桑巴葉，阿通古麗·買買提，陳啟民

(1.新疆林業(yè)科學研究院 造林治沙研究所，新疆 烏魯木齊 830063；2.新疆精河荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，新疆 精河 833300；3.庫爾勒市香梨研究中心，新疆 庫爾勒 814000)

農(nóng)田防護林是減少農(nóng)作物遭受風沙危害的一道綠色安全屏障，對有效改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和田間小氣候具有十分重要的意義。其作用主要體現(xiàn)在削弱綠洲內(nèi)的風速，阻止流沙危害，保障綠洲生態(tài)安全[1-2]。國內(nèi)外有關防護林林網(wǎng)內(nèi)風速分布的研究較多，主要圍繞防護林的結(jié)構、疏透度、透風系數(shù)、樹種組成、配置方式、林分密度、林帶行數(shù)、林帶高度、寬度，與風向夾角和空間配置等方面做了大量工作[3-13]。楊文斌等[14]對覆蓋度20%左右的不同水平配置格局的灌木叢內(nèi)的風場結(jié)構及固沙效果進行了風洞模擬試驗，得出行帶式配置具有非常顯著的削弱風速的作用，風速減弱36%～43%。董慧龍等[15]在風洞模擬中測量了不同覆蓋度防護林帶水平、垂直空間的田間風速變化，按影響大小劃分為4個變化層。梁海榮等[16]通過對單行一帶和兩行一帶喬木林帶前后風速進行了風洞模擬試驗，得出單行林帶前對風速削弱程度高于兩行一帶林帶，但是林帶后的風速削弱情況則是兩行一帶林帶高于單行一帶。W.Z.Zhaoetal[17]通過測定河西走廊不同防護體系下的輸沙率、風速等諸多數(shù)據(jù)，得出由秸稈草方格、植被固沙帶和農(nóng)田防護林共同組成的防護體系防風效能可達70%，并能阻擋氣流中96%的流沙。范志平等[18]通過對農(nóng)田防護林網(wǎng)內(nèi)的風場分析，得出網(wǎng)狀配置的防護林林帶防護效果最佳，林帶內(nèi)最低風速出現(xiàn)在林緣4～8H范圍。鄭波等[19]研究農(nóng)田防護林網(wǎng)中種植棗樹等植株高大作物時，防護林風場特征及防風效能，得出高大作物(棗樹)對林帶前后流場均具有顯著影響，尤其是林帶后近地面風速削減程度較大。目前農(nóng)田林網(wǎng)中的不同植被(作物)在不同風速下的防風效能與林網(wǎng)協(xié)同配置的研究較少，相關不同帶距防護林風場研究更少。

因此，為進一步掌握不同帶距林網(wǎng)和林網(wǎng)中植被對整個林網(wǎng)內(nèi)近地面風速影響，本研究通過空間多點觀測，分析農(nóng)田防護林高度范圍內(nèi)的風場及防風效能，了解不同帶距林網(wǎng)內(nèi)的風場，揭示農(nóng)田防護林網(wǎng)協(xié)同植被對農(nóng)田風速運移變化所產(chǎn)生的作用，掌握林網(wǎng)內(nèi)不同植被的整體防風效能，以期為今后綠洲防護林建設配置提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

本試驗于2018年10月在中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所風洞實驗室進行。該實驗室位于莫索灣沙漠研究站。風洞為直流開口吹氣式，全長16.2 m，試驗段長8 m，試驗段截面為矩形，寬1.3 m，高1 m，高寬比為1.3，試驗段采用側(cè)壁擴散式結(jié)構，每側(cè)壁擴散角0.2°，動力裝置采用變頻電動機，通過調(diào)節(jié)電流頻率來調(diào)節(jié)風速。風速測量采用畢托管(KIMO TPL-03-300)、微壓傳感器(C239)和風洞系統(tǒng)配套軟件。

