全 文 ：第 26 卷第 12 期
2006 年 12 月
生 　　态 　　学 　　报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26 ,No. 12
Dec. ,2006
行带式柠条固沙林防风效果
杨文斌1 ,2 ,丁国栋3 ,王晶莹2 ,姚建成2 ,董　智4 ,杨红艳4
(11 中国林业科学研究院林业研究所Π国家林业局林木培育重点实验室Π中国防治荒漠化研究与发展中心 ,北京　100091 ;
21 内蒙古林业科学研究院 ,呼和浩特　010010 ;31 北京林业大学 ,北京　100001 ;41 内蒙古农业大学 ,呼和浩特　010010)
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (30360089 ,30471422) ;国家重点基础研究资助项目 ( G2000048705 ,2005BA517A04)
收稿日期 :2005209216 ;修订日期 :2006205223
作者简介 :杨文斌 (1959～) ,男 ,内蒙古毕克齐人 ,博士 ,研究员 , 主要从事生态学与沙漠化防治研究. E2mail :nmlkyywb @163. com
致谢 :该文得到中国林科院卢琦研究员 ,吴波研究员 ,内蒙古农业大学胡春元教授的指导 ,在此一并致谢 !
Foundation item :The project was financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 30360089 and 30471422) and the National Key
Basic Research Project (No. G2000048705 ,2005BA517A04)
Received date :2005209216 ;Accepted date :2006205223
Biography : YANG Wen2Bin , Ph. D. , Professor ,mainly engaged in ecology and prevention of desertification. E2mail : nmlkyywb @163. com
Acknowledgements:We thank Professors Lu Qi and Wu Bo of Chinese Academy of Forestry , and Professor Hu Chun2Yuan of Inner Mongolia Agricultural
University , for their helpful comments on an early draft of this manuscript
摘要 :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 ( GB2228) ,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 4814 % ;50cm高处高 3017 % ;200cm高处高 2714 % ,
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 6～7mΠs 时 ,行带式的平均防风效果比同覆盖度随机分
布的高 4812 % ;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 4113 %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 514～11414 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。
关键词 :柠条固沙林 ;低覆盖度 ;行带式配置 ;防风效果
文章编号 :100020933(2006) 1224106207 　中图分类号 :S157. 1 　文献标识码 :A
Windbreak effects of belt scheme Caragana korshinskili kom plantation for sand2
f ixation
YANG Wen2Bin1 ,2 , DING Guo2Dong3 ,WANG Jing2Ying2 , YAO Jian2Cheng2 ,DONG Zhi4 , YANG Hong2Yan4 　(11 Chinese
Academy of Forestry , Key Laboratory for Forest Tree Breeding of the State Forestry Administration of China , and The National Research and Development Center for
Combating Desertification of China , Beijing 100009 , China ; 21 Inner Mongolia Academy of Forestry Science , Huhhot 010010 , China ; 31Beijing Forestry University ,
Beijing 100001 , China ; 41 Inner Mongolia Agricultural University , Huhhot 010010 , China) . Acta Ecologica Sinica ,2006 ,26( 12) :4106～4112.
Abstract :Conventional research thinks that when vegetation cover is less than 40 % , sandland would be in a state of semi2mobile
or semi2fixed. However , in practice it has been found that at low vegetation coverage , the horizontal distribution pattern of shrubs
can have marked effects on fixation of shifting sands. In this study we investigated the windbreak effects of a Caragana korshinskili
kom plantation with 20 % 25 % cover established for the purpose of sand2fixation. Wind velocity was measured at different
locations and heights on sites of the intact or gapped belt scheme plantation and randomly distributed plantation by using multiple2
sensor automatic anemoscope ( GB2228) during windy season ( February to April) . Statistical analysis indicated that when cover
was at 20 % 25 % , the belt scheme C. korshinskili plantation was 4814 % , 3017 % , and 2714 % more effective for wind
breaking than the randomly distributed plantation at 20 cm , 50 cm , and 200 cm above the ground surface. The effectiveness of
wind breaking increased with wind velocity in the belt scheme. When the wind velocity at 200 cm reached 6 7 mΠs , the mean
windbreak effect of the belt scheme was on average 48. 2 % more than the randomly distributed plantation scheme at the same
vegetation coverage. This shows that when vegetation cover is sparse , the horizontal distribution pattern of shrubs becomes an
important factor for restricting windbreak effect , and that the belt scheme is the most effective plantation in the windbreak effect .
