全 文 ：林带空间配置与布局优化研究 3
朱教君1 3 3 　姜凤岐1 　范志平1 　周新华2
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳 110016 ;2 University of Nebraska2Lincon , Lincoln , N E 6858320814 , USA)
【摘要】　农田防护林 (林带)的空间配置与布局是影响防护林结构和防护效益发挥并持续的关键因素. 为
达到农田防护林防护效益最大并持续的经营目标 , 在保证林分多样性和稳定性的条件下 , 林带必须具有
空间上布局的合理性和时间上的连续性. 经过多年防护林营林研究实践 , 在对 1992 年于辽宁省昌图县双
井子乡设计营造的试验示范林带调查的基础上 , 对农田防护林单条林带方向的设置、带内树木的空间搭
配方式、树种组成形式 , 多条林带或林网的带间距离以及大面积或区域防护林体系的空间景观布局等进
行了综合研究. 结果表明 , 单条林带和林网走向都应以垂直主害风作为设计的原则 ; 林带内树木的空间
搭配以”品”字型为佳 , 在不同树种混交的同一条林带中 , 可利用”边行优势”将生长相对缓慢的树种配置
于边行 , 生长相对迅速的树种配置于内行 ; 多条林带或林网空间配置参数 ———带间距离的设计应以林带
达到初始防护成熟龄时的树高作为成林高 , 以林带结构变化规律和降低害风比例作为林带设计关键参
数 ; 区域防护林体系的空间布局应以景观生态学原理为基础 , 对林网体系进行评价与调控.
关键词 　林带 　林带方向 　带间距离 　林带结构 　配置
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 08 - 1205 - 08 　中图分类号 　S754 　文献标识码 　A
Optimization of spatial arrangements and patterns for shelterbelts or windbreaks. ZHU Jiaojun1 , J IAN G
Fengqi1 , FAN Zhiping1 , ZHOU Xinhua2 (1 Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences ,
S henyang 110016 , China ;2 U niversity of Nebraska2L incon , L incoln , N E 6858320814 , USA ) . - Chin. J .
A ppl . Ecol . , 2003 , 14 (8) :1205～1212
Spatial arrangements and patterns of shelterbelts or windbreaks are the key factors influencing the shelterbelt
structures , shelter benefits , and shelterbelt sustainability. In order to keep the shelter benefits and achieve the
sustainability of shelterbelts , it is necessary to keep the reasonable arrangements and patterns in spatiality and the
continuation in time. Based on the investigations on the shelterbelts , which were established in 1992 as the mod2
els in Shuangjingzi Township , Changtu County , Liaoning Province , and combined with the experiences and
practices of shelterbelt management , the authors studied and summarized the arrangements and patterns of shel2
terbelts , which included the direction of a single shelterbelt and shelterbelt2networks , the arrangement of tree
composition in a shelterbelt , and the mixture of tree species for shelterbelts. Additionally , the spacing intervals
between shelterbelt and the spatial patterns for regional shelterbelts were also discussed. The results indicated
that the direction of both single shelterbelt and shelterbelt2networks should be perpendicular to the disaster
winds. It is better for the structure of a shelterbelt to arrange the trees in triangle form in a shelterbelt . Accord2
ing to the edge effect , the tree species which grow slowly should be arranged in the edge lines , but the tree
species which grow fast should be arranged in the inner lines of the mixed shelterbelts. Optimal spacing intervals
between windbreaks could be predicted from the indices of a given windbreak structure (porosity) , percentage of
desired wind speed reduction , and tree growth model ( model for determining initial protective maturity age) .
The patterns of shelterbelts in large scale should be evaluated and arranged according to the principles of land2
scape ecology. The results mentioned above would provide the evidences for shelterbelt sustainable management .
Key words 　Shelterbelt / windbreak , Direction of shelterbelt , Spacing interval between shelterbelts , Shelterbelt
structure , Arrangement . 3 中国科学院知识创新工程重要方向资助项目 ( KZCX32SW2418) .3 3 通讯联系人.
2003 - 02 - 13 收稿 ,2003 - 04 - 25 接受.
1 　引 　　言
农田防护林作为森林资源的一种特殊形式 , 其
经营的最高目标是建立效益 (尤其是生态效益)最大
且稳定、持续的农林复合生态系统[14 ,15 ,30 ] . 要想实
现这一目标 , 防护林体系必须具有在空间上布局的
合理性及树种、林分的多样性和稳定性等特征. 正
如用材林的结构与其生产力密切相关一样 , 林带结
构直接影响其防护效益 , 而林带结构又直接受制于
林带树木个体在林带中的空间搭配方式、树种组成
形式 , 同时受制于单条林带方向的设置和多条林带
或林网的带间距离以及大面积或区域防护林体系的
空间配置与景观布局形式. 因此 , 农田防护林在从
树木个体到整个防护林体系应尽量使其配置最佳.
