低覆盖度植被是我国干旱、半干旱区经过漫长的自然演替，逐步发育形成且广泛分布的植被类型，覆盖度一般在10%~30%之间(吴征镒，1980；丘明新，2000；韩德如等，1994)。研究认为：植被覆盖度低于40%，不能完全固定流沙和阻止风沙流的形成(朱震达等，1981；1994；高尚武，1984)，只能形成半固定、半流动沙地(马世威，1988；董治宝，2005)。但在实际观察中发现，当覆盖度低于40%时，灌丛在水平空间分布格局的差异，严重影响低覆盖度植被的防风效果(屈建军等, 1992；Wasson et al.，1986；van den ven et al.，1989；Wolf et al.，1993；凌裕泉等，2003；杨文斌等，2004；2006a)。在点格局的研究中，基本上把种群的空间分布确定为3种类型：随机分布（random distribution）、均匀分布（regular distribution）和集群分布（clumped distribution）(Tsoar et al.，1986)，行带式格局是一种特殊的集群分布。已有研究得出：在覆盖度低于20%时，行带式配置格局的灌木群丛能够很好地固定流沙，比同覆盖度等株行距均匀分布和随机不规则分布格局的防风效果显著增高(杨文斌等，2006b；2007；朱朝云等，1991；胡孟春等，2002)。但是，由于乔木与灌木的冠形差异显著，在垂直空间的分布不同，对风和沙的阻碍作用和方式不同(朱朝云等，1991；杨文斌等，1997；2006b)，使得低覆盖度下乔木疏林产生与灌木群丛完全不同的流场分布特征，进而使林分内地表蚀积的关系发生变化。因此，本文进一步针对覆盖度为20%和25%的两行一带式乔木固沙林，在风洞内研究其风速流场规律及降低风速的效果。探讨低覆盖度乔木行带式固沙林能够完全固定流沙的基本原理，为我国建立低覆盖度高固沙效果的人工固沙植被提供科学依据。

1 试验设备、材料及方法 1.1 试验设备

本试验在中国科学院兰州沙漠研究所的野外试验沙风洞中进行。该风洞是直流闭口吹气式风洞，主体结构由3 mm厚的硬质铝合金板建成，风洞全长为37 m，试验段长21 m，截面为1.2 m×1.2 m。试验采用防沙风速廓线皮托管采集仪自动采集风速，采集周期为2 s，每轮风速采集时长为30 s。模拟温度为22 ℃，气压为87.3 kPa(韩致文等，2000)。

1.2 试验材料及方法 1.2.1 试验材料

本试验以白榆（Ulmus pumila）为原料，单株白榆株高H₀=6.5 m，冠幅5.1 m×5.5 m，枝下高2.5 m。试验模型实物比为1:50。采用现采的柽柳（Tamarix chinensis）枝条制成白榆样株，模型株高H=0.13 m（模型高度），树干高度为0.04~0.06 m，冠幅为0.102 m×0.11 m。

1.2.2 模型设置

本试验在20%和25% 2种覆盖度下，设置了3种两行一带模式，3种模式的植株为交错排列。其中覆盖度为20%的模型为带间距D为5H且行距L为0.04 m的两行一带模式，覆盖度为25%的模型为带间距D为5H且行距L为0.08 m和带间距D为4H且行距L为0.04 m的两行一带模式。以覆盖度为20%的两行一带模式为例，来说明模型覆盖度的计算方法。

如图 1所示，整个模型的覆盖度可以用林带宽度与模型总面积的比值来计算，即：覆盖度（%）=(林带宽度/模型总宽度)×100%=100%×[(0.102+L)×2]/(5H+2.5H+2.5H+2L)=100%×[(0.102+0.04)×2]/(1.3+0.08)=20.6%。

模型林带为疏透结构，疏透度在0.3~0.4范围内。通过测定林带背风面林冠顶部、林冠中部和近地表处与相应3个高度的对照风速，用其比值来计算透风系数，得出林带的透风系数在0.41~0.48范围内。

