干旱風沙區農田防護林網空間風速與地表風蝕特征

左 忠，潘占兵，張安東,2，余 殿，周景玉

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干旱風沙區農田防護林網空間風速與地表風蝕特征

左 忠1，潘占兵1※，張安東1,2，余 殿3，周景玉3

（1. 寧夏農林科學院荒漠化治理研究所，銀川 750002； 2.四川大學生命科學學院，成都 610065；3. 寧夏哈巴湖國家級自然保護區管理局，鹽池縣 751500）

為準確了解和評價干旱風沙區在典型大風環境下農田防護林空間風速分布，以及林網內風蝕狀況，分別利用三杯風速儀和誘捕法，對干旱風沙區鹽池縣農田防護林網空間風速與地表風蝕特征開展了林網內不同水平距離內的距地表50、200 cm高度風速分布與地表風蝕狀況監測。研究表明：1) 隨著防護距離的逐漸增大，風蝕量呈先增加后減少的變化趨勢，而風速變化規律正好相反；50和200 cm高度的風速變化規律均一致，均呈先逐漸降低后逐漸升高的變化，以12處對風力減小作用最明顯，50和200 cm高度的風速降幅分別達到了51%和46%；林帶防風效益與距離呈先增加后減小趨勢，以12（12倍的防護林帶樹高，下同）處200 cm高度最佳，為53.65%；侵蝕模數由林帶內的輕度、1處的強度到3、7處的劇烈，12處為極強度，以3處最大，為21 944.62 t/km2。2) 沙粒粒徑以73.99、87.99、104.6m區間為主，其中82.53%～99.93%沙粒均集中在248.9m以下，為細沙粒，而曠野對照組沙粒粒徑主要集中在104.6～148m，沙粒明顯較粗。因此，干旱風沙區沙質農田防護林網在典型大風日內對風速的減緩非常有效。但由于林網內沙物質源豐富，風蝕現象依然嚴重，對當地沙塵暴發生影響較大。該研究對準確掌握當地林網風蝕，科學評價林網防護功能等有一定的借鑒作用。

土壤；風；侵蝕；干旱風沙區；農田防護林網；風蝕

0 引 言

防護林是以發揮防護效應為基本經營目的的森林的總稱[1]，既包括人工林，也包括天然林[2]。農田防護林是一種為了改善土壤、水分、小氣候條件，防止自然災害而為農作物和牲畜的生長創造有利環境的、保證農牧業穩產和高產的，并且能為人類社會提供多種效用的人工森林生態系統[3]。其主要目的是調節農田內部小氣候、減小風速、有效保證農業豐產豐收。風蝕是寧夏主要自然災害之一，研究、治理和抵御風蝕危害是各級政府與群眾長期面臨的共同使命。對典型大風條件下農田防護林網空間風速分布特征與風蝕程度的研究，是研究決定農田防護林林帶間距、林帶寬度、樹種搭配、疏透系數等科學布設的前提，特別是風害嚴重的干旱風沙區。而針對干旱風沙區林網內典型大風日風力分布特征與地表風蝕相關性的研究非常少見。前蘇聯[3]根據土壤類型采用帶間距離300～400 m（栗鈣土）、400～500 m（南方黑鈣土）、500～600 m（普通黑鈣土）。歐洲（丹麥）[3]以林帶高為15 m計，則林帶之間的距離應在250 m。王仁德等[4]對山東平原農區研究表明，風速降低10%時對農作物就不產生危害，1～20平均防風效益為35.27%，7處防風效果最好，防風效益達63.64%。同時研究表明，單條防護林帶結構為最優結構時，在30范圍內，平均風速降低40～50%；在20范圍內，平均風速降低50～60%。防護林內10距離后，風速才明顯增高[5]。朱廷曜等[6]提出在平原地區，單條防護林帶結構為最優結構時，減弱風速20%的有效防護距離可達25~30。劉建勛等[7]觀測到河西走廊中部單個農田林網的防風度為28.2%，18～25處相對風速均在80%以上。左忠等[8-15]對寧夏、新疆、內蒙等地引黃灌區防護林體系、農田地表風蝕、降塵機理進行了較為全面的觀測。查同剛等[16-18]對寧夏農田防護林體系、結構、配置、小氣候進行了調查研究。張雷等[19-21]分別針對沿海與寧夏防護林效應、風區分布、氣場流體學等開展了研究。鄭波等[22]利用風洞研究了種植棗樹等植株高大目標作物的防護林風場特征及防風效應的影響表明，棗樹對林帶前后流場均具有顯著影響。彭帥[23]研究表明喬灌混交配置是防護林帶樹種配置的首選。孫欽明[24]研究表明，林帶不同配置結構下近地表流場變化差異較大。于穎等[25-26]分別利用遙感數據實現了農田防護林防風效能的定量估算和作物產量的評價。綜上，目前關于平原地區農田防護林空間風速分布研究較為常見，但干旱風沙區灌區由于生產條件惡劣，區域間自然環境差異性大，農業生產規模較小，生產力水平低下，諸如農田風蝕特征等基礎研究起步較晚，開展的相關研究較少，與現代農業產業化生產技術需求尚有一定的差距。

