ECOLOGICAL LANDSCAPE EFFECTS OF WINDBREAK SYSTEMS IN DESERT ZONE OF WESTERN CHINA

This paper, by applying the theories of landscape ecology, illustrates the role and mechanism of windbreak system in the establishment and maintenance of oasis ecosystem on the basis of systematic analysis of characteristics and ecological crises of China's desert, and especially of desert zone in western China. Furthermore, direct economic benefits are summarized.

木麻黄基干林带对台风“杜苏芮”的防风效应

为了解海防林对台风的防护效应,以惠安赤湖国有防护林场监测站收集的“杜苏芮”台风登陆前后的气象数据为材料,分析了台风登陆前后近地层的风速、风向、湍流强度、防风效能和气流加速率等的特征规律。结果表明:(1)台风登陆前后的平均风速和风向时程变化特征满足了台风眼区经过的条件,平均风速曲线呈“M”形双峰分布,通过采集到的台风眼区、眼壁和外围强风的完整风况数据,完整展示了台风经过林带前后风速、风向的演变过程。(2)湍流强度的时程整体变化趋势随着台风靠近和离去呈现增大-减小-剧增-回落的过程,尤其台风后风圈影响的区域,湍流强度剧烈增大,强度可增大2倍以上。(3)向岸风在垂直方向上,弱风或强风的防风效能随高度增加而降低,高度相同,林带后弱风的防风效能小于强风;水平方向上,林内及林带后1H和5H处防风效能最好,在高度3 m平均防风效能为49.57%~93.93%,在高度9 m平均防风效能为44.04%~90.10%。离岸风在垂直方向上,随着气流靠近林带,弱风或强风的气流加速率随高度增加而增大,林带后1H高度3 m气流加速率平均为0.2193,高度9 m气流加速率平均为0.3242,林内气流加速率达到最低值;而风越过林带后,弱风风速恢复到88%左右,强风的气流则有个加速的过程。

塔里木河下游荒漠河岸林近地表沙尘通量及粒度特征

[目的]分析主导风向下塔里木河下游阿拉干断面天然胡杨河岸林迎风面和背风面的沙尘输沙量及粒度特征,为该区天然河岸林防风固沙提供理论依据。[方法]利用BSNE梯度集沙仪采集两个迎风面样地(Y_(1),Y_(2))和两个背风面样地(B_(1),B_(2))近地表10,30,50,100和150 cm这5个高度的沉积物,再由Microtrac S3500激光衍射粒度分析仪测定沙样粒度特征。[结果]①4个样地沙尘水平通量皆遵循幂函数或指数函数分布,总输沙量呈现:Y_(1)>Y_(2)>B_(1)>B_(2),各样地随着离地表高度的增加输沙量呈减少趋势。②背风面相较于迎风面输沙量降幅在35%~80%之间,说明塔里木河下游天然胡杨河岸林具有较显著的防风固沙效益。③各高度沙粒平均粒径为80~93μm,以极细沙为主,粒径频率曲线呈单峰分布,沙尘组成简单,以局地沙源为主。[结论]研究区天然胡杨河岸林背风面输沙量低于迎风面、平均粒径小于迎风面、分选性优于迎风面、峰态窄于迎风面、偏度稍小于迎风面。因此胡杨河岸林防风固沙效益较显著,可作为减少研究区风沙天气危害的有效措施。

