不同地表条件下沙流饱和度的定量关系及其发育条件研究

本研究针对风蚀过程中沙流饱和度(δ)与可蚀颗粒含量(EG)的定量关系不明这一科学问题，通过对比观测流动沙地、农田和戈壁三种地表类型的沙流动态，首次建立了δ与剪切风速(u )及EG的幂函数关系。研究发现当u ≥0.5 m s?1 时流动沙地可实现近饱和沙流(δ≈1)，而农田和戈壁因可蚀颗粒供给不足长期处于非饱和状态。该成果为风蚀模型优化和地表过程研究提供了关键参数。

　　

在广袤的干旱半干旱区，呼啸的风沙不仅是塑造地貌的艺术家，更是制造生态灾难的推手。当风力作用于地表时，沙粒以蠕移、跃移和悬移三种形式运动，形成近地表沙流。这种看似简单的物理过程背后，却隐藏着复杂的科学谜题：为何同样的风力条件下，流动沙地的沙尘暴遮天蔽日，而戈壁地表却只扬起零星沙尘？答案与沙流饱和度(δ)这一关键参数密切相关。

传统理论认为，沙流饱和度取决于地表可蚀颗粒(EG)的供给能力，但这一关系长期停留在定性描述阶段。更棘手的是，不同地表类型（如松散的流动沙地、结块的农田、砾石覆盖的戈壁）的可蚀颗粒含量差异悬殊，导致现有沙粒输运模型在非理想地表上预测误差高达数倍。中国科学院地表过程与灾害风险研究国家重点实验室的张春来团队意识到，破解这个"黑箱"需要建立δ与EG的定量关系，才能准确预测不同地表的实际风蚀强度。

研究人员在《Soil and Tillage Research》发表的研究中，创新性地选取了六处典型观测点（流动沙地SL1/SL2、农田FL1/FL2、戈壁GB1/GB2），通过梯度风速仪测量剪切风速(u_*
)，采用阶梯式沙尘采集器获取垂直沙通量，结合激光粒度仪分析地表沉积物粒径分布。运用Lettau-Lettau模型计算潜在饱和输沙率，将实测输沙率与之比值定义为δ，首次实现了沙流饱和度的量化表征。

Field observation sites
研究区位于中国北方风蚀带，年均风速2.5-4.5 m/s，年降水量不足400mm。流动沙地以细沙为主（d₅₀
=0.25mm），农田含10-15%不可蚀团聚体，戈壁表层砾石覆盖度达60%。

The content of erodible particles in the different surfaces
通过Bagnold起动风速公式计算可蚀粒径上限发现：当u_*
从0.3增至0.7 m s^?1
时，流动沙地EG从78%升至100%，农田仅从35%增至62%，戈壁始终低于40%。这表明戈壁表面"锁住"了大部分细颗粒，形成天然风蚀屏障。

Most sand flow observed in the field was unsaturated
实测数据显示，流动沙地在u
=0.53 m s^?1
时δ达0.92，接近饱和；而农田和戈壁即便在u
=0.8 m s^?1
强风下δ仍低于0.4。这种差异源于地表粗糙度：流动沙地表面动态调整形成"气动光滑面"，而农田垄沟和戈壁砾石产生湍流，分散了风能。

Conclusion
研究揭示δ与u
呈幂函数关系(δ=au
^b
)，与EG呈指数关系。提出饱和临界剪切风速(u_sat
)新概念——当u
≥u_*sat
时可蚀颗粒供给充足，沙流趋近饱和。计算得出流动沙地u_*sat
=0.5 m s^?1
，农田需1.2 m s^?1
，戈壁则需1.5 m s^?1
，这解释了为何后两类地表在常规气象条件下难以形成饱和沙流。

该研究不仅为风蚀模型提供了关键参数化方案，更启示生态工程：通过调控地表粒径组成（如人工戈壁化），可将u_*sat
提升至自然风速难以企及的水平，从而实现"以砂治砂"的生态调控。正如论文通讯作者张春来强调的："这项研究架起了风沙物理学与荒漠化防治的桥梁，为精准预测不同土地利用方式下的风蚀风险提供了理论基石。"