曠野風速對林網內風速分布及防風效能的影響

呂仁猛，丁國棟，郝玉光，包巖峰，郭亞娟

（1.北京林業大學 水土保持學院，北京100083；2.中國林科院 沙漠林業實驗中心，內蒙古 磴口015200）

荒漠化嚴重威脅到人類的生存和發展，是當今世界公認的頭號環境問題［1］。為了有效防止荒漠化危害，改善農業生產環境、農田小氣候，我國很早就已經重視干旱沙區農田防護林的營造［2］。農田防護林的防護效應首先表現在防風效能上，由于風速的減低引起了一系列其它氣象要素的改變，這些改變往往局限于林帶附近（數十米至數百米）［3－4］。根據保護對象，農田防護林帶配置形式可設置呈L，U及E字形或網格狀等多種配置形式［3］。林帶防風作用的大小與林帶寬度、高度、結構類型以及是否形成網狀體系有很大的關系，農田防護林網對氣溫、相對濕度、蒸發量等小氣候因子變化所產生的防護效能均高于單條農田防護林帶［5］。國內外有關農田防護林防護區風速分布的研究較多［6－9］，然而大部分研究僅以少數觀測點的數據來反映區域防護效應特征，缺乏代表性；部分研究雖對林網內不同防護區的風速分布做了實地觀測［10－11］，但只反映了同一曠野對照風速下林網內不同區域的風速分布情況，缺乏不同風速下的比較。因此，本研究為了進一步揭示單個農田防護林網內近地面風速變化情況，通過空間多點實地觀測，分析不同曠野對照風速下單個農田防護林網防護作用區近地面風速分布特征，揭示農田防護林網對曠野風速運動變化所產生的作用和影響，為農田防護林規劃、設計提供依據。

1 研究區概況

研究區位于烏蘭布和沙漠東北緣磴口縣中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心第三實驗場，為黃河沖積平原，東臨黃河，三面環沙，風沙危害十分嚴重。研究區處于溫帶干旱區，屬溫帶荒漠大陸性氣候，氣候干旱，降雨稀少，且降雨量分配不均。多年平均降水量為144.5mm，全年降水多集中在6—9月份；多年平均蒸發量約為2 397.6mm；年均氣溫為7.5～8.5℃，年均≥10℃有效積溫為3 100～3 400℃，無霜期為140～160d；年平均風速為3～3.7m／s，年大風日數20～40d，以春季3—5月份風速最大，平均為4.8m／s，最大瞬時風速約為24m／s。該區風沙頻繁，地表風蝕強烈，主害風向為西北風。

研究區地表水資源豐富，具有引黃灌溉的條件，很多地方都已開發成為綠洲，區域內干渠和支渠縱橫交錯，農田防護林沿渠道兩側布設。實驗地現存農田防護林網1995年營造完畢，主要造林樹種為新疆楊（Populus bolleana）、沙柳（Salix cheilophila），樹齡為21a，兩行一帶，“品”字形布設。林網營造采用“窄林帶、小網格”模式，主林帶間距140m，副林帶間距300 m，林帶保存完整。實驗所選林網基本情況詳見表1。

表1 研究區農田林網概況

2 試驗布設與研究方法

2.1 測點布設

設置觀測點時，在主林帶1上按照0，25，50，100，150，200，250和300m等區段長度為間隔設點，并在數據記錄時標記為X軸坐標點；在副林帶1上按照主林帶1的樹高倍數0H，1H，2H，3H，4H，5H 及副林帶1的終點即0，24.1，48.2，72.3，96.4，120.5和140 m等區段長度為間隔設點，并在數據記錄時標記為Y軸坐標點；取兩條林帶交點處為坐標原點。然后沿主林帶1和副林帶1上的設點分別做副林帶和主林帶的平行線，所交叉的點即為觀測點的位置，林網內合計測點30個，4條林帶內合計測點26個（圖1）。這樣林帶上和網格內的測點分布均勻，合計為56個點。

