全 文 ：第 50 卷 第 7 期
2 0 1 4 年 7 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50，No. 7
Jul．，2 0 1 4
doi:10．11707 / j．1001-7488．20140716
收稿日期: 2013 － 07 － 25; 修回日期: 2013 － 09 － 16。
基金项目: “十二五”农村领域国家科技计划课题(2012BAD16B0103) ; 林业公益性行业科研专项(CAFYBB2012003)。
* 赵英铭为通讯作者。
绿洲防护林立木蓄积量指数及其应用*
王志刚1 赵英铭1 司芳芳2 陈传松2 马学献3 陈 峰4
(1．中国林业科学研究院沙漠林业实验中心 磴口 015200; 2．中国林业科学研究院亚热带林业实验中心 分宜 336600;
3．磴口县林业局 磴口 015200; 4．巴彦淖尔市林业局 临河 015000)
摘 要: 为解决林权制度改革后绿洲区农民经营防护林的成本效益均衡问题，从绿洲防护林结构和防风效
应的原理出发，推演大范围绿洲防护林结构管理的要点，提出适用于农村产权制度的绿洲防护林防风效应评
价参数———立木蓄积量指数。立木蓄积量指数是单位面积绿洲耕地所拥有的防护林立木蓄积量，该参数的
大小可以较贴切地表达绿洲防护林防风效应的优劣 : 树木个体越大、保存株数越多，防护作用越好，立木蓄
积量指数越大 ;可以方便地与常规林业、农业统计指标衔接，分解到县、乡、村、户，方便与林业补贴、惠农政策
补贴挂钩 ; 也可以为绿洲防护林存量管制制度提供依据，是符合新林权制度下农村防护林动态管理需要的
一个实用参数。
关键词: 农村; 绿洲防护林; 蓄积量; 防风效应
中图分类号: S727. 2 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2014)07 － 0113 － 08
Discuss in Stock Volume Index and Application of the Oasis Protection Forest System
Wang Zhigang1 Zhao Yingming1 Si Fangfang2 Chen Chuansong2 Ma Xuexian3 Chen Feng4
(1 ． Experimental Center for Desert Forestry，CAF Dengkou 015200; 2 ． Experimental Center for Subtropical Forestry，CAF Fenyi 336600;
3 ． Dengkou Forestry Bureau，Inner Mongolia Dengkou 015200; 4 ． Bayannaoer Forestry Bureau，Inner Mongolia Linhe 015000)
Abstract: To solve the cost-benefit balancing problem of the oasis farmers operating shelterbelt forest tenure reform，
from the oasis of shelterbelts structure and wind effects principle，the points deduction a wide range of oasis protection
forest structure management，the rural property rights system shelterbelt windproof benefits evaluation parameter:stumpage
index． The stumpage index definition is the protection forest growing stock volume per unit area oases have． The size of the
parameters can be more aptly express the pros and cons of the windproof benefits: the larger the individual trees，save the
trees more，the better the protective effect，the greater the index of stumpage． It can easily converge with conventional
forestry，agriculture statistical indicators，broken down to the county，township and village households，convenient and
forestry subsidies，linked to the preferential agricultural policy subsidies． Oasis protection forest inventory control system
