全 文 ：东北地区农田防护林结构对林网内积雪分
布格局的影响 3
范志平1 3 3 　曾德慧1 　陈伏生1 　朱教君1 　姜凤岐1 　沙建国2
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016 ;2 辽宁省葫芦岛市水利局水土保持办公室 ,葫芦岛 125000)
【摘要】　东北地区冬季降雪是农田土壤水分的重要来源. 探索农田防护林结构对林网内积雪分布格局的
影响 ,是经营实践中如何依据疏透度指标来指导农田防护林结构调控的关键问题. 通过由 3 个不同疏透度
林带组成的林网内积雪深度的测定 ,对农田积雪分布格局进行了研究. 结果表明 ,林网的结构对农田积雪
分布产生较大影响. 疏透度不同的林网内积雪分布的空间格局有明显差别 ,而且疏透度差异越大 ,分布格
局的差异越显著. 其中 ,在疏透度为φ2w = 0. 579、φ2s = 0. 268 的林网内 ,农田积雪分布比较均匀 ,总体上整
个农田积雪深度较为一致. 这样 ,可依据疏透度与积雪分布格局的这种关系 ,指导冬季防护林带的结构调
控与优化经营.
关键词 　农田防护林 　疏透度 　积雪深度 　分布格局
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 02 - 0181 - 05 　中图分类号 　S715. 5 　文献标识码 　A
Influence of shelterbelts structure on snow distribution pattern in shelternets in Northeast China. FAN Zhip2
ing1 , ZEN G Dehui1 , CHEN Fusheng1 , ZHU Jiaojun1 , J IAN G Fengqi1 ,SHA Jianguo2 (1 Institute of A pplied E2
cology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 , China ;2 Soil and W ater Conservation Of f ice in Irri2
gation Works B ureau , Huludao City , L iaoning Province , Huludao 125000 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,
2004 ,15 (2) :181～185.
The amount of snow that falls in farmland during winter in Northeast China is the important source of soil water
in farmland , so the influence of shelterbelt structure on snow distribution pattern is the key problem in order to
adjust structure of shelterbelts according to porosity in management practice. Based on snow depths in shelternets
composed of shelterbelts with three levels of porosity , which were shelternet No. 1 , shelternet No. 2 , and shel2
ternet No. 3 , the snow distribution patterns in farmland were studied. The results showed that the structure of
shelternet had great influence on snow distribution in farmland. With different levels of porosities , spatial pattern
of snow distribution were obviously different in three shelternets. The more variant in porosity , the more obvious
difference in snow distribution pattern , and the best uniformity of snow distribution appeared in shelternet with
porosity ofφ2w = 0. 579 ,φ2s = 0. 268 , in which snow depth in farmland was relative even and the variability of
snow depth was the least . Consequently , the relationship of porosity of shelterbelt with snow distribution pattern
could be used to guide structure adjustment and optimization management of shelterbelts.
Key words 　Windbreaks/ shelterbelts , Porosity , Snow depth , Distribution pattern.3 国家自然科学基金 (30100144) 、中国科学院知识创新工程重要方
向项目 ( KZCX32SW2418)及中国科学院沈阳应用生态研究所知识创
新工程资助项目 (SCXZD0102201) .3 3 通讯联系人.
2003 - 06 - 11 收稿 ,2003 - 10 - 20 接受.
1 　引 　　言
大气中的传热与传质 (如水气、CO2 、雪、尘等)
主要决定于湍流的结构与运动[1 ,3 ,9 ,10 ,11 ,14 ] ,因此在
冬季多风的平原地区 ,不同的农田防护林网结构具
有不同的空气动力效应 ,对积雪分配起着决定性的
作用[8 ] . 然而目前农田防护林研究主要着眼于生长
季节林带结构与功能的研究 ,往往忽视了冬季林带
结构与各种功能的关系 ,特别是林带结构与积雪分
配关系的研究在我国进行得很少[2 ,12 ] . 因此 ,探索
林带疏透度与积雪分配之间的关系 ,进而揭示农田
防护林结构对林网内积雪分布格局的影响 ,是经营
实践中如何依据疏透度指标来指导农田防护林结构
调控的关键问题[4～7 ,13 ] .
