1、第40卷第1期2023年1月Vol.40No.1Jan.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.01.15林分密度和种植点配置对梭梭人工林防风效应的影响牛丹妮1，韩蓉1，马瑞1，王振亭2，刘虎俊3，魏林源3（1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州730070；2.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州730000；3.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州730070）摘要：研究不同密度和种植点配置对梭梭人工林防风效应的影响，为优化干旱区防风固沙林结构提供科学依据。以梭梭为原型，利用仿真植物设计了3种密度、4种种植点配置的品
2、字形林带，编号与对应植株的株行距分别为A：17 cm17 cm，B1：34 cm17 cm，B2：17 cm34 cm，C：34 cm34 cm，通过风洞模拟试验，对林带在密度和种植点位发生变化时的流场和防风效应进行了测定分析。结果表明：（1）A、B1、B2、C林带的风速减速区（U/U01）的面积分别占流场总面积的78.06%、70.41%、74.36%和82.80%；弱风区（U/U0B2B1C，林带防风效应与林分密度间为非线性关系，林带在带后近地层风速降幅的比例关系为A:B:C6:3:2。具体造林时，应根据土壤水分承载力确定造林密度，在此基础上，优先选用“小株距，大行距”的种植点配置方式。关
3、键词：防风固沙林；梭梭；密度；种植点配置；流场；防风效应；风洞模拟防风固沙林是以防治风沙危害为目的的防护林，在遏制风沙危害、改善农田微气候、维持生态平衡等方面发挥着重要作用1-2。受树种组成及混交方式3-4、林分密度5或孔隙度1、林带宽度6、季相7-10等因素的影响，不同结构的防风固沙林的防风效应存在显著差异。其中，林分密度是影响纯林防风效应最为重要的因子。对于一个既定树种，植株个体的几何形状和结构是相似的，因此，密度和种植点格局成为影响整个防护林参数，如孔隙率、体积密度、空间流场以及气流格局的重要因子。以空气动力学孔隙度为着眼点的研究表明，高密度低孔隙度会产生高的风速降幅11，然而，与较为稀
4、疏的林带相比，孔隙度1的区域为风速加速区，U/U01的风速加速区，在冠部及林带后形成了U/U01的风速减速区。A、B1、B2、C 林带的风速减速区的面积分别占流场总面积的78.06%、70.41%、74.36%、82.80%（表 2），株距与行距不等的B1、B2林带的风速减速区面积小于株距与行距相等的A、C林带。4个林带中，A林带的减速幅度 最 为 明 显，U/U01为风速加速区，U/U010.71.00.40.70.4A21.94%29.71%25.89%22.46%B129.59%33.72%35.96%0.73%B225.64%33.50%34.95%5.91%C17.20%51.80%
5、31.00%0%注：相对风速U/U0在4个取值范围的面积占比用百分比表示（%）；表中A表示株行距为17 cm17 cm的林带；B1表示株行距为34 cm17 cm的林带；B2表示株行距为17 cm34 cm的林带；C表示株行距为34 cm34 cm的林带。下同。1461期牛丹妮等：林分密度和种植点配置对梭梭人工林防风效应的影响小，风速由小到大的排序为AB（B1、B2）B1C。在 3cm高度处，风速降幅沿主风向的变化明显，但带后最大风速降幅与 13 cm 高度处较为一致。总体来看，林带 A的防风效应最好，林带 C的防风效应最表3 林带不同高度层的平均风速Tab.3 Average wind sp
6、eed at different heights aroundthe windbreaks林带AB1B2C平均风速/（ms-1）冠上10.4811.2110.8810.98冠部4.547.766.638.04冠下5.286.746.737.12注：图中两条虚线表示林带的分布区。下同。图4 3个不同高度的平均风速变化Fig.4 Average wind speed changes at three different heights14740卷干旱区研究差，林带B2的防风效应大于林带B1，防风效应排序为AB2B1C。4个林带在25H处的防风效应趋于一致。近地层的防风效应关系到地表的蚀积过程及微地
7、貌的形成，因此是防护林研究的重点。对林带在株高 20 cm 以下的风速降幅求平均值（表 4），可知，A、B1、B2林带前近地层的风速比无林带时有所增大，风速降幅出现“负值”，C林带前近地层风速略有降低，其风速降幅为0.43%；防风效应主要体现在林带后，在林带后25H范围内，A、B1、B2、C林带近地层的平均风速降幅分别为63.15%、35.86%、38.66%和24.37%，其比值为A:B:C6:3:2。3讨 论林分密度与林带的防风效应密切相关。对于梭梭人工林，构成林带的植株个体的几何形状、空间构型等形态学特征一致，因此林分密度成为影响林带结构的关键因子。本研究中，当林分密度降低时，林带对风速
8、的消减作用减弱，防风效应变差，其原因主要是由于在林分密度较小时用于消耗气流能量的枝叶量大幅降低所致。然而，本研究显示气流动能消耗引起的风速递减并不完全与枝叶量的减少量成正比，具体表现为当密度由A降低一半至B时，林带后近地层的风速降幅也降至A林带的1/2，但当密度继续降低一半，由B降至C时，林带后近地层的风速降幅只降低为B林带的2/3，这说明风速递减率与林分密度间并非线性关系，在较大密度时林表4 林带周围近地层（20 cm以下）平均风速降幅Tab.4 Decrease of average wind speed in near-groundlayer(below 20 cm)around the
