干旱风沙区农田防护林网空间风速与地表风蚀特征

左 忠，潘占兵，张安东,2，余 殿，周景玉



干旱风沙区农田防护林网空间风速与地表风蚀特征

左 忠1，潘占兵1※，张安东1,2，余 殿3，周景玉3

（1. 宁夏农林科学院荒漠化治理研究所，银川 750002； 2.四川大学生命科学学院，成都 610065；3. 宁夏哈巴湖国家级自然保护区管理局，盐池县 751500）

为准确了解和评价干旱风沙区在典型大风环境下农田防护林空间风速分布，以及林网内风蚀状况，分别利用三杯风速仪和诱捕法，对干旱风沙区盐池县农田防护林网空间风速与地表风蚀特征开展了林网内不同水平距离内的距地表50、200 cm高度风速分布与地表风蚀状况监测。研究表明：1) 随着防护距离的逐渐增大，风蚀量呈先增加后减少的变化趋势，而风速变化规律正好相反；50和200 cm高度的风速变化规律均一致，均呈先逐渐降低后逐渐升高的变化，以12处对风力减小作用最明显，50和200 cm高度的风速降幅分别达到了51%和46%；林带防风效益与距离呈先增加后减小趋势，以12（12倍的防护林带树高，下同）处200 cm高度最佳，为53.65%；侵蚀模数由林带内的轻度、1处的强度到3、7处的剧烈，12处为极强度，以3处最大，为21 944.62 t/km2。2) 沙粒粒径以73.99、87.99、104.6m区间为主，其中82.53%～99.93%沙粒均集中在248.9m以下，为细沙粒，而旷野对照组沙粒粒径主要集中在104.6～148m，沙粒明显较粗。因此，干旱风沙区沙质农田防护林网在典型大风日内对风速的减缓非常有效。但由于林网内沙物质源丰富，风蚀现象依然严重，对当地沙尘暴发生影响较大。该研究对准确掌握当地林网风蚀，科学评价林网防护功能等有一定的借鉴作用。

土壤；风；侵蚀；干旱风沙区；农田防护林网；风蚀

0 引 言

防护林是以发挥防护效应为基本经营目的的森林的总称[1]，既包括人工林，也包括天然林[2]。农田防护林是一种为了改善土壤、水分、小气候条件，防止自然灾害而为农作物和牲畜的生长创造有利环境的、保证农牧业稳产和高产的，并且能为人类社会提供多种效用的人工森林生态系统[3]。其主要目的是调节农田内部小气候、减小风速、有效保证农业丰产丰收。风蚀是宁夏主要自然灾害之一，研究、治理和抵御风蚀危害是各级政府与群众长期面临的共同使命。对典型大风条件下农田防护林网空间风速分布特征与风蚀程度的研究，是研究决定农田防护林林带间距、林带宽度、树种搭配、疏透系数等科学布设的前提，特别是风害严重的干旱风沙区。而针对干旱风沙区林网内典型大风日风力分布特征与地表风蚀相关性的研究非常少见。前苏联[3]根据土壤类型采用带间距离300～400 m（栗钙土）、400～500 m（南方黑钙土）、500～600 m（普通黑钙土）。欧洲（丹麦）[3]以林带高为15 m计，则林带之间的距离应在250 m。王仁德等[4]对山东平原农区研究表明，风速降低10%时对农作物就不产生危害，1～20平均防风效益为35.27%，7处防风效果最好，防风效益达63.64%。同时研究表明，单条防护林带结构为最优结构时，在30范围内，平均风速降低40～50%；在20范围内，平均风速降低50～60%。防护林内10距离后，风速才明显增高[5]。朱廷曜等[6]提出在平原地区，单条防护林带结构为最优结构时，减弱风速20%的有效防护距离可达25~30。刘建勋等[7]观测到河西走廊中部单个农田林网的防风度为28.2%，18～25处相对风速均在80%以上。左忠等[8-15]对宁夏、新疆、内蒙等地引黄灌区防护林体系、农田地表风蚀、降尘机理进行了较为全面的观测。查同刚等[16-18]对宁夏农田防护林体系、结构、配置、小气候进行了调查研究。张雷等[19-21]分别针对沿海与宁夏防护林效应、风区分布、气场流体学等开展了研究。郑波等[22]利用风洞研究了种植枣树等植株高大目标作物的防护林风场特征及防风效应的影响表明，枣树对林带前后流场均具有显著影响。彭帅[23]研究表明乔灌混交配置是防护林带树种配置的首选。孙钦明[24]研究表明，林带不同配置结构下近地表流场变化差异较大。于颖等[25-26]分别利用遥感数据实现了农田防护林防风效能的定量估算和作物产量的评价。综上，目前关于平原地区农田防护林空间风速分布研究较为常见，但干旱风沙区灌区由于生产条件恶劣，区域间自然环境差异性大，农业生产规模较小，生产力水平低下，诸如农田风蚀特征等基础研究起步较晚，开展的相关研究较少，与现代农业产业化生产技术需求尚有一定的差距。