風害防治是農田防護林網設置首要作用。由于北方春季風害易發期正是落葉防護林樹種展葉前期，防風效果明顯不佳。同時，不同地域氣候差異性大，主害風力破壞性之間差別非常大，而不同區域農藝耕種習慣、土壤類型防風蝕特性、不同作物對防護林網設計需求的差異性等，決定了防護對象差別較大，不同區域、不同類型的防護林空間設置、功能實現的差別也較大。對干旱風沙區農田防護林風速空間分布與冬春季農田風蝕特征研究，是保證農田防護林科學布設，保障農業豐產穩產的重中之重，據此開展了本研究。

1 研究區自然概況

研究區地處鄂爾多斯臺地中南部、毛烏素沙地西南緣，寧夏中東部干旱風沙區，是寧夏中部干旱帶主要組成部分，試驗區年降水量145.3～487.5 mm，蒸發量1369.9～2 394.7 mm，干燥度3.1；年均氣溫7.0～10.0 ℃，年溫差31.2 ℃，無霜期138 d，≥10 ℃積溫2 944.9 ℃；年均大風日數25.2 d，年均風速2.8 m/s，主風向為西北風、南風次之；主要自然災害為春夏旱和沙塵暴[8]。

研究監測區設在寧夏鹽池縣王樂井鄉王樂井村揚黃灌區農田，為上茬種植玉米機械翻耕后并做了平整處理，以備當年春耕的揚黃灌區農田。地理位置37°47′04.44″N，107°09′29.70″E。曠野對照區域為王樂井鄉政府北面、王樂井鄉東溝村正南無任何防護林分布的旱作農田集中分布區域，地表為上茬種植蕎麥后保持的原始地貌，距離監測區直線距離2 km左右。

2 研究方法

2.1 防護林基本特征

防護林樹種選擇30 a左右榆樹林帶，是當地較有代表性的抗旱力強、較為常見的防護林樹種。防護林平均樹高15 m，林帶規格3 m×6 m，3行，品字形種植，樹冠冠幅437～556 cm，樹冠大，疏透度35%～40%，垂直于主害風向的成熟防護林帶，生長緩慢，林木保存率86%，保存完整。林網東西距離350 m，南北距離80 m，監測時大風風向按時風向玫瑰圖區分為315°左右NW向西北風。

2.2 監測方法

2.2.1 風速監測

在有沙塵暴發生的典型大風日內，以距離監測區直線距離2 km左右的曠野為對照，利用武漢新普惠科技有限公司生產的PH-SD2型手持風速風向儀，將其放置在林帶南北等距離的中心線上，同時監測距離防護林1（為防護林帶高度1代表距離觀測風向后林帶15 m處）、3、7、12（前后林帶中間距離175 m處）、21（距離前林帶320 m、后林帶30 m）不同水平距離50和200 cm垂直高度空間中的平均風速。監測時將風速儀利用穩定的桿狀固定裝置按照監測高度安裝到指定高度后，每位觀測者負責操作1臺風速儀，按照約定時間同時開始記錄風速風向，記錄者位于風速儀1 m以外的下風向。每1分鐘記錄一次，連續記錄15次，取其平均數。

2.2.2 風蝕監測

利用誘捕法（圖1），在各觀測地內選擇平整且保證具有原始地被物覆蓋的基礎上，同時放置口徑7 cm的集沙容器，放置時將保證容器口與地表持平，并且把容器周圍的空隙填平，盡量使其保持原狀，待有風蝕現象時容器對過境沙粒進行收集。期間及時觀察容器內沙粒沉降情況。當集沙量體積接近容器容積一半時及時收集該容器的沙粒，并稱其質量，累加記錄后對比監測不同立地類型土壤風蝕量。

