风蚀是地表物质在风力作用下被动进行搬运输移的过程^［1］。中国受风蚀影响面积占国土总面积的50%以上，主要分布在北方干旱、半干旱地区及部分半湿润地区^［2-3］。严重的土壤风蚀不仅使土壤养分流失导致生产力下降，也会造成干旱、半干旱地区土壤荒漠化加剧及沙尘暴的频发^［4-5］。风蚀主要受风力、植被状况、土壤质地、土壤水分、微地形等诸多因素影响^［6-7］，其中含水率作为反映土壤干湿程度的指标，是多种风蚀沙尘暴预报模型中重要的变量^［8］。国内外学者对此进行了大量研究，Meng等^［9］通过移动风洞研究了风速、植被盖度及水分对风蚀的影响，发现风蚀速率与表层土壤水分含量负相关，且在对输沙质量通量的交互影响中水分因子的回归系数小于风速与植被盖度；Ishizuka等^［10-11］在塔克拉玛干沙漠进行的野外观测表明降雪湿沙的起动摩阻风速是干沙的1.27倍；Nourzadeh等^［12］对伊朗阿瓦兹地区的风蚀试验表明土壤表层含水率达3%可完全抑制风蚀的发生；刘小平等^［13］通过风洞试验建立了不同粒径沙粒在不同含水率下的起动风速的关系；韩庆杰等^［14］对海岸湿沙的研究表明输沙量与高度呈指数关系，较高位置的输沙量占比随湿度增大；宗玉梅等^［15］对库布齐沙漠沙粒含水率影响的试验表明湿沙跃移高度高于干沙。

目前，关于不同地区沙粒含水率条件变化对风蚀响应的研究已取得较为丰富的成果，而对半干旱地区沙质草地及农田土壤含水率对风蚀影响的研究鲜有报道。本研究采用可移动式风洞对科尔沁沙地3种典型生境土壤在不同风速、不同含水率下进行吹蚀试验，通过对风沙流数据分析，探究风沙流随含水率的垂向分布变化，分析不同风速下土壤含水率对风蚀量的影响，对比不同生境土壤的抗风蚀性，从而揭示不同土壤风沙运移规律，为半干旱地区沙害防治与农业水土保持提供重要的理论依据。

研究区位于科尔沁沙地腹地内蒙古通辽市奈曼旗境内（42°55′N，120°41′E），该区属于温带半干旱大陆性季风气候，地处北方农牧交错带，平均海拔345 m。年日照时数2 946 h，年平均气温6.4 ℃，≥10 ℃的积温为3 000—3 400 ℃。年降水量364 mm左右，集中在6—8月，春季（3—5月）降水量仅占全年降水量的12%，年潜在蒸发量1 972.8 mm。年平均风速3.5 m·s^-1，年大风日数20—60 d。奈曼旗各类沙漠化土地面积57.18万hm²，占全旗土地面积的69.5%，其中严重和强烈发展的沙漠化土地面积占32%^［16］。地带性土壤为沙质栗钙土，在长期的风蚀作用下已高度退化为风沙土^［17］。

本研究依托中国科学院奈曼沙漠化研究站开展，试验时间为2018年5月上旬。选择流动沙丘、沙质草地和农田3种生境的土壤为试验对象。流动沙丘植被盖度<5%，优势种为沙米（Agriophyllum squarrosum）；沙质草地植被盖度50%左右，优势种主要有黄蒿（Artemisia scoparia）、猪毛菜（Salsola collina）和狗尾草（Setarria viridis）等；农田为研究区典型的玉米作物农田。3种生境的土壤类型均为风沙土，但由于受风蚀影响的程度不同及利用方式不同，土壤粒级组成与有机碳水平存在明显差异（表1）。土壤取样深度为表层0—20 cm，多点取样组成混合样品。土样带回试验室风干过2 mm筛后放入烘箱烘干。由于不同土壤饱和持水量存在较大差异（流动沙丘为6.8%，沙质草地为12.5%，农田为21.3%），因此试验中没有将3种土壤的含水率处理设为相同的梯度，而是先逐步加水后测定实际含水率，以肉眼看不到表面发生风蚀过程为加水梯度的上限，最终不同的土壤形成不同的含水率梯度。加水配置好的土壤样品搅拌均匀放入塑料桶用塑料膜密封待用。实际含水率测定方法为烘干法。

