干旱半干旱區(qū)落葉期農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效果的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

賽 克，趙媛媛，包巖峰，劉辰明，丁國(guó)棟，高廣磊

干旱半干旱區(qū)落葉期農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效果的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

賽 克1,2，趙媛媛1,2，包巖峰3，劉辰明4，丁國(guó)棟1,2※，高廣磊1,2

（1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，水土保持國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，鹽池 751500；3. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091；4. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，呼和浩特 010010）

探究落葉期不同結(jié)構(gòu)喬灌木農(nóng)田防護(hù)林帶的空氣動(dòng)力學(xué)特征，合理配置林帶結(jié)構(gòu)對(duì)于減輕風(fēng)季（10月-翌年5月）干旱、半干旱區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕災(zāi)害具有重要意義。該研究利用風(fēng)洞模擬技術(shù)，以“2行1帶”式喬灌木林帶為研究對(duì)象，按照1：100的縮尺比例，設(shè)計(jì)了不同疏透度、不同行距的林帶模型，分析不同結(jié)構(gòu)林帶的風(fēng)速廓線、防風(fēng)效能和有效防護(hù)比，揭示落葉期不同結(jié)構(gòu)林帶空氣流場(chǎng)特征和防風(fēng)效果。結(jié)果表明：?jiǎn)獭⒐嗄玖謳?duì)空氣流場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不同影響，喬木林帶對(duì)氣流具有分層作用，風(fēng)影區(qū)位于林帶后5倍樹高處（5），灌木林帶對(duì)氣流具有抬升作用，風(fēng)影區(qū)緊鄰林帶；疏透度較低的林帶風(fēng)速削弱作用更明顯，疏透度45%、58%的喬木林帶主要防風(fēng)效能區(qū)間分別為20%～25%和15%～20%，疏透度36%、54%的灌木林帶主要防風(fēng)效能區(qū)間分別為10%～20%和5%～15%；在疏透度相近的條件下，行距對(duì)喬木林帶防護(hù)效果的影響較小，在相同防風(fēng)效能下不同行距喬木林帶的累積有效防護(hù)比相差不到5個(gè)百分點(diǎn)，行距對(duì)灌木林帶防護(hù)效果能產(chǎn)生較明顯的影響，4 cm行距灌木林帶相比2.5 cm行距林帶在相同防風(fēng)效能下的累積有效防護(hù)比高18～25個(gè)百分點(diǎn)；本研究中，喬木林帶和灌木林帶最優(yōu)配置均為低疏透度（喬木45%、灌木35%）寬行距（喬木6 cm、灌木4 cm）模式。因此，在干旱、半干旱地區(qū)構(gòu)建農(nóng)田防護(hù)林帶時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮林木落葉期的結(jié)構(gòu)特征，針對(duì)喬木、灌木各自的特點(diǎn)有針對(duì)性地進(jìn)行搭配，在合理的林帶疏透度范圍內(nèi)，適當(dāng)增大林帶行距，以提高林帶的防風(fēng)能力，保障林木的健康生長(zhǎng)。

試驗(yàn)；風(fēng)洞；有效防護(hù)面積；防風(fēng)效能；林帶結(jié)構(gòu)；株行距；風(fēng)速廓線

0 引 言

全球每年由于荒漠化造成1 200萬hm2可耕地流失，中國(guó)干旱、半干旱地區(qū)地處受風(fēng)蝕荒漠化威脅的前沿地帶，由于氣候條件惡劣，農(nóng)田土壤風(fēng)蝕、沙化現(xiàn)象嚴(yán)重，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的生產(chǎn)生活造成了不利影響[1-2]。以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主要防護(hù)對(duì)象的農(nóng)田防護(hù)林能夠起到降低風(fēng)速、改善農(nóng)田小氣候環(huán)境的作用，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土等生態(tài)功能[3-5]。而研究農(nóng)田防護(hù)林帶結(jié)構(gòu)對(duì)空氣流場(chǎng)的影響，能夠?yàn)楦珊怠敫珊档貐^(qū)科學(xué)構(gòu)建農(nóng)田防護(hù)林提供理論依據(jù)。