1.2.3 平面测点布设

平面风速测量采用防沙风速廓线皮托管自动记录风速。平面测点呈网格状分布，在模式内设置规格为0.1 m×0.1 m的网络测点，测量高度为0.31H(模型树高H=0.13 m)。在空洞条件下，在模型位置测定风洞中心点测定0.31H高度的风速作为对照风速。

1.2.4 剖面测点布设

剖面风速测量采用风速廓线仪（邓湘雯等，2005）进行测量，测点高度为:从地表算起0.03H，0.06H，0.09H，0.12H，0.23H，0.46H，0.92H，1.54H，2.0H，3.9H(模型树高H=0.13 m)。在模式中央纵剖面轴线上，沿迎风方向每隔0.1 m布设一个测点, 同时测定上述10个高度处的风速。在空洞条件下测定风洞中部某点上述各高度的风速作为对照风速。

1.2.5 数据采集及制图

将来风刚进入试验段轴心处的风速作为试验风速，共设定10和15 m·s^-12种试验风速条件。同一测点的平行风速值10~12个，求出算术平均值后采用Sufer8.0进行制图, 采用SAS软件进行结果分析。

2 结果与分析 2.1 10 m·s^-1试验风速下两行一带模式比较 2.1.1 0.31H高度的风速流场特征

图 2为3种不同模式在10 m·s^-1试验风速下0.31H高度的风速流场图。图中颜色逐渐加深表示相对风速E_x逐渐降低，即防风效果渐增。3种模式都形成了风影区（背风侧形成的风速显著降低区）与风速加速区相互组合的复杂流场结构。从图中看出：覆盖度为20%的模式中相对风速E_x>50%所占的比例较多于覆盖度为25%的2种模式，即覆盖度为20%的模式整体的防风效果低于覆盖度为25%的2种模式。覆盖度为25%的2种模式相比较，D=4H，L=0.04 m模式的最大风速为7.5 m·s^-1，低于D=5H，L=0.08 m模式的最大风速；另外，前一种模式中相对风速E_x＜50%所占的比例要高于后一种模式，且在一定位置相对风速E_x＜20%，因此D=4H，L=0.04 m模式防风效果高于D=5H，L=0.08 m模式。D=5H，L=0.08 m模式在第一带前后出现了一个风速加强区，而D=4H，L=0.04 m模式在林带处未出现类似地流场结构，这可以得出D=4H，L=0.04 m模式防风效果高于D=5H，L=0.08 m模式，同时也可以得出风速的林带对风速的影响不仅与覆盖度有关，而且与林带行间距有关，行间距越大阻风能力越弱，林带处出现风速加速区的可能性越大。

2.1.2 不同高度的风速水平分布

图 3中可以看出3种两行一带模式风速水平分布随高度变化趋势相近。观察2H处的风速曲线，覆盖度为20%的模式沿来风方向未发生变化，而2种覆盖度为25%的模式有上升的趋势，但变化趋势较小；3种模式在1.54H处的风速曲线的变化过程为先增加后减少，且该层风速变化不随林带而变化；0.92~0.06H的风速曲线沿来风方向有较大变化，不同高度的风速水平分布都是一个逐渐减小的过程，且在靠近林带处先增大后减少。比较不同高度的风速变化趋势看出，0.92H和0.46H高度的风速曲线变化最大，这是由于0.92H和0.46H高度正处于模型设计的树冠高度，树冠的阻风作用导致0.92H和0.46H 2层的风速变化最大。由以上分析可以将风速水平分布随高度变化划分为微变化层（1.54H和2H）、显著变化层（0.46H和0.92H）和稳定变化层（0.06~0.12H）3个层次。

进一步观察发现覆盖度为20%(D=5H，L=0.04 m)和覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)模式同一高度相同位置的风速值均小于覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式，这说明后一种模式降低同一高度风速的效果高于前2种模式。

2.1.3 降低风速效果比较

对10 m·s^-1试验风速下2种覆盖度水平空间和垂直空间风速值采用SAS软件进行方差分析，分析采用F检验过程。

1） 降低0.31H高度风速效果 3种模式在10 m·s^-1试验风速下的4 cm高度的风速值检验。覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式与覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)及覆盖度为20%(D=5H，L=0.04 m)2种模式存在显著性差异（F=9.97，显著水平小于0.000 1），后2种模式无显著性差异。检验给出了3种模式的平均风速，覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式平均风速为4.21 m·s^-1，覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)和覆盖度20%(D=5H，L=0.04 m)模式平均风速分别为4.77和5.09 m·s^-1。因此可知前一种模式降低风速效果优于后2种模式，后2种模式降低风速效果相同。