2.2 風速測定

選擇2個連續大風日（2013年4月27—28日），按照圖1的布點測定農田林網不同防護區域的風速分布。各觀測點風速測定采用多通道電子自記風速儀（DT－80）進行，該測風儀器帶有8個風速串口，8個風杯傳感器，1個風向傳感器和各種氣象要素傳感器，其測量風速時在水平方向上的最長距離可達300m。各測點設置為每2s記錄風速值1次，自動記錄該點的風速變化，各觀測點風速測定同時進行。在風速實際測定過程中，觀測高度距地面2m。以沙林中心的沙地地面氣象站同時段風向風速自記儀的觀測值為曠野對照值，進行林網防風效能的計算。

2.3 防風效能的計算

采用下式計算防風效能Exz［12］：

式中：Exz——防風效能，即在距主林帶背風面為x，高度為z處的平均風速比曠野減少的百分數，用以表示風速減弱的程度；uxz——主林帶背風面距林帶x處、高度為z處的平均風速；u0z——同一高度曠野的平均風速。

2.4 數據處理方法

2.4.1 傳統統計學方法 在傳統統計分析中，基于樣本觀測值主要統計了均值、標準差SD、變異系數Cv、最小值、最大值、樣本頻數分布等。

圖1 研究網格內樣點布設圖

2.4.2 地統計學方法 實驗數據采用地統計學軟件GS＋進行變異函數分析，研究不同曠野風速下林網內風速場的空間異質性。變異函數（variograms），又稱變差函數、變異矩，是地統計分析所特有的基本工具，是區域化變量在分割距離上對樣本空間變異的量度。變異函數有4個重要的參數，分別為基臺值（sill）、變程（range）或稱空間依賴范圍（range of spatial dependence）、塊金值（nugget）或稱區域不連續性值（localized discontinuity）和分維數（fractal dimension）。其中前3種參數決定變異函數的形狀與結構。而變異函數的形狀反映了自然現象空間分布結構或空間相關的類型，同時還能給出這種空間相關的范圍。基臺值（C0＋C）是半方差值隨步長增加到一個相對穩定的水平上時對應的半方差值，是區域化變量總體特征的體現，等于空間結構值和塊金值之和。變程（A）也叫獨立間距表示某變量觀測值之間的距離大于該值時，則說明它們之間是相互獨立的；若小于該值時，則說明它們之間存在著一定的相關關系。塊金值（C0）表示由實驗誤差和小于實際取樣尺度引起的變異，即隨機部分引起的空間異質性，塊金值大表明較小尺度。變異函數理論模型主要分為3大類：第一類是有基臺值模型，包括球狀模型、指數模型、高斯模型、線性有基臺值模型和純塊金效應模型；第二類是無基臺值模型，包括冪函數模型、線性無基臺值模型、拋物線模型；第三類是孔穴效應模型。在選取變異函數模型時，首先應該計算出r（h）的散點圖，然后用不同類型的模型進行擬合，計算得到模型的參數及殘差RSS，選取RSS最小也即擬合度最好的模型類型。

2.4.3 制圖方法 將各觀測點每5min內的風速平均值作為該測點的風速值，選取不同曠野對照風速下林網內各測點的同步風速值，通過Surfer 8.0中的克里金插值法（Kriging）繪制等值線圖，進行不同曠野對照風速下林網內風速分布的分析。

3 結果與分析

3.1 不同曠野風速對林網內平均風速的影響

通過對林網內平均風速的統計分析，發現不同曠野風速對林網內風速的影響并不明顯（表2）。由表2可知，隨著曠野風速的增加，林網內風速變異系數的變化并不明顯，曠野風速對林網內風速變異系數的影響很小。值得注意的是3種曠野風速下林網內部分區域最大風速均超過了曠野風速，對于農作物的生長發育有一定影響。這可能與林帶結構造成的湍流有關，需要進一步研究。