试验采用中国科学院奈曼沙漠化研究站研发的便携可移动式风洞，风洞由动力段、压缩段、整流段、试验段组成，全长5.5 m；试验段为矩形无底截面，长3.0 m、宽0.6 m、高0.5 m，风速0—18 m·s^-1连续可调。沙盘长45 cm、宽30 cm、深3 cm，放置在凹槽内使土壤表面与风洞底面平齐，在沙盘后65 cm处放置30/3型阶梯式集沙仪收集风蚀物，高度30 cm，进沙口尺寸为3 cm×3 cm。

将一定含水率的土样倒入沙盘后使用刮刀将表面刮平，分别在7、9、11、13、15、17 m·s^-1风速下吹袭1 min，每个风速吹袭结束立即将集沙仪风蚀物分层倒入自封袋，将沙盘清空然后从密封塑料桶取土样重新装填以保证含水率一致，待测试结束即将自封袋带回试验室，105 ℃烘干至恒重后使用精度0.0001 g分析天平分层称重并计算输沙率。

为表述统一，本研究使用输沙率作为描述单位时间单位面积风蚀物质质量的单位，单位采用g·min^-1·cm^-2。不同含水率土壤风沙流垂向分布试验中，同一高度输沙率数据是7—17 m·s^-1各级风速下输沙率的平均值。应用Microsoft Excel 2016进行数据处理，应用Originpro2016绘图及曲线拟合。

在不同含水率下，流动沙丘土、沙质草地土和农田土的输沙率均随高度上升出现减小趋势，含水率越低输沙率下降趋势越明显。3种土壤在不同含水率下风沙流的垂向分布如图1所示，同一土壤不同含水率对风沙流垂向分布的影响存在明显的差异。流动沙丘土在不同含水率下风沙流结构可分为3部分：含水率0.23%（天然干沙）时输沙率在0—12 cm急剧下降，含水率0.50%—0.79%（低含水率）时输沙率在0—12 cm快速下降，含水率0.90%—2.53%（高含水率）时随高度上升输沙率的下降趋势缓和。沙质草地土在不同含水率下风沙流结构可分为4部分：含水率0.00（烘干土）时输沙率随高度急剧降低，含水率0.23%—0.42%（低含水率）时输沙率随高度迅速下降，含水率0.76%—1.14%（中含水率）时输沙率随高度下降趋势减缓，含水率1.72%—4.76%（高含水率）时输沙率随高度变化响应不敏感，此范围含水率的输沙率曲线平缓且均集中于底部。农田土在不同含水率下风沙流结构可分为2部分：含水率0.00—3.54%（低含水率）时输沙率在0—12 cm急剧下降，随后下降趋势减缓，含水率4.44%—14.43%（高含水率）时输沙率在0—12 cm平缓下降，随后风蚀极其微弱、输沙率趋于不变。

不同含水率下，将流动沙丘土、沙质草地土和农田土的输沙率与高度进行曲线拟合，P值均小于0.001，函数有统计学意义，可以被描述为指数函数：q=Ae^-H/B，式中，q为高度H处输沙率g·min^-1·cm^-2，A、B为拟合系数。不同含水率下各土样输沙率与高度的拟合关系如表2所列，均具有较佳的拟合相关度。

随着含水率的增加，不同土壤的输沙量均减小，风速越大土壤输沙量的衰减越剧烈，在不同风速下，流动沙丘土、沙质草地土和农田土的输沙量随含水率的变化关系如图2所示。根据输沙量随含水率变化时曲线斜率的变化程度，将输沙量随含水率的变化分为3个区间：平稳下降区间、跃变区间、衰弱区间。对于流动沙丘土，含水率0.23%—0.79%时属于平稳下降区间，除17 m·s^-1风速外各风速下输沙量随含水率增加下降趋势较为平缓；含水率0.79%—1.01%时属于跃变区间，各个风速下输沙量均剧烈下降，含水率微小增加即能引起输沙量快速下降；含水率大于1.01%时属于衰弱区间，各风速下输沙量对含水率升高的响应不明显，风蚀过程非常微弱近乎停止。对于沙质草地土，含水率0.00—1.14%时属于平稳下降区间，15 m·s^-1和17 m·s^-1风速下输沙量下降较为迅速，其余风速下输沙量随含水率下降较为平缓；含水率1.14%—1.72%时属于跃变区间，各风速下输沙量均随含水率增加迅速降低；含水率大于1.72%时属于衰弱区间，输沙量随含水率增加缓慢降低。对于农田土，含水率0.00—2.77%时属于平稳下降区间，各风速下输沙量随含水率增加降幅较小，输沙量曲线基本呈水平状态；含水率2.77%—4.44%时属于跃变区间，各个风速下输沙量均出现断崖式下降；含水率大于4.44%时属于衰弱区间，随含水率增加输沙量逐步减小，风蚀过程从低风速至高风速逐次完全停止。

