牛慶花, 彭 博, 陸貴巧, 谷建才

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000)

防護(hù)林是一種人工建立的改造自然壞境使其能夠達(dá)到人類預(yù)想的生態(tài)措施，以抵御外部各種壞境變化產(chǎn)生的影響。防護(hù)林作為生態(tài)建設(shè)的重要措施，是生態(tài)系統(tǒng)的重要屏障，它可以通過(guò)林帶的動(dòng)力作用，改變氣流的結(jié)構(gòu)，來(lái)發(fā)揮生態(tài)效益，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量[1-3]。進(jìn)入20世紀(jì)后，國(guó)外學(xué)者[4]利用風(fēng)速表觀測(cè)了防護(hù)林附近的風(fēng)速分布情況，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也多方位的研究了防護(hù)林的防風(fēng)效能。如李鋒瑞[5]對(duì)科爾沁沙地楊樹(shù)防護(hù)林4個(gè)不同高度的防風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)，討論了不同季節(jié)、風(fēng)向、風(fēng)速在不同高度上的防風(fēng)效應(yīng)表現(xiàn)；呂仁猛[6]對(duì)3種曠野風(fēng)速下的農(nóng)田林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速及防風(fēng)效能進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，林網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)速具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，3種曠野風(fēng)速下的主林帶背風(fēng)面都存在較大的降風(fēng)區(qū)域，林帶結(jié)構(gòu)和疏透度對(duì)防風(fēng)效應(yīng)的大小與林后風(fēng)速的分布特征有重要影響；付亞星[7]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，得出疏透型農(nóng)田防護(hù)林的防風(fēng)效能最好，且隨著高度的增加防風(fēng)效能呈逐漸下降的趨勢(shì)。目前，人們對(duì)農(nóng)田防護(hù)林的生態(tài)效益研究較多，對(duì)于牧場(chǎng)防護(hù)林的生態(tài)效應(yīng)研究較少。為此，本研究針對(duì)圍場(chǎng)縣北部壩上高原地區(qū)的御道口牧場(chǎng)，這里冬季因受北部低氣壓氣流的影響，風(fēng)天多，風(fēng)力大，且降水量少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，草原沙化、土地沙化等壞境問(wèn)題較為嚴(yán)重，影響了御道口畜牧業(yè)的發(fā)展。為了解決這一問(wèn)題，于2002年?duì)I造了牧場(chǎng)防護(hù)林，主要種植樹(shù)種為樟子松(Pinussylvestris)。本研究針對(duì)防護(hù)林營(yíng)造后對(duì)牧場(chǎng)的改善情況，于2017年對(duì)15年生的樟子松牧場(chǎng)防護(hù)林的防風(fēng)效益進(jìn)行了研究，旨在揭示牧場(chǎng)防護(hù)林的的防護(hù)功能，為牧場(chǎng)防護(hù)林建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然概況

研究區(qū)位于河北省承德市圍場(chǎng)縣北部壩上地區(qū)，東起壩梁，北至塞罕壩國(guó)家森林公園，西與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，南至御道口鄉(xiāng)，其地理坐標(biāo)為北緯42°07′—42°25′，東經(jīng)116°46′—117°26′，總面積1.0×105hm2。該區(qū)海拔1 230～1 280 m，屬溫帶大陸季風(fēng)性氣候，常年氣溫偏低，年均氣溫為3 ℃，極端最低溫度達(dá)-43.2 ℃，極端最高溫度有33.4 ℃；無(wú)霜期短，每年無(wú)霜期平均80 d；降水量小，年降水量為460 mm，干燥度為1.5～2.2。冬季受北部低氣壓氣流的影響，風(fēng)天多，風(fēng)力大，且主害風(fēng)向?yàn)镹W，平均風(fēng)速為3.6 m/s，每年風(fēng)日數(shù)(3級(jí)以上)180 d多。土壤類型有灰色森林土、草甸土、沼澤土、風(fēng)沙土4個(gè)類型，土層厚度10—150 cm。研究地的植被類型主要為草甸草原，植物種類多種多樣，有50多個(gè)科，400多種。

1.2 牧場(chǎng)防護(hù)林概況

通過(guò)實(shí)地考察和勘踏，根據(jù)御道口鄉(xiāng)的自然地理和地形地貌特征，選擇與主害風(fēng)方向垂直的典型牧場(chǎng)防護(hù)林帶，該牧場(chǎng)防護(hù)林樹(shù)種為樟子松，15年生，主林帶林木的平均樹(shù)高為3.5 m，平均胸徑為5.4 cm，平均枝下高為0.3 m，帶寬8 m(4行)，帶長(zhǎng)300 m，株行距1.0 m×2.0 m，帶間距16 m，且林帶走向?yàn)镹E-SW；副林帶林木的平均樹(shù)高為3.6 m，平均胸徑為5.5 cm，平均枝下高為0.4 m，帶寬8 m(4行)，帶長(zhǎng)150 m，株行距1.0 m×2.0 m，帶間距12 m，林帶走向與主林帶垂直；主林帶和副林帶都是容器育苗造林，林帶林木的保存率較高，為85%～90%。

