上海市郊沿海防護(hù)林防護(hù)效應(yīng)的研究

王宗星,虞木奎,①,成向榮,朱春玲,汪 杰,張 翠

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所,浙江 富陽(yáng) 311400；2.上海市林業(yè)總站,上海 201300；3.上海市南匯林業(yè)站,上海 200072)

上海市地處長(zhǎng)江入?？?海岸線(xiàn)全長(zhǎng)約 510.4 km,每年均受到海風(fēng)侵襲,尤其是近年來(lái)由于溫室效應(yīng)加劇、極端天氣不斷增多,給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)和生活造成了惡劣影響。因此,建設(shè)完善的沿海防護(hù)林體系,對(duì)緩解沿海地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化與海岸生態(tài)脆弱的狀況,提高抵抗風(fēng)暴、大潮、風(fēng)沙及鹽蝕等自然災(zāi)害的能力,進(jìn)一步改善沿海居民的生活環(huán)境有著特別重要的意義[1]。早在 20世紀(jì) 60年代和 70年代上海就建設(shè)了沿海防風(fēng)林以抵抗臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴潮的侵襲；改革開(kāi)放以來(lái),上海郊區(qū)林帶面積大規(guī)模增加,并加強(qiáng)了沿海防風(fēng)林和郊區(qū)北部生態(tài)林的營(yíng)造,使上海市抗臺(tái)風(fēng)和寒潮的能力加強(qiáng)[2]。

多年來(lái)上海市林業(yè)總站對(duì)沿海防護(hù)林開(kāi)展了一些防風(fēng)效應(yīng)研究[3-4],但多數(shù)研究集中在林帶前后近距離(數(shù)倍樹(shù)高距離)的風(fēng)速變化,而關(guān)于基干林帶對(duì)較大范圍的防護(hù)效果和林帶的小氣候效應(yīng)方面的研究較少。鑒于此,作者以上海市南匯區(qū)沿海防護(hù)林為研究對(duì)象,通過(guò)定位觀測(cè),研究了林帶內(nèi)外的風(fēng)速變化規(guī)律及沿海防護(hù)林的防護(hù)效果,以期為沿海防護(hù)林的樹(shù)種選擇和結(jié)構(gòu)配置優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 樣地概況和研究方法

1.1 樣地概況

樣地位于上海市南匯區(qū)書(shū)院鎮(zhèn)東郊,距海 2～3 km。濱海森林公園樣點(diǎn)位于北緯 30°58′12″、東經(jīng)129°54′40″；公園總面積 358.7 hm2,其中,森林面積占75％；地勢(shì)平坦,林型豐富,以紅葉椿 (Ailanthus altissima‘Hongye’)和烏桕〔Sapiumsebiferum（L.) Roxb.〕等鹽堿地適生樹(shù)種為主,均于 2002年?duì)I造。人民塘水杉 (MetasequoiaglyptostroboidesHu etCheng)基干林樣點(diǎn)位于北緯 31°56′50″、東經(jīng) 121°52′43″,于 20世紀(jì) 80年代中期營(yíng)造,基干林帶寬約 50 m。2個(gè)樣點(diǎn)的基本概況見(jiàn)表1。

表 1 上海市郊濱海森林公園和人民塘樣點(diǎn)基本概況Tab le 1 Plot sta tus of B inha iForest Park and Peop le Pond in Shangha isuburb

1.2 研究方法

1.2.1 水杉基干林帶防風(fēng)效應(yīng)及氣溫、空氣相對(duì)濕度監(jiān)測(cè) 于 2009年 7月 23日至 8月 2日,在人民塘水杉基干林帶與主害風(fēng)垂直方向設(shè)置 1條觀測(cè)線(xiàn),分別在林帶前 65m、林帶前 25m、林緣、林帶內(nèi)、林帶后25m及林帶后 65 m處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。采用 Kestrel 4000便攜式風(fēng)速儀 (美國(guó) N ielsen-Kellerm an公司生產(chǎn))監(jiān)測(cè)各觀測(cè)點(diǎn)垂直高度 2m處的風(fēng)速、氣溫和空氣相對(duì)濕度等氣象因子。數(shù)據(jù)記錄間隔時(shí)間為 30m in,連續(xù)重復(fù)觀測(cè) 10 d,計(jì)算其平均值。