模型固定于試驗段入口下風向1 m處風洞底板中軸線上，垂直及45°于來流方向。以模型迎風坡坡腳所在位置為0，在其上風向、林網(wǎng)和下風向觀測點布設移測架，試驗條件下附面層厚度(δ)>15 cm，模型高度均在附面層內(nèi)。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗材料 試驗模型由柔性塑料花制成，防護林樹種為新疆楊(Populusalbavar.pyramidalis)，單株楊樹模型高16.0 cm，冠幅為2.5 cm×2.5 cm，株行距為1.5 cm×2 cm，為4行楊樹防護林，疏透度為33.1%；林網(wǎng)中果樹選用南疆常用樹種核桃(Juglansregia)為試驗模型，模型高度為10 cm，冠幅為6 cm×6 cm，株行距為6 cm×8 cm；小麥(Triticumaestivum)模型高度為0.8 cm。模型與實物的尺寸比例1∶100。

1.2.2 模型設置 主林帶間距為150、200 m和300 m，設置風速為8 m·s-1。

主林帶間距300 m的林網(wǎng)中布設果樹和小麥等植被，對照為裸地。設置風速為8、10、14 m·s-1。

1.2.3 測點布設 移測架上皮托管安裝中心與風洞底板距離分別為：1、2、3、5、7、10、15、30 cm。林網(wǎng)前后水平測點均為-10、-5、-2、-1、0H(為第1道林帶，林帶中有3個測點，H為樹高)、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帶距防護林測點布設至20H，200 m帶距布設至18H)。150 m帶距防護林第2道林帶位于9H，200 m帶距位于12H，300 m帶距位于18H，林帶中設有3個測點。H為林帶高度，“-”符號為林帶前。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 防風效能利用公式(1)計算[17]，計算結(jié)果平均值為該點防風效能。

Exz=(U0,z-Ux,z)/U0,z×100%

(1)

式中:Ux,z為距離林帶為x、高度為z處的時間平均風速；U0,z為試驗轉(zhuǎn)速下高度z的初始風速；Exz為距離林帶為x、高度為z處的防風效能。

在設定的風速條件下采集風速數(shù)據(jù)，同一測點停留5 min，每1 s記錄1次數(shù)據(jù)，求出平均值，并用防風效能公式計算出防風效能，根據(jù)試驗結(jié)果，采用Sufer 11繪制風場圖和防風效能靠等值線圖。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同帶距防護林風場及防風效能差異

2.1.1 風場分析 林帶是氣流運動中的障礙物，當運動的氣流遇到林帶受阻后，風場結(jié)構發(fā)生較為復雜變化。為了掌握試驗風速8 m·s-1下3種帶距防護林網(wǎng)內(nèi)風速的空間變化，繪制了風場圖(圖1)。由圖1可見，3種帶距林網(wǎng)基本規(guī)律是大部分氣流被迫抬升，從林帶上空越過，形成風速的增值區(qū)，在林帶背風面的風速出現(xiàn)明顯的降低。在影響林網(wǎng)系統(tǒng)防風作用的許多因素中，林帶間距是最重要的因素之一。由于林帶間距不同而組成了不同規(guī)格的林網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)格內(nèi)風速的降低情況差異較大。3種帶距林網(wǎng)最低風速基本都出現(xiàn)在5.5～7.5H，低于林帶高度(16 cm)范圍內(nèi)的平均風速為1.0～1.7 m·s-1。150 m帶距間距較短，風速處在低值，尚未上升又進入下一道林帶，第2道林帶位于9H處，帶前風速為1.2 m·s-1；200 m帶距林帶最低風速出現(xiàn)在6H，風速為1.2 m·s-1，第2道林帶位于12H，林帶前風速2.3 m·s-1，為試驗風速的28.3%，風速稍有上升；300 m帶距林帶最低風速出現(xiàn)在5H，風速為1.0 m·s-1，第2道林帶位于18H，林帶前風速為3.5 m·s-1，為試驗風速的44.3%。

由于多條林帶的互相影響，以及進入下一條林帶風速的降低，促使后面林帶的防風作用得以提高，從而表現(xiàn)了綜合防風作用效果。150 m帶距林網(wǎng)第2道林帶后1～2H處平均風速為試驗風速的74.4%，較第1道林帶相同位置降低46.15%；200 m帶距和300 m帶距林網(wǎng)同樣情況，第2道林帶后1～2H處風速分別為試驗風速的74.7%和71.2%，較第1道林帶分別降低32.4%和26.0%。

