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

苔藓结皮对土壤风蚀影响的风洞试验和模拟

马亚莉^,¹, 王祉铎², 张加琼^,¹^,³, 徐育梭³^,⁴, 李元元⁵

1.西北农林科技大学，水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100

2.西北农林科技大学，资源环境学院，陕西杨凌 712100

3.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100

4.中国科学院大学，北京 100049

5.郑州大学农学院，河南郑州 450001

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

Ma Yali^,¹, Wang Zhiduo², Zhang Jiaqiong^,¹^,³, Xu Yusuo³^,⁴, Li Yuanyuan⁵

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

通讯作者: 张加琼（E-mail： jqzhang@nwsuaf.edu.cn）

收稿日期: 2023-02-03 修回日期: 2023-04-12

基金资助:

中国科学院战略性先导科技专项. XDA28010201. XDA23060502
黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室科研业务费项目. F2010121003

Received: 2023-02-03 Revised: 2023-04-12

作者简介 About authors

马亚莉（1997—），女，宁夏固原人，硕士研究生，研究方向为土壤侵蚀E-mail：3574813309@qq.com , E-mail：3574813309@qq.com

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.

Keywords： wind tunnel experiment ; single-event wind erosion evaluation program ; moss crust ; wind erosion rate ; near-surface sediment transport rate

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本文引用格式

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. 中国沙漠[J], 2023, 43(5): 97-107 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00039

Ma Yali, Wang Zhiduo, Zhang Jiaqiong, Xu Yusuo, Li Yuanyuan. Effect of moss crust coverage and spatial distribution on soil wind erosion using wind tunnel experiments and simulations. Journal of Desert Research[J], 2023, 43(5): 97-107 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00039

0 引言

土壤风蚀是沉积物在风力作用下分离、搬运、沉积的连续动力学过程，实质是气流或气固两相流对地表物质的吹蚀和磨蚀过程^［1］。土壤风蚀通常发生在植被覆盖率较低的干旱半干旱地区，是该地区土壤退化的主要原因，严重影响农业生产和生态环境^［2-3］。生物结皮是藻类、地衣、苔藓、细菌、真菌等通过假根、菌丝体、分泌物等与表层土壤颗粒相互胶结形成的复杂复合体，主要通过增大地表覆盖和地表粗糙度等增强土壤稳定性，降低土壤受侵蚀的敏感性^［4-5］，还能够调节土壤水分、促进土壤团聚体发育、提高土壤碳氮含量等^［6］，在干旱半干旱地区土壤风蚀防治与生态环境修复中发挥着重要作用^［7］。

生物结皮的类型、盖度、空间分布、受干扰程度等均会对土壤风蚀产生重要影响。一般地，发育程度最好的苔藓结皮的风蚀防治效果最佳，地衣结皮次之，藻结皮和藻类-地衣结皮最差^［8］。风蚀量与跃移质分布高度随结皮盖度的增加而减小^［9］，覆盖度为50%~70%的结皮能够有效防控土壤风蚀^［10］。干扰通过改变结皮盖度、稳定性、物种组成、生理功能等影响土壤风蚀^［11］。在干旱半干旱地区，放牧、踩踏、机械碾压、翻耕和火灾等对结皮的干扰往往会加剧土壤风蚀^［12］；只有当结皮覆盖率较高时，适度干扰生物结皮才不会加剧风蚀^［13］。目前，关于生物结皮空间分布对土壤风蚀影响的研究较少。现有研究发现，当生物结皮盖度相同时，分布于试验土槽中部的结皮较分布于上、下风向区域的结皮能获得更好的风蚀防控效果^［14］。可见，综合考虑生物结皮的类型、盖度和空间分布等特征，对明确生物结皮的风蚀防控效果具有重要意义。