為明確人民塘水杉基干林帶對(duì)更大范圍內(nèi)氣象因素的影響,于 2009年 6月在水杉基干林帶前和林帶后各1 km的空曠處安裝 2臺(tái)W eatherHawk自動(dòng)氣象站(美國(guó) Campell Scientific公司生產(chǎn)),進(jìn)行氣象要素的長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)記錄間隔時(shí)間為 1 h,連續(xù)記錄3個(gè)月。

1.2.2 林帶內(nèi)不同垂直高度防風(fēng)效應(yīng)監(jiān)測(cè) 于 2009年7月23日至8月2日,在濱海森林公園的紅葉椿林內(nèi),以地面為參照,將 Kestrel4000便攜式風(fēng)速儀用竹竿分別固定在垂直高度 1、2、3、4和 5m處,保持竹竿與地面垂直,以便記錄林內(nèi)不同高度的氣象因子。數(shù)據(jù)記錄間隔時(shí)間為 30m in,均重復(fù)觀測(cè) 3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用 Excel2003及 SPSS 17.0軟件分析防護(hù)林的相對(duì)風(fēng)速、氣溫和空氣相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果和分析

2.1 水杉基干林帶的防風(fēng)效應(yīng)

人民塘水杉基干林帶各觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)風(fēng)速見(jiàn)表2。由表 2可知,以林帶前 65m處作為對(duì)照,各觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速均下降,其中林帶后 25m處的風(fēng)速最低；從林帶前 65m處至林帶后 25m處,風(fēng)速呈逐漸下降趨勢(shì)；而從林帶后 25m至林帶后 65m處,風(fēng)速則呈迅速上升的趨勢(shì)。分析其原因是：當(dāng)?shù)蛯託饬髟谛羞M(jìn)中遇到基干林帶時(shí),由于受到林帶的阻擋作用,一部分氣流從林帶的間隙通過(guò),另一部分氣流被迫抬升從林帶上方通過(guò),故在林緣處風(fēng)速較林帶前 65 m處減弱了 43％；而穿過(guò)林帶的氣流受到樹(shù)干、樹(shù)枝碰撞磨損作用以及枝條對(duì)機(jī)械能的損耗,使林帶內(nèi)的風(fēng)速大大減弱,比林帶前 65m處的風(fēng)速下降了 58％；由于氣流的亂流作用,使林帶后 25m處的風(fēng)速減弱至最低,風(fēng)速較林帶前 65m處下降了 65％,形成了一個(gè)弱風(fēng)區(qū)；在林帶后 25m處,由于上層氣流和穿透林帶的氣流匯合,風(fēng)速又逐漸提高,至林帶后 65m處風(fēng)速已增至林帶前 65m處的 60％。由于條件所限,林帶后 65m以后的區(qū)域沒(méi)有設(shè)置觀測(cè)點(diǎn),但根據(jù)上述風(fēng)速變化趨勢(shì)推測(cè)：在林帶后 65 m以后的區(qū)域風(fēng)速會(huì)逐漸恢復(fù)至林帶前65m處的水平。

表 2 人民塘水杉基干林帶前后不同距離觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)風(fēng)速Tab le 2 Rela tive w ind speed of d ifferen t observa tion po in ts a t d ifferen t d istances from w indbreak of M etasequo ia g lyp tostroboides Hu etCheng in Peop le Pond

人民塘水杉基干林帶前 1 km和林帶后 1 km處自動(dòng)氣象站的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,水杉基干林帶對(duì)臺(tái)風(fēng)有明顯的削弱作用,2009年 7月 26日至 8月 25日“莫拉克”臺(tái)風(fēng)前后人民塘水杉基干林帶前 1 km和林帶后 1 km處風(fēng)速的比較見(jiàn)圖 1。由圖 1可知,7月 26日至 8月 5日風(fēng)速較低,風(fēng)速的日變化較為緩和,林帶后 1 km處風(fēng)速略低于林帶前 1 km處,但差異不明顯；從 8月 5日開(kāi)始,受“莫拉克”臺(tái)風(fēng)影響,林帶前1 km處和林帶后 1 km處的風(fēng)速均急劇上升,至 8月10日達(dá)最大值,8月 11日后風(fēng)速逐漸下降,恢復(fù)至“莫拉克”臺(tái)風(fēng)影響前的水平。結(jié)果表明,臺(tái)風(fēng)影響期間林帶的減風(fēng)效應(yīng)顯著,林帶后的風(fēng)速明顯低于林帶前,林帶后 1 km處的平均風(fēng)速較林帶前 1 km處減弱22％,有效降低了臺(tái)風(fēng)的災(zāi)害。

