全 文 ：第 50 卷 第 8 期
2 0 1 4 年 8 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50，No. 8
Aug．，2 0 1 4
doi:10．11707 / j．1001-7488．20140813
收稿日期: 2013 － 05 － 06; 修回日期: 2013 － 10 － 16。
基金项目: “十二五”农村领域国家科技计划课题“干旱区沙漠边缘防风固沙体系构建技术研究与试验示范”(2012BAD16B0103) ; 中央级
公益性科研院所基本科研业务费专项资金“优良沙旱生树种种质资源整理、保存与共享”(CAFYBB2012003)。
* 辛智鸣为通讯作者。
我国绿洲防护林冬季相防风效应的估算*
王志刚1 辛智鸣1，4 赵英铭1 马学献2 陈 峰3 乌 拉1 肖彩虹1
(1．中国林业科学研究院沙漠林业实验中心 磴口 015200;
2．磴口县林业局 磴口 015200; 3．巴彦淖尔市林业局 临河 015000; 4． 内蒙古磴口荒漠生态系统定位研究站 磴口 015200)
摘 要: 以林网区贴地层相对风速为目标函数，以动力平衡为基础，利用立木蓄积量指数(单位面积农田所拥有
的立木蓄积量)与林网冬季相防风效应的近似对应关系，估算我国北方农田林网化对冬春季地面风力的影响。结
果表明:我国北方绿洲防护林立木蓄积量整体不足，冬春季防风效应较差，局部可观测到很好的防风效应但不具有
普遍性; 立木蓄积量指数较小时增量效益较好，立木蓄积量指数越大增量效益越小，裸耕地和蓄积量很少的地区存
在较大的防风效应增益区间; 修枝对防风效应的影响在立木蓄积量指数较小的区域明显，立木蓄积量指数较大的
区域不必牺牲木材经济价值而保留很多侧枝; 对于立木蓄积量指数已经很大的地区，没有必要要求生长量大于采
伐量、蓄积量持续增长。
关键词: 农田防护林; 相对风速; 动力速度; 农田面积; 立木蓄积量
中图分类号: S727. 2 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2014)08 － 0090 － 07
Evaluation of Wind Protection Effect of Oasis Shelterbelts in China
Wang Zhigang1 Xin Zhiming1 ，4 Zhao Yingming1 Ma Xuexian2 Chen Feng3 Wu La1 Xiao Caihong1
(1 ． Experimental Center of Desert Forestry，CAF Dengkou 015200; 2 ． Dengkou Forestry Bureau Dengkou 015200;
3 ． Bayannor Forestry Bureau Linhe 015000; 4 ． Dengkou Desert Ecosystem Ｒesearch Station of Inner Mongolia Dengkou 015200)
Abstract: In order to better assess the wind protection effect of oasis protection forest in winter and spring in northern
China，we evaluated the effect of farmland shelterbelts in northern China on the forest ground wind in winter and spring．
The relative wind speed of shelterbelts stickers’ layer was used as the objective function． Based on the dynamic
equilibrium，the approximate correspondence relationship between the stock volume index ( per unit area of farmland
owned by the stumpage) and wind protection effect of the farmland shelterbelts in winter was used to evaluate the effect of
farmland shelterbelts in northern China on the forest ground wind in winter and spring． The results showed that the overall