前人主要采用风洞试验、野外调查和模拟等方法研究生物结皮对土壤风蚀的影响。风洞试验在明确生物结皮对土壤风蚀速率的影响，揭示其主控因子等研究中发挥了重要作用^{［9，11，15］}。野外调查常与室内样品分析相结合，通过调查并测定结皮盖度、紧实度和团聚体稳定性等土壤可蚀性指标分析生物结皮影响下的土壤风蚀效应^［16-17］。采用模型拟合生物结皮对土壤风蚀影响的研究报道较少。前人尝试采用ECHAM6-HAM2-BIOCRUST模型、粉尘释放模型（M-B模型）、Okin剪应力分解模型等探讨了生物结皮、生物结皮与植被交错分布等对粉尘释放和沉积、沉积物输移通量的影响^［18-20］。生物结皮对风蚀影响的模拟研究几乎未估算生物结皮影响下的风蚀速率变化并揭示其影响因素。这主要与研究模型选用有关。上述研究采用的模型为自行构建的经验模型或综合模型，对生物结皮因子量化表达不足。现有风蚀模型同样存在对结皮因子，尤其是生物结皮因子考虑十分有限的问题。常用的风蚀模型中，风蚀方程（Wind Erosion Equation， WEQ）未考虑结皮因子^［1］，修正风蚀方程（Revised Wind Erosion Equation， RWEQ）中的结皮因子考虑的是物理结皮，通过黏粒和有机质含量估算结皮对风蚀的影响^［21］。风蚀预报系统（Wind Erosion Prediction System， WEPS）中的土壤、管理和侵蚀子模型考虑了结皮因子，其中土壤和管理子模型中考虑的均为物理结皮，而侵蚀子模型并未明确结皮类型。土壤子模型考虑了结皮的厚度、盖度、密度、稳定性和结皮表面松散可蚀性物质的质量，管理子模型主要考虑农田管理措施对结皮的破坏作用。侵蚀子模型在土壤子模型的基础上，考虑了侵蚀对结皮表面松散可蚀性物质质量、结皮厚度和盖度的影响（表1）。可见，侵蚀子模型中考虑的仍然是物理结皮^［22-23］。以WEPS侵蚀子模块为核心开发的单次事件风蚀评估模型SWEEP（Single-event Wind Erosion Evaluation Program）在计算临界摩阻风速时考虑了结皮因子^［24］，通过结皮盖度、厚度、密度、稳定性和结皮表面疏松物质的比例与质量，估算其对风蚀的影响^［25］。北京师范大学研发的基于风蚀动力学理论的土壤风蚀模型（Dynamic Model of Soil Wind Erosion， DMSWE）考虑的仍然为物理结皮，主要使用结皮盖度表达其对风蚀的影响^［26］。可见，由于现有风蚀模型针对农地开发，均未考虑生物结皮的影响；未来的研究中要研发风蚀模型预报不同土地利用类型的风蚀，必须量化模型中的生物结皮因子。

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 = \frac{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）：

$S_{l o s} = 0.1 e x p [- 0.57 + 0.22 \frac{F_{s a}}{F_{c l}} + 7.0 F_{c c e} - F_{o m}]$

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）

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全年的风蚀多发生于若干次风蚀事件，SWEEP需要的数据较WEPS少得多，可模拟不同时空尺度的农田风蚀^［27-28］。因此，本研究以发育程度较好且风蚀防治效果较佳的苔藓结皮为例^［29］，采用风洞试验和SWEEP模拟的方法，研究苔藓结皮盖度和空间分布对土壤风蚀速率和近地表输沙率的影响，分析模型模拟中苔藓结皮影响风蚀的主要误差来源，为改进风蚀预报模型中生物结皮因子的算法奠定基础。

