全 文 ：　　1996- 09- 20收稿。
　　陈建业高级工程师,孟平,宋兆民,辛学兵,张劲松(中国林业科学研究院林业研究所　北京　100091)。
* 本文系“八五”国家科技攻关“农林复合系统结构与功能研究”专题的部分。
农田防护林网隔带更新模式的
微气象效应研究*
陈建业　孟　平　宋兆民　辛学兵　张劲松
　　摘要　应用微气象学原理对隔带更新模式进行效益的评价和理论分析。结果表明: ( 1)隔带更
新后的林网仍具有较高的防风效应, 平均为 22% ,仍在有效防护效能范围之内; ( 2)隔带更新后的
林网蒸散与旷野差为 1%。土壤热通量和湍流热通量与旷野相比仍具有显著差异, 前者增加约
33% , 后者减少约 19% ; ( 3)隔带更新后的林网总辐射及其各分量前后差异不大, 更新时可不考虑;
( 4)隔带更新拟采伐与主害风平行的林带为佳。
　　关键词　农田防护林　更新模式　气象效应
　　黄淮海平原农田防护林建设,始于 60年代初,不仅时间早,而且规模也居国内各平原之
首。早期营造的农田防护林,树种结构单一,尤为不足的是缺乏“适地适树”原则,造成相当面积
林木生长不良,达不到应有的防护作用。随着国内防护林学科的研究与发展,从 80年代初开始
的黄淮海平原中低产地区综合防护林体系攻关研究,已把传统的农田防护林带(网)发展到多
种综合体系新阶段 [ 1] , 同时也说明了旧有防护林带更新改造的迫切性。在更新过程中, 如何保
持效益的连续性与稳定性, 这是当前农田防护林建设中必须要探讨的问题。国内外学者对防护
林效益的研究较多[ 2～3] ,但从防护效益的角度来研究防护林的更新方式还不多见。为此,“七
五”期间在山东省商河县建立了万亩更新改造试验示范区,重点进行半带、隔带、断带、带内、带
外、全伐等更新模式的对比试验。该研究应用微气象学原理着重对隔带更新模式进行效益的评
价和理论分析。
1　试验场地及仪器设置
　　本试验设置在山东省商河县玉皇庙乡, 位于 37°10′N, 117°3′E, 属温带季风气候区,年平
均气温 12. 6 ℃,年降水量 620. 4 mm, 年蒸发量 2 066. 2 mm ,相对湿度 64%,日照时数 2 742.
8 h,年平均风速 3. 58 m / s, 全年大风( 17 m / s)日 23. 2 d,盛行风向为偏南风。
试区现有农田防护林网 3 200 hm2 , 共 86个网隔, 于 1975 年营造, 林带均为八里庄杨
( Pop ulus×X iao Zhuanica W. Y. Hsu et L iang Cy) , 在路的两侧各种植 2行树,株行距 2 m×
1 m,平均树高为 14 m,平均胸径为 14 cm ,林带透风系数 0. 6左右, 林网带距东西向为 330 m,
南北向为 280 m。试验于 1991年春进行,更新方式为隔带更新,即每隔一条林带伐去一带, 伐
去的林带种植毛白杨( P . tomentosa Carr. ) + 紫穗槐( A morpha f r ut icosa Linn. ) ,观测点分别
林业科学研究　1997, 10( 4) : 389～394
Forest Research 　　 　　　
设置在更新林网、未更新林网内和旷野,林网内测点设置为梅花型,即更新林网为 SW 1、NE1、
SE1、NW1、O 1点,未更新林网为 SW0、NE0、SE0、NW0、O0 点。选择典型天气进行 24 h连续观
测。观测项目为:热量平衡各分量和小气候梯度观测( 0. 5 m 和 2 m )。使用的仪器为日产净辐
射仪、天空辐射表、热流板、三杯风速表、干湿球温度表、曲管地温表等。
2　更新林网走向的理论分析
　　整个防护林网的防风效应可表示为[ 4～5] :

( Z) = 1 -∫H0∫S 10∫S 20 W ( x , y , z ) dx dy
W 0( Z)∫H0∫S 10∫S 20 dxdy ( 1)
式中 W ( x , y , z )为林网中任意处风速, dx、dy 为积分变量。( 1)式的求解见参考文献[ 4]和[ 5] ,
由于
( Z)的大小与风速、林高 H、透风度 a、林网网格面积 S、长宽比 n( S 1/ S 2)及林网方位、风
偏角有关。当对原林网进行隔带更新以后,林高 H、透风度a(可近似看作相同的)、风速(对同
一地区)没有变化,只有长宽比 n及林网方位(风偏角)在更新前后是不相同的。更新何种走向
林带(采伐东西走向林带或南北走向林带)才能保证更新后仍具有防护效应的连续性和稳定性
呢? 根据防护效应的理论计算公式, 当采伐东西走向的林带时,主林带(当地盛行南风)之间的
距离为 2S 2 ( S2= 280 m ,为未更新林网主带距) , 采伐南北走向林带时, 主林带之间的距离为
S2。林带的有效防护距离 [ 6]为:
L
= A ( B -
) aeb
( 2)
( 2)式中, B 为相应于减弱风速
时最大的风速系数, A、a及 b为经验常数,
为透风系数,当

