上海市郊沿海防護林防護效應的研究

王宗星,虞木奎,①,成向榮,朱春玲,汪 杰,張 翠

(1.中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所,浙江 富陽 311400；2.上海市林業總站,上海 201300；3.上海市南匯林業站,上海 200072)

上海市地處長江入?？?海岸線全長約 510.4 km,每年均受到海風侵襲,尤其是近年來由于溫室效應加劇、極端天氣不斷增多,給當地居民的生產和生活造成了惡劣影響。因此,建設完善的沿海防護林體系,對緩解沿海地區生態環境惡化與海岸生態脆弱的狀況,提高抵抗風暴、大潮、風沙及鹽蝕等自然災害的能力,進一步改善沿海居民的生活環境有著特別重要的意義[1]。早在 20世紀 60年代和 70年代上海就建設了沿海防風林以抵抗臺風和風暴潮的侵襲；改革開放以來,上海郊區林帶面積大規模增加,并加強了沿海防風林和郊區北部生態林的營造,使上海市抗臺風和寒潮的能力加強[2]。

多年來上海市林業總站對沿海防護林開展了一些防風效應研究[3-4],但多數研究集中在林帶前后近距離(數倍樹高距離)的風速變化,而關于基干林帶對較大范圍的防護效果和林帶的小氣候效應方面的研究較少。鑒于此,作者以上海市南匯區沿海防護林為研究對象,通過定位觀測,研究了林帶內外的風速變化規律及沿海防護林的防護效果,以期為沿海防護林的樹種選擇和結構配置優化提供參考依據。

1 樣地概況和研究方法

1.1 樣地概況

樣地位于上海市南匯區書院鎮東郊,距海 2～3 km。濱海森林公園樣點位于北緯 30°58′12″、東經129°54′40″；公園總面積 358.7 hm2,其中,森林面積占75％；地勢平坦,林型豐富,以紅葉椿 (Ailanthus altissima‘Hongye’)和烏桕〔Sapiumsebiferum（L.) Roxb.〕等鹽堿地適生樹種為主,均于 2002年營造。人民塘水杉 (MetasequoiaglyptostroboidesHu etCheng)基干林樣點位于北緯 31°56′50″、東經 121°52′43″,于 20世紀 80年代中期營造,基干林帶寬約 50 m。2個樣點的基本概況見表1。

表 1 上海市郊濱海森林公園和人民塘樣點基本概況Tab le 1 Plot sta tus of B inha iForest Park and Peop le Pond in Shangha isuburb

1.2 研究方法

1.2.1 水杉基干林帶防風效應及氣溫、空氣相對濕度監測 于 2009年 7月 23日至 8月 2日,在人民塘水杉基干林帶與主害風垂直方向設置 1條觀測線,分別在林帶前 65m、林帶前 25m、林緣、林帶內、林帶后25m及林帶后 65 m處設置觀測點。采用 Kestrel 4000便攜式風速儀 (美國 N ielsen-Kellerm an公司生產)監測各觀測點垂直高度 2m處的風速、氣溫和空氣相對濕度等氣象因子。數據記錄間隔時間為 30m in,連續重復觀測 10 d,計算其平均值。

為明確人民塘水杉基干林帶對更大范圍內氣象因素的影響,于 2009年 6月在水杉基干林帶前和林帶后各1 km的空曠處安裝 2臺W eatherHawk自動氣象站(美國 Campell Scientific公司生產),進行氣象要素的長期定位監測,數據記錄間隔時間為 1 h,連續記錄3個月。

1.2.2 林帶內不同垂直高度防風效應監測 于 2009年7月23日至8月2日,在濱海森林公園的紅葉椿林內,以地面為參照,將 Kestrel4000便攜式風速儀用竹竿分別固定在垂直高度 1、2、3、4和 5m處,保持竹竿與地面垂直,以便記錄林內不同高度的氣象因子。數據記錄間隔時間為 30m in,均重復觀測 3次。

1.3 數據處理

利用 Excel2003及 SPSS 17.0軟件分析防護林的相對風速、氣溫和空氣相對濕度等數據。

2 結果和分析

2.1 水杉基干林帶的防風效應

人民塘水杉基干林帶各觀測點的相對風速見表2。由表 2可知,以林帶前 65m處作為對照,各觀測點的風速均下降,其中林帶后 25m處的風速最低；從林帶前 65m處至林帶后 25m處,風速呈逐漸下降趨勢；而從林帶后 25m至林帶后 65m處,風速則呈迅速上升的趨勢。分析其原因是：當低層氣流在行進中遇到基干林帶時,由于受到林帶的阻擋作用,一部分氣流從林帶的間隙通過,另一部分氣流被迫抬升從林帶上方通過,故在林緣處風速較林帶前 65 m處減弱了 43％；而穿過林帶的氣流受到樹干、樹枝碰撞磨損作用以及枝條對機械能的損耗,使林帶內的風速大大減弱,比林帶前 65m處的風速下降了 58％；由于氣流的亂流作用,使林帶后 25m處的風速減弱至最低,風速較林帶前 65m處下降了 65％,形成了一個弱風區；在林帶后 25m處,由于上層氣流和穿透林帶的氣流匯合,風速又逐漸提高,至林帶后 65m處風速已增至林帶前 65m處的 60％。由于條件所限,林帶后 65m以后的區域沒有設置觀測點,但根據上述風速變化趨勢推測：在林帶后 65 m以后的區域風速會逐漸恢復至林帶前65m處的水平。