林帶結(jié)構(gòu)是影響農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)能力的一個(gè)關(guān)鍵因素，而林帶結(jié)構(gòu)受多種因子影響[6]。已有研究表明，疏透度[7-9]、林分密度[10-12]、樹種組成[13-14]、配置方式[15-16]、林帶高度[12]、林帶寬度[17]、林帶間距[18-19]等結(jié)構(gòu)因子均對(duì)防護(hù)林的防風(fēng)能力具有不同程度的影響。其中，疏透度是影響林帶防風(fēng)能力的最為直接的因子，大部分研究通過調(diào)整林分密度來改變林帶的覆蓋度與疏透度。有研究認(rèn)為，在一定覆蓋度范圍內(nèi)，林網(wǎng)內(nèi)的防護(hù)面積會(huì)隨著林帶覆蓋度的增加而增大，而當(dāng)林帶覆蓋度低于0.4時(shí)，植被的防風(fēng)固沙效果會(huì)受到嚴(yán)重影響[20-21]。然而從另一個(gè)角度考慮，受風(fēng)沙危害嚴(yán)重的地區(qū)水熱條件往往較為苛刻，難以承載高覆蓋度的樹木生長(zhǎng)。進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了低覆蓋度治沙理論，認(rèn)為行帶式灌木配置的防護(hù)林具有規(guī)則穩(wěn)定的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，在較低密度下也能有效降低風(fēng)速并控制土壤風(fēng)蝕[22]。根據(jù)行帶式防護(hù)林的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以通過分別調(diào)整株間距和行間距來改變林帶的疏透度和林分密度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)較低林分密度和較低林帶疏透度的統(tǒng)一[23]。其中“2行1帶”式防護(hù)林配置具備良好的應(yīng)用前景，同時(shí)也是目前國(guó)家在干旱、半干旱區(qū)重點(diǎn)推廣的造林模式之一[24]。但該理論主要應(yīng)用于防風(fēng)固沙林，在農(nóng)田防護(hù)林中應(yīng)用較少。目前在國(guó)內(nèi)干旱、半干旱地區(qū)營(yíng)造的農(nóng)田防護(hù)林仍多是以速生喬木樹種為主，灌木林的應(yīng)用則較少，有待于進(jìn)一步研究。此外，大多數(shù)研究都是針對(duì)生長(zhǎng)期的林木，而風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈的時(shí)期，同時(shí)也是農(nóng)田土壤最易遭受風(fēng)蝕侵害的時(shí)期，通常對(duì)應(yīng)林木的落葉期，落葉期防護(hù)林帶對(duì)空氣流場(chǎng)影響的相關(guān)研究則較為少見。

因此，本研究以落葉期的喬木與灌木農(nóng)田防護(hù)林為研究對(duì)象，利用風(fēng)洞模擬技術(shù)，探索不同株間距和行間距的“2行1帶”式農(nóng)田防護(hù)林帶的防風(fēng)能力，觀測(cè)其防護(hù)范圍內(nèi)的風(fēng)速廓線、防風(fēng)效能與有效防護(hù)面積，總結(jié)不同結(jié)構(gòu)喬木、灌木林帶的流場(chǎng)特征，以期為干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林的配置結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化建議。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本研究在北京林業(yè)大學(xué)位于鷲峰實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)的風(fēng)沙物理學(xué)試驗(yàn)風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞為標(biāo)準(zhǔn)直流式低速氣動(dòng)風(fēng)洞，主要由洞體和測(cè)控系統(tǒng)組成（圖1a、1b）。風(fēng)洞全長(zhǎng)24.5 m，其中試驗(yàn)段長(zhǎng)12.0 m，橫截面0.6 m×0.6 m。根據(jù)TSI生產(chǎn)的IFA300型熱膜風(fēng)速儀監(jiān)測(cè)結(jié)果，風(fēng)洞內(nèi)側(cè)壁邊界層厚度小于0.05 m，截面內(nèi)具備足夠的空間進(jìn)行模型試驗(yàn)；風(fēng)洞試驗(yàn)段底面邊界層厚度約0.25 m，滿足模型試驗(yàn)要求[25]。試驗(yàn)段全段鋪設(shè)3 mm厚ABS板材作為床面以固定模型。風(fēng)機(jī)風(fēng)速范圍3～40 m/s連續(xù)可調(diào)，有效截面風(fēng)速脈動(dòng)小于1.5%。測(cè)控系統(tǒng)由變頻電機(jī)、控制柜、三維移測(cè)系統(tǒng)以及KIMO熱線風(fēng)速儀組成。熱線風(fēng)速儀依據(jù)熱平衡原理，利用放置在流場(chǎng)中的具有加熱電流的細(xì)金屬絲來測(cè)量流場(chǎng)中的流速，風(fēng)速變化會(huì)改變金屬絲的溫度，從而產(chǎn)生電信號(hào)獲得風(fēng)速[26]。

