多層林網(wǎng)與單林帶防風(fēng)效應(yīng)差異的風(fēng)洞模擬

鄭波，劉彤*，朱樂奎，孫欽明，劉尊馳，張禮春，郝曉冉

（石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832003）

多層林網(wǎng)與單林帶防風(fēng)效應(yīng)差異的風(fēng)洞模擬

鄭波，劉彤*，朱樂奎，孫欽明，劉尊馳，張禮春，郝曉冉

（石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832003）

農(nóng)田防護林是有效降低作物風(fēng)沙災(zāi)害的重要屏障，而目前防護林研究多圍繞單個林帶及林網(wǎng)，缺少對多層林網(wǎng)與單林帶防風(fēng)效應(yīng)差異的整體認識，故本研究選取3種不同行數(shù)林帶配置（4、6和8行林）3層林網(wǎng)，在3種風(fēng)速下（8、10和14m/s）進行風(fēng)洞模擬，研究多層林網(wǎng)與單林帶流場及防風(fēng)效應(yīng)差異。結(jié)果表明：1）林網(wǎng)與單林帶流場差異主要表現(xiàn)在林帶以上高度，近地面風(fēng)速差異相對較小。另外，隨水平距離增加風(fēng)速恢復(fù)方式不同，林網(wǎng)上下同步恢復(fù)，呈平行狀；而單林帶自上向下逐步恢復(fù)，呈階梯狀；2）隨著風(fēng)速增加，單林帶防風(fēng)效應(yīng)變化較小，林網(wǎng)后略減小，較單林帶的效應(yīng)增量呈減小趨勢，在8、10和14 m/s風(fēng)速下分別為7.99%、3.05%和2.38%。3）4行林林網(wǎng)配置綜合防風(fēng)效應(yīng)最佳。隨著林帶行數(shù)增加，單林帶和林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)均先增大后不變，且林網(wǎng)后多出的效應(yīng)增量變化趨勢也相同，在林帶為4、6和8行條件下分別為6.29%、7.99%和7.65%。因此，隨著集約化和精準化農(nóng)業(yè)推進，在進行防護林配置時，應(yīng)從農(nóng)田林網(wǎng)的整體效應(yīng)進一步定量，減少林帶冗余，實現(xiàn)作物經(jīng)濟效益最大化。

林網(wǎng)；單林帶；風(fēng)洞；流場；防風(fēng)效應(yīng)

農(nóng)田防護林是減少農(nóng)作物風(fēng)沙災(zāi)害的重要屏障，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，田間小氣候改善具有決定性作用[1]。特別是南疆地區(qū)，極端氣候事件增多，生態(tài)環(huán)境日益脆弱[2]，常年遭受風(fēng)沙災(zāi)害嚴重，給該地區(qū)造成了不可估量的經(jīng)濟損失[3]，所以防護林的營建尤為關(guān)鍵。因此，為有效擋風(fēng)阻沙，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和良好的居住環(huán)境提供保障，我國很早就開始投身于干旱沙區(qū)農(nóng)田防護林的營建[4-6]。在近幾十年來，諸多學(xué)者在單個防護林的結(jié)構(gòu)、高度、寬度、與風(fēng)向夾角和空間配置等方面做了大量工作[7-13]，而很少了解到多個連續(xù)林帶的林網(wǎng)整體效應(yīng)。隨著我國精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，如果對林網(wǎng)整體系統(tǒng)進行研究，重新定量空間配置，減少林帶冗余，增加農(nóng)田面積，將對提高作物經(jīng)濟效益意義重大。