圖1 “莫拉克”臺(tái)風(fēng)對(duì)人民塘水杉基干林帶前 1 km和林帶后 1 km處風(fēng)速的影響F ig.1 Effectof“M orakot”typhoon on w ind speed a t1 km before or a fter w indbreak of M etasequo ia g lyptostrobo ides Hu etCheng in Peop le Pond

2.2 水杉基干林帶的小氣候效應(yīng)

2.2.1 降溫效應(yīng) 林帶可降低林分內(nèi)部及林后一段距離內(nèi)的空氣溫度。地面吸收的太陽(yáng)輻射一部分通過(guò)熱傳導(dǎo)傳到地下,另一部分通過(guò)長(zhǎng)波輻射使近地層空氣增溫,然后通過(guò)湍流交換輸送到上層大氣中。由于林帶減弱了湍流作用,使得林分內(nèi)部及林后一段距離內(nèi)的空氣溫度不會(huì)因?yàn)榈乇頊囟鹊纳叨@著升高[5]。

人民塘水杉基干林帶前后不同距離觀測(cè)點(diǎn)的氣溫見(jiàn)表3。由表3可知,從林帶前65m處到林帶前25m處、至林緣直至林帶內(nèi)的氣溫呈逐漸下降的趨勢(shì),其中林帶前 65m處的氣溫最高,達(dá)到了 35.6℃；隨著林帶前觀測(cè)點(diǎn)與林帶距離的逐漸縮短,林帶前各觀測(cè)點(diǎn)的氣溫逐漸下降,至林緣處的氣溫較林帶前 65m處下降了 0.7℃,降溫效應(yīng)明顯；林帶內(nèi)的氣溫則最低,為 34.0℃,較林帶前 65m處降低了 1.6℃,降溫效應(yīng)加強(qiáng)；而林帶后 25m和林帶后 65m處的氣溫則升高,但與林帶前 65m處無(wú)明顯差異。可見(jiàn),在夏季水杉基干林帶內(nèi)的降溫效應(yīng)較林帶后明顯。其原因可能是人民塘水杉基干林帶為南北方向栽植,在炎熱的夏季正午不能為林帶后方產(chǎn)生有效的庇蔭,導(dǎo)致林帶后的氣溫較高、降溫效應(yīng)較弱。

2.2.2 增濕效應(yīng) 防護(hù)林帶在一定范圍內(nèi)具有提高空氣相對(duì)濕度的作用。由于林帶的防風(fēng)效應(yīng),林帶內(nèi)和林帶后風(fēng)速明顯減弱,氣流交換緩慢,土壤及地被植物蒸發(fā)的水汽不易擴(kuò)散,致使林帶內(nèi)以及林帶后一定范圍內(nèi)的空氣相對(duì)濕度維持在較高的水平[6]。

人民塘水杉基干林帶前后不同距離觀測(cè)點(diǎn)的空氣相對(duì)濕度也見(jiàn)表 3。由表 3可知,林帶前 65m處的空氣相對(duì)濕度最低,為 71.59％；隨著林帶前觀測(cè)點(diǎn)與林帶距離的逐漸接近,空氣相對(duì)濕度逐漸增加,到達(dá)林帶內(nèi)時(shí)空氣相對(duì)濕度最高,為 80.42％,較林帶前65m處提高了 12.3％,增濕效應(yīng)明顯加強(qiáng)；而林帶后25和 65m處的空氣相對(duì)濕度則逐漸下降,但仍比林帶前 65m處分別提高了 11.5％和 6.6％。可見(jiàn),林帶內(nèi)和林帶后的增濕效應(yīng)均較明顯。

表 3 人民塘水杉基干林帶前后不同距離觀測(cè)點(diǎn)的氣溫和空氣相對(duì)濕度Tab le 3 A ir tem pera ture and a ir rela tive hum id ity of differen tobserva tionpointsat differentdistances from windbreak of M etasequoia g lyp tostrobo ides Hu et Cheng in Peop le Pond

2.3 紅葉椿林分內(nèi)不同垂直高度的防風(fēng)效應(yīng)

圖 2 濱海森林公園紅葉椿林分內(nèi)不同垂直高度處的風(fēng)速F ig.2 W ind speed a t d ifferen t ver tica l heigh ts of A ilan thus a ltissim a‘Hongye’stand in B inha iForest Park

