土壤风蚀是全球干旱与半干旱地区的主要环境问题^［1-2］。植被通过遮盖地表，降低风速和捕获土壤颗粒来削弱风力侵蚀，已得到了广泛的认可^［3-5］。在植被防治土壤风蚀的研究进程中，国内外学者从刚性粗糙元模拟植被到具有柔性的真实植被已开展了很多研究。Abulaiti等^［6］探究柔性和刚性粗糙元对风沙流结构的影响，Liu等^［7］在日本风洞实验中分析不同形状和植被覆盖度的植物模型（圆柱体、圆锥体、倒截锥体）对风速和空气动力学粗糙度的影响，Miri等^［8-10］探索真实植物植被秋英（Cosmos bipinnatus）和女贞（Ligustrum lucidum Ait）的形态（锋面面积和孔隙率）对风速与输沙量的影响，Kinugasa等^［11］在蒙古模拟牧草不同高度对风蚀量的响应，Suter-Burri等^［12］利用彩色沙观察多年生黑麦草的风沙沉积过程，Bhutto等^［13］探究灌木（白刺、梭梭、沙拐枣、红芪）对风蚀过程的影响。国外学者在植被防治土壤风蚀方面，更侧重植被特征与风速和输沙量之间的定量关系，并且得出植被主要通过植被形态、密度、高度、排列方式及植株弹性对风蚀有很大贡献^{［10，14-15］}。而国内学者多集中在从植被盖度视角的风沙流结构，研究植被盖度和风速与风蚀量的定量关系^［16-18］，而如何合理配置植被，确定最优防风蚀条件下的植被盖度特征的临界值，目前尚需深入研究 ^［19］，且草本植被盖度对风沙流影响的研究有限，不同植被盖度下的空气动力学粗糙度是土壤防治风蚀理论中仍需深入探讨的重要参数^［19］。

准确测量和预测风成沙规律对于风成沙地貌的演变评估和风成沙灾害的管理非常重要^［20-21］。室内风洞实验的模型植物不可能完全代表自然环境中活植被的有效性，植物的生理特性及土壤真实环境难以复制^［22］。本文利用移动风洞^［23］进行野外原位测试，首次在野外相同受控条件下大量种植沙打旺植被，利用自然环境中土壤、地形、植被等真实特性，促进实验结果更接近实际情况。本研究目的是探索不同植被盖度视角下沙打旺的输沙率与风沙流结构特征，以期确定野外自然环境下最优防风蚀植被盖度特征的临界值，为进一步研究典型干旱地区土壤风蚀过程制定合理的防风固沙技术提供实践参考。

研究区位于陕西省榆林市榆阳区灯炉滩村（38°23′N、109°23′E），距榆林市区约60 km，海拔约1 000 m，年平均气温约10 ℃，年降雨量200~300 mm（雨量分配不均，春冬干旱频发，秋季暴雨集中），属于中国北方半干旱地区，处于毛乌素沙地的南缘，气候干燥以及大量的裸露沙地，导致了较严重的风蚀现象，尤其春季，最大风力可达10级以上^［24］。对当地的生态环境、农田和人民的生产生活带来了一定的影响和挑战。《全国防沙治沙规划（2021—2030年）》将该区域定为优先防沙治理区^［24］，如推进植树造林、沙土固定工程等，以保护当地的生态环境和农业生产。

实验选择植被是斜茎黄芪（俗称沙打旺，Astragalus adsurgens），沙打旺是多年生草本植物（豆科，黄芪属），是当地常见的植被，也是抗风蚀的典型沙漠植被，被广泛应用于荒漠化土地的生态修复和防沙治沙工作中。

2022年3月15日种植沙打旺，2022年7月18日至2022年7月24日进行沙打旺风洞实验，历时约5个月。实验样地中，植被盖度设置为10%、20%、30%、40%，植被布局设置为：一行一带、两行一带和交叉布局，植被高度分为10 cm和20 cm，共计24块样地，其中样地大小为1.5 m×10 m，实验段（实验床面）植被分布范围为0.5 m×7.2 m。如图1和图2所示，本次风洞实验段床面设置有24种，每种床面分别进行4种风速实验，当来流风速为7、9、11、13 m·s^-1时（该测点位于实验段前端），对应变频器的输入频率约为18、22、27、32 Hz，对应裸地的风洞尾部轴流风速约为8、10、12、14 m·s^-1（该测点位于实验段尾部）。

