多层林网与单林带防风效应差异的风洞模拟

郑波，刘彤*，朱乐奎，孙钦明，刘尊驰，张礼春，郝晓冉

（石河子大学生命科学学院，新疆 石河子 832003）

多层林网与单林带防风效应差异的风洞模拟

郑波，刘彤*，朱乐奎，孙钦明，刘尊驰，张礼春，郝晓冉

（石河子大学生命科学学院，新疆 石河子 832003）

农田防护林是有效降低作物风沙灾害的重要屏障，而目前防护林研究多围绕单个林带及林网，缺少对多层林网与单林带防风效应差异的整体认识，故本研究选取3种不同行数林带配置（4、6和8行林）3层林网，在3种风速下（8、10和14m/s）进行风洞模拟，研究多层林网与单林带流场及防风效应差异。结果表明：1）林网与单林带流场差异主要表现在林带以上高度，近地面风速差异相对较小。另外，随水平距离增加风速恢复方式不同，林网上下同步恢复，呈平行状；而单林带自上向下逐步恢复，呈阶梯状；2）随着风速增加，单林带防风效应变化较小，林网后略减小，较单林带的效应增量呈减小趋势，在8、10和14 m/s风速下分别为7.99%、3.05%和2.38%。3）4行林林网配置综合防风效应最佳。随着林带行数增加，单林带和林网防风效应均先增大后不变，且林网后多出的效应增量变化趋势也相同，在林带为4、6和8行条件下分别为6.29%、7.99%和7.65%。因此，随着集约化和精准化农业推进，在进行防护林配置时，应从农田林网的整体效应进一步定量，减少林带冗余，实现作物经济效益最大化。

林网；单林带；风洞；流场；防风效应

农田防护林是减少农作物风沙灾害的重要屏障，对农田生态系统稳定，田间小气候改善具有决定性作用[1]。特别是南疆地区，极端气候事件增多，生态环境日益脆弱[2]，常年遭受风沙灾害严重，给该地区造成了不可估量的经济损失[3]，所以防护林的营建尤为关键。因此，为有效挡风阻沙，为农业生产安全和良好的居住环境提供保障，我国很早就开始投身于干旱沙区农田防护林的营建[4-6]。在近几十年来，诸多学者在单个防护林的结构、高度、宽度、与风向夹角和空间配置等方面做了大量工作[7-13]，而很少了解到多个连续林带的林网整体效应。随着我国精准农业的发展，如果对林网整体系统进行研究，重新定量空间配置，减少林带冗余，增加农田面积，将对提高作物经济效益意义重大。

农田林网是由主林带、副林带和农作物构成多层连续网格的综合防护林体系。林网对田间风速、温度、湿度、蒸发量等小气候因子影响所产生的防护效能远高于单个林带的作用[14-16]。目前，国内有关林网的研究主要集中在以下几个方面：张翼等[17]、朱廷曜等[18]在早期构建了林网内风速分布和防风效应数学模型，但由于缺乏合理参数，模拟结果存在局限性；牛新胜等[19]、史晓亮等[20]仅在细碎化和景观结构方面对林网进行了评价，而未涉及林网的防风效果；吕仁猛等[21]、邴贝贝等[22]对单个林网内风速分布进行了实地观测，但由于实地林网各因素的复杂性，缺乏说服力。

综上所述，诸多研究主要围绕单个林带和单个林网网格，而对多层林网的研究少有报道。因此，本研究通过风洞试验来模拟多层林网周围流场，比较多层林网与单个林带流场分布及防风效应差异，从而了解农田林网的整体效应，以期为后续防护林配置进一步优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验条件

风洞模拟试验在中国科学院新疆生态与地理研究所可移动式环境风洞中完成。

该风洞全长16.2 m，试验段长度为8 m，截面为1.3 m×1.0 m的矩形，轴心风速1-25 m/s连续可调。

风洞气流稳定性系数<1%，横向不均匀度<2.5%，紊流度1%左右[23]。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

根据南疆野外调查可知，防护林多为4-8行，且农作物以枣树种植面积最大，经济效益最高。因此本文选取不同行数林带模型和枣树模型，主要考虑与主风向垂直的主林带，通过不同林带行数和间距组合3种不同配置3层防护林的林网进行风洞模拟。为使模拟结果更接近实际，模型设计遵循相似性理论原则，并按照实地调查的树高，使用柔软的塑料树定做林带和枣树模型。林带模型高度为7.0 cm，冠幅2.8 cm×2.3 cm，株行距均为4 cm×3 cm；枣树模型高度为1.5 cm，冠幅2.5 cm×2.0 cm，株行距为2 cm×3 cm，林带和枣树模型都是按照相同比例缩小，模型与实物的比例为1∶143。另外，4、6和8行单林带作为对照。

多层林网详细设计见表1。

表1 试验设计Tab.1 Experiment design

根据南疆风害实际情况，本研究设定风速为南疆常见风速，8、10和14 m/s。风洞中采用皮托管测定风速，其垂直高度测点为 1、2、3、5、7、10、15、30和50 cm。另外，单林带和林网后水平测点均为1、2、5、10和15 H，林网内根据不同试验组中林带间距不同而适当调整。

