不同配置喬灌混交林防風效益的風洞試驗

厲靜文，Dosmanbetov D A，郭 浩※，辛智鳴，劉朋飛，劉明虎

（1. 中國林業科學研究院荒漠化研究所，北京 100091；2. Kazakh National Agrarian University，Nursultan 050010；3. 中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心，磴口 015200）

0 引 言

防護林是干旱半干旱區植被生態系統的重要組成部分[1]，它通過改變氣流流速和方向，影響林帶的流場結構[2-3]，從而達到降低風速和控制流沙的目的，在改善綠洲生態環境、保護生物多樣性、促進社會經濟可持續發展等方面具有重要作用[4-5]。

林帶的空間結構和樹種選擇是決定防護林能否持續發揮最佳防護效益的關鍵因素[6]。防護林的密度、高度、樹種影響林帶的斷面結構和疏透度，使得不同防護林的流場結構、防護距離和有效防護面積存在顯著差異[7-8]。其中，林帶密度能直接反映林帶空間結構的優劣[9]，相同行數的林帶密度越大，其防護范圍越大[10]，但造林密度受當地水土資源的限制，若防護林密度超出土壤、水資源的承載范圍，植被將衰退甚至死亡，影響防護效果[11-12]；林帶高度影響防護林的有效防護距離，同一林帶的帶高增加，其防護效果變化明顯，然而當前研究多局限在林帶某一特定時期[13-15]，鮮有根據林齡變化模擬林帶未來防護效果的研究。

胡楊（Populus euphratica）、新疆楊（Populus alba）、箭桿楊（Populus nigra）、旱柳（Salix matsudana）等高大喬木因生長速度快、防護性能好，常作為防風固沙林的主要樹種[16-18]，但單一速生喬木林在成熟期和過熟期，枯死、殘缺現象嚴重，防風阻沙效果有限；喬灌混交林多為單一喬木與灌木的混交[18-20]，對于多樹種、高效益的喬灌混交防風固沙林的研究甚少。

因此，本研究選取干旱半干旱區速生喬木旱柳、固沙灌木油蒿（Artemisia ordosica）、梭梭（Haloxylon ammodendron）為研究對象，以不同水資源承載力下3 種研究對象均能正常生長為前提，通過風洞模擬試驗，分析不同高度、密度的油蒿、梭梭、旱柳喬灌混交林的風速變化、有效防護面積，以期為防風固沙林的配置優化提供新思路。

1 研究方法

1.1 試驗設備

風洞試驗在北京林業大學風沙物理實驗室（116.11°E，40.06°N）進行，試驗風洞長24 m，包括驅動系統、洞體和監控系統。洞體由風扇段、過渡段、穩定段、收縮段和擴散段5 部分組成[21]，主要試驗段約長12 m，橫截面積為0.6 m×0.6 m，風速范圍為3～42 m/s，且連續可調，有效試驗截面風速脈動小于1.5%[11]。

風洞的邊界層厚度制約著模型的大小，該風洞試驗段的底板邊界層厚度約為0.25 m，大于林帶模型，符合試驗模型必須包容在風洞邊界層內的要求[22]；風洞側面邊界層厚度為0.05 m，即風洞中軸線左右各 0.25 m 寬度范圍內風速均衡穩定。

風速流場的觀測采用KIMO 熱線風速儀，該儀器為加熱負溫度系數熱敏電阻，能通過感測空氣流動帶走的熱量，推算出風速，KIMO 熱線風速儀每1 s 記錄1 次風速數據，測量精度為測量值 ± 0.1 m/s[23]。

1.2 林帶設計及試驗材料

風洞模擬試驗最重要的是保證模型符合幾何相似的要求，即模型與實體構型相同、對應成比例；同時使用無量綱化的物理量，確保分析研究結果相互關系時，不再考察物理量本身，只要對比物理量數值即可[23-24]。基于上述準則，實地調查烏蘭布和沙漠樹齡5、10 和20 a的旱柳、梭梭、油蒿，并結合文獻資料[25-27]確定模擬對象的樹高、胸徑、疏透度等重要參數。考慮到風洞邊界層對試驗精度的影響，按照1∶100 設計模型，模型實物如圖1 所示，3 種樹齡的旱柳高度分別為4、6 和10 cm，油蒿分別為1、2、4 cm，梭梭分別為1、2、4 cm。

