土壤风蚀 (soil wind erosion) 是指土壤及其母质在风力作用下剥蚀、分选、搬运的过程，其实质是气流或气固两相流对地表物质的吹蚀和磨蚀塑造地表景观的一个基本地貌过程 (吴正，2003)。土壤风蚀不仅是干旱、半干旱地区主要的土地退化过程，而且是导致干旱、半干旱地区土地沙漠化与沙尘暴灾害的首要因素 (Skidmore et al., 1982)。在沙地环境中，地表植被能够有效降低风速、减轻地表风蚀，从而减少地表土壤细微颗粒及养分的损失 (董治宝等，1996；张华等，2002)。植被的这种防风抗蚀生态效应一直是国内外专家学者们关注和研究的焦点 (Mc Tainsh et al., 1998；Wolfe et al., 1993; Bauer et al., 2004; Zobeck et al., 2006)。植被对风蚀的影响直接表现在地表风蚀率的变化上，影响程度主要取决于植被类型及植被盖度、高度、密度等特征。长期以来，由于风蚀过程的复杂性及野外观测难度的局限，以往关于植被影响地表风蚀的研究结果多通过理论推导或风洞模拟实验而获得，且得出了许多风蚀率、摩阻速度及地表粗糙度等随植被特征变化的重要规律 (董光荣等, 1987；Wasson et al., 1986；张春来等，2003)。在我国干旱、半干旱区农牧交错带，研究荒漠生态系统中沙生植被防风抗蚀生态效应的野外观测尚不多见。本研究以地处我国干旱半干旱农牧交错带的乌兰布和沙区为主要研究区域，选择该区域内荒漠生态系统中的5种典型下垫面，以2011年4—6月地表风蚀监测及3次沙尘暴事件的观测数据为依据，探讨乌兰布和沙区不同下垫面条件对地表风蚀输沙量及其高度分布的影响、风蚀物粒度组成与下垫面的关系，分析不同下垫面条件对地表风蚀输沙的影响及风蚀物的运动特性，揭示乌兰布和沙区不同下垫面条件的土壤风蚀特征，为沙区生态恢复与植被建设提供理论支持。

乌兰布和沙区是我国干旱区沙漠化发展严重地区之一，地处我国荒漠草原向草原化荒漠过渡地带，是我国沙尘暴源区之一并位于沙尘暴西北路径上 (李锋，2011；国家林业局等，2009)。沙漠总面积9 082 km²，其中流动沙丘占49.94%，半固定沙丘21.78%，固定沙丘23.41%。在长期干旱多风的气候条件下，地表发育了沙丘链、灌丛沙堆与丘间洼地相间的风沙地貌格局。沙丘与黄河西岸接壤20多km，每年向黄河输沙约7.72×10⁷ kg，占黄河含沙量的37%(杨根生等，2003)。据国家林业局磴口荒漠生态系统定位研究站 (简称磴口站) 气象数据统计 (表 1)，该地区干旱少雨，风大沙多，沙尘暴等灾害性天气频繁。

表 1 磴口生态站1983—2012年各气象因子统计 Tab.1 Statistics of the meteorological factors of 1983-2012 at Desert Ecosystem Research Station of Dengkou

表 1 磴口生态站1983—2012年各气象因子统计 Tab.1 Statistics of the meteorological factors of 1983-2012 at Desert Ecosystem Research Station of Dengkou 年均气温 Annual mean air temperature/℃ 年蒸发量 Annual evaporation/mm 年降水量 Annual precipitation/mm 年均风速 Annual mean wind speed/(m·s-1) 全年风沙日数 Sandstorm days in a year /d 最大风速 Maximum wind speed/(m·s-1) 8.8 2 407.0 105.3 3.7 85 21

试验区域 (地理坐标为40°24'N，106°46'E) 位于我国沙尘暴的西北路径上。2011年4月28—30日我国北方地区经历了当年强度最大、影响范围最广的一次沙尘天气过程，主要受较强冷空气和蒙古气旋影响 (图 1b)。磴口站监测到本次沙尘暴在试验区持续时间为29日2:00至次日1:00，起沙风风向为N-NNW，期间平均风速10.8 m·s^-1，最大风速18.0 m·s^-1；据中央气象台预报 (图 1a)，2011-04-24夜间至26日，受地面气旋及冷空气影响，内蒙古西部、甘肃西部等地的部分地区有扬沙或浮尘天气，局地有沙尘暴。磴口站监测到本次沙尘暴在试验区持续时间为04-24 16：00—25 1：00，起沙风风向为NW-NNW，期间平均风速10.4 m·s^-1，最大风速达13.3 m·s^-1；5月29日的沙尘暴持续时间为10:00—19:00，是一场中等强度的沙尘天气，起沙风风向为WNW-NW，平均风速9.3 m·s^-1，最大13.7 m·s^-1。本文中的沙尘暴持续时间指一日中风速大于8 m·s^-1的时段。图 2分别给出了3次沙尘暴过境期间磴口站监测到的12 m高度处风速变化动态及1.5 m高度处空气温湿度的动态变化，试验期间无降雨，地表干燥。

