不同采收間隔雙排油莎豆（Cyperus esculentus）帶風場結構與防風效能的模擬研究

劉亞蘭， 李 磊， 魯 艷， 宋春武， 李向義， 曾凡江

（1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所新疆荒漠植物根系生態(tài)與植被修復重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測實驗站，新疆 策勒 848300；4.中國科學院大學，北京 100049）

我國是受土壤風蝕、沙漠化影響最嚴重的國家之一［1-2］，其中以旱作農田受干旱、沙化影響最為嚴重，嚴重制約了我國西部地區(qū)的經濟社會發(fā)展［3］。選擇一種既能適沙抗旱又能獲得一定經濟效益的作物，對有效利用我國西部干旱、半干旱區(qū)沙化土地、增加當地農民收入以及提高生態(tài)經濟效益具有重要意義。油莎豆（Cyperus esculentus）是原產于非洲的莎草科莎草屬多年生草本植物（作為作物時為一年生），根系發(fā)達，分蘗能力強，除能夠很好適應干旱、半干旱區(qū)的惡劣環(huán)境，其塊莖還可以榨油、制作食品，地上莖葉也可以作為優(yōu)質動物飼料，是一種兼具經濟效益及生態(tài)等功能的生態(tài)經濟植物［4］。因此，在我國北方風蝕沙化嚴重地區(qū)種植油莎豆不僅能夠有效遏制土壤風蝕，還能夠為當地帶來較高的經濟收入，促進生態(tài)環(huán)境改善和社會經濟發(fā)展。

一般來說，植被的覆蓋度越高，防風固沙效果越強［5-6］。前人的研究也表明，植被覆蓋低于40%時不能夠完全起到防風固沙的作用［7］。而對于油莎豆等生態(tài)經濟型農作物來說，不僅需要獲得防風固沙的生態(tài)效益，還需獲得相應的經濟效益，在其成熟后需要進行采收，植物覆蓋度也會隨之降低。但在農作物的采收過程中不可避免會對土壤產生一定破壞，同時覆蓋度減小，減弱植被的防護功能［8］。條帶狀的采收模式可以在保證最大防風固沙效益的基礎上獲得最大的油莎豆產量，確定合適的條帶采收間距是利用油莎豆獲得生態(tài)、經濟效益的基礎。一般來說，防護帶之間的間隔越小，植物防護帶對于風沙的防護作用越強［9-11］。例如，閆敏等［12］對不同帶間距下檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）防護林防風效能的研究發(fā)現(xiàn)不同帶間距下防護林帶的防護效果4 m＞6 m＞8 m。但也有研究表明，不同的阻沙材料及不同模型下，間距較小的模型阻沙量并未達到最大。例如，康向光等［13］以阻沙網的高度H為基本單位，對2H、5H、10H、15H 4種間距阻沙網的防風效果進行了研究，發(fā)現(xiàn)10H間距下阻沙網的阻沙量最大，2H和5H間距下的阻沙量最小。因此，間距對于不同材料模型的防風固沙效果具有不同影響。然而，目前關于不同條帶狀采收配置對于防風帶防風阻沙效果的影響主要集中于防護林與尼龍網阻沙帶的研究［10-11,13］，對于不同采收間距配置農田植物帶的防風效能研究較少，難以為干旱、半干旱區(qū)利用條帶狀種植模式種植油莎豆獲得較大的生態(tài)經濟效益提供科學依據。

對于農作物而言，采收間隔減小的情況下雖然植被覆蓋度增加，但經濟效益下降，不能激發(fā)農民的種植意愿，但采收間隔過大又會減少防風固沙的生態(tài)效益。因此，研究最佳的油莎豆條帶狀采收間隔配置模式，對于干旱區(qū)利用油莎豆減少農田風蝕、獲得較大產量、減少成本具有重要意義。本研究用行帶式油莎豆模型，采用風洞模擬實驗，測定不同采收間距油莎豆帶迎風面、帶中、背風面的風速變化及防風效能，以期闡明可以獲得最大防風效能和經濟效益的油莎豆條帶狀采收間距，為利用油莎豆種植進行防風固沙和增加農民經濟收入提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗設備

風洞實驗在中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣環(huán)境風洞實驗室進行。該風洞為直流開口式，洞長16.2 m，實驗段長8 m，橫截面為1.3 m×1.0 m，可調節(jié)實驗風速范圍為0.5～20 m·s-1。實驗模型由柔性仿真高草帶制成，單株油莎豆模型高8 cm，冠幅7 cm×8 cm，模型與野外實際種植油莎豆尺寸比例為1:12.5。在野外實際種植情況中，株距為20 cm，行間距為30 cm，帶寬100 cm。為最大程度模擬野外實際情況，設置株間距1.6 cm，行間距2.4 cm，三行一帶的模型配置。設置隔一帶采收一帶（H1）、隔一帶采收兩帶（H2）、隔一帶采收三帶（H3）3種不同采收方式的油莎豆風洞實驗模型。