2 　研究地区与研究方法
211 　试验设置
本试验在辽宁省昌图县宝力镇进行 . 选择 3 个林网进行
观测 ,其林带的树种组成、林带宽度、高度都基本相同. 林带
由 4 行杨树组成 ,株行距 2. 5 m ×2. 5 m ,平均高度 7 m ,平均
胸径为 6. 71 cm ,带间距 450 m. 3 个林网面积相同. 疏透度
主要是通过修枝和间伐来确定. 通过人为调控 ,将供试林网
各带调整到试验要求的范围 ,这样形成 3 种不同结构的林
应 用 生 态 学 报 　2004 年 2 月 　第 15 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2004 ,15 (2)∶181～185
网 ,供对比研究. 为了分析方便 ,把林带结构调控后 ,编号为
1、2 和 3 号林网. 其中 1 号林网的 4 条林带 ,有叶期平均透光
疏透度φ2w为 0. 156 ,无叶期平均透光疏透度φ2s为 0. 393 ,为
确定这种疏透度 ,对应的修枝高度为 1. 5 m ,并对冠层侧枝
进行了间疏 ;2 号林网的 4 条林带有叶期平均透光疏透度φ2s
为 0. 268 ,无叶期平均透光疏透度φ2w为 0. 579 ,林带由杨树、
榆树和花曲柳灌木组成 ,整个林带无明显的冠层和干层分
界 ,林带整个断面上下疏透度较为均匀 ;3 号林网的 4 条林
带 ,有叶期平均透光疏透度φ3s为 0. 430 ,无叶期平均透光疏
透度φ3w为 0. 723 ,是紧密结构林带 ,未间伐过.
212 　林网内积雪分布的观测
　　林网内积雪深度在固定的观测点上进行观测. 观测点在
林网内按照一定的矩阵设置 ,由垂直于主副林带的直线交点
确定 ,交叉直线分别为 0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、
24、26 和 28H 处的垂直线. 积雪深度用粗 1. 2 cm、长 100 cm
的 PVC 管进行观测. 在降雪前 ,将 PVC 管固定在观测点上 ,
并标记刻度. 观测从降雪后开始 ,在整个冬季进行 ,以固定间
隔期测定各观测点的积雪深度 ;用 MA TLAB 程序对观测数
据进行插值运算、绘图 ;利用常规的数理统计与地统计学相
结合的方法 ,对积雪深度数据进行了分析.
3 　结果与分析
311 　积雪深度数据的空间展点
　　积雪深度数据采集是以空间方式设计的 ,每个
抽取的积雪深度样本数据有其空间位置 ,林网内积
表 1 　林网内积雪深度样本数据空间展点
Table 1 Spatial scatter plots of snow depth data in the f ield of shelternet
样地号
No. Y↓ 积雪深度空间数据 Spatial scatter plots of snow depth data (cm)
1 号 :林带透光疏透度 28H 14. 0 14. 3 14. 4 14. 3 15. 0 13. 7 13. 0 13. 2 13. 3 13. 1 13. 9 14. 1 14. 2 15. 0 15. 0
无叶期 0. 393 ,有叶期 0. 156 26H 15. 2 20. 0 21. 0 22. 0 22. 0 20. 0 18. 0 20. 7 22. 0 15. 0 16. 7 23. 0 18. 0 14. 5 17. 0
No. 1 :Average porosity of shelterbelts 24H 15. 1 21. 0 18. 6 12. 0 12. 0 12. 0 17. 8 14. 0 13. 0 23. 0 12. 0 14. 2 14. 0 18. 0 16. 0
Leaf period :φ1w = 0. 393 ,Aphyllous period : 22H 15. 1 22. 0 15. 0 9. 5 10. 4 16. 4 18. 0 17. 0 12. 0 16. 0 11. 0 10. 1 11. 4 14. 0 12. 0
φ1s = 0. 156 20H 15. 0 22. 0 18. 3 9. 5 8. 3 11. 3 9. 0 10. 4 9. 0 8. 2 7. 7 10. 3 14. 0 14. 0 11. 3
18H 14. 9 22. 0 17. 0 9. 7 6. 4 8. 0 7. 3 6. 0 5. 3 4. 7 6. 3 11. 0 17. 0 14. 0 13. 0
16H 14. 8 21. 4 16. 0 9. 4 5. 8 3. 8 4. 0 3. 6 2. 2 2. 2 6. 0 9. 2 12. 0 16. 0 15. 8