農(nóng)田林網(wǎng)是由主林帶、副林帶和農(nóng)作物構(gòu)成多層連續(xù)網(wǎng)格的綜合防護林體系。林網(wǎng)對田間風(fēng)速、溫度、濕度、蒸發(fā)量等小氣候因子影響所產(chǎn)生的防護效能遠高于單個林帶的作用[14-16]。目前，國內(nèi)有關(guān)林網(wǎng)的研究主要集中在以下幾個方面：張翼等[17]、朱廷曜等[18]在早期構(gòu)建了林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速分布和防風(fēng)效應(yīng)數(shù)學(xué)模型，但由于缺乏合理參數(shù)，模擬結(jié)果存在局限性；牛新勝等[19]、史曉亮等[20]僅在細碎化和景觀結(jié)構(gòu)方面對林網(wǎng)進行了評價，而未涉及林網(wǎng)的防風(fēng)效果；呂仁猛等[21]、邴貝貝等[22]對單個林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速分布進行了實地觀測，但由于實地林網(wǎng)各因素的復(fù)雜性，缺乏說服力。

綜上所述，諸多研究主要圍繞單個林帶和單個林網(wǎng)網(wǎng)格，而對多層林網(wǎng)的研究少有報道。因此，本研究通過風(fēng)洞試驗來模擬多層林網(wǎng)周圍流場，比較多層林網(wǎng)與單個林帶流場分布及防風(fēng)效應(yīng)差異，從而了解農(nóng)田林網(wǎng)的整體效應(yīng)，以期為后續(xù)防護林配置進一步優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

風(fēng)洞模擬試驗在中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所可移動式環(huán)境風(fēng)洞中完成。

該風(fēng)洞全長16.2 m，試驗段長度為8 m，截面為1.3 m×1.0 m的矩形，軸心風(fēng)速1-25 m/s連續(xù)可調(diào)。

風(fēng)洞氣流穩(wěn)定性系數(shù)<1%，橫向不均勻度<2.5%，紊流度1%左右[23]。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

根據(jù)南疆野外調(diào)查可知，防護林多為4-8行，且農(nóng)作物以棗樹種植面積最大，經(jīng)濟效益最高。因此本文選取不同行數(shù)林帶模型和棗樹模型，主要考慮與主風(fēng)向垂直的主林帶，通過不同林帶行數(shù)和間距組合3種不同配置3層防護林的林網(wǎng)進行風(fēng)洞模擬。為使模擬結(jié)果更接近實際，模型設(shè)計遵循相似性理論原則，并按照實地調(diào)查的樹高，使用柔軟的塑料樹定做林帶和棗樹模型。林帶模型高度為7.0 cm，冠幅2.8 cm×2.3 cm，株行距均為4 cm×3 cm；棗樹模型高度為1.5 cm，冠幅2.5 cm×2.0 cm，株行距為2 cm×3 cm，林帶和棗樹模型都是按照相同比例縮小，模型與實物的比例為1∶143。另外，4、6和8行單林帶作為對照。

多層林網(wǎng)詳細設(shè)計見表1。

表1 試驗設(shè)計Tab.1 Experiment design

根據(jù)南疆風(fēng)害實際情況，本研究設(shè)定風(fēng)速為南疆常見風(fēng)速，8、10和14 m/s。風(fēng)洞中采用皮托管測定風(fēng)速，其垂直高度測點為 1、2、3、5、7、10、15、30和50 cm。另外，單林帶和林網(wǎng)后水平測點均為1、2、5、10和15 H，林網(wǎng)內(nèi)根據(jù)不同試驗組中林帶間距不同而適當調(diào)整。

1.2.2 計算方法

防風(fēng)效應(yīng)是衡量防護林防風(fēng)效果好壞的重要指標。本研究主要考慮作物高度內(nèi)的防風(fēng)效應(yīng)，即選取測點高度為1和2 cm防風(fēng)效應(yīng)的平均值作為最終防風(fēng)效應(yīng)的衡量指標。公式[24]如下：

式（1）中：Ex為林后x水平距離處的防風(fēng)效應(yīng)，%；U0為初始風(fēng)速，m/s；Ux（1cm或2cm）為林后x水平距離高度1 cm或2 cm處的測點風(fēng)速，m/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 林網(wǎng)與單林帶流場分布差異

林網(wǎng)與單林帶流場分布差異見圖1。

圖1 林網(wǎng)與單林帶的等值線圖Fig.1 Wind speed contour of farmland shelter-net and single shelterbelt

