柠条防风林布局设计与季节性风效调控的数值模拟与风洞实验研究

针对半干旱区风蚀防治需求，研究人员通过CFD数值模拟和风洞实验，系统研究了柠条(Caragana)防风林的布局配置（行距2H/带距8H/株距1.75H）与季节性因素（叶期/落叶期风角变化）对防风效应的影响，发现双行一带交错布局防风效果最优，风向偏差可使有效防护面积波动达42.48%，为内蒙古中西部风沙治理提供了12H带距的南北向布局方案。

　　

在广袤的内蒙古高原，肆虐的风沙如同无形的雕刻师，年复一年重塑着这片脆弱的土地。半干旱区特有的环境条件下，土壤风蚀已成为最严峻的生态问题之一——强风裹挟着砂砾，不仅蚕食着宝贵的表土资源，更威胁着当地居民的生产生活。面对这一挑战，以灌木为主的防风林体系被证明是成本低廉且生态友好的解决方案，其中柠条(Caragana microphylla)因其卓越的适应性，已成为我国西北荒漠区和阴山北麓生态工程的主力军。然而现实却存在令人忧心的现象：部分地区的柠条林因种植过密导致成熟期衰退，防风功能大打折扣；更棘手的是，季节性风向变化与植被物候特征（如叶期/落叶期的孔隙度差异）使得防风效果存在显著波动，在全年大风最猛烈的12月至次年5月期间，防护效能可能骤降50%。这些问题的背后，实质是对灌木防风林布局设计与环境因子协同机制的认知不足。

内蒙古自治区的研究团队在《Agricultural and Forest Meteorology》发表的重要成果，通过创新的多尺度研究方法给出了科学答案。研究团队首先建立了包含CFD（计算流体力学）数值模拟与物理风洞实验的双重验证体系，其中CFD模型基于实际植被参数构建，风洞实验则采用1:50缩比模型。样本数据源自内蒙古四子王旗气象站长期观测资料，重点针对该地区特征性的西风主导风向和季节性风角变化（最大偏差达30°）。关键技术包括：采用RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）方程模拟三维湍流场，通过激光多普勒测速仪获取流场数据，并创新性地引入叶面积指数(LAI)动态模型来量化不同物候期的孔隙度变化。

行数效应揭示
通过对比单行、双行和三行配置发现，防风效果并非随行数增加线性提升。双行一带交错布局在10H（H为植株高度）范围内可使风速降低至来流风速的35%，而三行配置因尾流区湍流增强反而使15H处的风速恢复加快。数值模拟显示最优行距为2H，此时气流在行间形成稳定涡旋，能量耗散效率最高。

布局模式突破
在等效种植密度下，传统矩形排列的有效防护面积仅为38.7%，而采用"双行一带"交错排列（株距1.75H）时，防护面积提升至52.3%。风洞实验证实这种布局能使5H处的风蚀量减少69%，显著优于其他配置。研究首次量化了带间距的影响机制——当带距从6H增至12H时，防护区域扩展率达23.8%，但继续增大将导致防护连续性破坏。

季节性调控关键
落叶期（孔隙度0.48）与叶期（孔隙度0.32）的对比实验显示，相同风速下前者有效防护距离缩短28%。更严峻的是风向偏差的影响：当风向与林带交角从垂直变为30°斜向时，防护面积波动幅度可达42.48%。这解释了为何内蒙古中西部春季（主要大风季）实际防护效果常低于预期。

这项研究的重要价值在于建立了"布局-季节-微气候"的定量关系模型。研究建议在内蒙古中西部采用南北走向（与主导西风垂直）、带距12H的柠条林布局方案，该设计可使大风季的有效防护面积稳定在45%以上。更深远的意义在于，提出的CFD-风洞联合分析方法为全球半干旱区防风林设计提供了范式，而关于物候期孔隙度动态影响的发现，则对落叶型防风林的季节性管护具有普适指导价值。正如研究者强调的，未来生态工程规划必须统筹考虑"空间配置与时间节律"的耦合关系，才能实现防风效益的最大化。这一成果不仅深化了对灌木防风林湍流机理的认识，更为我国北方生态安全屏障建设提供了科学精准的设计工具。