設計9 種喬灌混交林迎風面前4 行為油蒿、5～8 行為梭梭、9～10 行為旱柳，共10 行林帶；按照林帶密度分為A（高密度）、B（中密度）、C（低密度）3 種，A類林帶帶寬18 cm，株行距為2 cm×2 cm，B 類林帶帶寬29 cm，灌木間株行距為3 cm×3 cm，喬木間株行距為4 cm×4 cm，C 類林帶帶寬40 cm，灌木間株行距為4 cm×4 cm，喬木間株行距為6 cm×6 cm。根據林帶株行距、樹高等參數的特點，分別進行編號，詳見表1。9 種配置的試驗模型通過熱熔膠固定在熱塑性材料（ABS）板面上，同時在林帶前后鋪設等厚度的空白ABS 板，防止因床面厚度不一造成前沿附面層氣流的分離。

圖1 喬灌混交林模型圖 Fig.1 Model of arbor-shrub mixed forest belt

表1 不同配置喬灌混交林模型參數 Table 1 Model parameters of arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

1.3 風速觀測

為滿足力學相似的條件，試驗模型所受風荷載應與野外環境下研究對象對應位置所受的風荷載相似，因此，試驗時借助尖劈和粗糙元，調整洞體內的風環境，使其與烏蘭布和沙漠曠野48 m 高風速通量塔不同高度擬合成的風速廓線方程保持一致，同時對不同高度風速進行擬合驗證，結果表明二者最佳擬合關系為對數函數，與前人研究結果一致[28]。由于烏蘭布和沙漠2 m 高度常見風速為8 m/s，故設定試驗軸心風速為12 m/s，試驗條件下摩阻風速為0.48 m/s，最小雷諾數為4.8×105，滿足雷諾數與流場結構無關的試驗要求。利用KIMO VT200 熱線風速儀和三維移測系統獲取試驗點風速數據，每個觀測點測量10 s，取其平均值作為該點的風速數據。

由于3 類喬灌混交林帶寬度不同，為使各類林帶帶后位置統一，試驗時將9 種喬灌混交林帶迎風面第10 行布設在相同位置。風速觀測從林帶后10 cm 起，平面測點的布設規格為10 cm × 5 cm，測量高度為2 cm，99 個測點均不受邊界層影響，對照風速為各觀測點空風洞下的風速，詳見圖2。

圖2 風速觀測點布設 Fig.2 Wind speed observation point layout

1.4 數據處理

1.4.1 風速統計

統計各觀測點的實測風速數據，不但可以篩查風速數據，加強試驗的可靠性，而且能初步掌握不同配置林帶風速的分布規律。本文利用SPSS22.0 分析不同配置喬灌混交林帶風速數據的平均值、最大值、最小值、峰度、偏度、變異系數等統計參數，直觀獲得實測數據分布的削尖、變異程度。此外，由于林帶風速數據取值具有隨機性，為分析風速的分布情況和集中性，利用MATLAB繪制林帶的風速概率密度圖，進一步了解各林帶的風速分布特征。

1.4.2 克里金插值

克里金（Kriging）插值是一種根據協方差函數對隨機場進行空間預測的回歸算法，其能通過目標區域內已知點的形狀、方位和與未知點的空間相關性，對區域變量進行無偏最優估計[23-24]，反映出空間場的各向異性。本文采用該方法，利用Surfer 10.0 繪制風速流場圖，能直觀分析不同配置混交林帶的風速流場空間分布變化規律。

1.4.3 有效防護面積

基于防護林帶內一定防風效能下的防護面積為有效防護面積[23]。本文采用ArcGIS 對不同配置林帶的有效防風效能數據進行重采樣，根據數據分布特征確定防風效能的分割閾值，并將分割后的結果依據屬性特征分類匯總，分別獲得防風效能>30%、>50%、>80%的防護面積。

一定防風效能下的有效防護面積與林帶背風面總面積之比為有效防護面積比，其計算公式為

式中A 為有效防護面積比，%；SΔ為指定防風效能下的有效防護面積，cm2；S總為林帶背風面總面積，cm2。

2 結果與分析

2.1 風速統計分析

不同配置喬灌混交林帶后風速統計如表2 所示，林帶密度增加，喬灌混交林對風的阻擋作用加強，帶后平均風速減小；等密度林帶的帶高增加，帶后平均風速減小，且高密度林帶風速變化最大，中密度林帶風速變化最小；隨林帶高度增加，密度對其影響減弱，樹齡20 a的低密度林帶C3 帶后平均風速與樹齡5 a 的高密度A1林帶相近；高密度林帶降低風速作用明顯，但風速恢復迅速，樹齡10 a 的高密度A2 林帶最大風速是最小風速的11.85 倍，變異系數高達49.77，同A2 相比，等高度的B2、C2 帶后最大風速與其相似，但最小風速分別為A2的5.88、7.27 倍。

