呂仁猛,丁國棟,郝玉光,包巖峰,郭亞娟
(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院,北京100083;2.中國林科院 沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,內(nèi)蒙古 磴口015200)
荒漠化嚴(yán)重威脅到人類的生存和發(fā)展,是當(dāng)今世界公認(rèn)的頭號環(huán)境問題[1]。為了有效防止荒漠化危害,改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、農(nóng)田小氣候,我國很早就已經(jīng)重視干旱沙區(qū)農(nóng)田防護(hù)林的營造[2]。農(nóng)田防護(hù)林的防護(hù)效應(yīng)首先表現(xiàn)在防風(fēng)效能上,由于風(fēng)速的減低引起了一系列其它氣象要素的改變,這些改變往往局限于林帶附近(數(shù)十米至數(shù)百米)[3-4]。根據(jù)保護(hù)對象,農(nóng)田防護(hù)林帶配置形式可設(shè)置呈L,U及E字形或網(wǎng)格狀等多種配置形式[3]。林帶防風(fēng)作用的大小與林帶寬度、高度、結(jié)構(gòu)類型以及是否形成網(wǎng)狀體系有很大的關(guān)系,農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)對氣溫、相對濕度、蒸發(fā)量等小氣候因子變化所產(chǎn)生的防護(hù)效能均高于單條農(nóng)田防護(hù)林帶[5]。國內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田防護(hù)林防護(hù)區(qū)風(fēng)速分布的研究較多[6-9],然而大部分研究僅以少數(shù)觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)來反映區(qū)域防護(hù)效應(yīng)特征,缺乏代表性;部分研究雖對林網(wǎng)內(nèi)不同防護(hù)區(qū)的風(fēng)速分布做了實(shí)地觀測[10-11],但只反映了同一曠野對照風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)不同區(qū)域的風(fēng)速分布情況,缺乏不同風(fēng)速下的比較。因此,本研究為了進(jìn)一步揭示單個農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)內(nèi)近地面風(fēng)速變化情況,通過空間多點(diǎn)實(shí)地觀測,分析不同曠野對照風(fēng)速下單個農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)防護(hù)作用區(qū)近地面風(fēng)速分布特征,揭示農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)對曠野風(fēng)速運(yùn)動變化所產(chǎn)生的作用和影響,為農(nóng)田防護(hù)林規(guī)劃、設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北緣磴口縣中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心第三實(shí)驗(yàn)場,為黃河沖積平原,東臨黃河,三面環(huán)沙,風(fēng)沙危害十分嚴(yán)重。研究區(qū)處于溫帶干旱區(qū),屬溫帶荒漠大陸性氣候,氣候干旱,降雨稀少,且降雨量分配不均。多年平均降水量為144.5mm,全年降水多集中在6—9月份;多年平均蒸發(fā)量約為2 397.6mm;年均氣溫為7.5~8.5℃,年均≥10℃有效積溫為3 100~3 400℃,無霜期為140~160d;年平均風(fēng)速為3~3.7m/s,年大風(fēng)日數(shù)20~40d,以春季3—5月份風(fēng)速最大,平均為4.8m/s,最大瞬時風(fēng)速約為24m/s。該區(qū)風(fēng)沙頻繁,地表風(fēng)蝕強(qiáng)烈,主害風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。
研究區(qū)地表水資源豐富,具有引黃灌溉的條件,很多地方都已開發(fā)成為綠洲,區(qū)域內(nèi)干渠和支渠縱橫交錯,農(nóng)田防護(hù)林沿渠道兩側(cè)布設(shè)。實(shí)驗(yàn)地現(xiàn)存農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)1995年?duì)I造完畢,主要造林樹種為新疆楊(Populus bolleana)、沙柳(Salix cheilophila),樹齡為21a,兩行一帶,“品”字形布設(shè)。林網(wǎng)營造采用“窄林帶、小網(wǎng)格”模式,主林帶間距140m,副林帶間距300 m,林帶保存完整。實(shí)驗(yàn)所選林網(wǎng)基本情況詳見表1。
