不同配置乔灌混交林防风效益的风洞试验

厉静文，Dosmanbetov D A，郭 浩※，辛智鸣，刘朋飞，刘明虎

（1. 中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091；2. Kazakh National Agrarian University，Nursultan 050010；3. 中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，磴口 015200）

0 引 言

防护林是干旱半干旱区植被生态系统的重要组成部分[1]，它通过改变气流流速和方向，影响林带的流场结构[2-3]，从而达到降低风速和控制流沙的目的，在改善绿洲生态环境、保护生物多样性、促进社会经济可持续发展等方面具有重要作用[4-5]。

林带的空间结构和树种选择是决定防护林能否持续发挥最佳防护效益的关键因素[6]。防护林的密度、高度、树种影响林带的断面结构和疏透度，使得不同防护林的流场结构、防护距离和有效防护面积存在显著差异[7-8]。其中，林带密度能直接反映林带空间结构的优劣[9]，相同行数的林带密度越大，其防护范围越大[10]，但造林密度受当地水土资源的限制，若防护林密度超出土壤、水资源的承载范围，植被将衰退甚至死亡，影响防护效果[11-12]；林带高度影响防护林的有效防护距离，同一林带的带高增加，其防护效果变化明显，然而当前研究多局限在林带某一特定时期[13-15]，鲜有根据林龄变化模拟林带未来防护效果的研究。

胡杨（Populus euphratica）、新疆杨（Populus alba）、箭杆杨（Populus nigra）、旱柳（Salix matsudana）等高大乔木因生长速度快、防护性能好，常作为防风固沙林的主要树种[16-18]，但单一速生乔木林在成熟期和过熟期，枯死、残缺现象严重，防风阻沙效果有限；乔灌混交林多为单一乔木与灌木的混交[18-20]，对于多树种、高效益的乔灌混交防风固沙林的研究甚少。

因此，本研究选取干旱半干旱区速生乔木旱柳、固沙灌木油蒿（Artemisia ordosica）、梭梭（Haloxylon ammodendron）为研究对象，以不同水资源承载力下3 种研究对象均能正常生长为前提，通过风洞模拟试验，分析不同高度、密度的油蒿、梭梭、旱柳乔灌混交林的风速变化、有效防护面积，以期为防风固沙林的配置优化提供新思路。

1 研究方法

1.1 试验设备

风洞试验在北京林业大学风沙物理实验室（116.11°E，40.06°N）进行，试验风洞长24 m，包括驱动系统、洞体和监控系统。洞体由风扇段、过渡段、稳定段、收缩段和扩散段5 部分组成[21]，主要试验段约长12 m，横截面积为0.6 m×0.6 m，风速范围为3～42 m/s，且连续可调，有效试验截面风速脉动小于1.5%[11]。

风洞的边界层厚度制约着模型的大小，该风洞试验段的底板边界层厚度约为0.25 m，大于林带模型，符合试验模型必须包容在风洞边界层内的要求[22]；风洞侧面边界层厚度为0.05 m，即风洞中轴线左右各 0.25 m 宽度范围内风速均衡稳定。

风速流场的观测采用KIMO 热线风速仪，该仪器为加热负温度系数热敏电阻，能通过感测空气流动带走的热量，推算出风速，KIMO 热线风速仪每1 s 记录1 次风速数据，测量精度为测量值 ± 0.1 m/s[23]。

1.2 林带设计及试验材料

风洞模拟试验最重要的是保证模型符合几何相似的要求，即模型与实体构型相同、对应成比例；同时使用无量纲化的物理量，确保分析研究结果相互关系时，不再考察物理量本身，只要对比物理量数值即可[23-24]。基于上述准则，实地调查乌兰布和沙漠树龄5、10 和20 a的旱柳、梭梭、油蒿，并结合文献资料[25-27]确定模拟对象的树高、胸径、疏透度等重要参数。考虑到风洞边界层对试验精度的影响，按照1∶100 设计模型，模型实物如图1 所示，3 种树龄的旱柳高度分别为4、6 和10 cm，油蒿分别为1、2、4 cm，梭梭分别为1、2、4 cm。

