农田防护林带小气候nongtian fanghulindai xiaoqihoumicroclimate in farm shelterbeits

在林带的影响下所产生的特有的农田小气候环境。农田防护林(包括林带、林岛、林农间作等形式)可改善农田小气候条件， 防止或减轻自然灾害(风沙、大风、台风、干热风、干旱、霜冻等)，形成有利于农作物生长、发育的优良的小气候环境。林带保护下的谷类作物产量， 一般较无林带保护的农田高10%～30%；在自然灾害特别严重的情况下， 农田防护林的作用更为明显。
农田防护林小气候的研究始于19世纪下半叶。1872年丹麦学者曾观测了林带对空气温度和湿度的影响； 1882年俄国A.A.贝奇欣用风速表观测林带附近的风速， 研究了林带降低风速的作用， 以后苏联的В.А.博德罗夫、Т.И.马佳金、A.P.康斯坦丁诺夫，英国的J. M. 卡博恩， 丹麦的M.耶森， 美国的N. P.伍德拉夫、T. V.埃默恩等作了较为深入的研究。20世纪40年代中国在东北和西北地区曾作过观测和调查，50年代对华南橡胶园防护林、东北西部、内蒙古东部农田防护林， 相继开展了小气候的野外观测和林带模型的风洞实验研究。随着农田防护林建设范围扩大，全国大部分省、市、自治区相应的开展了防护林小气候的研究。
防护林带附近的小气候要素的分布特征和变化规律如后：
风速 防风效应是林带的主要作用， 林带向风面10H(H为林带平均高度)前后风速即开始减弱，最低风速出现在林带背风面0～10H之间，远离林带农田风速逐渐加大，到一定距离即恢复到无林带保护的田野上同一高度的风速——旷野风速。林带附近风速降低的程度、最低风速出现的位置、林后风速的分布特征以及恢复到旷野风速所达到的距离（称为防护距离）和林带的结构有关。防护距离不仅和林带结构有关，还受天气条件和下垫面状况的影响， 变化于20～55H之间。从Я.A.斯玛雷科在苏联进行野外观测的结果可以看出， 林带背风面和向风面存在弱风区。相对风速（即林带附近风速与旷野同一高度风速之百分比）小于100%。为林带的防护范围，在此范围内， 风速受到减弱的高度和林带结构、大气稳定度等有关， 一般大于林带的平均高度。在不稳定大气层结时甚至可达3.5H以上。在林带上面1.5～3.0H处有一增速区，相对风速大于100%, 其值随林带透风系数的减小而增大。在透风系数为0时可达130%以上；在透风系数为最适期(0.5～0.6)时约为115%。
辐射 由于林带遮荫，林网内日照时数减少， 使下垫面的总辐射收入降低， 以林缘附近最为明显。野外观测结果表明， 南林缘达85%以上，北林缘达29%左右。由于林带侧面的反射辐射可使地面的总辐射瞬时值比旷野大5%以上，林缘附近有效辐射可减少50%～60%。
温度 林带对辐射状况、风速、乱流交换和蒸发等的影响，使防护林附近的热量平衡各分量发生变化，影响到附近的空气温度、地面温度和土壤温度。这种影响和林带的结构有关，也和天气状况、气候条件等有关，一般在0～10H，尤其在0～2H范围内较明显，直到20H仍能观测到温度的差异。阴天和风速较大时，林带附近和旷野的温度差异极微，晴天无风或风速很小时，则较明显。林带附近向阳的一侧，地表温度高于旷野， 见表1。NE面（背阴面）地面温度只有1H(4米)处在上午7～9时以前较旷野高， SW面（向阳面） 11～17时较旷野高，最大(在1H)高5.8℃。其他时间由于林带遮蔽作用，温度较旷野低。夜间2H以内林带附近有效辐射减少，地表温度较旷野高。大量观测结果表明， 白天辐射差额为正值时，林带有增温效应，夜间辐射差额为负值时，林带有降温效应。据中国北方各农田防护林区的观测， 冬春季有林带防护的地区平均气温增加不到1℃；最高气温约增加1～2℃，个别的观测结果达4℃以上；最低温度既观测到提高1～2℃的纪录，也有降低的情况。在北方比较湿润的生长季节以及广东橡胶防护林的观测结果表明，有林带防护的地区平均气温降低0.5～2.5℃，在辐射型天气条件下甚至观测到降低4.0℃以上的例子。