表1 研究區(qū)農(nóng)田林網(wǎng)概況
設(shè)置觀測點(diǎn)時,在主林帶1上按照0,25,50,100,150,200,250和300m等區(qū)段長度為間隔設(shè)點(diǎn),并在數(shù)據(jù)記錄時標(biāo)記為X軸坐標(biāo)點(diǎn);在副林帶1上按照主林帶1的樹高倍數(shù)0H,1H,2H,3H,4H,5H 及副林帶1的終點(diǎn)即0,24.1,48.2,72.3,96.4,120.5和140 m等區(qū)段長度為間隔設(shè)點(diǎn),并在數(shù)據(jù)記錄時標(biāo)記為Y軸坐標(biāo)點(diǎn);取兩條林帶交點(diǎn)處為坐標(biāo)原點(diǎn)。然后沿主林帶1和副林帶1上的設(shè)點(diǎn)分別做副林帶和主林帶的平行線,所交叉的點(diǎn)即為觀測點(diǎn)的位置,林網(wǎng)內(nèi)合計(jì)測點(diǎn)30個,4條林帶內(nèi)合計(jì)測點(diǎn)26個(圖1)。這樣林帶上和網(wǎng)格內(nèi)的測點(diǎn)分布均勻,合計(jì)為56個點(diǎn)。
選擇2個連續(xù)大風(fēng)日(2013年4月27—28日),按照圖1的布點(diǎn)測定農(nóng)田林網(wǎng)不同防護(hù)區(qū)域的風(fēng)速分布。各觀測點(diǎn)風(fēng)速測定采用多通道電子自記風(fēng)速儀(DT-80)進(jìn)行,該測風(fēng)儀器帶有8個風(fēng)速串口,8個風(fēng)杯傳感器,1個風(fēng)向傳感器和各種氣象要素傳感器,其測量風(fēng)速時在水平方向上的最長距離可達(dá)300m。各測點(diǎn)設(shè)置為每2s記錄風(fēng)速值1次,自動記錄該點(diǎn)的風(fēng)速變化,各觀測點(diǎn)風(fēng)速測定同時進(jìn)行。在風(fēng)速實(shí)際測定過程中,觀測高度距地面2m。以沙林中心的沙地地面氣象站同時段風(fēng)向風(fēng)速自記儀的觀測值為曠野對照值,進(jìn)行林網(wǎng)防風(fēng)效能的計(jì)算。
采用下式計(jì)算防風(fēng)效能Exz[12]:
式中:Exz——防風(fēng)效能,即在距主林帶背風(fēng)面為x,高度為z處的平均風(fēng)速比曠野減少的百分?jǐn)?shù),用以表示風(fēng)速減弱的程度;uxz——主林帶背風(fēng)面距林帶x處、高度為z處的平均風(fēng)速;u0z——同一高度曠野的平均風(fēng)速。
2.4.1 傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析中,基于樣本觀測值主要統(tǒng)計(jì)了均值、標(biāo)準(zhǔn)差SD、變異系數(shù)Cv、最小值、最大值、樣本頻數(shù)分布等。
圖1 研究網(wǎng)格內(nèi)樣點(diǎn)布設(shè)圖
2.4.2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+進(jìn)行變異函數(shù)分析,研究不同曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速場的空間異質(zhì)性。變異函數(shù)(variograms),又稱變差函數(shù)、變異矩,是地統(tǒng)計(jì)分析所特有的基本工具,是區(qū)域化變量在分割距離上對樣本空間變異的量度。變異函數(shù)有4個重要的參數(shù),分別為基臺值(sill)、變程(range)或稱空間依賴范圍(range of spatial dependence)、塊金值(nugget)或稱區(qū)域不連續(xù)性值(localized discontinuity)和分維數(shù)(fractal dimension)。其中前3種參數(shù)決定變異函數(shù)的形狀與結(jié)構(gòu)。而變異函數(shù)的形狀反映了自然現(xiàn)象空間分布結(jié)構(gòu)或空間相關(guān)的類型,同時還能給出這種空間相關(guān)的范圍?;_值(C0+C)是半方差值隨步長增加到一個相對穩(wěn)定的水平上時對應(yīng)的半方差值,是區(qū)域化變量總體特征的體現(xiàn),等于空間結(jié)構(gòu)值和塊金值之和。變程(A)也叫獨(dú)立間距表示某變量觀測值之間的距離大于該值時,則說明它們之間是相互獨(dú)立的;若小于該值時,則說明它們之間存在著一定的相關(guān)關(guān)系。塊金值(C0)表示由實(shí)驗(yàn)誤差和小于實(shí)際取樣尺度引起的變異,即隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性,塊金值大表明較小尺度。變異函數(shù)理論模型主要分為3大類:第一類是有基臺值模型,包括球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型、線性有基臺值模型和純塊金效應(yīng)模型;第二類是無基臺值模型,包括冪函數(shù)模型、線性無基臺值模型、拋物線模型;第三類是孔穴效應(yīng)模型。在選取變異函數(shù)模型時,首先應(yīng)該計(jì)算出r(h)的散點(diǎn)圖,然后用不同類型的模型進(jìn)行擬合,計(jì)算得到模型的參數(shù)及殘差RSS,選取RSS最小也即擬合度最好的模型類型。