由圖1可知，林網(wǎng)周圍流場與單林帶有較大的差異。在林前，林網(wǎng)與單林帶低于10 cm高度的風(fēng)速變化差異很小，低于2 m/s；在10 cm以上高度氣流運動差異較大，13和14 m/s氣流在林網(wǎng)前有較大的波動，分布在20-30 cm高度，并隨著與林網(wǎng)距離的減小而緩慢向下的運動趨勢，而單林帶14 m/s氣流仍分布在30 cm以上，且波動較小，在靠近林帶很近時急劇向下運動，彌補林帶阻力所消耗的風(fēng)能。在林后，單林帶作物高度（2 cm以下）1 H處湍流較大，達6.38 m/s，其他水平位置林網(wǎng)和單林帶風(fēng)速均低于2 m/s，差異小于1 m/s；在林帶高度（7 cm）風(fēng)速差異稍大，差異穩(wěn)定在3 m/s左右；在7 cm以上高度單林帶在1 H處風(fēng)速變化較劇烈，7-10 cm風(fēng)速增加了8 m/s，而林網(wǎng)僅增加了3.5 m/s；在15-30 cm高度，林網(wǎng)和單林帶分別增加了4和0.5 m/s，單林帶風(fēng)速已基本恢復(fù)。由此可以發(fā)現(xiàn)，單林帶在林后同高度風(fēng)速變化較大，1-5 m/s，呈一定波動，隨著距離的增加而從上到下逐漸恢復(fù)風(fēng)速；而林網(wǎng)后同高度風(fēng)速變化較小，1-2 m/s，風(fēng)速分布較為均勻，隨距離的增加上下同步恢復(fù)風(fēng)速。

2.2 不同風(fēng)速下林網(wǎng)與單林帶防風(fēng)效應(yīng)

不同風(fēng)速下林網(wǎng)與單林帶防風(fēng)效應(yīng)見圖2。

圖2 不同風(fēng)速6行林單林帶和林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)Fig.2 Protective effect of six rows farmland shelter-net and single shelterbelt in different wind speed

選取試驗組中行數(shù)居中的6行林的林網(wǎng)及單林帶，在3組初始風(fēng)速下，比較林網(wǎng)及單林帶作物高度（1和2 cm）防風(fēng)效應(yīng)差異。

由圖2a可知，相同林帶行數(shù)不同風(fēng)速下，單林帶和林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)隨水平距離增加變化較大。在0-5 H距離，單林帶防風(fēng)效應(yīng)迅速增大，特別是14m/s風(fēng)速下單林帶增加幅度最大，為22.06%；林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)增幅很小，但初始防風(fēng)效應(yīng)普遍很大，尤其在8 m/s風(fēng)速1 H處，超出單林帶防風(fēng)效應(yīng)30.52%。在5-15 H距離，防風(fēng)效應(yīng)變化相對平緩，單林帶在83%-98%呈波動增加趨勢，林網(wǎng)在73%-100%呈波動減小趨勢。

由圖2b可知，在1-15 H可測范圍內(nèi)，8 m/s各點防風(fēng)效應(yīng)平均值為87.22%（CK）和95.21%（SN），10 m/s風(fēng)速下為 86.56%（CK） 和 89.61%（SN），14 m/s風(fēng)速下為 87.86%（CK）和 90.23%（SN）。在 3種風(fēng)速下，林網(wǎng)平均防風(fēng)效應(yīng)比單林帶分別增加了7.99%、3.05%和2.38%。

2.3 不同行林帶下林網(wǎng)與單林帶防風(fēng)效應(yīng)

不同行林帶下林網(wǎng)與單林帶防風(fēng)效應(yīng)見圖3。

圖3 不同行林帶8 m/s風(fēng)速單林帶和林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)Fig.3 Protective effect of different rows farmland shelter-net and single shelterbelt in 8 m/s wind speed

由于南疆常見風(fēng)速多為8 m/s，故選取試驗組中初始風(fēng)速為8 m/s的部分，比較3種不同行數(shù)林林網(wǎng)及單林帶作物高度防風(fēng)效應(yīng)差異。