不同种植点配置的梭梭林防风效应的风洞试验

【目的】梭梭是我国干旱区造林的关键树种,探索合理的种植点配置以提升林带的防风效应,应对沙区风沙频繁的危害。【方法】本研究以梭梭林为研究对象,通过风洞模拟试验,对种植点配置发生变化时的流场和防风效应进行了研究。试验共设计了A_(Ⅰ)、A_(Ⅱ)、B_(Ⅰ)、B_(Ⅱ)4种不同种植点配置的林带(A:品字形;B:矩形;Ⅰ:株距34 cm、行距17 cm;Ⅱ:株距17 cm、行距34 cm)。【结果】(1)种植点的间距和排列方式均不同程度地影响林带的防风效应,对于同一排列方式,“小株距、大行距”型林带风速减速区与弱风区的面积均大于“大株距、小行距”型林带,即A_(Ⅱ)>A_(Ⅰ)、B_(Ⅱ)>B_(Ⅰ);对于同一间距,品字形林带的风速减速区与弱风速的面积均大于矩形林带,即A_(Ⅰ)>B_(Ⅰ)、A_(Ⅱ)>B_(Ⅱ)。(2)间距比排列方式对防风效应的影响更为明显,防风效应由大到小的排序为:A_(Ⅱ)>B_(Ⅱ)>A_(Ⅰ)>B_(Ⅰ)。(3)A_(Ⅱ)型林带防风效应最好,但带后风速恢复速率最大。【结论】不同种植点配置的梭梭林垂直及水平流场、风速变化和防风效益差异显著,在生产实践中,当造林密度一定时,建议优先选用“小株距,大行距”的品字形配置方式。

农林废弃物在防风固沙中的应用研究

土地沙化是全球面临的主要生态问题之一,严重影响社会生产生活。寻求经济合理、方便高效、生态环保的防风固沙材料对沙化治理有着至关重要的作用。农林废弃物数量巨大、可再生,其再利用对降低垃圾处理压力、实现资源高效化利用有积极意义。同时,农林废弃物能改善土壤理化性质,对沙化治理有一定可行性。论述了农林废弃物在防风固沙研究中的主要应用形式及特点,包括工程固沙、化学固沙及生物固沙方面的相关研究成果,并对今后进一步研究提出了建议,以期为农林废弃物在防风固沙领域的应用研究提供参考。

综合防风固沙体系设计参数优化研究

基于Fluent欧拉-拉格朗日模型,对由立面网板及前期设计的环保固沙砖沙障相结合的新型综合防风固沙体系风沙流场进行数值模拟研究。研究结果表明,综合防风固沙体系中阻沙措施(立面网板)可有效改善原始流场形态,防护高度在1.2倍立面网板高度以下;大粒径砂粒大部分沉积在固沙砖沙障之间,且体系后区域砂粒浓度明显减小,具有良好的风沙净化作用;当立面网板与固沙砖沙障设计间距为5~10 m时,固沙砖沙障内部易形成良好涡旋,有利于砂粒聚集;随着间距变化,综合防风固沙体系有效安全距离呈现先减小后增大的趋势;当固沙砖沙障铺设位置超过阻沙措施原有遮蔽距离后,两者将失去协同防护作用。综合考虑流场情况及防护距离,立面网板与固沙砖沙障设计间距建议设定约10 m。

低覆盖度不同配置灌丛内风流结构与防风效果的风洞实验

低覆盖度灌木群丛是干旱、半干旱区广泛分布且具有重要意义的植被，也是人工修复沙地应遵从的植被。通过风洞试验模拟了覆盖度在20％左右的三种水平配置格局的灌木群丛内风流结构与防风固沙效果。结果表明：①水平配置格局不同，低覆盖度灌木群丛的防风效果差异显著，行带式模式具有非常显著的阻碍和降低风速的作用（风速降低36％～43％）；等株行距模式次之，风速降低7％～28％；随机不均匀配置模式内局部有风速抬升现象，②行带式模式内形成规整的随灌丛带波动的流场结构，而随机不均匀配置模式内形成由多个风影区和风速加速区组合的非常复杂的流场结构，等株行距模式居于二者之间。③带间宽度在56cm和64cm时的防风效果较带宽为32cm和40cm好。说明覆盖度降低到11％～13％，行带式模式的防风效果仍然不会降低。④两行一带配置均表现防风效果优于单行配置，且随试验风速的增大防风效果更好。