风害防治是农田防护林网设置首要作用。由于北方春季风害易发期正是落叶防护林树种展叶前期，防风效果明显不佳。同时，不同地域气候差异性大，主害风力破坏性之间差别非常大，而不同区域农艺耕种习惯、土壤类型防风蚀特性、不同作物对防护林网设计需求的差异性等，决定了防护对象差别较大，不同区域、不同类型的防护林空间设置、功能实现的差别也较大。对干旱风沙区农田防护林风速空间分布与冬春季农田风蚀特征研究，是保证农田防护林科学布设，保障农业丰产稳产的重中之重，据此开展了本研究。

1 研究区自然概况

研究区地处鄂尔多斯台地中南部、毛乌素沙地西南缘，宁夏中东部干旱风沙区，是宁夏中部干旱带主要组成部分，试验区年降水量145.3～487.5 mm，蒸发量1369.9～2 394.7 mm，干燥度3.1；年均气温7.0～10.0 ℃，年温差31.2 ℃，无霜期138 d，≥10 ℃积温2 944.9 ℃；年均大风日数25.2 d，年均风速2.8 m/s，主风向为西北风、南风次之；主要自然灾害为春夏旱和沙尘暴[8]。

研究监测区设在宁夏盐池县王乐井乡王乐井村扬黄灌区农田，为上茬种植玉米机械翻耕后并做了平整处理，以备当年春耕的扬黄灌区农田。地理位置37°47′04.44″N，107°09′29.70″E。旷野对照区域为王乐井乡政府北面、王乐井乡东沟村正南无任何防护林分布的旱作农田集中分布区域，地表为上茬种植荞麦后保持的原始地貌，距离监测区直线距离2 km左右。

2 研究方法

2.1 防护林基本特征

防护林树种选择30 a左右榆树林带，是当地较有代表性的抗旱力强、较为常见的防护林树种。防护林平均树高15 m，林带规格3 m×6 m，3行，品字形种植，树冠冠幅437～556 cm，树冠大，疏透度35%～40%，垂直于主害风向的成熟防护林带，生长缓慢，林木保存率86%，保存完整。林网东西距离350 m，南北距离80 m，监测时大风风向按时风向玫瑰图区分为315°左右NW向西北风。

2.2 监测方法

2.2.1 风速监测

在有沙尘暴发生的典型大风日内，以距离监测区直线距离2 km左右的旷野为对照，利用武汉新普惠科技有限公司生产的PH-SD2型手持风速风向仪，将其放置在林带南北等距离的中心线上，同时监测距离防护林1（为防护林带高度1代表距离观测风向后林带15 m处）、3、7、12（前后林带中间距离175 m处）、21（距离前林带320 m、后林带30 m）不同水平距离50和200 cm垂直高度空间中的平均风速。监测时将风速仪利用稳定的杆状固定装置按照监测高度安装到指定高度后，每位观测者负责操作1台风速仪，按照约定时间同时开始记录风速风向，记录者位于风速仪1 m以外的下风向。每1分钟记录一次，连续记录15次，取其平均数。

2.2.2 风蚀监测

利用诱捕法（图1），在各观测地内选择平整且保证具有原始地被物覆盖的基础上，同时放置口径7 cm的集沙容器，放置时将保证容器口与地表持平，并且把容器周围的空隙填平，尽量使其保持原状，待有风蚀现象时容器对过境沙粒进行收集。期间及时观察容器内沙粒沉降情况。当集沙量体积接近容器容积一半时及时收集该容器的沙粒，并称其质量，累加记录后对比监测不同立地类型土壤风蚀量。