stock volume was insufficient in northern China oasis protection forest，and the wind protection effect was poor in winter
and spring． Occasionally，a very good windbreak effect was observed in some locals，but the situation was not universal．
Moreover，we found that the incremental benefit of wind protection was inversely proportional to the stock volume index．
Bare arable land and the areas with smaller stock volume had bigger incremental space． Pruning operated in smaller stock
volume index areas had more significant influence on wind protection effect． Thus，it is not necessary to keep collaterals
by sacrificing the economic value of wood in those areas with bigger stock volume index． For those areas with relatively big
stock volume index，the growing volume is not necessary bigger than the harvest volume and the storage volume．
Key words: farmland shelterbelts; relative wind speed; power speed; farmland area; stock volume
我国北方冬春季干燥多风，沙尘活动频繁，对农
业生产和人民健康影响较大。西北干旱沙区的大规
模灌溉绿洲区，没有防护林的保护几乎不能进行农
业生产，建国以来的大规模农垦活动一直把农田防
护林作为改善生产生活条件的重要工程对待。
初期的防护林借鉴前苏联“宽林带、大网格”的
模式，20 世纪 60 年代改为“窄林带、小网格”。国内
外有关林带防风效应的研究文献浩如烟海，绝大多
数工作都把夏季相(着叶模型)作为研究对象，由于
我国北方冬春季风力强劲、沙尘危害严重而防护林
第 8 期 王志刚等: 我国绿洲防护林冬季相防风效应的估算
尚处在冬季相(无叶或初叶)，因此，许多研究结果
均不能满足实际应用的需要; 有关著作(曹新孙，
1983; 朱廷曜等，2001; 梁宝君，2007)、教材(朱金
兆，2010)、标准(LY /T 1682—2006)都分别把林带
透风系数 0. 4，0. 5，0. 6 作为结构设计目标，但就目
前普遍以杨树(Populus)为主的防护林来看，几乎不
可能出现冬季相透风系数 0. 4 ～ 0. 6 的林带。朱廷
曜(1993)首次用动力平衡法对林网化区域防护林
防风效应进行了研究，但因基础参数与常规统计数
据不易对接，应用受到限制。
由于缺乏简便有效的林网化区域防风效应估算
方法，人们常常直接借用局部观测结果来评价林网区
防风效应，而局部观测结果多出自防护林较为健全的
区位，如在乌兰布和沙区绿洲的野外试验(高尚武等，
1990)、风洞模拟和野外实验(汪季等，2005;刘艳萍
等，2003)、在民勤绿洲的研究(赵明，2011)都证明，
完善的防护林体系具有良好的防风抑尘效果。但是，
以县级尺度用多站点资料研究我国北方戈壁、草地、
盐壳、沙地、农田 5 种下垫面上大风频率与沙尘暴频
率间的相关关系，结果发现农田是最容易起沙扬尘的
下垫面(宋阳等，2005)。这 2 种近乎相反的结果说
明，我国西北绿洲区防护林防风效应整体与局部之间
存在着不小的差异，裸耕地和防护林不健全的绿洲是
我国北方浮尘的主要来源，提高林网化水平、降低贴
地层风速是最主要的应对措施。
以往防风效应的估算均从对照点与估算点之间
进行同步观测获得，但对于已经林网化的区域，很难
找到与估算点风力背景相似的对照点，因此这种方
法不具有实用性。本文尝试在前期工作(王志刚
等，1998; 2012; 2014; 王志刚，2013)的基础上，从
动力效应原理估算林网区冬季相防风效应，以求获