设计9 种乔灌混交林迎风面前4 行为油蒿、5～8 行为梭梭、9～10 行为旱柳，共10 行林带；按照林带密度分为A（高密度）、B（中密度）、C（低密度）3 种，A类林带带宽18 cm，株行距为2 cm×2 cm，B 类林带带宽29 cm，灌木间株行距为3 cm×3 cm，乔木间株行距为4 cm×4 cm，C 类林带带宽40 cm，灌木间株行距为4 cm×4 cm，乔木间株行距为6 cm×6 cm。根据林带株行距、树高等参数的特点，分别进行编号，详见表1。9 种配置的试验模型通过热熔胶固定在热塑性材料（ABS）板面上，同时在林带前后铺设等厚度的空白ABS 板，防止因床面厚度不一造成前沿附面层气流的分离。

图1 乔灌混交林模型图 Fig.1 Model of arbor-shrub mixed forest belt

表1 不同配置乔灌混交林模型参数 Table 1 Model parameters of arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

1.3 风速观测

为满足力学相似的条件，试验模型所受风荷载应与野外环境下研究对象对应位置所受的风荷载相似，因此，试验时借助尖劈和粗糙元，调整洞体内的风环境，使其与乌兰布和沙漠旷野48 m 高风速通量塔不同高度拟合成的风速廓线方程保持一致，同时对不同高度风速进行拟合验证，结果表明二者最佳拟合关系为对数函数，与前人研究结果一致[28]。由于乌兰布和沙漠2 m 高度常见风速为8 m/s，故设定试验轴心风速为12 m/s，试验条件下摩阻风速为0.48 m/s，最小雷诺数为4.8×105，满足雷诺数与流场结构无关的试验要求。利用KIMO VT200 热线风速仪和三维移测系统获取试验点风速数据，每个观测点测量10 s，取其平均值作为该点的风速数据。

由于3 类乔灌混交林带宽度不同，为使各类林带带后位置统一，试验时将9 种乔灌混交林带迎风面第10 行布设在相同位置。风速观测从林带后10 cm 起，平面测点的布设规格为10 cm × 5 cm，测量高度为2 cm，99 个测点均不受边界层影响，对照风速为各观测点空风洞下的风速，详见图2。

图2 风速观测点布设 Fig.2 Wind speed observation point layout

1.4 数据处理

1.4.1 风速统计

统计各观测点的实测风速数据，不但可以筛查风速数据，加强试验的可靠性，而且能初步掌握不同配置林带风速的分布规律。本文利用SPSS22.0 分析不同配置乔灌混交林带风速数据的平均值、最大值、最小值、峰度、偏度、变异系数等统计参数，直观获得实测数据分布的削尖、变异程度。此外，由于林带风速数据取值具有随机性，为分析风速的分布情况和集中性，利用MATLAB绘制林带的风速概率密度图，进一步了解各林带的风速分布特征。

1.4.2 克里金插值

克里金（Kriging）插值是一种根据协方差函数对随机场进行空间预测的回归算法，其能通过目标区域内已知点的形状、方位和与未知点的空间相关性，对区域变量进行无偏最优估计[23-24]，反映出空间场的各向异性。本文采用该方法，利用Surfer 10.0 绘制风速流场图，能直观分析不同配置混交林带的风速流场空间分布变化规律。

1.4.3 有效防护面积

基于防护林带内一定防风效能下的防护面积为有效防护面积[23]。本文采用ArcGIS 对不同配置林带的有效防风效能数据进行重采样，根据数据分布特征确定防风效能的分割阈值，并将分割后的结果依据属性特征分类汇总，分别获得防风效能>30%、>50%、>80%的防护面积。

一定防风效能下的有效防护面积与林带背风面总面积之比为有效防护面积比，其计算公式为

式中A 为有效防护面积比，%；SΔ为指定防风效能下的有效防护面积，cm2；S总为林带背风面总面积，cm2。

2 结果与分析

2.1 风速统计分析

不同配置乔灌混交林带后风速统计如表2 所示，林带密度增加，乔灌混交林对风的阻挡作用加强，带后平均风速减小；等密度林带的带高增加，带后平均风速减小，且高密度林带风速变化最大，中密度林带风速变化最小；随林带高度增加，密度对其影响减弱，树龄20 a的低密度林带C3 带后平均风速与树龄5 a 的高密度A1林带相近；高密度林带降低风速作用明显，但风速恢复迅速，树龄10 a 的高密度A2 林带最大风速是最小风速的11.85 倍，变异系数高达49.77，同A2 相比，等高度的B2、C2 带后最大风速与其相似，但最小风速分别为A2的5.88、7.27 倍。