由圖3a可知，林帶行數(shù)不同，隨水平距離增加防風(fēng)效應(yīng)變化較大。在1-15 H距離，單林帶防風(fēng)效應(yīng)均通過一個快速提升的過程而達到最大防風(fēng)效應(yīng)，而林網(wǎng)初始防風(fēng)效應(yīng)很高，之后提升很小，4行林單林帶及林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)分別提升了43.46%（CK）和37.67%（SN）；6行林提升了 25.44%（CK） 和 0.08%（SN）；8行林提升了26.13%和9.09%。另外，在4行林中林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)均比單林帶大，在6和8行林中林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)有個點比單林帶小，但平均增幅均為正值，3種林帶行數(shù)分別為8.89%、7.99%和7.65%。

由圖3b可知，在1-15 H可測范圍內(nèi)，4行林各點防風(fēng)效應(yīng)平均值為 78.15%（CK）和84.44%（SN），6行林下為 87.22%（CK） 和 95.21%（SN），8行林下為 87.28%（CK）和 94.93%（SN）。在 3種林帶行數(shù)下，林網(wǎng)平均防風(fēng)效應(yīng)比單林帶分別增加了6.29%、7.99%和7.65%。

3 討論

本研究顯示，隨著風(fēng)速增大，單林帶防風(fēng)效應(yīng)變化較小，在 8、10和 14 m/s風(fēng)速下分別為 87.22%、86.56%和87.86%。因本研究風(fēng)洞中增加了作物模型，故單林帶防風(fēng)效應(yīng)隨曠野風(fēng)速變化無明顯趨勢，與唐玉龍等[25]在僅有林帶模型的風(fēng)洞試驗中隨風(fēng)速減小的結(jié)果有所差異。而鄭波等[24]在考慮植株高大目標作物對防護林防風(fēng)效應(yīng)影響的風(fēng)洞模擬中發(fā)現(xiàn)，當存在作物時，在一定風(fēng)速范圍內(nèi)林帶防風(fēng)效應(yīng)不會隨著風(fēng)速增大而減小。因此，該結(jié)果仍然存在一定合理性。此外，隨著風(fēng)速增加，林網(wǎng)后防風(fēng)效應(yīng)略減小，較單林帶多出的效應(yīng)增量有減小趨勢，分別為7.99%、3.05%和2.38%。故表明林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)的累積會隨著曠野風(fēng)速的增大而逐漸減小。

隨林帶行數(shù)增加，單林帶和林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)均先增大后不變。由于防風(fēng)效應(yīng)并不單純隨著林帶疏透程度增加而增加，而是存在一個最佳的疏透程度[6]。所以隨著林帶行數(shù)的增加，從4行林帶防風(fēng)效應(yīng)78.15%（CK） 和 84.44%（SN） 增加到 6行林帶87.22%（CK）和 95.21%（SN），而當 8行林帶時防風(fēng)效應(yīng)為 87.28%（CK）和 94.93%（SN），已不再增加。同時，林網(wǎng)較單林帶防風(fēng)效應(yīng)增量隨林帶行數(shù)增加也具有相似的變化趨勢，分別為6.29%、7.99%和7.65%。高涵等[26]在灌木檸條防風(fēng)效應(yīng)風(fēng)洞模擬研究中也發(fā)現(xiàn)雙行和3行林帶防風(fēng)效應(yīng)明顯優(yōu)于單行，但3行較雙行的優(yōu)勢并不明顯。因此，單林帶、林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)及林網(wǎng)增量均隨林帶行數(shù)的增加而增加，但增大到某種程度后達到平衡，很難再增加。另外，4行基干林林網(wǎng)配置（第一間距為12H，之后為18 H）的平均防風(fēng)效應(yīng)高達84.44%，滿足棗樹的防護需求，且較少的林帶行數(shù)不會因過密而引起湍流危害作物，前窄后寬的林帶間距模式又能減省林帶用地，增加農(nóng)作物種植面積，從而提高經(jīng)濟效益。因此，對于實際生產(chǎn)而言，4行基干林林網(wǎng)配置綜合防風(fēng)效應(yīng)最佳。