= 30%时, L 30= 21H = 294 m。
为确保更新前后接近或在 30%防护距离以内,上述两种情况应有:

2S 2≤L 30= 294 m;　　
S2≤L 30= 294 m
由于未更新林网中 S 2= 280 m ,上述
种情况不满足条件 2S2> L 30 ( m ) ,只有
种情况 S 2
≤L 30( m )时, 符合效益的稳定性。因此,隔带更新拟采伐南北走向林带为佳。再从风偏角
参数
来看,在相同条件下,对于短边法线与风向夹角为风偏角的长方形林网,当风偏角
增大时, 防
风效应也增大,在风偏角
= 90°时, 防风效应最佳。为此, 更新后的林网的长边林带应与当地主
害风方向垂直,同样表明,应以采伐南北走向林带为佳。
根据分析,将以上参数代入( 1)式计算,结果表明采伐东西走向林带时,更新林网的防风效
应为 17. 6%;采伐南北走向林带时,防护效应为 26. 9%。
3　更新林网的动力特性
3. 1　防风效应
据观测, 当隔带更新南北走向林带后, 更新林网的总体防护效应平均为 22%, 未更新林网
的防风效应为 24%。由此看出,更新林网防护效应虽然有所减弱,但仅比未更新林网减少2%。
这主要是因为影响防风效应的主要参数透风度和有效防护距离在更新前后没有改变,致使能
保持防护效应的连续性与稳定性。
3. 2　湍流交换系数
390 林 业 科 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　10 卷
湍流交换系数的大小受风垂直切变的动力因素和温度梯度的热力因素影响;当林网更新
后其动力和热力因素都相应地发生改变,从而导致湍流交换系数的变化。
　根据观测资料计算结果(见表 1) , 更新林
网与未更新林网内湍流交换系数平均值分别
为 0. 364 6、0. 316 3 m2 / s, 旷野为 0. 490 6
m
2 / s ,两者分别比旷野减少了 25. 70%、35.
5%。两林网的湍流交换系数虽有些差异, 但
均优于旷野。造成这种差异的主要原因是林
网内风的垂直切变发生的变化,从而形成较
高的空气动力效应。
3. 3　扩散阻力
由于任一物理量的垂直扩散方程均可表
示为:
F
dZ
K
= - dm ( 3)
表 1　各测点湍流交换系数日平均值
网格类型 测点 日平均值
( m2/ s )
相对减弱率
( % )
更 SW1 0. 393 6 0. 197 7
新 NE1 0. 380 2 0. 225 0
林 SE1 0. 410 6 0. 163 0
网 NW 1 0. 279 6 0. 430 1
O 1 0. 359 1 0. 262 8
未 SW0 0. 332 9 0. 341 7
更 NE0 0. 312 6 0. 368 1
新 SE0 0. 277 0 0. 435 3
林 NW 0 0. 306 4 0. 375 4
网 O 0 0. 362 7 0. 260 8
对照 0. 490 6
将( 3)式积分得:
F = ( m1 - m2) (∫Z2Z
1
dZ/ K )
- 1
( 4)
因此扩散阻力可表示为:

=∫K - 1dZ C( e 1 - e2) ( 1 + 0. 5
T /
e)B - Qs ( 5)
式中:
为扩散阻力, C是系数, e1和 e2分别为 Z1、Z2高度处水汽压,
T 和
e是 Z1和 Z2之间
的气温差与水汽压差, B 是净辐射, Qs是土壤热通量。从表 2可以看出, 更新林网、未更新林网
的扩散阻力分别比旷野增加 20. 6%、26. 9%, 造成林网内外这种差异的原因,是林网对动力速
度的削弱程度的增加, 使其扩散阻力增大, 扩散速度减小。
表 2　林网内各测点的扩散阻力
网格类别 更　新　林　网 未　更　新　林　网
SW 1 NE1 SE1 NW 1 O 1 SW 0 NE0 SE0 NW0 O 0
旷　野
平均值(S / cm) 5. 56 4. 82 4. 87 6. 12 5. 39 5. 36 5. 80 5. 19 6. 53 5. 48 4. 47
相对增加率( % ) 24. 3 7. 8 8. 9 36. 9 20. 5 19. 8 29. 7 16. 1 46. 1 22. 5
4　更新林网的热量平衡
　　农田林网的热量平衡是形成林网小气候的物理基础。为了研究更新林网的小气候变化特
征,对更新前后林网热量平衡各分量的变化进行了对比观测。
B = L E + P + Qs ( 6)
式中: B 为净辐射, L E 为潜热通量, P 为显热通量, Qs为土壤热通量。
4. 1　显热通量 P
3914 期　　　　　　　　　陈建业等: 农田防护林网隔带更新模式的微气象效应研究
直接影响农业生产并使林网中小气候条件发生变化的最主要因子是林网内湍流运动的强
弱。显热通量公式:
P = -
CpK 1Z
T
Z =
CpK 1 T 1 - T 2ln( Z2 / Z1) ( 7)
式中:
为空气密度, Cp 为定压比热, K 1为湍流交换系数, T 1、T 2 分别为 Z1、Z2高度处的温度。