14H 15. 0 21. 4 16. 4 9. 4 6. 0 2. 2 4. 3 3. 8 9. 0 3. 3 5. 5 8. 3 12. 0 19. 0 16. 0
12H 15. 0 22. 0 16. 0 9. 6 5. 9 2. 2 7. 0 6. 0 7. 8 3. 0 5. 6 10. 0 14. 0 22. 0 13. 0
10H 13. 4 19. 7 13. 0 9. 4 5. 2 2. 0 5. 8 5. 0 3. 9 1. 9 6. 0 11. 3 16. 4 18. 0 12. 0
8H 13. 0 19. 0 16. 0 9. 2 6. 3 3. 0 2. 0 4. 0 4. 0 4. 6 7. 5 11. 8 15. 7 13. 3 13. 0
6H 13. 2 19. 0 19. 7 10. 6 7. 0 5. 8 6. 0 7. 3 7. 8 8. 0 8. 4 10. 6 13. 0 18. 4 13. 0
4H 13. 1 19. 3 20. 0 12. 0 11. 0 12. 0 9. 9 10. 8 12. 3 12. 0 11. 4 13. 0 18. 6 19. 7 14. 0
2H 13. 0 19. 0 18. 3 16. 7 20. 0 19. 0 17. 8 16. 0 12. 0 12. 0 16. 0 20. 0 21. 4 18. 0 13. 0
0H 15. 0 17. 0 14. 0 11. 2 11. 5 12. 0 12. 0 12. 0 11. 8 11. 6 12. 0 13. 0 15. 6 14. 0 12. 0
2 号 :林带透光疏透度 28H 5. 0 10. 5 11. 0 8. 0 7. 4 7. 6 8. 0 9. 9 7. 8 7. 6 8. 3 7. 6 8. 0 8. 0 7. 4
无叶期 0. 579 有叶期 0. 268 26H 5. 6 9. 6 11. 3 8. 6 5. 8 5. 3 5. 8 9. 6 6. 0 5. 7 5. 4 5. 3 5. 2 5. 0 8. 0
No. 2 :Average porosity of shelterbelts 24H 5. 8 12. 0 14. 4 12. 0 8. 0 9. 0 11. 0 11. 4 11. 4 10. 6 9. 7 7. 0 7. 4 8. 7 9. 3
Leaf period :φ2w = 0. 579 ,Aphyllous period : 22H 6. 0 9. 3 12. 0 12. 0 11. 6 12. 0 12. 2 13. 0 14. 0 14. 0 12. 7 11. 8 12. 0 11. 0 12. 0
φ2s = 0. 268 20H 6. 7 12. 0 11. 6 10. 0 12. 0 14. 0 17. 0 13. 5 16. 3 14. 6 13. 0 11. 0 6. 0 6. 0 11. 4
18H 9. 0 11. 3 9. 3 12. 0 12. 7 17. 0 12. 0 12. 0 12. 0 12. 7 12. 0 11. 0 12. 0 10. 0 11. 3
16H 9. 4 11. 0 7. 0 10. 6 12. 3 16. 0 12. 0 12. 7 12. 0 14. 0 15. 0 12. 0 9. 0 11. 8 10. 0
14H 9. 9 12. 2 9. 9 10. 7 11. 5 14. 6 12. 0 13. 5 11. 5 13. 1 15. 8 12. 3 10. 2 10. 8 11. 7
12H 9. 1 12. 0 8. 3 9. 8 12. 0 15. 7 12. 0 14. 3 12. 0 12. 6 16. 4 12. 7 9. 0 9. 8 11. 3
10H 9. 2 11. 7 8. 0 12. 0 13. 0 15. 6 12. 0 11. 8 12. 0 12. 4 12. 0 11. 0 8. 0 10. 4 11. 4
8H 9. 2 12. 0 7. 3 12. 0 14. 3 12. 0 14. 0 13. 8 12. 0 14. 0 15. 0 12. 0 6. 0 10. 4 11. 4
6H 9. 0 11. 5 7. 7 12. 0 12. 0 13. 8 13. 0 14. 0 14. 0 13. 8 16. 4 12. 0 7. 0 10. 0 11. 6
