“三北”防护林有效缓解北方地区严重的荒漠化问题，减少风沙灾害，并改善区域的生态环境^［1-2］。造林初期为尽快遏制流沙的蔓延，采用较高的林木密度^［3-4］，防风固沙林有效地发挥防护效应。在防风固沙林长期生长过程中由于水分、养分因素，部分植株出现衰退，甚至死亡的现象^［5-6］，导致防护期缩短，生态与经济效益下降。科研工作者在尊重自然规律的前提下探究密度对防护林的影响，通过大量研究发现防护林的密度控制在15%~25%时，依然能够有效地固定流沙^［7-8］，并提出了低覆盖度治沙的理论，在干旱和半干旱地区广泛应用^［9-10］。实践证明“三北”防护林有效降低了北方沙尘暴的发生频率，并在大范围内显著减少了土壤风蚀模数^［11-12］，取得了显著的生态与经济效益，为全球沙漠化治理提供了宝贵经验，并推动了中国在应对荒漠化挑战方面取得的突破。

防风固沙林结构对其防风效应的影响是防护林的研究热点。风洞试验和数值模拟技术的应用是揭示林带结构对防风固沙作用影响的重要方法，分析了林带宽度、密度、高度、疏透度、植物排列和分布^［12-16］对风速削减和流场分布的作用机制。行带式结构的防护林在防风和固沙方面效果较佳^［17］，且疏透度为40%~50%的林带可有效兼顾风速削减与通风效果^［18-19］。在防风固沙林的经营管理过程中，由于种植密度、缺乏有效抚育更新等，野外林带缺株和断带现象普遍，林带的间隙或残缺的部分会显著降低其防风固沙效果。当防护林中出现开口时，由于漏斗效应，通过这些间隙的风会加速，可能导致湍流和风蚀。防护林林带结构中存在的缝隙，如植物缺失或部分受损，会减弱防风固沙林的整体效果^［20］，会降低防风固沙林的防护效益，甚至带来负面效果。当林带缺株和断带达到一定程度时，会显著改变林带结构，降低防风固沙效应，从而削弱防风固沙林的作用。防风固沙林外层第一带、第二带林带出现残缺时对防风作用影响最明显，行带组合在中间残缺时依然具有累加防风效果^［13］。在前期野外调查发现，杨树林、乌柳林、沙枣林、柠条林的缺株、断带现象十分普遍。由于迎风侧林带最先直接接触气流，迎风侧林带的缺株、断带现象更多。因此，本文分析防风固沙林迎风侧林带的结构完整性对防风效应、输沙率、固沙效应、积沙形态的影响，研究其对防风固沙能力的影响及如何优化现有的迎风侧完整结构受损林带。

风洞模拟试验于2023年在中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头野外风洞实验室进行，该风洞气流为直流闭口吹气式，可调风速1~40 m·s^－1，试验段横截面1.2 m×1.2 m，长度21 m，配有风速测量仪风速控制平台、多通道防沙风速风压自动采集系统、台式计算机和秒表等设备。风洞试验中，满足几何相似对试验结果的影响尤为重要，选用仿真植物模型作为试验材料，主干和枝条用塑料包裹的铁丝制成，细枝和叶用塑料制成，以保证其在风力作用下能够模拟实际枝叶的摆动。模型与植株原型的尺寸比例为1∶10，仿真植物模型的主要特征参数见图1。

野外造林以两行一带为主，且迎风侧林带最先接触气流，迎风侧最外侧林带的缺株、断带现象更多，所以本文林带设计为两行一带林带，探究其出现缺株、断带时的防风固沙能力，寻找合理防风治沙能力区间内的林带完整程度阈值，超出合理区间时林带需采取补种措施。林带被布置在试验段的中间位置，植物模型通过在木板上钻孔进行固定，采用“品”字形排列进行布设。两行一带的株行距为10 cm×40 cm，带间距为80 cm，该设计对应的野外株行距约为1 m×4 m，带间距8 m。