相比普通畢托管，熱線風(fēng)速儀能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測(cè)量，量程較大，靈敏度高，可測(cè)量0.15～3.00 m/s范圍的微風(fēng)速，精度為±0.03 m/s；大風(fēng)量程為3.1～30.0 m/s，精度為±0.1 m/s。三維移動(dòng)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)（沿風(fēng)洞軸向前后）、（橫截面左右）、（高度）3個(gè)方向上的風(fēng)速測(cè)量，其中可以根據(jù)需要測(cè)量300 cm的范圍，以風(fēng)洞中線為軸可以測(cè)量左右各25 cm范圍，可以測(cè)量0.8～30 cm高度內(nèi)任意高度處的風(fēng)速。為便于描述，本研究中方向以林帶所在位置為0，上風(fēng)向（林帶前）為負(fù)值，下風(fēng)向（林帶后）為正值，風(fēng)洞中軸處值取25 cm，軸以床面為0。

1.2 林帶模型設(shè)計(jì)

本研究采用塑膠仿真樹木模型，以抗旱、耐寒的鄉(xiāng)土樹種白榆（L.）和檸條（Kom.）分別作為喬木樹種和灌木樹種的原型，在設(shè)計(jì)上參考原型植株常見的大小及其冬季落葉期的形態(tài)，縮放比例為1:100，設(shè)置模型灌木樹高3 cm，冠幅直徑3 cm，喬木樹高10 cm，枝下高4 cm，冠幅直徑5 cm，林帶模型阻塞率小于5%，滿足風(fēng)洞模擬試驗(yàn)幾何相似條件[25]。結(jié)合野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻(xiàn)[27]確認(rèn)本研究的目標(biāo)風(fēng)速廓線，在風(fēng)洞內(nèi)設(shè)置尖劈及粗糙元（圖1a），在對(duì)照條件下觀測(cè)風(fēng)洞試驗(yàn)段風(fēng)速廓線，與目標(biāo)廓線進(jìn)行擬合，若決定系數(shù)（R）過小則調(diào)節(jié)尖劈和粗糙元的相對(duì)位置后重新觀測(cè)，直到R達(dá)到0.8以上[25]。本研究中最終采用的風(fēng)速廓線R達(dá)到了0.95，由公式（1）計(jì)算雷諾數(shù)Re=3.2×105，達(dá)到了自模擬范圍，滿足風(fēng)洞模擬試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)相似條件[25]。

式中Re為雷諾數(shù)；為額定風(fēng)速，本研究中為8 m/s；為流管當(dāng)量直徑，本風(fēng)洞為0.6 m；為空氣動(dòng)力黏度，取試驗(yàn)條件下近似值1.5×10-5m2/s。

以“2行1帶”式防護(hù)林作為基本配置，以株行距作為變量設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的林帶模型，根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《造林技術(shù)規(guī)程》（GB/T_15776-2016）關(guān)于造林密度的規(guī)定設(shè)計(jì)林帶的株行距（栽植距離，即樹干中點(diǎn)之間的距離）：?jiǎn)棠局g，寬距6 cm，窄距4 cm；灌木之間，寬距4 cm，窄距2.5 cm。分別根據(jù)不同的株距、行距進(jìn)行搭配，按“品”字形布設(shè)樹木模型，用熱熔膠槍將其固定在床面上，得到喬木林帶模型4組，灌木林帶模型4組，共計(jì)8組不同結(jié)構(gòu)的林帶模型。通過數(shù)字圖像處理法[28]，在Adobe Photoshop CC平臺(tái)上統(tǒng)計(jì)林帶模型照片中前景色（樹木本體）或背景色（林帶孔隙）與林帶模型整體的像素值之比，計(jì)算不同林帶的疏透度和覆蓋度等參數(shù)，得到各林帶模型的基本參數(shù)（表1）。

