度3m的年序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，年平均風(fēng)向玫瑰圖見圖1。

由圖1可以看出，風(fēng)速年平均值為5.07m.s-1，風(fēng)向頻率排序前5名分別是NNE、NE、SSW、SW和ENE，占全年風(fēng)向的78.1%，圖中林帶方向位于坐標(biāo)軸2、4象限，以此劃分，主風(fēng)向以北東北、東北和東東北為主，風(fēng)頻占55.6%，方向由海上吹向陸地，其次以南西南、西南風(fēng)為主，風(fēng)頻占22.5%，方向反之。從風(fēng)速等級來看，風(fēng)向NNE、NE、ENE且風(fēng)速>6m.s-1分別占16.9%、15.6%和3.3%，而SSW、SW風(fēng)向且風(fēng)速>6m.s-1沒有頻率分布，說明在主風(fēng)向上高風(fēng)速等級頻率也大，因此基干林帶作為沿海第一道防護(hù)屏障，在防御風(fēng)害方面起到關(guān)鍵的作用。

3.2不同季節(jié)防風(fēng)效能研究

不同季節(jié)平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，以1號塔為對照點(diǎn)，春季、秋季和冬季防護(hù)林帶在不同防護(hù)距離上對風(fēng)速有明顯的減弱作用，這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)經(jīng)過林帶時(shí)，部分氣流被林帶阻礙而抬升至林帶上方，越過林帶后，這部分氣流在上空形成高風(fēng)速區(qū)域，而在林后，由于上方氣流下沉與通過林帶的那部分氣流相遇形成渦流，使林帶背后形成低風(fēng)速區(qū)域[10]。但夏季林帶后的4～6號塔位置卻出現(xiàn)風(fēng)速回升大于對照點(diǎn)的情況，因此進(jìn)一步計(jì)算不同季節(jié)的防風(fēng)效能，結(jié)果見表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，夏季高度3m林后10H、20H處，高度10m林后5H、10H和20H處防風(fēng)效能均為負(fù)值，究其原因，夏季主風(fēng)向風(fēng)頻以南西南、西南風(fēng)為主，即風(fēng)由內(nèi)陸吹往海上，風(fēng)向的改變從而導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)偏差。其他季節(jié)主風(fēng)向以北東北、東北風(fēng)為主，呈現(xiàn)平均風(fēng)速等級越大，防風(fēng)效能越高，隨著防護(hù)距離的增加，防風(fēng)效能呈減弱的趨勢，因此在本研究地點(diǎn)秋冬季出現(xiàn)風(fēng)害的頻率大于春夏季。

3.3不同風(fēng)向防風(fēng)效能研究

研究林帶防風(fēng)效能僅考慮風(fēng)速不考慮風(fēng)向的變化會(huì)造成統(tǒng)計(jì)偏差，甚至導(dǎo)致相反的結(jié)果。根據(jù)圖1分析結(jié)果，將1號塔高度3m年序列數(shù)據(jù)按照N、NNE、NE、ENE和E等5個(gè)風(fēng)向進(jìn)行劃分，由于風(fēng)向產(chǎn)生的時(shí)間在原始序列數(shù)據(jù)中不是連續(xù)的，因此以1號塔為基準(zhǔn)，篩選出上述5個(gè)風(fēng)向的數(shù)據(jù)按照季節(jié)和風(fēng)向兩個(gè)因素分別統(tǒng)計(jì)平均風(fēng)速，同時(shí)在2～6號塔中尋找與1號塔匹配的相同時(shí)間數(shù)據(jù)分季節(jié)和風(fēng)向統(tǒng)計(jì)年平均風(fēng)速，具體計(jì)算結(jié)果見圖3（圖中虛線為年平均風(fēng)速5.0m.s-1的參考線）。

從圖1和圖3可得知，在季節(jié)的基礎(chǔ)上分析的5種風(fēng)向均為海上穿越林帶進(jìn)入內(nèi)陸，剔除其他風(fēng)向的干擾，結(jié)果符合預(yù)期，沒有出現(xiàn)防風(fēng)效能為負(fù)的情況。4個(gè)季節(jié)中N和E所占風(fēng)向和風(fēng)速頻率較小，平均風(fēng)速均小于5.0m.s-1，夏季僅NNE風(fēng)向大于平均風(fēng)速。在主風(fēng)向上選擇NNE、NE和ENE3種風(fēng)向計(jì)算的防風(fēng)效能見表2。通過圖像角度測量，NNE與林帶夾角48°，NE與林帶夾角72°，ENE與林帶夾角91°。由表2的結(jié)果可以看出，垂直方向上，不同風(fēng)向表現(xiàn)出隨著高度增加，風(fēng)速增加，防風(fēng)效能降低的現(xiàn)象，林帶內(nèi)高度3m處防風(fēng)效能從大到小排序?yàn)镹NE>NE>ENE，說明風(fēng)向?qū)α謳?nèi)風(fēng)速有明顯影響，風(fēng)向ENE垂直于林帶，氣流進(jìn)入林帶到達(dá)測點(diǎn)傳感器距離最短，防風(fēng)效能最小，而隨著角度的減少，距離逐漸加長，相對運(yùn)動(dòng)阻力增加，防風(fēng)效能逐漸增大；林帶內(nèi)高度10m處防風(fēng)效能從大到小排序?yàn)镹NE>ENE>NE，與高度3m有所差異，可能的原因是NE風(fēng)向時(shí)傳感器周圍的樹冠結(jié)構(gòu)在風(fēng)力的作用下發(fā)生變化，疏透度增加，風(fēng)速增大，防風(fēng)效能降低。