林带结构主要分为完整林带、缺株林带、断带林带。完整林带是指两行一带林带中植株均连续状态。缺株林带是指两行林带缺少植株但未形成缺口，主要包括两种类型：①离散型缺株是指两行林带不同位置处缺单株植株；②连续性缺株是指两行林带某处连续缺2株及以上植被，根据连续缺株数量及株距进行命名，其中H为植株模型高度。断带林带是指两行林带同一位置都缺少植株形成缺口，根据缺株数量和株距进行命名，其中H为植株模型高度。

通过对野外气象资料的分析，发现沙漠地区以中等强度的起沙风为主，最大瞬时风速可达14 m·s^-1。在试验开始前对风洞进行了调试，通过试吹发现当风速达到6 m·s^-1时，沙粒才会发生蠕移现象。为了更好地模拟不同结构林带的防风治沙能力，本次试验设计了4个风速梯度（6、9、12、14 m·s^-1），以更全面地模拟起沙风速与中高风速下林带结构完整性对防风固沙能力的影响。考虑到风洞试验中风速的波动性和试验结果的稳定性，试验测定时间是基于风洞设备的稳定运行及沙粒的运动来确定的。为了确保数据的代表性和准确性，试验选择了特定时间段进行测量，以避免外界干扰因素对试验结果的影响，风场测定时间均为风速稳定后1 min，沙场测定时间在不同风速6、9、12、14 m·s^-1分别对应30、15、3、2 min。

风速测定：净风条件下，选择6、9、12、16 m·s^-1风速等级进行气流场速度测定，待气流稳定后记录吹刮时间为1 min。风速测定高度设为0.4、0.8、1.2、1.6、3.0、6.0、12.0、20.0、35.0、50.0 cm。测点位置分别为-8H、-6H、-4H、-2H、-1H、-0.5H、0、0.5H、1H、2H、4H、8H、12H、16H、20H（H为模型高度，负值为林带迎风侧，正值为林带背风侧）。

风沙流测定：选择12 m·s^-1风速梯度稳定吹刮3 min，采用断面口径为2 cm×2 cm集沙仪测定风沙流，集沙仪共10层位于林带背风侧2H（H为模型高度）处。

积沙形态测定：选择12 m·s^-1风速等级稳定吹刮3 min，该试验过程与风沙流测定同步进行。积沙形态使用测钎法测定，以林带迎风侧、背风侧风洞底板中线交点为坐标原点，对积沙选择若干点位测定其三维坐标，绿色三角位为测钎的测点。

防风效应主要用于分析不同结构林带对风速削减程度。实际应用中，气流带动沙粒90%发生在距地面30 cm以下高度^［21］。因此本文选6 cm高度（按照1∶10比例，即野外试验60 cm高度）处风速，对比防风效应足以确保超过90%的沙物质运移在此高度之下。

式中：E_防为防风效应，用于反映风速被削弱的程度；V_ck、V_z分别代表同一高度层空洞与林带的平均风速（m·s^-1）。

输沙率是反映在单位时间内通过单位面积的沙砾质量。植物种对输沙通量的减弱作用十分明显。固沙植物在阻碍风沙活动的同时，也能促进土壤结构微生物含量向良性方向发展，固沙阻沙效益也随之提高。

式中：Q为输沙率，g·cm^-2·min^-1；∆t为观测总时长，min；A为进沙口截面积，cm²；q_n 为第n层集沙盒内收集的输沙量，g，n=1，2，…，10。