2.1.2 防風效能 試驗風速8 m·s-1下，3種帶距防護林網(wǎng)低于林帶高度(16 cm)范圍內(nèi)的防風效能等值線見圖2，3種帶距林網(wǎng)防風效能趨勢基本相同，林帶后均急劇上升，達到高峰后再緩慢下降。150 m帶距林網(wǎng)中7～16 cm高度全區(qū)段防風效能均>60%，1～5 cm高度4～9H(第2道林帶)范圍防風效能也>60%；200 m帶距林網(wǎng)中5～16 cm高度全區(qū)段防風效能均>63%，1～3 cm高度3～12H(第2道林帶)范圍防風效能>64%；300 m帶距林網(wǎng)3～18H(第2道林帶)防風效能基本>50%。

防護林網(wǎng)中農(nóng)作物是營造農(nóng)田防護林的主要目的。農(nóng)作物一般高度為1 m左右(模型高度為1 cm)，故本試驗防風效能比對點選擇在1 cm高度處，做出防風效能曲線圖(圖3)。由圖3可看出，150 m帶距防風效能最高值出現(xiàn)在7H處，4～9H防風效能在69.9%～93.4%，第2道林帶后1H和2H處的防風效能較第1道林帶有較大幅度提高，由第1道林帶1、2H防風效能10.9%和17.9%分別提高至72.2%和83.8%，達6.6倍和4.7倍，削弱程度明顯；200 m帶距和300 m帶距林網(wǎng)從3H后至第2道林帶，防風效能基本都>50.0%，第2道林帶后1、2H處防風效能跟150 m帶距相同，均高于第1道林帶后相同位置，分別高出3.0～3.5倍。3種帶距林網(wǎng)第2道林帶處風速均上升，是因為氣流遇到林帶時大部分氣流從林帶上空越過，形成風速的增值區(qū)，所以此處的防風效能隨著降低。

2.2 不同試驗風速下林網(wǎng)內(nèi)不同植被風場及防風效能差異

2.2.1 風場分析 試驗風速8、10、14 m·s-1條件下，300 m帶距防護林網(wǎng)內(nèi)種植果樹模式、小麥模式和裸地(CK)的風場見圖4。

在3組試驗風速下，林帶高度(16 cm)范圍內(nèi)平均風速變化進行詳細分析比較，由圖4可見，林網(wǎng)中有無植被對風場變化影響較大，植被增加下墊面的摩阻作用，協(xié)同林帶削弱風速，防風作用顯著增加。在8 m·s-1風速下，果樹協(xié)同林帶防護，背風面2～12H范圍內(nèi)使平均風速降低到2 m·s-1以下；小麥模式低于2 m·s-1風速范圍為3～9H；CK為4～7H。在10 m·s-1和14 m·s-1風速下，果樹模式2 m·s-1以下風速范圍為3～10H；小麥模式為3～8H；CK為4～8H。

隨著風速增大，林帶協(xié)同網(wǎng)中植被的防風作用得到相應的提高，有植被比對照風速消減程度明顯。14 m·s-1風速下，果樹模式和小麥模式最低風速出現(xiàn)在8H處，分別為1.3、1.6 m·s-1，降低風速90.9%、88.4%，隨后風速逐漸上升，到第2道林帶(18H)時分別上升至5.3、5.8 m·s-1；CK最低風速在6H處，隨后上升較快，14H時已達7.1 m·s-1。

風速經(jīng)過第1道林帶到達第2道林帶時削弱程度各有差異，14 m·s-1風速下，果樹模式第2道林帶處作物高度(1 cm)風速降低81.4%，小麥模式降低63.1%，CK為58.2%；10 m·s-1風速下，果樹模式降低92.0%，小麥模式降低60.7%，CK為58.9%；8 m·s-1風速下，果樹模式降低88.8%，小麥模式降低64.0%，CK為61.2%。遇到第2道林帶的阻擋，氣流運動再次被削弱，隨著風速降低。14 m·s-1風速下，果樹模式第2道林帶后1～2H處風速較第1道林帶相同位置降低61.8%，小麥模式降低30.9%，CK為19.1%；10 m·s-1風速下，果樹模式降低90.7%，小麥模式降低29.7%，CK為21.3%；8 m·s-1風速下，果樹模式降低76.0%，小麥模式降低23.9%，CK為22.9%。

