馬彥軍, 李雪琳, 馬 瑞, 張瑩花, 魏林源, 張統(tǒng)帥

(1.甘肅農業(yè)大學 林學院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省治沙研究所 荒漠化與風沙災害防治重點實驗室, 甘肅 蘭州 730070)

防風固沙林的主要功能是降低風速，防止就地起沙和阻截外來風沙流。從造林樹種的選擇和配置來看，中國干旱沙區(qū)在立地條件較差的區(qū)域仍以單一樹種組成的純林為主，部分保護區(qū)和保護路段營建有兩種或兩種以上樹種組成的復合林帶。在空間配置上，復合林帶有株間配置、行間配置和帶狀配置等3種模式，其中，以株間配置和行間配置較為常見。楊婷婷[1]、烏拉[2]對新疆楊(Populusbolleana)+青楊(Populuscathayana)+沙棗(Laeagnusangustifolia)、二白楊(Populusgansuensis)+杜梨(Pyrusbetulifolia)模式的林帶的防風效能從疏透度的角度進行了研究，所得防風效能為11.7%～35%；彭帥[3]、付亞星等[4]對榆樹(Ulmuspumila)+檸條(Caraganakorshinskii)、楊樹(Populus)+榆樹、楊樹/榆樹+灌木模式的林帶的防風效能從空間分布上進行了研究，所得最大防風效能點在帶后約3 H處。鄭錕[5]對木麻黃(Casuarinaequisetifolia)+濕地松(Pinuselliottii)模式的海岸防護林的防風效能從混交比例的角度進行了研究，所得防風效能為49.3%～52.1%，各混交比例下的最大風速降幅均出現在帶內到帶后1 H的范圍內。

目前對帶狀配置型防風固沙林防風效能的研究還未見報道。本研究擬以帶狀配置型復合林帶為研究對象，通過風洞模擬試驗，對林帶主要影響區(qū)的風速變化、氣流加速率、防風效能及防護范圍等進行分析，探索兩種不同特征的樹種經帶狀配置后形成的復合林帶的防風效應及其對風向的響應，以期為荒漠綠洲、沙漠公路、沙漠鐵路等防護區(qū)人工防風固沙林的營建提供理論依據。

1 研究方法

1.1 試驗設備

風洞模擬試驗在甘肅省治沙研究所風沙環(huán)境風洞實驗室進行，該風洞由中國航空空氣動力研究院于2013年設計建造，可用于各種沙害防治措施的模擬試驗研究。風洞氣流為直流下吹式，可調風速范圍4～35 m/s。洞體總長為38.9 m，由進氣段、動力段、整流段、收縮段、試驗段、可調試驗段和擴散段組成。其中試驗段長16 m，截面為1.2 m×1.2 m，可調試驗段長2.5 m，截面1.2 m×1.3 m。

1.2 試驗材料及林帶設計

依據梭梭(Haloxylonammodendron)、檸條的空間構型特征及幾何相似準則，依比例定制仿真植物模型A，分別記作仿真植物A(梭梭)和仿真植物B(檸條)，模型相關參數見表1。

表1 研究用仿真植物模型參數

沿風向，將2種仿真植物配置成AmBn型林帶，A表示林帶的前3行為仿真植物梭梭，m表示其株距為15 cm，行距為40 cm，B表示林帶的后3行為仿真植物檸條，n表示其株距為8.5 cm，行距為25 cm，兩種植物承接區(qū)的行距取均值，即32.5 cm，試驗測定時，風向垂直于林帶由A植物區(qū)吹向B植物區(qū)。將AmBn型林帶中A，B植物出現順序調換，即風由B植物區(qū)吹向A植物區(qū)，此時，林帶記為BnAm型林帶。上述林帶中，行與行水平向交錯1/2株距，形成品字形格局。

1.3 風速觀測

測點沿風洞中軸線布設，將林帶前的測點標記為負值，林帶第1行之后的測點標記為正值。依據預試驗，將風速測定區(qū)范圍確定為帶前60 cm至帶后690 cm。每個測點測定1，3，5，8，13，20，30，40，60 cm共9個高度的風速值。本研究中試驗風速，即風洞進口指示風速分別為7，10，15 m/s，以各試驗風速下無植物配置時測定的風速為對照(CK)。

1.4 數據處理與圖形繪制

1.4.1 氣流加速率計算 氣流加速率可以直接反映林帶對氣流的加速情況，計算公式如下：

akij=vkij/vkj

(1)

式中：k——試驗風速(m/s)；i——風速測定點；j——風速垂直測量高度(cm)；akij——氣流加速率；vkij——坐標(i，j)點在k風速下的測量值(m/s)；vkj——在k風速下的對照風速值(m/s)。當akij>1時，表示林帶對氣流有加速的作用，風速增加；akij<1時，表示林帶對氣流有減速的作用，風速降低；akij=1時，表示林帶對氣流沒有影響，風速保持不變。

