河北省坝上地区牧场防护林的防风效能研究

牛庆花, 彭 博, 陆贵巧, 谷建才

(河北农业大学 林学院, 河北 保定 071000)

防护林是一种人工建立的改造自然坏境使其能够达到人类预想的生态措施，以抵御外部各种坏境变化产生的影响。防护林作为生态建设的重要措施，是生态系统的重要屏障，它可以通过林带的动力作用，改变气流的结构，来发挥生态效益，从而提高农作物的产量[1-3]。进入20世纪后，国外学者[4]利用风速表观测了防护林附近的风速分布情况，国内许多学者也多方位的研究了防护林的防风效能。如李锋瑞[5]对科尔沁沙地杨树防护林4个不同高度的防风效应进行观测，讨论了不同季节、风向、风速在不同高度上的防风效应表现；吕仁猛[6]对3种旷野风速下的农田林网内风速及防风效能进行了分析，结果显示，林网内的风速具有较强的空间自相关性，3种旷野风速下的主林带背风面都存在较大的降风区域，林带结构和疏透度对防风效应的大小与林后风速的分布特征有重要影响；付亚星[7]分析了不同种类和林网结构农田防护林的防风效能，得出疏透型农田防护林的防风效能最好，且随着高度的增加防风效能呈逐渐下降的趋势。目前，人们对农田防护林的生态效益研究较多，对于牧场防护林的生态效应研究较少。为此，本研究针对围场县北部坝上高原地区的御道口牧场，这里冬季因受北部低气压气流的影响，风天多，风力大，且降水量少，蒸发量大，气候干燥，草原沙化、土地沙化等坏境问题较为严重，影响了御道口畜牧业的发展。为了解决这一问题，于2002年营造了牧场防护林，主要种植树种为樟子松(Pinussylvestris)。本研究针对防护林营造后对牧场的改善情况，于2017年对15年生的樟子松牧场防护林的防风效益进行了研究，旨在揭示牧场防护林的的防护功能，为牧场防护林建设提供理论依据。

1 研究区概况

1.1 自然概况

研究区位于河北省承德市围场县北部坝上地区，东起坝梁，北至塞罕坝国家森林公园，西与内蒙古自治区接壤，南至御道口乡，其地理坐标为北纬42°07′—42°25′，东经116°46′—117°26′，总面积1.0×105hm2。该区海拔1 230～1 280 m，属温带大陆季风性气候，常年气温偏低，年均气温为3 ℃，极端最低温度达-43.2 ℃，极端最高温度有33.4 ℃；无霜期短，每年无霜期平均80 d；降水量小，年降水量为460 mm，干燥度为1.5～2.2。冬季受北部低气压气流的影响，风天多，风力大，且主害风向为NW，平均风速为3.6 m/s，每年风日数(3级以上)180 d多。土壤类型有灰色森林土、草甸土、沼泽土、风沙土4个类型，土层厚度10—150 cm。研究地的植被类型主要为草甸草原，植物种类多种多样，有50多个科，400多种。

1.2 牧场防护林概况

通过实地考察和勘踏，根据御道口乡的自然地理和地形地貌特征，选择与主害风方向垂直的典型牧场防护林带，该牧场防护林树种为樟子松，15年生，主林带林木的平均树高为3.5 m，平均胸径为5.4 cm，平均枝下高为0.3 m，带宽8 m(4行)，带长300 m，株行距1.0 m×2.0 m，带间距16 m，且林带走向为NE-SW；副林带林木的平均树高为3.6 m，平均胸径为5.5 cm，平均枝下高为0.4 m，带宽8 m(4行)，带长150 m，株行距1.0 m×2.0 m，带间距12 m，林带走向与主林带垂直；主林带和副林带都是容器育苗造林，林带林木的保存率较高，为85%～90%。