1.2 實驗設計

本實驗設置6 m·s-1、8 m·s-1、10 m·s-13 種不同風速。3種實驗風速下，測定模型迎風面24 cm范圍內油莎豆帶內行間的中點以及背風面72 cm范圍內在風洞垂直縱剖面9 個高度處風速。9 個高度分別為1 cm、2 cm、3 cm、5 cm、7 cm、10 cm、15 cm、30 cm、50 cm。將迎風面測點記為負值，油莎豆帶和背風面為正，所對應的測點同時用油莎豆植物模型的高度（8 cm）的倍數表示。具體測點位置及風向見圖1，圖中標注橫坐標的位置為測點在床面的橫坐標，測量時皮托管放置在床面中間位置。其中0點位置為油莎豆帶起始位置，模型迎風面為油莎豆帶之前，背風面為第二條油莎豆帶以后。除在油莎豆帶前后設置測量點外，油莎豆帶中點也設置測點以更精確測量油莎豆帶對氣流的影響（圖1）。在測量時將不同模型及其之間的帶距作為一個整體，為了測量模型前后相同距離的防風效能及防護距離變化，故在測量時保證模型前迎風面距離為24 cm，模型后背風面距離為72 cm。風速采用微壓傳感器測定，測定時將皮托管移動到測點，停留5 min 記錄風速。

圖1 測點分布圖Fig.1 Distribution of measuring points

1.3 風速加速率及防風效能計算

1.3.1 風速加速率風速加速率是一種常用的表示氣流增強減弱程度的參數，能夠較好地顯示模型對氣流的影響，當風速加速率＞1.0時，表示油莎豆模型對氣流有加速作用；當風速加速率＜1.0時，表示模型對氣流有減速作用；當風速加速率=1.0時，表示油莎豆模型對氣流沒有影響［14］。其計算方式如下：

式中：aklh為風速加速率；k為風速大小；l為測點橫坐標；h為測點縱坐標；vklh為（l,h）點在k風速下的測量值；vkh為相應風速下對照風速。

1.3.2 防風效能防風效能是體現(xiàn)模型削減風速的一項主要指標，用于衡量模型對風速的削減程度。用各觀測點的平均風速與空風洞時該觀測點的初始風速之比得到防風效能（Eklh），公式如下［12-13］：

1.3.3 數據統(tǒng)計與分析利用Excel 2020 進行數據整理并計算風速加速率及防風效能；Surfer 17.0 繪制不同帶間距配置油莎豆模型流場結構圖；Origin 2019 繪制不同位置及高度油莎豆模型防風效能變化折線圖。SAS 9.4 軟件用于對數據進行單因素方差分析，并利用最小顯著極差法（LSD）進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同采收間隔油莎豆模型的流場及風速加速率變化特征

2.1.1 不同采收間隔油莎豆模型的流場結構分布特征由圖2 可以看出，在3 種油莎豆模型帶前迎風面，形成了垂直于油莎豆帶相對整齊的等風速線。當接近油莎豆植物模型時，0～20 cm 高度范圍之內各等風速線下移，說明風速在此有增加的趨勢。但在0～20 cm 高度以上，風速基本不變。在3 種不同模型中，0 點后0～10 cm 近床面風速均急劇衰減，在此高度形成風影區(qū)。并且，不同模型中油莎豆兩條帶之間均形成了極弱風速的旋渦，這可能是由于油莎豆帶模型對氣流的阻擋，在此范圍內形成了一定的靜風區(qū)域造成的［11］。在油莎豆帶上方20～30 cm范圍內，不同模型在6 m·s-1與8 m·s-1風速下均存在不同面積的較高風速區(qū)域，但在10 m·s-1風速條件下3 種模型的較高風速區(qū)域均未閉合，說明3 種模型對10 m·s-1強風的削弱能力較弱。而模型上方30～50 cm高度范圍內風速基本不變，這表示模型對這一區(qū)域的風速影響較小。在3種模型第二條油莎豆帶后，0～10 cm 近床面風影區(qū)強度隨著距離增加而逐漸削減。但H2與H3模型下的風影區(qū)強度與面積大于H1 模型，因此，H2 與H3 模型對于0～10 cm氣流的阻礙、削減作用要強于H1。并且，在油莎豆帶后24～32 cm范圍內，不同油莎豆模型均又形成了極弱風速的旋渦，這也是由于模型對于氣流的阻擋作用形成的。

圖2 6 m·s-1風速下垂直縱剖面流場結構Fig.2 Flow field structure of different plant models at 6 m·s-1 wind speed

