干旱半干旱區(qū)落葉期農田防護林防風效果的風洞試驗研究

賽 克，趙媛媛，包巖峰，劉辰明，丁國棟，高廣磊

干旱半干旱區(qū)落葉期農田防護林防風效果的風洞試驗研究

賽 克1,2，趙媛媛1,2，包巖峰3，劉辰明4，丁國棟1,2※，高廣磊1,2

（1. 北京林業(yè)大學水土保持學院，水土保持國家林業(yè)和草原局重點實驗室，北京 100083；2. 寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，鹽池 751500；3. 中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所，北京 100091；4. 內蒙古自治區(qū)林業(yè)科學研究院，呼和浩特 010010）

探究落葉期不同結構喬灌木農田防護林帶的空氣動力學特征，合理配置林帶結構對于減輕風季（10月-翌年5月）干旱、半干旱區(qū)農田土壤風蝕災害具有重要意義。該研究利用風洞模擬技術，以“2行1帶”式喬灌木林帶為研究對象，按照1：100的縮尺比例，設計了不同疏透度、不同行距的林帶模型，分析不同結構林帶的風速廓線、防風效能和有效防護比，揭示落葉期不同結構林帶空氣流場特征和防風效果。結果表明：喬、灌木林帶對空氣流場垂直結構產生了不同影響，喬木林帶對氣流具有分層作用，風影區(qū)位于林帶后5倍樹高處（5），灌木林帶對氣流具有抬升作用，風影區(qū)緊鄰林帶；疏透度較低的林帶風速削弱作用更明顯，疏透度45%、58%的喬木林帶主要防風效能區(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，行距對喬木林帶防護效果的影響較小，在相同防風效能下不同行距喬木林帶的累積有效防護比相差不到5個百分點，行距對灌木林帶防護效果能產生較明顯的影響，4 cm行距灌木林帶相比2.5 cm行距林帶在相同防風效能下的累積有效防護比高18～25個百分點；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)構建農田防護林帶時，應當充分考慮林木落葉期的結構特征，針對喬木、灌木各自的特點有針對性地進行搭配，在合理的林帶疏透度范圍內，適當增大林帶行距，以提高林帶的防風能力，保障林木的健康生長。

試驗；風洞；有效防護面積；防風效能；林帶結構；株行距；風速廓線

0 引 言

全球每年由于荒漠化造成1 200萬hm2可耕地流失，中國干旱、半干旱地區(qū)地處受風蝕荒漠化威脅的前沿地帶，由于氣候條件惡劣，農田土壤風蝕、沙化現(xiàn)象嚴重，給當地農牧民的生產生活造成了不利影響[1-2]。以農田生態(tài)系統(tǒng)為主要防護對象的農田防護林能夠起到降低風速、改善農田小氣候環(huán)境的作用，為農田生態(tài)系統(tǒng)提供防風固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土等生態(tài)功能[3-5]。而研究農田防護林帶結構對空氣流場的影響，能夠為干旱、半干旱地區(qū)科學構建農田防護林提供理論依據。

林帶結構是影響農田防護林防風能力的一個關鍵因素，而林帶結構受多種因子影響[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]等結構因子均對防護林的防風能力具有不同程度的影響。其中，疏透度是影響林帶防風能力的最為直接的因子，大部分研究通過調整林分密度來改變林帶的覆蓋度與疏透度。有研究認為，在一定覆蓋度范圍內，林網內的防護面積會隨著林帶覆蓋度的增加而增大，而當林帶覆蓋度低于0.4時，植被的防風固沙效果會受到嚴重影響[20-21]。然而從另一個角度考慮，受風沙危害嚴重的地區(qū)水熱條件往往較為苛刻，難以承載高覆蓋度的樹木生長。進入21世紀后，國內學者提出了低覆蓋度治沙理論，認為行帶式灌木配置的防護林具有規(guī)則穩(wěn)定的流場結構，在較低密度下也能有效降低風速并控制土壤風蝕[22]。根據行帶式防護林的結構特點，可以通過分別調整株間距和行間距來改變林帶的疏透度和林分密度，從而能夠實現(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”式防護林配置具備良好的應用前景，同時也是目前國家在干旱、半干旱區(qū)重點推廣的造林模式之一[24]。但該理論主要應用于防風固沙林，在農田防護林中應用較少。目前在國內干旱、半干旱地區(qū)營造的農田防護林仍多是以速生喬木樹種為主，灌木林的應用則較少，有待于進一步研究。此外，大多數研究都是針對生長期的林木，而風沙活動強烈的時期，同時也是農田土壤最易遭受風蝕侵害的時期，通常對應林木的落葉期，落葉期防護林帶對空氣流場影響的相關研究則較為少見。

