近地表土壤风蚀对不同下垫面因子的响应关系研究

《Water》：Study on the Response Relationship of Near-Surface Soil Wind Erosion to Different Underlying Surface Factors

　　

风-水蚀交错带位于黄河中游地区，是中国典型的生态脆弱区，严重制约了区域生态环境的可持续发展。针对典型风水复合侵蚀区的土壤风蚀问题，本研究选取了来自不同亚区的三个代表性小流域，即六道沟、纸坊沟和哈来斯太沟作为研究对象。通过室内风洞实验，研究了不同下垫面条件下风速、土壤含水量和植被覆盖度对风蚀过程的驱动机制，并比较了三个具有不同土壤背景的典型小流域的近地表土壤风蚀响应。结果表明，当土壤含水量从0.01 g/g增加到0.05 g/g时，六道沟、纸坊沟和哈来斯太沟的起沙临界风速分别增加了5%、10%和5%。采用回归分析建立了各小流域临界起沙风速的经验公式，其中土壤含水量对纸坊沟小流域临界风速的影响最为显著。在恒定风速下，土壤含水量和植被覆盖度的增加能够显著降低风蚀量。在12–18 m/s风速下，风蚀量主要受风速主导，受土壤含水量影响较弱。植被覆盖度的提高能够大幅减轻风蚀强度。此外，土壤含水量和植被覆盖度对近地表输沙具有更显著的抑制作用。三个小流域表现出不同的风蚀响应模式和敏感性特征，表明在风水蚀交错带开展风蚀风险评估和植被恢复规划时，应充分考虑土壤类型和下垫面条件。

论文解读：近地表土壤风蚀对不同下垫面因子的响应关系研究

土壤风蚀是地表土壤及其母质在风力作用下被剥离、搬运和沉积的自然过程，是土地退化的关键过程和初始阶段。在黄河中游的风水侵蚀交错带，风蚀与水蚀及人类活动相互叠加，导致不同小流域的土壤质地、颗粒组成、地表粗糙度和植被覆盖状况差异显著，这些差异可能使土壤临界起沙风速和风蚀量对土壤含水量、植被覆盖度及风速变化的敏感性产生分异。然而，以往的风洞实验和野外观测多集中于单一研究区、单一土壤类型或单一主导因子，对风水蚀交错带不同流域土壤背景下多因子联合效应的对比研究仍不充分。为此，研究人员选取六道沟、纸坊沟和哈来斯太沟三个典型小流域，在统一的风洞实验框架下设置不同土壤含水量、植被覆盖度和风速组合，系统测定不同流域土壤的临界起沙风速和风蚀量，旨在通过跨流域对比揭示不同土壤类型下近地表风蚀对风速、土壤含水量和植被覆盖度综合作用的响应差异，识别不同流域风蚀响应的主控因子和敏感性特征。该论文发表于《Water》。

研究人员采用直流吹气式风洞实验系统开展研究，该系统总长29 m，实验段长12.6 m，截面尺寸2.5 m×1.8 m，风速可在2–30 m/s范围内无级调节。实验土壤采自陕西省神木市六道沟、陕西省延安市安塞区纸坊沟和内蒙古自治区鄂尔多斯市哈来斯太沟。实验设置风速梯度为6、9、12、15、18 m/s，对应蒲福风级4–8级；土壤含水量梯度为0.01、0.03、0.05 g/g；植被覆盖度梯度为0%、20%、40%。共开展144组实验。土壤含水量采用烘干法测定，植被采用轻质高强度塑料制作的人工植被模拟，覆盖度依据植物垂直投影面积占沙盘面积比例确定，并按固定空间格局布设以保证实验可比性。临界起沙风速通过高速相机实时监测颗粒起动状态确定，风蚀量在实验前后称重获得，输沙通量使用距下风向2 m处的集沙仪在0–100 cm高度范围内采集。