to provide the basis，in line with the new forest right system rural shelterbelts under dynamic management requires a
practical parameters．
Key words: rural; oasis protection forest; stock volume; windproof benefits
我国西北绿洲区农业自然灾害主要是风沙，依
照风力背景建设防护林体系是农业防灾减灾和人居
环境改善的关键所在。我国林业行业标准《绿洲防
护林体系建设技术规程》( LY /T 1682—2006)的颁
布，说明人们对绿洲防护林功能的重要性有了前所
未有的认识，该规程将透风系数作为林带结构评价
参数，继承了我国防护林学科经典著作(曹新孙，
1983; 朱廷曜等，2001; 罗万银等，2009; Zhou et
al．，2002; 2008; 范志平等，2010; 王志刚等，2012)
的观点，也与目前高等院校教材(朱金兆等，2010)
内容基本一致。
但透风系数等参数对于广大农村而言 (特别
是新林权制度下的农村 )，科学性和实用性均显
不足，科普难度大，执行难度更大，不能满足绿洲
林 业 科 学 50 卷
防护林防风效应和经济效益最大化的需要，未能
反映可持续发展的理念，对农村防护林健康发展
不利。我国绿洲防护林的实际存量普遍不能满
足防护效益最优化的需要，许多农业绿洲风沙灾
害并没有得到很好的防治，甚至成为比沙漠、草
地更容易起沙扬尘的沙尘暴尘源区 (梅凡民等，
2004 ; 宋阳等，2005 )。
由于防护效益的外溢性，农民不愿意承担胁地
负效益，会采取消极或主动的方法减少防护林存量，
林权制度改革后，政府除惠农政策引导外，通过行政
手段推动防护林建设已经失灵，绿洲防护林面临萎
缩的危险，迫切需要建立一个符合绿洲防护林内在
规律、适合农村土地产权制度、便于理解和执行的动
态管理机制，保证在不断更新的过程中保持结构和
效益的连续性(王志刚等，2000; 马利强等，2009)。
本文从绿洲防护林结构和防风效应的原理出发，推
演大范围绿洲防护林结构管理的要点，探讨其动态
管理机制的核心参数，以便于政府部门在新林权制
度下制定相应的对策，促进绿洲区农村防护林的健
康发展。
1 现行防护林防风效应评价方法、参数及其
应用
我国绿洲防护林建设规程中描述林带结构的参
数是透风系数，有关专著、教材、文献中还有疏透度、
立木疏透度、立木生物体积密度等。
透风系数 α为林带背风面林缘在林带高度以下
的平均风速 v 与未受林带影响的旷野同一高度平均
风速 v0 之比，即 α = v / v0 。疏透度 β 是指林带林缘
垂直面上透光孔隙的投影面积与林带投影总面积之
比，是描述林带结构最早、使用最多、目测最直观的
参数。曹新孙 (1983)定义立木疏透度为林带单位
纵断面积上所拥有的立木总表面积(或称为立木表
面积疏透度 S )，认为它能较好地描述林带对气流
的阻挡和摩擦作用，能较贴切地反映林带防风效应
的机制。朱廷曜等 (2001)定义地上生物体积密度
W 为林带生长空间内地上生物体积所占比例，认为
体积密度可直接表示林带的结构特征，是真正意义
上的林带结构参数。
以上 4 个参数均为林带的结构特征参数，其
中透风系数能够直接反映林带的防风效应，其他
3 个参数都是为估算透风系数而提出的，各个参
数的实际意义具有继承性和同质性，在一定条件
下可以近似换算(王志刚等，2012 )，通过调整结
构因子获得冬季相林带较好透风系数的方法也
较为成熟(王志刚等，2013 )。
以透风系数为代表的上述 4 个林带参数在农
村防护林管理中应用，科学性和实用性不足，不
宜作为绿洲防护林建设的刚性指标对待，理由有
以下几点。
1) 透风系数不能准确反映林网区防风效应
透风系数仅反映了单条林带的动力学性能，而表征
绿洲区风力水平最准确的参数是贴地层相对风速
γ 。贴地层指地面以上、2 m 以下的气层，风沙流输
沙量主要集中在这一层，地膜、农作物和劳作人员也
基本在这一层。贴地层相对风速指林网内贴地层风
速 v2 与旷野来流同高度平均风速 v02 之比 ( γ =
v2 / v02 )。贴地层相对风速 γ 直观地反映了林网内
地面目标物(庄稼、地膜、人员等)接受的破坏性风
力，是防护林防风效应的准确表达，也是人们最关心
的绿洲环境指标。
当气流进入林网区边缘时，在第一条林带的阻
力作用下，林带后的风速将降低，按照透风系数的定
义，贴地层相对风速 γ 与第一条林带的透风系数 α
基本相等( γ ≈ α ); 而当气流进入林网区内部时，
贴地层相对风速 γ 与林带透风系数 α 相差很大，与
透风系数 α 、以树高倍数表示的林带间距 l 、树高 H
的对数积分特征值 A ( A = [5. 75 1H ∫
H
z0
( lgz)dz －
lgz ]0 ，z0 为不受树木影响的地面动力粗糙度)、林网
区上层相对动力速度 v* (无林网的农村 v

* = 1，树
木稀少的乡村 v* = 1 ． 1，树木密集的乡村 v

* = 1 ． 3 )
(Simiu et al．，1996)有关，较准确的关系(赵英铭等，
2013)为:
γ = v* α
2 l
2α2 l + (1 － α2)A槡 2。 (1)
表 1 列出的乌兰布和沙区绿洲 4 种常见类型
林网中林带透风系数 α 和贴地层相对风速 γ 实