从( 7)式中可看出:显热通量与 1 m 中性层结下的湍流交换系数 K 1及温度梯度成正比。由于
林网中动力的热力因素的改变, 使林网中的显热通量也随之发生变化,根据观测资料的计算结
果,更新林网与未更新林网内显热通量平均分别比旷野减少 19. 2%、26. 6%(表 3)。
表 3　林网内各测点显热通量
网格类别
测　　点
更　新　林　网 未　更　新　林　网
SW 1 NE1 SE1 NW 1 O 1 SW 0 NE0 SE0 NW0 O 0
旷　野
平　均　值
( kW /cm2
min) 0. 027 0. 036 0. 045 0. 046 0. 037 0. 020 0. 027 0. 043 0. 040 0. 035 0. 047
相对减弱率( % ) 42. 2 24. 1 4. 4 3. 2 21. 9 57. 6 42. 8 9. 5 16. 2 26. 8
　　由于各测点在林网内所处位置不同, 因
此,它们显热通量值的大小也不同,更新林网
中 SW 点和未更新林网中 SW 点的显热通量
值均比同类林网中其它测点减少的辐度大,
更新林网 SW 点湍流热通量比旷野减少 42.
2% ,未更新林网 SW 点的显热通量比旷野减
少 57. 6%。这主要是由于当时风速( 1. 1 m /
s)不大(风向为 SSW ) ,因此热力因素比动力
因素占优, 处于主导地位的缘故, 所以 NW
点的值偏高。
4. 2　潜热通量 LE
林网内农田的蒸散比较复杂,受林网结
构、植被、气象、水分等因子的制约,根据资料
计算结果,两林网中各点的潜热通量各不相
同,因为林网中风场、温度场、湿度场在各测
点距林带的位置不同而异, 更新林网、未更新
林网内的潜热通量平均分别比旷野增加约
1. 2%、3. 1% ,增加的辐度不算大(见表 4)。
4. 3　土壤热通量 Qs
土壤热通量的大小是受地面温度梯度、
空气热容量以及导温率 3个因子所制约。由
于林网的存在, 使上述的制约因子不同于旷
野。
　　据测定更新林网、未更新林网中的土壤
表 4　各测点潜热通量
林网
类别 测点
平均值
( kW/ ( cm 2·min) )
相对增减率
( % )
更 SW1 0. 189 5 - 6. 47
新 NE1 0. 204 6 0. 99
林 SE1 0. 202 8 0. 1
网 NW1 0. 219 1 8. 14
O 1 0. 207 3 2. 32
未 O 0 0. 203 8 0. 59
更 SW0 0. 194 8 - 3. 85
新 NE0 0. 215 5 6. 37
林 SE0 0. 188 9 - 6. 76
网 NW0 0. 241 4 19. 25
旷野 0. 202 6
表 5　林网内各测点土壤热通量
林网
类别 测点
平均值
( kW/ ( cm 2·min) )
相对增减率
( % )
更 SW1 0. 061 55. 34
新 NE1 0. 050 27. 22
林 SE1 0. 049 24. 20
网 NW1 0. 048 22. 24
O 1 0. 053 35. 59
未 O 0 0. 053 35. 59
更 SW0 0. 059 51. 07
新 NE0 0. 062 58. 54
林 SE0 0. 054 37. 54
网 NW0 0. 046 17. 62
旷野 0. 039
392 林 业 科 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　10 卷
热通量平均分别比旷野增加 32. 9%、40. 1% (表 5)。这种差异的产生,主要是由于林网内外温
度梯度的差异所致。
4. 4　辐射平衡各分量分析
辐射能是一切植物所需能量的唯一来源。了解下垫面的小气候特征,对讨论辐射平衡各分
量的变化是非常必要的。
辐射平衡方程为:
Rn = Q - R k - F ( 8)
式中: Rn 为净辐射, Rk 为反射辐射, Q 为总辐射, F 为有效辐射( R n、Q、Rk 为实测值)。
4. 4. 1　总辐射 Q　观测结果表明,更新林网与未更新林网内总辐射都有明显的日变化,其差
异并不显著, 分别为 407. 4、411. 5 kW / cm 2。所以更新方式并不受影响。
4. 4. 2　反射辐射 Rk　据观测,更新林网、未更新林网(下垫面均为小麦)内反射辐射日总量分
别为 74. 97、75. 87 kW / cm 2,两者差异甚小,受更新方式影响很小。
4. 4. 3　有效辐射 F　有效辐射是地面放出的长波辐射和大气逆辐射之差。在下垫面条件发生
局部改变的条件下,活动面上的温度就会发生相应的改变,从而引起有效辐射的改变。由公式
( 8)得:
F = Q - Rk - R n ( 9)
　　结果表明:白天(晴天) ,更新林网与未更新林网内的有效辐射日总量分别为 66. 8、62. 3
kW/ cm
2
, 前者比后者增加 7. 2%。