因此，本研究以落葉期的喬木與灌木農田防護林為研究對象，利用風洞模擬技術，探索不同株間距和行間距的“2行1帶”式農田防護林帶的防風能力，觀測其防護范圍內的風速廓線、防風效能與有效防護面積，總結不同結構喬木、灌木林帶的流場特征，以期為干旱、半干旱地區(qū)農田防護林的配置結構提出優(yōu)化建議。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

本研究在北京林業(yè)大學位于鷲峰實驗林場的風沙物理學試驗風洞中進行，該風洞為標準直流式低速氣動風洞，主要由洞體和測控系統(tǒng)組成（圖1a、1b）。風洞全長24.5 m，其中試驗段長12.0 m，橫截面0.6 m×0.6 m。根據TSI生產的IFA300型熱膜風速儀監(jiān)測結果，風洞內側壁邊界層厚度小于0.05 m，截面內具備足夠的空間進行模型試驗；風洞試驗段底面邊界層厚度約0.25 m，滿足模型試驗要求[25]。試驗段全段鋪設3 mm厚ABS板材作為床面以固定模型。風機風速范圍3～40 m/s連續(xù)可調，有效截面風速脈動小于1.5%。測控系統(tǒng)由變頻電機、控制柜、三維移測系統(tǒng)以及KIMO熱線風速儀組成。熱線風速儀依據熱平衡原理，利用放置在流場中的具有加熱電流的細金屬絲來測量流場中的流速，風速變化會改變金屬絲的溫度，從而產生電信號獲得風速[26]。

相比普通畢托管，熱線風速儀能夠實現(xiàn)連續(xù)測量，量程較大，靈敏度高，可測量0.15～3.00 m/s范圍的微風速，精度為±0.03 m/s；大風量程為3.1～30.0 m/s，精度為±0.1 m/s。三維移動測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對風洞試驗段內（沿風洞軸向前后）、（橫截面左右）、（高度）3個方向上的風速測量，其中可以根據需要測量300 cm的范圍，以風洞中線為軸可以測量左右各25 cm范圍，可以測量0.8～30 cm高度內任意高度處的風速。為便于描述，本研究中方向以林帶所在位置為0，上風向（林帶前）為負值，下風向（林帶后）為正值，風洞中軸處值取25 cm，軸以床面為0。

1.2 林帶模型設計

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，在設計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%，滿足風洞模擬試驗幾何相似條件[25]。結合野外實測數據與相關文獻[27]確認本研究的目標風速廓線，在風洞內設置尖劈及粗糙元（圖1a），在對照條件下觀測風洞試驗段風速廓線，與目標廓線進行擬合，若決定系數（R）過小則調節(jié)尖劈和粗糙元的相對位置后重新觀測，直到R達到0.8以上[25]。本研究中最終采用的風速廓線R達到了0.95，由公式（1）計算雷諾數Re=3.2×105，達到了自模擬范圍，滿足風洞模擬試驗運動相似條件[25]。