4H 10. 0 11. 5 8. 0 7. 8 10. 6 12. 0 12. 0 10. 7 9. 6 12. 0 12. 0 10. 9 5. 6 8. 3 11. 8
2H 11. 0 12. 0 9. 6 11. 0 11. 2 9. 7 9. 0 9. 4 11. 2 10. 7 8. 0 6. 0 7. 0 10. 0 12. 0
0H 10. 0 11. 8 11. 4 11. 5 11. 3 11. 3 11. 2 12. 0 11. 6 11. 5 11. 7 11. 9 12. 0 12. 0 9. 0
3 号 :林带透光疏透度 28H 7. 3 7. 4 8. 0 9. 0 12. 8 13. 0 13. 2 9. 0 10. 3 11. 2 12. 2 13. 1 12. 0 11. 9 8. 3
无叶期 0. 723 有叶期 0. 430 26H 8. 6 11. 0 11. 2 8. 4 12. 0 11. 3 12. 7 10. 0 11. 0 11. 3 11. 7 12. 2 10. 4 8. 6 8. 6
No. 3 :Average porosity of shelterbelts 24H 8. 3 12. 0 11. 4 8. 8 10. 0 10. 6 10. 8 9. 4 9. 3 9. 0 9. 0 8. 3 8. 4 10. 7 8. 7
Leaf period :φ3w = 0. 723 ,Aphyllous period : 22H 8. 6 11. 4 9. 0 9. 6 10. 2 10. 3 10. 2 10. 6 10. 8 10. 7 10. 9 11. 4 8 11. 7 10. 0
φ3s = 0. 430 20H 8. 0 11. 4 10. 0 9. 0 10. 0 14. 0 14. 0 13. 8 15. 0 14. 4 14. 0 10. 6 9. 0 10. 2 11. 0
18H 8. 1 12. 0 11. 3 8. 6 12. 2 15. 4 18. 0 15. 5 16. 3 19. 4 16. 3 13. 5 10. 0 11. 0 11. 2
16H 8. 3 11. 9 10. 7 9. 0 12. 3 15. 6 19. 0 15. 0 15. 0 17. 7 18. 0 14. 2 10. 4 11. 2 11. 4
14H 8. 0 9. 4 10. 2 8. 3 12. 0 15. 7 17. 3 15. 3 17. 3 14. 4 15. 0 14. 0 9. 7 9. 9 9. 1
12H 8. 6 11. 0 11. 4 8. 4 11. 6 15. 0 17. 7 15. 7 21. 0 18. 5 15. 5 13. 0 8. 3 11. 2 11. 5
10H 8. 3 11. 4 11. 0 8. 2 11. 0 13. 7 15. 8 16. 0 16. 3 15. 0 14. 0 12. 0 8. 5 11. 1 11. 6
8H 8. 1 11. 0 11. 6 8. 1 9. 6 11. 7 12. 8 12. 8 12. 0 11. 4 11. 0 12. 3 8. 3 11. 0 11. 5
6H 8. 0 11. 0 12. 0 10. 2 8. 2 9. 0 9. 6 9. 0 8. 0 8. 4 8. 4 8. 4 10. 4 11. 0 11. 3
4H 8. 3 10. 9 12. 4 11. 6 11. 0 9. 0 9. 6 10. 8 11. 4 12. 0 11. 8 11. 2 11. 3 12. 4 11. 0
2H 8. 2 10. 0 11. 3 11. 0 11. 3 10. 4 8. 8 10. 6 12. 0 11. 8 12. 0 12. 2 12. 0 12. 3 11. 0
0H 7. 3 8. 0 8. 4 8. 2 8. 4 8. 0 8. 2 8. 1 8. 0 8. 0 8. 3 8. 6 8. 0 8. 0 9. 0
X→ 0H 2H 4H 6H 8H 10H 12H 14H 16H 18H 20H 22H 24H 26H 28H
281 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
雪分布表现为一定连续的空间结构数据. 为了解析
该样本的数据特征 ,根据抽样时确定的样本空间位
置和观测值 ,将从 3 个标准地采集的积雪深度数据 ,
列成积雪深度分布空间展点表 (表 1) . 从表 1 可粗
略地看出各样点积雪深度的变化 ,但还不能充分反
映林网作用下积雪的分布特征和规律.