行带式柠条固沙林防风效果

传统观点研究认为：植被覆盖度低于40％，沙地处于半固定半流动状态．但在实践观察中发现：在低密度（或覆盖度）时，灌丛的水平分布格局对固定流沙和阻止风沙流的作用差异显著。以低覆盖度（20％-25％）的柠条固沙林为研究对象，采用多点式自记风速仪（GB-228），在2。4月份的盛风季节，测定了行带式配置和随机分布的柠条固沙林以及完整的行带式配置和其中一带出现缺口的行带式固沙林内不同部位、不同高度的风速．统计分析风速测定结果发现：（1）当覆盖度在20％-25％时，行带式配置的柠条固沙林内的防风效果比同覆盖度随机分布的在20cm高处高48．4％；50era高处高30．7％；200cm高处高27．4％，且风速越大，行带式配置降低风速的效果越显著，当200cm高风速达到6—7m／s时，行带式的平均防风效果比同覆盖度随机分布的高48．2％；反映出在低覆盖度时，灌丛的水平分布格局成为制约固沙林沙防风效果的重要因素，行带式配置具有显著的防风效果；（2）在灌丛与灌丛之间形成的类似“狭管”流场的局部，有提升风速的作用，导致其林内观测的风速有约41．3％的观测结果超过旷野对照风速，行带式配置的柠条固沙林内没有一个观测结果超过对照风速；这个结果反映出随机分布的柠条固沙林内流场结构复杂、变化多样，也成为低覆盖度时，沙地处于半固定、半流动状态，疏林内同时存在风蚀和积沙和缺口处风速升高的重要因素；（3）行带式配置林内地表粗糙度比随机配置的高5．4-114．4倍，说明行带式配置具有显著的防止风蚀、固定流沙的作用；（4）行带式林内出现断带缺口处，其缺口处的风速降低有明显的累加现象；风速抬升现象在一定程度受到制约。这些结果为发展低覆盖度行带式配置的固沙林提供重要的科学依据。

不同分布格局低覆盖度油蒿群丛防风效果

以低覆盖度(约20%)油蒿群丛为研究对象,采用多点式自记风速仪,研究行带式配置和随机分布的防风效果。结果表明:1)行带式配置的油蒿群丛的防风效果大于同覆盖度的随机分布的油蒿群丛,行带式配置具有显著的防风效果;2)在灌丛与灌丛之间形成的类似"狭管"流场的局部,有局部提升风速的作用,导致群丛内局部风速大于对照风速,致使随机分布的油蒿群丛内流场结构复杂、变化多样,低覆盖度时,沙地处于半固定、半流动状态,稀疏群丛内同时存在风蚀和积沙现象;3)除去两个极值后,行带式配置的油蒿群丛内平均地表粗糙度是随机配置的4倍,平均摩阻速度是随机配置的1.3倍,说明行带式配置具有显著的防止风蚀、固定流沙的作用。

低覆盖度固沙林的乔木分布格局与防风效果

低覆盖度植被是我国干旱、半干旱区经过漫长的自然演替过程逐步发育形成且广泛分布的植被类型。前人研究认为,植被覆盖度达到40%为固定沙地,40%—20%为半固定-半流动沙地。但在实践观察中发现:在低密度(或覆盖度)时,灌丛的水平分布格局对固定流沙和阻止风沙流的作用差异显著。在干旱区、半干旱区,存在着大量天然的乔木疏林,其覆盖度均在低于40%,地表处于半流动状态,而配置成行带式后,即使覆盖度降低到20%时,地面也不会出现风蚀现象。因此,在内蒙古浑善达克沙地,针对覆盖度在20%左右的乔木疏林,同时测定了随机与行带式两种分布格局的防风阻沙效果。结果表明:(1)在不同的对照风速下,行带式配置的林内的相对风速均低于随机分布,其中在200 cm高度处行带式配置的平均相对风速比随机分布的低53.89%,在50 cm高度处低36.82%;(2)行带式林内的水平风速流场变化有一定规律,而随机分布林内风速流场变化主要受树冠在空间的分布影响,变化非常复杂;(3)随机分布的疏林内出现风速超过旷野对照的现象,在50 cm和200 cm的两个观测高度上分别有约27.45%和22.55%的风速测定值超过对照风速,说明出现明显的局部风速"抬升"现象,形成了强的涡流;(4)行带式配置林内的平均地表粗糙度达到1.01 cm,比随机分布的疏林内增大约5倍之多;(5)总体而论,行带式分布格局第1带降低风速的作用最显著,第2带及其以后各带间的风速均比第1带后的风速小,但逐带降低的叠加效益不明显;(6)由于乔木基本(枝下高)没有枝条对风的阻碍,乔木行带式固沙林在迎风面的第1林带的基部有一定的风力"抬升"作用,对林带基部地面产生较强的侵蚀作用,多数第1带树木的根系被侵蚀裸露,过境的风沙流只能在林带后树冠外侧堆积;(7)随机分布林内在许多位置出现了非常低的地表粗糙度,地表粗糙度低的位置基本与风速"抬升"区相吻合,这种"抬升"区形成的强的涡流是疏林内出现风蚀坑的重要因素,这也是浑善达克沙地出现榆树与风蚀坑相间分布的主要原因。