1.2.2 计算方法

防风效应是衡量防护林防风效果好坏的重要指标。本研究主要考虑作物高度内的防风效应，即选取测点高度为1和2 cm防风效应的平均值作为最终防风效应的衡量指标。公式[24]如下：

式（1）中：Ex为林后x水平距离处的防风效应，%；U0为初始风速，m/s；Ux（1cm或2cm）为林后x水平距离高度1 cm或2 cm处的测点风速，m/s。

2 结果与分析

2.1 林网与单林带流场分布差异

林网与单林带流场分布差异见图1。

图1 林网与单林带的等值线图Fig.1 Wind speed contour of farmland shelter-net and single shelterbelt

由图1可知，林网周围流场与单林带有较大的差异。在林前，林网与单林带低于10 cm高度的风速变化差异很小，低于2 m/s；在10 cm以上高度气流运动差异较大，13和14 m/s气流在林网前有较大的波动，分布在20-30 cm高度，并随着与林网距离的减小而缓慢向下的运动趋势，而单林带14 m/s气流仍分布在30 cm以上，且波动较小，在靠近林带很近时急剧向下运动，弥补林带阻力所消耗的风能。在林后，单林带作物高度（2 cm以下）1 H处湍流较大，达6.38 m/s，其他水平位置林网和单林带风速均低于2 m/s，差异小于1 m/s；在林带高度（7 cm）风速差异稍大，差异稳定在3 m/s左右；在7 cm以上高度单林带在1 H处风速变化较剧烈，7-10 cm风速增加了8 m/s，而林网仅增加了3.5 m/s；在15-30 cm高度，林网和单林带分别增加了4和0.5 m/s，单林带风速已基本恢复。由此可以发现，单林带在林后同高度风速变化较大，1-5 m/s，呈一定波动，随着距离的增加而从上到下逐渐恢复风速；而林网后同高度风速变化较小，1-2 m/s，风速分布较为均匀，随距离的增加上下同步恢复风速。

2.2 不同风速下林网与单林带防风效应

不同风速下林网与单林带防风效应见图2。

图2 不同风速6行林单林带和林网防风效应Fig.2 Protective effect of six rows farmland shelter-net and single shelterbelt in different wind speed

选取试验组中行数居中的6行林的林网及单林带，在3组初始风速下，比较林网及单林带作物高度（1和2 cm）防风效应差异。

由图2a可知，相同林带行数不同风速下，单林带和林网防风效应随水平距离增加变化较大。在0-5 H距离，单林带防风效应迅速增大，特别是14m/s风速下单林带增加幅度最大，为22.06%；林网防风效应增幅很小，但初始防风效应普遍很大，尤其在8 m/s风速1 H处，超出单林带防风效应30.52%。在5-15 H距离，防风效应变化相对平缓，单林带在83%-98%呈波动增加趋势，林网在73%-100%呈波动减小趋势。

由图2b可知，在1-15 H可测范围内，8 m/s各点防风效应平均值为87.22%（CK）和95.21%（SN），10 m/s风速下为 86.56%（CK） 和 89.61%（SN），14 m/s风速下为 87.86%（CK）和 90.23%（SN）。在 3种风速下，林网平均防风效应比单林带分别增加了7.99%、3.05%和2.38%。

2.3 不同行林带下林网与单林带防风效应

不同行林带下林网与单林带防风效应见图3。

图3 不同行林带8 m/s风速单林带和林网防风效应Fig.3 Protective effect of different rows farmland shelter-net and single shelterbelt in 8 m/s wind speed

由于南疆常见风速多为8 m/s，故选取试验组中初始风速为8 m/s的部分，比较3种不同行数林林网及单林带作物高度防风效应差异。

由图3a可知，林带行数不同，随水平距离增加防风效应变化较大。在1-15 H距离，单林带防风效应均通过一个快速提升的过程而达到最大防风效应，而林网初始防风效应很高，之后提升很小，4行林单林带及林网防风效应分别提升了43.46%（CK）和37.67%（SN）；6行林提升了 25.44%（CK） 和 0.08%（SN）；8行林提升了26.13%和9.09%。另外，在4行林中林网防风效应均比单林带大，在6和8行林中林网防风效应有个点比单林带小，但平均增幅均为正值，3种林带行数分别为8.89%、7.99%和7.65%。

由图3b可知，在1-15 H可测范围内，4行林各点防风效应平均值为 78.15%（CK）和84.44%（SN），6行林下为 87.22%（CK） 和 95.21%（SN），8行林下为 87.28%（CK）和 94.93%（SN）。在 3种林带行数下，林网平均防风效应比单林带分别增加了6.29%、7.99%和7.65%。

