河北省壩上地區(qū)牧場防護林的防風效能研究

牛慶花, 彭 博, 陸貴巧, 谷建才

(河北農(nóng)業(yè)大學 林學院, 河北 保定 071000)

防護林是一種人工建立的改造自然壞境使其能夠達到人類預想的生態(tài)措施，以抵御外部各種壞境變化產(chǎn)生的影響。防護林作為生態(tài)建設的重要措施，是生態(tài)系統(tǒng)的重要屏障，它可以通過林帶的動力作用，改變氣流的結構，來發(fā)揮生態(tài)效益，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量[1-3]。進入20世紀后，國外學者[4]利用風速表觀測了防護林附近的風速分布情況，國內(nèi)許多學者也多方位的研究了防護林的防風效能。如李鋒瑞[5]對科爾沁沙地楊樹防護林4個不同高度的防風效應進行觀測，討論了不同季節(jié)、風向、風速在不同高度上的防風效應表現(xiàn)；呂仁猛[6]對3種曠野風速下的農(nóng)田林網(wǎng)內(nèi)風速及防風效能進行了分析，結果顯示，林網(wǎng)內(nèi)的風速具有較強的空間自相關性，3種曠野風速下的主林帶背風面都存在較大的降風區(qū)域，林帶結構和疏透度對防風效應的大小與林后風速的分布特征有重要影響；付亞星[7]分析了不同種類和林網(wǎng)結構農(nóng)田防護林的防風效能，得出疏透型農(nóng)田防護林的防風效能最好，且隨著高度的增加防風效能呈逐漸下降的趨勢。目前，人們對農(nóng)田防護林的生態(tài)效益研究較多，對于牧場防護林的生態(tài)效應研究較少。為此，本研究針對圍場縣北部壩上高原地區(qū)的御道口牧場，這里冬季因受北部低氣壓氣流的影響，風天多，風力大，且降水量少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，草原沙化、土地沙化等壞境問題較為嚴重，影響了御道口畜牧業(yè)的發(fā)展。為了解決這一問題，于2002年營造了牧場防護林，主要種植樹種為樟子松(Pinussylvestris)。本研究針對防護林營造后對牧場的改善情況，于2017年對15年生的樟子松牧場防護林的防風效益進行了研究，旨在揭示牧場防護林的的防護功能，為牧場防護林建設提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然概況

研究區(qū)位于河北省承德市圍場縣北部壩上地區(qū)，東起壩梁，北至塞罕壩國家森林公園，西與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，南至御道口鄉(xiāng)，其地理坐標為北緯42°07′—42°25′，東經(jīng)116°46′—117°26′，總面積1.0×105hm2。該區(qū)海拔1 230～1 280 m，屬溫帶大陸季風性氣候，常年氣溫偏低，年均氣溫為3 ℃，極端最低溫度達-43.2 ℃，極端最高溫度有33.4 ℃；無霜期短，每年無霜期平均80 d；降水量小，年降水量為460 mm，干燥度為1.5～2.2。冬季受北部低氣壓氣流的影響，風天多，風力大，且主害風向為NW，平均風速為3.6 m/s，每年風日數(shù)(3級以上)180 d多。土壤類型有灰色森林土、草甸土、沼澤土、風沙土4個類型，土層厚度10—150 cm。研究地的植被類型主要為草甸草原，植物種類多種多樣，有50多個科，400多種。

1.2 牧場防護林概況

通過實地考察和勘踏，根據(jù)御道口鄉(xiāng)的自然地理和地形地貌特征，選擇與主害風方向垂直的典型牧場防護林帶，該牧場防護林樹種為樟子松，15年生，主林帶林木的平均樹高為3.5 m，平均胸徑為5.4 cm，平均枝下高為0.3 m，帶寬8 m(4行)，帶長300 m，株行距1.0 m×2.0 m，帶間距16 m，且林帶走向為NE-SW；副林帶林木的平均樹高為3.6 m，平均胸徑為5.5 cm，平均枝下高為0.4 m，帶寬8 m(4行)，帶長150 m，株行距1.0 m×2.0 m，帶間距12 m，林帶走向與主林帶垂直；主林帶和副林帶都是容器育苗造林，林帶林木的保存率較高，為85%～90%。

2 研究方法

2.1 風速的測定

在被觀測牧場防護林林帶背風面的中垂線上，以距林帶邊緣1 H(H為林帶平均高度)，5，10，15，20 H以及林內(nèi)設置觀測點，且在林外迎風面距林帶邊緣30 H以外設置對照點，在各觀測點安置DEM6型輕便三杯風向風速儀，該儀器由風向、風速兩部分組成，可以測量風向和1 min內(nèi)的平均風速，風速的識別范圍為1～30 m/s，風向的識別范圍為0°～360°。在實際風速測定過程中，分別選取距地面30，50，150，300 cm的高度為測點，且各觀測點每天需觀測3次(8：00，14：00，20：00時)，在10月要連續(xù)觀測，11和12月每隔10 d觀測1次。此外，本研究根據(jù)150 cm高度處林帶后各測點的風速值分別研究了各測點的風速分布規(guī)律變化、防風效能以及風速對防風效能的影響。