防护林结构一般是指林分内树木干、枝、叶的密
集程度和分布状态 ,由树种组成、林分密度、林分分
层 (乔、灌、草等) 、林木胸径、树高、林龄等多种因子
应 用 生 态 学 报 　2003 年 8 月 　第 14 卷 　第 8 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug. 2003 ,14 (8)∶1205～1212
综合决定. 农田防护林 (林带) 结构是指林带树冠上
下组成的层次、林带宽度、纵断面形状、干、枝、叶的
分布状况、林木密度和透光 (透风) 状况的综合状
态[7 ,14 ,15 ,30 ,31 ] . 不同林带密度、林带宽度、树种组
成 , 构成防护效能不同的林带结构. 因此 , 研究林
带空间配置与布局优化方式 , 进而通过改变防护林
体系的配置、结构 , 尽可能地增加农林复合系统的
物种多样性 , 提高系统的可塑性和弹性及抵抗外来
灾害的能力 , 以达到效益最大并持续的目的[4 ] .
本文根据作者在“八五”期间 (1991～1995)于辽
宁省昌图县双井子乡设计营造的试验示范林带 (主
要于 1992 年营造) 综合调查资料 , 结合“七五”
(1986～1990)以来诸多相关试验林带的连续观测结
果 , 分析了林带结构随配置的变化规律 , 对单条林
带方向的设置、带内树木的空间搭配方式、树种组成
形式 , 多条林带或林网的带间距离以及大面积或区
域防护林体系的空间景观布局等进行了综合探讨 ,
旨在对现有林带的结构调控和更新或规划林带的合
理设计提供参考 , 为农田防护林的可持续经营提供
理论依据.
2 　研究地区和研究方法
211 　研究区概况
研究以作者于 1992 年在辽宁省昌图县双井子乡设计营
造的试验示范基地的林带为主要对象 . 该试验基地位于辽
宁省昌图县中西部 (123°45′E , 42°55′N) , 平均海拔 100 m ,
具有明显的大陆性气候特点 , 年平均气温 6. 7 ℃, ≥10 ℃
积温 3 259 ℃;平均降雨量约 600 mm , 春季降水很少 , 蒸发
量为 1 956 mm ;全年盛行南南西风 (SSW) , 最大风速 24 m·
s
- 1
, 平均风速 4. 5 m·s - 1 , ≥8 级大风日 76 d ;土壤为草甸
棕壤 , 较粘重 ,但肥力较高 , 主要自然灾害为风害. 根据农
田防护林多样性与稳定性基本原理的要求 , 于 1990～1992
年规划设计并营造了试验示范林. 依据试验地的立地条件 ,
考虑了树种的速生性、树冠形态特征、营养调节性、树木之间
的竞争性等选择白榆 ( Ul m us pumila) 、小钻类杂交杨 ( Pop2
ulus ×xiaoz huanica) 、旱柳 ( S alix m atsudana) 、樟子松 ( Pinus
sylvest ris var. mongolica) 等乔木 , 紫穗槐 ( A morpha f luti2
cosa) 、胡枝子 ( Lespedez a bicolor)等灌木作为试验示范林带造
林树种 , 营造了不同配置形式、不同混交方式、不同更新2改
造、不同年龄段的各种试验示范林带计 150 hm2 . 除上述试
验示范基地外 , 典型林带调查区域设于东北西部、内蒙东部
典型农田林网区 , 主要包括辽宁省昌图县、吉林省农安、榆
树、德惠、九台、双阳及郊区 6 县区及内蒙古自治区赤峰地
区.这些地区基本能代表了东北农田防护林建设的概
况[12 , 13 , 30 ] .
212 　研究方法
21211 典型林带调查 　主要采用标准地 (临时和固定) 调查.
林带多为 3～6 行 , 带间距离 300～500 m , 主要树种为杨树
(杂交杨占 80 %和乡土杨占 20 %) , 林龄 3～34 年[27 , 28 ] . 杂
交杨 : 北京杨 ( Populus ×beijingensis) 、小钻类杂交杨、加拿
大杨 ( P. ×canadensis) ; 乡土杨 : 小青杨 ( P. pseudo2simoni2
i) 、小叶杨 ( P. simonii) . 调查区域内选不同年龄、不同品种、
不同配置且具典型密度的林带 l00 m 为临时或固定标淮地 ,
对测树因子 (每木检尺、树高、密度、林带年龄等)进行定期观
测 ; 同时对每条林带摄取有叶期相片 , 应用“数字图像处理”
法[14 ,16 ,29 , 32 ]测定林带疏透度 (透光疏透度 optical porosity 下
同 , 表征林带结构的特征参数) [8 ,9 ] . 在年龄较大的林带中 ,
选典型树木做树干解析.
21212 试验示范基地林带调查 　基地林带在营造后的前 3
个生长季 (1993～1995) 每年进行定期观测 , 造林 8 年后
(2000 年)对基地林带的生长、结构进行观测 (通过对林带摄
取相片 , 应用“数字图像处理”测量林带疏透度等) .
21213 林带防风效应观测 　主要对姜凤岐等 [12 , 14 ]在不同结
构杨树林带防风效应的观测数据进行整理与再处理 , 作为
确定林带结构变化规律参数的主要依据 ,进而确定主带带间
距离[31 ] .
21214 综合分析 　依据前人有关林带走向 (与主害风的交
角) [1 ,9 , 18 ] 、林带在景观布局[25 ]方面的研究结果 , 通过现实
观测和综合分析方法 , 确定林带/ 林网走向、林带/ 林网空间
布局等变化规律参数.