表1 林带两侧地表温(℃)的日变化

时间 位置(H)		5	7	9	11	13	15	17	平 均	振 幅
SW ⌢ 向 阳 面 ⌣	林缘 1 2 3	5.9 3.9 3.8 4.2	8.4 6.7 7.4 7.6	12. 6 22.1 20.0 18.7	26.3 28.6 28.6 24.9	34.8 33.9 32.7 28.0	29.7 28.0 26.1 23.8	20.3 17.0 15.7 16.2	20.5 21.3 19.7 18.4	28.9 29.0 28.9 23.8
NE ⌢ 背 阴 面 ⌣	林缘 1 2 3	4.6 3.0 3.1 3.3	8.0 9.4 8.3 8.7	19.3 22.1 20.4 20.8	15.4 26.5 26.5 26.5	15.2 22.5 28.6 29.7	14.4 17.7 21.8 24.3	12.4 13.0 13.9 15.1	13.4 17.1 17.8 19.2	14.8 23.6 25.8 26.4
对 照		1.7	8.7	22.1	26.4	31.2	22.2	14.9	19.5	29.5

在有风天气林带背风面温度的分布规律和风速分布规律相似，据詹森的观测，风速小于0.5米/秒时，林网内和旷野夜间最低气温相差不大； 风速在0.5～1.5米/秒时，林网内由于林带的防护作用风速极小，上层暖空气和低层冷空气的热交换微弱，空气温度较旷野低0.5～1.5℃; 当风速大于1.5米/秒时，林网内外的热交换均不太小，空气温度差异又趋于消失。林带的热效应使林网内的温度分布不均， 可引起林网内的局地环流，产生一定的局地风速，这对空气温度可产生反馈作用，使林带附近与旷野的温度差异减小。
林带的动力效应和水文效应可改变防护区内土壤的物理性质，使土壤含水量增大， 导致土壤导热率和热容量的增大，从而影响到土壤温度的改变。0～20厘米土壤温度提高0.5～1.0℃，在个别情况下5～10厘米层土温度可比旷野高3℃以上。
降水 林带明显地影响降水的再分配。苏联长明草原的观测表明，林网内比无林带保护的农田可增加10～20%的积雪。林带结构愈紧密，林带内及其附近保存的积雪也愈多，通风结构窄林带内的积雪虽少，但林网内积雪的分布较均匀，总积雪量大。
土壤湿度 林网内的土壤湿度与旷野相比略有增加。林缘附近由于林带树木根系的吸收、土壤湿度较小； 在2H前达最大； 更远离林带处逐渐减小到旷野值。
蒸散 由蒸发器测得林带附近的蒸发能力比无林带保护的农田明显减小， 中国北方各防护林区的观测结果表明， 网格内的蒸发能力平均约降低10%～25%，最小值与风速最低值出现的位置相一致， 当风速大、湿度小时，在5H处甚至可减少40%以上。林带影响蒸发能力的范围和影响风速的范围相一致。苏联的观测结果表明，林网内平均蒸发能力比旷野减低10%～20%。林带防护下的农田实际蒸散量与蒸发能力并不一致。林网内土壤较湿润， 总蒸散量有时反而较旷野高。表2是康斯坦丁诺夫的观测结果， 带内农田蒸散量为空旷农田的125%, 蒸腾量为163%, 土壤蒸发为90%。林网内的农田不仅降低了无效蒸发（土壤蒸发）, 蒸腾系数也降低了23%, 他认为这种降低是农业森林土壤改良综合措施的结果。一般林带可使蒸腾系数降低15%左右。

表2 春小麦地的有效蒸发和无效蒸发的比较

空气湿度 林带附近的空气湿度一般比旷野略高。中国北方各防护林区的观测结果表明， 林网内相对湿度较旷野约高2～10%; 个别情况下更大。