图 1 全国天气 (降水) 预报 (a)、全国沙尘暴及分布 (b)(来源：中央气象台) Fig.1 National weather forecast (precipitation)(a) and distribution of sand storms (b)(Source: Centeral Meteorological Observatory)

图 2 沙尘暴观测期间试验区气象特征 Fig.2 Meteorological characteristics of the test area during sandstorm observation

在乌兰布和沙区东北缘荒漠－绿洲过渡带，选择该区域代表性植被油蒿 (Artemisia ordosica) 群落、白刺 (Nitraria tangutorum) 群落，分别在油蒿半固定沙丘 (盖度约20%)、白刺半固定沙丘 (盖度约30%)、油蒿固定沙丘 (盖度约40%)、白刺固定沙丘 (盖度约40%) 和流动沙丘设30 m² (5 m×6 m) 试验样地，在样地中沿主风向呈直线布设10根风蚀钎，于2011年4—6月采用插钎法监测5类样地的土壤风蚀状况。根据4—6月测钎读数变化求得这一期间的风蚀深度，再由4—6月起沙风占年起沙风的比例 (刘芳等，2014)，推算2011年全年的风蚀深度。并于大风或沙尘暴天气运用立式积沙仪收集0~100 cm的风沙流流量。积沙仪底部与地面齐平，进沙口50层，积沙盒进沙口宽和高均为2 cm，可监测0~100 cm的地表风蚀输沙量，10 min取样1次。风速采用多通道自记风速梯度测定系统同步测定，每1 min记录1次风速。将收集到的风蚀物分层称重并用DLY2000光电颗粒分析仪进行粒度分析。

输沙率是指风沙流在单位时间内通过单位宽度或单位面积的风蚀物质量，是衡量沙区沙害程度的主要指标之一，也是治沙工程设计的主要依据 (吴正，2003；朱震达等，1980)，其与风速拟合关系式为：

式中：Q _0-100为输沙率 (g·cm^-1min^-1)，v为2 m高度处风速 (m·s^-1)，a，b为系数。

而将输沙率随高度变化进行拟合的关系式为：

式中：Q为输沙率，H为高度，c，d为系数。

油蒿群落与白刺群落是乌兰布和沙区东北缘荒漠－绿洲过渡带天然分布最广的植被类型，在长期的植被演替与水分利用竞争过程中，形成了植被盖度不一的半固定、固定沙地。本试验选取的5个观测点下垫面的基本特征如表 2所示，地表土壤主要由粒径为250~50 μm的细沙和极细沙构成。

表 2 观测点下垫面基本特征 Tab.2 Features of measured underlying surface

表 2 观测点下垫面基本特征 Tab.2 Features of measured underlying surface 下垫面类型 Underlying surface type 地表性质及 地表植被条件 Surface properties and vegetation conditions 地表土壤粒度分级Surface soil particle size grading (%) 1 000~ 500 μm 500~ 250 μm 250~ 100 μm 100~ 50 μm 50~ 25 μm 25~ 10 μm 10~5 μm 流动沙丘 Mobile sand dunes 流沙，垄状沙丘高7.5 m，无植被，观测点在沙丘顶部。Quicksand, 7.5 m high ridge of sand dunes, without vegetation, observation point on the top of the sand dunes. 1.3 12.2 42.6 31.7 2.9 1.7 7.7 油蒿半固定 Semi-fixed dunes of A. ordosica 地势平坦，表土松散，几乎无结皮。生长有油蒿群落，灌丛平均高33 cm, 植被盖度20%。Flat, surface soil loose, almost without a crust. There is A. ordosica community, brush an average of 33 cm high, vegetation coverage was 20%. 0.5 1.9 53.2 33.7 3.2 1.6 5.9 白刺半固定 Semi-fixed dunes of N. tangutorum 白刺沙包高0.75 m，有少量结皮。灌丛高23 cm，植被盖度30%。The N. tangutorum sandbags 0.75 m high, there is a small amount of crust. Brush 23 cm high, vegetation coverage was 30%. 1.5 7.5 64.7 16.3 1.3 1.1 7.6 油蒿固定 Fixed sand dunes of A. ordosica 沙丘缓起伏，地表有结皮。油蒿灌丛高42 cm，植被盖度40%。Dune slowly rolling, the surface crust. A. ordosica brush 42 cm tall, vegetation coverage was 40%. 2.0 10.9 61.7 19.3 1.3 0.9 3.9 白刺固定 Fixed sand dunes of N. tangutorum 白刺沙包缓起伏，地表有结皮。灌丛高30 cm，植被盖度40%。The N. tangutorum sandbags slow rise and fall, the earth’s surface crust. Brush 30 cm high, vegetation coverage was 40%. 0.5 4.9 70.3 11.5 1.0 1.5 10.3