沙打旺实际种植过程中，存在补苗和生长高度不一致现象，超出10 cm的植物高度以剪刀去除。沙打旺高10 cm时，平均冠幅约17 cm×15 cm，且沙打旺有丛生现象，计算单株面积在0.5 m×7.2 m的实验段上，按植被盖度10%、20%、30%、40%来配置风洞实验的植被株数，分别为16、32、48、64株，其对应实际大范围盖度约为400、800、1 200、1 600 株·hm^-2等4种密度。植被盖度指垂直方向植被的投影面积在试验区的面积占比，以植被盖度10%为例，其计算方法是4行×0.17 m×0.5 m（每行垂直投影面积）/0.5 m×7.2 m（试验段总面积）。

陕西师范大学移动风洞为开路式直流吹气式风洞，由动力段、整流段和实验段3部分组成，全长11 m，实验段长7.2 m，高0.6 m，宽0.5 m，风速0~27 m·s^-1，由Y500-X0075G3变频器控制，实现了风速连续可调，配套电机为Y132S-2型三相异步电动机，由常柴ZS1115型标定功率16.2 kW的柴油发电机供电。风洞结构设计为３段可拆卸式，由主体段、实验段（3.6 m）和实验段加长段（3.6 m）组成，各段之间可以实现灵活拆卸，拆卸后装载在风洞专用车厢中进行远距离运输^［23］（图2）。本实验进行3次裸地测试，均显示风速与高度的分布具有良好的对数关系，拟合曲线的R²均值可达0.99，符合近地表自然风况的特征，满足实验要求。

输沙量测量：实验中采用WITSEG集沙仪（风洞用多路集沙仪）高45 cm，监测高度为30 cm，楔形入口段有15个进沙口（1 cm×2 cm），总输沙率随风速的变化与Lattau和Lattau式方程非常一致，集沙效率约为0.91，基本满足实验要求^［25］。集沙仪放置在风洞尾部中线处，距离风洞尾部边缘中垂线距离20 cm，距离风洞试验段前端7.4 m（图1）。每个实验样地进行4组风速实验，其中来流风速为7 m·s^-1吹10 min，9 m·s^-1吹5 min，11 m·s^-1吹3 min，13 m·s^-1吹1 min，每组风速时间到后关闭风机，取走集沙仪，先将其15个集沙盒的沙子装入自封袋，后回实验室用千分位秤测量其质量，每组风速以此往复。本文使用来流风速为9 m·s^-1时集沙仪中的风蚀物质量数据，未考虑集沙效率。

风速测量：实验中采用热线风速仪^［26］，采用交流220 V供电，共有6个测量探头，其中5个测点布置于风洞尾部的中心，距离地面垂直高度分别为1、5、10、20、30 cm，一个测点布置在实验段前端距离地面垂直高度为30 cm处，作为来流风速（指示风速），数据采样频率为１ s（图1），文中所用数据为该吹蚀时段内的风速均值。

样地土壤含水量测量：在实验样地中随机选取9个样方，利用铝盒在每个样方中取3次土样，总计27个铝盒，在烘箱105 ℃下烘干24 h，计算得到0~2.5 cm土壤含水量均值0.27%，2.5~5 cm均值是1.86%，5~10 cm均值2.99%。

样地土壤容重测量：在实验样地中随机选取9个样方，利用环刀法在每个样方中取二次土样，总计18个环刀（体积为100 cm³），在烘箱105 ℃下烘干24 h，计算得到土壤容重在0~5 cm均值1.3703 g·cm^-1，5~10 cm均值1.4387 g·cm^-1。

本文重点分析不同植被盖度下输沙率及风沙流结构的变化，分析时以风洞来流风速为9 m·s^-1（吹蚀5 min），植被高度为10 cm，植被布局为一行一带、两行一带和交叉布局。