The“narrow pipe”flow from gaps between shrubs can have an effect on increasing wind velocity , which results in 4113 % of
observations displaying wind velocity greater than that measured in the open. Within the belt scheme C. korshinskili plantation ,
none of the observations was greater than observations made in the open ground. The flow field structure of the randomly distributed
C. korshinskili plantation was complex and changeable , and was an important factor for the occurrence of wind erosion and sand
accumulation in the thin stands and increased wind velocity in the gaps of stands low in coverage in the semi2mobile or semi2fixed
sand2dunes. Soil surface roughness was found to be about 514 11414 times greater in the belt scheme than in the randomly
distributed plantation , indicating that the belt scheme had marked effect on preventing wind erosion and fixing drift sand. When
there were gaps in the belt scheme plantation , the reduced wind velocity apparently displayed accumulation phenomena and
increased wind velocity was limited to a certain extent in gaps. This study provided scientific basis for developing low cover and
belt scheme shrub plantations for sand2fixation.
Key words : Caragana korshinskili kom; sand2fixing plantation ; low cover ; belt scheme ; windbreak effect
柠条 ( Caragana korshinskili kom)是我国重要的固沙灌木造林种 ,被广泛用于干旱、半干旱区人工沙地植被
的重建中。但是 ,出于尽快固定流沙的目的 ,1949 年以来人工营造的固沙林密度 (或覆盖度) 远大于相同气候
立地条件下自然植被的密度 (或覆盖度) [1～3 ] ,虽然能尽快起到防风固沙的目的 ,但是因水分收支失衡 ,衰败死
亡现象比较严重[4～7 ] ,致使防护期缩短 ,生态、经济效益降低。传统研究认为 :植被覆盖度低于 40 % ,不能完全
固定流沙和阻止风沙流的形成[8～10 ] ,但是 ,近年研究发现 :在低密度 (或覆盖度) 时 ,植物体的水平分布格局对
固定流沙和阻止风沙流的作用差异很大[11～13 ] 。本文以覆盖度在 20 %～25 %的柠条灌木固沙林为对象 ,研究
了行带式和随机两种水平配置结构以及行带式配置中完全无缺口的和第一带、第二带、第三带分别有 215～
315m 缺口的固沙林的防风效果 ,力求为营建低覆盖度的行带式灌木固沙林提供依据。
1 　研究区自然概况
内蒙古和林格尔县位于 E 111°26′～112°18′和 N 39°58′～40°41′。海拔 1020～1200m ,该区年平均气温
516 ℃,年平均降水量为 41715mm。年均蒸发量 1800～2500mm。风季在 3～5 月份 ,年均风速 219mΠs ,风速大于
17mΠs (大于或等于 8 级)一般 30～40d。
内蒙古乌审旗位于 E 37°2715′～39°2215′N 和 107°20′～111°30′E。总海拔 1200～1350m ,该区年均气温 610
～815 ℃,年平均降水量 42112mm。年均蒸发量 1800～2500mm。风季在 3～5 月份 ,年均风速 313mΠs ,风速大于
17mΠs (大于或等于 8 级)年大风扬沙日数 40～50d。
2 　研究方法
211 　样地的选取
在两个研究区分别选择地势平坦开阔的柠条固沙林作为观测样地 ,尽量确保两块样地及对照 (CK) 条件
相似。其中 ,位于和林格尔县行带式样地 (BF)的柠条林配置株行距为 1m ×15m ,带的走向与主害风方向夹角