2.2.2 防風效能 低于林帶高度(16 cm)范圍內(nèi)的防風效能等值線見圖5，1 cm高度處防風效能曲線見圖6。

林網(wǎng)中植被對林帶防風效能具有明顯提升作用，特別是果樹類高大作物防風效能提升幅度很大。由圖5可看出，氣流穿過林帶時受林冠阻擋，進入林網(wǎng)內(nèi)再次被高大果樹受阻。因此，林網(wǎng)內(nèi)種植果樹模式防風效能最大，優(yōu)于小麥模式和對照，8 m·s-1風速下，林網(wǎng)中僅1H處防效為43%，其余均>50%， 最佳防風效能出現(xiàn)在帶后2～18H距離10 cm高度以下范圍，防效為65%～92%；10 m·s-1和14 m·s-1風速下仍有較高的防效，除了1H處所有高度和其他區(qū)段林冠高度處(10～16 cm)防效相對較低外，其他部位防效均高，均>55%。林網(wǎng)內(nèi)種植小麥模式防效雖弱于果樹模式，但是較對照仍有一定的防效，隨著風速的增加防風效能明顯提高，8 m·s-1風速下平均防風效能較對照增加4.9%～20.6%，10 m·s-1和14 m·s-1風速下較對照分別增加5.3%～28.0%、5.1%～29.0%。就林網(wǎng)中每一層高度防風效能而言，1 cm處防效最高，2 cm次之，林冠層(10 cm以上)防效最低。

由圖6中可看出，不同風速下，林網(wǎng)內(nèi)種植果樹模式1 cm高度處防風效能最大，小麥模式次之，對照最小。8 m·s-1風速下，果樹模式平均防風效能較對照增加21.8%，小麥增加10.5%；10 m·s-1風速下，果樹模式增加30.6%，小麥增加16.7%；14 m·s-1風速下，果樹模式增加30.8%，小麥增加18.1%。

2.3 有效防護距離

林帶有效防護距離為林帶背風面風速恢復到對照風速50%時與林帶之間的距離，用林帶高度表示(H)[10]。選取3種帶距林網(wǎng)，在8 m·s-1風速下的林帶背風面1 cm高度處降低風速率(林帶背風面風速與同等高度對照風速之比)進行分析比較，進而得出林帶有效防護距離。由圖7可知，林帶有效防護距離分別為150 m帶距4H至第2道林帶，200 m帶距和300 m帶距均為3H至至第2道林帶。3組試驗風條件下，300 m帶距防護林不同植被林網(wǎng)內(nèi)降低風速率比較分析結(jié)果得出(圖8)，果樹模式林網(wǎng)整個區(qū)段內(nèi)作物均收到有效防護，全線范圍降低風速率均>50%，小麥模式除了1H外，其他范圍都在50%以上，對照為4～18H高于50%。就降低風速情況而言，300 m帶距防護林不同植被林網(wǎng)內(nèi)降低風速率均呈現(xiàn)隨風速增加而稍有增大趨勢。

3 結(jié)論

通過以上分析，對不同帶距防護林網(wǎng)和不同試驗風速下林網(wǎng)內(nèi)不同植被風場及防風效能進行比較分析，揭示不同帶距林網(wǎng)和不同植被對林網(wǎng)內(nèi)風速的作用和影響，得出的主要結(jié)論是：

1)在同一風速下，3種帶距林網(wǎng)最低風速基本都出現(xiàn)在5.5～7.5H。150 m帶距林帶間距較短，風速尚未上升又進入下一道林帶，除1～3H距離內(nèi)1 cm高度防護效能較低外，其余區(qū)段均處于較高水平；200 m帶距林帶風速稍有上升進入第2道林帶，除1～3H距離內(nèi)防風效能18.1%～48.5%外，其余均>66.8%；300 m帶距上升至試驗風速的44.3%進入第2道林帶，防護效能最低出現(xiàn)在1H和2H，其余區(qū)段均>51.8%。3種帶距林網(wǎng)平均防護效能排序為200 m帶距(70.9%)>300 m帶距(64.1%)>150 m帶距(60.7%)。

