苔藓结皮对土壤风蚀影响的风洞试验和模拟

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00039

摘要/Abstract

摘要：

生物结皮在干旱半干旱地区土壤风蚀防控中发挥着重要作用。明确生物结皮对土壤风蚀的影响，对量化风蚀预报模型中的生物结皮因子、提高模型预测风蚀的准确性和可靠性具有重要意义。本研究以苔藓结皮为例，对比了风洞试验和单次事件风蚀评估模型（SWEEP）模拟的风蚀速率与输沙率的差异，分析了苔藓结皮盖度和空间分布对土壤风蚀的影响。结果表明：（1）风蚀速率和输沙率均随结皮盖度的增加而减小，尤其是在较大风速下（15 m·s^-1），当结皮盖度从10%增加到80%时，风洞试验的平均风蚀速率和输沙率分别减小了98.3%和99.3%，SWEEP模拟的结果分别减小了93.2%和78.9%。（2）相同结皮盖度下，苔藓结皮分布于上风向区域时土壤风蚀速率和输沙率最小，斑块状分布次之，分布于下风向区域时最大。（3）对比风洞试验和SWEEP模拟结果，不同结皮盖度下SWEEP模拟的风蚀速率和输沙率大多显著（P<0.05）高于风洞试验结果。未来的研究应在风蚀预报模型中构建生物结皮因子影响风蚀速率的定量表达，以提高模型预报风蚀的准确性。

关键词: 风洞试验, SWEEP, 苔藓结皮, 风蚀速率, 近地表输沙率

Abstract:

Biological soil crusts （biocrusts） play an important role in wind erosion control in arid and semiarid regions. It is of great significance to clarify the influence of biocrusts on soil wind erosion and to quantify biocrust factors in wind erosion prediction models to improve the accuracy and reliability of wind erosion prediction. This study analyzed differences in wind erosion and sediment transport rates when affected by the coverage and spatial distribution of moss crust by combining wind tunnel experiments and SWEEP simulations. The results showed that：（1） Both the wind erosion and sediment transport rates decreased with increasing crust coverage， particularly at high wind speeds （15 m·s^-1）. The average wind erosion and sediment transport rates decreased by 98.3% and 99.3%， respectively， in wind tunnel experiments when crust coverage increased from 10% to 80%， while they decreased by 93.2% and 78.9%， respectively， according to the SWEEP simulation. （2） The wind erosion and sediment transport rates were relatively low when moss crusts were distributed in the upwind area of the experimental trays， followed by patchily distributed moss crusts， while they were the most severe when moss crusts were located in the downwind area under conditions of the same crust coverage. （3） Compared with the results of wind tunnel experiments and SWEEP simulations， the wind erosion and sediment transport rates based on the SWEEP simulation under different crust coverages were significantly （P<0.05） larger compared to those based on the wind tunnel experiments. In order to improve the accuracy of wind erosion prediction models， a quantitative expression of the effect of biocrust factors on wind erosion rates should be constructed in future research.

Key words: wind tunnel experiment, single-event wind erosion evaluation program, moss crust, wind erosion rate, near-surface sediment transport rate

中图分类号:

S157

马亚莉, 王祉铎, 张加琼, 徐育梭, 李元元. 苔藓结皮对土壤风蚀影响的风洞试验和模拟[J]. 中国沙漠, 2023, 43(5): 97-107.

Yali Ma, Zhiduo Wang, Jiaqiong Zhang, Yusuo Xu, Yuanyuan Li. Effect of moss crust coverage and spatial distribution on soil wind erosion using wind tunnel experiments and simulations[J]. Journal of Desert Research, 2023, 43(5): 97-107.