得一种适应面上管理的简化运算方法，揭示其一般
规律，并获得近似结果。
1 估算方法
1. 1 防风效应估算公式
王志刚等(2014)用动力平衡原理导出了绿洲
林网区冬季相贴地层相对风速 γ 的估算公式:
γ = v* 1 /(1 +
A2 s
2πβ21槡 )。 (1)
式中: v* 为林网区内部上层相对动力速度; A 为旷
野来流在树高以下的平均风速 v0 与动力速度 v* 0 的
比值;s 为单位面积林网区内主林带树木枝干的表
面积; β1 为林带单行平面内疏透度。
1. 2 有关参数的确定
1. 2. 1 林网区内部上层相对动力速度 v* v

* 为
林网区上层动力速度 v* 与旷野来流动力速度 v* 0 之
比，即 v* = v* / v* 0，反映了地面障碍物对上层气流的
阻力变化。林网区气流速度由于林网的阻力作用而
被拖慢，地面阻力较无林区显著降低，因而林网与地
面阻力之和较无林区增大的幅度较小，v* 变幅较
小。有关该参数与林网结构之间关系的研究尚不很
深入，但因该参数数值较为稳定，仍可依照有限的素
材给出近似值。
我国建筑结构抗风设计使用的对应不同下垫面
粗糙度 z0 与相对动力速度 v* / v* 0 对应关系见表 1
(Simiu et al．，1996)，相应的粗糙度: 沙漠 0. 01 m，
树木稀少的乡村 0. 05 m，树木密集的乡村 0. 30 m，
中高层建筑密集地区和起伏较大的丘陵 1. 00 m。
依此推测，沙漠( z0 = 0. 01 m)过渡为林网区( z0 =
0. 30 m)，v* / v* 0 = 1. 15 /0. 844 = 1 ． 36，即动力速度
增大到沙漠的 1. 36 倍。
表 1 不同下垫面粗糙度及其相对动力速度
Tab. 1 Ｒoughness at various underlying surfaces and its relative power speed
粗糙度
Ｒoughness ( z0 ) /m
0. 005 0. 01 0. 05 0. 07 0. 30 1. 00 2. 50
相对动力速度
Ｒelative power speed ( v* / v* 0 )
0. 83 0. 844 0. 948 1. 00 1. 15 1. 33 1. 46
磴口荒漠定位站实测得到乌兰布和沙区半固定
灌丛沙地的动力粗糙度 z0 = 0 ． 025 m，林网区动力
粗糙度 z0 = 0 ． 25 m，风向与主林带走向垂直时林网
区上层相对动力速度 v* 约为 1. 3 (赵英铭等，
2013)，与 Simiu 等(1996)描述的“沙漠过渡到树木
密集的乡村”相对动力速度数值基本吻合。该林网
区以总土地面积为基数的立木蓄积量指数为 30 m3
·hm －2 (主林带立木蓄积量指数为 20 m3·hm －2，主
林带立木总表面积指数 s 为 0. 112)，主林带间距在
树高的 10 倍左右，与我国西北地区普遍采用的网格
尺度和林带结构相比，属于树木密集程度最高的林
网区，可将 1. 3 视为林网区上层相对动力速度 v* 的
极大值。
根据林网区上层相对动力速度的定义，其极小
19
林 业 科 学 50 卷
值为 1(无林区)，对应极小值的主林带立木总表面
积指数 s 为 0; 若以磴口荒漠定位站绿洲林网区上
层相对动力速度 1. 3 为极大值，对应的主林带立木
总表面积指数 s 为 0. 112，为满足更大范围林网区防
风效应估算的需要，本文暂假设林网区上层相对动
力速度 v* 随林网区主林带立木总表面积指数 s 的增
大而线性增长，用插值法给出二者的近似关系为 v*
= 2 ． 68s + 1。
1. 2. 2 旷野来流在树高以下平均风速 v0 与动力速
度 v* 0 的比值 A A 取决于林带高度 H 和地表粗糙
度 z0 ，公式为:
A = v0 / v* 0 = 5 ． 75
1
H ∫
H
z0
( lgz)dz － lgz[ ]0 。 (2)
当选取绿洲内部下垫面粗糙度时，林网区相对
风速 γ 的含义相应为林网区贴地层风速与无林网农
田贴地层风速之比，反映防护林对绿洲区风力改变
的贡献。
农业绿洲内冬春季地面起伏因素除林网外，还
包括道路、渠道、田埂、作物残茬、垡块等，直观起伏
高度与稀疏灌丛沙地近似，为反映防护林对绿洲区
风力改变的贡献，经验值取 z0 = 0 ． 025 m 参与 A 值
的计算。
我国西北绿洲区普遍使用各种杨树作为防护林
主栽树种，其最大生长高度为 16 ～ 20 m，考虑成规
模的绿洲防护林由不同龄级的树木组成，而较大龄
级的树木对防风效应的贡献较大，经验值取 H =
16 m参与 A 值的计算。