固沙效应主要用于分析不同结构林带对风沙流中携沙量的削减程度。

式中：E_阻为固沙效应；Q_ck、Q_z分别代表空洞与林带各高度层单位时间内的总输沙率。输沙仪断面口径为2 cm×2 cm，共10层总高度为20 cm。

利用Excel进行数据整理并计算防风效应、固沙效应等；利用Origin绘制防风效应、输沙率、固沙效应等图；利用地形统计软件Sufer12.0绘制蚀积形态图，采用面积与体积计算功能求算林带的蚀积表面积和体积。根据测钎结果绘制林带的蚀积形态图，将林带的侵蚀量与堆积量之差定义为风蚀量，将侵蚀面积与林带总面积之比定义为风蚀范围占比。

通过对比发现完整林带的防风效应随着距离的变化趋势基本相似（图2）。在林带前（-2H~0H），防风效应随着距离的增加而增大，且防风效应随着指示风速的增加而减小；林带间（0~2H）防风效应呈现明显减小趋势，这是由于两行一带林带对气流的阻挡会形成回旋漩涡区域，旋涡区内风速有所加强，林带之间对气流的阻碍逐渐变弱；林带后2H~20H防风效应在不同风速下都呈现出随距离的变大而先增加后减小的趋势，且在8H处达到最大值；在测量范围内，完整林带的防风效应在6、9、12、16 m·s^-1风速下的防风效应平均值分别为37.1%、32.3%、28.9%、24.0%。由此可知，来流风速越小，林带的平均防风效应越大，动力因素风只对大小有影响，对规律的影响不显著，因此后续试验选择12 m·s^-1风速。由于林带的防风效应在不同风速梯度下变化趋势相同，后续对不同林带结构的分析为遵循单因素变化原则，选取12 m·s^-1风速。

无论是林带前、林带间、林带后，不同缺株数量的林带的防风效应变化趋势基本相同。不同缺株数量林带在整个测量范围内的平均防风效应分别为28.9%、27.3%、25.6%、23.9%、22.3%、19.4%，平均防风效应与缺株数负相关，且当林带缺5株时防风效应小于25%；不同缺株数量林带的防风效应较完整林带分别减弱5.4%、11.9%、18.1%、22.8%、33.9%，当林带缺5株时防风效应减弱超过30%。

不同缺株距离林带的防风效应在林带前增加，带间由于形成旋涡防风效应减少，带后防风效应呈现先增至8H处达到最大值后减小的趋势。不同缺株距离的平均防风效应为28.9%、26.8%、24.8%、22.7%、19.0%、16.7%，当缺株距离≥3H时，防风效应小于25%；不同缺株距离林带的防风效应较完整林带分别减弱7.1%、14.4%、21.8%、35.1%、43.4%，当缺株距离≥3H时，防风效应减弱>30%。

不同位置处林带的防风效应随断带距离的增加而减小，最大防风效应位置随断带距离增加而前移。不同断带距离林带在整个测量范围内的平均防风效应分别为28.9%、24.4%、20.3%、13.3%、10.2%、7.7%，当断带距离≥3/2H时，防风效应降低至25%以下；不同断带距离林带的防风效应较完整林带减弱16.3%、29.8%、53.9%、64.8%、73.5%，当断带距离≥3/2H时，防风效应减弱53.9%~74.5%。综上所述，当缺株数量≥5株、缺株距离≥3H、断带距离≥3/2H时，防风效应<25%，防风效应较完整林带减弱明显。

将集沙高度分为5个集沙区间进行分析统计（图3），间隔高度值分别为0~4、4~8、8~12、12~16、16~20 cm。在0~4 cm高度，无林带的空洞、完整结构林带和其他结构林带的输沙通量占总输沙通量的比例均超过68%；不同缺株数量林带的输沙率占比68%~81%，不同缺株距离林带的输沙率占比为72%~82%，不同断带距离林带的输沙率占比为78%~92%，其中完整林带和缺1株林带占比最低（68%~69%），随缺株数增加、缺株距离增加、断带距离增加，输沙通量0~4 cm占比增加，4~8 cm输沙通量占比随缺株数增加、缺株距离增加、断带距离增加占比减小，说明相较于空洞，不同缺株数量和缺株距离的林带近地层沙物质含量占比显著降低，说明林带对沙物质具有拦阻作用。对照无林带的空洞达到80%累积输沙高度为0~4 cm，完整林带、缺株1~4株的林带、缺株距离3/2~5/2H的林带、断带1/2H的林带累计输沙率达到80%的距地高度为4~8 cm，说明林带区域有效抑制了地表风沙活动，并抬升了风蚀基准面；缺株≥5株的林带、缺株距离≥3H的林带、断带距离≥1H的林带的80%累计输沙率距地高度为0~4 cm，说明林带对近地表风沙活动控制较弱，甚至加强，影响不容忽视。