1.3 風(fēng)速測(cè)定

為了直觀描述林帶相對(duì)防護(hù)距離，并與野外植被原型建立尺度轉(zhuǎn)換，軸方向上測(cè)點(diǎn)位置用仿真植株高度（）的倍數(shù)表示[17]。沿垂直和水平兩個(gè)平面觀測(cè)風(fēng)速，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[29]與預(yù)試驗(yàn)風(fēng)速梯度變化規(guī)律布設(shè)測(cè)點(diǎn)。垂直面為了最大程度減小風(fēng)洞壁的邊際效應(yīng)影響，選擇沿風(fēng)洞中軸的垂直斷面，喬木林帶測(cè)點(diǎn)高度分布為1、2、3、4、6、8、10、12、14、16、20 cm，軸分布為-5、-3、-、、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、15；灌木林帶高度分布為1、2、3、4、6、10、14、20 cm，軸分布為?10、?5、?3、?、、3、6、9、12、15、20、25、30、40。選擇水平測(cè)量面時(shí)，優(yōu)先考慮對(duì)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕影響更為直接的近地表高度，結(jié)合測(cè)量?jī)x器的尺寸以及模型相似比，選擇距床面2 cm高度水平斷面作為水平測(cè)量面，該高度對(duì)應(yīng)野外高度為2 m，距離地表較近，同時(shí)也便于與領(lǐng)域內(nèi)其他研究相互對(duì)照[26]，軸在0～50 cm范圍內(nèi)，按照5 cm間隔設(shè)置測(cè)點(diǎn)，喬木林帶軸測(cè)點(diǎn)分布為?5、?3、?、、3、5、7、9、11、13、15，灌木林帶為?10、?5、?3、?、、3、5、7、9、11、13、15、20、25、30、40。

表1 不同結(jié)構(gòu)林帶模型基本參數(shù)

通過三維移測(cè)系統(tǒng)移動(dòng)風(fēng)速儀（圖1c），測(cè)定凈風(fēng)流場(chǎng)，風(fēng)速儀1 s可記錄一個(gè)瞬時(shí)風(fēng)速，每個(gè)測(cè)點(diǎn)停留30 s取平均值作為該點(diǎn)測(cè)定風(fēng)速。以風(fēng)洞中軸面25 cm高度處測(cè)得的8 m/s的風(fēng)速值作為額定風(fēng)速，該風(fēng)速對(duì)應(yīng)實(shí)際風(fēng)力5級(jí)以上，可造成土壤風(fēng)蝕，是干旱、半干旱地區(qū)野外常見的風(fēng)速[29]。觀測(cè)空風(fēng)洞中試驗(yàn)段橫截面的各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速作為對(duì)照風(fēng)速（CK）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 風(fēng)速廓線模擬

在本研究中，風(fēng)洞內(nèi)部氣流不存在溫度梯度，呈中性層結(jié)，在對(duì)照條件下風(fēng)速廓線滿足速度對(duì)數(shù)分布律[28,30]，如公式（2）。

本研究中以空風(fēng)洞下的風(fēng)速廓線作為對(duì)照，經(jīng)測(cè)定計(jì)算得對(duì)照條件下摩阻流速為0.244 m/s。在設(shè)置好林帶模型后，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制風(fēng)速廓線圖，并進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合計(jì)算。風(fēng)速數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)與風(fēng)速廓線圖像的繪制在Microsoft Excel 2013中完成，對(duì)數(shù)擬合系數(shù)的計(jì)算在IBM SPSS Statistics 22.0平臺(tái)上完成。

1.4.2防風(fēng)效能計(jì)算

防風(fēng)效能是衡量林帶對(duì)氣流削減程度的重要指標(biāo)[28,30]，其計(jì)算公式如下：

本研究對(duì)防風(fēng)效能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在Microsoft Excel 2013中完成，利用Golden Software Surfer 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化處理，以實(shí)際測(cè)點(diǎn)為基礎(chǔ)，采用KRIGING插值法進(jìn)行插值[29]，根據(jù)測(cè)點(diǎn)分布，為便于描述與對(duì)比，設(shè)定插值范圍為：軸喬木林帶為?6～16（?60～160 cm），灌木林帶為?10～40（?30～120 cm）；軸為0～50 cm；軸為0～30 cm。

1.4.3 有效防護(hù)面積計(jì)算

林帶的存在改變了空氣流場(chǎng)分布，具有一定的防風(fēng)效能，在林帶前后不同位置的防風(fēng)效能也存在不同，達(dá)到某防風(fēng)效能區(qū)間的區(qū)域面積稱為該防風(fēng)效能區(qū)間對(duì)應(yīng)的有效防護(hù)面積，達(dá)到或高于某防風(fēng)效能值的面積占防護(hù)區(qū)（測(cè)定區(qū)域）總面積的比例稱為該防風(fēng)效能對(duì)應(yīng)的累積有效防護(hù)比[29]，計(jì)算如式（4）。有效防護(hù)比能夠更加直觀地反應(yīng)林帶對(duì)空氣流場(chǎng)的影響程度和涉及的區(qū)域面積。

式中()為防風(fēng)效能大于等于時(shí)的累積有效防護(hù)比，%；S為防風(fēng)效能區(qū)間為的有效防護(hù)面積，cm2；max為林帶后防風(fēng)效能最高值，%；0為防護(hù)區(qū)（測(cè)定區(qū)域）總面積，cm2。