水平方向上，林帶后1～20H不同風(fēng)向的防風(fēng)效能從大到小排序?yàn)镋NE>NE>NNE，垂直于林帶的風(fēng)向ENE防風(fēng)效能最大，隨著角度的減少，防風(fēng)效能逐漸減小，原因應(yīng)是風(fēng)向與主林帶垂直時(shí)，氣流越過林帶后形成較大的渦流減速區(qū)，風(fēng)向與主林帶夾角變小時(shí)，防護(hù)林防護(hù)作用的減小表現(xiàn)為減速區(qū)域面積的減小和防風(fēng)效能減弱導(dǎo)致風(fēng)速數(shù)值的上升[11]。林帶后1H防風(fēng)效能最大，同為高度3m處，垂直于林帶的風(fēng)向ENE在春季、秋季和冬季時(shí)防風(fēng)效能比不考慮風(fēng)向同季節(jié)的防風(fēng)效能增加21.21%、8.69%和8.89%，與林帶夾角最小主風(fēng)向NNE相比，防風(fēng)效能在高度3m處分別提高了12.38%、9.9%和11.75%，在高度10m處分別提高了18.17%、16.72%和17.44%。林帶后5～20H隨著距離的增加防風(fēng)效能下降，但趨勢變緩。

4結(jié)論

本研究木麻黃基干林帶所處的風(fēng)口環(huán)境中，年風(fēng)向頻率主風(fēng)向以NNE、NE和ENE為主，風(fēng)頻占55.6%，其次以SSW和SW為主，風(fēng)頻占22.5%，主風(fēng)向上風(fēng)速等級高頻率也大。林帶防風(fēng)效能應(yīng)考慮風(fēng)向?qū)ζ涞挠绊?，否則會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)偏差。主風(fēng)向上NNE、NE和ENE3種風(fēng)向在不同季節(jié)垂直方向上，隨著高度增加，風(fēng)速增加，防風(fēng)效能降低；林帶內(nèi)風(fēng)向?qū)α謳?nèi)風(fēng)速有明顯影響，垂直于林帶的風(fēng)向，防風(fēng)效能最小，而隨著角度的減少，防風(fēng)效能逐漸增大；水平方向上，林帶后1H防風(fēng)效能最大，垂直于林帶的風(fēng)向防風(fēng)效能最大，隨著角度的減少，防風(fēng)效能逐漸減小，林帶后5～20H隨著距離的增加防風(fēng)效能下降，但趨勢變緩。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱煒.沙質(zhì)海岸風(fēng)口區(qū)風(fēng)障阻沙特征及初步治理試驗(yàn)[J].中國水土保持科學(xué)，2015，13（1）：54-58

[2]黃義雄，鄭達(dá)賢，方祖光，等.福建濱海木麻黃防護(hù)林帶的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益研究[J].林業(yè)科學(xué)，2003（1）：31-35

[3]葉功富，王小云，盧昌義，等.福建東山木麻黃基干林內(nèi)的風(fēng)速變化規(guī)律[J].海峽科學(xué)，2008（10）：71-73

[4]葉功富，鄭錕，徐俊森，等.林帶結(jié)構(gòu)對木麻黃海岸防護(hù)林的防風(fēng)效能影響[J].海峽科學(xué)，2008（10）：90-92

[5]葉功富，王小云，盧昌義，等.不同生長發(fā)育階段木麻黃海岸林的防風(fēng)效應(yīng)[J].海峽科學(xué)，2008（10）：68-70

[6]杜鶴強(qiáng)，韓致文，顏長珍，等.西北防護(hù)林防風(fēng)效應(yīng)研究[J].水土保持通報(bào)，2010，30（1）：117-120

[7]魏龍，張方秋，高常軍，等.廣東沿海典型木麻黃防護(hù)林帶風(fēng)場的時(shí)空特征[J].林業(yè)與環(huán)境科學(xué)，2016，32（4）：1-6.

[8]楊茂，白玉瑩.測風(fēng)塔異常風(fēng)速數(shù)據(jù)識別與補(bǔ)齊方法研究[J].可再生能源，2021，39（6）：811-817

[9]沈彥燕，袁峰，張靜，等.矢量平均法測量地面風(fēng)[J].氣象水文海洋儀器，2008（2）：80-83

[10]牛慶花，彭博，陸貴巧，等.河北省壩上地區(qū)牧場防護(hù)林的防風(fēng)效能研究[J].水土保持通報(bào)，2018，38（4）：114-117，124

[11]張帥，丁國棟，高廣磊，等.基于數(shù)學(xué)期望的風(fēng)向和風(fēng)速對農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)防風(fēng)效能的影響[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，57（4）：510-516