将 H = 16 m、z0 = 0 ． 025 m 代入式(2)，计算得
A = 13. 7。
1. 2. 3 林带单行平面内疏透度 β1 按照近似值定
义 β1 ≈ 1 － 胸径 × 保存率 / 株距，西北地区一般采
伐林木的胸径均达到 0. 22 m 以上，且较大龄级的树
木对防风效应的贡献较大，经验值取胸径 = 0. 2 m
参与 β1的计算，保存率取 80%参与计算，株距采用
最常见的设计株距 2 m 参与计算，得 β1 = 0 ． 92 。
1. 2. 4 单位面积林网区内主林带树木枝干的表面
积 s s 可用立木蓄积量指数换算而来，涉及主林带
蓄积量占总蓄积量的比例、耕地占林网区总面积的
比例、表面积与蓄积量的比例。
主林带蓄积量占总蓄积量的比例: 按西北地区
林网常规配置，主林带间距与副林带间距之比约为
1∶ 2，则主林带蓄积量和表面积一般占林网总量的
2 /3。
耕地占林网区总面积的比例: 林网区总面积包
括耕地、林带、道路、渠道占地等，规模化林网区内部
耕地一般占总面积的 70% 左右。各地农田面积统
计口径有宽有严，且受地形、土壤一致性的影响，绿
洲规划格局多样，因此该比例在不同地区之间差异
较大。
表面积与蓄积量的比例: 立木表面积与蓄积量
的换算关系可由标准木解析数据近似得到。笔者测
算了 1 /4 枝下高的新疆杨 ( P． alba)、二白杨 ( P．
gansuensis)冬季相全树表面积 Smax 、主干表面积
Smin 、单株蓄积量 V 并拟合了与胸径 D1. 3 之间的相
关关系，得到新疆杨全树表面积与胸径的相关关系
Smax = 0 ． 083 2D
1． 76
1． 3 ，r = 0. 981; 主干表面积与胸径
的相关关系 Smin = 0 ． 096 9D
1． 45
1． 3 ，r = 0. 988; 蓄积量
与胸径的相关关系 V = 0. 000 227 2D2 ． 381 ． 3 ，r = 0. 992。
二白杨全树表面积与胸径的相关关系 Smax = 0 ． 104
7D1 ． 611 ． 3 ，r = 0. 937; 主干表面积与胸径的相关关系
Smin = 0 ． 060 6D
1 ． 51
1 ． 3 ，r = 0. 965; 蓄积量与胸径的相
关关系 V = 0. 000 089 1D2 ． 581 ． 3 ，r = 0. 989(王志刚等，
2014)。
西北绿洲区防护林应用的杨树种类很多，其中
二白杨和新疆杨是最常用的树种。早期的防护林以
易成活的杂交种为主，形态多与二白杨近似; 近 10
多年由于光肩星天牛(Anoplophora glabripennis)的入
侵，提高了新疆杨应用的比重。新疆杨的枝条较为
稀疏，二白杨枝条较为密集，用新疆杨和二白杨换算
值取平均代表区域性防护林整体换算值。
单株蓄积量与主干表面积对应关系紧密，而全
树表面积与修枝强度关系密切。单纯追求防护效益
的重风沙区第一代防护林一般保留 1 /4 枝下高，是
侧枝保留最多的类型; 农村个别地方也有修枝很
高、达到 2 /3 枝下高的类型。单株表面积因不同的
修枝习惯可在极大值(侧枝很多如 1 /4 枝下高)与
极小值(主干表面积)之间凭经验选取合适的系数
和指数以提高代换计算的准确性。为提高木材质量
和减少胁地损失，或为冬季牲畜补充新鲜饲料，大面
积绿洲区防护林修枝强度较大，枝下高多在 1 /2 左
右。按照 1 /2 枝下高的侧枝含量，直观估计其全树
表面积应在 1 /4 枝下高全树表面积与树干表面积的
平均水平。
就较大区域而言，绿洲防护林应遵守存量合理、
采补平衡、永续利用的原则，合理安排更新造林，田
间存量树木总体应保持各个龄级数量基本相等。以
旋切单板为目标，杨树商品材最小直径为 22 cm，而
农民对采伐利用的要求也比较迫切，田间保留的树
木直径一般在 30 cm 以下。
29
第 8 期 王志刚等: 我国绿洲防护林冬季相防风效应的估算
将新疆杨、二白杨对应不同径级的全树表面积、
主干表面积、单株蓄积量按经验公式计算列于表 2，
可得到估计大区域林木表面积与蓄积量之间的换算
比例为(196. 5 + 88. 8 + 156. 1 + 66. 6) /2 /(3. 686 +
2. 712) = 39. 7 m2·m － 3，即 1 m3 立木蓄积量对应
39. 7 m2 立木表面积。
实践中也存在重风沙区修枝很低的防护林，以
1 /4 枝下高为例，取表面积与蓄积量之比的极大值
为(196. 5 + 156. 1 ) /( 3. 686 + 2. 712 ) = 55. 1 m2·
m － 3。假设将侧枝全部剪除，可得到表面积与蓄积
量之比的极小值为(88. 8 + 66. 6) /(3. 686 + 2. 712)