在防風(fēng)效能可視化的基礎(chǔ)上，本研究利用Adobe Photoshop CC平臺(tái)對(duì)不同結(jié)構(gòu)防護(hù)林帶在不同防風(fēng)效能下對(duì)應(yīng)的有效防護(hù)面積進(jìn)行測(cè)度，在Microsoft Excel 2013中完成有效防護(hù)比的計(jì)算與圖像的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同結(jié)構(gòu)林帶風(fēng)速廓線特征

由喬木林帶的風(fēng)速廓線圖（圖2）可以看出，對(duì)照、?3以及15處的風(fēng)速廓線接近對(duì)數(shù)曲線，通過對(duì)數(shù)擬合可知其符合對(duì)數(shù)分布律（表2，<0.05），其中對(duì)照及林帶前（?3處）風(fēng)速廓線擬合優(yōu)度較高，達(dá)0.949～0.974，15處為0.809～0.853。氣流在林帶前（?3處）風(fēng)速分布與對(duì)照相似，但整體偏低。在穿過林帶后風(fēng)速廓線發(fā)生了明顯的變化：3處0～5 cm高度范圍內(nèi)風(fēng)速隨高度的增加而大幅降低，5 cm以上風(fēng)速隨高度的增加而快速升高，到10 cm左右風(fēng)速廓線的走勢(shì)逐漸與對(duì)照趨于一致，略高于對(duì)照。隨著與林帶距離的增大，近地表風(fēng)速逐漸降低，0～5 cm以內(nèi)風(fēng)速隨高度升高而降低的幅度也逐漸緩和。到林帶后15時(shí)，風(fēng)速廓線逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱握{(diào)遞增曲線，風(fēng)速隨高度的升高而逐漸增大。

不同結(jié)構(gòu)灌木林帶不同位置處風(fēng)速廓線均滿足對(duì)數(shù)分布律（表2，<0.01），擬合優(yōu)度均在0.9以上。由灌木林帶的風(fēng)速廓線特征（圖3）可以看出，氣流在林帶前（-3處）風(fēng)速分布特征與對(duì)照相似，整體相差不大，略低于對(duì)照。在穿過林帶后，近地表風(fēng)速明顯降低，3處0～3 cm范圍內(nèi)風(fēng)速明顯低于對(duì)照，同時(shí)隨高度的升高而大幅增加，到3 cm以上風(fēng)速逐漸增大到與對(duì)照相同的水平。隨著與林帶距離的增大，風(fēng)速廓線斜率逐漸增大，近地表（0～3 cm范圍內(nèi)）風(fēng)速逐漸增大。

表2 不同結(jié)構(gòu)林帶前后不同距離處風(fēng)速廓線對(duì)數(shù)擬合系數(shù)

2.2 不同結(jié)構(gòu)林帶防風(fēng)效能

2.2.1 不同結(jié)構(gòu)林帶防風(fēng)效能垂直分布特征

由圖4所示，根據(jù)防風(fēng)效能高低，可將不同結(jié)構(gòu)林帶防風(fēng)效能的垂直分布劃分出如下幾個(gè)區(qū)域：林帶前減速區(qū)（區(qū)域1），林帶后風(fēng)影區(qū)（區(qū)域2），林帶后加速區(qū)（區(qū)域3），中性區(qū)（區(qū)域4）。

喬木林帶區(qū)域1位于林帶前5距離內(nèi)，大致呈現(xiàn)出距離林帶越近、越靠近地表，防風(fēng)效能越高的趨勢(shì)。區(qū)域2位于林帶后，影響范圍超過15，高度在10 cm以內(nèi)，其中1到8距離區(qū)間，防風(fēng)效能隨高度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，防風(fēng)效能峰值出現(xiàn)在林冠高度（5～8 cm）范圍內(nèi)，低疏透度林帶（林帶2、4，疏透度約45%）防風(fēng)效能值可達(dá)30%以上，高疏透度林帶（林帶1、3，疏透度約58%）在20%以上；在林帶后8距離之后，防風(fēng)效能的最高值逐漸貼近地表，并隨著高度的增加逐漸降低。區(qū)域3位于林帶后高度10 cm以上，并隨著距離的增加逐漸升高，該區(qū)域防風(fēng)效能出現(xiàn)了負(fù)值，說明防護(hù)林帶對(duì)林帶后高空處氣流產(chǎn)生了一定的加速作用。喬木林帶沒有明顯的區(qū)域4分布。