1.4.2 防風效能計算 防風效能是體現防護林帶防護能力的一項重要指標，計算公式如下：

Ekij=(vkj-vkij)/vkj×100%

(2)

式中：Ekij——林帶后i距離處、高度j處的防風效能，用于反映風速被削弱的程度；vkj，vkij——與氣流加速率公式所述一致。

1.4.3 圖形繪制 基礎數據處理及風速變化圖、防風效能圖的繪制在Excel軟件中完成，氣流加速率等值線圖的繪制在Surfer 8.0軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 風速軸向變化特征

如圖1所示，各試驗風速下，當風洞內無植物時，

測定風速均隨高度的增加而增加，布設林帶后，各高度風速均發(fā)生明顯變化，氣流到達林帶前速度整體降低，到達AmBn型林帶的第一行或BnAm型林帶的第4行時流速出現明顯分化，依據風速變化特征，可將氣流層劃分為上(30 cm以上)、中(5—20 cm)、下(3 cm以下)3層。上部氣流層受林帶的影響相對較小，氣流受林帶抬升，速度升高，帶后速度降低并出現次級分化，即距冠層較近的30 cm高度處的風速在A植物區(qū)后出現顯著降低，尤其在AmBn型林帶上方表現更為明顯，而40，60 cm高度處的風速變化則較為緩慢；中部氣流層位于復合林帶的冠層高度，氣流到達林帶區(qū)時，受枝葉的阻滯、切割作用，能量損耗，速度出現大幅度波動式降低；下部氣流層受床面和林帶的共同影響，在到達林帶背風區(qū)之前風速持續(xù)波動降低，在林帶后一定距離處開始恢復，當A植物處于上風向時，恢復點在帶后的510 cm，約23 H處(H=22 cm)，而當B 植物處于上風向時，恢復點在帶后275 cm，約12.5 H處。

2.2 氣流加速率變化特征

由氣流加速率等值線(圖2)可知風速加速區(qū)(akij>1)和減速區(qū)(akij<1)的分布范圍，可以看出，當氣流到達AmBn型林帶后均在400 mm高度，即1.82倍梭梭樹高以上形成風速加速區(qū)，且隨著試驗風速增大到10，15 m/s時，風速加速區(qū)的起始形成點向下風向位移，從而使前沿風速減速區(qū)的影響范圍擴大。而對于BnAm型林帶，風速加速區(qū)在帶前-60 cm處(2.73 H)就已形成。此外，兩種林帶除了在林帶上方形成加速區(qū)外，在相鄰植株間的狹管效應下，近地層氣流到達林帶內也均出現了小范圍的加速情況。

本研究定義風速被消弱50%以上，即akij<0.5的區(qū)域為風影區(qū)；風速被消弱80%以上，即akij<0.2的區(qū)域為風影核心區(qū)。則由圖2可知，當株高22 cm的A植物處于上風向時，其風影區(qū)的范圍明顯大于株高16 cm的B植物處于上風向時，尤其是在水平范圍上。風影核心區(qū)是受林帶影響，風速降低幅度最大的區(qū)域，從風影核心區(qū)的數量和高度上看，兩種配置模式下均在A，B植株區(qū)各出現一個風影核心區(qū)，形成雙核模式，每個核的高度與A，B植物冠層的分布高度一致，而這一分布格局可能是影響風速減速區(qū)分布范圍及強度的關鍵因素。顯然，AmBn型林帶風速減速區(qū)的范圍更廣，風速降低幅度更大。

圖1 各試驗風速下不同高度層風速軸向變化特征

2.3 防風效能變化特征

2.3.1 平均防風效能 防風效能是防風固沙林防護效益最主要的評價指標之一。在7，10，15 m/s試驗風速下，AmBn型林帶考察區(qū)的平均防護效能分別為34.44%，34.98%和32.51%；BnAm型林帶考察區(qū)的平均防風效能分別為22.62%，19.70%和19.41%，低于AmBn型林帶11.82，15.28，13.10個百分點。因此，就防護效能的均值來看，AmBn型林帶明顯優(yōu)于BnAm型林帶。

2.3.2 防風效能垂直變化特征 以7 m/s試驗風速為例。從防風效能的垂直分布(圖3)來看，2種防風固沙林的防風效能主要體現在A植物的植株高度(H=22 cm)以下，最大值在A植物的冠層中心高度處，分別為58.76%(AmBn型)和49.04%(BnAm型)，最小值在距床面3 cm的高度處，分別為35.25%(AmBn型)和30.25%(BnAm型)。在樹高以上，防風效能大幅度降低，并在30～40 cm高度以上為負值，這說明林帶對氣流產生減速作用的垂直高度區(qū)域主要是在1.5倍樹高范圍內，而對此范圍以上的氣流起加速作用。

