前高后低型防风固沙林防风效应及其对风向的响应

马彦军, 李雪琳, 马 瑞, 张莹花, 魏林源, 张统帅

(1.甘肃农业大学 林学院, 甘肃 兰州 730070; 2.甘肃省治沙研究所 荒漠化与风沙灾害防治重点实验室, 甘肃 兰州 730070)

防风固沙林的主要功能是降低风速，防止就地起沙和阻截外来风沙流。从造林树种的选择和配置来看，中国干旱沙区在立地条件较差的区域仍以单一树种组成的纯林为主，部分保护区和保护路段营建有两种或两种以上树种组成的复合林带。在空间配置上，复合林带有株间配置、行间配置和带状配置等3种模式，其中，以株间配置和行间配置较为常见。杨婷婷[1]、乌拉[2]对新疆杨(Populusbolleana)+青杨(Populuscathayana)+沙枣(Laeagnusangustifolia)、二白杨(Populusgansuensis)+杜梨(Pyrusbetulifolia)模式的林带的防风效能从疏透度的角度进行了研究，所得防风效能为11.7%～35%；彭帅[3]、付亚星等[4]对榆树(Ulmuspumila)+柠条(Caraganakorshinskii)、杨树(Populus)+榆树、杨树/榆树+灌木模式的林带的防风效能从空间分布上进行了研究，所得最大防风效能点在带后约3 H处。郑锟[5]对木麻黄(Casuarinaequisetifolia)+湿地松(Pinuselliottii)模式的海岸防护林的防风效能从混交比例的角度进行了研究，所得防风效能为49.3%～52.1%，各混交比例下的最大风速降幅均出现在带内到带后1 H的范围内。

目前对带状配置型防风固沙林防风效能的研究还未见报道。本研究拟以带状配置型复合林带为研究对象，通过风洞模拟试验，对林带主要影响区的风速变化、气流加速率、防风效能及防护范围等进行分析，探索两种不同特征的树种经带状配置后形成的复合林带的防风效应及其对风向的响应，以期为荒漠绿洲、沙漠公路、沙漠铁路等防护区人工防风固沙林的营建提供理论依据。

1 研究方法

1.1 试验设备

风洞模拟试验在甘肃省治沙研究所风沙环境风洞实验室进行，该风洞由中国航空空气动力研究院于2013年设计建造，可用于各种沙害防治措施的模拟试验研究。风洞气流为直流下吹式，可调风速范围4～35 m/s。洞体总长为38.9 m，由进气段、动力段、整流段、收缩段、试验段、可调试验段和扩散段组成。其中试验段长16 m，截面为1.2 m×1.2 m，可调试验段长2.5 m，截面1.2 m×1.3 m。

1.2 试验材料及林带设计

依据梭梭(Haloxylonammodendron)、柠条的空间构型特征及几何相似准则，依比例定制仿真植物模型A，分别记作仿真植物A(梭梭)和仿真植物B(柠条)，模型相关参数见表1。

表1 研究用仿真植物模型参数

沿风向，将2种仿真植物配置成AmBn型林带，A表示林带的前3行为仿真植物梭梭，m表示其株距为15 cm，行距为40 cm，B表示林带的后3行为仿真植物柠条，n表示其株距为8.5 cm，行距为25 cm，两种植物承接区的行距取均值，即32.5 cm，试验测定时，风向垂直于林带由A植物区吹向B植物区。将AmBn型林带中A，B植物出现顺序调换，即风由B植物区吹向A植物区，此时，林带记为BnAm型林带。上述林带中，行与行水平向交错1/2株距，形成品字形格局。

1.3 风速观测

测点沿风洞中轴线布设，将林带前的测点标记为负值，林带第1行之后的测点标记为正值。依据预试验，将风速测定区范围确定为带前60 cm至带后690 cm。每个测点测定1，3，5，8，13，20，30，40，60 cm共9个高度的风速值。本研究中试验风速，即风洞进口指示风速分别为7，10，15 m/s，以各试验风速下无植物配置时测定的风速为对照(CK)。

1.4 数据处理与图形绘制

1.4.1 气流加速率计算 气流加速率可以直接反映林带对气流的加速情况，计算公式如下：

akij=vkij/vkj

(1)