1 材料与方法

1.1　试验设计

苔藓结皮和风沙土样品采集于陕西省神木市（38°13′—39°27′N，109°40′—110°54′E）。采样点位于苔藓结皮连续分布的较平坦区域。该区域为风沙土覆盖区域，种植小叶杨（Populus simonii），其间零星分布柠条（Caragana korshinskii）、长芒草（Stipa bungeana）等植被^［30］。通过测定区域苔藓结皮的厚度、紧实度等参数，选取具有苔藓结皮发育状况代表性的区域采集苔藓结皮及其下层风沙土（图1）。苔藓结皮采集时尽量保持较大块，采集后放置在小的塑料箱中并用聚乙烯泡沫板保护以免破碎。由于生物结皮下不同深度范围的土壤存在明显的粒径差异^［31］，本研究分两层采集苔藓结皮下的风沙土。第一层为苔藓结皮下约1 cm深，第二层为苔藓结皮下1~5 cm。将采集的土样分层装入钢制试验土槽（1.0 m×1.0 m×0.1 m），底部9 cm分3层填装采集于苔藓结皮下1~5 cm的风沙土，每层填装完成后均用小耙子打毛表面再进行下一层填装。而后在其上（即表层0~1 cm）填装采集于苔藓结皮下约1 cm的风沙土，两层风沙土的容重均为1.52 g·cm^-3。最后将苔藓结皮样品按不同的空间分布和盖度逐块移植到风沙土样品表面。试验设置苔藓结皮空间分布包括3种：苔藓结皮分布于土槽上风向区域（CS）、苔藓结皮分布于土槽下风向区域（SC）和苔藓结皮斑块状分布（P）。在上述空间分布下分别设置4个苔藓结皮盖度，即苔藓结皮覆盖面积占土槽总面积的10%、30%、50%和80%。同时，以相同的方式填装裸露风沙土土槽（无结皮）作为对照（图2）。所有试验设置2个重复。将准备好的土槽放置在户外无风区域12个月（2015年8月至2016年8月），定期喷水养护，确保苔藓结皮成活且与下层风沙土样粘结在一起。

图1

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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

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图2 苔藓结皮盖度和空间分布

Fig.2 Moss crust coverage and spatial distribution

1.2　风洞试验

风洞试验于2016年9月在中国科学院水利部水土保持研究所的风洞实验室进行。该风洞全长19 m，分为风机段、调风段、整流段、试验段和集沙段。试验段截面面积为1 m×1.2 m，实验轴心风速2~15.5 m·s^-1连续可调（图3）。在风洞试验前，为消除物理结皮对试验结果的影响，使用一根圆柱形木棍滚过物理结皮覆盖的区域（即裸露风沙土分布区域）以破碎土槽表面的物理结皮。风洞试验中，通过可升降支架将土槽高度调整到其表面与风洞底板齐平。在率定风洞的风速廓线后（u=alnz+b，R²=0.92），所有土槽均在11、13、15 m·s^-1的轴心风速（测定高度为60 cm）下持续吹蚀20 min。在吹蚀前后均称量（电子秤量程为150 kg，精度为0.1 g）土槽重量，计算风蚀速率。并在集沙段安装一台多高度平口式集沙仪（北京师范大学研制），在60 cm高度内以2 cm高度（进沙口2 cm×2 cm）间隔连续收集20 min内的风蚀物^［32］。

图3

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图3 风洞结构示意图

Fig.3 Wind tunnel structure

1.3　风蚀模拟

本研究运用SWEEP开展模拟，其地块、土壤性质、土壤表面状态和气候因子的具体参数列于表2。其中，土壤颗粒组成用激光粒度分析仪（Mastersizer 2000，Malvern Instruments， UK）测定，并计算砂粒、细粉砂、粉粒和黏粒的含量；土壤含水量采用烘干法测定；由于本研究土壤类型是风沙土，团聚体密度、干团聚体稳定性、最大与最小团聚体的大小等采用略高于模型允许的最小值；土壤结皮表面可蚀性疏松物质设为0（表示苔藓结皮拦截的风蚀物不会再次被搬运）、结皮稳定性设为1（表示结皮不会因风蚀发生破损）、随机粗糙度为采用链条法^［33］的测定值；结皮厚度使用游标卡尺多点测定取平均值；结皮密度通过在野外采集苔藓结皮样品，随机测定9块3 cm×3 cm结皮样品的厚度（游标卡尺），而后洗净并烘干（65 ℃）苔藓结皮中的生物量，称量苔藓结皮干量，计算结皮密度。

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

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1.4　数据处理

结皮密度采用苔藓结皮干量和体积计算^［34］：

D = \frac{W}{V}

（1）

式中：D为苔藓结皮密度（g·cm^-3）；W为苔藓结皮干量（g）；V为苔藓结皮体积（cm³）。

风蚀速率是指单位时间、单位面积上的风蚀量。风洞试验中的风蚀速率采用土槽称重法计算：

E = \frac{m_{a} - m_{b}}{A t}

（2）

式中：E为风蚀速率（g·m^-2·min^-1）；m_a 和m_b 分别为风蚀前和风蚀后土槽的质量（g）；A为土槽的面积（m²），为土槽长度和宽度的乘积，本研究中为1 m²；t为吹蚀时间（min），本研究中为20 min。

