上海市郊沿海防护林防护效应的研究

王宗星,虞木奎,①,成向荣,朱春玲,汪 杰,张 翠

(1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所,浙江 富阳 311400；2.上海市林业总站,上海 201300；3.上海市南汇林业站,上海 200072)

上海市地处长江入海口,海岸线全长约 510.4 km,每年均受到海风侵袭,尤其是近年来由于温室效应加剧、极端天气不断增多,给当地居民的生产和生活造成了恶劣影响。因此,建设完善的沿海防护林体系,对缓解沿海地区生态环境恶化与海岸生态脆弱的状况,提高抵抗风暴、大潮、风沙及盐蚀等自然灾害的能力,进一步改善沿海居民的生活环境有着特别重要的意义[1]。早在 20世纪 60年代和 70年代上海就建设了沿海防风林以抵抗台风和风暴潮的侵袭；改革开放以来,上海郊区林带面积大规模增加,并加强了沿海防风林和郊区北部生态林的营造,使上海市抗台风和寒潮的能力加强[2]。

多年来上海市林业总站对沿海防护林开展了一些防风效应研究[3-4],但多数研究集中在林带前后近距离(数倍树高距离)的风速变化,而关于基干林带对较大范围的防护效果和林带的小气候效应方面的研究较少。鉴于此,作者以上海市南汇区沿海防护林为研究对象,通过定位观测,研究了林带内外的风速变化规律及沿海防护林的防护效果,以期为沿海防护林的树种选择和结构配置优化提供参考依据。

1 样地概况和研究方法

1.1 样地概况

样地位于上海市南汇区书院镇东郊,距海 2～3 km。滨海森林公园样点位于北纬 30°58′12″、东经129°54′40″；公园总面积 358.7 hm2,其中,森林面积占75％；地势平坦,林型丰富,以红叶椿 (Ailanthus altissima‘Hongye’)和乌桕〔Sapiumsebiferum（L.) Roxb.〕等盐碱地适生树种为主,均于 2002年营造。人民塘水杉 (MetasequoiaglyptostroboidesHu etCheng)基干林样点位于北纬 31°56′50″、东经 121°52′43″,于 20世纪 80年代中期营造,基干林带宽约 50 m。2个样点的基本概况见表1。

表 1 上海市郊滨海森林公园和人民塘样点基本概况Tab le 1 Plot sta tus of B inha iForest Park and Peop le Pond in Shangha isuburb

1.2 研究方法

1.2.1 水杉基干林带防风效应及气温、空气相对湿度监测 于 2009年 7月 23日至 8月 2日,在人民塘水杉基干林带与主害风垂直方向设置 1条观测线,分别在林带前 65m、林带前 25m、林缘、林带内、林带后25m及林带后 65 m处设置观测点。采用 Kestrel 4000便携式风速仪 (美国 N ielsen-Kellerm an公司生产)监测各观测点垂直高度 2m处的风速、气温和空气相对湿度等气象因子。数据记录间隔时间为 30m in,连续重复观测 10 d,计算其平均值。

为明确人民塘水杉基干林带对更大范围内气象因素的影响,于 2009年 6月在水杉基干林带前和林带后各1 km的空旷处安装 2台W eatherHawk自动气象站(美国 Campell Scientific公司生产),进行气象要素的长期定位监测,数据记录间隔时间为 1 h,连续记录3个月。

1.2.2 林带内不同垂直高度防风效应监测 于 2009年7月23日至8月2日,在滨海森林公园的红叶椿林内,以地面为参照,将 Kestrel4000便携式风速仪用竹竿分别固定在垂直高度 1、2、3、4和 5m处,保持竹竿与地面垂直,以便记录林内不同高度的气象因子。数据记录间隔时间为 30m in,均重复观测 3次。