2.2 林帶疏透度的測定

疏透度是指林帶垂直面上透光空隙的投影面積與垂直面積總投影面積之比，是描述林帶結構特征和衡量林帶優(yōu)劣的重要參數(shù)[8]。被觀測的林帶通過使用數(shù)字圖像處理法，即“數(shù)碼相機”和“遙感圖像處理軟件”相結合的方法測定防護林的疏透度[9-10]。用相機拍照后，將其轉(zhuǎn)入計算機中，用相關軟件剔除無用信息。首先用Photoshop裁定林帶斷面，同時確定林干、林冠平均高度，喬木樹干和樹冠疏透度采取分開計算方式，以確保疏透度計算的精確性，最后采用加權法計算得出結果[10]。

β=(β1·h1+β2·h2)/H

(1)

式中：β——林帶平均疏透度；β1——冠層的疏透度；β2——樹干層的疏透度；H——林帶平均高度；h1——冠層高度；h2——樹干層高度。

2.3 防風效能的計算

相對風速的計算公式為：

(2)

式中:Vx,z——距防護林帶x處，高z處的相對風速；Ux,z——距離防護林帶x處、高度為z處的平均風速;U0,z——同一高度曠野風的平均風速。

防風效能：指距防護林帶x處，高度為z的風速比曠野風速減少的百分比。

(3)

式中：Ex,z——距防護林帶x處，高z處的防風效能；Ux,z——距離防護林帶x處，高度為z處的平均風速;U0,z——同一高度曠野風的平均風速。

3 結果與分析

3.1 林帶后的風速分布特征

由圖1可知，牧場防護林林帶對風速的影響有明顯的作用。當風經(jīng)過林帶時，部分氣流被林帶阻礙而抬升至林帶上方，越過林帶后，這部分氣流在上空形成高風速區(qū)域，而在林后，由于上方氣流下沉與通過林帶的那部分氣流相遇形成渦流，使林帶背后形成低風速區(qū)域[11]，風速隨著遠離林帶而逐漸恢復，直到接近對照風速。各點風速變化的總規(guī)律是從1 H開始距林帶越遠風速越大，即在1～10 H范圍內(nèi)形成一個風速降低區(qū)。其中，林帶背后的1，5 H區(qū)域內(nèi)風速降低程度最大，可由曠野風速值3.84 m/s降低至2.74～3.27 m/s，風速值降低幅度為17%～40%。據(jù)流體力學湍流運動理論可知，這可能是亂流交換減弱最明顯的三角區(qū)的原因。而在5～10 H區(qū)域內(nèi)風速分布3.27～3.54 m/s，降低約8%～17%；在10～20 H區(qū)域內(nèi)風速降低程度相對較小，風速分布為3.54～3.68 m/s，風速降低至約4%～8%。當水平距離大于20 H時，風速值恢復到曠野風速值水平，即草牧場防護林林帶失去其防護功能。其相對風速值從1～20 H由0.71逐漸增加到0.96，在1～5 H范圍內(nèi)相對風速更低，平均為0.78，充分體現(xiàn)了林帶降低風速的空氣動力效應。

圖1 林帶后的風速分布

3.2 風速對林帶防風效能的影響

由圖2可知，曠野的自然風速對牧場防護林林帶的防風效能影響較大。從水平距離來看，其防風效能的趨勢在林內(nèi)至1 H區(qū)間呈增加趨勢，1 H后均呈遞減趨勢，10 H之后遞減趨勢變緩，說明在林內(nèi)，1 H，5 H三個點的防風效能最好，10 H之后防風效能減弱；從不同的風速級來看，不同風速級下林帶的防風效能隨風速的增加都有不同幅度的增加。以防風效能達到20%為基準的話，1和2級風速下的有效防護距離為林內(nèi)至1 H，3級風速下的有效防護距離為林內(nèi)至5 H，4和5級風速下的有效防護距離為林內(nèi)至10 H，6級風速下的有效防護距離為林內(nèi)至15 H，說明隨著風速級的增大，林帶的有效防護距離變大，即防風效能較好。當曠野風速(5～6級)較大時，林內(nèi)，1 H，5 H這3個點的防風效能最好，防風效能范圍為67.97%～94.27%，這符合流體力學中物體與流體的相對運動阻力與相對速度是呈正指數(shù)相關的原理。在一定范圍內(nèi)，林帶對風速大的氣流阻力大，其防風效應也增大。綜上所述，風速對林帶防風效應和林帶有效防護距離均有影響，隨著風速的增大，林帶防風效應增大，有效防護距離變大。