4 結(jié)論

本研究通過控制風(fēng)速和林帶行數(shù)進行風(fēng)洞模擬，比較多層林網(wǎng)與單林帶周圍流場變化及防風(fēng)效應(yīng)的差異，從而總結(jié)出多層林網(wǎng)的防風(fēng)效果，主要得到以下結(jié)論：

1）林網(wǎng)與單林帶流場差異主要表現(xiàn)在林帶以上高度，近地面風(fēng)速差異相對較小。另外，林網(wǎng)與單林帶的林后風(fēng)速恢復(fù)方式不同，林網(wǎng)隨距離增加上下同步恢復(fù)，呈平行狀；而單林帶隨距離增加從上向下逐漸恢復(fù)，呈階梯狀。

2）在風(fēng)速為 8、10和 14 m/s時，相同行數(shù)林帶下，隨著風(fēng)速增大，單林帶防風(fēng)效應(yīng)變化較小，林網(wǎng)后略減小，林網(wǎng)較單林帶的效應(yīng)增量有減小趨勢，分別為7.99%、3.05%和2.38%。所以，風(fēng)速增大會減弱林網(wǎng)防風(fēng)效果的累積。

3）在林帶行數(shù)為4、6和8行時，相同風(fēng)速下，隨著林帶行數(shù)增加，單林帶和林網(wǎng)防風(fēng)效應(yīng)均先增大后不變，同時林網(wǎng)較單林帶效應(yīng)增量變化趨勢也相同，分別為6.29%、7.99%和7.65%。另外，對于實際生產(chǎn)，4行基干林林網(wǎng)配置綜合防風(fēng)效應(yīng)最佳。

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Wind tunnel simulation for difference of the protective effect between farmland multiple shelter-nets and single shelterbelt

Zheng Bo,Liu Tong*,Zhu Lekui,Liu Zunchi,Sun Qinming,Zhang Lichun,Hao Xiaoran
(College of Life Sciences,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China)

Shelterbelt plays an important role in promoting the stable and high yield of crops by reducing wind speed and sand.However,many researches focused on single shelterbelt(CK)or shelter-nets(SN)solely,and ignored the whole productive effects of multiple SN.In this study,we examined three SN models of different rows configuration (4,6 and 8 rows).We subjected these models under wind tunnel simulation with different wind speeds (8,10,and 14 m/s)to estimate the difference of the wind field and the productive effects between SN and CK.The results showed that the difference of wind field between SN and CK focused on top height of shelterbelt,and little difference existed in ground layer.In addition,there were different ways of wind velocity recovering between SN and CK with horizontal distance increasing.Wind velocity recovering of SN was synchronized in different height;however the wind velocity of CK gradually recovered from top to bottom.With the wind velocity increasing,the productive effects of CK changed less but the productive effects of SN decreased.With the wind velocity increasing,the productive effects of single shelterbelt changes less,but the productive effects of SN decreases.Compared with the single shelterbelt,the increment of productive effects of SN decreased,and the effects were 7.99%,3.05%,and 2.38%in wind fields with 8,10,and 14 m/s speeds,respectively.The comprehensive productive effects of four rows SN was the best optimal configuration.The productive effects of CK and SN tended to constant after increase under the increase of the row of shelterbelt,and the increment of the productive effects were 6.29%,7.99%,and 7.65%in wind fields under 4,10,and 8 rows,respectively.Thus,with the advance of intensification and precision of agriculture,in order to reduce the shelterbelt redundancy and maximize economic benefits of crops,we should consider the overall effect of SN quantitativly when the shelterbelt is configured.

shelter-nets;single shelterbelt;wind tunnel;flow field;productive effect

S727.2

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.02.013

1007-7383(2017)02-0207-06

2016-03-29

國家科技支撐計劃項目(2014BAC14B02）

鄭波（1991-），男，碩士研究生，專業(yè)方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)，e-mail:403314256@qq.com。

* 通信作者：劉彤（1968-），男，教授，從事綠洲生態(tài)學(xué)研究，e-mail:mail：betula@126.com。