= 24. 3 m2·m － 3。
表 2 不同径级的全树表面积、主干表面积、单株蓄积量
Tab. 2 Whole tree surface area，trunk surface area，volume per plant of different diameter grade
DBH /cm
新疆杨 P． alba 二白杨 P． gansuensis
全树表面积
Whole tree surface
area /m2
主干表面积
Trunk tree surface
area /m2
单株蓄积量
Volume per
plant /m3
全树表面积
Whole tree surface
area /m2
主干表面积
Trunk tree surface
area /m2
单株蓄积量
Volume per
plant /m3
4 0. 954 0. 723 0. 006 0. 976 0. 492 0. 003
6 1. 948 1. 302 0. 016 1. 874 0. 907 0. 009
8 3. 233 1. 976 0. 032 2. 978 1. 400 0. 019
10 4. 788 2. 731 0. 055 4. 265 1. 961 0. 034
12 6. 599 3. 557 0. 084 5. 720 2. 582 0. 054
14 8. 656 4. 448 0. 121 7. 332 3. 259 0. 081
16 10. 949 5. 399 0. 167 9. 090 3. 987 0. 114
18 13. 471 6. 404 0. 221 10. 988 4. 764 0. 154
20 16. 216 7. 461 0. 284 13. 020 5. 585 0. 201
22 19. 177 8. 567 0. 356 15. 179 6. 450 0. 259
24 22. 351 9. 719 0. 438 17. 462 7. 355 0. 324
26 25. 732 10. 915 0. 530 19. 863 8. 300 0. 399
28 29. 317 12. 154 0. 632 22. 381 9. 283 0. 483
30 33. 102 13. 432 0. 745 25. 010 10. 302 0. 577
合计 Total 196. 5 88. 8 3. 686 156. 1 66. 6 2. 712
2 立木总蓄积量指数、修枝强度与防风效应
的对应关系
利用耕地面积与总蓄积量数据计算贴地层相对
风速，可得到以耕地面积为基数的立木总蓄积量指
数与贴地层相对风速的对应关系。
设某绿洲区立木总蓄积量与耕地面积之比为
x，单位为 m3·hm － 2。
以林网区内部耕地一般占总面积的 70% 左右
计，则以林网区总面积为基数的立木总蓄积量指数
0. 7x m3·hm － 2。
以主林带占总量 2 /3 计，主林带的立木蓄积量
指数为 0. 667 × 0. 7x m3·hm － 2。
将蓄积量换算为表面积时，可考虑不同修枝习
惯对防风效应的影响。
2. 1 中等强度修枝的防风效应
将表面积与蓄积量之比按中等修枝强度 (1 /2
枝下高) 39. 7 计，并将面积单位换算成 m2，则主林
带立木表面积指数为 s = 0. 667 × 0. 7 × 0. 000 1 ×
39. 7x = 0. 001 853 6x。林网区上层相对动力速度
v* = 2． 68s + 1 = 1 + 2. 68 × 0. 001 853 6 x = 1 +
0. 004 967 6x。
将计算得到的 v* ，s 以及 β1 = 0 ． 92，A = 13. 7
代入式(1)，可得到对应不同 x 值的林网区贴地层
相对风速 γ :
γ = (1 + 0． 004 967 6x) 11 + 0． 065 452槡 x。(3)
林网区贴地层风速较旷野平均降低率为:
Δ = (1 － γ) × 100%。 (4)
2. 2 重风沙区的防风效应
将表面积与蓄积量之比按极大值 55. 1 计，则主林
带立木表面积指数为 smax = 0. 667 × 0. 7 × 0. 000 1 ×
55. 1x = 0. 002 572 6x。林网区上层相对动力速度
v* max = 2 ． 68smax + 1 = 1 + 2. 68 × 0. 002 572 6x = 1 +
0. 006 894 6x。
1 /4 枝下高对应的贴地层相对风速为:
39
林 业 科 学 50 卷
γmin = v

* max 1 /(1 +
A2 smax
2πβ21槡 )，
γmin = (1 + 0． 006 894 6x)
