新疆农田防护林网构建原理研究

In the modern intensive and sophisticated agricultural and farming development, construction of farmland shelter belts system not only improve windbreak effect, but also reduced threat effect, increase planting area and plant efficiency, especially for the water deficient and sand storm region of Xinjiang. The current study will be focus on the farmland protection system in two different areas of Xinjiang province. In the selected regions, shelterbelts system will be studied in cotton and jujube field of northern and southern Xinjiang respectively. 1) Wind tunnel simulation experiment for crop damage threshold wind speed and crop resistance experiment will be carried out in various growth stages of crops. The transmission path of dust will be determined by remote sensing analysis and sand deposition observation. 2) The factors that affect the wind speed in shelterbelts like protective effect of trunk shelterbelt, synergistic effect among different belts, windbreak effect of tall target crops and the forest temperature and humidity effect. All these factors will be analyzed by field observation, wind tunnel test and numerical simulation. 3) Arrangement model of shelterbelt will be constructed from the perspective of farmland protection forest system. Similarly, the optimization model will be determined based on crop wind hazard threshold. Overall, this study provides a theoretical basis for scientific construction and management of the forest and farmland shelterbelts structure .

随着现代农业集约化和精准化发展，农田防护林网构建如何既能保证防风效应，又能降低胁地效应，增加种植面积，提高种植效益？尤其是对于水资源有限、风沙危害严重的新疆地区。本项目在农田防护林体系角度下，选取新疆典型地区：北疆莫索湾垦区棉田和南疆和田地区枣田防护林网：1) 对不同生长期的作物进行风洞模拟试验和作物抗风实验，结合遥感数据分析和沙沉降观测实验，确定典型棉田和枣田内作物危害阈值风速和沙尘传输路径；2) 以野外观测实验、风洞模拟试验和Fluent数值模拟数据为基础，分析农田防护林体系内影响风速变化的因素：外围防风基干林防风效应、不同林带之间协同作用、高大目标作物防风效应以及林网温湿度效应等，同时分析林网内风压场随各要素的变化特征，3) 以此为基础构建农田防护林体系下的林网配置模式，以作物危害阈值风速为目标确定农田防护林网构建优化模式，为农田防护林结构及林网科学建设和经营提供理论依据。

新疆是防风固沙的前沿地带和核心区域，农田防护林网的合理构建对于田间作物和防风固沙均具有重要意义，尤其是在水资源有限的新疆地区，随着新疆棉花种植业和林果业集约化和精准化速度不断加快，进行农田防护林网构建研究实践意义重大。项目以南疆和田地区枣田防护林和北疆莫索湾垦区棉田防护林为研究对象，项目得出主要结论如下：1) 区域尺度：北疆和南疆全年平均风速在1960-2019年整体呈现下降趋势，各季节和全年平均风速均在1995年之后下降趋势变弱，尤其是南疆地区呈现出上升趋势。南疆和田地区东北路径发生沙尘天气最高，3-5月发生比例分别为69.5%、42.7%和47.9%。北疆莫索湾垦区北部路径所占比例最高，占总路径轨迹的49%，沙尘天气最大值集中在4月份和5月份。迎风面自荒漠向绿洲内部沙沉降速度逐渐降低，沙丘、丘间低地和农田下垫面表层土壤趋向于粗化，地表沙尘物质可以较容易在风的作用下进入空中，成为沙源地。2) 林网尺度：当防护林网外旷野极大风速达14~16m/s以上，而此时农田防护林网内的风速仅为4m/s左右。随着林网面积的增加，防风效应也随之增加，从5H到700H，防风效应增加了15%左右。同时随着基干林行数的增加，减速区的范围在增大，且存在目标作物时，林带防风效应增加。在综合考虑防护林网的防风效应，南疆和田枣田防护林网林带间距由10H树高提高到20H距离，防护林的防风效应仍可保持70%以上。这种防护林建设模式不仅增加了林带间距，而且由于减少林带占地，增加作物种植面积，提高经济效益。仅以南疆枣树种植为例，在500×1000m农田中，设置林带间距为20H时，即可减少3道林带，增加枣树作物种植面积0.54% (2700m2)。另外，扩大林带间距，有利于机械化操作，可大幅度提高生产效率。3) 林带尺度：通过野外相对风速和疏透度的分析，风沙机理模型疏透度计算和数值模拟，结果均表明，农田防护林网内单条林带疏透度为0.35时，防护效益最好。通过项目开展，已发表论文3篇，其中SCI论文2篇，发明专利2项，出版专著1部，尚有2篇SCI论文在审。