3 　结果与分析
311 　林带、林网走向
31111 林带走向 　林带走向以林带方位角 , 即林带
与子午线的交角表示[1 ] . 林带走向是林带、林网或
防护林体系设计的主要配置参数. 一般认为 , 单条
林带走向与风向垂直时防护效果最佳 , 随着风向与
图 1 　林带走向与风向交角对防护效应的影响
Fig. 1 Effects of angles between shelterbelt and wind direction on shelter
benefits.
H)林带高度 Height of shelterbelt (m) .
6021 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
图 2 　林带防风效应随风向交角变化标准曲线[1 ,18 ]
Fig. 2 Curve for effects of wind direction on shelter benefits.
林带交角的变化 , 防护效应逐渐降低 (图 1) . 这是因
为 , 当气流 (风)通过林带时 , 如果风向与林带交角
小于 90°, 相当于林带宽度增加 , 即林带的结构 (疏
透度) 发生了变化[1 ] . 当风向与林带交角小于 30°
时 , 防护效果随偏角的增加影响不大 ; 但当风向与
林带交角大于 30°时 , 防护效果将大大降低. 图 2
给出防护效能 (疏透结构 , 透风系数为 0. 43 , 疏透
度约为 0. 30 , 风速降低 20 %时林带树高倍数) 随林
带与风向交角的变化曲线.
31112 林网走向 　宋兆民等[18 ]对林网走向或风向
偏角对防护效应的影响进行的理论推导与实际观测
结果表明 , 当正方形林网与风向呈 45°左右的交角
时 ,具有防护效能的截面积最大. 其原因是风向与林
带斜交时 ,受相邻两条林带的共同作用 , 增大了风
通过林网的截面积. 一般林网都是方型的 , 但不一
定都是正方形 (多为矩形) , 当风向与林网斜交时 ,
防护效率不次于风向与单条林带正交时的防护效率
(表 1) [8 ] , 且在相邻两条林带的长度相差不悬殊的
情况下是不变的 ;因此可以认为 ,风向与林网垂直
时 , 林网的防护效应是显著的 , 风向与林网斜交
时 , 林网的防护效应也是显著的[18 ] . 这一研究结果
有其合理的一面 , 但由于其观测的风速降低效能是
在林网中心进行的 , 因而这一结论的应用有其局限
性.另外 , 该研究结果是以防护截面积最大作为确
定林网与风向交角对防护效应影响的主要依据 , 而
一般认为 , 有效防护距离是林网或林带防护效应发
表 1 　林网与风向对防护效应的影响[ 18]
Table 1 Effects of shelterbelt net work and wind direction on shelter
benef its
风向
Wind direction
南
South
北
North
东南
Southeast
西南
Southwest
差值
Variation
透风度 (疏透度) Porosity 0. 65 0. 60 0. 44 0. 51
风速降低率 Wind 35. 0 40. 0 56. 0 49. 0
speed reduction ( %)
平均 Average ( %) 37. 5 52. 5 15. 0
挥的主要特征量 , 防护截面积大 , 有效防护距离并
不一定就大.
　　根据单条林带走向与风向偏角对防护效应的影
响 (图 1、2) , 假设林带的结构为最优 ,且所设计的带
间距离合理 , 以主林带长度为 L ( m) , 付林带长度
为 W (m) , 形成的林网为方型林网 (正方形与矩形)
(图 3) . 当方型林网中的单条林带 (通常为主带) 走
向与风向垂直时 , 总的防护效益最大 , 即有效防护
距离与带间距离 ( SIP) 相等 , 所保护农田的有效面
积 ( A e)为林网所包围的全面积 , 即 :
　　A e = AB CD = W ×L (1)
　　当方型林网中的单条林带走向与风向有一定偏
角时 (α°) , 主带的有效防护距离减小 (小于带间距
离) , 虽然付带起到了一定的防护作用 (付带有效防
护距离增加) , 但总的防护效益则相对减少 (图 3) .
假设林带在结构为最优前提下 , 防风效应随风向偏
角变化如图 1 所示 , 防护效益以有效防护距离 ( L e)
表示 , 那么 L e 可以写成风向偏角α的函数 ,
　　L e = f (α) (2)
　　因此 , 当方型林网中的单条林带走向与风向的
偏角为α°时 , 林网所保护农田的有效面积为 :
　　A e = AB CD - AB′C′D′= L f (α) + W f (90 -
　　α) - f (α) ×f (90 - α) (3)
　　由式 (3) 和图 3 可知 , 当方型林网中的单条林
带走向与风向有一定偏角时 , 林网的有效防护面积
较单条林带 (通常为主带)走向与风向垂直时的防护
面积小. 因此 , 在林网设计时仍应以主林带的走向
与风向垂直为标准. 但考虑到林带与主害风的偏角
小于一定角度时 , 对防护效益影响较小 (图 1) . 因
此 , 在设计方型农田林网时 , 可以根据具体情况允
许林网走向与主害风风向有一定的偏角 ,尤其是林
带的有效防护距离大于带间距离时 , 林网走向可以
不考虑与害风风向的交角.