灌木林帶區(qū)域1位于林帶前6距離內(nèi)，10 cm高度范圍內(nèi)，防風(fēng)效能隨高度增加而降低，整體防風(fēng)效能值不高，低疏透度林帶（林帶6、8，疏透度約36%）近地表防風(fēng)效能值為10%，高疏透度林帶（林帶5、7，疏透度約54%）為5%。區(qū)域2位于林帶后20范圍內(nèi)，3 cm高度范圍內(nèi)，防風(fēng)效能峰值出現(xiàn)在林帶后1到10范圍內(nèi)近地表處，高疏透度林帶可達(dá)15%～20%，低疏透度林帶可達(dá)20%～30%；隨著高度的增加，區(qū)域2內(nèi)防風(fēng)效能值快速降低，在3 cm高度處降低至5%以下。區(qū)域3位于林帶后10距離內(nèi)，5～20 cm高度范圍中，防風(fēng)效能出現(xiàn)負(fù)值，風(fēng)速有一定程度的增加。除了前3個(gè)區(qū)域以外的其他區(qū)域?yàn)閰^(qū)域4，風(fēng)速相比對(duì)照沒有明顯變化，林帶對(duì)該區(qū)域氣流影響不大。

2.2.2 不同結(jié)構(gòu)林帶防風(fēng)效能水平分布特征

農(nóng)田防護(hù)林的主要防護(hù)對(duì)象是位于地表的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，因此考察防護(hù)林在近地表范圍內(nèi)的防風(fēng)效能具有重要意義。不同結(jié)構(gòu)林帶防風(fēng)效能的水平分布（圖5）可以劃分為：林帶前減速區(qū)（區(qū)域1），林帶后減速區(qū)（區(qū)域2），林帶后風(fēng)影區(qū)（區(qū)域3），林帶后恢復(fù)區(qū)（區(qū)域4）。

喬木林帶區(qū)域1位于林帶前6距離內(nèi)，風(fēng)速平穩(wěn)下降，穿過林帶后到達(dá)區(qū)域2（林帶后5距離內(nèi)），風(fēng)速削減，防風(fēng)效能大幅提高，隨即在區(qū)域3內(nèi)（林帶后5之后）維持在一個(gè)相對(duì)比較高的水平上，形成較大范圍的風(fēng)影區(qū)域。林帶2、4（疏透度較低，約45%）風(fēng)影區(qū)防風(fēng)效能可達(dá)22%以上，其中林帶4（行距6 cm，較寬）防風(fēng)效能更高，可達(dá)27%；林帶1、3（疏透度較高，約58%）風(fēng)影區(qū)防風(fēng)效能可達(dá)16%～20%，不同行距林帶差別不大。

灌木林帶區(qū)域1位于林帶前5距離內(nèi)，風(fēng)速平穩(wěn)下降，穿過林帶后防風(fēng)效能迅速升高，不再有區(qū)域2，而直接形成一定范圍的風(fēng)影區(qū)（區(qū)域3），其中林帶6、8（疏透度較低，約36%）風(fēng)影區(qū)在林帶后16距離內(nèi)，林帶5（疏透度較高，約54%；行距較寬，4 cm）風(fēng)影區(qū)位于林帶后10距離內(nèi)，林帶7（疏透度約54%，行距2.5 cm）則沒有明顯的風(fēng)影區(qū)。之后風(fēng)力有所恢復(fù)，但相比對(duì)照依然有所減弱，形成較大面積的恢復(fù)區(qū)。林帶6、林帶8風(fēng)影區(qū)防風(fēng)效能可達(dá)18%以上，恢復(fù)區(qū)防風(fēng)效能可維持在13%~18%，不同行距林帶相差不大；林帶7沒有明顯的風(fēng)影區(qū)，恢復(fù)區(qū)防風(fēng)效能可維持在6%～14%，林帶5風(fēng)影區(qū)防風(fēng)效能可達(dá)17%以上，恢復(fù)區(qū)可維持在8%～17%。