测值，清晰地显示了二者的差异。更为极端的反
例还有内蒙古阿拉善盟孪井滩生态移民区株距
1 m的单行新疆杨( Populus alba var． pyramidalis)
林带、60 m 间距的林网，以及河南兰考县株距
5 m的单行泡桐 ( Paulownia spp． ) 林带、50 m 间
距的林网，这些单行林带的透风系数很大，而林
网区贴地层相对风速很小，取得了很好的防护效
益和经济效益。
411
第 7 期 王志刚等: 绿洲防护林立木蓄积量指数及其应用
表 1 4 种典型林网区的林带透风系数 α和贴地层相对风速 γ
Tab． 1 Four typical shelterbelt region forest belt ventilation coefficient α and near the ground surface relative wind speed γ
网格号
Grid No．
树种
Species
年龄
Age / a
胸径
DBH /
cm
树高
Tree
height /m
间距
Span
shelterbelt /
H
株距
Plant
spacing /m
行数
Number
of rows
保存率
Preservation
rate
α γ
1 新疆杨
P． alba
var． pyramidalis
27 37. 4 25. 3 9. 5 1 2 0. 457 0. 86 0. 54
2 新疆杨
P． alba var．
pyramidalis
9 17. 4 14. 9 9. 3 1 2 0. 975 0. 82 0. 54
3 箭杆杨
P． nigra
var． thevestinia
23 29. 4 16. 9 7. 7 4 8 0. 350 0. 87 0. 59
4 二白杨 P． gansuensis 23 25. 7 11. 7 11. 1 4 8 0. 700 0. 73 0. 48
2) 现实中几乎不能形成冬季相最适透风系数
的林带 我国沙区的风沙活动都以春季为最强(耿
宽宏，1996)，风速从 3 月起增大，4—5 月为高值时
期，6 月逐渐减小。3 月下旬至 6 月上旬是西北绿洲
区农作物播种出苗的关键季节，农作物抗风沙能力
很差，而以杨树为主的林带早春处在无叶或少叶的
冬季相，因此，绿洲防护林结构管理应注重冬季相结
构的合理性(王志刚，1995)。林带的疏透度和透风
系数随季相而有很大变化，晚秋开始树叶基本落尽，
冬春季林带风障体仅由树干和枝条组成，疏透度较
夏季大、透风性强; 5 月上旬树木逐渐放叶，林带疏
透度随之减小。以冬季相结构来看，几乎见不到透
风系数达到最适透风系数 0. 4，0. 5，0. 6 水平的林
带; 而以夏季相计，很宽、很密的老林带透风系数勉
强可以达到最适透风系数水平，但夏秋季风力弱，实
际意义并不大。绿洲农田成为我国北方春季沙尘暴
尘的重要来源，与忽略防护林季相变化和风力季节
性匹配有直接的关系。因此，改善林网区的风力状
况要从林带透风系数和林带间距 2 个因素的合理组
合来实现，过分强调林带结构的合理性必然导致林
带设计行数多、宽度大、占地多、成本高、行间竞争激
烈，修枝不到位 (如规程所述修枝高度不得超过树
高 1 /3，1 /2)导致防护林木材商品性差、更新采伐管
理严苛、群众积极性差、同龄防护林老化无法正常更
新等不良后果。
3) 透风系数应用性差 林带透风系数估算是
学者们至今未能很好解决并达成共识的难题。据研
究(朱廷曜等，2001)，宽高比近于 1 时，林带夏季相
疏透度 β与透风系数 α的近似对应关系为 α = β0 ． 4，
而用薄板或网制作的平面模型换算公式(风洞试验
结果)为 α = 0 ． 08 + 0 ． 84β，二者相差甚大。刚性的
树干和枝条比柔性的叶片对风的阻力大得多，相同
疏透度的冬季相林带比夏季相林带透风系数小; 疏
透度 β 相同的林带，行数越少透风系数 α越小，防风
效果越好。笔者研究认为，单行林带冬季相透风系
数 α与疏透度 β的近似换算关系为 α = β0 ． 7 、2 行林
带为 α = β0 ． 6 、多行林带为 α = β0 ． 55 (任昱等，
2013)。透风系数估算难度较大，科普难度很大，要
让农民理解疏透度、透风系数等结构参数，并应用到
防护林建设的实践，几乎是不可能的。林改以后，农
民成为农村防护林建设的主体，农民不理解、无利益
的事情是很难做好的。
4) 透风系数未能体现区域性和动态可持续性
透风系数等林带结构参数未能体现空间上的区域性
和时间上的动态可持续性。受土地分布格局和产权
的制约，也受水利、道路、电力等各种设施的妨碍，不
可能完全按照防护林结构合理化去布置林带和林
网; 树木本身是不断生长、衰老的，生长周期内不断
受到自然灾害和人为因素的干扰和破坏，林带或林
网结构也在不断变化。绿洲防护林处在与农田相近
的良好立地条件，具有很好的水利、交通、人力等经
营条件，经营得法可以实现较高的木材经济价值，更
新采伐是必须进行的正常经营措施，也是经营者取
得合理回报的有效途径。因此，绿洲防护林结构需
要灵活、动态的全程管理，硬性规定林带和林网的尺
度、结构对防护林持续经营是不利的。
2 立木表面积指数及其应用
笔者曾于 1994 年根据绿洲防护林防风效应的
一般原理，定义立木表面积指数为单位面积土地所
拥有的立木总表面积 (王志刚，1994)，今参照式