在10 m·s^-1试验风速下，对照点的平均风速为6.6 m·s^-1，对3种两行一带模式风速值和对照风速进行处理后绘制出表 1。分析表 1可以看出覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式在第一带前和一二带间降低对照风速的比率分别为13.48%和41.06%，大于覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)和覆盖度为20%(D=5H，L=0.04 m)模式，第二带后3种模式降低对照风速的比率相同。这说明前一种模式在第二带前降低风速的能力要远高于后2种模式，而后2种模式虽然覆盖度不同，但是后2种模式降低风速的效果相同；由于林带的累加作用3种模式第二带后降低风速的效果相同。

对表 1中2种覆盖度下3种模式内的最大风速和最小风速进行比较，发现覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式在第一带前最大风速和最小风速都低于后2种模式，而在一二带间最小风速但最大风速仍旧明显的低于后2种模式，第二带后3种模式内的最大风速和最小风速无明显的变化，这可以说明前一种模式第二带前的风速高于后2种模式是由于降低最大风速的能力较强的原因。根据以上分析结果可以说明两行一带模式降低水平空间风速的能力不仅与林地的覆盖度有关，而且与林带行距有关。

2） 降低不同高度风速效果 对0.03~3.9 H高度在10 m·s^-1的试验风速下测得的风速值检验可知：覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式与覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)和覆盖度为20%(D=5H，L=0.04 m)2种模式存在显著性差异（F=6.63，显著水平为0.001 5），而后2种模式无显著性差异。检验给出了3种模式垂直空间风速的平均风速，覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式的平均风速为4.68 m·s^-1，覆盖度为25%(D=5H，L=0.04 m)模式的平均风速为5.53 m·s^-1, 覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)模式平均风速为5.8 m·s^-1。因而，前一种模式降低风速效果优于后2种模式，后2种模式降低风速效果相同。

比较10 m·s^-1试验风速下两行一带模式与对照不同高度的垂直空间风速(图 4)，3种模式随高度的增加降低风速的效果为先增加后减少的趋势，在0.46H和0.92H处达到极大值，1.5H处急剧降低，且在2.0H和3.9H处为负值。0.46H和0.92H降低风速的效果最大是由于0.46~0.92H位于林带树冠层，树冠层对风速的阻挡和抬升作用导致这一层风速降低较大，同样由于树冠层抬升作用的影响，导致了通过2.0H和3.9H风速的增大。进一步观察看出，覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式降低同一高度风速的效果要高于其他2种模式。

2.2 15 m·s^-1试验风速下两行一带模式比较 2.2.1 水平空间的风速流场特征

图 5表明：在15 m·s^-1风速下，3种模式0.31H高度风速变化与10 m·s^-1风速下的情况类似，都形成了风影区（背风侧形成的风速显著降低区）与风速加速区相互组合的复杂流场结构。随着风速增大到15 m·s^-1，3种模式中相对风速E_x < 50%所占的比例明显减少，可知随着风速的增大3种模式降低风速的效果明显降低。覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式中E_x＜50%所占的比例仍高于另外2种模式，即前者的防风效果高于后2种模式。

2.2.2 风速水平分布随高度变化

从图 6中可以看出3种两行一带模式在15 m·s^-1的试验风速下的垂直空间风速与10 m·s^-1试验风速下变化情况类似。3种模式2H高度的风速曲线沿来风方向均有上升的趋势，但变化趋势较小。1.54H高度风速沿来风方向风速变化为先增加后减少的过程，与林带位置无关。0.8~0.92H高度的风速曲线沿来风方向有较大变化，且0.46H和0.92H高度的风速曲线变化最大。沿来风方向，0.06~0.92H高度风速是一个渐减的过程，除覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)的模式在第二带前后风速变化趋于稳定外，在林带前后都出现风速先增大后减少的现象。