2.3 不同結(jié)構(gòu)林帶的有效防護(hù)面積

不同結(jié)構(gòu)林帶達(dá)到一定防風(fēng)效能時(shí)所對(duì)應(yīng)的有效防護(hù)面積有所不同。如圖6所示，對(duì)于喬木林帶而言，林帶1和林帶3（疏透度58%）處于15%～20%防風(fēng)效能區(qū)間的有效防護(hù)面積較大，防風(fēng)效能達(dá)到15%的累積有效防護(hù)比分別為68.80%和73.26%，不同行距林帶相差不到5個(gè)百分點(diǎn)；林帶2和林帶4（疏透度45%）則有較大面積集中于20%～25%防風(fēng)效能區(qū)間，達(dá)到20%防風(fēng)效能的累積有效防護(hù)比分別為69.84%和69.58%，不同行距林帶相差無幾。對(duì)于灌木林帶而言，林帶5和林帶7（疏透度54%）防護(hù)區(qū)中處于5%～15%防風(fēng)效能區(qū)間的有效防護(hù)面積較大，達(dá)到10%防風(fēng)效能的累積有效防護(hù)比分別為64.06%和39.14%，4 cm行距林帶比2.5 cm行距林帶高將近25個(gè)百分點(diǎn)；林帶6和林帶8（疏透度36%）則主要集中于10%～20%防風(fēng)效能區(qū)間，15%以上防風(fēng)效能的累積有效防護(hù)比分別為28.66%和46.42%，4 cm行距林帶比2.5 cm行距林帶高將近18個(gè)百分點(diǎn)。

3 討 論

3.1 株距與行距對(duì)林帶防風(fēng)能力的影響

喬木林帶防風(fēng)能力主要受疏透度影響，對(duì)行距的響應(yīng)并不明顯。株距是影響林帶疏透度的關(guān)鍵要素，低疏透度林帶的防風(fēng)效能普遍高于高疏透度林帶，與以往的研究結(jié)論相符[31]。對(duì)灌木的研究結(jié)果表明，行距對(duì)灌木林帶下風(fēng)向流場(chǎng)分布具有一定影響，寬行距灌木林帶對(duì)風(fēng)速的削減能力優(yōu)于窄行距灌木林帶，防風(fēng)效能較高，防護(hù)面積也更大。這種現(xiàn)象可能是由于寬行距林帶在沿風(fēng)向方向上沒有林冠重疊，氣流通過林帶時(shí)需要完整穿越兩行林冠，林冠對(duì)氣流的摩擦消能作用相比有林冠重疊的窄行距林帶發(fā)揮更為充分。行距的增加同時(shí)能夠在一定程度上降低林帶范圍內(nèi)的林分密度，從而更有利于林帶適應(yīng)干旱、半干旱地區(qū)干燥缺水的氣候條件，提高林木的成活率并降低養(yǎng)護(hù)成本[24]，因此對(duì)于防護(hù)效果接近的林帶，可優(yōu)先選擇寬行距林帶。

3.2 落葉期農(nóng)田防護(hù)林對(duì)空氣流場(chǎng)的影響特點(diǎn)

本研究中近地表風(fēng)速在林帶后隨距離的增大呈先減小后趨于穩(wěn)定再略有恢復(fù)的趨勢(shì)，與相關(guān)研究的規(guī)律一致[17,32-33]，但與枝葉完整的林帶相比防風(fēng)效能較低，說明林木枝葉完整性對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律影響不大，但對(duì)防護(hù)林帶的防風(fēng)能力則有較大影響。有葉林帶由于疏透度較低，氣流被阻擋，疏透度因子占據(jù)了主導(dǎo)作用，導(dǎo)致空氣流場(chǎng)對(duì)其他結(jié)構(gòu)因子的響應(yīng)不夠明顯，行距的改變不足以影響到空氣的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；而落葉期林帶疏透度偏高，空氣流場(chǎng)對(duì)其他結(jié)構(gòu)因子，比如行距的改變，也能有一定的響應(yīng)。今后對(duì)此現(xiàn)象可以進(jìn)一步研究與探索。干旱區(qū)風(fēng)季（10月-翌年5月）多為植被的落葉期，單純以林木夏季相作為研究對(duì)象，難免會(huì)在生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生偏差[34]。因此在農(nóng)田防護(hù)林帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮林木落葉期時(shí)的形態(tài)特征，除了林帶疏透度，還應(yīng)該綜合考慮其他結(jié)構(gòu)因子的影響，灌木林帶可適當(dāng)增加行距，充分發(fā)揮林帶冠層的消能作用。

4 結(jié) 論

1）喬木林帶對(duì)氣流有阻滯、分層作用，林帶后枝下高范圍內(nèi)形成了逆速層，最低風(fēng)速位于林冠層高度范圍內(nèi)（5 cm）；水平方向上，風(fēng)影區(qū)出現(xiàn)在林帶后5（50 cm）距離之后，防風(fēng)效能可達(dá)16%～27%；灌木林帶對(duì)氣流有一定的阻滯、抬升作用，近地表高度范圍內(nèi)（0～3 cm）風(fēng)速明顯降低；水平方向上，風(fēng)影區(qū)緊鄰林帶分布，防風(fēng)效能為6%～18%。

