Effect of moss crust coverage and spatial distribution on soil wind erosion using wind tunnel experiments and simulations

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

Journal of Desert Research ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (5): 97-107.DOI: 10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00039

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Effect of moss crust coverage and spatial distribution on soil wind erosion using wind tunnel experiments and simulations

Yali Ma¹(), Zhiduo Wang², Jiaqiong Zhang¹^,³(), Yusuo Xu³^,⁴, Yuanyuan Li⁵

^1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation /, Northwest A & F University，Yangling 712100，Shaanxi，China
^2.College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University，Yangling 712100，Shaanxi，China
^3.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling 712100，Shaanxi，China
^4.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
^5.School of Agricultural Sciences，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China

Received:2023-02-03 Revised:2023-04-12 Online:2023-09-20 Published:2023-09-27
Contact: Jiaqiong Zhang

Abstract

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

CLC Number:

S157

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.

Figures/Tables 12

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）

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：

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

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

Fig.2 Moss crust coverage and spatial distribution

Fig.3 Wind tunnel structure

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

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

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

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

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

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））

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））

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

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