付亞星, 王 樂, 彭 帥, 王紅營, 常春平

(河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)省級重點實驗室, 石家莊 050024)

河北壩上農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效能及類型配置研究
——以河北省康保縣為例

付亞星, 王 樂, 彭 帥, 王紅營, 常春平

(河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)省級重點實驗室, 石家莊 050024)

通過野外試驗觀測，對比分析了不同種類和林網(wǎng)結(jié)構(gòu)農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)效能，在此基礎(chǔ)上提出了區(qū)域防護(hù)林優(yōu)化配置建議。結(jié)果表明：綜合防風(fēng)效應(yīng)和有效防護(hù)距離因素分析，對喬木農(nóng)田防護(hù)林的綜合防風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行評價：疏透型農(nóng)田防護(hù)林>通風(fēng)型農(nóng)田防護(hù)林>緊密型農(nóng)田防護(hù)林護(hù)林；在垂直方向上，三種疏透度的喬木農(nóng)田防護(hù)林在不同高度上大體遵循隨高度的增加防風(fēng)效能逐漸下降的趨勢。喬灌混交林、灌木防護(hù)林平均防風(fēng)效能：榆樹+檸條的喬灌混交林帶21.5%>灌木防護(hù)林帶20.5%，風(fēng)速降低20%的有效防護(hù)距離分別出現(xiàn)在林后25H和12H。防護(hù)林建設(shè)方面喬灌木混交林應(yīng)為首選；灌木防護(hù)林可布設(shè)在沙漠化嚴(yán)重的坡耕地或風(fēng)口地帶的農(nóng)田；喬木防護(hù)林不是最佳的選擇。

農(nóng)田防護(hù)林; 防風(fēng)效能; 疏透度

農(nóng)田防護(hù)林作為生態(tài)建設(shè)的重要措施，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要屏障，對生態(tài)安全與人類生存環(huán)境質(zhì)量的提高有重要意義[1]。農(nóng)田防護(hù)林能夠通過林帶的動力作用，改變氣流的結(jié)構(gòu)，影響水分、熱量的分配，發(fā)揮熱力效應(yīng)、水文效應(yīng)、氣候效益、生物效應(yīng)、土壤改良效應(yīng)，從而保護(hù)農(nóng)作物生長，提高農(nóng)作物產(chǎn)量[2-4]；農(nóng)田防護(hù)林具有降低風(fēng)速、防止土壤風(fēng)蝕的效能[5]，同時對區(qū)域生態(tài)修復(fù)和水土保持具有重大意義[6]。河北壩上地區(qū)是我國北方土地沙漠化發(fā)展最迅速的地區(qū)之一，土地沙化不僅威脅到區(qū)域生態(tài)安全，而且對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大影響。20世紀(jì)60年代該地區(qū)被納入“三北”防護(hù)林體系，開始營建農(nóng)田防護(hù)林，同時21世紀(jì)初開始逐步實施“退耕還林還草”工程，生態(tài)環(huán)境有所改善。由于農(nóng)田防護(hù)林的多種效益具有長期性和不可變性，區(qū)域在農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)過程中，忽視了防護(hù)林的類型及林網(wǎng)結(jié)構(gòu)配置對于農(nóng)田防護(hù)林效應(yīng)的重要作用[7-9]，造成林網(wǎng)配置不盡合理。為發(fā)揮農(nóng)田防護(hù)林多樣性、穩(wěn)定性的作用，必須按科學(xué)要求進(jìn)行技術(shù)設(shè)計和營造，實現(xiàn)農(nóng)田林網(wǎng)化，不僅包括防護(hù)需要的數(shù)量和規(guī)模，還必須有較高的質(zhì)量。開展防護(hù)林空間配置與結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控技術(shù)研究，對構(gòu)建穩(wěn)定高效防護(hù)林體系具有十分重要的意義。為此，本文通過野外試驗觀測，針對河北壩上康?？h農(nóng)田防護(hù)林不同林種配置、林網(wǎng)結(jié)構(gòu)對農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效能的影響開展研究，為河北壩上地區(qū)土地沙化研究、農(nóng)田防護(hù)林樹種、林網(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理配置提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

