В засушливых агроэкосистемах лесозащитные полосы на сельскохозяйственных угодьях широко используются в качестве зеленой инфраструктуры для смягчения воздействия сильных ветров. Ослабляя приземные ветры, они сдерживают ветровую эрозию, смягчают микроклимат полей и могут повысить урожайность. Поэтому совершенствование конструкции лесозащитных полос является междисциплинарной проблемой, охватывающей экологическую инженерию, микрометеорологию и устойчивое сельское хозяйство. Правильная лесозащитная полоса увеличивает урожайность до 25 процентов.
Сельское хозяйство в засушливых и полузасушливых регионах, занимающих значительную часть земной поверхности и являющихся домом для сотен миллионов людей, сталкивается с целым рядом серьезных и взаимосвязанных проблем.
Эти среды по своей природе характеризуются нехваткой воды, высокими температурами, низким и нерегулярным количеством осадков, а также частыми и сильными ветрами. Такие климатические условия в совокупности создают ландшафт крайней уязвимости, где эрозия почвы как ветром, так и водой представляет собой постоянную угрозу самой основе сельского хозяйства — верхнему слою почвы.
Одновременно с этим, скорость испарения, вызванного ветром, может значительно превышать количество осадков, что приводит к сильному физиологическому стрессу для сельскохозяйственных культур и значительным потерям урожая. Кроме того, неумолимая сила ветра может наносить физический ущерб молодым саженцам, истирать растительные ткани и способствовать высыханию поверхности почвы.
Надвигающаяся угроза изменения климата, проявляющаяся в усилении климатической изменчивости, более частых и сильных засухах и процессах опустынивания, усугубляет эти существующие проблемы, доводя традиционные сельскохозяйственные системы до предела их возможностей и угрожая глобальной продовольственной безопасности. В условиях этих вызовов разработка и внедрение устойчивых и жизнеспособных методов ведения сельского хозяйства являются не просто выгодными, но и абсолютно необходимыми для выживания общин и стабильности экосистем на этих землях.
Среди множества доступных агроэкологических стратегий создание защитных лесополос (также часто называемых ветрозащитными полосами) стало одним из наиболее проверенных временем, эффективных и многофункциональных решений для изменения микроклимата сельскохозяйственных полей и смягчения неблагоприятных последствий суровых засушливых условий.
Роль защитных лесополос как краеугольного камня агроэкологической инженерии в засушливых зонах невозможно переоценить. По сути, защитная лесополоса представляет собой барьер из деревьев и кустарников, стратегически высаженных для снижения скорости ветра и изменения микроклиматических условий в ее подветренной и наветренной областях. Перехватывая и отклоняя преобладающие ветры, хорошо спроектированная защитная лесополоса создает зону пониженной скорости ветра, что приводит к каскаду благоприятных эффектов.
В новом обзоре исследователи из Синьцзянского института экологии и географии (XIEF) Китайской академии наук обобщили имеющиеся данные и предложили многоцелевую оптимизационную модель для проектирования ветрозащитные системы для сельскохозяйственных угодий, которые могут лучше поддерживать сельское хозяйство в засушливых регионах.
В обзоре, опубликованном в журнале Agricultural Systems, подчеркивается, что ветрозащитные полосы функционируют как зеленая, аэродинамическая инфраструктура, которая снижает ветровую эрозию, смягчает суровый микроклимат и стабилизирует системы земледелия в засушливых регионах.
Исследователи подчеркнули, что ключевые конструктивные характеристики, особенно оптическая пористость, высота и ширина полосы, ориентация относительно преобладающих ветров, стратификация и видовой состав, существенно влияют на ослабление ветра и обеспечивают преимущества в полевых условиях.
Способность защитной лесополосы приносить эти преимущества не является простым результатом «да» или «нет», зависящим от её наличия; вместо этого её эффективность в значительной степени и зачастую незаметно контролируется её физической и биологической структурой.