表2 不同配置喬灌混交林帶后風速分布統計參數 Table 2 Statistical parameters of wind speed distribution of arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

偏度能反映數據相對于平均值的不對稱程度，峰度可以衡量數據分布的集中程度或分布曲線的削尖程度。中、低密度林帶增至6 cm 高時，偏度開始大于0，B2、B3、C2、C3 林帶均為正偏度，高密度林帶增至10 cm 高時，偏度開始大于0，A3 林帶為正偏度；9 種林帶中，B3、C1 和C3 為低闊峰，風速分布低闊，散布較廣；其余6 種林帶為高狹峰，風速集中分布在平均數兩側。

根據各林帶背風面的風速概率密度圖（圖3）可知，樹齡5 a 的林帶風速分布多為右單峰，樹齡20 a 林帶的風速分布呈左單峰，樹齡10 a 的林帶由于氣流的擾動，其風速在帶后0～110 cm 間分布更均勻；等密度林帶中，林帶高度越大，對風的削減作用越強，風速集中分布點的數值越低，樹齡5 a 的A1 林帶風速多為6.5～8.5 m/s，B1 林帶風速多為7.2～7.6 m/s，C1 林帶的風速多為7.5～8.5 m/s，樹齡20 a 的A3、B3、C3 林帶風速分別集中分布在2.5～3.5、 4～5、4.5～5 m/s。

2.2 風速流場分布特征

不同配置喬灌混交林的帶后風速流場分布如圖4所示，等密度林帶中，林帶越高，其帶后相同位置的風速越小、氣流越平穩。高密度林帶A2、A3 風速變化趨勢相同，均形成了相對整齊、與林帶走向平行的風速等值線圖，且A3 帶后風速整體小于A2，但A2林帶背風面林緣處風速比樹齡20 a 的A3 小1.33 m/s，說明高林帶A3 使得氣流在背風林緣處被迫爬升；低密度林帶中，樹齡5 a 林帶C1 氣流變化最劇烈，帶后40～60 cm 間出現多個渦流加速區，隨林帶高度增加，帶后湍流減少，但樹齡20 a 的C3 林帶帶后0～10 cm 間風速加速明顯，其原因在于氣流穿過混交林帶時被切割阻擋，一部分氣流被迫從林帶間穿過，形成的狹管氣 流流速不斷增加[29]。

等高林帶中，高密度的A 型林帶帶后氣流運動更平穩，削減風力能力更強，但風速恢復迅速，A1 林帶在帶后0～50 cm 內風速明顯小于B1、C1，但在帶后110 cm處風速值與B1、C1 相當；林帶高度有限時，林帶密度是影響林帶防風效能的重要因子，適當增加林帶密度，能提高林帶的防風效果，樹齡10 a 的中密度B2 林帶平均風速與樹齡5 a 的高密度A1 林帶平均風速相當；林帶高度增加，林帶密度優勢減弱，帶高對林帶防風效能的作用增加，樹齡20 a 的低密度C3 林帶帶后平均風速遠小于樹齡10 a 的中、高密度林帶A2、C2。

林帶風速降低到對照風速的25%以下會形成明顯的靜風區[23]，樹齡10 a 和20 a 的高密度 A2、A3 帶后具有較大面積的靜風區，說明氣流受到高大密林的阻擋，在背風林附近急速下沉形成旋渦，使得帶后風速下降明顯；林帶風速降低到對照風速50%以下的區域防風效益較好，3 種密度林帶的防風效益最佳區均隨帶高增加而向后移動，樹齡5 a 的林帶A1、B1、C1 的防風效益最佳區為帶后0～20 cm，樹齡10 a的林帶A2、B2防風效益最佳區為帶后20～50 cm，C2 為帶后10～40 cm，樹齡20 a 的A3、B3、C3 防風效益最佳區域分別為帶后40～70、40～80、50～80 cm。

圖4 不同配置喬灌混交林風速流場圖 Fig.4 Wind speed flow fields in arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

