不同带距防护林网及林网中不同植被防风效能的风洞模拟

桑巴叶，阿通古丽·买买提，陈启民

(1.新疆林业科学研究院 造林治沙研究所，新疆 乌鲁木齐 830063；2.新疆精河荒漠生态系统国家定位观测研究站，新疆 精河 833300；3.库尔勒市香梨研究中心，新疆 库尔勒 814000)

农田防护林是减少农作物遭受风沙危害的一道绿色安全屏障，对有效改善农田生态环境和田间小气候具有十分重要的意义。其作用主要体现在削弱绿洲内的风速，阻止流沙危害，保障绿洲生态安全[1-2]。国内外有关防护林林网内风速分布的研究较多，主要围绕防护林的结构、疏透度、透风系数、树种组成、配置方式、林分密度、林带行数、林带高度、宽度，与风向夹角和空间配置等方面做了大量工作[3-13]。杨文斌等[14]对覆盖度20%左右的不同水平配置格局的灌木丛内的风场结构及固沙效果进行了风洞模拟试验，得出行带式配置具有非常显著的削弱风速的作用，风速减弱36%～43%。董慧龙等[15]在风洞模拟中测量了不同覆盖度防护林带水平、垂直空间的田间风速变化，按影响大小划分为4个变化层。梁海荣等[16]通过对单行一带和两行一带乔木林带前后风速进行了风洞模拟试验，得出单行林带前对风速削弱程度高于两行一带林带，但是林带后的风速削弱情况则是两行一带林带高于单行一带。W.Z.Zhaoetal[17]通过测定河西走廊不同防护体系下的输沙率、风速等诸多数据，得出由秸秆草方格、植被固沙带和农田防护林共同组成的防护体系防风效能可达70%，并能阻挡气流中96%的流沙。范志平等[18]通过对农田防护林网内的风场分析，得出网状配置的防护林林带防护效果最佳，林带内最低风速出现在林缘4～8H范围。郑波等[19]研究农田防护林网中种植枣树等植株高大作物时，防护林风场特征及防风效能，得出高大作物(枣树)对林带前后流场均具有显著影响，尤其是林带后近地面风速削减程度较大。目前农田林网中的不同植被(作物)在不同风速下的防风效能与林网协同配置的研究较少，相关不同带距防护林风场研究更少。

因此，为进一步掌握不同带距林网和林网中植被对整个林网内近地面风速影响，本研究通过空间多点观测，分析农田防护林高度范围内的风场及防风效能，了解不同带距林网内的风场，揭示农田防护林网协同植被对农田风速运移变化所产生的作用，掌握林网内不同植被的整体防风效能，以期为今后绿洲防护林建设配置提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设备

本试验于2018年10月在中国科学院新疆生态与地理研究所风洞实验室进行。该实验室位于莫索湾沙漠研究站。风洞为直流开口吹气式，全长16.2 m，试验段长8 m，试验段截面为矩形，宽1.3 m，高1 m，高宽比为1.3，试验段采用侧壁扩散式结构，每侧壁扩散角0.2°，动力装置采用变频电动机，通过调节电流频率来调节风速。风速测量采用毕托管(KIMO TPL-03-300)、微压传感器(C239)和风洞系统配套软件。

模型固定于试验段入口下风向1 m处风洞底板中轴线上，垂直及45°于来流方向。以模型迎风坡坡脚所在位置为0，在其上风向、林网和下风向观测点布设移测架，试验条件下附面层厚度(δ)>15 cm，模型高度均在附面层内。

1.2 研究方法

1.2.1 试验材料 试验模型由柔性塑料花制成，防护林树种为新疆杨(Populusalbavar.pyramidalis)，单株杨树模型高16.0 cm，冠幅为2.5 cm×2.5 cm，株行距为1.5 cm×2 cm，为4行杨树防护林，疏透度为33.1%；林网中果树选用南疆常用树种核桃(Juglansregia)为试验模型，模型高度为10 cm，冠幅为6 cm×6 cm，株行距为6 cm×8 cm；小麦(Triticumaestivum)模型高度为0.8 cm。模型与实物的尺寸比例1∶100。