2 研究方法

2.1 風(fēng)速的測(cè)定

在被觀測(cè)牧場(chǎng)防護(hù)林林帶背風(fēng)面的中垂線上，以距林帶邊緣1 H(H為林帶平均高度)，5，10，15，20 H以及林內(nèi)設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，且在林外迎風(fēng)面距林帶邊緣30 H以外設(shè)置對(duì)照點(diǎn)，在各觀測(cè)點(diǎn)安置DEM6型輕便三杯風(fēng)向風(fēng)速儀，該儀器由風(fēng)向、風(fēng)速兩部分組成，可以測(cè)量風(fēng)向和1 min內(nèi)的平均風(fēng)速，風(fēng)速的識(shí)別范圍為1～30 m/s，風(fēng)向的識(shí)別范圍為0°～360°。在實(shí)際風(fēng)速測(cè)定過(guò)程中，分別選取距地面30，50，150，300 cm的高度為測(cè)點(diǎn)，且各觀測(cè)點(diǎn)每天需觀測(cè)3次(8：00，14：00，20：00時(shí))，在10月要連續(xù)觀測(cè)，11和12月每隔10 d觀測(cè)1次。此外，本研究根據(jù)150 cm高度處林帶后各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速值分別研究了各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速分布規(guī)律變化、防風(fēng)效能以及風(fēng)速對(duì)防風(fēng)效能的影響。

2.2 林帶疏透度的測(cè)定

疏透度是指林帶垂直面上透光空隙的投影面積與垂直面積總投影面積之比，是描述林帶結(jié)構(gòu)特征和衡量林帶優(yōu)劣的重要參數(shù)[8]。被觀測(cè)的林帶通過(guò)使用數(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(cè)定防護(hù)林的疏透度[9-10]。用相機(jī)拍照后，將其轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)中，用相關(guān)軟件剔除無(wú)用信息。首先用Photoshop裁定林帶斷面，同時(shí)確定林干、林冠平均高度，喬木樹(shù)干和樹(shù)冠疏透度采取分開(kāi)計(jì)算方式，以確保疏透度計(jì)算的精確性，最后采用加權(quán)法計(jì)算得出結(jié)果[10]。

β=(β1·h1+β2·h2)/H

(1)

式中：β——林帶平均疏透度；β1——冠層的疏透度；β2——樹(shù)干層的疏透度；H——林帶平均高度；h1——冠層高度；h2——樹(shù)干層高度。

2.3 防風(fēng)效能的計(jì)算

相對(duì)風(fēng)速的計(jì)算公式為：

(2)

式中:Vx,z——距防護(hù)林帶x處，高z處的相對(duì)風(fēng)速；Ux,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。

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。

(3)

式中：Ex,z——距防護(hù)林帶x處，高z處的防風(fēng)效能；Ux,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。

3 結(jié)果與分析

3.1 林帶后的風(fēng)速分布特征

由圖1可知，牧場(chǎng)防護(hù)林林帶對(duì)風(fēng)速的影響有明顯的作用。當(dāng)風(fēng)經(jīng)過(guò)林帶時(shí)，部分氣流被林帶阻礙而抬升至林帶上方，越過(guò)林帶后，這部分氣流在上空形成高風(fēng)速區(qū)域，而在林后，由于上方氣流下沉與通過(guò)林帶的那部分氣流相遇形成渦流，使林帶背后形成低風(fēng)速區(qū)域[11]，風(fēng)速隨著遠(yuǎn)離林帶而逐漸恢復(fù)，直到接近對(duì)照風(fēng)速。各點(diǎn)風(fēng)速變化的總規(guī)律是從1 H開(kāi)始距林帶越遠(yuǎn)風(fēng)速越大，即在1～10 H范圍內(nèi)形成一個(gè)風(fēng)速降低區(qū)。其中，林帶背后的1，5 H區(qū)域內(nèi)風(fēng)速降低程度最大，可由曠野風(fēng)速值3.84 m/s降低至2.74～3.27 m/s，風(fēng)速值降低幅度為17%～40%。據(jù)流體力學(xué)湍流運(yùn)動(dòng)理論可知，這可能是亂流交換減弱最明顯的三角區(qū)的原因。而在5～10 H區(qū)域內(nèi)風(fēng)速分布3.27～3.54 m/s，降低約8%～17%；在10～20 H區(qū)域內(nèi)風(fēng)速降低程度相對(duì)較小，風(fēng)速分布為3.54～3.68 m/s，風(fēng)速降低至約4%～8%。當(dāng)水平距離大于20 H時(shí)，風(fēng)速值恢復(fù)到曠野風(fēng)速值水平，即草牧場(chǎng)防護(hù)林林帶失去其防護(hù)功能。其相對(duì)風(fēng)速值從1～20 H由0.71逐漸增加到0.96，在1～5 H范圍內(nèi)相對(duì)風(fēng)速更低，平均為0.78，充分體現(xiàn)了林帶降低風(fēng)速的空氣動(dòng)力效應(yīng)。