康?？h地處河北省西北部壩上地區(qū)，為內(nèi)蒙古高原的東南邊緣，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)114°12′—114°56′，北緯41°25′—42°09′，東臨內(nèi)蒙古自治區(qū)太仆寺旗，東北靠正鑲白旗，西與西北部與化德縣毗鄰，南與河北省張北縣接壤，東南與沽源縣相連，是京津地區(qū)沙塵的主要來源[10]。該區(qū)域?qū)儆诖箨懶詺夂?，全年多受蒙古高壓所控制，年平均氣溫?.2℃左右，夏季涼爽而短促，無霜期為92 d左右。大風(fēng)較多，每年6級以上風(fēng)日平均60 d左右，冬季常有“雪暴”、“沙塵暴”出現(xiàn)，影響生活生產(chǎn)。干旱少雨。年平均降水量306.3～409.6 mm，是河北省降水量最少的縣之一。當(dāng)?shù)貑棠疽杂軜浜蜅顦錇橹?，灌木主要為檸條、沙棘、枸杞等，春小麥、莜麥、土豆等為當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物。

2 研究方法

2.1 試驗地點

通過實地考察并結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)田防護(hù)林的空間分布，本研究農(nóng)田防護(hù)林實驗地點共選擇5處，A：康?？h盧家營鄉(xiāng)三臺房村南；B：康?？h閆油坊鄉(xiāng)紅圍子村東；C：康?？h李家地鎮(zhèn)民善村東；D：康保縣康保鎮(zhèn)西5公里新民堡村西北；E：康?？h滿德堂鄉(xiāng)六段村南，觀測點的農(nóng)田防護(hù)林概況見表1。

表1 觀測點的農(nóng)田防護(hù)林概況

2.2 風(fēng)速的測定

野外試驗觀測使用兩臺便攜式近地層風(fēng)速廓線儀，一臺放在防護(hù)林的上風(fēng)向，用來觀測沒有防護(hù)林影響的風(fēng)速，另一臺放在防護(hù)林的下風(fēng)向，通過移動的方式測定不同高度、距離處的風(fēng)速值，二者比較確定防護(hù)林防風(fēng)效能。該儀器是由風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)杯、支架和數(shù)據(jù)采集器組成，支架上可安裝9個風(fēng)杯，同時觀測不同高度上的風(fēng)速，風(fēng)速的識別范圍為0.3～30 m/s。便攜式近地層風(fēng)速廓線儀的數(shù)據(jù)采集器，能自動記錄1 min，10 min和1 h的平均數(shù)據(jù)，為防止風(fēng)速的不確實性和盡量減少誤差，各測點均連續(xù)監(jiān)測15 min。本研究根據(jù)農(nóng)田防護(hù)林不同類型選取不同的觀測點位及觀測高度，見表2。

表2 不同類型防護(hù)林觀測點位及觀測高度

2.3 農(nóng)田防護(hù)林疏透度的計算

本文采用數(shù)字圖像處理法，即“數(shù)碼相機(jī)”和“遙感圖像處理軟件”相結(jié)合的方法測定農(nóng)田防護(hù)林的疏透度(β)[11-12]。用相機(jī)拍攝林帶照片，將照片存入電腦中，在Windows 7平臺支持下，用信息處理軟件將無關(guān)信息剔除。首先采用Adobe Photoshop CS4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(quán)法計算得出結(jié)果。

2.4 農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效能的計算

① 相對風(fēng)速：相對風(fēng)速采用下式表示：

(1)

式中：UX,Z——距防護(hù)林帶x處、高z處的相對風(fēng)速；θX,Z——距離防護(hù)林帶x處、高度為z處的平均風(fēng)速；U0,Z——同一高度曠野風(fēng)的平均風(fēng)速。

② 防風(fēng)效能：指距防護(hù)林帶x處，高度為z的風(fēng)速比曠野風(fēng)速減少的百分比：

(2)

③ 有效防護(hù)距離[13]：

α=1.1β0.468

(3)

LΔ=A(B-α)aebα

(4)

式中：β——疏透度；α——透風(fēng)系數(shù)；LΔ——有效防護(hù)距離；Δ——風(fēng)速減弱的百分?jǐn)?shù)；A，B，a，b——實驗常數(shù)，可近似地看成是Δ的線性函數(shù)。