表2 研究區林網風速統計特征

3種曠野風速下林網內各觀測點的總體平均風速值與曠野對照相比，風速分別平均降低了26.1%，23.3%和25.7%。單因素方差分析顯示，曠野風速在7.2～10.3m／s之間林內風速差異不顯著，曠野風速為5.4m／s與其它2種曠野風速之間林內風速差異顯著（表2）。產生這種現象的原因可能是由于林帶的疏透度較最適疏透度大，隨著曠野風速的增加而導致疏透度變大，對空氣流的削減作用降低。研究結果表明3種曠野風速下林網均有明顯降低風速的作用，隨著曠野風速的增加，林內平均降低風速值先減小后增大，曠野風速對林內平均降低風速值的影響比較復雜。

通過統計林網內風速值的發生頻率可以了解風速空間上的變化情況。由圖2可以看出，3種不同曠野風速下林網內風速的分布均接近于正態分布，曠野風速為5.4m／s時林內風速以4m／s風速頻率最高；曠野風速為7.2m／s時林內風速以5.67m／s風速頻率最高，曠野風速為10.3m／s時林內風速以7.5m／s風速頻率最高。總體上看，當曠野風速從5.4m／s增大到10.3m／s時，高頻率風速并沒有向高風速轉移，這與變異系數分析所反映的規律是基本一致的。

圖2 研究區林網風速頻數分布

3.2 不同曠野風速下林網內風速場的變化

為了更好地掌握不同曠野風速下林網內風速的空間變化，繪制了風速場特征圖（圖3）。圖3可見，3種曠野風速下林網內風速的空間變化并無明顯差異，風速為5.4，7.2，10.3m／s時主林帶1的背風面均形成一個較大范圍的降風區，其中降風區范圍分別在主林帶背風面50～90m，40～80m和40～80m，最低風速出現在主林帶1背風面60～80m處，最低風速分別為2.8，3.8和5.4m／s。從圖3可以明顯看出，不同曠野風速下隨著與主林帶1距離的增加，風速逐漸降低，在一定范圍后逐漸增加，結果在林網內形成低風效應區，即防護效應區。不同風速下林網內降風區范圍大小順序為：5.4m／s＞10.3m／s＞7.2m／s，但差異不明顯。這一結果說明當曠野風速較小時林網的防護效能最大，隨著風速的增加林網的防護效能變化比較復雜并沒有表現出一致的變化趨勢。

圖3 不同曠野風速下林網風速場特征

通過對3種不同曠野風速下林網內降風區的描述只能說明風吹入林網內的變化特征和各區域風速的差異性，并不能從根本上確定不同風速下林網防護范圍的大小。為此，引入“有效防護距離”和“有效防護面積”的概念。林帶的有效防護距離是確定林帶間距最主要的數量指標之一，它是指使林帶背風面指定防護對象（某種作物或土壤）不受害風風力危害（包括生理危害與機械損傷）的水平距離［13］，決定著林網的網格形狀和面積。林網內有效防護距離范圍內的面積 即為“有效防護面積”，考慮了林帶長度因子和防護距離。因此，根據林網內等值線分布趨勢進行插值運算，進而確定林網的有效防護面積。以往的研究中對于“有效防護面積”的確定范圍即以降低風速效能的百分比范圍并沒有達成共識，本研究以降低風速值20%～40%為標準進行“有效防護面積”的確定（表3）。

表3 不同風速下林網有效防護面積特征

從表3可以看出，當曠野風速為5.4m／s時網格的有效防護面積最大，風速為7.2m／s時網格的有效防護面積最小，林網的有效防護面積隨著風速的增加先減小后增大，并不是單純的隨著風速的增加而減小。造成這種現象的原因可能與主林帶2的林帶結構及其疏透度在最適疏透度以下有關。在降低風速值為20%時，3種不同曠野風速下網格的有效防護面積均超過70%，表明不同風速下網格均具有很好的防護效能；而在降低風速值為40%時，風速為5.4m／s和風速為10.3m／s的有效防護面積也均接近或超過15%，這說明在這兩種曠野風速下主林帶2對風速的影響更大。將網格降低風速值介于20%～40%的3種區域分別設定為區域A、區域B和區域C，通過計算得出當曠野風速為5.4m／s時林網內區域B／區域A和區域C／區域B面積比值分別為74.1和30.1%；風速為7.2m／s和風速為10.3m／s的面積比值分別為67.3，8.0%和73.1，19.9%，林網有效防護面積內低風速區域大小順序為5.4m／s＞10.3 m／s＞7.2m／s，結果表明，隨著曠野風速的增大，林網有效防護面積內低風速區域面積呈現先減小后增大的趨勢，并不是單一的減小趨勢，曠野風速對林網內風速分布的影響較復雜。