两行一带式乔木固沙林带风速流场和防风效果风洞试验

研究在风速为10和15m.s-1的风洞试验条件下,覆盖度为20%和25%的3种两行一带模式固沙林内的水平和垂直方向的风速变化情况,以期对3种模式的风速流场和防风效果进行比较分析。结果表明:3种配置模式在0.31H高度形成了风影区和风速加速区相互组合的复杂流场结构,覆盖度25%的两行一带模式的防风效果高于覆盖度20%的两行一带模式。3种模式在不同高度的风速变化规律相同,可划分为3层:微变化层(1.54H和2H)、显著变化层(0.46H和0.92H)和稳定变化层(0.06～0.12H)3个层次。3种模式降低风速的效果为:D=4H(H为带间距)L=4cm(L为行距)模式大于D=5H,L=0.08m模式和覆盖度20%(D=5H,L=0.04m),后2种模式相同。

北方旱区农田防护林防风效应研究

【目的】揭示防护林带的疏透度(β)、宽度、高度、风向与林带夹角等因子对农田防护林防风效应的影响。【方法】利用PC-3型便携式可移动自动气象站,采用多点观测方法对干旱、半干旱土壤风蚀区的林带结构和防风效应进行调查,分析不同林带疏透度、宽度、高度以及风向与林带夹角对风速变化的影响。【结果】稀疏型结构的林带防风效应最佳,最高达34.27%,平均为32.69%;疏透型次之,为25.12%;通风型最差,为20.98%。β为0.30~0.50的林带防风效应最佳,且林冠层和林干层疏透度存在差异时防风效应较好。风向与林带夹角的正弦值与防风效应呈正相关;β为0.30~0.50时,宽度为2H^5H(H为林带平均高度)的林带防风效应相差不大,超过5H时林带的防风效应随其宽度的增加而迅速减弱;当气流进入林网区域后,风速在前4条林带呈减弱趋势,减弱幅度最大的是第1条林带,在第4条林带后风速开始恢复。【结论】林带的疏透度、宽度、高度和风向是决定单条林带防风效应的主要因子。

吉林水田防护林防风效能及其影响因子分析

对吉林省西部水田防护林10条典型林带的结构因子和防风效能进行调查,分析了林带结构因子与防风效能有效防护距离的相关关系。结果表明,林带结构不同,导致林带的防风效能差异显著,并且依据防风效能将水田防护林分为3类：Ⅰ（3、4、6、8）、Ⅱ（2、7）、Ⅲ（1、5、9、10）,有叶期防风效能（E有叶期）和无叶期防风效能（E无叶期）较好的林带分别为第3、4、6、8条林带.林带的有效防护距离是-60-160m。第3、4、6、8条林带结构的防风效能较好。防风效能与林带结构因子分析表明,枝下高、β有叶期、β无叶期与E有叶期和E无叶期呈显著正相关,胸径与防风效能呈负相关,而且其枝下高、β有叶期、β无叶期适宜值范围分别为4-7m、0.31-0.39和0.63-0.75之间,胸径的适宜范围为〈32cm。