(1)的原理给出动力学定量解释。
2. 1 立木表面积指数的导出
按照动力速度的定义，单位面积上层气流对树
高以下地物(包括林带和地面)的拖曳力 F t 可用公
式表达(丁国栋，2010)为:
F t = ρv
2
* 。
式中: ρ 为空气密度; v* 为林网区上层的动力速度。
511
林 业 科 学 50 卷
若旷野来流动力速度为 v* 0，林网区贴地层风速
较旷野平均降低率为 Δ%，相对风速 γ = 1 － Δ%，
则林网区贴地层动力速度的地面阻力分量为 γv* 0 。
单位面积林网区地面对气流的阻力 FtD 可表示为:
FtD = ργ
2 v2* 0。
若旷野来流在树高以下的平均风速为 v0，则林
网区在林带高度以下的平均风速为 γv0 。冬季相林
带风障体由近似直立圆柱体的树干和枝条组成，设
单位面积林网区内树木枝干的表面积为 s，则单位
面积林网区内树木的迎流投影面积为 s /π; 若林网
区林带按不规则的疏林布置较多，则忽略树干和枝
条间隙中的狭缝加速效应，根据圆柱体迎流阻力公
式(形状阻力系数 c ≈ 1 )，则单位面积林网区树木
对气流的阻力 FD 可表示为:
FD =
1
2 ρ
(γv0)
2 s /π。
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 A 取决于林带高度 H 和地表粗糙度 z0。
A = v0 / v* 0 = 5 ． 75
1
H ∫
H
z0
( lgz)dz － lgz[ ]0 ( 表 2 )，
则 v0 = Av* 0 。
林带阻力为:
FD =
1
2 ρ
(γAv* 0)
2 s /π。
根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相
等，则上层气流对林网区水平拖曳力 F t 的量值等于
地面阻力 F tD 与林带阻力 FD 之和，即 F t = F tD + FD。
将 3 个分量的算式代入，得
ρv2* = ργ
2 v2* 0 +
1
2 ρ
(γAv* 0)
2 s /π。
约分得
v2* = γ
2 v2* 0 +
1
2
(γAv* 0)
2 s /π。
林网区上层的相对动力速度 v* = v* / v* 0 可近似
作为常数对待，则上式可化简为:
v2* = v
2
* / v
2
* 0 = γ
2(1 + A
2 s
2π
);
γ2 = v2* /(1 +
A2 s
2π
);
γ = v* 1 /(1 +
A2 s
2π槡 )。 (2)
表 2 旷野来流在林带高度以下平均风速 v0 与动力速度 v* 0的比值 A
Tab． 2 Ｒatio A of the mean wind speed v0 and power speed v* 0 wilderness stream below forest belt height
粗糙度 Ｒoughness
z0
林带高度 Forest belt height /m
4 5 6 8 10 12 14 16 18 20
0. 001 18. 7 19. 1 19. 5 20. 1 20. 6 21. 1 21. 4 21. 7 22. 0 22. 2
0. 002 16. 9 17. 4 17. 8 18. 4 18. 9 19. 3 19. 7 20. 0 20. 3 20. 4
0. 003 15. 9 16. 4 16. 7 17. 4 17. 9 18. 3 18. 7 19. 0 19. 3 19. 5
0. 005 14. 6 15. 1 15. 5 16. 1 16. 6 17. 0 17. 4 17. 7 18. 0 18. 1
0. 008 13. 5 13. 9 14. 3 14. 9 15. 4 15. 9 16. 2 16. 6 16. 8 17. 0
0. 010 12. 9 13. 4 13. 7 14. 3 14. 9 15. 3 15. 7 16. 0 16. 3 16. 5
0. 025 10. 6 11. 1 11. 5 12. 1 12. 6 13. 0 13. 4 13. 7 14. 0 14. 2
0. 050 8. 9 9. 3 9. 7 10. 4 10. 9 11. 3 11. 7 12. 0 12. 3 12. 5
0. 100 7. 2 7. 6 8. 0 8. 6 9. 1 9. 6 9. 9 10. 2 10. 5 10. 8
若林网区树木多以走向垂直主风向、株距较小
的林带排列，那么上式应考虑树干和枝条之间气流
有明显的狭缝加速效应。设林带单行平面内疏透度
的近似值为 β1 ≈ 1 －胸径 ×保存率 /株距，则林带阻
力计算时的参考风速为 γv0 /β1 = γAv* 0 /β1，林网区
贴地层相对风速的表达式相应为:
γ = v* 1 /(1 +
A2 s
2πβ21槡 )。 (3)
2. 2 立木表面积指数的检验
将表 1 所列的 4 个典型林网区有关数据列表用
式(1)，(3)计算出贴地层相对风速 γ (表 3)，与实
测值对照可知，式(3)的误差略大于式(1)。侧枝发
育较少的窄冠品种式(3)误差很小; 侧枝发达的二
白杨(Populus gansuensis)用胸径估算狭缝效应增强
时误差略大，相对误差为 0. 07 /0. 48 = 13%。绿洲
防护林普遍采用窄冠品种小株距栽植模式，利用式