将集沙仪中15个进沙口（1 cm×2 cm）收集到的风蚀物质量分布绘制成风沙流结构分布曲线。将集沙仪中15个进沙口（1 cm×2 cm）收集到的风蚀物质量进行累计百分比统计。

单宽输沙率是指单位宽度上的沙尘颗粒输送量：

式中：Q_w表示单宽输沙率（单位： kg·m^-1·h^-1）；W_t表示沙量总质量（本实验为集沙仪15个高度的沙量总和）；L表示实验区域的宽度（本实验集沙仪宽度为0.01 m）；T表示实验或观测的持续时间。

风蚀抑制效率（K）是裸地的风蚀量（F₁）和不同植被盖度下的风蚀量（F₂）的差值，与裸地的风蚀量（F₁）的比值^［20］，即：

式中：K为风蚀抑制效率（%）；F₁为裸地的风蚀量；F₂为不同植被覆盖度下的风蚀量。应用公式（2）计算的是近地表20 cm以内的不同高度的风蚀抑制效率均值。

当地表有植覆盖时，近地表流场发生变化。气流受植被的影响被迫抬升，此时呈对数分布的风速廓线相应地发生位移，把原来在裸地面上的空气动力学粗糙度向上抬升一个位移量z0'，这个位移量z0'叫作零风速平面位移高度，因此风速廓线的方程调整为^［16］：

式中：u_* 为摩阻速度（或剪切速度）；u为高度z处的风速；κ为卡曼常数，一般取值为0.4。前人将风速廓线测定结果应用最小二乘法做相关分析，得到了广泛的应用^［1，7］。其方程表示为：

式中：u_z是高度为z处的风速值，令u_z =0即可得出z₀：

本实验3次裸地（无植被覆盖）测试结果中，测定裸地的空气动力学粗糙度均值为0.06 cm。由有植被覆盖的z₀（即增大后的z₀）减去裸地空气动力学粗糙度（0.06 cm），即为原来裸地面上的空气动力学粗糙度向上抬升一个位移量z0'，这个位移量z0'也叫作零风速平面位移高度，其计算如下：

本次风洞实验中主要计算植被高度为10 cm的沙打旺的下垫面空气动力学粗糙度（z₀），其是由垂直高度10、20 cm和30 cm上的风速与其对数高度拟合确定。

从图3可知，当植被盖度较小时，风沙流结构的分布曲线遵循指数函数分布规律，随着植被盖度增大，曲线不再遵循指数变化规律。曲线形态变化差异大，除了主要受植被盖度的影响外，还可能与植被高度、植被形态、集沙仪与植被距离等综合作用有关。如两行一带中，植被盖度为40%时，在10 cm高度处，出现跳跃性输沙量增大，这可能与植被高度为10 cm有关，加之集沙仪与植被距离较近，出现了10 cm处输沙量跳跃性增长和12 cm处断崖式下降的现象。如交叉布局中，植被盖度为30%时，输沙量在0~15 cm处呈现增加趋势，而15 cm之后呈现阶梯式下降趋势，这可能与植被形态相关，且在实验时也发现，每个样地会有微地形差异性，加之真实的植被并不是统一的模型，出现植物生长高低不一致、植被生长异常，以及缺苗现象等，因此会出现风沙流分布曲线的异常值现象。另外发现，3种植被布局下风沙流曲线的形态变化规律不显著，相比植被布局，风沙流结构分布曲线受植被盖度影响大（图3）。

从图3和表1可发现，随着植被盖度增大，输沙总量呈减小趋势，且近地层的输沙量不断减少，高层输沙量不断增加，最大输沙量的高度层不断上移，直至风蚀输沙量极小时，各层输沙量分布规律变化不显著。