2 研究方法

2.1 风速的测定

在被观测牧场防护林林带背风面的中垂线上，以距林带边缘1 H(H为林带平均高度)，5，10，15，20 H以及林内设置观测点，且在林外迎风面距林带边缘30 H以外设置对照点，在各观测点安置DEM6型轻便三杯风向风速仪，该仪器由风向、风速两部分组成，可以测量风向和1 min内的平均风速，风速的识别范围为1～30 m/s，风向的识别范围为0°～360°。在实际风速测定过程中，分别选取距地面30，50，150，300 cm的高度为测点，且各观测点每天需观测3次(8：00，14：00，20：00时)，在10月要连续观测，11和12月每隔10 d观测1次。此外，本研究根据150 cm高度处林带后各测点的风速值分别研究了各测点的风速分布规律变化、防风效能以及风速对防风效能的影响。

2.2 林带疏透度的测定

疏透度是指林带垂直面上透光空隙的投影面积与垂直面积总投影面积之比，是描述林带结构特征和衡量林带优劣的重要参数[8]。被观测的林带通过使用数字图像处理法，即“数码相机”和“遥感图像处理软件”相结合的方法测定防护林的疏透度[9-10]。用相机拍照后，将其转入计算机中，用相关软件剔除无用信息。首先用Photoshop裁定林带断面，同时确定林干、林冠平均高度，乔木树干和树冠疏透度采取分开计算方式，以确保疏透度计算的精确性，最后采用加权法计算得出结果[10]。

β=(β1·h1+β2·h2)/H

(1)

式中：β——林带平均疏透度；β1——冠层的疏透度；β2——树干层的疏透度；H——林带平均高度；h1——冠层高度；h2——树干层高度。

2.3 防风效能的计算

相对风速的计算公式为：

(2)

式中:Vx,z——距防护林带x处，高z处的相对风速；Ux,z——距离防护林带x处、高度为z处的平均风速;U0,z——同一高度旷野风的平均风速。

防风效能：指距防护林带x处，高度为z的风速比旷野风速减少的百分比。

(3)

式中：Ex,z——距防护林带x处，高z处的防风效能；Ux,z——距离防护林带x处，高度为z处的平均风速;U0,z——同一高度旷野风的平均风速。

3 结果与分析

3.1 林带后的风速分布特征

由图1可知，牧场防护林林带对风速的影响有明显的作用。当风经过林带时，部分气流被林带阻碍而抬升至林带上方，越过林带后，这部分气流在上空形成高风速区域，而在林后，由于上方气流下沉与通过林带的那部分气流相遇形成涡流，使林带背后形成低风速区域[11]，风速随着远离林带而逐渐恢复，直到接近对照风速。各点风速变化的总规律是从1 H开始距林带越远风速越大，即在1～10 H范围内形成一个风速降低区。其中，林带背后的1，5 H区域内风速降低程度最大，可由旷野风速值3.84 m/s降低至2.74～3.27 m/s，风速值降低幅度为17%～40%。据流体力学湍流运动理论可知，这可能是乱流交换减弱最明显的三角区的原因。而在5～10 H区域内风速分布3.27～3.54 m/s，降低约8%～17%；在10～20 H区域内风速降低程度相对较小，风速分布为3.54～3.68 m/s，风速降低至约4%～8%。当水平距离大于20 H时，风速值恢复到旷野风速值水平，即草牧场防护林林带失去其防护功能。其相对风速值从1～20 H由0.71逐渐增加到0.96，在1～5 H范围内相对风速更低，平均为0.78，充分体现了林带降低风速的空气动力效应。

图1 林带后的风速分布

3.2 风速对林带防风效能的影响

由图2可知，旷野的自然风速对牧场防护林林带的防风效能影响较大。从水平距离来看，其防风效能的趋势在林内至1 H区间呈增加趋势，1 H后均呈递减趋势，10 H之后递减趋势变缓，说明在林内，1 H，5 H三个点的防风效能最好，10 H之后防风效能减弱；从不同的风速级来看，不同风速级下林带的防风效能随风速的增加都有不同幅度的增加。以防风效能达到20%为基准的话，1和2级风速下的有效防护距离为林内至1 H，3级风速下的有效防护距离为林内至5 H，4和5级风速下的有效防护距离为林内至10 H，6级风速下的有效防护距离为林内至15 H，说明随着风速级的增大，林带的有效防护距离变大，即防风效能较好。当旷野风速(5～6级)较大时，林内，1 H，5 H这3个点的防风效能最好，防风效能范围为67.97%～94.27%，这符合流体力学中物体与流体的相对运动阻力与相对速度是呈正指数相关的原理。在一定范围内，林带对风速大的气流阻力大，其防风效应也增大。综上所述，风速对林带防风效应和林带有效防护距离均有影响，随着风速的增大，林带防风效应增大，有效防护距离变大。