图/表 12

表1 常用风蚀模型中结皮因子的算法

Table 1 Algorithms of crust factors in common used wind erosion models

S C F = 1 1 + 0.0066 C l 2 + 0.021 O M 2

Cl：黏粒含量/%；OM：有机质含量/%

WEPS^[22-23]

结皮厚度/mm： $Z c r = A c r P + B c r P 0.5, ? P < 200 ?$

结皮盖度（m²·m^-2）： $F c r = 0.36 + 0.0024 P, ? P > 10$

结皮密度/（mg·m^-3）： $D c r = 0.576 + 0.603 D b k o$

结皮稳定性/（ln（J·kg^-1））： $S c r = S a g$

结皮表面松散可蚀性物质质量/（kg·m^-2）：

$S l o s = 0.1 e x p - 0.57 + 0.22 F s a F c l + 7.0 ? F c c e - F o m$

土块、结皮或石块的覆盖比例：

$F c v = 1 - F c r 1 - F 84 + F c r - F l o s ? 1 - V r o c + V r o c$

A_cr、B_cr：经验系数；P：融雪、喷灌和降雨量/mm；D_bko：土壤容重/（mg·m^-3）；S_ag：团聚体稳定性/（ln（J·kg^-1））；F_sa：砂粒含量/（kg·kg^-1）；F_cl：黏粒含量/（kg·kg^-1）；F_cce：碳酸钙当量/（kg·kg^-1）；F_om：有机质含量/（kg·kg^-1）；F_los：结皮表面松散可蚀性物质比例/（m²·m^-2）；V_roc：粒径>2.0 mm土壤的体积比例/（m³·m^-3）；F₈₄：无结皮覆盖区域直径<0.84 mm团聚体的覆盖比例/（m²·m^-2）

表1 常用风蚀模型中结皮因子的算法

Table 1 Algorithms of crust factors in common used wind erosion models

模型

结皮因子算法

参数含义

RWEQ^[21]

S C F = 1 1 + 0.0066 C l 2 + 0.021 O M 2

Cl：黏粒含量/%；OM：有机质含量/%

WEPS^[22-23]

结皮厚度/mm： $Z c r = A c r P + B c r P 0.5, ? P < 200 ?$

结皮盖度（m²·m^-2）： $F c r = 0.36 + 0.0024 P, ? P > 10$

结皮密度/（mg·m^-3）： $D c r = 0.576 + 0.603 D b k o$

结皮稳定性/（ln（J·kg^-1））： $S c r = S a g$

结皮表面松散可蚀性物质质量/（kg·m^-2）：

$S l o s = 0.1 e x p - 0.57 + 0.22 F s a F c l + 7.0 ? F c c e - F o m$

土块、结皮或石块的覆盖比例：

$F c v = 1 - F c r 1 - F 84 + F c r - F l o s ? 1 - V r o c + V r o c$

图1 采样点位置（A）、周边环境条件（B）及苔藓结皮形态（C）

Fig.1 Sampling location （A）， surrounding environmental conditions （B） and morphology of the moss crust（C）

图2 苔藓结皮盖度和空间分布

Fig.2 Moss crust coverage and spatial distribution

图3 风洞结构示意图

Fig.3 Wind tunnel structure

表2 SWEEP模型输入参数

Table 2 Input parameters to run SWEEP

界面	参数	参数设置或算法
地块	长/m、宽/m、方向/(°)	1、1、0
土壤性质	土壤层数	1	2
	土层厚度/mm	10	90
	砂粒含量/（mg·mg^-1）	0.75	0.77
	细粉砂含量/（mg·mg^-1）	0.14	0.14
	粉粒含量/（mg·mg^-1）	0.21	0.2
	黏粒含量/（mg·mg^-1）	0.04	0.03
	石块体积含量/（m³·m^-3）	0	0
	干容重/（g·cm^-3）	1.52	1.52
	平均团聚体密度/（mg·m^-3）	0.61	0.61
	平均干团聚体稳定性/（ln（J·kg^-1））	0.11	0.11
	团聚体几何平均直径/mm	0.04	0.04
	团聚体几何标准偏差/（mm·mm^-1）	1.01	1.01
	最小和最大团聚体尺寸/mm	0.02、1.01	0.02、1.01
	凋萎系数/（mg·mg^-1）	0.03	0.03
土壤表面状态	结皮盖度/（m²·m^-2）	0、0.1、0.3、0.5、0.8
	结皮厚度/mm	8
	结皮表面疏松物质的比例/（m²·m^-2）和质量/（kg·m^-2）	0、0
	结皮密度/（g·cm^-3）	0.6
	结皮稳定性/（ln（J·kg^-1））	1
	随机粗糙度/mm	7
	小时地表含水量/（mg·mg^-1）	0.02
气候	空气密度/（kg·m^-3）	1.16
	风速测定高度/m	0.6
	风速测定点空气动力学粗糙度/mm	25
	运行时间间隔/min	20