圖1 林帶后的風(fēng)速分布

3.2 風(fēng)速對(duì)林帶防風(fēng)效能的影響

由圖2可知，曠野的自然風(fēng)速對(duì)牧場(chǎng)防護(hù)林林帶的防風(fēng)效能影響較大。從水平距離來(lái)看，其防風(fēng)效能的趨勢(shì)在林內(nèi)至1 H區(qū)間呈增加趨勢(shì)，1 H后均呈遞減趨勢(shì)，10 H之后遞減趨勢(shì)變緩，說(shuō)明在林內(nèi)，1 H，5 H三個(gè)點(diǎn)的防風(fēng)效能最好，10 H之后防風(fēng)效能減弱；從不同的風(fēng)速級(jí)來(lái)看，不同風(fēng)速級(jí)下林帶的防風(fēng)效能隨風(fēng)速的增加都有不同幅度的增加。以防風(fēng)效能達(dá)到20%為基準(zhǔn)的話，1和2級(jí)風(fēng)速下的有效防護(hù)距離為林內(nèi)至1 H，3級(jí)風(fēng)速下的有效防護(hù)距離為林內(nèi)至5 H，4和5級(jí)風(fēng)速下的有效防護(hù)距離為林內(nèi)至10 H，6級(jí)風(fēng)速下的有效防護(hù)距離為林內(nèi)至15 H，說(shuō)明隨著風(fēng)速級(jí)的增大，林帶的有效防護(hù)距離變大，即防風(fēng)效能較好。當(dāng)曠野風(fēng)速(5～6級(jí))較大時(shí)，林內(nèi)，1 H，5 H這3個(gè)點(diǎn)的防風(fēng)效能最好，防風(fēng)效能范圍為67.97%～94.27%，這符合流體力學(xué)中物體與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力與相對(duì)速度是呈正指數(shù)相關(guān)的原理。在一定范圍內(nèi)，林帶對(duì)風(fēng)速大的氣流阻力大，其防風(fēng)效應(yīng)也增大。綜上所述，風(fēng)速對(duì)林帶防風(fēng)效應(yīng)和林帶有效防護(hù)距離均有影響，隨著風(fēng)速的增大，林帶防風(fēng)效應(yīng)增大，有效防護(hù)距離變大。

圖2 不同風(fēng)速級(jí)下林帶的防風(fēng)效能

3.3 林帶防風(fēng)效能水平距離上的特征

由圖3分析可知，牧場(chǎng)防護(hù)林林帶的防風(fēng)效能在不同水平距離上有一定的差異。以林帶前30 H處作為對(duì)照，林帶后各觀測(cè)點(diǎn)均有不同程度的防風(fēng)效益，其中在林帶后1 H處的防風(fēng)效能取得最大值，最大值為28.65%；從林帶前30 H至林帶后1 H處，防風(fēng)效能呈迅速上升趨勢(shì)；從林帶后1～20 H處，防風(fēng)效能則呈下降的趨勢(shì)，10 H之后下降趨勢(shì)變緩。分析其原因是：由于風(fēng)經(jīng)過(guò)林帶的冠層和干層時(shí)，氣流會(huì)被分成兩部分風(fēng)，而林后上方的氣流下沉與通過(guò)林帶的那部分氣流相遇形成渦流，使林后具有一定范圍的降風(fēng)區(qū)域，故林帶后各觀測(cè)點(diǎn)均有不同程度的防風(fēng)效益；在林后由于上層氣流和穿透林帶的氣流匯合，防風(fēng)效能呈逐漸降低的趨勢(shì)，至林后20 H處的防風(fēng)效能僅為4.17%。

圖3 不同水平距離上的防風(fēng)效應(yīng)