2.3.3 防風效能水平變化特征 帶前、帶后防護效能及帶后防護距離關系到防風固沙林在建植區(qū)以外的防護效果。從7 m/s試驗風速下防風效能的水平變化(圖4)來看，2種類型林帶0—60 cm高度的平均防護效能在總趨勢上均為先增后減，相比之下，AmBn型林帶在帶前、帶后的平均防風效能均優(yōu)于BnAm型林帶。在帶后，AmBn型林帶和BnAm型林帶平均防風效能的最大值分別出現在450 cm(20.5 H)和280 cm(12.7 H)處，此距離點之后防風效能開始降低，從降低趨勢來看，AmBn型林帶具有較大的防護距離。

圖2 各試驗風速下氣流加速率等值線分布

圖3 7 m/s風速下防風效能垂直變化

此外，由于植株空間構型引起不同高度層氣流能量消耗元的差異，使防風效能水平變化特征也存在高度差異。其中，13 cm為A植物的冠層中心高度，同時也處在B植物冠層所處的高度層內，其防風效能在林帶背風側單調降低；而受枝干和床面粗糙度雙重影響的近地層1 cm處的防風效能在林帶內均出現負值，其負值區(qū)即對應于近地層風速加速區(qū)(akij>1) (見圖2)，林帶后該高度處的防風效能出現先增后減的趨勢，BnAm型林帶遞減幅度大于AmBn型林帶。

圖4 7 m/s試驗風速下不同高度防風效能水平變化

3 討 論

防護林學最核心的問題是防護林的密度、配置格局及防護效應。大量研究表明，防護林的防護效應與樹種的個體特征[6-7]，分布格局[8-11]、帶寬[12-14]以及林分密度[13,15-16]等多種因素有關。一般來說，由同一樹種組成的林帶由于植株個體的幾何形狀和空間構型相近，因此，密度是影響整個防護林參數，如孔隙率、體積密度以及空間流場的關鍵因子，而對于由兩種及兩種以上樹種組成的防護林來說，由于不同樹種的高度、冠幅、空間構型、枝葉量等個體特征的不同，使得林帶結構更為復雜，此時，除了密度，植株的空間配置模式也必將成為影響林帶防風效應的關鍵因素。

本研究根據不同樹種對風速影響的差異性，將具有不同個體特征的A，B植物沿風向配置成前高后低的AmBn型和前低后高的BnAm型林帶，其風速測定結果表明AmBn型林帶無論在風速降幅上，還是在防護范圍上均明顯優(yōu)于BnAm型林帶，這說明影響該類型林帶防風效能的因素除了上述因子外，還與該組合模式下氣流到達不同樹種的先后順序有關。顯然，當A植物處于上風向時，復合林帶表現出更為顯著的防風效果。從氣流能量消耗的角度來看，這一影響主要是由于具有不同個體特征，尤其是高度不同的A，B植物對不同高度層氣流能量的消耗強度不同所致。因此，當相反風向作用時，初始氣流的能量消耗模式發(fā)生了根本變化，并體現在風速、氣流加速率以及防風效能的空間變化上，正如Heisler等[17]和Zhou等[6]所指出的，林帶結構越復雜，越難在流場和結構間建立關系。

4 結 論

(1) 氣流到達林帶前速度整體降低，到達林帶后分化上(30 cm以上)、中(5—20 cm)、下(3 cm以下)3層。下部氣流層在AmBn型和BnAm型林帶后的風速恢復點分別位于23 H處和12.5 H處。

(2) AmBn型林帶風影區(qū)的范圍明顯大于BnAm型林帶；兩種林帶在A，B植物區(qū)的上方各出現一個風影核心區(qū)(akij<0.2)，形成雙核模式，核的高度與A，B植物冠層的分布高度一致。

(3) 在7，10，15 m/s試驗風速下，AmBn型林帶和BnAm型林帶考察區(qū)的平均防護效能分別為34.44%，34.98%，32.51%和22.62%，19.70%，19.41%；垂直方向上，林帶對氣流產生減速作用的區(qū)域主要是樹高1.5倍的范圍內，而對此范圍以上的氣流起加速作用；水平方向上，AmBn型林帶的防風效能在帶前、帶中、帶后均優(yōu)于BnAm型林帶。

(4) 在具有明顯主導風/盛行風作用的防護區(qū)，建議按照AmBn型林帶配置模式將梭梭等高度較高、冠幅較大的樹種配置于上風向，而將體型較小的檸條等植物配置于靠近防護對象一側的下風向。