圖1 誘捕測定法主要試驗原理

分別在距離防護林與主風向林垂直的南北走向的林帶內（0處）、距離林帶1、3、10、12（林帶中間175 m處）不同水平空間范圍內放置的集沙容器埋入地表。分別于2016年3月15日放置，4月17日、5月14日、6月16日第一、二、三次回收，放置時間均為30d左右。將未被人或動物影響或破壞的樣品收回稱其質量，每處理重復5個，取其平均數。將收集到的沙粒帶回室內，分析沙塵粒徑和集沙量，其中集沙量用感量0.01 g的天平稱質量。

2.2.3 沙粒粒徑分析

采用英國產Malvern牌Mastersizer 2000型激光粒度分析儀，對試驗采集到的沙粒樣品進行了粒徑組成分析。

2.2.4 防護林距離測量

防護林樹高、1、3近距離測量采用LeicaD510型激光測距儀測量，遠距離采用Australia New Meter(HK) Co.,ltd生產的TM1500型激光望遠鏡測距儀進行了測量。

2.3 數據計算

2.3.1 下墊面的粗糙度測定

下墊面的粗糙度是反映不同地表固有性質的一個重要物理量，是表示地表以上風速為零的高度，是風速等于零的某一幾何高度隨地表粗糙程度變化的常數[27]。而朱朝云等[28]則認為下墊面的粗糙度是衡量治沙防護效益最重要的指標之一。按照下墊面粗糙度的公式定義，只要同時測得監測區域內不同高度風速差，就可根據公式推出供試樣地的下墊面的粗糙度[28]。測定任意兩高度處1，2及它們對應的風速12，設2/1＝時，則得方程

例如當2＝200，1＝50，將若干平均風速比代入方程，則求得下墊面粗糙度0。

2.3.2 防風效益計算

防護林的防風效益主要是通過風速削減的程度來度量，即防護林前或林后的風速差與林前初始風速的比值[22]。本文計算時按照：防風效益＝（曠野平均風速-待評價區域平均風速）/曠野平均風速×100%。

2.3.3摩阻速度測定

摩阻速度*的確定[27]：*同樣可以通過測定任意兩個高程上的風速，根據公式來確定（即由直線的斜率得出）

根據0和*，可以得到風速廓線，就可以根據地面氣象站的風速資料推算近地層任一高度的風速，或進行不同高度的風速換算。

2.3.4風的速度脈動特征分析

風的速度脈動特征可以用陣性度表示[27]

式中為觀測層內的風速，m/s。

3 結果與分析

3.1 防護林網內風速空間分布特征

距地表50、200 cm高度風速監測結果表明，在1～21H區域內防護林均對風速減小起到了較為明顯的作用。隨著防護距離的逐漸增大，50和200 cm高度的風速變化規律一致，均呈先逐漸降低、后逐漸升高變化規律。其中50 cm高度1、3、7、10、1221處的風速分別為對照區風速的0.87、0.67、0.55、0.51、0.73和0.80倍，200 cm高度1、3、7、10、1221處的風速分別為對照區風速的0.71、0.54、0.51、0.46、0.69和0.66倍，特別是3～10處，其中以10處對風力減小作用最明顯，50和200 cm高度風速分別為曠野處的0.51倍和0.46倍，降幅分別達到了51%和46%，隨后風速又逐漸抬升。說明即使在樹木展葉前，農田防護林網在典型大風日內對風速的減小也非常有效。說明農田防護林網對穩定干旱風沙區農田生態系統具有重要作用。

3.2 防護林網內風速及防護效能等空間分布特征

在沙塵暴發生的典型大風日內對距地表50、200 cm高度風速監測表明，50 cm風速均明顯低于200 cm高度。風速比均在1.17～1.46之間，風速相差明顯。防護林內所有粗糙度0，均低于曠野對照，變化幅度在0.02～2.51 cm之間。風脈動性也相對較大，均在0.54～1.29之間。隨著距離增大，防風效益呈較規律的先增加后減小趨勢，變化幅度呈較規律的倒拋物線形狀，變化幅度在13.46%～53.65%范圍內，以12處200 cm高度最明顯，達到53.65%，說明防護林在12處防護效果最佳。

圖2 典型大風環境不同水平監測距離防護林網風速空間分布特征

表1 典型大風環境下防護林風速及防護效能等相關指標空間分布特征

3.3 典型大風條件下農田防護林網風蝕特征

3.3.1 防護林帶內不同水平距離風蝕量監測分析

地表風蝕量的大小，是沙塵暴發生發展程度正相關指標的直接反映。根據《寧夏通志·地理環境卷》[29]將寧夏風力侵蝕強度由輕到重依次劃分為微度（<240 t/km2·a）、輕度（240～2 250 t/km2·a）、中度（2 250～4 500 t/km2·a）、強度（4 500～9 000t/km2·a）、極強度（9 000～18 000 t/km2·a）、劇烈（>18 000 t/km2·a）6個級別。由于監測區域為鹽池縣干旱風沙區，地表風蝕嚴重，從大區域看，一般均屬于強度及劇烈風蝕區域。