3 喬木農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效能研究

3.1 喬木農(nóng)田防護(hù)林疏透度類型確定

防護(hù)林帶因疏透度不同可分為稀疏型、疏透型、通風(fēng)型3種結(jié)構(gòu)類型，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為:稀疏型結(jié)構(gòu)林帶(β為0.30～0.50)，上下枝葉稀疏，有上下均勻分布的小通風(fēng)空隙；疏透型結(jié)構(gòu)林帶(β為0.50～0.60)，林冠層稀疏，有均勻分布的小空隙，林干層空隙較大；通風(fēng)型結(jié)構(gòu)林帶(β>0.60)，林冠層緊密,林干層有大的通風(fēng)孔道[14]。本研究喬木農(nóng)田防護(hù)林疏透度類型計算結(jié)果見表3。

表3 喬木農(nóng)田防護(hù)林疏透度計算結(jié)果

3.2 疏透型農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效能分析

根據(jù)盧家營鄉(xiāng)三臺房村南疏透型防護(hù)林的觀測數(shù)據(jù)，由公式(1)計算出不同高度、水平不同距離的相對風(fēng)速見圖1a，由公式(2)計算出疏透型的農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)效能見圖1b。

圖1 疏透型農(nóng)田防護(hù)林相對風(fēng)速和防風(fēng)效能分布

由圖1分析可知，疏透型林帶縱斷面上從上到下分布比較均勻，風(fēng)遇到林帶分成兩部分：一部分通過林帶，在背風(fēng)面形成許多小旋渦，另—部分氣流穿過林帶在背風(fēng)面擴(kuò)散，形成紊流區(qū)，以200 cm最為明顯，迎風(fēng)面低層看不到渦流運(yùn)動。在垂直方向上，風(fēng)速減弱的程度和林帶透風(fēng)系數(shù)有關(guān)，透風(fēng)系數(shù)越小，減弱風(fēng)速越強(qiáng)烈，因此在30 cm，50 cm，100 cm和200 cm的高度上總體表現(xiàn)隨著高度的增加，相對風(fēng)速增加，防風(fēng)效能降低的趨勢。水平方向上，風(fēng)速在疏透型農(nóng)田防護(hù)林林前6H處逐漸下降，林帶背風(fēng)面出現(xiàn)弱風(fēng)區(qū)，峰谷出現(xiàn)在背風(fēng)面1H的處，30 cm，50 cm，100 cm和200 cm高度上的防風(fēng)效能分別為32.1%，30.5%，29.2%，25.0%，最低風(fēng)速出現(xiàn)在30 cm高度處，此時防風(fēng)效能達(dá)最大值。而后相對風(fēng)速呈上升的趨勢，防風(fēng)效能逐漸下降，從林后4H開始相對風(fēng)速處于平穩(wěn)趨勢。

3.3 緊密型農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效能分析

根據(jù)閆油坊鄉(xiāng)紅圍子村東緊密型防護(hù)林的觀測數(shù)據(jù)，由公式(1)計算出不同高度、水平不同距離的相對風(fēng)速見圖2a，由公式(2)計算出緊密型的農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)效能見圖2b。

由圖2分析可以看出，緊密結(jié)構(gòu)林帶枝葉密集，風(fēng)遇到林帶時基本不能通過，大部分空氣由林帶上部繞行，在背風(fēng)側(cè)附近形成弱風(fēng)區(qū)，風(fēng)速削弱雖然比較強(qiáng)烈，但風(fēng)速恢復(fù)也很快，至10H處相對風(fēng)速已達(dá)88%左右，林帶背風(fēng)面15H至30H低層出現(xiàn)高風(fēng)速區(qū)。在水平方向上，30 cm，50 cm，100 cm，200 cm高度上防風(fēng)效應(yīng)在林前、林后2H處均產(chǎn)生了峰值，防風(fēng)效應(yīng)平均為17.0%和34.6%。林前產(chǎn)生峰值是由于遇到緊密型農(nóng)田防護(hù)林，一部分氣流被阻擋回流，在林前形成漩渦，風(fēng)速擬合疊加造成的；林后產(chǎn)生峰值是由于迎風(fēng)面另一部分氣流被抬升，從防護(hù)林上面越過，與通過的氣流形成劇烈的紊流區(qū)，致使風(fēng)速升高。

在垂直方向上，總體上也表現(xiàn)為隨高度的增加，風(fēng)速逐漸增加、防風(fēng)效能逐漸減小的趨勢，但在林帶不同高度處均出現(xiàn)了風(fēng)速波動現(xiàn)象，這主要是由于劇烈的紊流作用造成的。