图4 不同风速下苔藓结皮盖度对输沙率和输沙高度的影响

Fig.4 Effect of moss crust coverage on sediment transport rates and heights at different wind speeds

图5 SWEEP模拟与风洞试验的输沙率差异

Fig.5 Sediment transport rate differences between SWEEP simulation and wind tunnel experiment

表3 不同风速条件下风蚀速率随苔藓结皮盖度的变化

Table 3 Variation of wind erosion rates with change of moss crust coverage at different wind speeds

风速 /（m·s^-1）	试验方法	拟合关系	R²
11	SWEEP模拟	y=-1.922x+129.95	0.791
11	风洞试验	y=-0.017x+1.61	0.763
13	SWEEP模拟	y=-3.766x+281.98	0.949
13	风洞试验	y =-0.424x+29.92	0.835
15	SWEEP模拟	y =-4.710x+381.72	0.982
15	风洞试验	y =-3.906x+288.52	0.847

图6 SWEEP模拟与风洞试验的风蚀速率差异

Fig.6 Wind erosion rate differences between SWEEP simulation and wind tunnel experiment

图7 不同苔藓结皮盖度下结皮空间分布对输沙率的影响（不同字母表示同一风速下不同结皮空间分布差异显著（P<0.05））

Fig.7 Effect of crust spatial distribution on sediment transport rates under different moss crust coverage （Different letters indicate significant differences between different crust spatial distribution in the same wind speed （P<0.05））

图8 不同苔藓结皮盖度下结皮空间分布对风蚀速率的影响（不同字母表示同一风速下不同结皮空间分布差异显著（P<0.05））

Fig.8 Effect of crust spatial distribution on wind erosion rates under different moss crust coverage （Different letters indicate significant differences between different crust spatial distribution in the same wind speed （P<0.05））

表4 基于方差分析的各因子对风蚀速率和近地表输沙率影响的显著性及贡献率

Table 4 Significance and percentage contribution of factors' effects on wind erosion rate and near-surface sediment transport rate based on ANOVA

变量	因子	自由度	均方差	F值	显著性	贡献率/%
风蚀速率	风速	2	108 619	1 949 441	0.000	29.7
	结皮盖度	3	39 668	711 945	0.000	16.3
	结皮空间分布	2	18 492	331 889	0.000	5.1
	风速×结皮盖度	6	28 898	518648	0.000	23.7
	风速×结皮空间分布	4	18 172	326 142	0.000	9.9
	结皮盖度×结皮空间分布	6	6 625	118 903	0.000	5.4
	风速×结皮盖度×结皮空间分布	12	6 013	107 923	0.000	9.9
	误差	36	0.056			0.0005
近地表输沙率	风速	2	33 150	4 959 520	0.000	20.6
	结皮盖度	3	11 730	1 754 886	0.000	10.9
	结皮空间分布	2	12 285	1 838 017	0.000	7.6
	风速×结皮盖度	6	11 250	1 683 172	0.000	21.0
	风速×结皮空间分布	4	12 348	1 847 442	0.000	15.3
	结皮盖度×结皮空间分布	6	4 463	667 710	0.000	8.3
	风速×结皮盖度×结皮空间分布	12	4 355	651 489	0.000	16.2
	误差	36	0.007			0.0002