当地土壤风蚀主要发生在冬春季节，以春季4—6月风蚀危害最为强烈。由表 3可知，5种样地4—6月土壤风蚀深度的大小顺序：流动沙丘>油蒿半固定沙丘>白刺半固定沙丘>油蒿固定沙丘>白刺固定沙丘，随着植被盖度的增加，土壤风蚀显著减少。盖度为40%的油蒿、白刺群落地表土壤风蚀深度仅为流动沙丘同期土壤风蚀深度的1.73%~1.52%。

表 3 不同下垫面土壤风蚀量 (4—6月) Tab.3 Soil wind erosion quantity of different underlying surfaces from April to June

表 3 不同下垫面土壤风蚀量 (4—6月) Tab.3 Soil wind erosion quantity of different underlying surfaces from April to June 样地类型Sample types 插钎点风蚀深度Wind erosion thickness of inserted point/cm 平均风蚀深度 Average wind erosion thickness/cm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 流动沙丘 Mobile sand dunes 19.27 29.9 36.35 35.55 27.98 27.07 24.16 23.38 19.83 21.91 26.540 油蒿半固定沙丘 Semi-fixed dunes of A. ordosica 1.78 1.58 1.53 1.21 1.06 0.87 0.85 0.83 0.80 0.66 1.117 白刺半固定沙丘 Semi-fixed dunes of N. tangutorum 1.85 1.76 1.15 0.99 0.78 0.72 0.61 0.55 0.54 0.32 0.927 油蒿固定沙丘 Fixed sand dunes of A. ordosica 1.15 0.99 0.72 0.54 0.22 0.09 0.04 0.31 0.28 0.26 0.460 白刺固定沙丘 Fixed sand dunes of N. tangutorum 0.20 0.22 0.30 0.30 0.33 0.33 0.40 0.54 0.66 0.77 0.405

2011年4—6月起沙风持续时间占年起沙风持续时间的48.14%(刘芳，2014)。可估算得流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年风蚀深度分别为：55.131，2.123，0.898 cm。

野外实测数据显示 (图 3)，当风速达到4.1 m·s^-1时，流动沙丘表面可观察到沙粒的蠕动，当风速达到5.1 m·s^-1时积沙仪可收集到沙物质。而有植被覆盖的样地起沙风速明显增大，油蒿半固定沙丘、白刺半固定沙丘、油蒿固定沙丘、白刺固定沙丘，风速分别达到6.3，6.5，6.8，7.9 m·s^-1时才有风蚀发生。图 3表明，流动、半固定和固定沙丘的风蚀输沙率均随风速增大呈幂函数规律递增，R²>0.90。流动沙丘输沙率随风速增大而增加，但当风速＜7.1 m·s^-1的范围内增大较缓，在>7.1 m·s^-1的范围内增大加快，说明气流搬运的沙量随风速增大而急剧增加。

图 3 不同下垫面风蚀输沙率与风速关系 Fig.3 The relationship between different underlying surface of sand transport rate and wind speed

对0~100 cm垂直输沙断面各层沙物质的粒度进行分析，结果表明：不论哪种下垫面类型，各高度层风蚀物的粒度组成均服从单峰态分布特征 (图 4)，其峰值范围均处在250~100 μm之间，0~20 cm高度层峰值与其余各层的峰值范围差异明显且趋向粒径变大方向。在0~100 cm高度范围内，风蚀物各粒级含量中的中沙级组分含量减少，粉沙及黏土组分含量增加，即随着高度增加，极细沙粒度构成比例在自下而上的垂向变化过程中呈递增趋势，中沙粒度构成比例则在自下而上的垂向变化过程中呈递减趋势，风蚀物粒径随高度增加变细。