從監測結果看，土壤表層風蝕量與防護林距離呈現較規律的正相關，以林帶內最小，在監測的3個時間段內平均風蝕量為2.12 g，折合平均月風蝕量為550.28 t/km2，累積風蝕量1 650.85 t/km2，僅從春季風蝕量判斷，為輕度風蝕區域。由于在防護林內，除防護林減少風速具有一定的貢獻外，主要是由于近鄰林帶內無農業耕作撓動，渠系周邊野生植被保存完好，地表硬度較大，抗風蝕能力較強，無充足沙塵來源。隨著監測距離防護林越遠，僅從春季風蝕量判斷，侵蝕模數由林帶內的輕度到1處的強度到3、7處的劇烈，到12處的極強度，其中以3、7處最大，分別為21 944.62、20 456.69 t/km2，二者相差不大。距離林帶中心12處監測到的月平均風蝕量為20.34 g，折合平均月平均風蝕量為5 287.06 t/km2，累計風蝕量15 861.17 t/km2，侵蝕模數減少到了極強度。曠野對照區監測到的累積風蝕量為16 754.45 t/km2，僅比0、1處風蝕量小，侵蝕模數屬于極強度。Duncan法多重比較表明3與0處理在5％水平上差異顯著。說明在干旱風沙區灌溉農田是主要沙源地，在沙害防治中應引起足夠的重視。

表2 防護林帶內不同水平距離地表風蝕量監測結果

3.3.2 防護林帶內不同水平距離沙粒粒徑分布特征

按照“中國土粒分級標準”[30]，250～1 00050～25010～55～22～1<1m分別為粗沙粒、細沙粒、中沙粒、細粉粒、粗黏粒、細黏粒。對收集到的沙粒粒徑進行分級后表明（表3）：沙粒粒徑主要集中在50～100m之間，≤50m以12處比例最大，達到了25.38%，3最小，僅為4.48%；≤100m處7處最大，為85.10%，3處也最少，為65.90%。其中99.93%以上的沙粒均小于或等于250m，65.90%沙粒均在100m及以下，為細沙粒，占絕大多數。曠野對照組無50m及以下的粒徑，100 、250m，分別占42.36%和99.82%，屬于細沙粒中較粗部分，與農田相比，顆粒明顯較粗。

從粒徑分析儀測試結果（表4）可以看出，各監測樣地沙粒均以沙粒中的細沙粒（37～248.9m）為主，其中51.58%～71.83%沙粒粒徑均小于或等于87.99m，為細沙粒中偏細部分。從不同監測距離來看，其中0處以73.99、87.99m為主，分別占總沙粒的17.99%、17.95%；1、3處以87.99、104.6m為主，分別占總沙粒的18.84%、18.09%和19.10%、19.03%；7、12處均以87.99、104.6m為主，分別占總沙粒的15.82%、17.59%和14.60%、15.13%。82.53%～99.93%粒徑均集中在248.9m以下，為細沙粒；粗沙粒（248.9～352m）組成只占不到1%。由此可見，在農田區域內收集到的各處理間沙粒粒徑差別不大。而曠野對照組沙粒粒徑在62.22～352m之間，其中104.6～148m占總數的56.7%，與農田區域相比，沙粒明顯較粗。

表3 地表沙粒粒徑國家標準分級結果

表4 地表沙粒粒徑組成分析

4 結論與討論

1）隨著監測距離的增大，風蝕量呈先增加后減少的變化趨勢，而風速變化規律正好相反。以林帶內最小，隨著監測距離防護林越遠，侵蝕強度由林帶內的輕度、1處的強度到3、7處的劇烈，12處為極強度，其中以3處侵蝕最大，為21 944.62 t/km2。其中3與林帶內（0）處理差異顯著。防風效益與防護林距離呈先增加后減小趨勢，變化幅度在13.46%～53.65%范圍內，以12處200 cm高度防風效益最佳，為53.65%。

2）不同防護林距離收集到的沙粒粒徑以73.99、87.99、104.6m區間為主，其中82.53%～99.93%粒徑均集中在248.9m以下，為細沙粒。而曠野對照組沙粒粒徑在62.22～352m范圍內，其中104.6～148m最為集中，占56.7%，沙粒明顯較粗，說明該區域風蝕危害現象嚴重。