4. 4. 4　净辐射 Rk　它是下垫面获得能量使小气候特征发生变化的直接因素。更新林网与未
更新林网中的净辐射日总量分别为 265. 7、273. 4 kW / cm2 ,旷野为 260. 3 kW / cm2 ,前两者分
别比旷野增加(白天) 5%和 2. 1%, 主要原因是林网减少了有效辐射。
5　结　论
　　( 1)隔带更新后的林网仍具有较高的防风效应, 平均为 22% ,比未更新林网仅减少 2% ,仍
在有效防护效能范围之内。
( 2)隔带更新后的林网湍流交换系数明显低于旷野, 平均减少 19. 2% , 扩散速度平均减
20. 6%。
( 3)隔带更新后的林网蒸散与旷野的差异很小, 为 1%。土壤热通量和湍流热通量与旷野
相比仍具有显著差异, 前者增加 32. 9% ,后者减少 19. 2%。
( 4)隔带更新后的林网,总辐射及其各分量前后差异不大,更新时可不考虑。
( 5)隔带更新拟采伐与主害风平行的林带为佳。
综上所述,隔带更新后的林网仍具有较好的防护效应;它的动力效应和热力效应都明显优
于旷野;辐射差异较小。因此,隔带更新模式是林网更新中较合理的更新方式,它所具备的小气
候条件仍有利于农作物生长发育及产量增加。
参　考　文　献
　　1　宋兆民主编.黄淮海平原综合防护林体系生态经济效益研究.北京:北京农业大学出版社, 1990. 6.
　　2　宋兆民,陈建业,杨立文,等.河北深县防护林气象效应研究.林业科学, 1981, 17( 1) : 8～18.
3934 期　　　　　　　　　陈建业等: 农田防护林网隔带更新模式的微气象效应研究
　　3　Jesen M . Sh el terbelt ef fect . Copenh agen: Danish Techn ical Press , 1961. 21～78.
　　4　宋兆民.孟平,张翼.林带透风度与林网的防风效应.林业科学, 1987, 23( 4) : 398～405.
　　5　宋兆民,孟平,张翼,等.林网方位与防风效应野外模拟试验研究.林业科学研究, 1989, 2( 1) : 71～77.
　　6　曹新荪主编.农田防护林学.北京:中国林业出版社, 1983. 166～178.
Study on Micrometeorology Effect on Reproduction
by Alternate Strip-felling Model
Chen J iany e　M eng P ing　Song Zhaomin　X in Xuebing　Zhang J insong
　　Abstract　This dissertation, apply ing the pr inciple of micrometeoro logy to study and
evaluate the ef fect on the reproduct ion by alternate str op-felling o f shelterbelt . T he results
show that : 1. af ter the shelterbelt is repr oduced the ef fect of fo rest netw orks 22%; 2. evapo-
transpirat ion of forest netwo rk after shelterbelt reproduct ion is 1% more than that of the
open w ide f ield; heat flux is 32. 9% mor e than that o f the open w ide f ield; turbulent f lux is
19. 2% low er than that o f the open w ide field; 3. total radiation of the fo rest netw o rk after
shelterbelt reproduct ion is sim ilar to that of the open w ide f ield; 4. it′s suitable to adopt the
cut t ing w hich is parallel w ith the main w ind for pr oduct ion.
　　Key words　model of r eproduction　 farmland shel ter for est 　 effect o f meteoro logy
　　Chen Jianye, Associated Profes sor, Meng Ping, Song Zhaom in, Xin Xuebing, Zhan g J insong ( T he Research Ins titute of
Fores tr y, CAF　 Beij ing 　 100091) .
394 林 业 科 学 研 究　　　　　　　　　　　　　　　　10 卷