312 　积雪深度的空间插值与分布格局特征
　　根据样本数据的空间展点 ,对数据进行插值运
算 ,用等值线图表达积雪深度的空间数据分布特征.
由于等值线对每一点的数据有一个修匀过程 ,所以
等值线的变化可提供样本数据空间分布的清晰特
征 ,显示出积雪深度按一定数量级分布 (图 1) . 在数
据变化剧烈的区域内等值线密度较高 ,而在数据变
化平缓的区域等值线较稀少 ,并明显地表达了积雪
深度在整个林网区域内的变化以及极值的分布位
图 1 　不同结构林网内积雪分布等值线图
Fig. 1 Countour maps of snow depth shelternets composed by different
porosity of shelterbets.
置. 等值线的密度和变化表明 ,在不同疏透度林带所
围绕的农田积雪深度的空间分布趋势及分布格局明
显不同.
313 　积雪深度的基本统计参数与描述性特征
　　为了从样本数据的空间展点表获取更多的积雪
深度空间分布规律 ,首先需要对所抽取的林网内积
雪深度样本数据进行常规的数理统计 (表 2) ,将观
测结果按大小进行分组 ,制成频数分布表 ,再根据频
数分布表绘制成频数分布直方图 (图 2) . 频数分布
直方图反映了数值的集中性和变异性. 比较频数分
布的偏态和峰态可知 ,1 号林网内积雪深度的频数
分布基本上居中 ,峰态类型为接近正态分布峰 ;2 号
林网内积雪深度频数分布右偏 ,峰态类型为低阔峰 ;
表 2 　不同结构林带组成的林网内积雪分布的基本统计参数
Table 2 Summary statistics of snow depth in shelternets of different
porosity of shelterbelts
统计参数
Summary
statistics
组成林网的林带平均结构
参数 (透光疏透度) Average porosity
1 号
No. 1
2 号
No. 2
3 号
No. 3
均值 Mean 12. 6276 10. 7778 11. 1769
标准方差 Std deviation 5. 1791 2. 5531 2. 6572
样本变异 Sample variance 26. 8227 6. 5183 7. 0609
最小值 Minimum value 1. 900 5. 000 7. 300
最大值 Maximum value 23. 000 17. 000 21. 000
样本数 N (n missing or excluded) 225 (0) 225 (0) 225 (0)
图 2 　不同结构林网内积雪厚度频数分布
Fig. 2 Frequency distribution of snow depth in shelternets composed by
different porosity of shelterbelts.
3812 期 　　　　　　　　　　　范志平等 :东北地区农田防护林结构对林网内积雪分布格局的影响 　　　　　　　　
3 号林网内积雪深度频数分布左偏 ,峰态类型为高
狭峰 ,这表明了不同林网内样本数据频数分布的集
中性和离散性.