監測表明，干旱風沙區沙質農田防護林網內沙物質源豐富，對當地沙塵暴發生發展，以及農田風蝕、土壤養分流失等影響較大，是主要沙源地之一。由于本次試驗是地面較長時期的監測風蝕監測，為便于實地操作，減少人為破壞，選用了誘捕法，在風蝕發生的主要危害季節進行了監測。由于集沙裝置口徑偏小，風蝕量和侵蝕強度監測結果與實際發生值相比可能會偏小。但本研究是在當地主害風主要發生季節進行的長時間監測。因此，基本可真實地反映當地風蝕情況，對準確掌握干旱風沙區風季內防護林網地表風蝕現狀，科學評價防護林防護功能起到了一定的借鑒作用。

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Spatial wind speed and surface wind erosion characteristics of farm-shelter forest network in arid sandy area

Zuo Zhong1, Pan Zhanbing1※, Zhang Andong1,2, Yu Dian3, Zhou Jingyu3

(1.,750002,; 2.,,610065,; 3.751500,)

To accurately understand and evaluate the spatial distribution of wind speed and the erosion characteristics of farm-shelter forest network in a typical strong wind environment, the research on space wind speed and surface wind erosion characteristics of farmland shelterbelts in Yanchi County, Ningxia Hui Autonomous Region in arid sandy area is carried out. The spatial distribution of wind speed within 50 and 200 cm vertical space above the ground and the erosion characteristics have been studied at the different distances from the farm-shelter forest network with portable anemometer and trapping method respectively. The result shows that: With the increase of monitoring distance, the amount of wind erosion increased first and then decreased, while the wind speed changed in the opposite direction. The wind speed changes at 50 and 200 cm height are the same, which show a very regular inverted parabolic linear change of first gradually decreasing and then gradually rising. The effect of wind reduction at 12height (12 times shelter forest height, the same below) is the most obvious. Wind speeds decreased by 51% and 46% at 50 and 200 cm height respectively. With the increase of the distance, the wind-break potency presented the tendency of increasing at first and then decreasing. The wind-break potency was the best at the 200 cm height from 12H, and the value was 53.65%. The amount of wind erosion was positively correlated with the distance from the farm-shelter forest network. The erosion modulus in the farm-shelter forest network was the least, and the order was 1< 12< 3and 7. The value at 3height was the biggest, 21 944.62 t/km2. The sand diameters were about 73.99, 87.99 and 104.6m, 82.53%-99.93% was under 248.9m, and the sand was the fine sand. However, the sand diameters of the bare land were about 104.6-148m. These reflected that the sandy irrigated farmland was the main dust source. So configurating the farm-shelter forest network scientifically and reducing the bare soil could prevent sand disaster effectively in the arid sandy area. Thus, even in the early growth of tree leaves, farmland shelterbelts in arid and sandstorm areas are also very effective in slowing wind speed during typical windy days. However, due to the rich source of sand in the forest network, the wind erosion is still serious and has a great impact on the local sandstorms. The farmland shelterbelt network is set scientifically to minimize the occurrence of wind erosion and sand damage as much as possible during the wind-affected season for farmland. This study can have certain technical reference to accurately grasp the wind erosion of the local forest network, and scientifically evaluate the forest network protection function.

soils; wind; erosion; the arid sandy area; farm-shelter forest network; wind erosion

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.018

S424

A

1002-6819(2018)-02-0135-07

2017-06-21

2017-12-18

寧夏回族自治區十三五重大項目“寧夏多功能林業分區域研究與示范”；2015年中央財政林業科技推廣示范項目“寧夏半干旱黃土丘陵區退化生態系統恢復技術示范推廣”（項目編號2015[09]）；“全國退耕還林工程生態效益監測（寧夏）”項目聯合資助

左 忠，副研究員，主要從事風蝕監測，生態效益監測研究等工作。Email：nxzuozhong@163.com

潘占兵，男，寧夏惠農人，副研究員，主要從事生態效益監測、荒漠化防治等工作。Email：624151845@qq.com

左 忠，潘占兵，張安東，余 殿，周景玉. 干旱風沙區農田防護林網空間風速與地表風蝕特征[J]. 農業工程學報，2018，34(2)：135－141. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.018 http://www.tcsae.org

Zuo Zhong, Pan Zhanbing, Zhang Andong, Yu Dian, Zhou Jingyu. Spatial wind speed and surface wind erosion characteristics of farm-shelter forest network in arid sandy area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 135－141. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.018 http://www.tcsae.org