戈壁指地面平坦、地表由砾石覆盖的干旱区特有的荒漠景观^［1］。戈壁地区地表裸露，植被稀疏，风沙活动频繁^［2］。戈壁既是中国面积最大的风成地貌类型，也是中国西北建筑和交通的重要选址对象和“一带一路”的主要途径区域^［3］，戈壁下垫面矿产资源丰富，但在矿区开采过程中极易破坏戈壁下垫面砾石覆盖层。而砾石床面对抑制干旱区地表风沙运动、风蚀、风积等具有重要作用^［4-5］，风沙运动在风蚀、风积等过程中改变地表组分，下垫面砾石盖度亦发生改变，这在一定程度上表征了风-沙-地表的相互耦合关系和作用机制。因此，认识戈壁地表风沙运动及其对下垫面的相互作用关系对进一步了解戈壁地区风沙防治原理、风沙地貌的发育及风沙防治措施的提出具有重要意义。

戈壁风沙运动研究成果较多，大部分学者从风蚀强度^［6］、风蚀量^［7］、风蚀速率定量模拟^［8］、蚀积过程^［9-10］、床面动力学特征^［11］、沉积物输运^［12］等角度进行相关研究。受戈壁下垫面砾石盖度弹性作用，戈壁地区风沙运动的结构、方式、强度等与沙漠地区相比均有较大差异^［13-14］。如今，人们对沙漠地区风沙运动的研究已相对成熟，戈壁地区风沙运动受下垫面砾石盖度、组分和结构等因素影响^［13-18］，戈壁风沙运动过程也影响其下垫面，从而形成一种相对复杂的耦合关系。以前人们更多关注下垫面的变化对戈壁风沙运动的影响^{［14，19-21］}，而风沙运动过程对戈壁下垫面也有一定影响，但目前对不同强度下风沙运动戈壁地表砾石盖度如何变化、与风速和输沙有什么关系还尚不清楚。

以往关于砾石覆盖度的测定通常采用目视法或网格化测量，统计误差大、耗时耗力，且仅适用于小尺度调查。现在通过相机拍摄数字图像、无人机航拍、ImageJ 图像自动识别和人工手动提取等方式可以准确地提取地表砾石盖度^［22-23］。戈壁风沙运动观测的传统方法为野外观测法，但该方法耗时长、难度大，且不能代表其过程观测，而大部分学者通过风洞模拟实现对床面风沙过程的研究，该方法一方面可以避免地形、地貌差异对风沙运动的影响，另一方面便于操作，可以实现风沙运动过程中砾石盖度变化的研究。鉴于此，本文利用风洞模拟试验观测不同风速、不同砾石盖度床面地表风沙运动过程及其对床面砾石盖度变化的影响，为进一步研究戈壁床面风沙运动机理和风沙防治提供理论依据和数据支撑。

实验在中国科学院西北生态环境资源研究院野外风沙环境风洞中进行，该风洞为直流吹气式风洞，风洞全长38 m，试验段长度为 21 m，截面积1.2 m×1.2 m，边界层厚度50 cm（图1）。由动力段、整流段、供沙装置、试验段和扩散段组成，测量范围0~40 m·s^-1，在测试过程中，通过调速控制组件达到测试的同步性。

为模拟不同砾石盖度戈壁地表，戈壁床面在沙子、砾石和粉尘均匀混合的过程中按砾石质量百分含量10%、20%、30%、40%、50%、60%铺设，采用天然混合沙为沙样，沙样粒径为0.001~4 mm，以极细沙、细沙和中沙为主，峰值均出现在0.25 mm处。利用ImageJ人工手动提取的方法获得初始砾石盖度分别为0.15%、2.24%、6.53%、12.94%、17.53%、43.96%。人工铺设的戈壁床面设置在实验段中央，尺寸为1.2 m×5 m，厚度5~10 cm，不均匀。在5 m长的戈壁床面末尾处放置积沙仪，积沙仪采用高度20 cm、积沙口断面面积2.0 cm×2.0 cm、层数共10层的平口阶梯式积沙仪。收集不同砾石床面盖度下、不同风速作用后的运动风沙量并称重。以完成输沙量垂直分布的测定，观测风沙流经过5 m砾石盖度床面输沙量发生变化的状况。实验分别选取6、8、10、12、14、16、18、20、22、24 m·s^-1共10组风速。每完成一个风速的实验，重整沙面以保证充足沙源。