图 4 各高度层风蚀物粒度组成特征 Fig.4 Each level sand grain size of material characteristics

由图 5可知，固定沙丘平均粒径由130.6 μm减少至103.4 μm。半固定沙丘由173.5 μm减少至96.8 μm，流动沙丘由212.9 μm减少至91.3 μm。在0~100 cm垂直输沙断面上，无论是风蚀物粒径范围, 还是平均粒径，均随高度增加呈明显的递减趋势，且风沙流中沙粒的平均粒径趋向更细。这表明在同一风速条件下，气流上升的举力不足以把较大的沙粒带到较高层，但可把质量较小的颗粒运送到较高层。

图 5 风蚀物粒径的垂直分布 Fig.5 Vertical distribution of average particle size

对乌兰布和沙区5种类型沙丘实测风蚀输沙数据统计分析 (表 4) 表明：在0~100 cm垂直输沙断面上，不论是哪种下垫面类型，输沙量百分比随高度增加呈下降趋势，风蚀物主要集中于贴地层0~4 cm高度内，0~10 cm高度层输沙量占总输沙量的42.8%~70.7%，67.6%~90.0%的输沙量分布于0~30 cm高度层。

表 4 不同下垫面输沙率随高度的分布 Tab.4 Sand transport rate at different underlying surface with height

表 4 不同下垫面输沙率随高度的分布 Tab.4 Sand transport rate at different underlying surface with height g·cm-1min-1 下垫面类型 Different wind erosion surface 高度Height/cm 合计 Total 0~2 2~4 4~10 10~20 20~30 30~40 40~50 50~60 60~70 70~80 80~90 90~100 流动沙丘 Mobile sand dunes 0.847 0.839 1.455 0.670 0.186 0.110 0.085 0.052 0.043 0.045 0.048 0.065 4.444 油蒿半固定 Semi-fixed dunes of A. ordosica 0.541 0.287 0.358 0.191 0.095 0.066 0.055 0.042 0.038 0.034 0.031 0.032 1.770 白刺半固定 Semi-fixed dunes of N. tangutorum 0.099 0.065 0.068 0.041 0.025 0.028 0.018 0.012 0.017 0.012 0.018 0.019 0.422 油蒿固定 Fixed sand dunes of A.ordosica 0.067 0.037 0.044 0.049 0.037 0.026 0.021 0.015 0.013 0.012 0.012 0.014 0.347 白刺固定 Fixed sand dunes of N. tangutorum 0.097 0.056 0.062 0.038 0.023 0.020 0.020 0.008 0.007 0.007 0.007 0.006 0.351

对输沙率沿高度变化进行拟合 (图 6)，可看出输沙率随高度增加呈幂函数衰减，相关系数R²均在0.84以上，相关性较好。将油蒿、白剌固定沙丘输沙量百分比沿高度的变化与流动沙丘输沙量百分比对比得出：由于植被盖度的增大，2种沙丘输沙量百分比在贴地层变小，0~10 cm高度层相对输沙量分别比流动沙丘0~10 cm输沙量百分比减少27.9%和15.6%，下降到总输沙量的42.8%和55.1%，这主要是由于地表植被改变了下垫面状况，显著地增大了地表粗糙度，改变了风力作用强度，增大了地表剪切力，降低了风沙流的挟沙能力，使贴地层的相对输沙量减少，导致风沙流结构变异。

图 6 乌兰布和沙区地表风沙流结构 (100 cm高度) Fig.6 Sand flow structure on sand surface in Ulanbuh Desert (H=100 cm)

选择12.3，11，9.7，7.9 m·s^-1风速条件下各沙丘输沙率对比分析 (表 5)：植被盖度为20%的油蒿半固定沙丘、盖度为30%的白刺半固定沙丘、盖度为40%的油蒿固定沙丘和白刺固定沙丘输沙率均值分别为2.553，0.786，0.433，0.358 g·cm^-1min^-1，仅是流动沙丘输沙率均值的36.6%，11.3%，6.6%，5.1%。可见，当植被盖度达到40%以上时，下垫面风蚀输沙不及无植被覆盖地段输沙的6.6%，地表风蚀被有效阻止。

表 5 不同类型沙丘输沙率 (100 cm高度) Tab.5 The sand transport rate of different types of dune (height 100 cm)