312 林带树木、树种配置
31211 林带树木配置 　农田防护林单条林带内树木
配置的设计是保持林带有合理结构的基础. 因此 ,
如何合理配置林带内的树木 , 使其结构与实际需要
相互适应是林带经营的目标之一. 常见的林带树木
配置有矩形、“品”字形和随机 3 种形式. 目前农田
防护林多以窄林带为主. 因此 , 在林带设计时林带
内树木配置多采用“品”字形配置 , 因为该种配置方
式能使带内树木个体充分利用有限的空间. 本次营
造的试验示范林 ,树木配置全部采用“品”字形. 经过
8年后观测 ,证明“品”字形配置的林带林相整齐 ,
70218 期 　　　　　　　　　　　　　　　　朱教君等 :林带空间配置与布局优化研究 　　　
图 3 　林网防风效应与风向偏角变化示意图
Fig. 3 Effects of wind direction on shelter benefits for shelterbelt2nets.
结构相对合理 , 林木更能有效地利用空间.
31212 林带树种配置 　树种配置方式主要有纯林带
和混交林带 2 种. 纯林带是由同一树种组成的林
带.这种单一树种的配置容易形成通风结构和矩形
断面的林带 , 适于风沙危害不十分严重地区. 本次
试验示范林营造的纯林带有小钻杨、旱柳和白榆 (4
行) , 株行距为 2 m ×2 m ;林带两侧配一行灌木 (紫
穗槐、胡枝子) , 株行距为 1 m ×1 m. 经前 3 个生长
季和造林后 8 年的观测 , 平均树高和胸径生长见表 2.
　　纯林带树木生长调查表明 (表 2) , 各树种在造
林后的前 3 个生长季 , 内行、边行的树高生长均无
显著差异 ,而胸径生长却因树种的不同而有所差异.
杂交杨和旱柳在第 3 个生长季出现了较大差异 , 即
边行平均胸径较内行分别高 16. 4 %和 10. 4 % ,而白
榆到第 3 生长季仍没有差异. 这一结果表明 , 生长
相对较快树种的纯林带树木 , 在造林后的第 3 生长
季边行优势即表现出来 ,而到第 8 年所有林带树木
均表现出边行优势.
　　为证实林带的边行效应 , 在纯林带的营造过程
中设计了内、外行行距不等的两条林带 :杨2杨2杨2杨
(内行距为 3. 0 m , 边行距为 2. 0 m) , 杨2杨2杨2杨
(内行距为 2. 4 m ,边行距为 2. 0 m) . 结果表明 , 对
于林带胸径生长和形成的结构而言 , 内行距为 3 m
的林带优于内行距为 2. 4 m 的林带 , 但二者均优于
内行距为 2 m 的林带 ;而对于树高生长而言 ,“边行
效应”效果不十分明显.
　　混交林带是由 2 种或 2 种以上树种组成的林
带. 这种多树种的配置如果得当 , 能形成良好结构 ,
充分利用林地条件 ,抵抗灾害能力强 ,具有良好的
表 2 　纯林带平均树高( m) 、胸径生长( cm)
Table 2 Growth of mean height ( m) and diameter ( cm) of trees in pure shelterbelts
树种
Tree species
行向
Direction
1993
D H
1994
D H
1995
D H
2000 [7 ]
D H
杂交杨 Populus sp . N1 2. 4 3. 7 5. 5 5. 7 8. 1 6. 7 13. 5 11. 2
N2 2. 5 3. 5 5. 1 5. 6 7. 0 6. 5 10. 8 10. 1
S1 1. 5 3. 6 5. 8 5. 6 7. 5 6. 8 14. 8 11. 5
S2 1. 6 3. 6 5. 4 5. 5 6. 3 6. 5 11. 1 10. 0
内行平均 Mean in inner lines 2. 1 3. 6 5. 3 5. 6 6. 7 6. 5 11. 0 10. 1
边行平均 Mean in outer lines 2. 0 3. 7 5. 7 5. 7 7. 8 6. 8 14. 2 11. 4
Average 2. 0 3. 6 5. 5 5. 6 7. 2 6. 6 12. 6 10. 7
白榆 Ul m us pumila N1 1. 6 1. 4 4. 0 3. 7 5. 5 5. 0 11. 0 9. 3
N2 1. 7 1. 2 3. 7 3. 5 5. 3 4. 9 8. 6 8. 0
S1 1. 7 1. 4 3. 9 3. 5 5. 0 5. 2 10. 8 9. 0
S2 1. 8 1. 5 3. 8 3. 6 5. 2 4. 8 8. 9 8. 1
内行平均 Mean in inner lines 1. 8 1. 4 3. 8 3. 6 5. 3 4. 9 8. 8 8. 1
边行平均 Mean in outer lines 1. 7 1. 4 4. 0 3. 6 5. 3 5. 1 10. 9 9. 2
Average 1. 7 1. 4 3. 9 3. 6 5. 3 5. 0 9. 8 8. 6
旱柳 S ali x matsudata N1 0. 9 2. 3 2. 9 3. 3 5. 4 4. 5 11. 8 9. 2
N2 1. 1 2. 4 2. 2 3. 6 4. 7 4. 3 8. 6 7. 8
S1 1. 0 2. 2 1. 9 3. 3 5. 2 4. 6 11. 4 9. 1
S2 1. 3 2. 4 2. 2 3. 3 4. 8 4. 4 8. 9 8. 0
内行平均 Mean in inner lines 1. 2 2. 4 2. 2 3. 5 4. 8 4. 4 8. 8 7. 9
边行平均 Mean in outer lines 1. 0 2. 3 2. 4 3. 3 5. 3 4. 6 11. 6 9. 2
Average 1. 1 2. 3 2. 3 3. 4 5. 0 4. 5 10. 2 8. 5
N1 :北侧第 1 行 (边行) The first line from north (edge) ;N2 :北侧第 2 行 (内行) The second line from north (inner) ;S1 :南侧第 1 行 (边行) The first
line from south (edge) ;S2 :南侧第 2 行 (内行) The second line from south (inner) .