2)風速從第1道林帶進入后，逐層削弱，多條林帶協(xié)同防護，從而表現(xiàn)了林網(wǎng)整體防風作用效果。就林網(wǎng)第2道林帶后1～2H處平均風速較第1道林帶相同位置降低程度而言，在8 m·s-1風速下，150 m帶距林網(wǎng)優(yōu)于其他2種帶距林網(wǎng)，200 m帶距和300 m帶距林網(wǎng)相差不大；不同風速下，300 m帶距林網(wǎng)內(nèi)不同模式降低程度排序為果樹模式>小麥模式>對照。

3)不同風速下，300 m帶距林網(wǎng)1 cm高度處平均防風效能排序為果樹模式>小麥模式>裸地。

4)林帶有效防護距離分別為150 m帶距4H至第2道林帶，200 m帶距和300 m帶距均為3H至第2道林帶。3組試驗風條件下，果樹模式整個林網(wǎng)內(nèi)作物得到有效防護，小麥模式有效防護距離2H至第2道林帶，對照為4H至第2道林帶。

4 討論

防護林網(wǎng)有防護效益，同時林網(wǎng)中作物也具有一定抗風范圍，所以林網(wǎng)內(nèi)有作物的整體防風效能顯著，特別是果樹類作物對林帶防風效能的作用十分明顯。本研究表明，隨著風速增大，林帶協(xié)同網(wǎng)中植被的防風作用得到相應的提高，有植被比對照風速消減程度明顯，這與鄭波等[19]、高函等[20]的研究結(jié)論一致。但與唐玉龍等[10]在對林帶防風效應的風洞模擬試驗中得出的隨著風速增大林帶背風面防風效能減小的研究結(jié)論有差異，這可能和林帶中有植被的存在而產(chǎn)生的差異。朱樂奎[21]通過農(nóng)田防護林野外調(diào)查并結(jié)合風洞試驗，在基于流場分析的南疆農(nóng)田防護林體系優(yōu)化配置研究中表明，有棗樹林帶防風效應在20H距離時仍保持85%以上，則考慮進一步優(yōu)化防護林配置，設置更寬的林帶間距，減少林帶占地，這與本研究結(jié)論一致。充分考慮作物對防護林防風效應的影響，防護林網(wǎng)建設時可適當調(diào)整防護林和果樹類作物的配置比率，可減少防護林占地，增加果樹類作物的種植面積，既能提升防風效能，又能增加經(jīng)濟效益。

目前南疆綠洲內(nèi)部廣泛采用4～6行窄林帶構成的防護林網(wǎng)模式，多以疏透型結(jié)構林帶為主，主林帶間距一般在250～300 m，風沙危害嚴重的區(qū)域或綠洲邊緣區(qū)域主林帶在150～250 m[22]。本研究表明，就林網(wǎng)內(nèi)整體風速而言，小網(wǎng)格的防風作用明顯優(yōu)于大網(wǎng)格，150 m和200 m帶距林帶背風面風速尚未上升或稍有上升就進入下一道林帶，300 m帶距上升至試驗風速的44.3%進入第2道林帶。從1 cm高度處平均防護效能分析比較發(fā)現(xiàn)，200 m帶距林帶防風效能最佳，300 m帶距次之，150 m帶距最低。基于增加農(nóng)作物種植面積，減少林帶用地，提高經(jīng)濟效益考慮，在綠洲內(nèi)部配置300 m帶距防護林綜合效應最佳，既能發(fā)揮較好的防風效能，又能兼顧實際生產(chǎn)問題。在綠洲外圍可適當考慮配置帶距較小的防護林。

本研究僅對與林帶走向垂直的一條線上進行觀測，而林帶背風面氣流復雜，林網(wǎng)中各點風速不同，所以僅對線狀進行觀測，很難準確反映林網(wǎng)整體的風速分布及防護效果，下一步設置多個測點同步觀測，有望觀測林網(wǎng)內(nèi)的整體風速空間分布變化規(guī)律。