植被配置模式对风蚀速率与微地形特征参数关联机制的实验研究

针对植被防风蚀机制中微地形特征与风蚀速率关系不明的科学问题，研究人员通过风洞实验量化了刚性树状模型在交错/方形排列下的风蚀速率与微地形参数。发现交错排列平均风蚀速率比方形低26%-61%，侵蚀坑几何参数（宽度、深度、面积）随风速增大而增加，且与迎风侵蚀距离呈线性关系。该研究首次建立了风蚀速率与微地形高度变化率标准差的正相关关系，为从微地形视角揭示植被防风蚀机制提供了新思路。

　　

在广袤的干旱半干旱地区，风蚀是导致土地退化和沙尘暴频发的关键因素。尽管已知植被能通过改变近地表气流抑制风蚀，但长期以来，植被周围微地形特征参数与风蚀速率的定量关系始终是未解之谜。这种认知空白严重制约了防风林优化设计和生态恢复效果评估。更棘手的是，现有研究多聚焦单一粗糙元（如圆柱体）或仅测量输沙率，缺乏对真实植物形态与微地形动态耦合机制的系统探索。

北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室的Kang Liqiang团队在《Journal of Arid Environments》发表的研究，首次通过高精度风洞实验揭开了这一"黑箱"。研究者选用高7.5cm、冠幅4.5cm的刚性树状模型，在5种风速（9-15 m/s）和3种植被密度（λ=0.7%-2.8%）条件下，对比分析了交错与方形排列对侵蚀坑几何特征和风蚀速率的差异化影响。实验采用激光扫描技术获取亚毫米级微地形数据，结合称重法测定风蚀速率，构建了多参数耦合模型。

关键技术包括：1）采用三维激光扫描仪（精度0.1mm）动态监测微地形演变；2）通过粒子图像测速（PIV）量化近地表流场扰动；3）建立基于侧向覆盖率（λ）的有效风速衰减函数；4）引入侵蚀坑形状因子（长宽比）等5个几何参数进行多元回归分析。

【平均风蚀速率】
数据显示：交错排列的风蚀速率仅为方形排列的0.26-0.61倍，这归因于前者更优的流场重组能力。当λ从0.7%增至2.8%时，风速15m/s下的风蚀速率下降达78%，证实植被密度是关键控制因子。

【微地形特征】
侵蚀坑呈现两种演化模式：局域型（集中于植株迎风侧）和全局型（遍布植株周围）。局域型侵蚀中，坑深与风速呈幂律关系（R²

0.91），而坑面积随迎风侵蚀距离线性增长（斜率0.38-0.62）。

【机制创新】
研究首次发现：微地形高度变化率的标准差（σ_Δh
）与风蚀速率显著正相关（p<0.01）。当σ_Δh
从0.15增至0.45时，风蚀速率提升2.3倍，揭示微地形波动加剧会正反馈促进侵蚀。

该研究突破传统防风蚀研究的单因素范式，提出"植被配置-微地形扰动-风蚀响应"的级联机制模型。实践层面，证实交错排列比传统方形布局更具抗风蚀优势，为干旱区植被恢复提供了量化设计依据。理论层面，建立的σ_Δh
参数化方案，为发展新一代风蚀预测模型奠定了微地形动力学基础。正如作者指出，未来需在自然植被柔性变形、多尺度地形耦合等方面开展更深入探索。