圖2 緊密型農(nóng)田防護(hù)林相對風(fēng)速和防風(fēng)效能分布

3.4 通風(fēng)型農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效能分析

根據(jù)李家地鎮(zhèn)民善村東通風(fēng)型防護(hù)林的觀測數(shù)據(jù)，由公式(1)計算出不同高度、水平不同距離的相對風(fēng)速見圖3a，由公式(2)計算出通風(fēng)型的農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)效能圖3b。

由圖3分析可知，當(dāng)氣流遇到通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶林帶，空氣被分為兩部分：一部分從下層穿過，一部分從林帶上面繞行。在水平方向上，氣流經(jīng)過該類型防護(hù)林時從林前6H處到林后1H處，風(fēng)速平緩降低，防風(fēng)效能從林前6H處的7.25%增至林后1H處的11.4%，防風(fēng)效能平穩(wěn)增強(qiáng)。從林后1H處開始，風(fēng)速迅速降低，防風(fēng)效能增大，到林后2H處防風(fēng)效能達(dá)到最大峰值，防風(fēng)效能并沒有和其他兩類型的防護(hù)林一樣迅速下降，而是在林后2H到林后6H處出現(xiàn)風(fēng)速的低谷區(qū)，防風(fēng)效能在此區(qū)間達(dá)到最大，其效能均在21%～27.3%之間，而后風(fēng)速平緩上升，逐漸恢復(fù)到曠野風(fēng)速，這主要是萬徒利效應(yīng)造成的。在垂直方向上，背風(fēng)面產(chǎn)生紊流效應(yīng)，風(fēng)速波動現(xiàn)象明顯，以200 cm波動最為明顯，整體上依然表現(xiàn)為隨高度的增加，風(fēng)速和相對風(fēng)速增加，防風(fēng)效能降低的現(xiàn)象。

圖3 通風(fēng)型農(nóng)田防護(hù)林相對風(fēng)速和防風(fēng)效能分布

4 喬灌混交林以及灌木農(nóng)田防護(hù)林防風(fēng)效能研究

根據(jù)滿德堂鄉(xiāng)六段村南喬灌混交林、新民堡村西北枸杞灌木林的觀測數(shù)據(jù)，由公式(1)計算出水平不同距離的相對風(fēng)速見圖4，由公式(2)計算出的農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)效能見圖5。

由圖4和圖5分析可知，榆樹與檸條混交防護(hù)林，迎風(fēng)側(cè)距離防護(hù)林越近，防風(fēng)效能越小，這是由于回流作用使風(fēng)速增加產(chǎn)生的。風(fēng)在經(jīng)過防護(hù)林后風(fēng)速逐漸減小，防風(fēng)效能逐步增加，弱風(fēng)區(qū)位于2H—3H處，在林后3H處防風(fēng)效能達(dá)到最大，防風(fēng)效能為61.9%，而后防風(fēng)效能下降，但下降趨勢不明顯，趨于平穩(wěn)狀態(tài)，在背風(fēng)一側(cè)防風(fēng)效能在觀測點20H處，仍可達(dá)到17.0%。灌木防護(hù)林防風(fēng)效應(yīng)與榆樹+檸條混交林類似，越臨近防護(hù)林，其防風(fēng)效能相應(yīng)減少。不同之處是在0H—3H處為防風(fēng)效應(yīng)平穩(wěn)趨勢，最大防風(fēng)效能出現(xiàn)在林后5H處，為43.0%。林后9H后防風(fēng)效能開始降低，且下降速度比喬灌混交防護(hù)林幅度大。

圖4榆樹+檸條防風(fēng)效能分布圖5枸杞防風(fēng)效能分布

5 結(jié) 論

(1) 喬木農(nóng)田防護(hù)林根據(jù)不同類型疏透度的防風(fēng)效能為：疏透型防護(hù)林防風(fēng)效應(yīng)平均為18.5%；緊密型防風(fēng)效應(yīng)平均為16.0%；通風(fēng)型防風(fēng)效應(yīng)平均為15.2%。疏透型、緊密型、通風(fēng)型防護(hù)林風(fēng)速降低20%時有效防護(hù)距離分別為35H，9H，16H。考慮到緊密型林帶繞林流場風(fēng)速衰減很快，風(fēng)速恢復(fù)的也很快，有效防護(hù)距離太短，不同距離的防風(fēng)效應(yīng)波動較大[15]。綜合防風(fēng)效應(yīng)和有效防護(hù)距離因素分析，對喬木農(nóng)田防護(hù)林的綜合防風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行評價：疏透型農(nóng)田防護(hù)林>通風(fēng)型農(nóng)田防>緊密型農(nóng)田防護(hù)林護(hù)林。