图1 诱捕测定法主要试验原理

分别在距离防护林与主风向林垂直的南北走向的林带内（0处）、距离林带1、3、10、12（林带中间175 m处）不同水平空间范围内放置的集沙容器埋入地表。分别于2016年3月15日放置，4月17日、5月14日、6月16日第一、二、三次回收，放置时间均为30d左右。将未被人或动物影响或破坏的样品收回称其质量，每处理重复5个，取其平均数。将收集到的沙粒带回室内，分析沙尘粒径和集沙量，其中集沙量用感量0.01 g的天平称质量。

2.2.3 沙粒粒径分析

采用英国产Malvern牌Mastersizer 2000型激光粒度分析仪，对试验采集到的沙粒样品进行了粒径组成分析。

2.2.4 防护林距离测量

防护林树高、1、3近距离测量采用LeicaD510型激光测距仪测量，远距离采用Australia New Meter(HK) Co.,ltd生产的TM1500型激光望远镜测距仪进行了测量。

2.3 数据计算

2.3.1 下垫面的粗糙度测定

下垫面的粗糙度是反映不同地表固有性质的一个重要物理量，是表示地表以上风速为零的高度，是风速等于零的某一几何高度随地表粗糙程度变化的常数[27]。而朱朝云等[28]则认为下垫面的粗糙度是衡量治沙防护效益最重要的指标之一。按照下垫面粗糙度的公式定义，只要同时测得监测区域内不同高度风速差，就可根据公式推出供试样地的下垫面的粗糙度[28]。测定任意两高度处1，2及它们对应的风速12，设2/1＝时，则得方程

例如当2＝200，1＝50，将若干平均风速比代入方程，则求得下垫面粗糙度0。

2.3.2 防风效益计算

防护林的防风效益主要是通过风速削减的程度来度量，即防护林前或林后的风速差与林前初始风速的比值[22]。本文计算时按照：防风效益＝（旷野平均风速-待评价区域平均风速）/旷野平均风速×100%。

2.3.3摩阻速度测定

摩阻速度*的确定[27]：*同样可以通过测定任意两个高程上的风速，根据公式来确定（即由直线的斜率得出）

根据0和*，可以得到风速廓线，就可以根据地面气象站的风速资料推算近地层任一高度的风速，或进行不同高度的风速换算。

2.3.4风的速度脉动特征分析

风的速度脉动特征可以用阵性度表示[27]

式中为观测层内的风速，m/s。

3 结果与分析

3.1 防护林网内风速空间分布特征

距地表50、200 cm高度风速监测结果表明，在1～21H区域内防护林均对风速减小起到了较为明显的作用。随着防护距离的逐渐增大，50和200 cm高度的风速变化规律一致，均呈先逐渐降低、后逐渐升高变化规律。其中50 cm高度1、3、7、10、1221处的风速分别为对照区风速的0.87、0.67、0.55、0.51、0.73和0.80倍，200 cm高度1、3、7、10、1221处的风速分别为对照区风速的0.71、0.54、0.51、0.46、0.69和0.66倍，特别是3～10处，其中以10处对风力减小作用最明显，50和200 cm高度风速分别为旷野处的0.51倍和0.46倍，降幅分别达到了51%和46%，随后风速又逐渐抬升。说明即使在树木展叶前，农田防护林网在典型大风日内对风速的减小也非常有效。说明农田防护林网对稳定干旱风沙区农田生态系统具有重要作用。

3.2 防护林网内风速及防护效能等空间分布特征

在沙尘暴发生的典型大风日内对距地表50、200 cm高度风速监测表明，50 cm风速均明显低于200 cm高度。风速比均在1.17～1.46之间，风速相差明显。防护林内所有粗糙度0，均低于旷野对照，变化幅度在0.02～2.51 cm之间。风脉动性也相对较大，均在0.54～1.29之间。随着距离增大，防风效益呈较规律的先增加后减小趋势，变化幅度呈较规律的倒抛物线形状，变化幅度在13.46%～53.65%范围内，以12处200 cm高度最明显，达到53.65%，说明防护林在12处防护效果最佳。

图2 典型大风环境不同水平监测距离防护林网风速空间分布特征

表1 典型大风环境下防护林风速及防护效能等相关指标空间分布特征

3.3 典型大风条件下农田防护林网风蚀特征

3.3.1 防护林带内不同水平距离风蚀量监测分析

地表风蚀量的大小，是沙尘暴发生发展程度正相关指标的直接反映。根据《宁夏通志·地理环境卷》[29]将宁夏风力侵蚀强度由轻到重依次划分为微度（<240 t/km2·a）、轻度（240～2 250 t/km2·a）、中度（2 250～4 500 t/km2·a）、强度（4 500～9 000t/km2·a）、极强度（9 000～18 000 t/km2·a）、剧烈（>18 000 t/km2·a）6个级别。由于监测区域为盐池县干旱风沙区，地表风蚀严重，从大区域看，一般均属于强度及剧烈风蚀区域。