表 2 人民塘水杉基干林帶前后不同距離觀測點的相對風速Tab le 2 Rela tive w ind speed of d ifferen t observa tion po in ts a t d ifferen t d istances from w indbreak of M etasequo ia g lyp tostroboides Hu etCheng in Peop le Pond

人民塘水杉基干林帶前 1 km和林帶后 1 km處自動氣象站的長期觀測數據顯示,水杉基干林帶對臺風有明顯的削弱作用,2009年 7月 26日至 8月 25日“莫拉克”臺風前后人民塘水杉基干林帶前 1 km和林帶后 1 km處風速的比較見圖 1。由圖 1可知,7月 26日至 8月 5日風速較低,風速的日變化較為緩和,林帶后 1 km處風速略低于林帶前 1 km處,但差異不明顯；從 8月 5日開始,受“莫拉克”臺風影響,林帶前1 km處和林帶后 1 km處的風速均急劇上升,至 8月10日達最大值,8月 11日后風速逐漸下降,恢復至“莫拉克”臺風影響前的水平。結果表明,臺風影響期間林帶的減風效應顯著,林帶后的風速明顯低于林帶前,林帶后 1 km處的平均風速較林帶前 1 km處減弱22％,有效降低了臺風的災害。

圖1 “莫拉克”臺風對人民塘水杉基干林帶前 1 km和林帶后 1 km處風速的影響F ig.1 Effectof“M orakot”typhoon on w ind speed a t1 km before or a fter w indbreak of M etasequo ia g lyptostrobo ides Hu etCheng in Peop le Pond

2.2 水杉基干林帶的小氣候效應

2.2.1 降溫效應 林帶可降低林分內部及林后一段距離內的空氣溫度。地面吸收的太陽輻射一部分通過熱傳導傳到地下,另一部分通過長波輻射使近地層空氣增溫,然后通過湍流交換輸送到上層大氣中。由于林帶減弱了湍流作用,使得林分內部及林后一段距離內的空氣溫度不會因為地表溫度的升高而顯著升高[5]。

人民塘水杉基干林帶前后不同距離觀測點的氣溫見表3。由表3可知,從林帶前65m處到林帶前25m處、至林緣直至林帶內的氣溫呈逐漸下降的趨勢,其中林帶前 65m處的氣溫最高,達到了 35.6℃；隨著林帶前觀測點與林帶距離的逐漸縮短,林帶前各觀測點的氣溫逐漸下降,至林緣處的氣溫較林帶前 65m處下降了 0.7℃,降溫效應明顯；林帶內的氣溫則最低,為 34.0℃,較林帶前 65m處降低了 1.6℃,降溫效應加強；而林帶后 25m和林帶后 65m處的氣溫則升高,但與林帶前 65m處無明顯差異?？梢?在夏季水杉基干林帶內的降溫效應較林帶后明顯。其原因可能是人民塘水杉基干林帶為南北方向栽植,在炎熱的夏季正午不能為林帶后方產生有效的庇蔭,導致林帶后的氣溫較高、降溫效應較弱。

2.2.2 增濕效應 防護林帶在一定范圍內具有提高空氣相對濕度的作用。由于林帶的防風效應,林帶內和林帶后風速明顯減弱,氣流交換緩慢,土壤及地被植物蒸發的水汽不易擴散,致使林帶內以及林帶后一定范圍內的空氣相對濕度維持在較高的水平[6]。

人民塘水杉基干林帶前后不同距離觀測點的空氣相對濕度也見表 3。由表 3可知,林帶前 65m處的空氣相對濕度最低,為 71.59％；隨著林帶前觀測點與林帶距離的逐漸接近,空氣相對濕度逐漸增加,到達林帶內時空氣相對濕度最高,為 80.42％,較林帶前65m處提高了 12.3％,增濕效應明顯加強；而林帶后25和 65m處的空氣相對濕度則逐漸下降,但仍比林帶前 65m處分別提高了 11.5％和 6.6％?？梢?林帶內和林帶后的增濕效應均較明顯。

表 3 人民塘水杉基干林帶前后不同距離觀測點的氣溫和空氣相對濕度Tab le 3 A ir tem pera ture and a ir rela tive hum id ity of differen tobserva tionpointsat differentdistances from windbreak of M etasequoia g lyp tostrobo ides Hu et Cheng in Peop le Pond