2.4.3 制圖方法 將各觀測點(diǎn)每5min內(nèi)的風(fēng)速平均值作為該測點(diǎn)的風(fēng)速值,選取不同曠野對照風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)各測點(diǎn)的同步風(fēng)速值,通過Surfer 8.0中的克里金插值法(Kriging)繪制等值線圖,進(jìn)行不同曠野對照風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速分布的分析。
通過對林網(wǎng)內(nèi)平均風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)不同曠野風(fēng)速對林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速的影響并不明顯(表2)。由表2可知,隨著曠野風(fēng)速的增加,林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速變異系數(shù)的變化并不明顯,曠野風(fēng)速對林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速變異系數(shù)的影響很小。值得注意的是3種曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)部分區(qū)域最大風(fēng)速均超過了曠野風(fēng)速,對于農(nóng)作物的生長發(fā)育有一定影響。這可能與林帶結(jié)構(gòu)造成的湍流有關(guān),需要進(jìn)一步研究。
表2 研究區(qū)林網(wǎng)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)特征
3種曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)各觀測點(diǎn)的總體平均風(fēng)速值與曠野對照相比,風(fēng)速分別平均降低了26.1%,23.3%和25.7%。單因素方差分析顯示,曠野風(fēng)速在7.2~10.3m/s之間林內(nèi)風(fēng)速差異不顯著,曠野風(fēng)速為5.4m/s與其它2種曠野風(fēng)速之間林內(nèi)風(fēng)速差異顯著(表2)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于林帶的疏透度較最適疏透度大,隨著曠野風(fēng)速的增加而導(dǎo)致疏透度變大,對空氣流的削減作用降低。研究結(jié)果表明3種曠野風(fēng)速下林網(wǎng)均有明顯降低風(fēng)速的作用,隨著曠野風(fēng)速的增加,林內(nèi)平均降低風(fēng)速值先減小后增大,曠野風(fēng)速對林內(nèi)平均降低風(fēng)速值的影響比較復(fù)雜。
通過統(tǒng)計(jì)林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速值的發(fā)生頻率可以了解風(fēng)速空間上的變化情況。由圖2可以看出,3種不同曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速的分布均接近于正態(tài)分布,曠野風(fēng)速為5.4m/s時林內(nèi)風(fēng)速以4m/s風(fēng)速頻率最高;曠野風(fēng)速為7.2m/s時林內(nèi)風(fēng)速以5.67m/s風(fēng)速頻率最高,曠野風(fēng)速為10.3m/s時林內(nèi)風(fēng)速以7.5m/s風(fēng)速頻率最高。總體上看,當(dāng)曠野風(fēng)速從5.4m/s增大到10.3m/s時,高頻率風(fēng)速并沒有向高風(fēng)速轉(zhuǎn)移,這與變異系數(shù)分析所反映的規(guī)律是基本一致的。
圖2 研究區(qū)林網(wǎng)風(fēng)速頻數(shù)分布
為了更好地掌握不同曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速的空間變化,繪制了風(fēng)速場特征圖(圖3)。圖3可見,3種曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速的空間變化并無明顯差異,風(fēng)速為5.4,7.2,10.3m/s時主林帶1的背風(fēng)面均形成一個較大范圍的降風(fēng)區(qū),其中降風(fēng)區(qū)范圍分別在主林帶背風(fēng)面50~90m,40~80m和40~80m,最低風(fēng)速出現(xiàn)在主林帶1背風(fēng)面60~80m處,最低風(fēng)速分別為2.8,3.8和5.4m/s。從圖3可以明顯看出,不同曠野風(fēng)速下隨著與主林帶1距離的增加,風(fēng)速逐漸降低,在一定范圍后逐漸增加,結(jié)果在林網(wǎng)內(nèi)形成低風(fēng)效應(yīng)區(qū),即防護(hù)效應(yīng)區(qū)。不同風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)降風(fēng)區(qū)范圍大小順序?yàn)椋?.4m/s>10.3m/s>7.2m/s,但差異不明顯。這一結(jié)果說明當(dāng)曠野風(fēng)速較小時林網(wǎng)的防護(hù)效能最大,隨著風(fēng)速的增加林網(wǎng)的防護(hù)效能變化比較復(fù)雜并沒有表現(xiàn)出一致的變化趨勢。