2.3 有效防護面積

有效防護面積是體現林帶防護效應的關鍵因子，計算防風效能固定值的面積如表3 所示，樹齡20 a 的A3林帶防護能力最強，防風效能大于 50%的面積為4 283.29 cm2，有效防護比為78%，大于80%的面積為1 417.93 cm2，有效防護比為26%；密度是影響林帶防風能力的重要因素，高密度林帶A2 防風效能大于50%的有效防護比為56%，比中密度、低密度的林帶B2、C2 分別大35%、56%；高密度林帶中，林帶高度增加，有效防護面積增加幅度低于中低密度林帶，高密度A2 林帶防風效能大于30%的有效防護比為81%，比A1 大24 個百分點，中密度B2 防風效能大于30%的有效防護比與B1 林帶相比高出49 個百分點，低密度C2 林帶防風效能大于30%的有效防護比較C1 高56 個百分點；在稀疏的喬灌混交林帶中，帶高是影響防風能力的重要因素，樹齡10 a 的C2 林帶防風效能大于30%的有效防護比為60%，比C1高 56 個百分點，C3 防風效能大于 30%的面積為4 584.75 cm2，比C1、C2 分別大4 624.02、1 529.26 cm2。

表3 不同配置喬灌混交林有效防護面積 Table 3 Effective protection areas of arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

3 討 論

防風固沙林的防護效能由樹種個體特征[30-31]、林帶密度[32-33]、高度[34]、分布格局[35-36]等多種因素共同決定。本文研究的喬灌混交林由油蒿、梭梭、旱柳組成，植株個體的枝干形態、空間結構相似，因此，樹種構成對其影響不大，林帶密度和高度成為影響林帶防護效果的主要因素。

通過比較不同配置的喬灌混交林背風面風速變化和防護效果發現：喬灌混交林的密度增加，帶后平均風速減小，與馬瑞等[12]、付亞星等[35]研究一致；等密度林帶中，樹高越高，帶后氣流越平穩，相同位置的風速越小，與馬彥軍等[19]的研究結論一致，中密度B 型林帶隨高度增加，帶后平均風速變化小于A 型、C 型林帶，說明密度中等的林帶帶后風速更加穩定；樹齡10 a 的中密度B2林帶平均風速與樹齡5 a的高密度A1林帶平均風速相當，說明林帶高度有限時，林帶密度是影響林帶防風效能的重要因子，適當增加林帶密度，能提高林帶的防風效果；就林帶背風面極值風速而言，高度相同的A2、B2、C2帶后最大風速相似，但B2、C2 的帶后最小風速分別為A2 的5.88、7.27 倍，說明高密度林帶A2 降低風速的作用明顯，但風速恢復迅速；高大疏林C3 背風面前緣存在明顯的氣流加速區，這是由于氣流受林帶阻擋，被迫從林帶帶間穿過，形成“狹管效應”，該配置林帶對植被破壞作用較大，因此，為保證林帶防風效果，不能盲目減小林帶密度。

多數林帶在背風面均存在面積不等的靜風區，這是由于氣流受到林帶阻擋在林帶背風面急速下沉形成漩渦，且林帶的防風效益最佳區均隨帶高增加而向后移動；高密度林帶隨高度增加，有效防護面積增加幅度低于中密度和低密度林帶，其中，低密度C 型林帶，高度增加，防風效能大于30%的面積差異顯著，樹齡20 a 的C3 防風效能大于30%的面積為4 584.75 cm2，比C1、C2 分別大4 624.02、1 529.26 cm2，進一步證明林帶高度增加，林帶密度優勢減弱。

此外，林帶垂直方向上的風速加速率可以直接反映林帶對氣流的加速情況[3]，本試驗尚未觀測林帶垂直風速的變化，導致比較結果存在一定的局限性，可在未來試驗中補充垂直帶后風速，豐富試驗結果。

4 結 論

1）高密度林帶降低風速作用明顯，但風速隨著林帶距離的增加恢復迅速，高密度林帶變異系數遠大于其他林帶，不利于植被生長；中密度林帶風速變化最小，氣流最穩定。

2）林帶高度有限時，林帶密度是影響林帶防風效能的重要因子，適當增加林帶密度，能提高林帶的防風效果，樹齡10 a 的中密度B2 林帶平均風速與樹齡5 a 的高密度A1 林帶平均風速相當；但林帶高度增加，密度對林帶削減風速的影響減弱。

3）等密度的喬灌混交林帶高度增加，防風效益最佳區向后移動，樹齡5 a 的林帶A1、B1、C1 的防風效益最佳區為帶后0～20 cm，樹齡10 a 的林帶A2、B2 防風效益最佳區為帶后20～50 cm，C2 為帶后10～40 cm，樹齡20 a的A3、B3、C3 防風效益最佳區域分別為帶后40～70、40～80、50～80 cm；帶高是影響中、低密度林帶防風能力的主要因素，中、低密度林帶有效防護面積隨帶高增加增幅明顯。