东北典型风蚀区不同土地利用方式下的风沙活动强度特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00020

摘要/Abstract

摘要：

东北地区土壤风蚀活动日趋频繁，对农业生产和生态安全造成严重威胁。为揭示东北地区风沙活动强度特征，选取东北典型风蚀区裸地、留茬农田和草地在春耕期内开展定位观测，系统分析了起沙风、输沙势及风蚀力特征。结果表明：（1）观测期间内2 m高度的平均风速为2.89 m·s^-1，且不同高度的风速均呈波动下降趋势，盛行风向为NW方向。（2）观测期间裸地、留茬农田、草地的起沙风平均风速分别为6.33、7.04、8.78 m·s^-1，对应起沙风频率分别为19.15%、12.94%、4.39%。起沙风风向均主要集中在E至NW方向。（3）观测期间研究区属于低风能环境，3种土地利用方式下均属于中风向变率，风况均对应为钝双峰风况，合成输沙方向均为NE方向。输沙势和风蚀力均表现为裸地>留茬农田>草地。研究结果可为防风固沙工程实施与土地资源保护利用提供科学依据。

关键词: 东北地区, 风沙活动强度, 起沙风, 输沙势, 风蚀力

Abstract:

Soil wind erosion activities have become increasingly frequent in Northeast China， posing serious threats to agricultural production and ecological security. To reveal the characteristics of aeolian sand activity intensity in Northeast China， fixed-point observations were carried out during the spring tillage period on bare land， stubble farmland， and grassland in a typical wind erosion region of Northeast China. The characteristics of sand-driving winds， drift potential， and wind erosion force were systematically analyzed. The results showed that：（1） During the observation period， the mean wind speed at a height of 2 m was 2.89 m·s^-1， and wind speeds at different heights exhibited a fluctuating decreasing trend， with the prevailing wind direction being NW. （2） The mean sand-driving wind speeds on bare land， stubble farmland， and grassland were 6.33 m·s^-1， 7.04 m·s^-1， and 8.78 m·s^-1， respectively， while the corresponding sand-driving wind frequencies were 19.15%， 12.94%， and 4.39%. The sand-driving wind directions were mainly concentrated between E and NW. （3） During the observation period， the study area was characterized by a low wind energy environment. All three land-use types exhibited moderate directional variability， corresponding to a blunt bimodal wind regime， and the resultant drift direction was NE. Both drift potential and wind erosion force followed the order： bare land > stubble farmland > grassland. These results provide a scientific basis for the implementation of wind erosion control projects and the protection and sustainable utilization of land resources.

Key words: Northeast China, aeolian sand activity intensity, sand-driving wind, drift potential, wind erosion force

中图分类号:

P931.3

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图/表 20

图1 研究区地理位置注：基于自然资源部标准地图服务网站审图号GS（2024）1158号标准地图制作，底图边界无修改

Fig.1 Geographical location of the study area in Tongyu County， Baicheng City， Jilin Province

图2 样地概况

Fig.2 Overview of bare land （A）， stubble-retention farmland （B）， grassland （C）

图3 梯度风速仪

Fig.3 Gradient anemometer

表1 风蚀事件D1、D2在2 m高度处的平均风速和最大风速

Table 1 Average and maximum wind speeds at 2 m for of wind erosion events D1 and D2

风蚀事件	平均风速/（m·s^-1）	最大风速/（m·s^-1）
D1	5.3	14.9
D2	2.8	11.1

图4 起动风速测定仪器示意图注：a：防护箱;b：传感器探头;c：风杯；d：信号放大器

Fig.4 Schematic diagram of threshold wind velocity measuring instrument

图5 观测期间不同高度风速（A）和风向的变化（B）及占比（C）

Fig.5 Variation of wind speed （A） and wind direction （B）， and proportion （C） of wind direction at different heights during the observation period

图6 不同高度各风速区间占比

Fig.6 Proportion of each wind speed interval at different heights

图7 风速廓线拟合曲线

Fig.7 Fitted curves of wind speed profiles

图8 D1（A）与D2（B）在不同风速区间内的风速廓线变化（其中uz=2m表示距地表2 m高度处的平均风速）

Fig.8 Variation of wind speed profiles in different wind speed intervals for D1 （A） and D2 （B）（where uz=2 m denotes the average wind speed at 2 m height above the ground）

表2 D1和D2中不同风速区间的出现频次

Table 2 Occurrence frequency of different wind speed intervals for D1 and D2

风蚀事件	风速区间/（m·s^-1）
风蚀事件	0~1	1~2	2~3	3~4	4~5	5~6	6~7	7~8	8~9	9~10	10~11	11~12	12~13	13~14
D1	80	181	111	119	121	110	107	109	128	190	101	46	19	12
D2	177	290	415	319	115	49	26	26	11	10	—	—	—	—

图9 3种土地利用方式的起沙风平均风速及起沙风频率

Fig.9 Average wind speed and frequency of sand-driving wind under three types of land use patterns

图10 3种土地利用方式的起沙风平均风速和起沙风频率日内变化

Fig.10 Diurnal variation of average wind speed and frequency of sand-driving wind under three types of land use patterns

图11 3种土地利用方式起沙风玫瑰图（区间采用［a，b）形式）

Fig.11 Sand-driving wind rose diagrams for three land-use types （intervals are defined as ［a， b））

图12 3种土地利用方式输沙势玫瑰图（区间采用［a，b）形式）

Fig.12 Drift potential rose diagrams under three types of land use patterns（intervals are defined as ［a， b））

图13 3种土地利用方式风蚀力变化

Fig.13 Variation of wind erosion force under three types of land use patterns

图14 不同方向风蚀力的大小（A）及分布占比（B）

Fig.14 Magnitude （A） and distribution proportion （B） of wind erosion force in different directions

图15 D1、D2在4个相同时间间隔内的风速廓线变化

Fig.15 Variation of wind speed profiles for D1 and D2 during four identical time intervals

表3 D1和D2中T1~T4的u*与z0值的变化

Table 3 Variation of friction velocity and roughness length values for T1-T4 in D1 and D2

指标	D1-T1	D1-T2	D1-T3	D1-T4	D2-T1	D2-T2	D2-T3	D2-T4
$u *$	0.1411	0.1918	0.3660	0.4675	0.0991	0.1508	0.2102	0.2314
$z 0$	0.0311	0.0079	0.0009	0.0007	0.0199	0.0060	0.0026	0.0015

表3 D1和D2中T1~T4的u*与z0值的变化

Table 3 Variation of friction velocity and roughness length values for T1-T4 in D1 and D2

指标	D1-T1	D1-T2	D1-T3	D1-T4	D2-T1	D2-T2	D2-T3	D2-T4
$u *$	0.1411	0.1918	0.3660	0.4675	0.0991	0.1508	0.2102	0.2314
$z 0$	0.0311	0.0079	0.0009	0.0007	0.0199	0.0060	0.0026	0.0015

表4 6种概率密度函数的拟合参数

Table 4 Fitting parameters of six probability density functions

概率密度函数	R²	MAE	RMSE	KS
Burr12	0.9931	0.0056	0.0072	0.0159
ExponWeib	0.9941	0.0051	0.0067	0.0130
Gamma	0.9923	0.0061	0.0076	0.0179
GenExtreme	0.9808	0.0086	0.0120	0.0268
Gumbel	0.9780	0.0107	0.0129	0.0219
Weibull	0.9878	0.0078	0.0096	0.0184

图16 6种概率密度函数针对风速经验分布的拟合曲线

Fig.16 Fitted curves of six probability density functions for the empirical distribution of wind speed

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