圖3 不同曠野風(fēng)速下林網(wǎng)風(fēng)速場特征
通過對3種不同曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)降風(fēng)區(qū)的描述只能說明風(fēng)吹入林網(wǎng)內(nèi)的變化特征和各區(qū)域風(fēng)速的差異性,并不能從根本上確定不同風(fēng)速下林網(wǎng)防護(hù)范圍的大小。為此,引入“有效防護(hù)距離”和“有效防護(hù)面積”的概念。林帶的有效防護(hù)距離是確定林帶間距最主要的數(shù)量指標(biāo)之一,它是指使林帶背風(fēng)面指定防護(hù)對象(某種作物或土壤)不受害風(fēng)風(fēng)力危害(包括生理危害與機(jī)械損傷)的水平距離[13],決定著林網(wǎng)的網(wǎng)格形狀和面積。林網(wǎng)內(nèi)有效防護(hù)距離范圍內(nèi)的面積 即為“有效防護(hù)面積”,考慮了林帶長度因子和防護(hù)距離。因此,根據(jù)林網(wǎng)內(nèi)等值線分布趨勢進(jìn)行插值運(yùn)算,進(jìn)而確定林網(wǎng)的有效防護(hù)面積。以往的研究中對于“有效防護(hù)面積”的確定范圍即以降低風(fēng)速效能的百分比范圍并沒有達(dá)成共識,本研究以降低風(fēng)速值20%~40%為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行“有效防護(hù)面積”的確定(表3)。
表3 不同風(fēng)速下林網(wǎng)有效防護(hù)面積特征
從表3可以看出,當(dāng)曠野風(fēng)速為5.4m/s時網(wǎng)格的有效防護(hù)面積最大,風(fēng)速為7.2m/s時網(wǎng)格的有效防護(hù)面積最小,林網(wǎng)的有效防護(hù)面積隨著風(fēng)速的增加先減小后增大,并不是單純的隨著風(fēng)速的增加而減小。造成這種現(xiàn)象的原因可能與主林帶2的林帶結(jié)構(gòu)及其疏透度在最適疏透度以下有關(guān)。在降低風(fēng)速值為20%時,3種不同曠野風(fēng)速下網(wǎng)格的有效防護(hù)面積均超過70%,表明不同風(fēng)速下網(wǎng)格均具有很好的防護(hù)效能;而在降低風(fēng)速值為40%時,風(fēng)速為5.4m/s和風(fēng)速為10.3m/s的有效防護(hù)面積也均接近或超過15%,這說明在這兩種曠野風(fēng)速下主林帶2對風(fēng)速的影響更大。將網(wǎng)格降低風(fēng)速值介于20%~40%的3種區(qū)域分別設(shè)定為區(qū)域A、區(qū)域B和區(qū)域C,通過計(jì)算得出當(dāng)曠野風(fēng)速為5.4m/s時林網(wǎng)內(nèi)區(qū)域B/區(qū)域A和區(qū)域C/區(qū)域B面積比值分別為74.1和30.1%;風(fēng)速為7.2m/s和風(fēng)速為10.3m/s的面積比值分別為67.3,8.0%和73.1,19.9%,林網(wǎng)有效防護(hù)面積內(nèi)低風(fēng)速區(qū)域大小順序?yàn)?.4m/s>10.3 m/s>7.2m/s,結(jié)果表明,隨著曠野風(fēng)速的增大,林網(wǎng)有效防護(hù)面積內(nèi)低風(fēng)速區(qū)域面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,并不是單一的減小趨勢,曠野風(fēng)速對林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速分布的影響較復(fù)雜。
利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法,對不同曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行了變異函數(shù)分析。3種不同曠野風(fēng)速下林網(wǎng)風(fēng)速空間變異函數(shù)均可以較好地?cái)M合為球狀模型(表4)。