表2 不同配置乔灌混交林带后风速分布统计参数 Table 2 Statistical parameters of wind speed distribution of arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

偏度能反映数据相对于平均值的不对称程度，峰度可以衡量数据分布的集中程度或分布曲线的削尖程度。中、低密度林带增至6 cm 高时，偏度开始大于0，B2、B3、C2、C3 林带均为正偏度，高密度林带增至10 cm 高时，偏度开始大于0，A3 林带为正偏度；9 种林带中，B3、C1 和C3 为低阔峰，风速分布低阔，散布较广；其余6 种林带为高狭峰，风速集中分布在平均数两侧。

根据各林带背风面的风速概率密度图（图3）可知，树龄5 a 的林带风速分布多为右单峰，树龄20 a 林带的风速分布呈左单峰，树龄10 a 的林带由于气流的扰动，其风速在带后0～110 cm 间分布更均匀；等密度林带中，林带高度越大，对风的削减作用越强，风速集中分布点的数值越低，树龄5 a 的A1 林带风速多为6.5～8.5 m/s，B1 林带风速多为7.2～7.6 m/s，C1 林带的风速多为7.5～8.5 m/s，树龄20 a 的A3、B3、C3 林带风速分别集中分布在2.5～3.5、 4～5、4.5～5 m/s。

2.2 风速流场分布特征

不同配置乔灌混交林的带后风速流场分布如图4所示，等密度林带中，林带越高，其带后相同位置的风速越小、气流越平稳。高密度林带A2、A3 风速变化趋势相同，均形成了相对整齐、与林带走向平行的风速等值线图，且A3 带后风速整体小于A2，但A2林带背风面林缘处风速比树龄20 a 的A3 小1.33 m/s，说明高林带A3 使得气流在背风林缘处被迫爬升；低密度林带中，树龄5 a 林带C1 气流变化最剧烈，带后40～60 cm 间出现多个涡流加速区，随林带高度增加，带后湍流减少，但树龄20 a 的C3 林带带后0～10 cm 间风速加速明显，其原因在于气流穿过混交林带时被切割阻挡，一部分气流被迫从林带间穿过，形成的狭管气 流流速不断增加[29]。

等高林带中，高密度的A 型林带带后气流运动更平稳，削减风力能力更强，但风速恢复迅速，A1 林带在带后0～50 cm 内风速明显小于B1、C1，但在带后110 cm处风速值与B1、C1 相当；林带高度有限时，林带密度是影响林带防风效能的重要因子，适当增加林带密度，能提高林带的防风效果，树龄10 a 的中密度B2 林带平均风速与树龄5 a 的高密度A1 林带平均风速相当；林带高度增加，林带密度优势减弱，带高对林带防风效能的作用增加，树龄20 a 的低密度C3 林带带后平均风速远小于树龄10 a 的中、高密度林带A2、C2。

林带风速降低到对照风速的25%以下会形成明显的静风区[23]，树龄10 a 和20 a 的高密度 A2、A3 带后具有较大面积的静风区，说明气流受到高大密林的阻挡，在背风林附近急速下沉形成旋涡，使得带后风速下降明显；林带风速降低到对照风速50%以下的区域防风效益较好，3 种密度林带的防风效益最佳区均随带高增加而向后移动，树龄5 a 的林带A1、B1、C1 的防风效益最佳区为带后0～20 cm，树龄10 a的林带A2、B2防风效益最佳区为带后20～50 cm，C2 为带后10～40 cm，树龄20 a 的A3、B3、C3 防风效益最佳区域分别为带后40～70、40～80、50～80 cm。

图4 不同配置乔灌混交林风速流场图 Fig.4 Wind speed flow fields in arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