1.2.2 模型设置 主林带间距为150、200 m和300 m，设置风速为8 m·s-1。

主林带间距300 m的林网中布设果树和小麦等植被，对照为裸地。设置风速为8、10、14 m·s-1。

1.2.3 测点布设 移测架上皮托管安装中心与风洞底板距离分别为：1、2、3、5、7、10、15、30 cm。林网前后水平测点均为-10、-5、-2、-1、0H(为第1道林带，林带中有3个测点，H为树高)、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20H(150 m和300 m带距防护林测点布设至20H，200 m带距布设至18H)。150 m带距防护林第2道林带位于9H，200 m带距位于12H，300 m带距位于18H，林带中设有3个测点。H为林带高度，“-”符号为林带前。

1.2.4 数据处理 防风效能利用公式(1)计算[17]，计算结果平均值为该点防风效能。

Exz=(U0,z-Ux,z)/U0,z×100%

(1)

式中:Ux,z为距离林带为x、高度为z处的时间平均风速；U0,z为试验转速下高度z的初始风速；Exz为距离林带为x、高度为z处的防风效能。

在设定的风速条件下采集风速数据，同一测点停留5 min，每1 s记录1次数据，求出平均值，并用防风效能公式计算出防风效能，根据试验结果，采用Sufer 11绘制风场图和防风效能靠等值线图。

试验数据采用Excel 2007软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同带距防护林风场及防风效能差异

2.1.1 风场分析 林带是气流运动中的障碍物，当运动的气流遇到林带受阻后，风场结构发生较为复杂变化。为了掌握试验风速8 m·s-1下3种带距防护林网内风速的空间变化，绘制了风场图(图1)。由图1可见，3种带距林网基本规律是大部分气流被迫抬升，从林带上空越过，形成风速的增值区，在林带背风面的风速出现明显的降低。在影响林网系统防风作用的许多因素中，林带间距是最重要的因素之一。由于林带间距不同而组成了不同规格的林网系统，网格内风速的降低情况差异较大。3种带距林网最低风速基本都出现在5.5～7.5H，低于林带高度(16 cm)范围内的平均风速为1.0～1.7 m·s-1。150 m带距间距较短，风速处在低值，尚未上升又进入下一道林带，第2道林带位于9H处，带前风速为1.2 m·s-1；200 m带距林带最低风速出现在6H，风速为1.2 m·s-1，第2道林带位于12H，林带前风速2.3 m·s-1，为试验风速的28.3%，风速稍有上升；300 m带距林带最低风速出现在5H，风速为1.0 m·s-1，第2道林带位于18H，林带前风速为3.5 m·s-1，为试验风速的44.3%。

由于多条林带的互相影响，以及进入下一条林带风速的降低，促使后面林带的防风作用得以提高，从而表现了综合防风作用效果。150 m带距林网第2道林带后1～2H处平均风速为试验风速的74.4%，较第1道林带相同位置降低46.15%；200 m带距和300 m带距林网同样情况，第2道林带后1～2H处风速分别为试验风速的74.7%和71.2%，较第1道林带分别降低32.4%和26.0%。

2.1.2 防风效能 试验风速8 m·s-1下，3种带距防护林网低于林带高度(16 cm)范围内的防风效能等值线见图2，3种带距林网防风效能趋势基本相同，林带后均急剧上升，达到高峰后再缓慢下降。150 m带距林网中7～16 cm高度全区段防风效能均>60%，1～5 cm高度4～9H(第2道林带)范围防风效能也>60%；200 m带距林网中5～16 cm高度全区段防风效能均>63%，1～3 cm高度3～12H(第2道林带)范围防风效能>64%；300 m带距林网3～18H(第2道林带)防风效能基本>50%。

防护林网中农作物是营造农田防护林的主要目的。农作物一般高度为1 m左右(模型高度为1 cm)，故本试验防风效能比对点选择在1 cm高度处，做出防风效能曲线图(图3)。由图3可看出，150 m带距防风效能最高值出现在7H处，4～9H防风效能在69.9%～93.4%，第2道林带后1H和2H处的防风效能较第1道林带有较大幅度提高，由第1道林带1、2H防风效能10.9%和17.9%分别提高至72.2%和83.8%，达6.6倍和4.7倍，削弱程度明显；200 m带距和300 m带距林网从3H后至第2道林带，防风效能基本都>50.0%，第2道林带后1、2H处防风效能跟150 m带距相同，均高于第1道林带后相同位置，分别高出3.0～3.5倍。3种带距林网第2道林带处风速均上升，是因为气流遇到林带时大部分气流从林带上空越过，形成风速的增值区，所以此处的防风效能随着降低。