表 5 不同类型沙丘输沙率 (100 cm高度) Tab.5 The sand transport rate of different types of dune (height 100 cm) g·cm-1min-1 风速 Wind speed/ (m·s-1) 流动沙丘 Mobile sand dunes (0)① 半固定沙丘Semi-fixed dunes 固定沙丘Fixed sand dunes 油蒿A. ordosica (20%) 白刺N. tangutorum (30%) 油蒿A. ordosica (40%) 白刺N. tangutorum (40%) 12.3 14.991 4.895 2.217 1.016 0.193 11.0 6.993 4.391 0.653 0.582 0.276 9.7 4.884 1.486 0.513 0.310 0.341 9.3 4.598 1.278 0.325 0.181 0.439 7.9 3.449 0.717 0.224 0.077 0.540 输沙率均值Average STR (sand transport rate) 6.983 2.553 0.786 0.433 0.358 输沙率比值 STR ratio② — 0.366 0.113 0.062 0.051  ① 括号内为盖度Value in bracket is vegetation coverage. ② 半固定、固定沙丘与流动沙丘输沙率均质之比Average STR ratio of semi-fixed or fixed dunes to mobiledunes.

土壤风蚀是干旱、半干旱地区土地沙漠化与沙尘暴灾害的首要因素，也是干旱、半干旱地区主要的土地退化过程。相关研究表明，随着植被盖度的增加，下垫面土壤临界侵蚀风速相应增大，植被覆盖显著改变沙粒的起动风速，使地表风蚀输沙显著减少。张华等 (2004)在科尔沁沙地研究表明，风沙活动期的输沙量 (Q) 与同期植被盖度 (VC) 间的最佳非线性回归关系式为Q=3.93+93.66e^-0.60VC。高尚玉等 (2008)对京津风沙源区研究表明，临界侵蚀风速与植被盖度的关系表现为U₀=a+b·exp (VC/c)，其中，U₀为临界侵蚀风速 (m·s^-1)，VC为植被盖度 (%)，a, b, c为系数；本研究得出，盖度为40%的油蒿、白刺群落土壤风蚀深度仅为流动沙丘同期土壤风蚀深度的1.73%~1.52%，0~100 cm垂直输沙断面上的输沙率仅为流动沙丘输沙率的6.6%~5.1%，估算得流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年风蚀深度分别为：55.131，2.123，0.898 cm。与高君亮等 (2009)推算的乌兰布和沙漠流动沙地、半固定沙地和固定沙地年输沙率的平均比例为1:0.429:0.054相符，而与其估算的年风蚀深度 (流动沙丘9.059 cm、半固定沙地3.737 cm、固定沙地0.493 cm) 差异较大，主要是由于他们在测算风蚀量时没有考虑风向问题，导致估算结果偏大，而风蚀钎法测得的风蚀深度更贴近野外实际风蚀情况。更准确的结果应使用长时段的实测数据分析。

风蚀物粒径组成不但表征了下垫面土壤性质或颗粒所受外力作用的强弱，而且和风沙搬运量的大小以及搬运方式也有密切关系。乌兰布和沙区荒漠－绿洲过渡带5种下垫面条件的风蚀物主要由粒径为250~50 μm的细沙和极细沙构成。风蚀物含量垂直分布遵循幂函数 (Q=a H^-b) 规律衰减，在0~100 cm垂直输沙断面上，各高度层风蚀物的粒度组成均服从单峰态分布特征，其峰值范围均处在250~100 μm之间，风蚀物粒径范围、平均粒径随高度增加呈明显的递减趋势，风蚀物粒径随高度增加变细。0~20 cm高度层峰值与其余各层的峰值范围差异明显且趋向粒径变大方向，这主要是受跃移颗粒的影响，随着高度增加, 跃移质含量急剧降低, 使风蚀物粒径快速减小，表明在同等条件下，沙粒的直径越小跳跃的高度越大。认识荒漠生态系统地表土壤的风蚀特征及植被降解风蚀输沙规律，对进一步研究荒漠生态系统不同下垫面释尘对大气环境的影响有重要意义。

随着植被盖度的增加，土壤风蚀程度显著减轻，流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘年风蚀深度依次降低。在荒漠生态系统中，植物群落主要通过覆盖地表、提高下垫面的粗糙度和拦截沙粒的运动来缓解气流对地表的侵蚀作用。因此，在防沙治沙工程实施过程中，要充分考虑和利用植被防风抗蚀的生态效应。