将不同风速下流动沙丘土、沙质草地土和农田土输沙量与含水率的关系进行曲线拟合，发现可采用指数函数与三次函数关系式进行描述。指数函数：Q=A+Bexp（-m/C），三次函数：Q=Gm³+Fm²+Em+D，Q为含水率m%时输沙量（g·min^-1），A、B、C、D、E、F、G为拟合系数。不同风速下输沙量与含水率的拟合关系如表3所示，P值均小于0.01，函数均具有统计学意义，两种函数拟合相关度均表现为：沙质草地土>流动沙丘土>农田土，任一函数均不能较佳地描述3种土壤输沙量曲线，对于同一土壤高风速下拟合相关度优于低风速状况。

在不同风速下，对输沙量进行求和来计算不同土壤含水率下的总输沙量。图3为总输沙量与含水率的关系，随着含水率的增加，各类土壤的总输沙量均降低。流动沙丘土的总输沙量在含水率0.23%—1.79%呈直线降低，含水率1.79%以上总输沙量极低趋于零水平线。沙质草地土的总输沙量在含水率0.00—1.72%呈直线下降，在含水率1.72%—2.83%下降趋缓呈转角状，含水率2.83%以上缓慢降低变化趋于水平。农田土的总输沙量在含水率0.00—2.77%减小缓慢趋于水平，在含水率2.77%—4.44%下降迅速，在含水率4.44%以上总输沙量缓慢降低直至趋于零。

在含水率0.00—0.76%区间，总输沙量大小为流动沙丘土>沙质草地土>农田土；在含水率0.76%—1.35%区间，总输沙量大小为沙质草地土>流动沙丘土>农田土；在含水率1.35%以上，总输沙量大小为农田土>沙质草地土>流动沙丘土。

风沙流结构是指沙粒在气流输送下的垂直分布及变化规律，能直接反映沙粒运动方式^［18-19］。一般认为，风沙流各层输沙率随高度增大而逐渐减小，具有良好的指数函数关系^［20-21］，本研究中，流动沙丘土、沙质草地土和农田土的风沙流结构拟合曲线，均可较好地用指数函数来描述。指数函数q=Ae^-H/B式中系数A的物理意义争议较大，而系数B则一般认为是风沙流中沙粒平均跃移高度的近似值^［22-23］，本研究中如表2所示，不同土壤的B值变化情况不同，随着含水率的增加，流动沙丘土的B值呈增大趋势，沙质草地土的B值呈先增大后略下降，但总体仍表现为增大趋势，农田土的B值则呈震荡下降的趋势。如图1所示，不同土壤在0—12 cm高度的输沙率占主导部分，12 cm以上输沙率均缓慢减小。流动沙丘土的含水率在0.23%时，平均跃移高度为4.23 cm，0—12 cm的输沙率占总输沙率的91.53%；含水率在1.01%时，平均跃移高度为5.73 cm，0—12 cm的输沙率占总输沙率的84.81%；含水率在2.53%时，平均跃移高度为7.44 cm，0—12 cm的输沙率占总输沙率的81.31%。表明随着含水率的增加，沙粒的平均跃移高度增加，下层的输沙率比重降低，而上层输沙率的比重相应上升。