圖2 不同風速級下林帶的防風效能

3.3 林帶防風效能水平距離上的特征

由圖3分析可知，牧場防護林林帶的防風效能在不同水平距離上有一定的差異。以林帶前30 H處作為對照，林帶后各觀測點均有不同程度的防風效益，其中在林帶后1 H處的防風效能取得最大值，最大值為28.65%；從林帶前30 H至林帶后1 H處，防風效能呈迅速上升趨勢；從林帶后1～20 H處，防風效能則呈下降的趨勢，10 H之后下降趨勢變緩。分析其原因是：由于風經(jīng)過林帶的冠層和干層時，氣流會被分成兩部分風，而林后上方的氣流下沉與通過林帶的那部分氣流相遇形成渦流，使林后具有一定范圍的降風區(qū)域，故林帶后各觀測點均有不同程度的防風效益；在林后由于上層氣流和穿透林帶的氣流匯合，防風效能呈逐漸降低的趨勢，至林后20 H處的防風效能僅為4.17%。

圖3 不同水平距離上的防風效應

3.4 林帶防風效能垂直高度上的特征

由圖4—5分析可知，不同垂直高度上牧場防護林林帶的風速及防風效能的分布隨距離的變化趨勢相似。水平方向上，曠野風速在30，50，150，300 cm的高度上的風速均在1 H處取得最低值，最小值出現(xiàn)在1 H處30 cm的高度上，風速為2.04 m/s，此時防風效能達到最大值，為33.16%，而后風速呈上升的趨勢，防風效能逐漸下降。在林后20 H時，300 cm高度處的風速逐漸恢復到曠野風速，防風效能逐漸下降。該高度處的風速為4.11 m/s，防風效能僅為2.03%，說明林帶防護林的最大防護距離為林后20 H左右。在垂直方向上，在4個高度上均表現(xiàn)為隨高度的增加，風速增加，防風效能降低的現(xiàn)象。在1 H處各高度的防風效能均達到最大，分別為:33.16%，30.72%，28.65%，22.32%?？傮w來說曠野風在經(jīng)過林帶防護林時在4個高度上均出現(xiàn)風速降低的現(xiàn)象，但其防風效能不盡相同，30 cm高的林帶有效防護距離為1～5 H，50，150，300 cm高的林帶有效防護距離均為1 H。

圖4 垂直高度上的風速變化

4 結 論

(1) 牧場防護林林帶后的風速分布特征：風速最小值出現(xiàn)在林后1 H處，但隨著距離的增加，風速在逐漸升高。林帶背風面1～10 H范圍內(nèi)形成的風速降低區(qū)，是林帶主要保護區(qū)和作用范圍。其中，1～10 H區(qū)域內(nèi)風速值降低幅度為8%～40%。15～20 H區(qū)域內(nèi)風速降低程度相對較小，降低約4%～6%。水平距離大于20 H時，風速值恢復到曠野風速值水平。

圖5 垂直高度上的防風效能分布

(2) 不同風速級下牧場防護林林帶的背風面均形成一定范圍的降風區(qū)，并且隨著風速級的增大，林帶的有效防風距離變大，即林帶防風效能更明顯。當曠野風速為5～6級時，林內(nèi)、1 H，5 H這3個點的防風效能最好，防風效能范圍為67.97%～94.27%，其原因可能是當風速較大時，使樹冠的結構發(fā)生變化，使一些樹枝吹彎成為較密集的植物體，從而降低了林帶的疏透度[12]。

(3) 在水平方向上，曠野風經(jīng)過牧場防護林林帶后，在林后1 H處防風效能達到最大，最大值為28.65%；而后逐步減弱，10 H之后下降趨勢變緩，直至林后20 H處的防風效能僅為4.17%。即牧場防護林林帶的最大防風距離為林后1 H，有效防風距離為林后20 H。

(4) 在垂直方向上，牧場防護林林后防風效能的變化趨勢為：30 cm>50 cm>150 cm>300 cm，風速的分布規(guī)律與防風效能正好相反，表現(xiàn)為：30 cm<50 cm<150 cm<300 cm。與付亞星、董慧龍、高海樓、杜鶴強等[7,13-15]得出的垂直方向防風效能的規(guī)律一致。分析其原因，主要是由于氣流在經(jīng)過林帶時受到林帶的干擾加之越過林帶上部的風和穿過林干的風匯合產(chǎn)生擾動造成的，即牧場防護林改變了風的流場結構。