输沙率是指风沙流在单位时间内通过单位宽度的风蚀量，计算公式为^［35］：

Q = \frac{W}{L \cdot Δ T}

（3）

式中：Q为输沙率（g·m^-1·min^-1）；W为集沙量（g）；L为集沙仪进沙口宽度（m）；ΔT为集沙时间（min）。

各因子对风蚀速率和近地表输沙率变化的贡献率基于方差分析得到^［36］：

P C = \frac{S S_{F} - (D F \cdot V_{E r})}{S S_{T}} \times 100 %

（4）

式中：PC为因子贡献率（%）；SS_T是总离差平方和；SS_F是各因子离差平方和；V_Er是误差平方和；DF是因子的自由度。方差分析过程中，利用统计分析软件SPSS计算SS_T、SS_F、V_Er和DF。

2 结果与分析

2.1　苔藓结皮盖度对近地表输沙率和风蚀速率的影响

2.1.1　苔藓结皮盖度对近地表输沙率的影响

风洞试验和SWEEP模拟结果均表明，近地表（0~60 cm）输沙率和输沙高度均随苔藓结皮盖度的增加而减小（图4、图5）。风洞试验结果显示，11、13 m·s^-1风速下，当结皮盖度从10%增大到80%时，土壤风蚀几乎被抑制，未观测到近地表输沙。15 m·s^-1风速下，当结皮盖度从10%依次增大到30%、50%、80%时，近地表输沙率平均分别减小了63.6%、85.3%和99.3%。当苔藓结皮盖度从10%增加到80%时，输沙高度从31 cm减小到15 cm。SWEEP模拟结果显示，当结皮盖度从10%增大到80%时，11、13 m·s^-1风速下未观测到蠕移或跃移颗粒，15 m·s^-1风速下近地表输沙率减少了78.9%。

图4

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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

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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

对比风洞试验和SWEEP模拟的结果，11 m·s^-1和13 m·s^-1风速下，结皮盖度为10%、30%、50%时，SWEEP模拟的近地表输沙率显著（P<0.05）高于风洞试验结果（11 m·s^-1风速下结皮盖度为50%的输沙率除外）；而15 m·s^-1风速下，不同结皮盖度SWEEP既存在高估输沙率也存在低估的情况。15 m·s^-1风速下，苔藓结皮分布于土槽下风向区域（SC）和斑块状分布（P）时，10%结皮盖度下风洞试验的输沙率分别是SWEEP模拟结果的5.0倍和1.1倍，SC空间分布30%结皮盖度下风洞试验的输沙率是SWEEP模拟结果的1.7倍，其余情况下SWEEP模拟结果均显著（P<0.05）高于风洞试验结果。

2.1.2　苔藓结皮盖度对风蚀速率的影响

SWEEP模拟和风洞试验结果均表明，土壤风蚀速率随着苔藓结皮盖度的增加呈线性减小（表3），不同结皮盖度下SWEEP模拟的风蚀速率大多显著（P<0.05）高于风洞试验结果（图6）。风洞试验结果显示，当结皮盖度从10%依次增大到30%、50%、80%时，11 m·s^-1风速下风蚀速率变化不明显；而13 m·s^-1和15 m·s^-1风速下平均风蚀速率分别减小了61.1%、86.8%、99.6%和62.4%、76.2%、98.3%。SWEEP模拟结果显示，当结皮盖度从10%增大到80%时，11、13 m·s^-1风速下均无风蚀发生，15 m·s^-1风速下风蚀速率减少了93.2%。

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

y为风蚀速率/（g·m^-2·min^-1）；x为结皮盖度/%。

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图6

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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

虽然SWEEP模拟的风蚀速率大多显著（P<0.05）高于风洞试验结果（除11 m·s^-1风速下结皮盖度为50%和15 m·s^-1风速下结皮盖度为10%、分布为SC的风蚀速率），但随着风速增大，二者的差异逐渐减小。即，11 m·s^-1风速下，SWEEP模拟的风蚀速率和风洞测定的结果差异最大。当结皮盖度为10%时，SWEEP模拟结果高达风洞试验结果的131.1倍；而15 m·s^-1风速下二者的差异最小，当结皮盖度为10%时，SWEEP模拟结果是风洞试验P、CS空间分布下风蚀速率的2.0倍和2.2倍。可见，相同苔藓结皮盖度下，结皮的空间分布对土壤风蚀速率也有一定的影响。