2）低疏透度林帶的防護(hù)效果優(yōu)于高疏透度林帶；疏透度相近的條件下，不同行距喬木林帶的防護(hù)效果相差不大，而對(duì)于灌木林帶而言，寬行距（4 cm）林帶的防護(hù)效果優(yōu)于窄行距（2.5 cm）林帶；基于干旱、半干旱地區(qū)干燥缺水的立地條件，對(duì)于防風(fēng)效果相近的林帶，優(yōu)先選擇較低密度或覆蓋度的林帶結(jié)構(gòu)，即窄株距寬行距模式。

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Wind-tunnel tests study of shelter effects of deciduous farmland shelterbelts in arid and semi-arid areas

Sai Ke1,2, Zhao Yuanyuan1,2, Bao Yanfeng3, Liu Chenming4, Ding Guodong1,2※, Gao Guanglei1,2

(1.,100083,; 2.751500; 3.100091; 4.,, 010010,)

Shelterbelts can be expected to effectively reduce wind erosion of farmland soil in the wind season in arid and semi-arid lands. In this study, a systematic investigation was made to explore the aerodynamic characteristics, such as wind profile, shelter efficiency and effective protection ratios, of arbor and shrub farmland shelterbelts with deciduous features using wind-tunnel simulation. Based on the 2-row-1-belt pattern, 8 arbor/shrub shelterbelt models were manufactured at a scale of 1:100, according to different porosity (arbors of 45% and 58%, while shrubs of 35% and 54%), and row spacing (arbors of 4 and 6 cm, while shrubs of 2.5 and 4 cm). An attempt was made to analyze the influence of shelterbelt structure on the windproof capacity of farmland shelterbelts with deciduous aspect by measuring the mentioned aerodynamic characteristics, where the wind field of empty wind-tunnel (CK) was measured as well. The results showed that the arbor and shrub shelterbelts affected the vertical structure of the wind field in different ways. Specifically, the airflow was stratified by the arbor belts with the wind shadow located 5behind the belts, while lifted by the shrub belts with the wind shadow adjacent to the belts. Porosity exerted more impact than row spacing on the windproof capacity of shelterbelts. The shelterbelts with low porosity provided greater shelter efficiency than those with high porosity, where the major shelter efficiency intervals of dense arbors, sparse arbors, dense shrubs, and sparse shrubs were 20%-25%, 15%-25%, 10%-20%, and 5%-15%, respectively. In the deciduous shelterbelts with similar porosity, the row spacing exerted little effect on the windproof capacity of arbor belts, but influenced that of the shrub belts. The difference in the cumulative effective protection ratio of arbor belts with different row spacing was generally within 5 percentage points at the major shelter efficiency. Nevertheless, the cumulative effective protection ratio of shrub belts with a row spacing of 4 cm was 18-25 percentage points higher than that of shrub belts with a row spacing of 2.5 cm. The shelterbelt porosity, which can be adjusted by plant spacing, played an important role in the windbreak. Furthermore, the shelter efficiency of shelterbelts with low porosity (arbors of 45% and shrubs of 35%) was greater than that with high porosity (arbors of 58% and shrubs of 54%). The proposed model of low porosity (arbors of 45% and shrubs of 35%) and wide row spacing (arbors of 6 cm and shrubs of 4 cm) was suitable for a kind of shelterbelt structure considering simultaneously the windproof capacity and the site conditions in arid and semi-arid lands. Therefore, a strong recommendation was made to scientifically match the structural characteristics of deciduous shelterbelts. Within a reasonable density range, the row spacing can be used to improve the windproof capacity of farmland shelterbelts.

experiment; wind-tunnel; effective protection area; shelter efficiency; shelterbelt structure; plant and row spacing; wind profile

賽克，趙媛媛，包巖峰，等. 干旱半干旱區(qū)落葉期農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效果的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：157-165.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.018 http://www.tcsae.org

Sai Ke, Zhao Yuanyuan, Bao Yanfeng, et al. Wind-tunnel tests study of shelter effects of deciduous farmland shelterbelts in arid and semi-arid areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 157-165. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.018 http://www.tcsae.org

2020-10-11

2021-02-17

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0500802）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31600581）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展項(xiàng)目“渾善達(dá)克沙地生態(tài)文化產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”

賽克，博士生，主要研究方向?yàn)榛哪乐巍mail：sykee168@sina.com

丁國(guó)棟，博士，教授，主要研究方向?yàn)榛哪乐巍mail：dch1999@263.net

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.018

S721

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1002-6819(2021)-05-0157-09