从监测结果看，土壤表层风蚀量与防护林距离呈现较规律的正相关，以林带内最小，在监测的3个时间段内平均风蚀量为2.12 g，折合平均月风蚀量为550.28 t/km2，累积风蚀量1 650.85 t/km2，仅从春季风蚀量判断，为轻度风蚀区域。由于在防护林内，除防护林减少风速具有一定的贡献外，主要是由于近邻林带内无农业耕作挠动，渠系周边野生植被保存完好，地表硬度较大，抗风蚀能力较强，无充足沙尘来源。随着监测距离防护林越远，仅从春季风蚀量判断，侵蚀模数由林带内的轻度到1处的强度到3、7处的剧烈，到12处的极强度，其中以3、7处最大，分别为21 944.62、20 456.69 t/km2，二者相差不大。距离林带中心12处监测到的月平均风蚀量为20.34 g，折合平均月平均风蚀量为5 287.06 t/km2，累计风蚀量15 861.17 t/km2，侵蚀模数减少到了极强度。旷野对照区监测到的累积风蚀量为16 754.45 t/km2，仅比0、1处风蚀量小，侵蚀模数属于极强度。Duncan法多重比较表明3与0处理在5％水平上差异显著。说明在干旱风沙区灌溉农田是主要沙源地，在沙害防治中应引起足够的重视。

表2 防护林带内不同水平距离地表风蚀量监测结果

3.3.2 防护林带内不同水平距离沙粒粒径分布特征

按照“中国土粒分级标准”[30]，250～1 00050～25010～55～22～1<1m分别为粗沙粒、细沙粒、中沙粒、细粉粒、粗黏粒、细黏粒。对收集到的沙粒粒径进行分级后表明（表3）：沙粒粒径主要集中在50～100m之间，≤50m以12处比例最大，达到了25.38%，3最小，仅为4.48%；≤100m处7处最大，为85.10%，3处也最少，为65.90%。其中99.93%以上的沙粒均小于或等于250m，65.90%沙粒均在100m及以下，为细沙粒，占绝大多数。旷野对照组无50m及以下的粒径，100 、250m，分别占42.36%和99.82%，属于细沙粒中较粗部分，与农田相比，颗粒明显较粗。

从粒径分析仪测试结果（表4）可以看出，各监测样地沙粒均以沙粒中的细沙粒（37～248.9m）为主，其中51.58%～71.83%沙粒粒径均小于或等于87.99m，为细沙粒中偏细部分。从不同监测距离来看，其中0处以73.99、87.99m为主，分别占总沙粒的17.99%、17.95%；1、3处以87.99、104.6m为主，分别占总沙粒的18.84%、18.09%和19.10%、19.03%；7、12处均以87.99、104.6m为主，分别占总沙粒的15.82%、17.59%和14.60%、15.13%。82.53%～99.93%粒径均集中在248.9m以下，为细沙粒；粗沙粒（248.9～352m）组成只占不到1%。由此可见，在农田区域内收集到的各处理间沙粒粒径差别不大。而旷野对照组沙粒粒径在62.22～352m之间，其中104.6～148m占总数的56.7%，与农田区域相比，沙粒明显较粗。

表3 地表沙粒粒径国家标准分级结果

表4 地表沙粒粒径组成分析

4 结论与讨论

1）随着监测距离的增大，风蚀量呈先增加后减少的变化趋势，而风速变化规律正好相反。以林带内最小，随着监测距离防护林越远，侵蚀强度由林带内的轻度、1处的强度到3、7处的剧烈，12处为极强度，其中以3处侵蚀最大，为21 944.62 t/km2。其中3与林带内（0）处理差异显著。防风效益与防护林距离呈先增加后减小趋势，变化幅度在13.46%～53.65%范围内，以12处200 cm高度防风效益最佳，为53.65%。

2）不同防护林距离收集到的沙粒粒径以73.99、87.99、104.6m区间为主，其中82.53%～99.93%粒径均集中在248.9m以下，为细沙粒。而旷野对照组沙粒粒径在62.22～352m范围内，其中104.6～148m最为集中，占56.7%，沙粒明显较粗，说明该区域风蚀危害现象严重。