314 　林网内积雪的空间分布变异函数
　　为了分析不同结构林网内的积雪在农田基质上
的分布格局及其空间变异程度 ,把握林网内积雪分
布的特征 ,需要引入能反映积雪深度空间变化的重
要统计特征参数. 本文利用地统计学的方法 ,进行了
变异函数分析. 在统计分析过程中 ,林网内积雪深度
能较好地拟合成变异函数的球状模型 (图 3) . 从基
台值来看 ,1、2 和 3 号林网分别为 25. 34、6. 39 和
7. 19 ,说明 1 号林网积雪深度变幅大 ,3 号林网次
之 ,2 号林网最小 ;从块金方差来看 ,在 1H 范围内 3
号林网积雪深度变异性最大 ,1 号林网次之 ,2 号林
网最小. 从总体上看 ,3 号林网内积雪分布变异函数
变化最大 ,波动性最强 ,说明在该林网内积雪深度在
空间上的变异最大 ,整个农田积雪的结构异质性最
强 ,积雪分布最不均匀 ;2 号林网内积雪分布变异函
数变化最小 ,当到达稳定状态后围绕 6. 4 上下波动 ,
变幅不大 ,说明在该林网内积雪深度在空间上变异
最小 ,整个农田积雪分布相对均匀 ;1号林网内 ,变
图 3 　积雪分布的变异函数曲线
Fig. 3 Semivariogram for snow distribution.
异函数变化介于二者之间 ,表明积雪分布的变异较
2 号林网大 ,较 3 号林网小. 综合分析变异函数的变
化趋势 ,2 号林网内积雪深度的变异最小 ,1 号林网
内积雪深度的变异最大 ,3 号林网内积雪分布介于
二者之间 ,说明 3 种林网内积雪分布深度的空间结
构特征有明显的差别. 这种差异主要是不同疏透度
林带组成的林网 ,引起林网内的风结构的变化 ,改变
了农田积雪的空间分布格局 ,而且疏透度差异越大 ,
分布格局差异越显著. 关于林网内积雪分布格局原
因的分析 ,如林网内风速结构等 ,因篇幅所限 ,另文
专门论述.
4 　结 　　论
411 　林网不同的结构对农田积雪会产生较大的影
响 ,不同的结构对应不同的积雪分配方式. 1 号林网
农田积雪在林带附近形成较大的雪堆 ,而在林网中
心积雪深度较小 ,积雪重新分布主要集中于林网边
缘 ;2 号林网农田积雪分布较为均匀 ,总的来看 ,整
个田面上积雪深度较为一致 ;3 号林网农田积雪的
深度与 1 号、2 号林网有所不同 ,在林网边缘 45H 的
区域内积雪的深度不大 ,而在林网中心有一个薄雪
区 ,在两个薄雪区之间形成雪峰.
412 　从积雪样本数据的均值、标准方差、样本变异、
极差值的比较来看 ,2 号林网的均值、标准方差、样
本变异和极差最小 ,1 号林网最大 ,3 号林网介于二
者之间.
413 　通过地统计学分析 ,3 号林网内积雪分布的变
异函数变化最大 ,波动性最强 ,林网内积雪深度在空
间上变异最大 ,整个农田积雪的结构异质性最强 ,积
雪分布最不均匀 ;2 号林网内积雪分布变异函数变
化最小 ,当到达稳定状态后 , 围绕一定的值上下波
动 ,变幅不大 ,在空间上变异最小 ,整个农田积雪分
布相对均匀 ;1 号林网内 ,变异函数变化介于二者之
间 ,表明积雪分布的变异较 2 号林网大 ,较 3 号林网
小.
414 　通过分析 3 种林网内积雪分布深度在空间上
的变化表明 ,不同林网内的农田积雪分布的空间结
构特征有明显的差别. 这种差异主要是由不同疏透
度结构的林带组成的林网 ,引起林网内风结构的变
化 ,改变了农田积雪的空间分布格局 ,而且疏透度差
异越大 ,分布格局的差异越显著.
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作者简介 　范志平 ,男 ,1970 年生 ,博士 ,副研究员 ,硕士生
导师 ,主要从事防护林生态、水土保持与荒漠化防治、林业生
态工程及恢复生态学研究 ,已发表论文 50 余篇. E2mail :fzp
@iae. ac. cn ,zhiping-fan @hotmail. com
5812 期 　　　　　　　　　　　范志平等 :东北地区农田防护林结构对林网内积雪分布格局的影响