1
1 + 0． 090 841槡 x。(5)
降低风速百分率为:
Δmax = (1 － γmin) × 100%。 (6)
2. 3 高强度修枝的防风效应
将表面积与蓄积量之比按极小值 24. 3 计，则主林
带立木表面积指数为 smin = 0. 667 × 0. 7 × 0. 000 1 ×
24. 3x = 0. 001 134 6x。林网区上层相对动力速度 v* min
= 2． 68smin + 1 = 1 + 2. 68 × 0. 001 134 6x = 1 +
0. 003 040 6x。
高强度修枝对应的贴地层相对风速为:
γmax = v

* min 1 /(1 +
A2 smin
2πβ21槡 )，
γmax = (1 + 0．003 040 6x)
1
1 + 0．040 063槡 x。 (7)
降低风速百分率为:
Δmin = (1 － γmax) × 100%。 (8)
2. 4 立木蓄积量指数和修枝强度对防风效应的
影响
将不同修枝强度防风效应计算结果列于表 3。
表 3 立木总蓄积量指数与防风效应的对应关系
Tab. 3 Corresponding of stock volume index and wind protection effect
x /(m3·hm － 2 ) x /［m3 (667 m2 ) － 1］ γmin Δmax (% ) γ Δ(% ) γmax Δmin (% )
0 0 1 0 1 0 1 0
2 0. 13 0. 933 6. 7 0. 950 5. 0 0. 968 3. 2
4 0. 27 0. 880 12. 0 0. 908 9. 2 0. 940 6. 0
6 0. 40 0. 838 16. 2 0. 873 12. 7 0. 914 8. 6
8 0. 53 0. 803 19. 7 0. 842 15. 8 0. 891 10. 9
10 0. 67 0. 774 22. 6 0. 816 18. 4 0. 871 12. 9
12 0. 80 0. 749 25. 1 0. 793 20. 7 0. 852 14. 8
14 0. 93 0. 728 27. 2 0. 773 22. 7 0. 834 16. 6
16 1. 07 0. 709 29. 1 0. 754 24. 6 0. 819 18. 1
18 1. 20 0. 692 30. 8 0. 738 26. 2 0. 804 19. 6
20 1. 33 0. 678 32. 2 0. 723 27. 7 0. 790 21. 0
22 1. 47 0. 665 33. 5 0. 710 29. 0 0. 778 22. 2
24 1. 60 0. 654 34. 6 0. 698 30. 2 0. 766 23. 4
26 1. 73 0. 643 35. 7 0. 687 31. 3 0. 755 24. 5
28 1. 87 0. 634 36. 6 0. 677 32. 3 0. 745 25. 5
30 2. 00 0. 625 37. 5 0. 667 33. 3 0. 735 26. 5
32 2. 13 0. 618 38. 2 0. 659 34. 1 0. 726 27. 4
34 2. 27 0. 610 39. 0 0. 651 34. 9 0. 718 28. 2
36 2. 40 0. 604 39. 6 0. 643 35. 7 0. 710 29. 0
38 2. 53 0. 598 40. 2 0. 637 36. 3 0. 702 29. 8
40 2. 67 0. 593 40. 7 0. 630 37. 0 0. 695 30. 5
42 2. 80 0. 588 41. 2 0. 624 37. 6 0. 689 31. 1
44 2. 93 0. 583 41. 7 0. 619 38. 1 0. 682 31. 8
46 3. 07 0. 579 42. 1 0. 613 38. 7 0. 676 32. 4
由表 3 可以看出，绿洲防风效应随立木蓄积量
指数的增长而加强，随修枝强度的加大而减弱。
2. 4. 1 立木蓄积量指数对防风效应的影响 在立
木蓄积量指数很小时，防风效应对立木蓄积量指数
的变化很敏感，当立木蓄积量指数很大时，防风效应
变化幅度很小。以中等修枝强度的林网区为例，由
无林区转变为立木蓄积量指数为 2 m3·hm － 2的稀疏
林网区，相对风速降低 5% ; 立木蓄积量指数由 12
增至 14 m3·hm － 2，降低风速百分率由 20. 7% 增至
22. 7%，相差 2% ; 立木蓄积量指数由 26 增至 28