2.2　苔藓结皮空间分布对近地表输沙率和风蚀速率的影响

2.2.1　苔藓结皮空间分布对近地表输沙率的影响

风洞试验结果表明，11、13 m·s^-1风速下，输沙率随苔藓结皮空间分布的变化无明显规律，而风速较大时（15 m·s^-1），苔藓结皮位于试验土槽上风向区域时输沙率最小，斑块状分布次之，位于下风向区域时输沙率最大（即SC>P>CS，图7）。15 m·s^-1风速下，苔藓结皮位于试验土槽上风向区域时，输沙率较其位于下风向和斑块状分布分别减小了2.9~333.6、0.2~36.7 g·m^-1·min^-1。单因素方差分析结果显示，除11 m·s^-1风速下结皮盖度为10%的SC和P分布、结皮盖度为30%的SC和CS分布，其余不同结皮空间分布下输沙率差异显著（P<0.05）。

图7

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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））

2.2.2　苔藓结皮空间分布对风蚀速率的影响

与苔藓结皮空间分布对近地表输沙率的影响相似，不同结皮空间分布下土壤风蚀速率总体上表现出苔藓结皮位于试验土槽上风向区域时风蚀速率最小，而位于下风向区域时风蚀速率最大的变化特征（即SC>P>CS），且风速越大，结皮空间分布对风蚀速率的影响越明显（图8）。如15 m·s^-1风速下，苔藓结皮位于试验土槽上风向区域时，土壤风蚀速率较其位于下风向和斑块状分布分别减小了7.5~390.3、5.5~18.7 g·m^-2·min^-1。单因素方差分析结果表明，不同结皮空间分布下土壤风蚀速率差异显著（P<0.05）。

图8

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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））

2.3　多因素交互作用对风蚀速率和近地表输沙率的影响

苔藓结皮的盖度、空间分布和风速都对风蚀速率和近地表输沙率有重要影响。多因素方差分析结果表明，风速、苔藓结皮盖度、空间分布及各因素交互作用对土壤风蚀速率和近地表输沙率均有显著影响（P<0.05，表4）。风速、结皮盖度和二者的交互作用对风蚀速率的贡献率分别为29.7%、16.3%和23.7%，对近地表输沙率的贡献率为20.6%、10.9%和21.0%。虽然单一结皮空间分布对风蚀速率和近地表输沙率的贡献最小（5.1%和7.6%），但其与风速、结皮盖度交互作用对风蚀速率和近地表输沙率的累计贡献率达到9.9%和16.2%。可见，结皮盖度对风蚀的影响明显大于其空间分布，结皮空间分布主要通过与其他因子共同作用的方式影响土壤风蚀和近地表输沙率。

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

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3 讨论

3.1　苔藓结皮盖度和空间分布影响风蚀速率和近地表输沙率的机理

苔藓结皮主要通过提高地表覆盖、增大地表粗糙度等方式影响风蚀速率和近地表输沙率。首先，苔藓结皮由苔藓植物和微生物通过假根、菌丝体、分泌物等黏结土壤颗粒形成^［4］，结构致密，抗压强度达到56.95 kPa，结皮覆盖区域的起动风速、摩阻风速和空气动力学粗糙度等远远大于裸露土壤^［37］，其覆盖区域土壤颗粒难以被风蚀。前人研究发现，苔藓结皮大幅度提高了起动风速。无结皮覆盖时，地表起动风速为9.9 m·s^-1；当苔藓结皮覆盖70%时，起动风速增大到12.62 m·s^-1［8］。其次，苔藓结皮覆盖减少了裸露地表面积，减弱了风对地表的直接吹蚀作用。风洞试验结果表明，当结皮盖度从10%增大到50%时，13 m·s^-1风速下风蚀速率减小了86.8%。再次，苔藓结皮中苔藓植物密集，垫状丛生^［38］，显著增大了地表粗糙度。前人通过链条法研究发现，苔藓结皮的地表粗糙度是裸沙地表粗糙度的11.8倍^［29］。地表粗糙度增大一方面削弱近地表风速，降低风力对土壤细颗粒的搬运能力，另一方面拦截已被搬运的可蚀性颗粒^［39］，从而使风蚀速率和近地表输沙率减小，输沙高度降低。