(3)进行简化的贴地层风速估算是可行的。
2. 3 立木表面积指数的意义及其应用
式(3)的含义是林网区贴地层相对风速取决于
立木表面积指数 s、树高 H 和单行平面疏透度 β1 。
2. 3. 1 树高对防风效应的影响 树高的影响体现
在 A 值的变化，树越高 A 值越大。将表 3 中 4 个典
型林网区的树高降为原高度的一半，相应替换对应
的 A 值，在立木表面积指数 s、单行平面疏透度 β1 不
变的情况下验算得到贴地层相对风速略有提高(表
4)，防风效应水平略有降低。但实际树高差异不可
611
第 7 期 王志刚等: 绿洲防护林立木蓄积量指数及其应用
能达到验算假设的夸张程度，树高对防风效应的影
响也不会相应达到验算的程度。“防风效应与树高
关系不大”已经是传统认识，验算结果与传统认识
相一致，并较清晰地估计了树高对防风效应的影响
趋势和幅度。
表 3 4 种典型林网区贴地层相对风速 γ 计算值与实测值的对比
Tab． 3 The four typical shelterbelt region forest belt comparison of the calcd and measured
relative wind speed γ values of near the ground surface
网格号
Grid No．
树高
Tree
height /
m
A 胸径
DBH /cm
株距
Plant
spacing /m
保存率
Preservation
rate
β1 s
实测值
Measured
γ
．式(3)
计算值
Equation
(3) calcd
γ
式(3)
误差
Equation
(3) error
式(1)
计算值
Equation
(1) calcd
γ
式(1)
误差
Equation
(1) error
1 25. 3 14. 7 37. 4 1 0. 457 0. 829 0. 081 0. 54 0. 58 0. 04 0. 58 0. 04
2 14. 9 13. 6 17. 4 1 0. 975 0. 830 0. 112 0. 54 0. 54 0. 00 0. 54 0. 00
3 16. 9 13. 9 29. 4 4 0. 350 0. 974 0. 102 0. 59 0. 63 0. 04 0. 58 － 0. 01
4 11. 7 12. 9 25. 7 4 0. 700 0. 955 0. 161 0. 48 0. 55 0. 07 0. 48 0. 00
表 4 4 种典型林网区贴地层相对风速 γ 计算值与高度降低一半的效果对比
Tab． 4 The four typical shelternets area contrast of relative wind speed γ of calcd the effect of the
height halved of near the ground surface
网格号
Grid
No．
树高
Tree
height /m
替换
Tree
height /
2 /m
替换
Substitute A
(H /2)
胸径
DBH /
cm
株距
Plant
spacing /
m
保存率
Preservation
rate
β1 s
降高计算
Drop high
calcd γ
原例计算
Equation(3)
calcd γ
误差
Error
1 25. 3 12. 7 13. 1 37. 4 1 0. 457 0. 829 0. 081 0. 63 0. 58 0. 05
2 14. 9 7. 5 11. 9 17. 4 1 0. 975 0. 830 0. 112 0. 60 0. 54 0. 06
3 16. 9 8. 5 12. 2 29. 4 4 0. 350 0. 974 0. 102 0. 69 0. 63 0. 06
4 11. 7 5. 9 11. 5 25. 7 4 0. 700 0. 955 0. 161 0. 60 0. 55 0. 05
2. 3. 2 株距对防风效应的影响 单行平面疏透度
β1 是单行树木排列紧凑程度的体现，株距越小单行
平面疏透度越小，狭缝效应越明显，林带阻力增益越
大，但株距太小株间竞争激烈且影响人员过往; 株
距很大时可以看作单行平面疏透度为 1 的极端形
式。将表 3 中 4 个典型林网区的单行平面疏透度均
替换为 1，在立木表面积指数 s、高度 H 不变的情况
下验算得到小株距窄林带林网贴地层相对风速较疏
林明显降低，而株距较大的多行林带则与疏林防风
效应几乎相同(表 5)，说明较小的株距能够增强林
网的防护效益，但其作用程度有限。2 号林网区是
作者为沙漠林业实验中心第三实验场新开发绿洲设
计的(株距 1 m 的 2 行林带，带间距 140 m)，建设 9
年后林网区贴地层相对风速为 0. 54，而若按之前的
典型设计(株距 4 m 的 8 行林带)，则 β1 由 0. 830 增
大到 0. 958，林网区贴地层相对风速将增大到 0. 61，
风速降低率由 46%减弱为 39%。风对地面目标物
的破坏力与风速的平方呈正比，若旷野风的破坏力
为 1，则株距 4 m 的 8 行林带林网区破坏力为 0. 37;
株距 1 m 的 2 行林带林网区破坏力为 0. 29，相当于