旷野风速对林网内风速分布及防风效能的影响

为了揭示旷野风速对农田林网内风速分布及防风效能的影响,通过空间多点实地观测,利用传统统计分析、Surfer软件、地统计学等方法对3种风速(5.4,7.2和10.3m/s)条件下的林网内风速分布及防风效能进行了分析。结果表明,3种旷野风速下主林带的背风面均形成一个较大范围的降风区;3种旷野风速下林网平均降低风速效能为26.1,23.3和25.7%,平均有效防护面积比为50.8%,41.7%和47.7%,林网的总体防护效能在风速为5.4m/s时为最大,风速为7.2m/s时为最小;3种不同旷野风速下林网风速空间变异函数均可以较好地拟合为球状模型,3种旷野风速下网格内风速块金值与基台值的比值较小,均小于25%,林网内风速均具有强烈的空间自相关性。旷野风速对林网内风速分布及防风效能的影响比较复杂,并不是单一的随着风速的增大而增大或减小,受林带结构及疏透度的影响较大。

低覆盖度下两种行带式固沙林内风速流场和防风效果

研究在风速为10m/s和15m/s的风洞实验条件下,覆盖度为20%和25%的单行一带和两行一带模式乔木固沙林内的水平和垂直空间的风速变化情况,达到对两种不同模式的风速流场和防风效果进行比较分析的目的。通过分析得出:两种配置模式都形成了风影区和风速加速区相互组合的复杂的水平流场结构。两种模式对垂直空间风速影响相近,根据对不同高度风速的不同影响划分为微变化层(20-35 cm)、显著变化层(6-12 cm)和稳定变化层(0.4-3 cm)层次,两种模式在这几个层次风速表现出相同的变化规律。两行一带模式在第一带前降低水平空间风速的效果低于单行一带模式,第一带后高于后者。降低垂直空间风速规律为:对0.4-50 cm高度的风速均有一定的降低作用,0.4-12 cm高度的风速的降低效果较显著,且两行一带模式降低近地表(0.4 cm)风速的效果要高于单行一带模式。

科尔沁沙地人工杨树(Populus simonii)林生态防风效应研究

通过4～7月对人工杨树林迎风和背风区6倍树高处0.25,0.5,1,2m4个高度风速廓线的观测,定量评价了林地对不同风向及同风向不同风速的生态防护效应,探讨了林地叶面积指数的季节变化对林地生态防风效应的影响。主要结论是:(1)各月可蚀风(风速≥4m/s)的出现频率及风速特征明显不同,4月和5月可蚀风的出现频率及平均风速显著高于6月和7月。(2)各月不同风向的出现频率及风速特征明显不同,4月以SSW、NNW、NW、S、WNW、N和WSW风为主,5月以NW、NNW、W、WSW、WNW和SW风为主,6月以S、SSW、ESE和NNE风为主,7月以SSW、S和SW风为主。(3)杨树林对N、NNE、NE、ENE和NNW风的生态防护效能最好,对NW、E、SW、WSW和W风的防护效能次之,对SE、SSE、S和ESE风的防护效能最差。(4)观测期内林地叶面积指数与0.25,0.5m两个高度的平均风速减弱系数呈显著正相关,其关系可分别用对数和指数函数来描述,而与1,2m两个高度的平均风速减弱系数呈显著非完全正相关,其关系可用三次曲线来描述。