В науке о защитных лесополосах «структура» — это многомерное понятие, включающее в себя несколько измеримых атрибутов, определяющих её функцию. Среди них высота самых высоких деревьев является доминирующим параметром, поскольку она в значительной степени определяет, насколько далеко защищённая зона простирается по ветру, что обычно выражается как кратное высоте (height, например, 10H или 20H в подветренном направлении.
Не менее важным и часто считающимся наиболее критическим фактором является плотность или пористость — доля твердых элементов растительности относительно общей площади, если рассматривать защитную полосу перпендикулярно потоку ветра. Пористость контролирует как величину снижения скорости ветра, так и результирующий режим воздушного потока, определяя, рассеивается ли энергия ветра внутри полосы за счет сопротивления и трения или резко перенаправляется на полог леса.
Дополнительные структурные компоненты включают ширину полосы (часто отражаемую количеством рядов деревьев и кустарников), видовой состав (например, лиственные или хвойные; местные или интродуцированные виды) и вертикальную стратификацию (однородный полог или слоистые древесно-кустарниковые системы), все из которых влияют на стабильность защитной полосы и аэродинамическое сопротивление.
Помимо характеристик растительности, геометрическая конфигурация также играет важную роль в структуре, включая ориентацию лесополос относительно преобладающих эрозионных ветров и более широкое расположение ландшафта (например, отдельные полосы или соединенные сети или сетчатые системы). В конечном итоге, именно взаимодействие между этими структурными элементами определяет аэродинамическое поведение лесополос, формируя как масштабы, так и пространственную картину микроклиматических изменений и, в свою очередь, общую агроэкологическую эффективность лесополосных систем.
Данные наблюдений и моделирования показывают, что средняя пористость (≈30–50%) наиболее эффективно снижает воздействие ветра, сохраняя при этом широкую защищенную зону, обычно достигающую ~20–30 H по направлению ветра (H = высота полосы). Многорядные и смешанные по видам полосы, как правило, обеспечивают более эффективный контроль эрозии и более стабильное регулирование микроклимата, чем простые однорядные конструкции. В защищенных зонах испарение часто на 10–30% ниже, влажность выше, а температура менее экстремальна, что повышает водоэффективность сельскохозяйственных культур и обычно связано с увеличением урожайности примерно на 10–25%.
Исследователи предложили использовать многоцелевую оптимизацию на основе принципа Парето вместо одного критерия ветроустойчивости. Такой подход направлен на поиск «наилучшего компромисса», учитывающего одновременно защиту от ветра, ограничения в использовании воды, преимущества для биоразнообразия и экономическую целесообразность.
Неоптимизированная защитная лесополоса, например, слишком густая, может создавать чрезмерную турбулентность или слишком большую зону тени и корневой конкуренции, что негативно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур, расположенных непосредственно по направлению ветра.
И наоборот, слишком редкая защитная полоса может обеспечить недостаточную защиту, не принеся ожидаемых результатов и, следовательно, не обеспечив низкой окупаемости инвестиций. Поэтому главная задача смещается от простой посадки защитных полос к их проектированию с оптимизированной структурой, которая обеспечивает критически важный баланс между максимизацией экологических преимуществ (контроль эрозии, улучшение микроклимата, биоразнообразие) и минимизацией связанных с этим затрат, таких как использование земли и воды, конкуренция.
В целях адаптации к изменению климата в обзоре рекомендуется интегрировать выбор засухоустойчивых видов с дистанционным зондированием, мониторингом с помощью географических информационных систем (ГИС) и передовыми инструментами поддержки принятия решений, основанными на вычислительной гидродинамике (CFD) и искусственном интеллекте (ИИ). В обзоре подчеркивается важность локально откалиброванных правил проектирования, отражающих региональные климатические, почвенные и водные ограничения, для обеспечения долгосрочной устойчивости.
Источник: Chinese Academy of Sciences. Автор: Чжан Наньнань.
На графике: высота защитной лесополосы определяет пространственную протяженность влияния микроклимата. Источник: XIEG.