图2 不同风速级下林带的防风效能

3.3 林带防风效能水平距离上的特征

由图3分析可知，牧场防护林林带的防风效能在不同水平距离上有一定的差异。以林带前30 H处作为对照，林带后各观测点均有不同程度的防风效益，其中在林带后1 H处的防风效能取得最大值，最大值为28.65%；从林带前30 H至林带后1 H处，防风效能呈迅速上升趋势；从林带后1～20 H处，防风效能则呈下降的趋势，10 H之后下降趋势变缓。分析其原因是：由于风经过林带的冠层和干层时，气流会被分成两部分风，而林后上方的气流下沉与通过林带的那部分气流相遇形成涡流，使林后具有一定范围的降风区域，故林带后各观测点均有不同程度的防风效益；在林后由于上层气流和穿透林带的气流汇合，防风效能呈逐渐降低的趋势，至林后20 H处的防风效能仅为4.17%。

图3 不同水平距离上的防风效应

3.4 林带防风效能垂直高度上的特征

由图4—5分析可知，不同垂直高度上牧场防护林林带的风速及防风效能的分布随距离的变化趋势相似。水平方向上，旷野风速在30，50，150，300 cm的高度上的风速均在1 H处取得最低值，最小值出现在1 H处30 cm的高度上，风速为2.04 m/s，此时防风效能达到最大值，为33.16%，而后风速呈上升的趋势，防风效能逐渐下降。在林后20 H时，300 cm高度处的风速逐渐恢复到旷野风速，防风效能逐渐下降。该高度处的风速为4.11 m/s，防风效能仅为2.03%，说明林带防护林的最大防护距离为林后20 H左右。在垂直方向上，在4个高度上均表现为随高度的增加，风速增加，防风效能降低的现象。在1 H处各高度的防风效能均达到最大，分别为:33.16%，30.72%，28.65%，22.32%。总体来说旷野风在经过林带防护林时在4个高度上均出现风速降低的现象，但其防风效能不尽相同，30 cm高的林带有效防护距离为1～5 H，50，150，300 cm高的林带有效防护距离均为1 H。

图4 垂直高度上的风速变化

4 结 论

(1) 牧场防护林林带后的风速分布特征：风速最小值出现在林后1 H处，但随着距离的增加，风速在逐渐升高。林带背风面1～10 H范围内形成的风速降低区，是林带主要保护区和作用范围。其中，1～10 H区域内风速值降低幅度为8%～40%。15～20 H区域内风速降低程度相对较小，降低约4%～6%。水平距离大于20 H时，风速值恢复到旷野风速值水平。

图5 垂直高度上的防风效能分布

(2) 不同风速级下牧场防护林林带的背风面均形成一定范围的降风区，并且随着风速级的增大，林带的有效防风距离变大，即林带防风效能更明显。当旷野风速为5～6级时，林内、1 H，5 H这3个点的防风效能最好，防风效能范围为67.97%～94.27%，其原因可能是当风速较大时，使树冠的结构发生变化，使一些树枝吹弯成为较密集的植物体，从而降低了林带的疏透度[12]。

(3) 在水平方向上，旷野风经过牧场防护林林带后，在林后1 H处防风效能达到最大，最大值为28.65%；而后逐步减弱，10 H之后下降趋势变缓，直至林后20 H处的防风效能仅为4.17%。即牧场防护林林带的最大防风距离为林后1 H，有效防风距离为林后20 H。

(4) 在垂直方向上，牧场防护林林后防风效能的变化趋势为：30 cm>50 cm>150 cm>300 cm，风速的分布规律与防风效能正好相反，表现为：30 cm<50 cm<150 cm<300 cm。与付亚星、董慧龙、高海楼、杜鹤强等[7,13-15]得出的垂直方向防风效能的规律一致。分析其原因，主要是由于气流在经过林带时受到林带的干扰加之越过林带上部的风和穿过林干的风汇合产生扰动造成的，即牧场防护林改变了风的流场结构。