式中Re為雷諾數；為額定風速，本研究中為8 m/s；為流管當量直徑，本風洞為0.6 m；為空氣動力黏度，取試驗條件下近似值1.5×10-5m2/s。

以“2行1帶”式防護林作為基本配置，以株行距作為變量設計不同結構的林帶模型，根據國家相關標準《造林技術規(guī)程》（GB/T_15776-2016）關于造林密度的規(guī)定設計林帶的株行距（栽植距離，即樹干中點之間的距離）：喬木之間，寬距6 cm，窄距4 cm；灌木之間，寬距4 cm，窄距2.5 cm。分別根據不同的株距、行距進行搭配，按“品”字形布設樹木模型，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8組不同結構的林帶模型。通過數字圖像處理法[28]，在Adobe Photoshop CC平臺上統(tǒng)計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，計算不同林帶的疏透度和覆蓋度等參數，得到各林帶模型的基本參數（表1）。

1.3 風速測定

為了直觀描述林帶相對防護距離，并與野外植被原型建立尺度轉換，軸方向上測點位置用仿真植株高度（）的倍數表示[17]。沿垂直和水平兩個平面觀測風速，根據相關文獻[29]與預試驗風速梯度變化規(guī)律布設測點。垂直面為了最大程度減小風洞壁的邊際效應影響，選擇沿風洞中軸的垂直斷面，喬木林帶測點高度分布為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。選擇水平測量面時，優(yōu)先考慮對農田土壤風蝕影響更為直接的近地表高度，結合測量儀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量面，該高度對應野外高度為2 m，距離地表較近，同時也便于與領域內其他研究相互對照[26]，軸在0～50 cm范圍內，按照5 cm間隔設置測點，喬木林帶軸測點分布為?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 不同結構林帶模型基本參數

通過三維移測系統(tǒng)移動風速儀（圖1c），測定凈風流場，風速儀1 s可記錄一個瞬時風速，每個測點停留30 s取平均值作為該點測定風速。以風洞中軸面25 cm高度處測得的8 m/s的風速值作為額定風速，該風速對應實際風力5級以上，可造成土壤風蝕，是干旱、半干旱地區(qū)野外常見的風速[29]。觀測空風洞中試驗段橫截面的各測點風速作為對照風速（CK）。

1.4 數據分析

1.4.1 風速廓線模擬

在本研究中，風洞內部氣流不存在溫度梯度，呈中性層結，在對照條件下風速廓線滿足速度對數分布律[28,30]，如公式（2）。

本研究中以空風洞下的風速廓線作為對照，經測定計算得對照條件下摩阻流速為0.244 m/s。在設置好林帶模型后，根據實際觀測數據繪制風速廓線圖，并進行對數擬合計算。風速數據的基礎統(tǒng)計與風速廓線圖像的繪制在Microsoft Excel 2013中完成，對數擬合系數的計算在IBM SPSS Statistics 22.0平臺上完成。

1.4.2防風效能計算

防風效能是衡量林帶對氣流削減程度的重要指標[28,30]，其計算公式如下：

本研究對防風效能的基礎數據統(tǒng)計在Microsoft Excel 2013中完成，利用Golden Software Surfer 13.0進行數據的可視化處理，以實際測點為基礎，采用KRIGING插值法進行插值[29]，根據測點分布，為便于描述與對比，設定插值范圍為：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 有效防護面積計算

林帶的存在改變了空氣流場分布，具有一定的防風效能，在林帶前后不同位置的防風效能也存在不同，達到某防風效能區(qū)間的區(qū)域面積稱為該防風效能區(qū)間對應的有效防護面積，達到或高于某防風效能值的面積占防護區(qū)（測定區(qū)域）總面積的比例稱為該防風效能對應的累積有效防護比[29]，計算如式（4）。有效防護比能夠更加直觀地反應林帶對空氣流場的影響程度和涉及的區(qū)域面積。

式中()為防風效能大于等于時的累積有效防護比，%；S為防風效能區(qū)間為的有效防護面積，cm2；max為林帶后防風效能最高值，%；0為防護區(qū)（測定區(qū)域）總面積，cm2。