2.2 不同试验风速下林网内不同植被风场及防风效能差异

2.2.1 风场分析 试验风速8、10、14 m·s-1条件下，300 m带距防护林网内种植果树模式、小麦模式和裸地(CK)的风场见图4。

在3组试验风速下，林带高度(16 cm)范围内平均风速变化进行详细分析比较，由图4可见，林网中有无植被对风场变化影响较大，植被增加下垫面的摩阻作用，协同林带削弱风速，防风作用显著增加。在8 m·s-1风速下，果树协同林带防护，背风面2～12H范围内使平均风速降低到2 m·s-1以下；小麦模式低于2 m·s-1风速范围为3～9H；CK为4～7H。在10 m·s-1和14 m·s-1风速下，果树模式2 m·s-1以下风速范围为3～10H；小麦模式为3～8H；CK为4～8H。

随着风速增大，林带协同网中植被的防风作用得到相应的提高，有植被比对照风速消减程度明显。14 m·s-1风速下，果树模式和小麦模式最低风速出现在8H处，分别为1.3、1.6 m·s-1，降低风速90.9%、88.4%，随后风速逐渐上升，到第2道林带(18H)时分别上升至5.3、5.8 m·s-1；CK最低风速在6H处，随后上升较快，14H时已达7.1 m·s-1。

风速经过第1道林带到达第2道林带时削弱程度各有差异，14 m·s-1风速下，果树模式第2道林带处作物高度(1 cm)风速降低81.4%，小麦模式降低63.1%，CK为58.2%；10 m·s-1风速下，果树模式降低92.0%，小麦模式降低60.7%，CK为58.9%；8 m·s-1风速下，果树模式降低88.8%，小麦模式降低64.0%，CK为61.2%。遇到第2道林带的阻挡，气流运动再次被削弱，随着风速降低。14 m·s-1风速下，果树模式第2道林带后1～2H处风速较第1道林带相同位置降低61.8%，小麦模式降低30.9%，CK为19.1%；10 m·s-1风速下，果树模式降低90.7%，小麦模式降低29.7%，CK为21.3%；8 m·s-1风速下，果树模式降低76.0%，小麦模式降低23.9%，CK为22.9%。

2.2.2 防风效能 低于林带高度(16 cm)范围内的防风效能等值线见图5，1 cm高度处防风效能曲线见图6。

林网中植被对林带防风效能具有明显提升作用，特别是果树类高大作物防风效能提升幅度很大。由图5可看出，气流穿过林带时受林冠阻挡，进入林网内再次被高大果树受阻。因此，林网内种植果树模式防风效能最大，优于小麦模式和对照，8 m·s-1风速下，林网中仅1H处防效为43%，其余均>50%， 最佳防风效能出现在带后2～18H距离10 cm高度以下范围，防效为65%～92%；10 m·s-1和14 m·s-1风速下仍有较高的防效，除了1H处所有高度和其他区段林冠高度处(10～16 cm)防效相对较低外，其他部位防效均高，均>55%。林网内种植小麦模式防效虽弱于果树模式，但是较对照仍有一定的防效，随着风速的增加防风效能明显提高，8 m·s-1风速下平均防风效能较对照增加4.9%～20.6%，10 m·s-1和14 m·s-1风速下较对照分别增加5.3%～28.0%、5.1%～29.0%。就林网中每一层高度防风效能而言，1 cm处防效最高，2 cm次之，林冠层(10 cm以上)防效最低。

由图6中可看出，不同风速下，林网内种植果树模式1 cm高度处防风效能最大，小麦模式次之，对照最小。8 m·s-1风速下，果树模式平均防风效能较对照增加21.8%，小麦增加10.5%；10 m·s-1风速下，果树模式增加30.6%，小麦增加16.7%；14 m·s-1风速下，果树模式增加30.8%，小麦增加18.1%。

2.3 有效防护距离

林带有效防护距离为林带背风面风速恢复到对照风速50%时与林带之间的距离，用林带高度表示(H)[10]。选取3种带距林网，在8 m·s-1风速下的林带背风面1 cm高度处降低风速率(林带背风面风速与同等高度对照风速之比)进行分析比较，进而得出林带有效防护距离。由图7可知，林带有效防护距离分别为150 m带距4H至第2道林带，200 m带距和300 m带距均为3H至至第2道林带。3组试验风条件下，300 m带距防护林不同植被林网内降低风速率比较分析结果得出(图8)，果树模式林网整个区段内作物均收到有效防护，全线范围降低风速率均>50%，小麦模式除了1H外，其他范围都在50%以上，对照为4～18H高于50%。就降低风速情况而言，300 m带距防护林不同植被林网内降低风速率均呈现随风速增加而稍有增大趋势。