参考文献 49

1	张春来，宋长青，王振亭，等.土壤风蚀过程研究回顾与展望［J］.地球科学进展，2018，33（1）：27-41.
2	王旭洋，郭中领，常春平，等.中国北方农牧交错带土壤风蚀时空分布［J］.中国沙漠，2020，40（1）：12-22.
3	余沛东，陈银萍，李玉强，等.植被盖度对沙丘风沙流结构及风蚀量的影响［J］.中国沙漠，2019，39（5）：29-36.
4	张丙昌，武志芳，李彬.黄土高原生物土壤结皮研究进展与展望［J］.土壤学报，2021，58（5）：1123-1131.
5	李新荣，张元明，赵允格.生物土壤结皮研究：进展、前沿与展望［J］.地球科学进展，2009，24（1）：11-24.
6	包艳丽，刘左军.生物土壤结皮的研究进展［J］.安徽农业科学，2011，39（8）：4667-4668.
7	马月存，陈源泉，隋鹏，等.土壤风蚀影响因子与防治技术［J］.生态学杂志，2006，25（11）：1390-1394.
8	王雪芹，张元明，张伟民，等.古尔班通古特沙漠生物结皮对地表风蚀作用影响的风洞实验［J］.冰川冻土，2004，26（5）：632-638.
9	毛旭芮，杨建军，曹月娥，等.土壤结皮面积与结皮分布对风蚀影响的风洞模拟研究［J］.水土保持学报，2020，34（3）：1-7.
10	王渝淞.坝上地区生物结皮防治风蚀扬尘的试验研究［D］.北京：北京林业大学，2019.
11	杨永胜.毛乌素沙地生物结皮对土壤水分和风蚀的影响［D］.陕西杨凌：西北农林科技大学，2012.
12	闫德仁，薛英英，赵春光.沙漠生物结皮国内研究现状［J］.内蒙古林业科技，2007，33（3）：28-32.
13	杨永胜，邱永利，周小泉，等.毛乌素沙地人为干扰苔藓结皮的土壤水分和风蚀效应［J］.水土保持通报，2015，35（1）：20-24.
14	Zhang J Q， Li Y Y， Yang M Y，et al.Combined impact of moss crust coverage rates and distribution patterns on wind erosion using beryllium-7 measurements［J］.Catena，2022，211：106005.
15	Zhang Y M， Wang H L， Wang X Q，et al.The microstructure of microbiotic crust and its influence on wind erosion for a sandy soil surface in the Gurbantunggut Desert of Northwestern China［J］.Geoderma，2006，132（3/4）：441-449.
16	张加琼，张春来，王焕芝.包兰铁路沙坡头段防护体系生物土壤结皮沉积特征及其风沙环境意义［J］.地理科学，2013，33（9）：1117-1124.
17	李宁宁，张光辉，王浩，等.黄土丘陵沟壑区生物结皮对土壤抗蚀性能的影响［J］.中国水土保持科学，2020，18（1）：42-48.
18	Rodriguez-Caballero E， Stanelle T， Egerer S，et al.Global cycling and climate effects of aeolian dust controlled by biological soil crusts［J］.Nature Geoscience，2022，15（6）：458-463.
19	Zhang J， Zhou C H， Gui H L，et al.Biological crust in sand and dust storm source areas of asia and its impact on dust emission［J］.Advances in Climate Change Research，2021，12（3）：395-408.
20	Miller M E， Belote R T， Bowker M A，et al.Alternative states of a semiarid grassland ecosystem： implications for ecosystem services［J］.Ecosphere，2011，2（5）：1-18.
21	刘珺，郭中领，常春平，等.基于RWEQ和WEPS模型的中国北方农牧交错带潜在风蚀模拟［J］.中国沙漠，2021，41（2）：27-37.
22	Hagen L J， Wagner L E， Tatarko J，et al.WEPS Technical Manmul［R］.Manhattan，Kansas，USA，1996.
23	Hagen L J， Wagner L E， Tatarko J，et al.WEPS 1.0 User Manual［R］.Manhattan，Kansas，USA，2010.
24	王燕，王萍.风蚀预报系统（WEPS）在民勤荒漠地区的应用分析研究［J］.干旱区地理，2013，36（1）：109-117.