式中：k——试验风速(m/s)；i——风速测定点；j——风速垂直测量高度(cm)；akij——气流加速率；vkij——坐标(i，j)点在k风速下的测量值(m/s)；vkj——在k风速下的对照风速值(m/s)。当akij>1时，表示林带对气流有加速的作用，风速增加；akij<1时，表示林带对气流有减速的作用，风速降低；akij=1时，表示林带对气流没有影响，风速保持不变。

1.4.2 防风效能计算 防风效能是体现防护林带防护能力的一项重要指标，计算公式如下：

Ekij=(vkj-vkij)/vkj×100%

(2)

式中：Ekij——林带后i距离处、高度j处的防风效能，用于反映风速被削弱的程度；vkj，vkij——与气流加速率公式所述一致。

1.4.3 图形绘制 基础数据处理及风速变化图、防风效能图的绘制在Excel软件中完成，气流加速率等值线图的绘制在Surfer 8.0软件中完成。

2 结果与分析

2.1 风速轴向变化特征

如图1所示，各试验风速下，当风洞内无植物时，

测定风速均随高度的增加而增加，布设林带后，各高度风速均发生明显变化，气流到达林带前速度整体降低，到达AmBn型林带的第一行或BnAm型林带的第4行时流速出现明显分化，依据风速变化特征，可将气流层划分为上(30 cm以上)、中(5—20 cm)、下(3 cm以下)3层。上部气流层受林带的影响相对较小，气流受林带抬升，速度升高，带后速度降低并出现次级分化，即距冠层较近的30 cm高度处的风速在A植物区后出现显著降低，尤其在AmBn型林带上方表现更为明显，而40，60 cm高度处的风速变化则较为缓慢；中部气流层位于复合林带的冠层高度，气流到达林带区时，受枝叶的阻滞、切割作用，能量损耗，速度出现大幅度波动式降低；下部气流层受床面和林带的共同影响，在到达林带背风区之前风速持续波动降低，在林带后一定距离处开始恢复，当A植物处于上风向时，恢复点在带后的510 cm，约23 H处(H=22 cm)，而当B 植物处于上风向时，恢复点在带后275 cm，约12.5 H处。

2.2 气流加速率变化特征

由气流加速率等值线(图2)可知风速加速区(akij>1)和减速区(akij<1)的分布范围，可以看出，当气流到达AmBn型林带后均在400 mm高度，即1.82倍梭梭树高以上形成风速加速区，且随着试验风速增大到10，15 m/s时，风速加速区的起始形成点向下风向位移，从而使前沿风速减速区的影响范围扩大。而对于BnAm型林带，风速加速区在带前-60 cm处(2.73 H)就已形成。此外，两种林带除了在林带上方形成加速区外，在相邻植株间的狭管效应下，近地层气流到达林带内也均出现了小范围的加速情况。

本研究定义风速被消弱50%以上，即akij<0.5的区域为风影区；风速被消弱80%以上，即akij<0.2的区域为风影核心区。则由图2可知，当株高22 cm的A植物处于上风向时，其风影区的范围明显大于株高16 cm的B植物处于上风向时，尤其是在水平范围上。风影核心区是受林带影响，风速降低幅度最大的区域，从风影核心区的数量和高度上看，两种配置模式下均在A，B植株区各出现一个风影核心区，形成双核模式，每个核的高度与A，B植物冠层的分布高度一致，而这一分布格局可能是影响风速减速区分布范围及强度的关键因素。显然，AmBn型林带风速减速区的范围更广，风速降低幅度更大。

图1 各试验风速下不同高度层风速轴向变化特征

2.3 防风效能变化特征

2.3.1 平均防风效能 防风效能是防风固沙林防护效益最主要的评价指标之一。在7，10，15 m/s试验风速下，AmBn型林带考察区的平均防护效能分别为34.44%，34.98%和32.51%；BnAm型林带考察区的平均防风效能分别为22.62%，19.70%和19.41%，低于AmBn型林带11.82，15.28，13.10个百分点。因此，就防护效能的均值来看，AmBn型林带明显优于BnAm型林带。

2.3.2 防风效能垂直变化特征 以7 m/s试验风速为例。从防风效能的垂直分布(图3)来看，2种防风固沙林的防风效能主要体现在A植物的植株高度(H=22 cm)以下，最大值在A植物的冠层中心高度处，分别为58.76%(AmBn型)和49.04%(BnAm型)，最小值在距床面3 cm的高度处，分别为35.25%(AmBn型)和30.25%(BnAm型)。在树高以上，防风效能大幅度降低，并在30～40 cm高度以上为负值，这说明林带对气流产生减速作用的垂直高度区域主要是在1.5倍树高范围内，而对此范围以上的气流起加速作用。