生物、生态学稳定性的林带 . 多树种混交的林带适
用范围较广 , 但由于造林及树种搭配的困难性 , 混
交配置林带较少. 本次试验示范林营造的不同树
种、不同配置的混交林带主要包括 4 个层次的混交 :
1)株间混交 , 在阔叶树种间进行 ; 2) 行间混交 , 包
括对称式与非对称式行间混交两种形式 ; 3) 段状混
交 , 即一条林带由不同树种的各段纯林带组成 ; 4)
整条林带交叉设置 , 即不同的纯林带由不同树种构
8021 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
表 3 　农田防护林树种混交配置方式
Table 3 Arrangements of mixed patterns for shelterbelts
混交方式
Mixed pattern
配置类型
Arrangement type
造成林密度
Density
(m ×m)
不同阔叶树株间混交林带配置 柳2杨2柳2杨 (隔株混交) 2 ×2
Mixed between trees 榆2杨2榆2杨 (隔行混交) 2 ×2
非对称式行间混交林带配置 柳2杨2柳2杨 2 ×2
Mixed between lines (dissymmetry) 榆2杨2榆2杨 2 ×2
对称式行间混交林带配置 柳2柳2樟2樟 2 ×2
Mixed between lines (symmetry) 樟2樟2杨2杨 2 ×2
榆2榆2杨2杨 2 ×2
榆2杨2杨2榆 2 ×2
柳2杨2杨2柳 2 ×2
杨2杨2柳2柳 2 ×2
段状混交林带配置 杨 (500 m 段)2松 2. 5 ×2. 5
Mixed among segments (500 m 段)2榆 (500 m 段)
整条林带交叉配置 杨 (500 m 带) 、松 (500 m 带) 2 ×2
Mixed among shelterbelts
林带边行栽植灌木 , 密度为 1 m ×1 m Shrubs were planted besides the shelter2
belts , the density :1 m ×1 m.
成 (表 3) .
　　造林 10 年后观测表明 , 樟子松与小钻杨、樟子
松与旱柳混交林带中 , 由于针叶树与阔叶树生长的
差异性 , 樟子松未能很好地保留下来 ,而以段状混
交、整条林带交叉配置的樟子松却能够成林[11 ] . 阔
叶树种混交配置造林试验表明 , 以林带外 (边) 行栽
植生长相对较慢树种 , 内行栽植生长相对较快树
种 ,如杂交杨与白榆、杂交杨与旱柳混交的“对称式
行混”中 , 榆2杨2杨2榆混交和柳2杨2杨2柳的混交形
式较好. 这种形式不仅能够形成较好的林带结构 ,
而且为充分利用边行优势 ,克服榆、柳生长较杨树缓
慢创造了条件.
313 　带间距离的确定
　　决定带间距离的主要因子有最大主害风平均风
速、最大参考风速、林带结构、林带高度和林带宽度
等. 一般在林带设计时 , 带间距离由式 ( 4 ) 确
定[1 ,5 ,19～22 ,24 ] :
　　S I P = eH0 (4)
式中 , S I P 为带间距离 (m) , H0 为林带的成林高或
林带的成熟高 (m) , e 为常数 , 是由小气候条件与林
带的结构、类型所决定.
　　由式 (4) 可知 , 确定带间距离的关键是决定林
带的成林高 H0 、小气候条件、林带结构相关的常数
e. 但是 , 由于量化这两个量的过程比较复杂 ,一直
是由设计者根据经验来决定的[1 ] ,尤其是常数 e ,
在林带设计时往往仅考虑风害这一因子 , 而与之更
为重要的因子 ———林带结构却没有考虑. 如果林带
的最主要功能是降低风速 , 那么风速降低的程度则
主要由被保护对象的性质和目的来决定. 由于被保
护的对象多种多样 , 因此使得这一问题更加复杂.
为了量化式 (4) 中的各个参数 , 确定带间距离的公
式如下 :
　　S I P = Sβ M w H0 (5)
式中 , Sβ为与林带结构相关的参数 , 这里特指与林
带疏透度变化相关的参数 , M w 为与小气候因子相
关的参数 , 即与主害风相关. 假若 Sβ M w = e , 式
(5)与式 (4)相同.