25	Hagen L J， Wagner L E， Tatarko J，et al.SWEEP User Guide［R］.Manhattan，Kansas，USA，2008.
26	Zou X Y， Zhang C L， Cheng H，et al.Cogitation on developing a dynamic model of soil wind erosion［J］.Science China Earth Sciences，2015，58（3）：462-473.
27	Zhang J Q， Zhang C L， Chang C P，et al.Comparison of wind erosion based on measurements and SWEEP simulation：a case study in Kangbao County，Hebei Province，China［J］.Soil & Tillage Research，2017，165：169-180.
28	石梦双，陈莉.基于SWEEP模型济南市典型日农用地起尘量估算［J］.环境科学与技术，2015，38（8）：200-205.
29	吴永胜，哈斯，李双权，等.毛乌素沙地南缘沙丘生物土壤结皮发育特征［J］.水土保持学报，2010，24（5）：258-261.
30	王国鹏，肖波，李胜龙，等.黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮的地表粗糙度特征及其影响因素［J］.生态学杂志，2019，38（10）：3050-3056.
31	肖巍强，董治宝，陈颢，等.生物土壤结皮对库布齐沙漠北缘土壤粒度特征的影响［J］.中国沙漠，2017，37（5）：970-977.
32	王仁德，李庆，常春平，等.新型平口式集沙仪对不同粒级颗粒的收集效率［J］.中国沙漠，2018，38（4）：734-738.
33	王媛，赵允格，姚春竹，等.黄土丘陵区生物土壤结皮表面糙度特征及影响因素［J］.应用生态学报，2014，25（3）：647-656.
34	闫德仁，黄海广.沙漠苔藓生物结皮层物理特征研究［J］.安徽农业科学，2019，47（1）：77-79.
35	吴晓旭，邹学勇，王仁德，等.毛乌素沙地不同下垫面的风沙运动特征［J］.中国沙漠，2011，31（4）：828-835.
36	张风宝，杨明义，李占斌.微小区土壤侵蚀试验中田口方法代替全因子设计的可行性分析［J］.农业工程学报，2015，31（13）：1-9.
37	王雪芹，张元明，张伟民，等.生物结皮粗糙特征：以古尔班通古特沙漠为例［J］.生态学报，2011，31（14）：4153-4160.
38	王雪芹，张元明，王远超，等.古尔班通古特沙漠生物结皮小尺度分异的环境特征［J］.中国沙漠，2006，26（5）：711-716.
39	高永，丁延龙，汪季，等.不同植物灌丛沙丘表面沉积物粒度变化及其固沙能力［J］.农业工程学报，2017，33（22）：135-142.
40	刘小平，董治宝.直立植被粗糙度和阻力分解的风洞实验研究［J］.中国沙漠，2002，22（1）：82-87.
41	Raupach M R， Gillette D A， Leys J F.The effect of roughness elements on wind erosion threshold［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，1993，98（D2）：3023-3029.
42	高尚玉.京津风沙源治理工程效益［M］.北京：科学出版社，2012.
43	吉静怡，赵允格，杨凯，等.生物结皮分布格局对坡面流水动力特征的影响［J］.应用生态学报，2021，32（3）：1015-1022.
44	孙传龙，张卓栋，邱倩倩，等.基于层次分析法的锡林郭勒草地景观系统风蚀危险性分析［J］.干旱区地理，2016，39（5）：1036-1042.
45	孙悦超，麻硕士，陈智，等.保护性耕作农田抗风蚀效应的灰色关联分析［J］.农机化研究，2008，163（11）：54-56.
46	Gao L Q， Matthew A B， Sun H，et al.Linkages between biocrust development and water erosion and implications for erosion model implementation［J］.Geoderma，2020，357（C）：113973.
47	熊文君，徐琳，张丙昌，等.生物土壤结皮结构、功能及人工恢复技术［J］.干旱区资源与环境，2021，35（2）：190-195.
48	马全林，王继和，朱淑娟.降水、土壤水分和结皮对人工梭梭（Haloxylon ammodendron）林的影响［J］.生态学报，2007，27（12）：5057-5067.
49	乔宇，徐先英，付贵全，等.民勤绿洲边缘不同年代土壤结皮特性及对水文过程的影响［J］.水土保持学报，2015，29（4）：1-6.