当植被盖度为10%时，近地层的输沙量占比为47.87%，中层的输沙量占比为32.38%，高层的输沙量占比为19.76%；当植被盖度为20%时，近地层的输沙量占比为38.97%，中层的输沙量占比为33.38%，高层的输沙量占比为27.65%；植被盖度为30%时，近地层的输沙量占比为15.50%，中层的输沙量占比为35.81%，高层的输沙量占比为48.68%（表1）。这表明随着植被盖度增大，风沙流结构呈现低层输沙量减少，中高层呈增大趋势，最大输沙量的高度层从4 cm上升到24 cm，表明植被盖度增加对地表（低层）风力侵蚀具有一定的防护作用。另外可发现不同植被布局下的风沙流结构差异不大，风沙流结构的分布主要受植被盖度的影响。

至风蚀输沙量极小时，各层输沙量分布变化不规律，不仅表现为高层输沙量大于低层也存在低层输沙量大于高层。如表1中（一行一带布局）当植被盖度为40%时，低层的输沙量为16.39%，中层的输沙量为28.71%，高层的输沙量为54.90%，表现为中高层的输沙量大于底层；当两行一带布局时，表现为中层输沙量较大；当交叉布局时，底层输沙量大于高层（图3）。

随着植被盖度增加，输沙率呈减小趋势，且符合指数递减规律，R²均大于0.9，至植被盖度达到30%时，输沙率变化较小（图4）。从表2可知，随植被盖度增大，无论植被布局是一行一带、两行一带还是交叉布局，单宽输沙率均呈减小趋势。当沙打旺盖度到达约30%时，3种布局下的输沙率均是极小的，由此可以认为沙打旺的最佳防风蚀的盖度为约30%。

从表3中发现，植被盖度由10%增大到20%时，风蚀抑制效率明显增大，尤其一行一带增幅达42%，当植被盖度由20%增大到30%时，两行一带和交叉布局风蚀抑制效率增加不显著，但一行一带布局下风蚀抑制效率增幅达38%，当植被盖度由30%增大到40%时，3种布局下的风蚀抑制效率变化均不显著，这表明沙打旺的最佳防风蚀盖度为30%，植被盖度为30%时，3种布局下的风蚀抑制效率均能达到90%以上。同时也可以发现两行一带和交叉布局的风蚀抑制效率强于一行一带，尤其当植被盖度小于30%时更为显著。

综上，沙打旺的最佳防风蚀盖度为30%，能抑制近地表20 cm以内90%的输沙量。

以表4中一行一带布局为例，植被盖度从20%增大到30%，粗糙度z₀增加了3.45 cm，植被盖度从30%增大到40%时粗糙度z₀增加了1.11 cm，表明z₀增长率减弱，在两行一带和交叉布局中均呈现一致规律。

从图5可发现，3种植被布局（一行一带、两行一带和交叉布局）下，z₀均随植被盖度的增大而增大，且两者的变化规律符合对数函数形式（图5），这表明其增长率随植被盖度的增大而逐渐减小，并最终趋于零。为此，下垫面空气动力学粗糙度有一临界值（阈值），这一规律对于指导半干旱区的植被恢复具有十分重要的现实意义。在上述规律的指导下，可以对干旱与半干旱区植被条件和下垫面空气动力学粗糙度的关系进行科学的研究，找出植被盖度和下垫面粗糙度的最佳结合点，提出防止风蚀发生的植被最佳密度配置模式，从而有效地解决防止风蚀与植被生物量最小之间的矛盾。以本文沙打旺为例，植被盖度达到约30%时，空气动力学参数（z₀）的增长率极小，由此认为植被盖度为30%是沙打旺的临界点（阈值），提出沙打旺的防风蚀最佳植被盖度约为30%，这与上述输沙率得出一致的结论，即当沙打旺植被盖度为30%时，其输沙率是较小的，且能抑制近地表20 cm以内90%的输沙量。

同时也发现，两行一带和交叉布局的空气动力学粗糙度（z₀）整体上大于一行一带，这表明两行一带和交叉布局比一行一带抗风蚀效果更好。这与上述风蚀量和风蚀抑制效率结果一致。