在防風效能可視化的基礎上，本研究利用Adobe Photoshop CC平臺對不同結構防護林帶在不同防風效能下對應的有效防護面積進行測度，在Microsoft Excel 2013中完成有效防護比的計算與圖像的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同結構林帶風速廓線特征

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

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

表2 不同結構林帶前后不同距離處風速廓線對數擬合系數

2.2 不同結構林帶防風效能

2.2.1 不同結構林帶防風效能垂直分布特征

由圖4所示，根據防風效能高低，可將不同結構林帶防風效能的垂直分布劃分出如下幾個區(qū)域：林帶前減速區(qū)（區(qū)域1），林帶后風影區(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，大致呈現(xiàn)出距離林帶越近、越靠近地表，防風效能越高的趨勢。區(qū)域2位于林帶后，影響范圍超過15，高度在10 cm以內，其中1到8距離區(qū)間，防風效能隨高度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，防風效能峰值出現(xiàn)在林冠高度（5～8 cm）范圍內，低疏透度林帶（林帶2、4，疏透度約45%）防風效能值可達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)域防風效能出現(xiàn)了負值，說明防護林帶對林帶后高空處氣流產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，10 cm高度范圍內，防風效能隨高度增加而降低，整體防風效能值不高，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，3 cm高度范圍內，防風效能峰值出現(xiàn)在林帶后1到10范圍內近地表處，高疏透度林帶可達15%～20%，低疏透度林帶可達20%～30%；隨著高度的增加，區(qū)域2內防風效能值快速降低，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，5～20 cm高度范圍中，防風效能出現(xiàn)負值，風速有一定程度的增加。除了前3個區(qū)域以外的其他區(qū)域為區(qū)域4，風速相比對照沒有明顯變化，林帶對該區(qū)域氣流影響不大。

2.2.2 不同結構林帶防風效能水平分布特征

農田防護林的主要防護對象是位于地表的農田生態(tài)系統(tǒng)，因此考察防護林在近地表范圍內的防風效能具有重要意義。不同結構林帶防風效能的水平分布（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），林帶后風影區(qū)（區(qū)域3），林帶后恢復區(qū)（區(qū)域4）。

喬木林帶區(qū)域1位于林帶前6距離內，風速平穩(wěn)下降，穿過林帶后到達區(qū)域2（林帶后5距離內），風速削減，防風效能大幅提高，隨即在區(qū)域3內（林帶后5之后）維持在一個相對比較高的水平上，形成較大范圍的風影區(qū)域。林帶2、4（疏透度較低，約45%）風影區(qū)防風效能可達22%以上，其中林帶4（行距6 cm，較寬）防風效能更高，可達27%；林帶1、3（疏透度較高，約58%）風影區(qū)防風效能可達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，風速平穩(wěn)下降，穿過林帶后防風效能迅速升高，不再有區(qū)域2，而直接形成一定范圍的風影區(qū)（區(qū)域3），其中林帶6、8（疏透度較低，約36%）風影區(qū)在林帶后16距離內，林帶5（疏透度較高，約54%；行距較寬，4 cm）風影區(qū)位于林帶后10距離內，林帶7（疏透度約54%，行距2.5 cm）則沒有明顯的風影區(qū)。之后風力有所恢復，但相比對照依然有所減弱，形成較大面積的恢復區(qū)。林帶6、林帶8風影區(qū)防風效能可達18%以上，恢復區(qū)防風效能可維持在13%~18%，不同行距林帶相差不大；林帶7沒有明顯的風影區(qū)，恢復區(qū)防風效能可維持在6%～14%，林帶5風影區(qū)防風效能可達17%以上，恢復區(qū)可維持在8%～17%。