3 结论

通过以上分析，对不同带距防护林网和不同试验风速下林网内不同植被风场及防风效能进行比较分析，揭示不同带距林网和不同植被对林网内风速的作用和影响，得出的主要结论是：

1)在同一风速下，3种带距林网最低风速基本都出现在5.5～7.5H。150 m带距林带间距较短，风速尚未上升又进入下一道林带，除1～3H距离内1 cm高度防护效能较低外，其余区段均处于较高水平；200 m带距林带风速稍有上升进入第2道林带，除1～3H距离内防风效能18.1%～48.5%外，其余均>66.8%；300 m带距上升至试验风速的44.3%进入第2道林带，防护效能最低出现在1H和2H，其余区段均>51.8%。3种带距林网平均防护效能排序为200 m带距(70.9%)>300 m带距(64.1%)>150 m带距(60.7%)。

2)风速从第1道林带进入后，逐层削弱，多条林带协同防护，从而表现了林网整体防风作用效果。就林网第2道林带后1～2H处平均风速较第1道林带相同位置降低程度而言，在8 m·s-1风速下，150 m带距林网优于其他2种带距林网，200 m带距和300 m带距林网相差不大；不同风速下，300 m带距林网内不同模式降低程度排序为果树模式>小麦模式>对照。

3)不同风速下，300 m带距林网1 cm高度处平均防风效能排序为果树模式>小麦模式>裸地。

4)林带有效防护距离分别为150 m带距4H至第2道林带，200 m带距和300 m带距均为3H至第2道林带。3组试验风条件下，果树模式整个林网内作物得到有效防护，小麦模式有效防护距离2H至第2道林带，对照为4H至第2道林带。

4 讨论

防护林网有防护效益，同时林网中作物也具有一定抗风范围，所以林网内有作物的整体防风效能显著，特别是果树类作物对林带防风效能的作用十分明显。本研究表明，随着风速增大，林带协同网中植被的防风作用得到相应的提高，有植被比对照风速消减程度明显，这与郑波等[19]、高函等[20]的研究结论一致。但与唐玉龙等[10]在对林带防风效应的风洞模拟试验中得出的随着风速增大林带背风面防风效能减小的研究结论有差异，这可能和林带中有植被的存在而产生的差异。朱乐奎[21]通过农田防护林野外调查并结合风洞试验，在基于流场分析的南疆农田防护林体系优化配置研究中表明，有枣树林带防风效应在20H距离时仍保持85%以上，则考虑进一步优化防护林配置，设置更宽的林带间距，减少林带占地，这与本研究结论一致。充分考虑作物对防护林防风效应的影响，防护林网建设时可适当调整防护林和果树类作物的配置比率，可减少防护林占地，增加果树类作物的种植面积，既能提升防风效能，又能增加经济效益。

目前南疆绿洲内部广泛采用4～6行窄林带构成的防护林网模式，多以疏透型结构林带为主，主林带间距一般在250～300 m，风沙危害严重的区域或绿洲边缘区域主林带在150～250 m[22]。本研究表明，就林网内整体风速而言，小网格的防风作用明显优于大网格，150 m和200 m带距林带背风面风速尚未上升或稍有上升就进入下一道林带，300 m带距上升至试验风速的44.3%进入第2道林带。从1 cm高度处平均防护效能分析比较发现，200 m带距林带防风效能最佳，300 m带距次之，150 m带距最低。基于增加农作物种植面积，减少林带用地，提高经济效益考虑，在绿洲内部配置300 m带距防护林综合效应最佳，既能发挥较好的防风效能，又能兼顾实际生产问题。在绿洲外围可适当考虑配置带距较小的防护林。

本研究仅对与林带走向垂直的一条线上进行观测，而林带背风面气流复杂，林网中各点风速不同，所以仅对线状进行观测，很难准确反映林网整体的风速分布及防护效果，下一步设置多个测点同步观测，有望观测林网内的整体风速空间分布变化规律。