31311 　成林高 H0 的确定 　林带经营的目的就是
为农田提供全面、有效、持续的保护 , 但林带自造林
开始至达到这一目标需要相当长的时间 , 而这一时
间的长短是确定林带成林高的关键. 成林高估计的
过高 , 林带长时间达不到全面、有效的防护状态 ,
有的甚至直到林带自然成熟也不能达到[5 ,14 ,26 ] ; 相
反 , 如果成林高估计的过小 , 林带很快达到并超出
有效防护范围 ,使防护资源产生巨大的浪费. 对林带
树木生长发育规律、防护成熟、林带结构与防护效益
的观测研究结果表明 [12 ,13 ,26 ,27 ,28 ] , 林带成林高
( H0)可由林带树木达到初始防护成熟时的年龄所
对应的高度来确定. 如果林带树高生长曲线为 Lo2
gistic 生长函数式 , 那么林带达到初始防护成熟时
的高度可由式 (6)确定[13 ,26 ] .
　　H ( I PMA ) = H0 = K/ {1 + mexp [ - ln ( m ) +
　　1. 317 ]} (6)
式中 , H ( I PMA ) 为林带达到初始防护成熟龄时的
树高 , 即成林高 ( m) , K 为树高生长的渐近最大值
(m) , m 为与立地条件有关的参数. 表 4 是以杨树
林带为例确定林带的成林高.
31312 　林带结构相关参数 Sβ　林带疏透度是表征
表 4 　杨树林带的成林高( H0)
Table 4 Determination of mature height ( H0) of poplar windbreaks
杨树品种
Tree species
高生长模型参数
Parameters f or height
K m
林高
Mature height
(m)
小青杨 17. 9 8. 16 13. 4
Popilus pseudo2si monii
小叶杨 19. 9 9. 40 15. 6
P. si monii
加拿大杨 25. 7 5. 80 20. 3
P. ×canadensis
其它小钻类杂交杨 21. 0 13. 77 17. 5
P. ×xiaoz huanrica
林带结构的主要参数之一 , 并且很多林带的分类也
是以此为依据[8 ] . 最适疏透度研究结果表明 ,林带
最适疏透度值范围为 0. 20～0. 50[3 ,14 ,17 ,31 ] , 一般
取值 0. 25. 根据曹新孙等[2 ]和姜凤岐等[12 ]分别对
不同结构 (疏透度) 风障和林带的防护效能观测结
果 , 得出了防护效能随疏透度变化规律 , 即林带结
90218 期 　　　　　　　　　　　　　　　　朱教君等 :林带空间配置与布局优化研究 　　　
构相关参数 Sβ的多元回归经验公式[14 ,31 ] .
　　Sβ= 5. 04249β3 - 8. 7712β2 + 3. 4239β+
　　0. 6139 (0 ≤β≤0. 80 , P < 0. 01) (7)
式中 ,β为林带疏透度 , 其取值范围为 0. 00～0. 80 ,
参数 Sβ取值范围为 0. 31～1. 00. 当β= 0. 00 时 ,
Sβ= 0. 61 ; 当β= 0. 80 时 , Sβ = 0. 31 ; 当β= 0. 25 ,
Sβ= 1. 00.
31313 　与气候因子 (害风) 相关参数 M w 　林带的
最基本设计要求是使保护区内的风速降低到危害程
度以下 , 并使这一区域距离达到最长. 对风速降低
程度的要求与被保护的对象和当地小气候条件 (如
害风极大值、风向、土壤类型及耕作制度等) 密切相
关. 阈值风速 (指起沙风速或引起灾害时的风速) 可
以作为确定参数 M w 的主要依据 , 因为阈值风速与
防护林效益发挥直接相关[3 ,5 ,6 ,23 ] .
　　如果害风的风速为 U pw , 引起灾害的阈值风速
为 U th ( U pw > U th) , 那么风速降低值 ( U rw )为 :
　　U rw = ( U pw - U th) / U pw 100 % = 100 -
　　U th/ U pw 100 % (8)
　　基于风速降低与林带疏透度的关系 , 在最适疏
透度条件下的水平方向的风速廓线见图 4[2 , 31 ] . 由
图 4 可知 ,最适疏透度为 0. 25 时 ,在 5～35 H (树
高)范围内 , 风速降低比率与防护距离的关系服从
对数分布 :
图 4 　最适疏透度条件下相对风速与有效防护距离[31 ]
Fig. 4 Standard horizontal wind2profile of windbreaks with optical poros2
ity of 0. 25 [31 ] .
　　U lee/ Uopen = Ψln ( M w ) +Φ0 (9)
式中 ,Ψ和Φ0 为经验常数 , U lee和 U open分别为林带
下方风速和旷野风速 (m·s - 1) .
　　由式 (9) 可以看出 , M w 是影响相对风速 U lee/
U open的唯一变量 , 因此合并式 ( 8) 和 ( 9) , 即用
U lee/ U open替代 V th/ V pw ,可得式 (10) .
　　U rw = 100 - Ψln ( M w ) +Φ0 (10)
　　应用图 4 数据 , 解式 (10) ,即可得到 M w .
　　M w = exp [ (130. 3338 - U rw ) / 34. 2176 ]
　　( R2 = 0. 9949 , P < 0. 01) (11)
　　值得注意的是 , 阈值风速的确定十分复杂 , 式
(9) 和 (10) 的取值是在 5～35 H 范围内 , 因此式
(11)的风速降低值 ( U rw)应在 9 %～75 %范围内.