3.4 林帶防風(fēng)效能垂直高度上的特征

由圖4—5分析可知，不同垂直高度上牧場(chǎng)防護(hù)林林帶的風(fēng)速及防風(fēng)效能的分布隨距離的變化趨勢(shì)相似。水平方向上，曠野風(fēng)速在30，50，150，300 cm的高度上的風(fēng)速均在1 H處取得最低值，最小值出現(xiàn)在1 H處30 cm的高度上，風(fēng)速為2.04 m/s，此時(shí)防風(fēng)效能達(dá)到最大值，為33.16%，而后風(fēng)速呈上升的趨勢(shì)，防風(fēng)效能逐漸下降。在林后20 H時(shí)，300 cm高度處的風(fēng)速逐漸恢復(fù)到曠野風(fēng)速，防風(fēng)效能逐漸下降。該高度處的風(fēng)速為4.11 m/s，防風(fēng)效能僅為2.03%，說(shuō)明林帶防護(hù)林的最大防護(hù)距離為林后20 H左右。在垂直方向上，在4個(gè)高度上均表現(xiàn)為隨高度的增加，風(fēng)速增加，防風(fēng)效能降低的現(xiàn)象。在1 H處各高度的防風(fēng)效能均達(dá)到最大，分別為:33.16%，30.72%，28.65%，22.32%?？傮w來(lái)說(shuō)曠野風(fēng)在經(jīng)過(guò)林帶防護(hù)林時(shí)在4個(gè)高度上均出現(xiàn)風(fēng)速降低的現(xiàn)象，但其防風(fēng)效能不盡相同，30 cm高的林帶有效防護(hù)距離為1～5 H，50，150，300 cm高的林帶有效防護(hù)距離均為1 H。

圖4 垂直高度上的風(fēng)速變化

4 結(jié) 論

(1) 牧場(chǎng)防護(hù)林林帶后的風(fēng)速分布特征：風(fēng)速最小值出現(xiàn)在林后1 H處，但隨著距離的增加，風(fēng)速在逐漸升高。林帶背風(fēng)面1～10 H范圍內(nèi)形成的風(fēng)速降低區(qū)，是林帶主要保護(hù)區(qū)和作用范圍。其中，1～10 H區(qū)域內(nèi)風(fēng)速值降低幅度為8%～40%。15～20 H區(qū)域內(nèi)風(fēng)速降低程度相對(duì)較小，降低約4%～6%。水平距離大于20 H時(shí)，風(fēng)速值恢復(fù)到曠野風(fēng)速值水平。

圖5 垂直高度上的防風(fēng)效能分布

(2) 不同風(fēng)速級(jí)下牧場(chǎng)防護(hù)林林帶的背風(fēng)面均形成一定范圍的降風(fēng)區(qū)，并且隨著風(fēng)速級(jí)的增大，林帶的有效防風(fēng)距離變大，即林帶防風(fēng)效能更明顯。當(dāng)曠野風(fēng)速為5～6級(jí)時(shí)，林內(nèi)、1 H，5 H這3個(gè)點(diǎn)的防風(fēng)效能最好，防風(fēng)效能范圍為67.97%～94.27%，其原因可能是當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，使樹(shù)冠的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使一些樹(shù)枝吹彎成為較密集的植物體，從而降低了林帶的疏透度[12]。

(3) 在水平方向上，曠野風(fēng)經(jīng)過(guò)牧場(chǎng)防護(hù)林林帶后，在林后1 H處防風(fēng)效能達(dá)到最大，最大值為28.65%；而后逐步減弱，10 H之后下降趨勢(shì)變緩，直至林后20 H處的防風(fēng)效能僅為4.17%。即牧場(chǎng)防護(hù)林林帶的最大防風(fēng)距離為林后1 H，有效防風(fēng)距離為林后20 H。

(4) 在垂直方向上，牧場(chǎng)防護(hù)林林后防風(fēng)效能的變化趨勢(shì)為：30 cm>50 cm>150 cm>300 cm，風(fēng)速的分布規(guī)律與防風(fēng)效能正好相反，表現(xiàn)為：30 cm<50 cm<150 cm<300 cm。與付亞星、董慧龍、高海樓、杜鶴強(qiáng)等[7,13-15]得出的垂直方向防風(fēng)效能的規(guī)律一致。分析其原因，主要是由于氣流在經(jīng)過(guò)林帶時(shí)受到林帶的干擾加之越過(guò)林帶上部的風(fēng)和穿過(guò)林干的風(fēng)匯合產(chǎn)生擾動(dòng)造成的，即牧場(chǎng)防護(hù)林改變了風(fēng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。