林分內(nèi)不同垂直高度處的空間結(jié)構(gòu)不同,防風(fēng)效應(yīng)也存在一定的差異。在濱海森林公園紅葉椿林分內(nèi)不同垂直高度處的風(fēng)速見(jiàn)圖 2。由圖 2可知,在垂直高度 1～2m處,隨著垂直高度的上升,地表對(duì)風(fēng)的摩擦作用逐漸減弱,風(fēng)速逐漸加強(qiáng),在垂直高度 2m處風(fēng)速基本達(dá)到最高,為1.6m·s-1；在垂直高度3m處,雖然地表對(duì)風(fēng)的摩擦作用很小且尚未達(dá)到林冠層,但由于樹(shù)木開(kāi)始分枝,枝葉對(duì)風(fēng)產(chǎn)生摩擦作用,使得風(fēng)速較垂直高度2m處低；垂直高度升高至4m,即到達(dá)林冠層時(shí),枝葉對(duì)風(fēng)的摩擦阻擋作用加劇,風(fēng)速更低,比垂直高度 3m處下降了 40％；垂直高度 5m處依然處于林冠層,此處的風(fēng)速與垂直高度 4m處相比變化不大。由此可見(jiàn),林分內(nèi)不同垂直高度處的風(fēng)速有明顯的變化,而用樹(shù)干下部側(cè)枝較少的紅葉椿林分構(gòu)建疏透型防風(fēng)林較為適宜。

3 討論和結(jié)論

本文的研究結(jié)果表明,人民塘水杉基干林帶具有明顯的防風(fēng)效應(yīng),林帶內(nèi)及林帶后 65 m范圍內(nèi)的風(fēng)速較林帶前均有不同程度的下降,以林帶后 25 m處的風(fēng)速最低。在臺(tái)風(fēng)“莫拉克”登陸期間,人民塘水杉基干林帶后 1 km處的風(fēng)速明顯被削弱,林帶后 1 km處的平均風(fēng)速較林前減弱 22％,有效降低了臺(tái)風(fēng)災(zāi)害。葉功富等[7]的研究結(jié)果表明,在木麻黃(CasuarinaequisetifoliaL.)海岸基干林帶內(nèi)風(fēng)速最低,防風(fēng)效應(yīng)的空間分布呈平滑的曲面狀,在林帶前呈下凹式,林帶后呈上升式,整體呈中間低兩邊逐漸升高的槽狀。而水杉基干林帶的防風(fēng)效應(yīng)與木麻黃林分有一定的差異,這可能是由于林分結(jié)構(gòu)不同造成的：木麻黃枝下高較低,林分郁閉度高,能起到更好的防風(fēng)效應(yīng)；而水杉的枝下高較高,林下透風(fēng)系數(shù)高,防風(fēng)效應(yīng)較弱。因此,具有沿海防護(hù)功能的水杉林帶應(yīng)構(gòu)建多層復(fù)合林體系,優(yōu)化結(jié)構(gòu)配置,使其發(fā)揮更大的防護(hù)效能。

林帶還具有降低局部空氣溫度、提高空氣相對(duì)濕度及改善林帶小氣候的功能。人民塘水杉基干林帶改善小氣候的效應(yīng)顯著,林帶內(nèi)空氣溫度最低,空氣相對(duì)濕度最大,氣溫較林帶前 65m處降低了 1.6℃、空氣相對(duì)濕度則提高了 8.83百分點(diǎn)。在林帶后 65m范圍內(nèi),林帶的增濕效應(yīng)雖然有所下降,但平均空氣相對(duì)濕度仍較林帶前 65m處提高了 9.0％；而林帶后的降溫效應(yīng)不明顯則可能與林帶的栽植方向及季節(jié)影響有關(guān)。

緊密結(jié)構(gòu)、疏透結(jié)構(gòu)和通風(fēng)結(jié)構(gòu)是防護(hù)林的 3種基本結(jié)構(gòu)類(lèi)型,其中透風(fēng)系數(shù)在 0.4～0.5、疏透度在30％～50％的林帶為疏透結(jié)構(gòu)。疏透型林帶內(nèi)風(fēng)速變化平緩、有效防護(hù)距離大、防風(fēng)效果好,因而得到了較廣泛的應(yīng)用[8]。本研究結(jié)果表明,紅葉椿林分內(nèi)不同垂直高度處的風(fēng)速差異較大,其中樹(shù)冠處風(fēng)速最低,樹(shù)干中下部側(cè)枝較少,風(fēng)速較大,因此紅葉椿適宜構(gòu)建疏透型防風(fēng)林。然而,為使紅葉椿防風(fēng)林更有效地發(fā)揮防護(hù)作用,還需進(jìn)一步確定其合理的疏透度以及適宜的株行距等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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