2.3 有效防护面积

有效防护面积是体现林带防护效应的关键因子，计算防风效能固定值的面积如表3 所示，树龄20 a 的A3林带防护能力最强，防风效能大于 50%的面积为4 283.29 cm2，有效防护比为78%，大于80%的面积为1 417.93 cm2，有效防护比为26%；密度是影响林带防风能力的重要因素，高密度林带A2 防风效能大于50%的有效防护比为56%，比中密度、低密度的林带B2、C2 分别大35%、56%；高密度林带中，林带高度增加，有效防护面积增加幅度低于中低密度林带，高密度A2 林带防风效能大于30%的有效防护比为81%，比A1 大24 个百分点，中密度B2 防风效能大于30%的有效防护比与B1 林带相比高出49 个百分点，低密度C2 林带防风效能大于30%的有效防护比较C1 高56 个百分点；在稀疏的乔灌混交林带中，带高是影响防风能力的重要因素，树龄10 a 的C2 林带防风效能大于30%的有效防护比为60%，比C1高 56 个百分点，C3 防风效能大于 30%的面积为4 584.75 cm2，比C1、C2 分别大4 624.02、1 529.26 cm2。

表3 不同配置乔灌混交林有效防护面积 Table 3 Effective protection areas of arbor-shrub mixed forest belts in different configurations

3 讨 论

防风固沙林的防护效能由树种个体特征[30-31]、林带密度[32-33]、高度[34]、分布格局[35-36]等多种因素共同决定。本文研究的乔灌混交林由油蒿、梭梭、旱柳组成，植株个体的枝干形态、空间结构相似，因此，树种构成对其影响不大，林带密度和高度成为影响林带防护效果的主要因素。

通过比较不同配置的乔灌混交林背风面风速变化和防护效果发现：乔灌混交林的密度增加，带后平均风速减小，与马瑞等[12]、付亚星等[35]研究一致；等密度林带中，树高越高，带后气流越平稳，相同位置的风速越小，与马彦军等[19]的研究结论一致，中密度B 型林带随高度增加，带后平均风速变化小于A 型、C 型林带，说明密度中等的林带带后风速更加稳定；树龄10 a 的中密度B2林带平均风速与树龄5 a的高密度A1林带平均风速相当，说明林带高度有限时，林带密度是影响林带防风效能的重要因子，适当增加林带密度，能提高林带的防风效果；就林带背风面极值风速而言，高度相同的A2、B2、C2带后最大风速相似，但B2、C2 的带后最小风速分别为A2 的5.88、7.27 倍，说明高密度林带A2 降低风速的作用明显，但风速恢复迅速；高大疏林C3 背风面前缘存在明显的气流加速区，这是由于气流受林带阻挡，被迫从林带带间穿过，形成“狭管效应”，该配置林带对植被破坏作用较大，因此，为保证林带防风效果，不能盲目减小林带密度。

多数林带在背风面均存在面积不等的静风区，这是由于气流受到林带阻挡在林带背风面急速下沉形成漩涡，且林带的防风效益最佳区均随带高增加而向后移动；高密度林带随高度增加，有效防护面积增加幅度低于中密度和低密度林带，其中，低密度C 型林带，高度增加，防风效能大于30%的面积差异显著，树龄20 a 的C3 防风效能大于30%的面积为4 584.75 cm2，比C1、C2 分别大4 624.02、1 529.26 cm2，进一步证明林带高度增加，林带密度优势减弱。

此外，林带垂直方向上的风速加速率可以直接反映林带对气流的加速情况[3]，本试验尚未观测林带垂直风速的变化，导致比较结果存在一定的局限性，可在未来试验中补充垂直带后风速，丰富试验结果。

4 结 论

1）高密度林带降低风速作用明显，但风速随着林带距离的增加恢复迅速，高密度林带变异系数远大于其他林带，不利于植被生长；中密度林带风速变化最小，气流最稳定。

2）林带高度有限时，林带密度是影响林带防风效能的重要因子，适当增加林带密度，能提高林带的防风效果，树龄10 a 的中密度B2 林带平均风速与树龄5 a 的高密度A1 林带平均风速相当；但林带高度增加，密度对林带削减风速的影响减弱。

3）等密度的乔灌混交林带高度增加，防风效益最佳区向后移动，树龄5 a 的林带A1、B1、C1 的防风效益最佳区为带后0～20 cm，树龄10 a 的林带A2、B2 防风效益最佳区为带后20～50 cm，C2 为带后10～40 cm，树龄20 a的A3、B3、C3 防风效益最佳区域分别为带后40～70、40～80、50～80 cm；带高是影响中、低密度林带防风能力的主要因素，中、低密度林带有效防护面积随带高增加增幅明显。