1.3 数据处理

利用 Excel2003及 SPSS 17.0软件分析防护林的相对风速、气温和空气相对湿度等数据。

2 结果和分析

2.1 水杉基干林带的防风效应

人民塘水杉基干林带各观测点的相对风速见表2。由表 2可知,以林带前 65m处作为对照,各观测点的风速均下降,其中林带后 25m处的风速最低；从林带前 65m处至林带后 25m处,风速呈逐渐下降趋势；而从林带后 25m至林带后 65m处,风速则呈迅速上升的趋势。分析其原因是：当低层气流在行进中遇到基干林带时,由于受到林带的阻挡作用,一部分气流从林带的间隙通过,另一部分气流被迫抬升从林带上方通过,故在林缘处风速较林带前 65 m处减弱了 43％；而穿过林带的气流受到树干、树枝碰撞磨损作用以及枝条对机械能的损耗,使林带内的风速大大减弱,比林带前 65m处的风速下降了 58％；由于气流的乱流作用,使林带后 25m处的风速减弱至最低,风速较林带前 65m处下降了 65％,形成了一个弱风区；在林带后 25m处,由于上层气流和穿透林带的气流汇合,风速又逐渐提高,至林带后 65m处风速已增至林带前 65m处的 60％。由于条件所限,林带后 65m以后的区域没有设置观测点,但根据上述风速变化趋势推测：在林带后 65 m以后的区域风速会逐渐恢复至林带前65m处的水平。

表 2 人民塘水杉基干林带前后不同距离观测点的相对风速Tab le 2 Rela tive w ind speed of d ifferen t observa tion po in ts a t d ifferen t d istances from w indbreak of M etasequo ia g lyp tostroboides Hu etCheng in Peop le Pond

人民塘水杉基干林带前 1 km和林带后 1 km处自动气象站的长期观测数据显示,水杉基干林带对台风有明显的削弱作用,2009年 7月 26日至 8月 25日“莫拉克”台风前后人民塘水杉基干林带前 1 km和林带后 1 km处风速的比较见图 1。由图 1可知,7月 26日至 8月 5日风速较低,风速的日变化较为缓和,林带后 1 km处风速略低于林带前 1 km处,但差异不明显；从 8月 5日开始,受“莫拉克”台风影响,林带前1 km处和林带后 1 km处的风速均急剧上升,至 8月10日达最大值,8月 11日后风速逐渐下降,恢复至“莫拉克”台风影响前的水平。结果表明,台风影响期间林带的减风效应显著,林带后的风速明显低于林带前,林带后 1 km处的平均风速较林带前 1 km处减弱22％,有效降低了台风的灾害。

图1 “莫拉克”台风对人民塘水杉基干林带前 1 km和林带后 1 km处风速的影响F ig.1 Effectof“M orakot”typhoon on w ind speed a t1 km before or a fter w indbreak of M etasequo ia g lyptostrobo ides Hu etCheng in Peop le Pond

2.2 水杉基干林带的小气候效应

2.2.1 降温效应 林带可降低林分内部及林后一段距离内的空气温度。地面吸收的太阳辐射一部分通过热传导传到地下,另一部分通过长波辐射使近地层空气增温,然后通过湍流交换输送到上层大气中。由于林带减弱了湍流作用,使得林分内部及林后一段距离内的空气温度不会因为地表温度的升高而显著升高[5]。

人民塘水杉基干林带前后不同距离观测点的气温见表3。由表3可知,从林带前65m处到林带前25m处、至林缘直至林带内的气温呈逐渐下降的趋势,其中林带前 65m处的气温最高,达到了 35.6℃；随着林带前观测点与林带距离的逐渐缩短,林带前各观测点的气温逐渐下降,至林缘处的气温较林带前 65m处下降了 0.7℃,降温效应明显；林带内的气温则最低,为 34.0℃,较林带前 65m处降低了 1.6℃,降温效应加强；而林带后 25m和林带后 65m处的气温则升高,但与林带前 65m处无明显差异。可见,在夏季水杉基干林带内的降温效应较林带后明显。其原因可能是人民塘水杉基干林带为南北方向栽植,在炎热的夏季正午不能为林带后方产生有效的庇荫,导致林带后的气温较高、降温效应较弱。

2.2.2 增湿效应 防护林带在一定范围内具有提高空气相对湿度的作用。由于林带的防风效应,林带内和林带后风速明显减弱,气流交换缓慢,土壤及地被植物蒸发的水汽不易扩散,致使林带内以及林带后一定范围内的空气相对湿度维持在较高的水平[6]。

人民塘水杉基干林带前后不同距离观测点的空气相对湿度也见表 3。由表 3可知,林带前 65m处的空气相对湿度最低,为 71.59％；随着林带前观测点与林带距离的逐渐接近,空气相对湿度逐渐增加,到达林带内时空气相对湿度最高,为 80.42％,较林带前65m处提高了 12.3％,增湿效应明显加强；而林带后25和 65m处的空气相对湿度则逐渐下降,但仍比林带前 65m处分别提高了 11.5％和 6.6％。可见,林带内和林带后的增湿效应均较明显。