同样可以将风速水平分布随高度变化划分为微变化层（1.54H和2H）、显著变化层（0.46H和0.92H）和稳定变化层（0.06~0.23H）3个层次。

2.2.3 降低风速效果比较

1） 降低0.31H高度风速效果 在试验风速为15 m·s^-1，对3种模式0.03H高度的风速进行方差检验。覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式同覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)和覆盖度为20%(D=5H，L=0.04 m)模式存在显著性差异（F=6.71，显著水平为0.001 3），后2种模式无显著性差异。检验同时给出了3种模式的平均风速，覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式平均风速为6.63 m·s^-1，覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)和覆盖度为20%(D=5H，L=0.04 m)模式平均风速分别为7.2和7.72 m·s^-1。

在15 m·s^-1试验风速下，对照风速为9.85 m·s^-1, 对3种两行一带模式内的风速和对照风速进行处理后得出表 2。分析表 2可以看出覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式在第一带前、一二带间、第二带后的降低对照风速的比率为8.12%，35.23%和49.04%，高于覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)和覆盖度为20%(D=5H，L=0.04 m)2种模式，而后2种模式基本相同，因此可以说明前一种模式每一带林带降低水平空间风速的效果都高于后2种模式，而后2种模式在降低水平空间风速的效果相同。对表 2中2种覆盖度下3种模式内的最大风速和最小风速进行比较，发现覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式内的最大风速都小于后2种模式对应林带处的最大风速，后2种模式对应林带处的最大风速相同。

2） 降低不同高度风速效果(图 7) 在15 m·s^-1的试验风速下，对0.03~3.9H处的垂直空间风速值检验可知，当F=3.63时显著水平为0.026 3。由检验结果可知：覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式与覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)和覆盖度为20%(D=5H，L=0.04 m)2种模式存在显著性差异，而后2种模式无显著性差异，即前一种模式降低风速效果优于后2种模式，后2种模式降低风速效果相同。检验给出了3种模式垂直空间风速的平均风速，覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式的平均风速为7.5 m·s^-1，覆盖度为20%(D=5 H，L=0.04 m)模式的平均风速为8.4 m·s^-1, 覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)模式平均风速为8.75 m·s^-1。

风速增大为15 m·s^-1后，3种模式随高度的增加降低风速的效果为先增加后减少的趋势，同样在0.46H和0.92H处达到极大值，1.5H处急剧降低，且在2.0H和3.9H处为负值。进一步观察看出，覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式降低同一高度风速的效果要高于其他2种模式。

3 结论

1） 在10和15 m·s^-12种试验风速下，3种模式在0.31H高度都形成了风影区（即背风侧形成的风速显著降低区）与风速加速区相互组合的水平风速流场结构。且覆盖度为20%的模式相对风速E_x大于50%的所占的面积要高于2种覆盖度为25%的模式，即覆盖度为20%的模式防风效果较低。

2） 在10和15 m·s^-12种试验风速下，3种两行一带模式风速水平分布随高度变化规律基本相同，可划分为3层：微变化层（1.54H和2H）、显著变化层（0.46H和0.92H）和稳定变化层（0.03~0.23H）。同种模式内不同高度的风速变化不同，进一步观察发现覆盖度为20%(D=5H，L=0.04 m)和覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)模式同一高度的风速值相近，而覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式同一高度的风速都小于前2种模式。

3） 在10和15 m·s^-12种试验风速下，对3种模式0.31H高度的风速进行方差检验，检验结果表明：覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)模式与覆盖度为20%(D=5H，L=0.04 m)和覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)模式的水平空间风速存在显著差异，后2种模式无显著性差异，前者降低0.31H高度风速的效果要高于后2种模式。

4） 在10和15 m·s^-1试验风速下，对3种模式不同高度风速进行方差检验。检验结果表明：3种模式降低垂直方向风速效果依次为覆盖度为25%(D=4H，L=0.04 m)大于覆盖度为25%(D=5H，L=0.08 m)和覆盖度为20%(D=5H，L=0.04 m)，3种模式随高度的增加降低风速的效果为先增加后减少的趋势，在0.46H和0.92H处达到极大值，1.5H处急剧降低，且在2.0H和3.9H处为负值。