株距 4 m、8 行林带林网区的 78%，可见缩小株距、
减少行数，防风效应水平略有提高。
表 5 4 种典型林网区贴地层相对风速 γ 计算值与疏林计算值的对比
Tab． 5 The four typical shelterbelt region contrast of sparse forest calcd and relative
wind speed γ calcd of near the ground surface
网格号
Grid No．
树高
Tree
height /m
A 胸径
DBH /cm
株距
Plant
spacing /m
保存率
Preservation
rate
替换
Substitute
β1
s
疏林计算
Sparse forest
calcd γ
原例
计算
Equation
(3) calcd γ
误差
Error
1 25. 3 14. 7 37. 4 1 0. 457 1 0. 081 0. 67 0. 58 0. 09
2 14. 9 13. 6 17. 4 1 0. 975 1 0. 112 0. 63 0. 54 0. 09
3 16. 9 13. 9 29. 4 4 0. 350 1 0. 102 0. 64 0. 63 0. 01
4 11. 7 12. 9 25. 7 4 0. 700 1 0. 161 0. 57 0. 55 0. 02
711
林 业 科 学 50 卷
2. 3. 3 立木表面积指数对防风效应的影响 立木
表面积指数的取值范围很宽，将原例中的立木表面
积指数降低一半(全面隔带更新采伐或半带更新采
伐)，验算得到林网区贴地层相对风速均显著增大
(表 6)，林网区较旷野风速降低率由 37% ～ 46%减
小至 20% ～ 29% (这里没有考虑相对动力速度 v*
随树木减少而发生的变化，实际情况会更乐观些)。
可见立木表面积指数是决定林网区贴地层相对风速
的关键因素。
为运算简化，以上推演和计算中均未考虑副林
带，实际工作中还需要考虑当地风向风力组合特征，
根据与主风向夹角垂直的第二风向风力强弱配置副
林带。立木蓄积量指数的实际水平也要按副林带的
配置成比例增加，一般需要增加 30% ～ 50%。
2. 3. 4 立木表面积指数的应用 式(3)与式(1)的
物理意义相同，都是通过林网区动力平衡原理求解
防风效应的近似公式。式(1)所需的参数中林带透
风系数是较难获取的，且在林网区内会由于更新年
代不同有多种透风系数的林带和林网规格，应用较
为局限; 式(3)所需参数则较为容易获取，且更注重
总量的概念，应用方便许多。立木表面积指数能够
很好地反映林网区防风效应水平，物理意义明确，但
因树体表面积对农民和基层管理人员来说还不是常
规的统计参数，面上应用仍然不方便。
3 立木蓄积量指数及其应用
3. 1 立木蓄积量指数的导出和意义
定义立木蓄积量指数为单位面积土地所拥有的
立木蓄积量，与立木表面积指数的定义相对应，二者
与防风效应的关系具有一致性。
表 6 4 种典型林网区贴地层相对风速 γ 计算值与表面积指数减半的效果对比
Tab． 6 The four typical shelterbelt region contrast of halved surface area index and
relative wind speed γ calcd of near the ground surface
网格号
Grid
No．
树高
Tree
height /m
A 胸径
DBH /cm
株距
Plant
spacing /m
保存率
Preservation
rate
β1
原例
Original
cases s
减半
Halved
s
减半计算
Halved
calcd γ
原例计算
Equation
(3) calcd γ
误差
Error
1 25. 3 14. 7 37. 4 1 0. 457 0. 829 0. 081 0. 040 0. 75 0. 58 0. 17
2 14. 9 13. 6 17. 4 1 0. 975 0. 830 0. 112 0. 056 0. 71 0. 54 0. 17
3 16. 9 13. 9 29. 4 4 0. 350 0. 974 0. 102 0. 051 0. 80 0. 63 0. 17
4 11. 7 12. 9 25. 7 4 0. 700 0. 955 0. 161 0. 080 0. 71 0. 55 0. 16
对于任意一段枝条，其表面积 s 与直径 d 和长
度 l 呈正比，s = πdl ; 体积 v = πd2 l /4，表面积与体
积之比(比表面积) 为 s / v = 4 / d 。对于林带或林
网，比表面积与树木平均年龄、树种分枝特性、栽植
密度、修枝管理措施等有关，可以粗略地认为，在大
范围绿洲防护林体系中树体表面积与体积生物量是
呈正相关的;但树体表面积、体积生物量都不是常规
林业调查统计的指标，直接应用很不方便。林地面
积和立木蓄积量是常规林业调查统计指标，其中立
木蓄积量与体积生物量、树体表面积应是总体呈正
比的，在实际应用时，用单位面积绿洲耕地上所拥有
的立木蓄积量(可称为立木蓄积量指数)代替立木
表面积指数。
绿洲防护林立木蓄积量指数与防风效应关系的
数据积累不多，但因其数据获取十分容易，可留待各
地结合风力情况进一步积累。表 1 中第二号网格的
