探究不同结构特征的防护林带的风速流场及空气动力学特征,对合理配置防护林带、减轻风沙灾害具有重要意义.本研究将树冠假设为多孔介质,以总高度(H)为7 m、冠层高度为5.8 m、冠层底部宽度为2 m的日本"築地松"林带为例,考虑5种林带断面形状(矩形、迎风直角三角形、背风直角三角形、等腰三角形和抛物线形)和4种布置形式(单条林带、L型林网、U型林网和矩型林网),采用大涡模拟(LES)湍流模型进行计算流体力学(CFD)数值模拟,揭示不同结构特征的防护林带的平均风速流场及湍流结构,研究林带断面形状和布置形式对防护林带防护距离及防护面积等防风效应指标的影响.结果表明:数值模拟与野外实测得到的不同高度处的平均风速和湍动能的平均相对误差较小,分别为5.5％和12％,多孔介质冠层模型可成功再现林带背风区的平均风速和湍动能.矩形断面林带冠层体积最大,对气流的阻碍作用最显著,在靠近林带附近的背风区中上部(z≥0.5H,z表示高度)区域,平均风速和湍动能显著降低,防护范围最大;抛物线形断面林带的防护范围其次;断面形状呈迎风直角、背风直角和等腰三角形的林带再次.在林带下游水平距离(x)≥10H的区域,不同断面形状林带的平均风速和湍动能趋于相同.对比单条林带、L型、U型和矩型林网的流场结构特征发现,与来流风速垂直方向的林带越多,林带冠层后的风速衰减越明显,气流需要更长的距离方可恢复至来流风速,而与来流风速方向平行的防护林带的防风效应极为有限,因而,U型和矩型林网比单条林带和L型林网的防风效应更显著.研究结果可为防护林带的结构配置与优化布局提供参考.

蒸散发作为干旱区农田最敏感的水分支出项, 是绿洲生态系统中水量和能量平衡的关键组成部分, 而防护林作为干旱区绿洲农田重要的生态屏障, 对绿洲农田蒸散发过程有着不可忽视的影响.本研究以新疆天山北坡典型流域——三工河流域绿洲为例, 研究农田防护林网分布格局对绿洲蒸散发的影响, 结果表明:防护林不仅能够有效降低绿洲农田蒸散量, 而且能够在一定程度上维持蒸散量在较低水平上的相对稳定;在防护林网的格局功能上, 防护林网带斑比指数与农田蒸散量呈极显著负相关 (P＜0.01), 环度指数与农田蒸散量呈显著负相关 (P＜0.05), 而防护林网连接度指数与蒸散量的相关性不明显 (P＞0.05), 说明防护林网的分布密度和林网结构的成型程度对农田蒸散量具有明显的影响, 而在网格基本成型的防护林网络中其连通性对蒸散量的影响不明显.在景观水平上, 研究防护林网格局对蒸散量的影响, 对于农田防护林网的规划管理具有一定的参考价值.

对2016年6月13日内蒙古磴口县发生的冰雹灾害进行了实地调查,旨在从动力学机制上解释防护林的减雹机理.选取典型样地林网内、外农作物雹灾后保存率和产量进行调查,反映林网缓减雹灾的作用;利用建筑物直立外墙保温层破损随高度的变化估计雹块下落到地面附近(H=0～40 m)水平速度的变化规律;利用不同高度沙尘水平通量仪顶盖破损程度差异估计雹块下落到地面附近(H=0.5～50 m)竖直速度的变化规律.结果 表明:林网内、外玉米灾后植株保存率分别为87％、24％.雹块近地面水平速度和竖直速度均随高度降低而减小,与风速廓线形态和下沉气流在近地面的截止趋势一致.防护林缓减雹灾作用的动力学机理是:防护林与雹块间存在以空气为介质的动力作用,林带阻碍近地面气流运动,遏制近地面含雹气流的下沉和辐散,雹块进入林网低风速区后接受比无林区更大的空气阻力,竖直和水平速度均显著降低,致灾能力降低.本研究为防护林的营建与减灾效益评估提供了科学依据.

经济社会高速发展背景下,人类土地利用强度加大,部分地区生境斑块趋于破碎,生物交流通道趋于阻断,研究生态空间连通性变化,有针对性的进行保护和修复,对区域可持续发展意义重大.研究以江苏省为例,采用形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA)方法分析景观格局变化并识别重要生态源地破碎与新增情况,利用最小累积阻力(Minimum Cumulative Resistance,MCR)模型构建生态网络并分析生态空间连通性.研究选取整体连通性指数量化斑块/廊道的相对重要性;结合生态网络结构,具体分析廊道连通性的变化、原因及其影响;并运用电路理论、障碍改善方法识别廊道维护与疏通关键点,提出生态网络保护和修复建议.研究结果表明:(1)2000-2015年,江苏省生态网络呈现西密东疏的格局,局部地区生态节点破碎12处,新增5处,源地斑块整体趋于破碎;(2)新沂市马陵山风景区等6处节点的破碎使北部生态网络多条廊道结构功能下降,亟须修复;(3)因沿河防护林及道路林网建设,中部网络与北部网络间廊道连通性有所改善,但缺乏中间节点;(4)丹阳市打雁山丘陵节点的破碎使南部网络与长江湿地间联系削弱,宁镇山脉的结构重要性相对凸显;(5)东部沿海滩涂节点与其他节点间的联系尚处于薄弱状态,有待改善;(6)建议修复生态节点7处,新增生态节点7处,建设踏脚石44处,维护廊道关键点18处,疏通其中5处.

为揭示不同覆盖物对农田林网内风速分布及防风效能的影响,选取4种不同覆盖物和对照(无覆盖物)林网模型,对其防风效能进行了风洞模拟试验.结果表明:林网中防护林带高度范围内,覆盖物对林带前后的风速流场具有显著影响,尤其是高大果树类作物对风速削减程度较大.8 m·s-1风速条件下,各模式林网内平均风速排序为核桃+小麦间作模式<苹果+小麦间作模式<红枣+小麦间作模式<纯小麦模式<无覆盖物.林网中1 cm和2 cm高度处平均防效能分析表明,3种果树模式林网防风效能最佳,纯小麦模式防效虽弱于果树模式,但是较对照仍有一定的防效,表明林网内覆盖物(特别是果树类作物)对林带防风效能有明显增强作用.因此,随着集约化和精准农业推进,进行农田防护林网配置时,应充分考虑林网内作物本身的防风效能,尤其是高大果树类作物农田防护林网配置时,可适当调整林网大小,合理配置林带结构,提高经济效益.