基于风速流场分析的乌兰布和沙漠绿洲防护林防风效果研究

【目的】基于风速流场分析方法对比乌兰布和沙漠绿洲5种典型配置结构防护林的防风效果,通过量化不同林网内的风速流场分布特征,分析各林网内的风速统计参数,进一步优化防护林配置结构,以期为干旱区绿洲防护林建设提供理论依据和参考模板。【方法】在乌兰布和沙漠磴口绿洲防护林中,选取5种不同配置结构林带的防护林林网为研究对象(紧密型乔木林网1,疏透度为0.13;疏密型乔木林网2,疏透度为0.24;疏透型乔灌混交林网3,疏透度为0.27;通风型乔木林网4,疏透度为0.39;疏透型乔木林网5,疏透度为0.27),在林网内采集多点同步风速数据信息,结合地学和统计学分析方法,分析不同林网内的风速流场特征、风速分布统计参数和防风效能等。【结果】研究表明5种防护林林网其防风效能范围各不相同,林网1为65%~95%,林网2为67%~85%,林网3为46%~82%,林网4为44%~67%,林网5为56%~72%。其中2行乔木构成的疏密型林网2防风效能在67%以上,具有较高的防风效益和节约水土资源优势;由2行乔木2行灌木混交林带构成的林网3,当防风效能为60%时,其防护面积是2行纯乔木林带(林网4)的2.47倍,具有较好的防护效益和应用推广前景。【结论】乌兰布和沙漠绿洲中由2行乔木构成的疏密型林网和"窄林带,小网格"配置的乔灌混合林网均发挥了较好的防风效果。

上海市郊沿海防护林防护效应的研究

为分析上海市郊沿海防护林的防护效应,于2009年夏季对人民塘水杉(Metasequoia glyptostroboides Hu et Cheng)基干林带前后不同观测点的风速、气温和空气相对湿度等气候因子进行了观测,并对该林带前后1 km处的防台风效应进行了比较;另外,以滨海森林公园的红叶椿(Ailanthus altissima‘Hongye’)林分为观测对象,比较分析了林带内不同垂直高度处的防风效应。结果表明,水杉基干林带具有明显的防风效果,林带内至林带后65 m范围内的风速较林带前均有不同程度的下降,以林带后25 m处的风速最低;在"莫拉克"台风登陆期间,水杉基干林带在较大尺度上具有明显的降低风速的作用;水杉基干林带在一定程度上能降低局部气温、提高空气相对湿度,以林带内的气温最低、空气相对湿度最高,从而达到改善林后小气候的作用。红叶椿林分内不同垂直高度处的防风效应有一定的差异,其中垂直高度2 m处的风速最大,而树冠处(垂直高度5 m)的风速最低。

南沙沿海防护林对“韦森特”台风的防护效应

台风是影响我国沿海及内陆地区重要的天气系统,为了探索、了解沿海防护林对登陆台风强风过程的湍流特性的影响及其防风效应,本研究利用设置在南沙沿海防护林临海边和相距70 m的林内自动气象站实时观测了2012年的1208号"韦森特"台风过程中气象因子的时程变化,重点分析了"韦森特"台风过程强风时段的平均风速和风向特征。研究发现"韦森特"台风过程的风速时程曲线出现两次极值风速,呈M型变化,强风风向角出现大幅度的转换;南沙沿海防护林对"韦森特"台风最大风速减弱系数为0.58,对整个台风过程的风速减弱系数为0.7,林内和海边的平均湍流强度比值为1∶2.25,南沙沿海防护林对"韦森特"台风的防风效应明显。

东北地区农田防护林高效多功能经营的指标体系及标准研究

从单条林带和林网两个尺度出发 ,建立了农田防护林高效多功能经营的指标体系 ,并通过分析各个指标之间的机理关系 ,提出了 9个主要评价指标 .对于单条林带 ,用林带疏透度、有效防护距离、初始防护成熟龄、防护成熟期、林带产投比、更新方式等可作为度量林带经营状态的指标 ;对于林网体系 ,用林网带斑比、林网连接度、环度、林网优势度等可作为度量林网经营状态的指标 ;依据主要指标的数量化界定 ,提出了农田防护林高效多功能经营的标准 ,可进行综合评价 .这些评价指标及其标准 ,在宏观上确定了主要林网体系的布局 ,在微观上确定了单条林带的结构 ,成为衡量是否可持续经营的依据 ,为其高效多功能经营提供了导向 .