植被盖度对风沙流的影响已有丰富的研究成果。植被盖度是控制风蚀的主要因素，植被盖度对风速及风沙流结构分布具有显著影响，增加植被覆盖密度可以降低风速，减少风沙输移通量^［8-10］，较高的植被盖度可以减弱湍流强度和湍流动能，并且导致风速垂直剖面的水平风速和垂直风速变化降低^［7］，风速在植被上层的某些高度可能会出现反弹现象^［22］，风沙流主要是在近地表运行，最大输沙量的高度层不断上移^［17-18］。MacDonald等^［27］已经证实，空气动力学粗糙度随植被密度增加而增长率减少，这一过程还意味着一旦空气动力学粗糙度达到最大值，风沙累积量趋于稳定^［7］。本研究在前人研究基础上，发现与上述结果一致性的结论，从现场实验数据中发现，植被盖度与下垫面粗糙度的变化趋势符合对数函数趋势，这暗示其z₀增长率逐渐减小并最终趋向零，因此随着植被盖度增大，下垫面空气动力学粗糙度有一个极值，这表明地表粗糙度和植被生物量都存在极限值的限制，找到植被覆盖度和地表粗糙度之间的最佳平衡点，是实现植被恢复与半干旱区环境挑战的至关重要锚点。

Meng等^［28］应用野外实地测试，主要植被是青冈嵩草（Koeleria glauca）、羊草（Leymus chinensis）和克氏针茅（Stipa krylovii），得出草原有效控制风蚀所需的临界植被覆盖度大于60%。本结论与上述结论差异大。主要原因是羊草（Leymus chinensis）、克氏针茅（Stipa krylovii）属于典型草原植被，是禾本科，其形态直立、叶平展，茎秆相对纤细且柔软，且地上部分透风率大，本研究的沙漠植被沙打旺（豆科）茎秆硬度大、茎多数或数个丛生，羽状复叶，地上部分透风率小，根系更粗壮发达，因而抗风蚀性能更强。野外不同研究区的土壤环境也存在差异性，也会导致其结果的差异性。未来的研究可探索干旱区不同植被的最佳防风蚀配置密度，可更精准地指导该区域防风治沙。

从不同盖度下的配置方式来看，本文得出两行一带比一行一代带布局对风蚀影响更强烈。这与前人的研究结果在乔灌尺度得到的结论一致。如Liu等^［7］得出二排防护林比单排防护林的风速降低效果更好。如杨文斌等^［29］、徐高兴等^［30］证明了低覆盖度灌木的行带式分布的防风固沙效果最佳，且两行一带式配置优于一行一带配置。主要原因可能是两行一带布局中，两行植被之间的距离较窄，可以快速形成两次的抵挡和拦截体系，形成较强的遮挡效果，使得风沙在两行植被之间的速度下降，沉积物得以沉淀，从而减轻了风蚀。加之两行一带布局植被的根系和叶面积也更集中，有利于土壤固结，促使抗风蚀性的提高。

另外，野外移动风洞实验具有更高的真实性和代表性，可以更好地模拟自然环境，但也面临天气依赖、实验影响因素复杂、数据分析难、样地扰动等方面的挑战。因此，加强复杂问题的室内风洞研究与野外风洞实践验证仍然是风沙物理学发展的当务之急^［22］。

当植被盖度较小时，风沙流结构的分布曲线遵循指数函数分布规律，随着植被盖度增大，该曲线不再遵循指数变化规律，其形态变化差异大。

随着植被盖度增大，输沙总量呈减小趋势，且近地层的输沙量不断减少，高层输沙量呈增大趋势，最大输沙量的高度层不断上移，直至风蚀输沙量极小时，各层输沙量分布规律变化不显著。相比植被布局，风沙流结构分布受植被盖度影响更大。

在3种植被布局（一行一带、两行一带和交叉布局）下，z₀均随植被盖度的增大而增大，且两者的变化规律符合对数函数形式，其增长率随植被盖度的增大而逐渐减小并最终趋于零，下垫面空气动力学粗糙度有一临界值（阈值），这一规律对于指导半干旱区的植被恢复具有十分重要的现实意义。以沙打旺为例，植被盖度达到约30%时，其空气动力学参数（Z₀）的增长率也较小，且能抑制地表20 cm以内90%的输沙量，由此认为沙打旺控制土壤风蚀的最佳盖度约为30%。