苔藓结皮位于上风向区域时，风蚀速率和近地表输沙率较其位于下风向区域和斑块状分布时小。主要原因是位于上风向区域的苔藓结皮削减了风能，降低了裸露地块上的风力剪切力^［40］，而结皮位于试验土槽下风向区域时，苔藓结皮仅发挥了拦截部分蠕移和跃移颗粒的作用。斑块状分布的苔藓结皮则主要通过降低风速、减少受风力影响的地表面积减小风蚀^［41］。因此斑块状分布结皮的防风蚀效果较位于下风向区域的结皮好。

3.2　模型准确预测生物结皮对风蚀速率影响的可能途径

不同结皮盖度和空间分布条件下，SWEEP模拟较风洞试验明显高估风蚀速率和近地表输沙率，而风洞试验的风蚀速率通常也远高于野外观测结果^［42］，因此本研究中SWEEP对土壤风蚀的预测严重偏高。因此，筛选表征生物结皮影响土壤风蚀的因子并进行准确的量化表达对提高模型估算生物结皮影响下的风蚀速率准确性具有重要意义。首先，需要加强生物结皮影响风蚀的量化研究，在前人明确生物结皮类型、盖度、干扰程度等因子对土壤风蚀影响研究的基础上，重点量化生物结皮空间分布对风蚀的影响，考虑多因子的交互作用，加强多因子对风蚀影响的综合作用研究。可以结合景观生态学、层次分析法、灰色关联度等方法，寻找综合表达多因素综合作用的方式^［43-45］，也可借鉴生物土壤结皮影响水蚀的研究中，通过叶绿素等指标表征土壤水蚀与生物结皮发育和演替等特征的关系^［46］。其次，本研究采用了模型中物理结皮的量化参数，虽然苔藓结皮参数大多采用实测获得，并未直接使用模型中物理结皮因子的算法（如结皮厚度用游标卡尺直接测定而非根据降雨量估算）。然而，考虑到生物结皮与物理结皮在成因、形态、颗粒组成、生物种类与数量、生态功能等方面均存在巨大差异，其对风蚀的影响较物理结皮也有很大差异^［47-49］。描述物理结皮特征的参数是否适用于生物结皮特征描述仍需深入研究。因此，未来的研究中需要明确生物结皮影响土壤风蚀的定量表达关键因子。再次，生物结皮对风蚀物有明显的拦截作用，Zhang等^［14］结合风洞试验和Be-7示踪技术的结果显示，盖度10%~80%的苔藓结皮可以拦截16.7~21.7 g·m^-2·min^-1的风蚀物。研究生物结皮对风蚀的影响必须考虑苔藓对风蚀物的拦截作用。最后，基于生物结皮关键因子建立生物结皮影响风蚀速率的量化算法，通过建立生物结皮因子数据库、构建算法体系、开发用户界面等，满足用户模拟生物结皮影响风蚀的需求。

4 结论

生物结皮是影响土壤风蚀的重要地被物。风洞试验和SWEEP模拟均表明，土壤风蚀速率和近地表输沙率均随苔藓结皮盖度的增加而减小，尤其是在较大风速（15 m·s^-1）下，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%。生物结皮空间分布也是影响土壤风蚀的因素，相较于苔藓结皮位于试验土槽下风向区域和斑块状分布，其位于试验土槽上风向区域时对风蚀的防控效果更好。不同苔藓结皮盖度和空间分布下，SWEEP模拟的风蚀速率和输沙率往往高于风洞试验结果的主要原因是采用SWEEP中物理结皮的量化因子不能准确量化生物结皮对风蚀的影响，且未考虑生物结皮对风蚀物的拦截作用。因此，未来的研究中，应加强对生物结皮影响土壤风蚀的研究，改进风蚀模型中结皮因子的定量表达，建立生物结皮影响风蚀速率的量化算法，提高模型预报风蚀的准确性。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[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.

[本文引用: 2]

[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.