在 80～90°间 ,平均株高 210～213m ;覆盖度在 23 %～24 % ;下垫面为固定沙地 ,有少量草本植物 (样地内已清
除) ,位于乌审旗的随机分布样地 (RF)的柠条林平均株高 119～212m ,覆盖度在 21 %～25 % ,下垫面为半固定
沙地 ,有少量草本植物 (样地内已清除) , 对照为开阔平坦的草地 ,草高约 10～15cm。
701412 期 杨文斌 　等 :行带式柠条固沙林防风效果 　
行带式样地在西北边缘 (迎风方向)选择了 3 条完整的有代表性的柠条林带和第一、二和三行分别有缺口
的行带作为观测对象 ,行带的组合为 :第一带间宽 15m、第二带间宽 10m、第三带间宽 15m、第四带间宽 15m。
212 　风速的测定
采用多点式自记风速仪 ( GB2228)分别测定了两种配置类型林内和对照在 200cm、50cm 或 20cm 高处的风
速 ;同时测定了行带缺口处的风速。在行带式样地内 ,从林带边缘开始 ,每 215m 布一个测点 ;在随机分布样
地内的观测点随机分布在林内的空地中 ,在 1600m2 的样地内 ,一次测定布设 20 个观测点 ,每 2 秒自动记录一
个值。
采用下式计算风速防风效果[16 ] : Exz = uxzΠuoz (1)
式中 , Exz为防风效果即林内 x 处、高度为 z 处的风速占旷野对照风速的百分数 , uoz为同一高度旷野的平
均风速 , uxz为林内 x 处、高度为 z 处的平均风速。
采用下式计算固沙林内地表粗糙度 ( Z0 ) [14 ] :
log Z0 = ( u1 log Z2 - u2 log Z1 )Π( u1 - u2 ) (2)
　　观测时间为 2 月 20 日～4 月 30 日。
3 　结果分析
311 　行带式与随机分布的柠条固沙林的防风效果
测定结果表明 :林内 3 个高度总平均风速 ,行带式配置的林内仅为对照的 5515 % ;而随机分布的林内是对
照的 9016 % ,平均防风效果比同密度行带式配置的低 3511 %。
表 1 　低覆盖度 (20 %～25 %) 不同配置的柠条固沙林的防风效果
( %)
Table 1 　Windbreak effect on different scheme Caragana korshinskili
kom sand2fixation forest (cover is 20～25 percent)
风速 (mΠs)
Wide speed
样地
Sample ground
高度 Height (cm)
200 50 20
平均
Mean
CK 100 100 100 100
3～4 RF 10313 9917 9718 10013
BF 8216 6717 4413 6419
CK 100 100 100 100
4～5 RF 10214 95 8615 9416
BF 7511 6212 4213 5919
CK 100 100 100 100
5～6 RF 9416 8813 8315 8818
BF 6913 57 38 5418
CK 100 100 100 100
6～7 RF 9317 8215 8915 8816
BF 6511 4917 3413 4917
CK 100 100 100 100
> 7 RF 9011 7318 7819 8019
BF 5919 4818 3419 4812
　　CK　对照 Control ; RF 　随机配置 Random ;BF 　行列式配置 Belt
pattern
从林内不同高度的防风效果 (表 1) 来看 :行带式
柠条林以 20cm 高处降低风速最显著 ,比对照平均低
6112 % ,防风效果比随机分布高 4814 % ;50cm 高处次
之 ,比对照平均低 4217 % ,防风效果比随机分布的高
3017 % ;200cm 高处比较低 ,比对照平均低 2916 % ,防
风效果比随机分布高 2714 %。随机分布的柠条林的
防风效果同样以 20cm 高处平均降低风速最显著 ,比
对照低 1218 % ,且 ,与 50cm 高处 (12 %) 和 200cm 高处
(312 %)降低风速的差异不大 ,而且还出现多次 50cm
高度处降低风速高于 20cm 高度处的现象 ;进而使得
行带式柠条林在不同高度的防风效果均显著。
进一步分析发现 :随着风速的增加 ,无论是行带
式固沙林 ,还是随机分布的固沙林 ,降低风速的效果
均随风速的增大而增加 (见图 1) 。而风速越大 ,行带
式配置降低风速的效果越显著 ,其中 ,当对照 200cm
高度处风速在 3～4mΠs 时 ,行带式固沙林降低风速的
效果比随机分布的高 3615 % ;4～5mΠs 时 ,高 4412 % ;5
～6mΠs 时 ,高 4515 % ;6～7mΠs 时 ,高 5515 % ;图 1 中的
曲线还反映出行带式柠条固沙林内风速流场相对稳
定 ,而随机分布的柠条固沙林的变化复杂。
312 　行带式与随机分布的柠条固沙林与对照风速的差异概率
在分析柠条固沙林内的风速测试资料时 ,出现了随机分布的柠条固沙林内的风速大于旷野对照风速的现