2.3.3 防风效能水平变化特征 带前、带后防护效能及带后防护距离关系到防风固沙林在建植区以外的防护效果。从7 m/s试验风速下防风效能的水平变化(图4)来看，2种类型林带0—60 cm高度的平均防护效能在总趋势上均为先增后减，相比之下，AmBn型林带在带前、带后的平均防风效能均优于BnAm型林带。在带后，AmBn型林带和BnAm型林带平均防风效能的最大值分别出现在450 cm(20.5 H)和280 cm(12.7 H)处，此距离点之后防风效能开始降低，从降低趋势来看，AmBn型林带具有较大的防护距离。

图2 各试验风速下气流加速率等值线分布

图3 7 m/s风速下防风效能垂直变化

此外，由于植株空间构型引起不同高度层气流能量消耗元的差异，使防风效能水平变化特征也存在高度差异。其中，13 cm为A植物的冠层中心高度，同时也处在B植物冠层所处的高度层内，其防风效能在林带背风侧单调降低；而受枝干和床面粗糙度双重影响的近地层1 cm处的防风效能在林带内均出现负值，其负值区即对应于近地层风速加速区(akij>1) (见图2)，林带后该高度处的防风效能出现先增后减的趋势，BnAm型林带递减幅度大于AmBn型林带。

图4 7 m/s试验风速下不同高度防风效能水平变化

3 讨 论

防护林学最核心的问题是防护林的密度、配置格局及防护效应。大量研究表明，防护林的防护效应与树种的个体特征[6-7]，分布格局[8-11]、带宽[12-14]以及林分密度[13,15-16]等多种因素有关。一般来说，由同一树种组成的林带由于植株个体的几何形状和空间构型相近，因此，密度是影响整个防护林参数，如孔隙率、体积密度以及空间流场的关键因子，而对于由两种及两种以上树种组成的防护林来说，由于不同树种的高度、冠幅、空间构型、枝叶量等个体特征的不同，使得林带结构更为复杂，此时，除了密度，植株的空间配置模式也必将成为影响林带防风效应的关键因素。

本研究根据不同树种对风速影响的差异性，将具有不同个体特征的A，B植物沿风向配置成前高后低的AmBn型和前低后高的BnAm型林带，其风速测定结果表明AmBn型林带无论在风速降幅上，还是在防护范围上均明显优于BnAm型林带，这说明影响该类型林带防风效能的因素除了上述因子外，还与该组合模式下气流到达不同树种的先后顺序有关。显然，当A植物处于上风向时，复合林带表现出更为显著的防风效果。从气流能量消耗的角度来看，这一影响主要是由于具有不同个体特征，尤其是高度不同的A，B植物对不同高度层气流能量的消耗强度不同所致。因此，当相反风向作用时，初始气流的能量消耗模式发生了根本变化，并体现在风速、气流加速率以及防风效能的空间变化上，正如Heisler等[17]和Zhou等[6]所指出的，林带结构越复杂，越难在流场和结构间建立关系。

4 结 论

(1) 气流到达林带前速度整体降低，到达林带后分化上(30 cm以上)、中(5—20 cm)、下(3 cm以下)3层。下部气流层在AmBn型和BnAm型林带后的风速恢复点分别位于23 H处和12.5 H处。

(2) AmBn型林带风影区的范围明显大于BnAm型林带；两种林带在A，B植物区的上方各出现一个风影核心区(akij<0.2)，形成双核模式，核的高度与A，B植物冠层的分布高度一致。

(3) 在7，10，15 m/s试验风速下，AmBn型林带和BnAm型林带考察区的平均防护效能分别为34.44%，34.98%，32.51%和22.62%，19.70%，19.41%；垂直方向上，林带对气流产生减速作用的区域主要是树高1.5倍的范围内，而对此范围以上的气流起加速作用；水平方向上，AmBn型林带的防风效能在带前、带中、带后均优于BnAm型林带。

(4) 在具有明显主导风/盛行风作用的防护区，建议按照AmBn型林带配置模式将梭梭等高度较高、冠幅较大的树种配置于上风向，而将体型较小的柠条等植物配置于靠近防护对象一侧的下风向。