[1]	王家辉, 曲文杰, 屈建军, 杨新国, 王磊, 杨悦, 秦伟春, 张波, 牛金帅. 腾格里沙漠东南缘柠条（ *Caragana korshinskii* ）种子风力再传播过程及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2023, 43(5): 108-115.
[2]	陈书峄, 张伟民, 马绍休, 谭立海, 梁林昊. 戈壁近地表粉尘释放动力机制的野外风洞试验[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 216-225.
[3]	张越, 陈思宇, 毕鸿儒, 曹佳慧, 罗源, 龚咏琪, 陈渔. 干旱半干旱区农田土壤风蚀特征及参数化研究进展[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 105-117.
[4]	厉静文, 包岩峰, 郭浩, 刘明虎, 辛智鸣, 刘朋飞. 梭梭(Haloxylon anmodendron)林带防风效果的风洞试验[J]. 中国沙漠, 2020, 40(3): 77-84.
[5]	杨印海, 薛春晓, 石龙, 李凯崇, 孔令伟, 张芳. 青藏铁路沿线不同类型挡沙墙阻沙率[J]. 中国沙漠, 2020, 40(1): 173-178.
[6]	高天笑, 王涛, 杨文斌, 赵爱国, 倪海渊, 吴丽丽, 高永. 低覆盖度羽翼袋沙障防风积沙效应的风洞试验[J]. 中国沙漠, 2019, 39(6): 177-183.
[7]	李锦荣, 郭建英, 赵纳祺, 张志杰, 刘铁军, 吴强. 乌兰布和沙漠流动沙丘风蚀空间分布规律及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2018, 38(5): 928-935.
[8]	韩彩霞, 张丙昌, 张元明, 邰凤姣, 张弛, 邵华. 古尔班通古特沙漠南缘苔藓结皮中可培养真菌的多样性[J]. 中国沙漠, 2016, 36(4): 1050-1055.
[9]	谭立海, 张伟民, 屈建军, 殷代英, 安志山, 边凯. 不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率定量模拟[J]. 中国沙漠, 2016, 36(3): 581-588.
[10]	曹亚亚, 陈莉. 基于SWEEP模型的天津一次典型沙尘污染事件分析[J]. 中国沙漠, 2015, 35(6): 1644-1651.
[11]	吉力力·阿不都外力;刘东伟;徐俊荣. 艾比湖干涸湖底不同地表类型风蚀强度及粉尘输移通量的风洞试验研究[J]. 中国沙漠, 2009, 29(1): 63-67.
[12]	郑敬刚;张志山;冯丽;何明珠;李新荣. 饱和流沙和苔藓结皮在蒸发过程中的水分特征研究[J]. 中国沙漠, 2007, 27(2): 234-238.
[13]	杨具瑞, 方铎, 毕慈芬, 李桂芬, 李文萍, 刘兴年. 非均匀风沙起动规律研究[J]. 中国沙漠, 2004, 24(2): 248-251.
[14]	刘小平, 董治宝. 直立植被粗糙度和阻力分解的风洞实验研究[J]. 中国沙漠, 2002, 22(1): 82-87.