(2) 喬木農(nóng)田防護(hù)林在垂直方向上，以垂直高度為標(biāo)準(zhǔn)評價林前6H到林后30H的總防風(fēng)效能：30 cm>50 cm>100 cm>200 cm，在不同高度上大體上均遵循隨高度的增加防風(fēng)效能逐漸下降的趨勢。與董慧龍等[16]得出的垂直方向防風(fēng)效應(yīng)的規(guī)律一致。

(3) 榆樹+檸條的喬灌混交林帶平均防風(fēng)效應(yīng)為21.5%；灌木防護(hù)林帶平均防風(fēng)效應(yīng)為20.5%；風(fēng)速降低20%的有效防護(hù)距離分別為25H和12H，因此從防風(fēng)效應(yīng)和防護(hù)距離兩方面分析總防風(fēng)效應(yīng)喬灌混交防護(hù)林>灌木防護(hù)林。

(4) 綜合分析，本研究對壩上地區(qū)防護(hù)林建設(shè)方面提出建議：喬灌木混交林防風(fēng)效能及防護(hù)范圍較大，適應(yīng)布局在地勢平緩，大面積連片布局農(nóng)田上，綜合比較從防風(fēng)效應(yīng)和適應(yīng)性方面分析喬灌木混交防風(fēng)林應(yīng)為首選。灌木防護(hù)林效能相對于喬灌木混交林而言，防風(fēng)距離較小，但灌木適應(yīng)性強(qiáng)，固沙能力好，特別適應(yīng)在沙漠化嚴(yán)重的坡耕地或風(fēng)口地帶的農(nóng)田以及平緩處的鹽堿地。喬灌木混交林防護(hù)范圍較大，但喬木防護(hù)林因其生長緩慢，存活率低，抗風(fēng)蝕力弱，且當(dāng)?shù)赝翆颖?、地下水資源缺乏，大面積發(fā)展喬木防護(hù)林不是最佳的選擇[17]。

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ResearchonWindproofEfficiencyandTypeConfigurationofFarmlandShelterbeltinBashangRegionofHebeiProvince—TakingKangbaoCountyasanExample

FU Ya-xing, WANG Le, PENG Shuai, WANG Hong-ying, CHANG Chun-ping

(CollegeofResourcesandEnvironmentSciences,HebeiKeyLaboratoryofEnvironmentChangeandEcologicalConstruction,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050024,China)

Through field test observations, this paper made a comparative analysis of the windproof performance of farmland shelterbelt in different types and structure. Optimal allocation recommendations of shelterbelts are proposed on this basis. The results show that windproof effects decrease in the order sparse transparent farmland shelterbelts>ventilated farmland shelterbelts>compact shelterbelt forest; In the vertical direction, the three kind sparse transparent tree shelterbelts at different heights generally follow this trend of increase of wind with height performance gradual downward. The average wind performance of mixed shrubs and bushes shelterbelts is elm + caragana shrubs mixed with 21.5%>20.5% shrub shelter belts. The effective protection distance for wind reduction by 20% appeared at Corinthians 25H and 12H. Shelterbelt construction should be the preferred mixed shrubs; shrub shelterbelts can be laid in serious desertification of cropland or outlet strip of farmland; tree shelterbelts are not the best choice.

farmland shelterbelt; windbreak efficiency; porosity

2013-08-15

：2013-10-08

河北省自然科學(xué)基金項目(2008000183);河北省科技廳軟科學(xué)基地重點項目(13454213D)

付亞星(1986—),男,河北圍場人,在讀碩士,研究方向:災(zāi)害防治與水土保持。E-mail:fuyaxing523@163.com

常春平(1969—),男,河北康保人,副教授,碩士生導(dǎo)師,博士,主要從事水土保持、環(huán)境評價方面的工作。E-mail:changchunping@126.com

S727.24

：A

：1005-3409(2014)03-0279-05