9、 windbreaks林带AB1B2C平均风速降幅/%带前-4.06-5.04-5.810.43带后63.1535.8638.6624.37图5 3个高度风速降幅的变化特征Fig.5 Variation characteristics of wind speed decrease at three heights1481期牛丹妮等：林分密度和种植点配置对梭梭人工林防风效应的影响分密度的变化对防风效应的影响要大于在较小密度时的影响。此外，本研究还发现，密度降低引起的防风效应的变化与由落叶植物沙枣（Elaeagnus angustifolia）组成的林带防风效应从夏季到冬季的变化 7,22 具有相
10、似性，即密度减小或落叶植物到了冬季均会扩大风速减速区的范围，同时减小了风速变化的幅度。所不同的是密度对风速的影响主要是通过改变植株个体间的距离实现，而落叶植物防风效应的季相变化则是通过植株冠层枝叶的脱落得以实现，二者具有异曲同工之处。密度增大加速了林带下风向近地层风速的恢复速率，使最小风速点向林带靠近。最小风速点是风速降至最低并开始恢复的位置，该位置很可能是影响林带背风侧沙子沉积范围的重要动力因素，对认识林带后的积沙现象具有重要意义23-24。有关不同疏透度林带7,12-13和不同密度林带5,25防风效应的研究表明，疏透度越小或密度越大，林带背风侧最小风速点越靠近林带，本研究中密度变化引起的最
11、小风速点的位置变化情况与上述研究结果相一致。这一变化的原因主要是由于林带作为一种障体，其通过影响气流通径和消耗气流能量两种方式使气流加速或减速。由于A林带的林分密度最大，当气流进入林带时，动量被枝叶大量消耗，冠部气流流速被大幅降低，而受阻被抬升到林带上方的气流加速也较快，这部分气流在到达林带下风向时，掺混作用使得动量很快被传递到近地层气流，所以，密度大的A林带背风侧近地层的风速恢复比B林带快，最小风速点出现在距林带较近的位置。同理，B林带最小风速点的位置比C林带提前出现。种植点配置是影响气流通径的关键因子。当气流进入林带时，气流的向变和动能消耗受到气流与林带夹角、林分密度、林木个体疏透度、种植
12、点位等多个因素的宏观控制。对于特定的林分，密度或疏透度控制了进入林带和翻越林带的气流流量5,26，而种植点格局则对进入林带的气流的路径起到了引导作用，决定了对气流动量的吸收过程，并对局部气流的流速起到了加强或减缓的作用。显然，当气流以与林带走向相垂直的方向进入林带后，矩形配置会形成气流长驱直入的气流通道，而品字形配置则有利于形成网状流道，这一网状特征有2个作用，一是加强了林内气流的紊动性，增加了气流能量的消耗，二是减少了破土面和通风道的形成18。因此，从防护原理上讲，防护林建设应优先考虑品字形的种植点配置。由本研究可知，对于具有相同密度的林带，B1林带和B2林带种植点空间格局的不同引起的风速的
13、差异主要表现在冠部，宽行距的B2林带的防风效应明显大于窄行距的B1林带，这一研究结果与赛克等22对疏透度相近而行距不同的灌木林防护效应的研究结果较为一致。究其原因，可能是由于当气流沿风向通过行距较大的林带时，气流在相邻行间形成的紊流强度较大，从而使较多的能量被消耗所致。因此，在营建防风固沙林时，在密度确定的情况下应优先选用“小株距，大行距”的品字形配置方式。密度和种植点配置在实践中的应用。现阶段，我国沙区梭梭林的初植密度多在8331666株 hm-2间。本研究考虑了成林过程中的自然疏化，兼顾干旱区雨养梭梭林的土壤水分承载力，设计了 1500株 hm-2、750株 hm-2、375株 hm-2共
14、3种密度的品字形林带，这3种密度可分别代表梭梭人工林的初植密度，早期种植的梭梭林在雨养条件下的保存密度，以及天然梭梭林的密度17。如不考虑梭梭个体的生长变化，则由本研究可知初植密度下梭梭林的防风效应最好，在雨养条件下经自然疏化后的梭梭林的防风效应约为初植密度的1/2，但仍优于天然林的防护效应。研究结果对干旱区造林和营林过程中的密度管理及不同种植点品字形林带防风效应的评价具有指导意义。4结 论通过风洞模拟试验，对密度和种植点配置发生变化时的4个品字形林带的流场和防风效应进行了研究，得到以下主要结论：（1）A、B1、B2、C林带的风速减速区的面积分别占 流 场 总 面 积 的 78.06%、70.
15、41%、74.36%、82.80%。林分密度越大，形成的弱风区（U/U0B2B1C。林带防风效应与林分密度间为非线性关系，3种密度的林带在背风侧近地层的风速降幅的比例关系为A:B:C6:3:2。参考文献（References）：1Cheng H,He W,Liu C,et al.Transition model for airflow fieldsfrom single plants to multiple plantsJ.Agricultural and ForestMeteorology,2019,266-267:29-42.2Wu X X,Zou X Y,Zhou N,et al.Dec
16、eleration efficiencies ofshrub windbreaks in a wind tunnelJ.Aeolian Research,2015,16:11-23.3马彦军,李雪琳,马瑞,等.前高后低型防风固沙林防风效应及其对风向的响应J.水土保持通报,2018,38(5):28-33,39.MaYanjun,Li Xuelin,Ma Rui,et al.Windproof efficiency of shelterbelt in high-low pattern and its response to wind directionsJ.Bulletin of Soil and Water Conservation,2018,38(5):28-33,39.4Ma R,Li J R,Ma Y J,et al.A wind tunnel study of the airflowfield and shelter efficiency of mixed windbreaksJ.Aeolian Research,2019,41:100544.5Ma R,Wang J H,Qu