象 ,因此 ,把林内风速与对照的百分比分成大于 100 % ,100 %～50 %和小于 50 % 3 个区间 ,统计不同风速区段
在林内各观测点风速与对照风速的百分比分布在不同区间的概率 ,结果见表 2 中。
8014　 生 　态 　学 　报 26 卷
图 1 　不同配置柠条固沙林风力结构的变化
Fig. 1 　Changes of wind agency structure for different scheme Caragana
korshinskili kom sand2fixation forest结果表明 :同样在 20 %～25 %的低覆盖度时 ,行带式配置的柠条固沙林内的平均风速均比旷野对照风速低 ,没有一次观测结果超过旷野对照风速 ,因此 ,在200cm、50cm 和 20cm 3 个高度 ,进入大于 100 % ,100 %～50 %和小于 50 % 3 个区间的平均概率分别为 0、6415 %和 3515 % ;而随机分布的柠条固沙林进入大于 100 % ,100 %～50 %和小于 50 % 3 个区间的平均概率分别为4113 %、5416 %和 411 % ,这说明有约 4113 %的观测结果超过旷野对照风速 ,而能够降低 50 %以上风速的概率比行带式配置低约 3111 % ,反映出随机分布的林分总体降低风速的效果显著下降。　　对林内 3 个高处分别统计的结果来看 :在 200cm 高
度处 ,行带式配置的柠条林内风速降低的百分比稳定在
　　 表 2 　不同配置柠条固沙林内风速与对照风速的差异概率 ( %)
Table 2 　Differences probability of wind speed within different scheme Caragana korshinskili kom sand2fixation forest and control site
风速 (mΠs)
Wind speed
占对照的比率区间
Percent part of control site ( %)
配置
Scheme
高度 Height (cm)
200 50 20
平均
Mean
> 100 BF 0 0 0 0
RF 6215 6215 50 5813
3～4 100～50 BF 100 8715 50 7912
RF 3715 3715 25 3313
< 50 BF 0 1215 50 2018
RF 0 0 25 814
> 100 BF 0 0 0 0
RF 8715 6215 6215 7018
4～5 100～50 BF 100 75 3715 7018
RF 1215 3715 3715 2912
< 50 BF 0 25 6215 2912
RF 0 0 0 0
> 100 BF 0 0 0 0
RF 25 1215 3715 25
5～6 100～50 BF 100 75 25 6617
RF 75 8715 3715 6617
< 50 BF 0 25 75 3313
RF 0 0 25 813
> 100 BF 0 0 0 0
RF 3715 25 6215 4114
6～7 100～50 BF 100 50 25 5813
RF 6215 75 25 5415
< 50 BF 0 50 75 4117
RF 0 0 1215 411
> 100 BF 0 0 0 0
RF 0 0 3715 1215
> 7 100～50 BF 100 25 25 50
RF 100 100 6216 8715
< 50 BF 0 75 75 50
RF 0 0 0 0
> 100 BF 0 0 0 0
RF 4215 3215 50 4113
平均 Mean 100～50 BF 100 6215 3215 65
RF 5715 6715 3715 5416
< 50 BF 0 3715 6715 35
RF 0 0 1215 411
901412 期 杨文斌 　等 :行带式柠条固沙林防风效果 　
100 %～50 %之间 ,而随机分布的柠条固沙林内风速降低的百分比有约 4215 %观测结果超过旷野对照风速 ,有
5715 %在 100 %～50 %之间 ,两种配置的林分风速降低的百分比均没有低于 50 % ;当高度降低到在 50cm 处时 ,
两种配置的林分降低风速的效果均有增加 ,其中行带式配置的林分有 3716 %进入小于 50 %区间 ,而随机分布
的林分超过旷野对照风速的百分比 (比 200cm 高度)降低了 10 % ,仍没有一次降到小于 50 %区间 ;而当高度降
低到 20cm 处时 ,行带式配置的林分降低风速的效果显著增加 ,其中有 6715 %观测结果降到小于 50 %区间 ,但
是 ,随机分布的林分超过旷野对照风速百分比的概率增加到 5011 % ,同时 ,另有约 1213 %概率降到小于 50 %
区间 ,这反映出低覆盖度随机分布的疏林使林内风场复杂化 ,同时 ,降低了其的防风效果。
表 3 　不同配置柠条林内地表粗糙度分析( mm)
Table 3 　Analyses of soil surface roughness different schemes Caragana