不同缺株数量林带的总固沙效应分别为36.4%、29.8%、30.1%、29.4%、19.6%、-2.7%（图4）。其中近地表固沙效应占总固沙效应的69.2%、68.5%、74.6%、76.9%、77.6%、80.6%，可见林带的主要固沙区域在近地表。林带的固沙效应随着缺株数量的增加而减小，当林带缺5株时固沙效应为负值。固沙效应随着缺株距离的增加而减小，当缺株距离≥3H时，固沙效应降至-25.2%、-45.3%；且随着缺株距离的增加，冠层部分固沙效应占比减小，说明随着缺株距离的增加林带对近地表风沙活动的控制效果减弱，风蚀增加。不同断带距离林带的固沙效应分别为36.4%、4.3%、-13.7%、-56.3%、-58.2%、-69.7%，当断带距离≥1/2H时，固沙效应出现负值，且随着断带距离的增加，阻沙效应减弱明显，且近地表固沙效应增加至80%以上。可见当缺株数量≥5株、缺株距离≥3H、断带距离≥3/2H时，固沙效应为负且近地表固沙效应占比较大，对近地表风沙活动的控制效果减弱。

完整林带和不同类型缺株断带林带在12 m·s^-1风速作用下的蚀积形态如图5所示，不同结构林带均具有一定的固沙作用，但林带结构完整性的差异导致沙面蚀积变化位置及量出现差异。吹蚀3 min后，林带前表现为轻微积沙，而林下以积沙为主，最大积沙厚度约为0.35 cm，带间、林带后以侵蚀为主，最大侵蚀深度0.45 cm。随着缺株数量的增加，侵蚀深度及范围增加，且缺口处以侵蚀作用为主。随着缺株距离的增加，缺口处侵蚀程度增加明显，缺口后林带处积沙明显但总体以侵蚀作用为主。当林带出现断带时会产生狭管效应使得缺口处风速增加，侵蚀作用显著增加，断带距离≥3/2H时林带不具有固沙作用甚至加强风力侵蚀。不同结构林带表现为植物前以积沙为主，林带-1，林带-2下以积沙为主，带间、带后以侵蚀作用为主的趋势，说明林带在防止风沙侵蚀方面有一定作用，但缺株数≥5株的林带、缺株距离≥3H的林带、断带距离≥3/2H的林带在由于缺口处风蚀作用加强导致在林带下表现为侵蚀现象，说明该林带对风沙的控制作用显著减弱。

完整林带时风蚀量为-87.34 cm³，风蚀范围占比为36.25%（表1），表明林带以积沙作用为主，风蚀量随着缺株数量增加而增加，具体表现为-49.59、

-9.43、-18.76、60.44、131.63 cm³，风蚀范围占比随缺株数量增加而增加，从40.36%增至72.98%；风蚀量随着缺株距离的增加而增加，不同缺株距离的风蚀量为-40.61、-7.86、38.93、108.92、107.89 cm³，风蚀范围占比为42.19%、40.53%、44.89%、57.50%、61.47%；随着断带距离的增加，风蚀量呈现增加趋势（69.86、95.24、214.62、473.18、662.36 cm³），风蚀范围占比也呈增长趋势（36.20 %、51.69%、55.53%、69.65%、79.07%、98.01%）。由此可见，当林带缺株数≥5株、林带缺株距离≥3H、林带断带距离≥1H时，风蚀量对比完整林带增加超200%，且风蚀范围占比超过50%，这表明随着林带结构完整性程度减弱，风蚀作用严重，当林带完整结构受损达到林带缺株数≥5株、林带缺株距离≥3H、林带断带距离≥1H时，风沙的侵蚀作用主导了地表的风沙变化。