韩庆杰等^［14］在研究海岸沙子不同表面湿度的风沙流结构时，通过不同湿沙的PIV（颗粒动态分析仪）测试照片证实了高湿度会导致跃移高度的增加。主要因为随着湿度的增加，沙床表面颗粒之间的黏滞阻力增强，蠕移输沙率降低，随风启动的低能量沙粒的跃移碰撞被抑制^［24］，因此高湿度下高能量沙粒的冲击反弹使平均跃移高度增加，而总输沙率显著降低。沙质草地土与流动沙丘土壤粒径分布比较接近，因此随含水率升高，沙质草地土平均跃移高度及0—12 cm输沙率占总输沙率比值的变化规律与流动沙丘土表现一致。农田土的变化规律异于流动沙丘与沙质草地土，含水率在1.35%时，平均跃移高度为4.68 cm，0—12 cm输沙率占总输沙率86.37%；含水率在4.44%时，平均跃移高度为3.88 cm，0—12 cm输沙率占总输沙率87.55%；含水率在6.69%时，平均跃移高度为3.73 cm，0—12 cm输沙率占总输沙率89.63%。即随着含水率的增加，农田土的平均跃移高度降低，下层输沙率的比重增加，这一变化趋势与流动沙丘土、沙质草地土相反。总体而言，在能影响各类土壤输沙率的含水率范围内，农田土的平均跃移高度小于沙质草地土，沙质草地土平均跃移高度小于流动沙丘土，变化趋势与流动沙丘土、沙质草地土与农田土平均粒径的变化趋势一致，表明更大粒径的颗粒与床面的碰撞中有更大的能量，从而跃移至更高的位置。

Chepil^［25］通过风洞试验表明土壤湿度增加能增加颗粒物吸附水的黏滞力从而改变风力侵蚀能力；Saleh等^［26］通过对土质从壤质细砂到黏土的5种土壤进行不同水分下的风洞试验，发现土壤湿度压与黏土含量呈线性关系，相同风速下，黏土含量越高阈值湿度越大；Bisal等^［27］通过对细砂壤土、壤土和黏土不同水分的风洞试验，表明颗粒越细抑制风蚀发生的土壤含水量越高。本研究中，流动沙丘土、沙质草地土与农田土在不同风速下输沙量随含水率增长的斜率变化可分为3个阶段，不同阶段的曲线斜率代表了颗粒间水分存在的不同形态^［14］，干燥土壤轻微增加水分在平稳下降阶段颗粒表面吸附水出现水膜，增强了颗粒间的黏滞力；继续增加水分在跃变阶段湿润的土壤颗粒之间出现水桥，颗粒间由吸附水转向毛细水，颗粒间黏滞力迅速增强；随着土壤水分的进一步增加，至衰弱阶段水桥完全形成，此时土壤颗粒对风力侵蚀有极高的抵抗能力，风速的变化对输沙量影响甚微。流动沙丘土、沙质草地土与农田土的含水率跃变区间分别为0.79%—1.01%、1.14%—1.72%与2.77%—4.44%，这与Azizov^［28］和宗玉梅等^［15］的结果一致。本研究中流动沙丘土与沙质草地土的粒径组成基本一致，但输沙量随含水率的变化状况有显著不同，主要因为沙质草地经过多年植物生长显著增加了土壤中有机质含量，在水分存在时土壤有机质及盐类通过改变颗粒间内聚力^［13］，从而影响输沙量。此外，本研究结果表明，在同等风速下总输沙量并不一定总是流动沙丘大于农田，因此在半干旱的科尔沁沙地，农田的风沙防治与水土保持对控制沙尘暴的源也具有重要的意义。

不同含水率下，3种生境土壤的输沙率随高度的增加均呈现减小趋势，且有良好的指数函数关系。随含水率的增加，流动沙丘土和沙质草地土风沙流沙粒的平均跃移高度增加、0—12 cm的输沙率占总输沙率之比增加，农田土则相反。

不同风速下，流动沙丘土、沙质草地土和农田土输沙量与含水率的关系可被描述为指数函数或三次函数关系。基于不同风速下输沙量随含水率增长的斜率变化程度，可将含水率分为3个区间：平稳下降区间、跃变区间和衰弱区间。

随含水率上升，不同生境土壤总输沙量大小排序发生变化。在半干旱风沙区，农田的风沙防治与水土保持对控制风沙源具有重要的意义。