31314 　杨树林带的带间距离 　依据东北西部地区
杨树林带调查资料 , 确定在不同林带结构、降低不
同风速时的带间距离 (表 5) . 林带疏透度选择 0. 1
～0. 45、0. 12～0. 40、0. 15～0. 36 和最适值 0. 25 ,用
来计算林带结构相关参数 ( Sβ) ; 风速降低选择
10 %～70 % ,作为计算与小气候因子 (害风) 相关参
数 M w . 成林高 ( H0)由表 4 计算得出.
314 　林网空间布局
　　从景观水平上度量防护林网的空间布局 , 可以
在宏观上掌握现存防护林体系的状态、未来的发展
方向以及防护林体系的合理规划 , 从而为防护林体
系的经营与管理提供重要参考. 周新华等[25 ]对农
田防护林网的景观度量进行的研究表明 , 利用景观
生态学的基本原理和方法可以对农田防护林网体系
的空间布局模式进行度量 , 通过制定合理的空间布
局林网体系的景观指标 , 针对农田林网景观中各种
状态的林网提出其经营方向.
31411 　度量防护林网空间布局的景观指标 　根据
周新华等[25 ]对农田林网的景观结构参数的定义 ,
林网主要景观参数有 : 1) 林带与农田的带斑比 (带
丰度与斑丰度之比) 。在农田林网内 , 如果林带的
数量 (条数)为 N b ,林带所占面积为 S b , 农田总面积
为 S , 农田斑块的数量为 n , 面积为 A ,那么综合度
量林网数量大小的带丰度 ( R0) 和度量农田斑块数
量大小的斑丰度 ( B 0)分别为式 :
　　R0 = S b[1 - 1/ ( N b + 1) ]/ S (12)
　　B 0 = A [1 - 1/ ( n + 1) ]/ S (13)
由式 (12) 、(13) , 可得带斑比 ( F0) :
　　F0 = R0/ B 0 = S b[1 - 1/ ( N b + 1) ]/ A [1 -
　　1/ ( n + 1) ] (14)
　　式 (14)表明 , 农田合理带斑比与整个景观的面
积无关 , 而与林带的带间距离、带宽及农田斑块的
面积有关. 2)林网的优势度. 景观中斑块或廊带某一
属性系统的优势度是从宏观上度量该属性系统在景
观中分布的均匀程度与数量 , 是描述景观中的地位
及对景观基质影响的指标[25 ] . 一般认为 , 系统的优
势度决定于其相对多度、频度和盖度. 因此 , 合理的
农田林网优势度也是由其合理的相对多度、频度和
0121 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
表 5 　杨树林带的带间距离( SI P)
Table 5 Spacing interval ( SI P) for principal poplar tree windbreaks ( m)
树种
Tree
species
疏透度范围
Range of
porosity (β)
SA 的平均值
Mean
风速降低值 3 Wind reduction Meanδ
U rw10 U rw20 U rw30 U rw40 U rw50 U rw60 U rw70
小青杨 Popilus pseudo2si monii 0. 10 to 0. 45 0. 948 426. 2 318. 2 237. 5 177. 3 132. 4 98. 8 73. 8
0. 12 to 0. 40 0. 966 434. 3 324. 2 242. 1 180. 7 134. 9 100. 7 75. 2
0. 15 to 0. 36 0. 981 441. 0 329. 2 245. 8 183. 5 137. 0 102. 3 76. 4
最适值 Optimum 0. 25 1. 000 449. 5 335. 6 250. 6 187. 1 139. 7 104. 3 77. 8
小叶杨 Popilus2si monii 0. 10 to 0. 45 0. 948 497. 4 371. 3 277. 2 207. 0 154. 5 115. 4 86. 1
0. 12 to 0. 40 0. 966 506. 8 378. 4 282. 5 210. 9 157. 5 117. 6 87. 8
0. 15 to 0. 36 0. 981 514. 7 384. 2 286. 9 214. 2 159. 9 119. 4 89. 1
最适值 Optimum 0. 25 1. 000 524. 6 391. 7 292. 4 218. 3 163. 0 121. 7 90. 9
加拿大杨 P. ×canadensis 0. 10 to 0. 45 0. 948 646. 8 482. 9 360. 5 269. 1 200. 9 150. 0 112. 0
0. 12 to 0. 40 0. 966 659. 0 492. 0 367. 3 274. 2 204. 7 152. 9 114. 1
0. 15 to 0. 36 0. 981 669. 3 499. 7 373. 0 278. 5 207. 9 155. 2 115. 9
最适值 Optimum 0. 25 1. 000 682. 2 509. 3 380. 3 283. 9 212. 0 158. 2 118. 1其它小钻类杂交杨 P. ×xiaoz huanri2
ca
0. 10 to 0. 45 0. 948 558. 6 417. 1 311. 4 323. 5 173. 6 129. 6 96. 7
0. 12 to 0. 40 0. 966 569. 3 425. 0 317. 3 236. 9 176. 9 132. 0 98. 6
0. 15 to 0. 36 0. 981 578. 1 31. 6 322. 2 240. 6 179. 6 134. 1 100. 1
最适值 Optimum 0. 25 1. 000 589. 3 440. 0 328. 5 245. 2 183. 1 136. 7 102. 03 U rw10、U rw20、U rw30、U rw40、U rw50、U rw60、U rw70分别为风速降低至旷野风速的 10 %、20 %、30 %、40 %、50 %、60 %和 70 %[31 ] Relative wind
speeds , U lee/ U open = 10 % ,20 % ,30 % ,40 % ,50 % ,60 % and 70 % , respectively[31 ] .