在风力作用下，大小颗粒的沙尘聚集并进行运动便产生了风沙现象。营造防风固沙林是最有效、最长久的措施。植被防风固沙有三个途径^［22］：一是通过植被自身结构（植物的冠幅、高度和空间构型等）碰撞拦截使沙粒沉积^［23］。二是植被覆盖的表面能够减少地面沙尘的流动。在有植被的区域，沙粒受阻，减少了风沙流动的空间。三是植被覆盖地表增加地表的粗糙度，破坏风的线性流动减小风速，进一步减少风沙侵蚀的速度。本研究通过风洞模拟试验分析了防风固沙林林带结构完整性对其防风固沙能力的影响。采用了风洞模拟试验来模拟不同林带完整性对防风效应、输沙率、固沙效应和风蚀量的影响。风洞试验提供了一个可控的环境，可以精确调节风速、温度等变量，可以更好地分析林带完整性对防风固沙能力的具体影响。在试验中，通过调整林带的缺株数量、缺株距离和断带长度，模拟了不同情况下林带对风沙的防护作用。试验结果表明，缺株和断带导致的风速增加不仅限于局部区域，而且能够在风沙流动的过程中形成一条脆弱的通道，从而加速沙尘的渗透，降低了林带的整体防护强度。研究表明，当林带缺株数量占比达到25%、缺株距离超过6 m、断带距离超过3 m时，防风固沙能力显著降低。Wang等^［24］研究表明，林带的完整性对防风效果起到了至关重要的作用。曲木子^［25］在黄泛平原研究得出缺株和断带使得风速在这些区域显著增加，进而导致风沙灾害的发生频率和强度增加。Zhao等^［26］指出，林带的连续性与沙土稳定性密切相关，而本研究进一步阐明了林带完整性在不同缺株和断带程度下的合理区间。

本研究也存在一些局限性。首先，风洞试验虽然能够模拟实际环境中的风速变化，但无法完全复制大规模自然环境中的复杂因素，如土壤湿度和植物健康状况等。尽管风洞试验能够提供高度可控的环境条件，但其试验规模和外部环境因素的简化可能会限制结果的普适性。未来的研究可以考虑引入更多的生态因素，并结合野外实地调查进行综合分析。总的来说，研究结果为林带的建设与维护提供了重要的理论依据。在实际应用中，建议在林带建设过程中定期监测林带健康状况，对于已出现缺株和断带的区域，应引起注意，在超过合理范围时及时采取补植和加固措施，确保林带的完整性，从而提高其防风固沙能力。

随着林带缺株数、缺株距离、断带距离的增加，林带的防风效应与固沙效应减弱，具体表现为当林带缺株数量≥5株、缺株距离≥3H、断带距离≥3/2H时，防风效应<25%，固沙效应较完整林带减弱107.42%~291.48%，且近地表固沙效应增加至80%以上。风蚀量和风蚀范围随着林带不完整结构程度增加而增加，当林带缺株数≥5株、林带缺株距离≥3H、林带断带距离≥1H时，风蚀量比完整林带增加超200%，比完整林带增加218.97~749.7 cm³，且风蚀范围占比超过50%。

因此当防风固沙林边界层林带出现林带缺株数量≥5株、缺株距离≥3H、断带距离≥3/2H，即对应野外林带缺株数占比≥25%、缺株距离≥6 m、断带距离≥3 m时，防风效应减弱，风蚀量增加，防风固沙能力减弱，应及时采取补植和加固措施。