korshinskili kom sand2fixation forests ( mm)
风速
Wind(mΠs) 随机Random 行带式Belt
3～4 0109～2174 8173～14182
4～5 0114～1192 9155～14145
5～6 0108～1154 9154～13168
6～7 0107～1112 8101～13169
变动范围 Change range 0107～2174 8101～14182313 　行带式与随机分布的柠条固沙林内地表粗糙度分析计算的不同对照风速条件下 ,行带式与随机分布的柠条固沙林内地表粗糙度见表 3 中。从表 3 可以看出 :同样在 20 %～25 %的低覆盖度时 ,行带式配置的柠条固沙林内地表粗糙度高且稳定 ,平均在 8101～14182cm 变动 ,而随机分布的柠条固沙林内地表粗糙度低且变动范围大 ,平均在 0107～
2174cm变动 ,比行带式配置低 514～11414 倍 ,其地表粗糙度低的部位接近流沙地的值。这是低覆盖度随机分
布的疏林内出现局部风蚀 ,处于半固定 —半流动状态的原因。
进一步分析发现 :随着风速的增大 ,两种样地内地表粗糙度有微小降低 ,但不明显。
314 　行带式内出现缺口对防风效果的影响
行带式配置的柠条固沙林没有出现缺口时和分别在第一带、第二带和第三带出现缺口时防风效果的变化
见图 2 中。
图 2 　完整和出现缺口的行带式柠条固沙林的防风效果
Fig. 2 　The windbreak effect on whole and gapped Caragana korshinskili kom sand2fixation forests
分析图 2 发现 :如果每一行带均完整 ,在 200cm 高度 ,风速从旷野穿过第一带后 ,大约在 1H 处稍有升高 ,
为对照的 8112 % ,其后缓慢降低 ,穿过第二带和第三带虽有波动 ,基本维持在对照的 70 %以下 ,连续行带组合
0114　 生 　态 　学 　报 26 卷
基本上没有累计增加防风效果。在 20cm 高度 ,在第一带与第二带间风速平稳且降低显著 ,维持在对照的
30 %以下 ,而在第二带与第三带间和第三带与第四带间出现了风速的抬升现象 ,其中在第三带与第四带间的
中央 (约第三带后 3H处)处抬升最高 ,约为对照的 6216 %。
图 2 中同时给出了第一带、第二带和第三带分别出现 215～315m 缺口时行带式柠条固沙林内风速的变化
状况 ;分析发现 :无论是在 200cm 或 20cm 高度 ,迎风面第一带出现缺口 ,缺口处的风速会显著增高 ,且超过旷
野对照风速 (200cm 高度为对照风速的 10016 % ,20cm高度为对照风速的 103 %) ;而分别在第二带或第三带出
现缺口后 ,缺口处的风速分别为对照风速的 75 %(200cm)和 3711 %(20cm)或 6813 %(200cm)和 6513 %(20cm) ,
虽有抬升 ,但不显著 ,说明连续的行带组合在中间出现缺口处具有累计增加防风效果的作用。
4 　结论与讨论
(1) 在干旱、半干旱地区沙地 ,覆盖度在 10 %～40 %的乔灌木固沙林才能符合水量平衡[4 ,5 ] ,但在 2～4 月
份的风季 ,植物处于冬态 ,且在 10 %～40 %的覆盖度时防风效果差 ,处于半固定2半流动状态 ;而在低覆盖度
时 ,人为改变灌丛的水平分布格局后 (改变随机分布为规则分布 ,同时减小株距 ,拉大行距 ,形成行带式配置)
形成行带式配置后 ,不但能提高水分利用率和生产力[13 ] ,而且从上述的分析充分肯定 ,行带式配置的柠条固
沙林的防风效果显著大于随机分布的柠条固沙林。可见 ,在低覆盖度时 ,灌丛水平分布格局成为影响防风效
果的重要因素 ,行带式配置能显著提高低覆盖度固沙林的防风效果。
(2)当覆盖度在 20 %～25 %时 ,随机分布的稀疏固沙林内的风速从大于对照风速 (4113 %) 到小于对照的
50 %(411 %)均有分布 ,地表粗糙度从 0107cm 到 217 cm ,变化幅度均超过行带式配置的柠条固沙林内和旷野
对照样地 ,说明随机分布的固沙林对风速的阻碍和改变作用相对较差 ,在灌丛风影区则可显著降低风速 ,而在
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 ,致使其流场结构复杂、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的重要因素[15 ] 。
(3)行带式配置林内地表粗糙度比随机配置的高 514～11414 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) ;行带式配置的柠条固沙林中 ,连续三带的完整行带组合未发现防风效果的累加现象[16 ] ,而从迎风一
侧开始 ,第二带、第三带分别出现 215～315m 的缺口后 ,其缺口处的风速降低有明显的累加现象 ;第三带与第
四带之间中央出现风速抬升的现象 ,其原因有待于进一步研究。
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