林网区主林带间距为 140 m，副林带间距为 300 m，
将副林带与主林带合并计算，以林网区土地面积为
基数的立木表面积指数为 0. 17，立木蓄积量指数为
30. 3 m3·hm － 2。暂将 30 m3·hm － 2左右作为风力中
等的沙漠边缘绿洲防护林立木蓄积量指数的参考
值; 对于内蒙古河套平原、宁夏银川平原等风力较
弱的绿洲，建议为 15 m3·hm － 2左右; 风力强劲地区
的绿洲，建议为 45 m3·hm － 2左右。
对于已知风况的地区，可由式(3)计算出合理
的立木表面积指数，再结合树种、树木的形体尺
度、修枝高度等因素代换计算出合理的立木蓄积
量指数。作者测算了 1 /4 枝下高的新疆杨、二白
杨冬季相全树表面积、主干表面积、单株蓄积量
(表 7、表 8)，并拟合了与胸径之间的相关关系，可
供代换计算参考。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 7D
1 ． 61
1 ． 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 1D 2 ． 581 ． 3 ，
r = 0. 989。
811
第 7 期 王志刚等: 绿洲防护林立木蓄积量指数及其应用
表 7 新疆杨单株表面积、主干表面积、蓄积量
Tab． 7 P． alba var． pyramidalis single plant of surface area of the whole，tree trunk surface area and volume
样木号
No．
胸径
DBH /cm
树高
Height /m
全树表面积
Whole tree surface area /m2
主干表面积
Trunk surface area /m2
蓄积量
Volume /m3
实测值
Measured
计算值
Calcd
实测值
Measured
计算值
Calcd
实测值
Measured
计算值
Calcd
1 5. 0 9. 04 1. 31 1. 42 0. 93 0. 99 0. 010 0 0. 010 5
2 8. 0 10. 92 3. 78 3. 24 2. 11 1. 96 0. 031 6 0. 032 1
3 10. 0 12. 78 4. 80 4. 80 2. 55 2. 71 0. 052 5 0. 054 5
4 12. 0 12. 75 7. 09 6. 61 3. 55 3. 53 0. 092 0 0. 084 2
5 14. 0 18. 40 9. 12 8. 67 4. 96 4. 41 0. 136 5 0. 121 5
6 15. 7 14. 60 6. 55 10. 61 3. 82 5. 21 0. 106 1 0. 159 6
7 16. 0 20. 40 12. 97 10. 97 6. 47 5. 35 0. 216 3 0. 166 9
8 17. 4 17. 66 9. 49 12. 72 5. 59 6. 05 0. 178 4 0. 203 8
9 18. 0 21. 10 16. 20 13. 50 7. 46 6. 35 0. 275 5 0. 221 0
10 20. 0 21. 83 18. 90 16. 25 8. 04 7. 40 0. 310 6 0. 284 0
11 24. 1 23. 05 25. 10 22. 57 9. 99 9. 69 0. 439 5 0. 442 6
12 28. 0 22. 76 32. 37 29. 39 11. 14 12. 04 0. 590 4 0. 632 5
13 32. 0 25. 92 33. 72 37. 18 14. 00 14. 60 0. 828 2 0. 869 2
14 37. 4 28. 07 47. 50 48. 93 17. 92 18. 30 1. 247 4 1. 259 8
表 8 二白杨单株表面积、主干表面积、蓄积量
Tab． 8 P． gansuensis single plant of surface area of the whole，tree trunk surface area and volume
样木号
No．
胸径
DBH /cm
树高
Height /m
全树表面积
Whole tree surface area /m2
主干表面积
Trunk surface area /m2
蓄积量
Volume /m3
实测值
Measured
计算值
Calcd
实测值
Measured
计算值
Calcd
实测值
Measured
计算值
Calcd
1 5. 2 3. 31 1. 27 1. 49 1. 04 0. 73 0. 006 4 0. 006 3
2 8. 0 6. 80 3. 08 2. 99 1. 03 1. 39 0. 015 6 0. 019 0
3 9. 2 7. 60 2. 97 3. 75 1. 33 1. 72 0. 025 1 0. 027 3
4 10. 0 6. 90 3. 15 4. 29 1. 31 1. 95 0. 024 9 0. 033 8
5 11. 8 16. 00 6. 95 5. 60 3. 54 2. 50 0. 078 7 0. 051 8