2.3 不同結構林帶的有效防護面積

不同結構林帶達到一定防風效能時所對應的有效防護面積有所不同。如圖6所示，對于喬木林帶而言，林帶1和林帶3（疏透度58%）處于15%～20%防風效能區(qū)間的有效防護面積較大，防風效能達到15%的累積有效防護比分別為68.80%和73.26%，不同行距林帶相差不到5個百分點；林帶2和林帶4（疏透度45%）則有較大面積集中于20%～25%防風效能區(qū)間，達到20%防風效能的累積有效防護比分別為69.84%和69.58%，不同行距林帶相差無幾。對于灌木林帶而言，林帶5和林帶7（疏透度54%）防護區(qū)中處于5%～15%防風效能區(qū)間的有效防護面積較大，達到10%防風效能的累積有效防護比分別為64.06%和39.14%，4 cm行距林帶比2.5 cm行距林帶高將近25個百分點；林帶6和林帶8（疏透度36%）則主要集中于10%～20%防風效能區(qū)間，15%以上防風效能的累積有效防護比分別為28.66%和46.42%，4 cm行距林帶比2.5 cm行距林帶高將近18個百分點。

3 討 論

3.1 株距與行距對林帶防風能力的影響

喬木林帶防風能力主要受疏透度影響，對行距的響應并不明顯。株距是影響林帶疏透度的關鍵要素，低疏透度林帶的防風效能普遍高于高疏透度林帶，與以往的研究結論相符[31]。對灌木的研究結果表明，行距對灌木林帶下風向流場分布具有一定影響，寬行距灌木林帶對風速的削減能力優(yōu)于窄行距灌木林帶，防風效能較高，防護面積也更大。這種現(xiàn)象可能是由于寬行距林帶在沿風向方向上沒有林冠重疊，氣流通過林帶時需要完整穿越兩行林冠，林冠對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。行距的增加同時能夠在一定程度上降低林帶范圍內的林分密度，從而更有利于林帶適應干旱、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)護成本[24]，因此對于防護效果接近的林帶，可優(yōu)先選擇寬行距林帶。

3.2 落葉期農田防護林對空氣流場的影響特點

本研究中近地表風速在林帶后隨距離的增大呈先減小后趨于穩(wěn)定再略有恢復的趨勢，與相關研究的規(guī)律一致[17,32-33]，但與枝葉完整的林帶相比防風效能較低，說明林木枝葉完整性對流場結構的變化規(guī)律影響不大，但對防護林帶的防風能力則有較大影響。有葉林帶由于疏透度較低，氣流被阻擋，疏透度因子占據了主導作用，導致空氣流場對其他結構因子的響應不夠明顯，行距的改變不足以影響到空氣的流場結構；而落葉期林帶疏透度偏高，空氣流場對其他結構因子，比如行距的改變，也能有一定的響應。今后對此現(xiàn)象可以進一步研究與探索。干旱區(qū)風季（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象，難免會在生產實踐應用時產生偏差[34]。因此在農田防護林帶結構設計時，應當充分考慮林木落葉期時的形態(tài)特征，除了林帶疏透度，還應該綜合考慮其他結構因子的影響，灌木林帶可適當增加行距，充分發(fā)揮林帶冠層的消能作用。

4 結 論

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

2）低疏透度林帶的防護效果優(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效果相差不大，而對于灌木林帶而言，寬行距（4 cm）林帶的防護效果優(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，對于防風效果相近的林帶，優(yōu)先選擇較低密度或覆蓋度的林帶結構，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)落葉期農田防護林防風效果的風洞試驗研究[J]. 農業(yè)工程學報，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

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0500802）；國家自然科學基金項目（31600581）；中央引導地方科技發(fā)展項目“渾善達克沙地生態(tài)文化產業(yè)關鍵技術研究與示范”

賽克，博士生，主要研究方向為荒漠化防治。Email：sykee168@sina.com

丁國棟，博士，教授，主要研究方向為荒漠化防治。Email：dch1999@263.net

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.018

S721

A

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