3.3 不同曠野風速下林網內風速空間異質性分析

利用地統計學的方法，對不同曠野風速下林網內風速進行了變異函數分析。3種不同曠野風速下林網風速空間變異函數均可以較好地擬合為球狀模型（表4）。

現代研究認為，塊金值／基臺值＜25%時，系統具有強烈的空間相關性；在塊金值／基臺值介于25%～75%時，系統具有中等相關性；塊金值／基臺值＞75%時，系統具有很弱的相關性。從圖4可以看出，本研究中3種曠野風速下林網內風速塊金值較小，均小于0.15，說明本研究試驗抽樣尺度符合區域變化量的內部變異，且試驗誤差較小。3種曠野風速下網格內風速塊金值與基臺值的比值較小，分別為6.0%，8.1%和2.2%，均小于25%，表明3種曠野風速下林網內風速均具有強烈的空間自相關性，風速的空間自相關程度分別為94.0%，91.9%和97.8%，自相關程度大小順序為：10.3m／s＞5.4m／s＞7.2m／s。變異函數的變程分別為242.2，229.9和254.0m，說明空間連續性較強，且間隔取樣合理［14］。3種曠野風速下林網的風速空間分布連續性順序分別為10.3m／s＞5.4 m／s＞7.2m／s。由此可以看出當曠野風速從5.4 m／s增大到7.2m／s時，林網內風速空間自相關性大小和連續性變小；當曠野風速從7.2m／s增大到10.3 m／s時，林網內風速空間自相關性大小和連續性變大，說明曠野風速對林網內風速空間自相關性大小和連續性的影響比較復雜，并不是單純的隨曠野風速的增大而增強。

表4 林網風速變異函數的參數

圖4 林網內風速變異函數散點圖及變異曲線

4 結論

（1）3種不同曠野風速下農田林網均可有效降低風速。3種曠野風速下林網內各觀測點的平均風速值分別為3.99，5.52和7.65m／s，林網平均降低風速效能為26.1%，23.3%和25.7%，平均有效防護面積比為50.8%，41.7%和47.7%，林網的總體防護效能在風速為5.4m／s時為最大，風速為7.2m／s時為最小。

（2）3種不同曠野風速下林網內風速均具有強烈的空間自相關性。3種不同曠野風速下林網風速空間變異函數均可以較好的擬合為球狀模型，3種曠野風速下網格內風速塊金值與基臺值的比值較小，分別為6.0%，8.1%和2.2%，均小于25%，林網內風速的空間自相關程度分別為94.0%，91.9%和97.8%，自相關程度大小順序為曠野風速表現為：10.3m／s＞5.4m／s＞7.2m／s。

（3）曠野風速對林網內風速分布及防風效能的影響比較復雜，并不是單一的隨著風速的增大而增大或減小，受林帶結構及疏透度的影響較大。3種曠野風速下主林帶1的背風面均形成一個較大范圍的降風區，降風區范圍分別在主林帶背風面的50～90m，40～80m，40～80m，最低風速出現在主林帶1背風面60～80m處，林網內降風區范圍大小順序為：5.4 m／s＞10.3m／s＞7.2m／s，林網有效防護面積內低風速區域大小順序為：5.4m／s＞10.3m／s＞7.2m／s，表現為隨著風速的增大呈現先減小后增大的趨勢。

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