m3·hm － 2，降低风速百分率由 31. 3% 增至 32. 3%，
相差 1% ; 立木蓄积量指数由 42 增至 44 m3·hm － 2，
降低风速百分率由 37. 6%增至 38. 1%，相差 0. 5% ;
立木蓄积量指数由 36 增至 46 m3·hm － 2，增大
10 m3·hm － 2，降 低 风 速 百 分 率 由 35. 7% 增 至
38. 7%，仅相差 3%。这说明，对裸耕地进行林网化
的防风效应改善程度优于对林网化地区增大蓄积存
量的防风效应改善程度; 对立木蓄积量指数已经很
大的地区，要求生长量大于采伐量、蓄积量持续增长
是没有必要的。
2. 4. 2 修枝强度对防风效应的影响 保留较多侧
枝可以增强防风效应。由图 1 可知，由保留很少侧
49
第 8 期 王志刚等: 我国绿洲防护林冬季相防风效应的估算
枝到中等强度修枝、由中等强度修枝到保留侧枝很
多，在 不 同 立 木 蓄 积 量 指 数 水 平 下 均 可 相
差4% ～ 6%。
图 1 修枝强度、立木蓄积量指数与防风效应的关系
Fig． 1 Ｒelation of pruning intensity，stock volume and wind
protection effect
在立木蓄积量指数很小时，相差 4% ～ 6%效果
很明显，同为立木蓄积量指数 6 m3·hm － 2，修枝很重
时降低风速百分率为 8. 6%，中等强度修枝降低风
速百分率为 12. 7%，保留侧枝很多降低风速百分率
为 16. 2%。在立木蓄积量指数很大时，相差 4% ～
5%效果不很明显，同为立木蓄积量指数 46 m3·
hm － 2，修枝很重时降低风速百分率为 32. 4%，中等
强度修枝降低风速百分率为 38. 7%，保留侧枝很多
降低风速百分率为 42. 1%。这说明，保留很多侧枝
的经营措施只有在立木蓄积量指数很小时才有必要
(如新垦绿洲第一代防护林)，当绿洲内立木蓄积存
量足够多时，没有必要牺牲木材经济价值而降低修
枝强度(如滚动更新的防护林)。
3 我国北方绿洲防护林冬季相防风效应的
估算
利用常规统计数据估算农业绿洲区防风效应，
有助于正确评价防风效应水平，可为制订切实的经
营对策提供方便。
3. 1 典型农业绿洲区县防风效益估算
以 2010 年内蒙古巴彦淖尔市所属临河区、五原
县、磴口县的人工林蓄积量和农田面积为基础数据，
进行贴地层相对风速的估算。这 3 个区县农田和乔
木人工林全部在河套平原灌溉农业区内，其地理环
境为沙漠背景，绿洲在 20 世纪 60 年代兴修三盛公
水利工程后开始大规模开发或改造形成，乔木人工
林蓄积量统计数据全部为农田防护林，多选用杨树
为主栽树种。
临河区、五原县、磴口县的人工林蓄积量和农田
面积统计数据分别为 897 945. 9 m3，10. 35 万 hm2;
659 411. 5 m3，10. 41 万 hm2; 503 275. 6 m3，4. 35
万 hm2。
将统计数据换算成本文所需的单位进制，并计
算立木总蓄积量与耕地面积之比 x，临河区、五原
县、磴口县的 x 值分别为 8. 673 0，6. 334 4，11. 560 7
m3·hm － 2。
将以上 x 值代入修枝强度中等的防风效应换算
公式，可得临河区、五原县、磴口县的贴地层相对风
速 γ分别为 0. 833，0. 867，0. 798。计算结果表明，由
于防护林的作用，三区县林网区冬春季贴地层风速
分别降低 16. 7%，13. 3%，20. 2%。
3. 2 三北地区防护林冬季相防风效应估算
据统计(梁宝君，2007)，三北地区农田防护林
活 立 木 蓄 积 为 1. 68 亿 m3，被 庇 护 农 田
1 922. 93 万 hm2。其中处于西北沙区的黄河河套平
原区(含宁夏银川平原和内蒙古河套平原、土默川
平原)活立木蓄积 467. 73 万 m3，被林网庇护的农田
面积 75. 98 万 hm2; 河西走廊和新疆绿洲农区活立
木蓄积 3 574. 65 万 m3，被庇护农田面积 225. 36
万 hm2。
计算立木总蓄积量与耕地面积之比 x，可得到
三北地区、黄河河套平原区、河西走廊和新疆绿洲农
区的 x 值分别为 8. 737，6. 156，15. 862。
将以上 x 值代入修枝强度中等的防风效应换算
公式，可得三北地区、黄河河套平原区、河西走廊和
新疆绿洲农区的贴地层相对风速 γ 分别为 0. 832，
0. 870，0. 757。计算结果表明，由于防护林的作用，
三北地区、黄河河套平原区、河西走廊和新疆绿洲农
区林网区冬春季贴地层风速降低百分率分别为
16. 8%，13. 0%，24. 4%。
3. 3 我国北方绿洲防护林冬季相防风效应的评价