現(xiàn)代研究認(rèn)為,塊金值/基臺值<25%時,系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;在塊金值/基臺值介于25%~75%時,系統(tǒng)具有中等相關(guān)性;塊金值/基臺值>75%時,系統(tǒng)具有很弱的相關(guān)性。從圖4可以看出,本研究中3種曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速塊金值較小,均小于0.15,說明本研究試驗(yàn)抽樣尺度符合區(qū)域變化量的內(nèi)部變異,且試驗(yàn)誤差較小。3種曠野風(fēng)速下網(wǎng)格內(nèi)風(fēng)速塊金值與基臺值的比值較小,分別為6.0%,8.1%和2.2%,均小于25%,表明3種曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速均具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性,風(fēng)速的空間自相關(guān)程度分別為94.0%,91.9%和97.8%,自相關(guān)程度大小順序?yàn)椋?0.3m/s>5.4m/s>7.2m/s。變異函數(shù)的變程分別為242.2,229.9和254.0m,說明空間連續(xù)性較強(qiáng),且間隔取樣合理[14]。3種曠野風(fēng)速下林網(wǎng)的風(fēng)速空間分布連續(xù)性順序分別為10.3m/s>5.4 m/s>7.2m/s。由此可以看出當(dāng)曠野風(fēng)速從5.4 m/s增大到7.2m/s時,林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速空間自相關(guān)性大小和連續(xù)性變??;當(dāng)曠野風(fēng)速從7.2m/s增大到10.3 m/s時,林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速空間自相關(guān)性大小和連續(xù)性變大,說明曠野風(fēng)速對林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速空間自相關(guān)性大小和連續(xù)性的影響比較復(fù)雜,并不是單純的隨曠野風(fēng)速的增大而增強(qiáng)。
表4 林網(wǎng)風(fēng)速變異函數(shù)的參數(shù)
圖4 林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速變異函數(shù)散點(diǎn)圖及變異曲線
(1)3種不同曠野風(fēng)速下農(nóng)田林網(wǎng)均可有效降低風(fēng)速。3種曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)各觀測點(diǎn)的平均風(fēng)速值分別為3.99,5.52和7.65m/s,林網(wǎng)平均降低風(fēng)速效能為26.1%,23.3%和25.7%,平均有效防護(hù)面積比為50.8%,41.7%和47.7%,林網(wǎng)的總體防護(hù)效能在風(fēng)速為5.4m/s時為最大,風(fēng)速為7.2m/s時為最小。
(2)3種不同曠野風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速均具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性。3種不同曠野風(fēng)速下林網(wǎng)風(fēng)速空間變異函數(shù)均可以較好的擬合為球狀模型,3種曠野風(fēng)速下網(wǎng)格內(nèi)風(fēng)速塊金值與基臺值的比值較小,分別為6.0%,8.1%和2.2%,均小于25%,林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速的空間自相關(guān)程度分別為94.0%,91.9%和97.8%,自相關(guān)程度大小順序?yàn)闀缫帮L(fēng)速表現(xiàn)為:10.3m/s>5.4m/s>7.2m/s。
(3)曠野風(fēng)速對林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速分布及防風(fēng)效能的影響比較復(fù)雜,并不是單一的隨著風(fēng)速的增大而增大或減小,受林帶結(jié)構(gòu)及疏透度的影響較大。3種曠野風(fēng)速下主林帶1的背風(fēng)面均形成一個較大范圍的降風(fēng)區(qū),降風(fēng)區(qū)范圍分別在主林帶背風(fēng)面的50~90m,40~80m,40~80m,最低風(fēng)速出現(xiàn)在主林帶1背風(fēng)面60~80m處,林網(wǎng)內(nèi)降風(fēng)區(qū)范圍大小順序?yàn)椋?.4 m/s>10.3m/s>7.2m/s,林網(wǎng)有效防護(hù)面積內(nèi)低風(fēng)速區(qū)域大小順序?yàn)椋?.4m/s>10.3m/s>7.2m/s,表現(xiàn)為隨著風(fēng)速的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。
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