3 讨论

本研究显示，随着风速增大，单林带防风效应变化较小，在 8、10和 14 m/s风速下分别为 87.22%、86.56%和87.86%。因本研究风洞中增加了作物模型，故单林带防风效应随旷野风速变化无明显趋势，与唐玉龙等[25]在仅有林带模型的风洞试验中随风速减小的结果有所差异。而郑波等[24]在考虑植株高大目标作物对防护林防风效应影响的风洞模拟中发现，当存在作物时，在一定风速范围内林带防风效应不会随着风速增大而减小。因此，该结果仍然存在一定合理性。此外，随着风速增加，林网后防风效应略减小，较单林带多出的效应增量有减小趋势，分别为7.99%、3.05%和2.38%。故表明林网防风效应的累积会随着旷野风速的增大而逐渐减小。

随林带行数增加，单林带和林网防风效应均先增大后不变。由于防风效应并不单纯随着林带疏透程度增加而增加，而是存在一个最佳的疏透程度[6]。所以随着林带行数的增加，从4行林带防风效应78.15%（CK） 和 84.44%（SN） 增加到 6行林带87.22%（CK）和 95.21%（SN），而当 8行林带时防风效应为 87.28%（CK）和 94.93%（SN），已不再增加。同时，林网较单林带防风效应增量随林带行数增加也具有相似的变化趋势，分别为6.29%、7.99%和7.65%。高涵等[26]在灌木柠条防风效应风洞模拟研究中也发现双行和3行林带防风效应明显优于单行，但3行较双行的优势并不明显。因此，单林带、林网防风效应及林网增量均随林带行数的增加而增加，但增大到某种程度后达到平衡，很难再增加。另外，4行基干林林网配置（第一间距为12H，之后为18 H）的平均防风效应高达84.44%，满足枣树的防护需求，且较少的林带行数不会因过密而引起湍流危害作物，前窄后宽的林带间距模式又能减省林带用地，增加农作物种植面积，从而提高经济效益。因此，对于实际生产而言，4行基干林林网配置综合防风效应最佳。

4 结论

本研究通过控制风速和林带行数进行风洞模拟，比较多层林网与单林带周围流场变化及防风效应的差异，从而总结出多层林网的防风效果，主要得到以下结论：

1）林网与单林带流场差异主要表现在林带以上高度，近地面风速差异相对较小。另外，林网与单林带的林后风速恢复方式不同，林网随距离增加上下同步恢复，呈平行状；而单林带随距离增加从上向下逐渐恢复，呈阶梯状。

2）在风速为 8、10和 14 m/s时，相同行数林带下，随着风速增大，单林带防风效应变化较小，林网后略减小，林网较单林带的效应增量有减小趋势，分别为7.99%、3.05%和2.38%。所以，风速增大会减弱林网防风效果的累积。

3）在林带行数为4、6和8行时，相同风速下，随着林带行数增加，单林带和林网防风效应均先增大后不变，同时林网较单林带效应增量变化趋势也相同，分别为6.29%、7.99%和7.65%。另外，对于实际生产，4行基干林林网配置综合防风效应最佳。

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Wind tunnel simulation for difference of the protective effect between farmland multiple shelter-nets and single shelterbelt

Zheng Bo,Liu Tong*,Zhu Lekui,Liu Zunchi,Sun Qinming,Zhang Lichun,Hao Xiaoran
(College of Life Sciences,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China)

Shelterbelt plays an important role in promoting the stable and high yield of crops by reducing wind speed and sand.However,many researches focused on single shelterbelt(CK)or shelter-nets(SN)solely,and ignored the whole productive effects of multiple SN.In this study,we examined three SN models of different rows configuration (4,6 and 8 rows).We subjected these models under wind tunnel simulation with different wind speeds (8,10,and 14 m/s)to estimate the difference of the wind field and the productive effects between SN and CK.The results showed that the difference of wind field between SN and CK focused on top height of shelterbelt,and little difference existed in ground layer.In addition,there were different ways of wind velocity recovering between SN and CK with horizontal distance increasing.Wind velocity recovering of SN was synchronized in different height;however the wind velocity of CK gradually recovered from top to bottom.With the wind velocity increasing,the productive effects of CK changed less but the productive effects of SN decreased.With the wind velocity increasing,the productive effects of single shelterbelt changes less,but the productive effects of SN decreases.Compared with the single shelterbelt,the increment of productive effects of SN decreased,and the effects were 7.99%,3.05%,and 2.38%in wind fields with 8,10,and 14 m/s speeds,respectively.The comprehensive productive effects of four rows SN was the best optimal configuration.The productive effects of CK and SN tended to constant after increase under the increase of the row of shelterbelt,and the increment of the productive effects were 6.29%,7.99%,and 7.65%in wind fields under 4,10,and 8 rows,respectively.Thus,with the advance of intensification and precision of agriculture,in order to reduce the shelterbelt redundancy and maximize economic benefits of crops,we should consider the overall effect of SN quantitativly when the shelterbelt is configured.

shelter-nets;single shelterbelt;wind tunnel;flow field;productive effect

S727.2

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.02.013

1007-7383(2017)02-0207-06

2016-03-29

国家科技支撑计划项目(2014BAC14B02）

郑波（1991-），男，硕士研究生，专业方向为农业生态，e-mail:403314256@qq.com。

* 通信作者：刘彤（1968-），男，教授，从事绿洲生态学研究，e-mail:mail：betula@126.com。