6 12. 5 10. 70 4. 47 6. 15 2. 34 2. 72 0. 053 8 0. 060 1
7 13. 1 14. 10 4. 83 6. 63 3. 07 2. 92 0. 068 6 0. 067 8
8 13. 2 11. 50 4. 28 6. 71 2. 75 2. 96 0. 066 3 0. 069 2
9 16. 1 19. 00 14. 08 9. 25 6. 09 3. 99 0. 190 9 0. 115 4
10 20. 0 14. 20 8. 54 13. 12 4. 84 5. 53 0. 169 1 0. 202 0
11 23. 2 21. 00 27. 61 16. 67 9. 44 6. 92 0. 411 7 0. 296 2
12 29. 0 18. 90 29. 07 23. 89 9. 31 9. 68 0. 472 2 0. 526 6
13 30. 5 20. 20 39. 38 25. 92 11. 24 10. 45 0. 621 5 0. 599 8
14 32. 4 19. 50 30. 38 28. 57 11. 30 11. 44 0. 657 1 0. 701 0
15 35. 9 18. 00 27. 39 33. 71 12. 30 13. 35 0. 911 0 0. 913 2
16 38. 9 20. 50 34. 41 38. 37 13. 38 15. 07 0. 894 3 1. 123 3
在具体的代换计算中，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; 将耕地面积按比例
折算成总土地面积; 考虑主副林带比例，代换计算
出的蓄积量指数也需增加 30% ～ 50%。限于篇幅，
代换计算方法在此不再详述。
3. 2 立木蓄积量指数的应用
立木蓄积量指数用来表达绿洲防护林防风效应
的优劣是贴切的。树木个体越大、保存株数越多，防
护作用越好，立木蓄积量指数也就越大。它不排斥
林带和林网结构的合理化，在具体的林带和林网规
划上，仍然以窄林带(单行或 2 行、小株距)、小网格
(林带间距为 10 ～ 15 倍树高)为佳，林带的连续性
和合理的带间距仍然是林网区防风效应的重要因
素，但不必与农田发生争地矛盾，而是可以充分利用
渠旁、路旁、宅旁、地埂空地建设防护林体系。
立木蓄积量指数是一个十分容易取得的参数，
在规模化的绿洲区，防护林蓄积量是常规森林资源
统计的重要指标，耕地面积是常规农业、水利统计指
标，利用“防护林蓄积量 /耕地面积 = 立木蓄积量指
数”，很容易得出每一户农民，每个村、乡、县的立木
911
林 业 科 学 50 卷
蓄积量指数用于防护林建设水平的评价(若进行防
风效应估算，须注意耕地面积与总土地面积的折
算)。如 2010 年内蒙古河套平原内的临河区
897 945. 9 m3 /103 533. 3 hm2 = 8. 673 0 m3·hm － 2;
五原县 659 411. 5 m3 /104 100. 0 hm2 = 6. 334 4 m3·
hm － 2; 磴 口 县 503 275. 6 m3 /43 533. 3 hm2 =
11. 560 7 m3·hm － 2。可以直观地看出磴口县防护林
建设水平好于临河区和五原县。
立木蓄积量指数在采伐管制方面应用也十分方
便。林权到户后，可以通过地方立法程序采用存量管
制的方法，保持合理存量、放活余量。如河套地区一
户农民提出采伐申请，乡林业站对该户农民的耕地面
积和防护林蓄积量进行核查，自主采伐的余量 =现存
蓄积量 －合理存量，很容易得到最大办证限额。这
种存量管制模式既能克服单纯按用材林成熟采伐模
式管理脱离防风效应目标的不足，也能克服过去防
护林采伐管制过于严苛、农民完全没有自主采伐权、
经营积极性缺失的不足，还能强化农民建设防护林
的责任意识，是林权制度改革后绿洲防护林采伐管
制制度值得尝试的改革思路。
立木蓄积量指数体现了绿洲防护林成本和效益
均等化原则，也可以方便地与林业补贴、惠农政策补
贴挂钩，是符合新林权制度下农村防护林动态管理
需要的一个实用参数。每户农民都能按耕地面积承
担相应的防护林建设任务和成本，充分利用渠旁、路
旁、宅旁、地埂栽种防护林，保持合理的存量，选用良
种壮苗、加强水肥和修枝管理，提高木材生长量和品
质，通过销售余量木材和领取与存量挂钩的惠农补
贴取得相应的利益，农村防护林才能持久地发挥正
常防护效益。
立木蓄积量指数通俗易懂，如“平均 1 hm2 农田
需要 15 m3 防护林蓄积量”，农民是可以直观理解
的，若将防护林建设列入村规民约，这一点十分重
要。与传统防护林理论中疏透度、透风系数、立木疏
透度、立木生物体积密度等参数相比，立木蓄积量指
数更容易被基层管理人员和农民理解掌握，也能够
更准确地反映绿洲区防风效应水平，计算方法简单，
基础数据(耕地面积、防护林蓄积量)容易获取且为
常规统计指标，因而具有很好的应用价值。建议各
地根据具体风力状况探讨合理的立木蓄积量指数，
并应用这一实用参数进行绿洲防护林建设和管理。
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(责任编辑 石红青)
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