在“颗粒起动临界风速对土壤含水量的响应”部分，研究通过模拟实验发现，随着土壤含水量从0.01 g/g增加至0.05 g/g，三个小流域的临界起沙风速均呈上升趋势，其中六道沟在0.01–0.03 g/g区间增加0.2 m/s，0.03–0.05 g/g区间增加0.1 m/s；纸坊沟在0.01–0.03 g/g区间增加0.1 m/s，0.03–0.05 g/g区间增加0.3 m/s；哈来斯太沟每个含水量梯度均增加0.1 m/s。以0.01 g/g含水量为基准，0.05 g/g含水量下六道沟、纸坊沟和哈来斯太沟的临界风速分别增加5%、10%和5%。Pearson相关分析表明，临界起沙风速与土壤含水量呈显著正相关（p < 0.05），与植被覆盖度相关性较弱。回归分析建立了各流域临界起沙风速经验公式，其中纸坊沟的斜率最大（10 m·s^?1·(g/g)^?1），表明其临界风速对土壤含水量变化最敏感。

在“下垫面特征对风蚀量的影响”部分，研究人员分别对三个小流域在不同土壤含水量、风速和植被覆盖度组合下的风蚀量进行了分析。六道沟流域在裸土条件下，风蚀量随风速增加而增大，且随土壤含水量增加而显著降低；随着植被覆盖度提高至20%和40%，风蚀量进一步下降，土壤含水量和植被覆盖度的联合抑制作用更为明显。纸坊沟流域同样表现为风蚀量随风速增大而增加、随含水量和覆盖度增大而减少，其中在40%覆盖度、0.05 g/g含水量条件下，风蚀量较0.01 g/g含水量条件下降29%–74%，表现出较强的水分敏感性。哈来斯太沟流域在高风速下风蚀量绝对值较大，但土壤含水量和植被覆盖度的增加仍能有效削减风蚀量，在40%覆盖度和0.05 g/g含水量条件下，相比0.01 g/g含水量条件风蚀量下降45%–73%。

在“风速、植被覆盖度和土壤含水量对产沙量的三因素方差分析”部分，以产沙量为因变量、研究区为区组因素、风速/植被覆盖度/土壤含水量为固定因素的三因素方差分析显示，研究区、风速、植被覆盖度和土壤含水量对产沙量均有极显著影响（p < 0.001）。风速的F值最大（F = 84.12），是驱动产沙量变化的主导因素。风速与植被覆盖度、风速与土壤含水量之间的交互作用显著（p < 0.05），而植被覆盖度与土壤含水量之间的交互作用不显著（p = 0.915），表明土壤水分和植被对风蚀的抑制作用主要体现为联合抑制，而非稳定的统计交互作用。

在讨论部分，研究人员比较了不同研究点临界起沙风速回归方程的截距和斜率差异。哈来斯太沟截距最高（4.3 m/s），六道沟和纸坊沟均为4.1 m/s，与黄土区粉尘起动风速范围一致。纸坊沟斜率最大，与其较高的黏粒含量和较细的土壤质地有关，含水量增加时颗粒间液桥效应增强，需更大风力克服阻力。哈来斯太沟沙粒含量高、表面粗糙度大，导致其干土临界风速较高。研究还发现，在恒定风速下，土壤含水量通过增强颗粒间内聚力抑制风蚀，当风速从12 m/s增至18 m/s时，气流剥离能力增强，风速成为主导控制因素，而土壤水分的抑制作用相对减弱。植被覆盖度越高，风蚀削减越显著。

研究结论可概括为：土壤含水量是影响临界起沙风速的重要因素，含水量增加提高了颗粒间内聚力，增大起动所需空气动力，其中纸坊沟土壤对含水量变化最敏感；风蚀产沙量受风速、土壤含水量、植被覆盖度和流域土壤背景共同控制，风速为最主导因子，风速与含水量、风速与覆盖度间存在显著交互作用；三个小流域的风蚀响应模式和敏感性特征不同，六道沟土壤水分和植被联合抑制较明显，纸坊沟对含水量最敏感，哈来斯太沟在高风速下风蚀强度更高。因此，风水蚀交错带的风蚀防控应充分考虑不同流域的土壤质地、风速条件和植被覆盖度差异，采取差异化的土壤保水和植被恢复措施。