盖度所决定. 林网的优势度 ( Do)为 :
　　Do = [ ( R do + R f o) + Rco/ 2 ]100 % (15)
式中 , R do、R f o、Rco分别为相对多度、频度和盖度. 3)
林网的连接度与环度. 林网在景观生态学中的网络
化状态可用林网的连接度与环度来度量 , 表达林网
体系的完整程度. 连接度 ( Qo) 与环度 ( R d) 可由林
网最多林带边数 ( L max) 、最大可能的闭合网格数
( Hmax) 、林网节点数 ( V b0) 、林带的条数 ( N b) 及农田
斑块的数量 ( n)确定.
　　Qo = [ N b - ( n - 1) ]/ L max ( V b0) (16)
　　R d = ( N b + n - V b0) / Hmax ( V b0)
　　( V b0 > 4) (17)
31412 　东北典型农田林网的空间布局 通过对吉林
省农安县前岗乡农田防护林网的航片调绘 (图幅为
50 cm ×45 cm ,比例尺为 1∶10 000 的 24 幅航片) ,
分别测量了现有林网的面积、接点数、连边 (林带)数
和每条林带长度、宽度等. 前岗乡景观总面积为 15
592 hm2 , 未建林网之前可划分为 57 个斑块 , 其中
需被防护的农田大斑块 7 块 , 面积为 11 829 hm2 .
统计后的林网结构参数为 : 林网面积 694. 9 hm2 ,
林带条数 757 , 接点个数 605 , 闭合网格个数 206 ;
而计算的理论值分别为 : 林网面积 617. 3 hm2 , 林
带条数 1 112 , 接点个数 622 , 闭合网格个数 497. 计
算得到的林网实际景观指标值与合理景观指标值列
于表 6.
　　根据景观生态学原理 , 林网各实际景观指标值
在其合理值 0. 85～1. 15 倍之间时 , 应属于优质林
网. 由表 6 可得出前岗乡林网在景观中布局合理的
评价结论. 由此可以确定 ,前岗乡目前林网的经营应
表 6 　林网合理与实际景观指标值比较
Table 6 Comparison bet ween theoretical values and pure values of land2
scape indexes for shelterbelt2nets
项目
Items
优势度
Dominance
( %)
带斑度
Ratio of
belt to patch
环度
Ring
连接度
Connectivity
合理值 37. 63 0. 0596 0. 7802 0. 9255
Rational value ( RV )
实际值 40. 17 0. 0670 0. 3698 0. 6064
True value ( EV )
差值| RV - EV | / RV 2. 54 0. 124 0. 562 0. 345
Difference
以通过间伐和修枝对单条林带进行结构调控为主 ,
采伐的主要对象是过小网格的成熟林带 ,通过不断
调整林网的连接度和环度使之趋于合理 , 使需被防
护农田斑块的各部位全部且恰好处于林带有效防护
范围之内 , 即调整现有林网逐渐达到最佳防护状
态.
4 　结 　　语
　　对辽宁省昌图县双井子乡 1992 设计营造的试
验示范林带调查的基础上 , 通过多年防护林营林研
究与实践 , 结合前人以往的研究结果 , 对单条林
带、林网方向的设置、带内树木的搭配方式、树种组
成形式、多条林带或林网的带间距离以及大面积或
区域防护林体系的空间景观布局等进行了综合分
析. 结果表明 , 单条林带走向以垂直主害风作为林
带设计的原则 , 但在小型方田林网设计中 , 可以不
考虑主害风方向 ; 林带内树木的空间搭配以“品”字
型为佳 , 在不同树种混交的同一条林带中 , 可利用
“边行优势”,将生长相对缓慢的树种配置于边行 ,
生长相对迅速的树种配置于内行 ; 多条林带或林网
11218 期 　　　　　　　　　　　　　　　　朱教君等 :林带空间配置与布局优化研究 　　　
空间配置参数 ———带间距离的设计应以林带达到初
始防护成熟龄时的树高作为成林高 , 以林带结构变
化规律和降低害风比例作为林带设计的关键参数 ;
区域防护林体系的空间布局应以景观生态学原理为
基础 , 对林网体系进行评价与调控. 林带的空间配
置与布局是影响防护林结构和防护效益的发挥与持
续的关键因素. 因此 , 本项研究结果可为农田防护
林合理经营提供理论依据.
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作者简介 　朱教君 ,男 ,1965 年生 ,博士 ,研究员 ,博士生导
师 ,主要从事森林生态与管理 ,防护林生态与经营等研究 ,发
表论文 50 余篇. E2mail : zrms29 @yahoo. com , jiaojunzhu @
iae. ac. cn ,jiaojun @agr. niiigata2u. ac. jp
2121 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