防风林配置格局对阻风效率的影响机制研究——以梭梭(Haloxylon ammodendron)为例

针对干旱区防风林退化导致的生态防护功能减弱问题，甘肃农业大学团队通过风洞实验探究梭梭林分密度（1500/750/375 plants·ha?1）与三角配置格局（B1/B2）对风速场的影响。发现高密度林带（A）风速变化更剧烈，行距＞株距配置（B1）的弱风区（U/U0<0.5）面积是B2的3倍，为优化防风林设计提供理论依据。

　　

在沙漠与绿洲交界的生态脆弱带，风沙侵蚀如同无形的利刃，每年蚕食着宝贵的耕地和植被。梭梭（Haloxylon ammodendron）作为中国北方防风固沙的"生态卫士"，自20世纪60年代起构筑起绿色长城。然而随着地下水位的持续下降（如民勤县年均降幅达0.44米），这些曾经茂密的防风林正面临大规模退化——密度从1666 plants·ha^?1锐减至600-800 plants·ha^?1，其防护效能随之崩塌。更棘手的是，学界对林分密度与种植格局如何协同影响防风效率的定量关系仍知之甚少，这直接制约着退化林带的科学修复。

甘肃农业大学的研究团队在《Biosystems Engineering》发表的这项研究，首次通过精密的风洞实验揭开了这一"黑箱"。研究人员选取民勤县典型梭梭林为原型，构建了4种实验模型：高密度A（17 cm×17 cm，对应1500 plants·ha^?1）、中密度B₁（17 cm×34 cm）与B₂（34 cm×17 cm，均750 plants·ha^?1）、低密度C（34 cm×34 cm，375 plants·ha^?1），其中B组特别区分了行距＞株距（B₁）与株距＞行距（B₂）两种三角配置。通过三维风速场测量和光学孔隙率分析，揭示了密度与格局的耦合效应。

关键技术方法
研究采用野外实测与风洞实验结合的方式：1）在民勤县实测梭梭形态参数建立人工模型；2）通过图像处理计算光学孔隙率；3）在8 m/s恒定风速下，测量距地面0.5H-3H（H为模型高度）的多断面风速比U/U₀；4）利用等值线分析弱风区（U/U₀<0.5）面积变化。

研究结果

风速变化
高密度林带A的风速突变最为剧烈，其迎风面0.5H处风速梯度较B组高42%。特别值得注意的是，相同密度下B₁配置的风速变化速率显著快于B₂，这颠覆了传统认为密度决定论的观点。

弱风区特征
B₁配置创造的弱风区面积达B₂的3倍，相当于在2H高度形成直径5H的"风影保护伞"。这种非对称效应源于三角配置改变了湍流涡旋的发育模式——行距较大时气流被迫在株间形成更稳定的低速涡流。

风速衰减规律
下游风速衰减比呈现A:B:C≈6:3:2的非线性关系，说明密度减半并不导致防护效能等比例下降。最低风速点U_min的位置随密度降低向背风侧偏移，如C组的U_min出现位置较A组后移2.3H，这对确定防护林间距具有指导价值。

孔隙率机制
研究首次量化了种植格局对"外孔隙率"（outer porosity）的调控作用：B₁配置通过优化植株空间排布，使有效孔隙率降低19%，这解释了其优于B₂的流体力学机理。

结论与展望
该研究证实梭梭防风林效能受密度与配置格局双重调控，其中行距大于株距的三角配置（B₁）能突破密度限制，以750 plants·ha^?1的密度实现接近高密度林的防护效果。这一发现为干旱区退化防风林的提质增效提供了新思路——通过格局优化可缓解水资源约束下的密度不足问题。未来研究可结合计算流体力学（CFD）模拟，进一步解析多尺度湍流结构与植被参数的映射关系。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加外部引用；专业术语如U₀指自由流风速，H为模型高度，U/U₀为无量纲风速比）