由圖3及圖4可以看出，8 m·s-1與10 m·s-1風速下3種油莎豆模型風場結構與6 m·s-1風速下的風場結構相似，均在油莎豆模型前形成相對整齊的等風速線，在帶后近床面風速衰減，形成一定范圍風影區(qū)，并在油莎豆植物模型上方形成高風速區(qū)域。隨著風速增加，3 種模型風速線密度均有所增加。并且，油莎豆模型近床面風影區(qū)面積與強度均逐漸減小，而模型上方的高風速區(qū)域面積與強度均逐漸增加，此結果證明了先前研究中隨著風速增加，模型對風速削減作用降低的結論［9,11］。

圖3 8 m·s-1風速下垂直縱剖面流場結構Fig.3 Flow field structure of different plant models at 8 m·s-1 wind speed

圖4 10 m·s-1風速下垂直縱剖面流場結構Fig.4 Flow field structure of different plant models at 10 m·s-1 wind speed

2.1.2 不同采收間隔油莎豆模型的風速加速率變化特征不同風速下，不同油莎豆模型的風速加速率變化特征相似，以6 m·s-1風速為例進行說明。根據圖5可以看出，氣流在不同油莎豆模型前近床面0～10 cm高度范圍內形成弱減速區(qū)（加速率＜0.9），說明在油莎豆帶前同一高度，3 種油莎豆模型對于風速的削弱作用相對較弱。隨著距離增加，在0～10 cm范圍內，不同帶間距油莎豆模型形成了加速率均＜0.5的強減速區(qū)域，油莎豆模型對于氣流的阻擋作用在近床面最為明顯。3 種模型均在油莎豆帶上方20～30 cm 范圍內形成加速率＞1.1 的強加速區(qū)域且H2 及H3 模型強加速區(qū)域面積大于H1 模型，與圖1中風速變化趨勢相同。而在30 cm 以上，不同油莎豆模型上方均形成了大面積的加速區(qū)。并且，H2模型條件下加速率＜1.0的區(qū)域面積要大于H1和H3模型，加速率＞1.0 的區(qū)域面積要小于H1 和H3 模型，H2模型在這區(qū)域對氣流的阻擋作用為最強。

圖5 6 m·s-1風速下3種模型風速加速率Fig.5 Wind speed acceleration rates of three plant models at 6 m·s-1 wind speed

2.2 不同采收間隔油莎豆模型的防風效能及防護距離研究

2.2.1 不同采收間隔油莎豆模型的平均防風效能變化由于油莎豆模型對于氣流的阻擋作用主要發(fā)生在近床面，結合油莎豆模型高度及皮托管測量高度，本研究計算了0～10 cm 高度范圍內油莎豆模型在不同風速背風面的防風效能。根據表1 可知，隨著風速增加，不同模型的平均防風效能均減小，3種不同采收模型背風面，H2 與H3 模型在6 m·s-1、8 m·s-1、10 m·s-1的實驗風速下的防風效能顯著大于H1 模型，但H2 模型與H3 模型之間沒有顯著差異。H1模型對于氣流的削減作用最差，H2與H3模型的防風效果之間沒有顯著差異。

表1 不同風速下3種模型背風面平均防風效能Tab.1 Average windbreak efficiency of three plant models on leeside at different wind velocities /%

2.2.2 不同采收間隔油莎豆模型的防護距離分析

不同風速下，不同采收間距油莎豆模型的防風效能變化特征相似，以6 m·s-1風速為例在油莎豆模型背風側，H1 模型防風效能呈先減小后增加的趨勢，在24 cm 的范圍內＜50%，而在24 cm 處＞50%（圖6）。隨著距離增加，防風效能逐漸增加，并且在96 cm處達到最大，為86.3%。H2模型防風效能呈先增大后減小的趨勢，其防風效能在背風側8 cm＞50%，背風側64 cm處達到最大，為91.1%，并在104 cm處降至74.7%。H3模型防風效能在背風側同樣呈先增大后減小的趨勢，其防風效能在背風側8 cm＞50%，背風側48 cm 處達到最大，為88.2%，并隨之降低，在112 cm 處降至75.0%。并且，H1 模型帶間距僅為8 cm，H1 模型在0～8 cm 范圍內防風效能＜40%。H2 模型兩條油莎豆帶距為16 cm，H3 模型兩條油莎豆帶距為24 cm，H2與H3模型在兩條帶的間隔內防風效能均＞50%。相比H1 模型，H2 與H3 模型更能夠有效抬升流場，使兩條油莎豆帶間所有區(qū)域均處于保護之中。

圖6 6 m·s-1風速下0～10 cm高度油莎豆模型不同位置的平均防風效能Fig.6 Change of average windbreak efficiency of different plant model at 0-10 cm at 6 m·s-1 wind speed