从计算结果来看，三北地区防护林整体蓄积存
量不足，继续增大蓄积存量还存在着较大的防风效
应增益空间，需要调动各方面的积极性(特别是农
民的积极性)，继续加大防护林建设投入力度。
三北地区各个片区的防护林建设水平很不均
衡，即使在同一地理单元和地市级行政区内的各个
县也很不均衡，需要区分各地的风力和防护林建设
情况进行具体的规划。
就目前防护林防风效应水平来看，不足以达到
很好地抑制沙尘活动效果; 三北地区除林网化区域
外，尚有较大面积裸耕地未实现林网化，林网化区域
蓄积存量不足和未经林网化耕地的存在是我国北方
59
林 业 科 学 50 卷
春季沙尘活动仍很频繁的重要因素。
4 结论与讨论
本文演示了用动力平衡原理评价规模化林网区
冬季相防风效应的方法及其近似公式的应用，结果
表明，林网区贴地层相对风速可由耕地面积和防护
林蓄积量近似计算获得，是一种数据获取容易、运算
相对简单、结果基本可靠的方法，适应基层管理需要
的防护林防风效应评价。
通过代入不同的立木蓄积量指数和修枝强度，
获得了立木蓄积量指数和修枝强度对防风效应影响
的趋势性结论:
1) 林网区防风效应主要由立木蓄积量指数确
定，为非线性正相关。在立木蓄积量指数很小时，防
风效应对立木蓄积量指数的变化很敏感，当立木蓄
积量指数很大时，防风效应变化幅度很小。
2) 修枝强度也在一定程度上影响防风效应，但
在不同的立木蓄积量指数水平上表现不同，立木蓄
积量指数较小时，保留较多侧枝对提高防风效应效
果明显，立木蓄积量指数较大时，不必牺牲木材经
济价值而保留很多侧枝。
本文对三北地区防护林冬季相防风效应进行了
粗略估算，几个不同区域的估算值均远低于典型试
验防风效应观测值，显示我国北方防护林建设普遍
还远未达到应有的防风效应水平，这与我国北方冬
春季沙尘活动仍然频繁的实际相符。从防风效应估
算的原理来看，本文所用估算方法适合规模化林网
区，就我国绿洲的分布来看，也存在许多不成规模
的、景观较为破碎的小绿洲，因此本文的估算值已经
是比较乐观的估计，实际情况会比本文估算的数值
更低。为进一步减轻北方沙尘危害，提高绿洲林网
化水平和林网区立木蓄积量指数水平，使绿洲防护
林蓄积量与耕地面积相适应，将是未来绿洲林业的
工作目标。
参 考 文 献
曹新 孙 ． 1983． 农 田 防 护 林 学 ． 北 京: 中 国 林 业 出 版 社，107，
110 － 111，168 － 174．
高尚武，王志刚 ． 1990．大范围绿化工程对环境质量作用的研究 ．林业
科学研究，3(增刊 1) :22 － 33．
梁宝君 ． 2007．三北农田防护林建设与更新改造 ． 北京: 中国林业出
版社，4，27，47，53 － 54．
刘艳萍，高 永 ． 2003．防护林降解近地表沙降尘机理的研究 ． 水土
保持学报，17(1) :162 － 165．
宋 阳，刘连友，严 平，等，2005．中国北方 5 种下垫面对沙尘暴的
影响研究 ．水土保持学报，19(6) :15 － 18．
汪 季，高 永，刘艳萍，等 ． 2005，防护林降解近地表沙尘的风洞模
拟研究 ．干旱区地理，(1) : 88 － 92．
王志刚，杨东慧 ． 1998．林带冬季相立木疏透度及其设计方法的研究 ．
中国沙漠，18(1) : 87 － 90．
王志刚，任 昱 ． 2012．林带冬季相结构参数及透风系数的算法推导 ．
林业科学研究，25(1) : 36 － 41．
王志刚 ． 2013．林带冬季相结构因子对透风系数影响规律分析 ． 干旱
区资源与环境，27(4) : 193 － 197．
王志刚，赵英鸣，司芳芳，等 ． 2014． 论绿洲防护林立木蓄积量指数及
其应用 ．林业科学，50(7) :113 － 120．
赵 明 ． 2011． 民勤沙漠 － 绿洲低空沙尘暴结构特征研究 ． 中国科
学: 地球科学，41(2) : 234 － 242．
赵英铭，辛智鸣，王志刚，等 ． 2013． 绿洲林网区上层动力速度与防风
效应估算 ．林业科学，49(10) :93 － 99．
朱金兆 ． 2010．农田防护林学 ．北京: 中国林业出版社，62 － 99，146 －
162．
朱廷曜 ． 1993．农牧防护林网区域性防风效应及评价模型 ．林业科学，
29(6) : 509 － 514．
朱廷曜 ． 2001．农田防护林生态工程学 ．北京: 中国林业出版社，85 －
98．
Simiu E，Scanlan Ｒ H． 1996． Wind Effects on Structures;Fundamentals
and Applications to Design． John Wiley ＆ Sons，INC，44 － 61．
(责任编辑 朱乾坤)
69