2.3 紅葉椿林分內不同垂直高度的防風效應

圖 2 濱海森林公園紅葉椿林分內不同垂直高度處的風速F ig.2 W ind speed a t d ifferen t ver tica l heigh ts of A ilan thus a ltissim a‘Hongye’stand in B inha iForest Park

林分內不同垂直高度處的空間結構不同,防風效應也存在一定的差異。在濱海森林公園紅葉椿林分內不同垂直高度處的風速見圖 2。由圖 2可知,在垂直高度 1～2m處,隨著垂直高度的上升,地表對風的摩擦作用逐漸減弱,風速逐漸加強,在垂直高度 2m處風速基本達到最高,為1.6m·s-1；在垂直高度3m處,雖然地表對風的摩擦作用很小且尚未達到林冠層,但由于樹木開始分枝,枝葉對風產生摩擦作用,使得風速較垂直高度2m處低；垂直高度升高至4m,即到達林冠層時,枝葉對風的摩擦阻擋作用加劇,風速更低,比垂直高度 3m處下降了 40％；垂直高度 5m處依然處于林冠層,此處的風速與垂直高度 4m處相比變化不大。由此可見,林分內不同垂直高度處的風速有明顯的變化,而用樹干下部側枝較少的紅葉椿林分構建疏透型防風林較為適宜。

3 討論和結論

本文的研究結果表明,人民塘水杉基干林帶具有明顯的防風效應,林帶內及林帶后 65 m范圍內的風速較林帶前均有不同程度的下降,以林帶后 25 m處的風速最低。在臺風“莫拉克”登陸期間,人民塘水杉基干林帶后 1 km處的風速明顯被削弱,林帶后 1 km處的平均風速較林前減弱 22％,有效降低了臺風災害。葉功富等[7]的研究結果表明,在木麻黃(CasuarinaequisetifoliaL.)海岸基干林帶內風速最低,防風效應的空間分布呈平滑的曲面狀,在林帶前呈下凹式,林帶后呈上升式,整體呈中間低兩邊逐漸升高的槽狀。而水杉基干林帶的防風效應與木麻黃林分有一定的差異,這可能是由于林分結構不同造成的：木麻黃枝下高較低,林分郁閉度高,能起到更好的防風效應；而水杉的枝下高較高,林下透風系數高,防風效應較弱。因此,具有沿海防護功能的水杉林帶應構建多層復合林體系,優化結構配置,使其發揮更大的防護效能。

林帶還具有降低局部空氣溫度、提高空氣相對濕度及改善林帶小氣候的功能。人民塘水杉基干林帶改善小氣候的效應顯著,林帶內空氣溫度最低,空氣相對濕度最大,氣溫較林帶前 65m處降低了 1.6℃、空氣相對濕度則提高了 8.83百分點。在林帶后 65m范圍內,林帶的增濕效應雖然有所下降,但平均空氣相對濕度仍較林帶前 65m處提高了 9.0％；而林帶后的降溫效應不明顯則可能與林帶的栽植方向及季節影響有關。

緊密結構、疏透結構和通風結構是防護林的 3種基本結構類型,其中透風系數在 0.4～0.5、疏透度在30％～50％的林帶為疏透結構。疏透型林帶內風速變化平緩、有效防護距離大、防風效果好,因而得到了較廣泛的應用[8]。本研究結果表明,紅葉椿林分內不同垂直高度處的風速差異較大,其中樹冠處風速最低,樹干中下部側枝較少,風速較大,因此紅葉椿適宜構建疏透型防風林。然而,為使紅葉椿防風林更有效地發揮防護作用,還需進一步確定其合理的疏透度以及適宜的株行距等結構參數。

[1］李 琦,吳曉春,張于卉.對上海沿海防護林建設若干問題的探討[J].防護林科技,2006(3)：103-105.

[2］賀芳芳.上海市郊林帶的防風效應分析[J].中國農業氣象, 2007,28(4)：399-402.

[3］韓玉潔,孫海菁,朱春玲,等.上海沿海防護林樹種適應性評價[J].南京林業大學學報：自然科學版,2010,34(4)：165-168.

[4］楊秋珍,徐 明,沈烈英,等.臺風大風與防護林帶防護效應初步研究[C]∥中國氣象學會.中國氣象學會 2005年年會論文集.[出版地不詳]：[出版者不詳],2005：3080-3087.

[5］孫玉亭,霍兆發,高橋英紀,等.防風網小氣候效應的初步分析[J].農業氣象,1985(4)：35-39.

[6］查同剛,孫向陽,于衛平,等.寧夏地區農田防護林結構與小氣候效應[J].中國水土保持科學,2004,2(4)：82-86.

[7］葉功富,王小云,盧昌義,等.福建東山木麻黃基干林內的風速變化規律[J].海峽科學,2008(10)：71-73.

[8］朱鴻梅,王 元,徐 烈,等.疏透型林帶防護效應的實驗及理論研究[J].干旱區研究,2004,21(4)：369-373.