3 討論

先前的研究表明，由于植物模型的摩擦、阻擋等作用［15-16］，氣流會被削弱。這與本研究結果一致，油莎豆模型阻擋了氣流，導致風速在近床面急速衰減。但在油莎豆帶上方，3 種不同模型均在模型上方形成了高風速區(qū)。這是因為當氣流遇到植物模型后，其中一部分被模型阻擋，受狹管效應的影響，會以“翻越流”的形式通過植物模型，從而在植物模型上方與原氣流匯合形成一個較高風速區(qū)域［17-19］。許多研究結果表明，間隔越窄防風植物防護帶對于氣流的削減效果越強［12-13］。但我們的研究結果表明，H2與H3模型下的風影區(qū)強度與面積大于H1模型，這與康向光等［13］的研究結果一致，可能是由于較大間隔情況下氣流更穩(wěn)定造成的［11］。在H1模型中，第一道油莎豆帶與第二道油莎豆帶之間存在一個風速較低的風影區(qū)，這可能是由于氣流在翻越第一道油莎豆帶后迅速被第二道油莎豆帶阻擋、氣流被迅速削減而在此區(qū)域形成不穩(wěn)定的紊流造成的。上述結果表明，H2 與H3 模型流場分布特征的穩(wěn)定性和防護效果均大于H1 模型。另外，不同風速下油莎豆不同模型的風場結構均相似，說明風場變化與風速無關，風速只對氣流加速區(qū)和減速區(qū)的強度有影響，這與先前的研究一致［17,20］。隨著風速增加，3 種采收模型下的風場結構等風速線密度增加，植物模型對風速的削減作用減弱［11,20］。

先前的研究表明，當風速加速率＞1.0時，模型對氣流有加速作用；當風速加速率＜1.0時，模型對氣流有減速作用［9,17,20］。但本研究結果顯示在不同風速下，不同采收間距油莎豆模型近床面的風速加速率均＜0.5，這與袁鑫鑫等［9］的研究結果一致，近床面加速率急劇減小，并且隨著高度增加，風速加速率增大，符合風速遞減率［17,20］。另外，H2 模型條件下加速率＜1.0 的區(qū)域面積要大于H1、H3 模型，加速率＞1.0的區(qū)域面積要小于H1、H3模型，說明H2模型對于氣流的阻擋效果最好。

植物模型主要是通過抬升流場、阻擋穿過模型的氣流來實現(xiàn)其防風作用［15,17］，不同模型在不同風速條件下的防風效能不同。通過分析不同風速下不同油莎豆模型防風效能可知，隨著風速增加，不同模型的平均防風效能均減小，與Rui 等［21］的研究結果相同。但與前人防護帶間距越大防風效能越低的研究結果不同［10］，本研究結果表明H2、H3模型的防風效能顯著大于H1模型。這可能是由于H1模型兩條油莎豆帶間距過近而造成了氣流的不穩(wěn)定。并且，H2與H3模型油莎豆帶之間間隔較大，抑制了氣流在穿過第一條油莎豆帶后的突然加速，避免了形成近地面的湍流［11］，從而提高了穩(wěn)定性。另外，不同模型防風效能并未在靠近油莎豆帶處達到最大，防風效能均在第二道油莎豆帶后達到最大。這可能是由于氣流在穿過油莎豆模型時因為摩擦出現(xiàn)紊流，氣流抬升在模型下方形成氣旋，從而形成了較大的風速，造成了第一道油莎豆帶與第二道油莎豆帶之間的防風效能減?。?1］。H1 模型兩條油莎豆帶間距僅為8 cm，在0～8 cm 范圍內防風效能＜40%。H2 模型帶間距為16 cm，H3 模型帶間距為24 cm，H2與H3模型在兩條帶的間隔內防風效能均＞50%。在實際情況中，由于采收時油莎豆帶連續(xù)存在，故只需考慮兩條油莎豆帶之間的防風效能，而上述的結果表明，H2、H3模型的防風效能要比H1模型高。

4 結論

（1）不同采收方式油莎豆模型流場結構相似，均在近床面內對氣流有削減作用。H2、H3 模型的流場結構穩(wěn)定性大于H1模型，在采收間距內，H2模型與H3 模型的防風效能均大于50%，H1 模型小于40%，且H2 與H3 模型的防風效能之間沒有顯著差異。

（2）從防風固沙的生態(tài)效益來看，H2采收模型為最佳。但從經濟效益來看，H2模型的采收面積較小，經濟收入下降，不能在獲得一定防風固沙效益的同時為農民提供較高的經濟效益。

（3）因此，綜合防風固沙的生態(tài)效益與增加收入的經濟效益來看，H3模型為建議的采收方式。另外，作為農田作物防風固沙的研究，我們的模型也可用于與油莎豆相似的其他作物，能夠為干旱、半干旱區(qū)在利用農作物和經濟作物進行防風固沙的研究提供參考。