表 3 人民塘水杉基干林带前后不同距离观测点的气温和空气相对湿度Tab le 3 A ir tem pera ture and a ir rela tive hum id ity of differen tobserva tionpointsat differentdistances from windbreak of M etasequoia g lyp tostrobo ides Hu et Cheng in Peop le Pond

2.3 红叶椿林分内不同垂直高度的防风效应

图 2 滨海森林公园红叶椿林分内不同垂直高度处的风速F ig.2 W ind speed a t d ifferen t ver tica l heigh ts of A ilan thus a ltissim a‘Hongye’stand in B inha iForest Park

林分内不同垂直高度处的空间结构不同,防风效应也存在一定的差异。在滨海森林公园红叶椿林分内不同垂直高度处的风速见图 2。由图 2可知,在垂直高度 1～2m处,随着垂直高度的上升,地表对风的摩擦作用逐渐减弱,风速逐渐加强,在垂直高度 2m处风速基本达到最高,为1.6m·s-1；在垂直高度3m处,虽然地表对风的摩擦作用很小且尚未达到林冠层,但由于树木开始分枝,枝叶对风产生摩擦作用,使得风速较垂直高度2m处低；垂直高度升高至4m,即到达林冠层时,枝叶对风的摩擦阻挡作用加剧,风速更低,比垂直高度 3m处下降了 40％；垂直高度 5m处依然处于林冠层,此处的风速与垂直高度 4m处相比变化不大。由此可见,林分内不同垂直高度处的风速有明显的变化,而用树干下部侧枝较少的红叶椿林分构建疏透型防风林较为适宜。

3 讨论和结论

本文的研究结果表明,人民塘水杉基干林带具有明显的防风效应,林带内及林带后 65 m范围内的风速较林带前均有不同程度的下降,以林带后 25 m处的风速最低。在台风“莫拉克”登陆期间,人民塘水杉基干林带后 1 km处的风速明显被削弱,林带后 1 km处的平均风速较林前减弱 22％,有效降低了台风灾害。叶功富等[7]的研究结果表明,在木麻黄(CasuarinaequisetifoliaL.)海岸基干林带内风速最低,防风效应的空间分布呈平滑的曲面状,在林带前呈下凹式,林带后呈上升式,整体呈中间低两边逐渐升高的槽状。而水杉基干林带的防风效应与木麻黄林分有一定的差异,这可能是由于林分结构不同造成的：木麻黄枝下高较低,林分郁闭度高,能起到更好的防风效应；而水杉的枝下高较高,林下透风系数高,防风效应较弱。因此,具有沿海防护功能的水杉林带应构建多层复合林体系,优化结构配置,使其发挥更大的防护效能。

林带还具有降低局部空气温度、提高空气相对湿度及改善林带小气候的功能。人民塘水杉基干林带改善小气候的效应显著,林带内空气温度最低,空气相对湿度最大,气温较林带前 65m处降低了 1.6℃、空气相对湿度则提高了 8.83百分点。在林带后 65m范围内,林带的增湿效应虽然有所下降,但平均空气相对湿度仍较林带前 65m处提高了 9.0％；而林带后的降温效应不明显则可能与林带的栽植方向及季节影响有关。

紧密结构、疏透结构和通风结构是防护林的 3种基本结构类型,其中透风系数在 0.4～0.5、疏透度在30％～50％的林带为疏透结构。疏透型林带内风速变化平缓、有效防护距离大、防风效果好,因而得到了较广泛的应用[8]。本研究结果表明,红叶椿林分内不同垂直高度处的风速差异较大,其中树冠处风速最低,树干中下部侧枝较少,风速较大,因此红叶椿适宜构建疏透型防风林。然而,为使红叶椿防风林更有效地发挥防护作用,还需进一步确定其合理的疏透度以及适宜的株行距等结构参数。

[1］李 琦,吴晓春,张于卉.对上海沿海防护林建设若干问题的探讨[J].防护林科技,2006(3)：103-105.

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[3］韩玉洁,孙海菁,朱春玲,等.上海沿海防护林树种适应性评价[J].南京林业大学学报：自然科学版,2010,34(4)：165-168.

[4］杨秋珍,徐 明,沈烈英,等.台风大风与防护林带防护效应初步研究[C]∥中国气象学会.中国气象学会 2005年年会论文集.[出版地不详]：[出版者不详],2005：3080-3087.

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