监测表明，干旱风沙区沙质农田防护林网内沙物质源丰富，对当地沙尘暴发生发展，以及农田风蚀、土壤养分流失等影响较大，是主要沙源地之一。由于本次试验是地面较长时期的监测风蚀监测，为便于实地操作，减少人为破坏，选用了诱捕法，在风蚀发生的主要危害季节进行了监测。由于集沙装置口径偏小，风蚀量和侵蚀强度监测结果与实际发生值相比可能会偏小。但本研究是在当地主害风主要发生季节进行的长时间监测。因此，基本可真实地反映当地风蚀情况，对准确掌握干旱风沙区风季内防护林网地表风蚀现状，科学评价防护林防护功能起到了一定的借鉴作用。

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Spatial wind speed and surface wind erosion characteristics of farm-shelter forest network in arid sandy area

Zuo Zhong1, Pan Zhanbing1※, Zhang Andong1,2, Yu Dian3, Zhou Jingyu3

(1.,750002,; 2.,,610065,; 3.751500,)

To accurately understand and evaluate the spatial distribution of wind speed and the erosion characteristics of farm-shelter forest network in a typical strong wind environment, the research on space wind speed and surface wind erosion characteristics of farmland shelterbelts in Yanchi County, Ningxia Hui Autonomous Region in arid sandy area is carried out. The spatial distribution of wind speed within 50 and 200 cm vertical space above the ground and the erosion characteristics have been studied at the different distances from the farm-shelter forest network with portable anemometer and trapping method respectively. The result shows that: With the increase of monitoring distance, the amount of wind erosion increased first and then decreased, while the wind speed changed in the opposite direction. The wind speed changes at 50 and 200 cm height are the same, which show a very regular inverted parabolic linear change of first gradually decreasing and then gradually rising. The effect of wind reduction at 12height (12 times shelter forest height, the same below) is the most obvious. Wind speeds decreased by 51% and 46% at 50 and 200 cm height respectively. With the increase of the distance, the wind-break potency presented the tendency of increasing at first and then decreasing. The wind-break potency was the best at the 200 cm height from 12H, and the value was 53.65%. The amount of wind erosion was positively correlated with the distance from the farm-shelter forest network. The erosion modulus in the farm-shelter forest network was the least, and the order was 1< 12< 3and 7. The value at 3height was the biggest, 21 944.62 t/km2. The sand diameters were about 73.99, 87.99 and 104.6m, 82.53%-99.93% was under 248.9m, and the sand was the fine sand. However, the sand diameters of the bare land were about 104.6-148m. These reflected that the sandy irrigated farmland was the main dust source. So configurating the farm-shelter forest network scientifically and reducing the bare soil could prevent sand disaster effectively in the arid sandy area. Thus, even in the early growth of tree leaves, farmland shelterbelts in arid and sandstorm areas are also very effective in slowing wind speed during typical windy days. However, due to the rich source of sand in the forest network, the wind erosion is still serious and has a great impact on the local sandstorms. The farmland shelterbelt network is set scientifically to minimize the occurrence of wind erosion and sand damage as much as possible during the wind-affected season for farmland. This study can have certain technical reference to accurately grasp the wind erosion of the local forest network, and scientifically evaluate the forest network protection function.

soils; wind; erosion; the arid sandy area; farm-shelter forest network; wind erosion

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.018

S424

A

1002-6819(2018)-02-0135-07

2017-06-21

2017-12-18

宁夏回族自治区十三五重大项目“宁夏多功能林业分区域研究与示范”；2015年中央财政林业科技推广示范项目“宁夏半干旱黄土丘陵区退化生态系统恢复技术示范推广”（项目编号2015[09]）；“全国退耕还林工程生态效益监测（宁夏）”项目联合资助

左 忠，副研究员，主要从事风蚀监测，生态效益监测研究等工作。Email：nxzuozhong@163.com

潘占兵，男，宁夏惠农人，副研究员，主要从事生态效益监测、荒漠化防治等工作。Email：624151845@qq.com

左 忠，潘占兵，张安东，余 殿，周景玉. 干旱风沙区农田防护林网空间风速与地表风蚀特征[J]. 农业工程学报，2018，34(2)：135－141. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.018 http://www.tcsae.org

Zuo Zhong, Pan Zhanbing, Zhang Andong, Yu Dian, Zhou Jingyu. Spatial wind speed and surface wind erosion characteristics of farm-shelter forest network in arid sandy area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 135－141. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.018 http://www.tcsae.org