将积沙仪收集到的运动风沙带回实验室进行前期处理，每个样品称取2.5 g置于烧杯中，分别加入100 mL蒸馏水、4 mL浓度为10%的双氧水，静置3~8 h后加入3滴盐酸，静置12 h后倒掉上层废液， 采用Mastersizer 3000激光粒度仪进行粒度测试。由于低风速下运动风沙量很少，不足以测定输沙颗粒粒度。

采用Udden-Wentworth 划分标准确定粒度组分，采用Folk等^［24］提出的粒度参数公式进行计算。

式中：M_z为平均粒径；σ为分选系数；SK为偏态；K_g为峰态；Φ₅、Φ₁₆、Φ₂₅、Φ₅₀、Φ₇₅、Φ₈₄、Φ₉₅分别为输沙颗粒粒径累积曲线上累积百分含量为 5%、16%、 25%、50%、75%、84%、95%时所对应粒径值。

在不同砾石盖度、不同风速作用后的戈壁地表放置1 m×1 m的毫米标尺可移动样方，并进行照片拍摄，获取戈壁床面砾石特征无干扰状态下的垂直投影照片，共拍摄60张照片（10组风速、6种砾石地表盖度），现对6、10、12、18、24 m·s^-1共5组风速、6种砾石地表盖度下的拍摄照片进行砾石盖度的提取。采用ImageJ将实验过程中拍好的戈壁床面照片转化为砾石盖度数据。对图片进行亮度、对比度和锐化处理，使用人工手动勾选方法计算颗粒（≥2 mm）所占面积，由于颗粒重叠等原因需要在勾选时对颗粒进行裁切，重叠部分区域面积不被计入颗粒面积，采用ImageJ进行颗粒面积量测（图2）。

从垂直高度来看，输沙量变化趋势大致分为3种：0.15%~43.96%砾石盖度下，低风速段（6~14 m·s^-1）床面输沙量基本保持不变，中风速段（16~18 m·s^-1）输沙量小幅度增加，高风速段（18~24 m·s^-1）输沙量表现为先增大后减小趋势，输沙量最大值出现在10~14 cm处（图3）。高风速低砾石盖度下（0.15%~6.53%）随风速增加最大输沙量出现上移；与低砾石盖度相比，高风速段高砾石盖度下（12.94%~43.96%）输沙量变化量减小，最大输沙量均出现在10 cm处，跃移沙粒进一步增多，不同砾石盖度床面风沙流出现差异，此时风沙流发展充分，当砾石盖度达到43.96%时输沙量变化最小。显然，近地表风沙流结构受床面砾石盖度和风速共同调控，高风速下，随砾石盖度增加，总输沙量和总输沙廓线曲率均呈减小趋势。特定砾石盖度下，高风速段随风速增加输沙量变化曲线曲率增大，最大输沙量也随之增加。相同风速下，随砾石盖度增加，输沙量呈减小趋势，由此可见，地表砾石盖度对风沙流结构影响显著，且戈壁地表砾石盖度越大，对风沙流结构影响越明显。

6~12 m·s^-1风速段，随砾石盖度增加，总输沙量变化较小，不同风速下总输沙量变化速率基本不变。12~24 m·s^-1风速段，随砾石盖度增加，总输沙量大体呈减小趋势，总输沙量变化速率也呈减小趋势。相同砾石盖度下，总输沙量随风速增加呈增加趋势。随砾石盖度增加，12~24 m·s^-1风速段总输沙量在不同风速下变化量呈减小趋势（图4）。

不同砾石盖度床面风沙流输沙粒度频率分布曲线基本相似（图5），均表现为单峰分布，但受不同砾石床面盖度的影响，粒径为0.25 mm时风沙流输沙颗粒的质量百分含量略有差异（2.17~3.53 mm）。随着床面砾石盖度的增加，输沙粒度频率分布曲线有下移趋势，但不管砾石盖度如何变化，对其输沙颗粒频率分布规律影响较小，只对曲线峰值粒径所占质量百分含量有所影响。由此可以证明，风速一定时，风沙流中输沙颗粒粒度分布受砾石盖度影响较小。

随砾石盖度增加，平均粒径分别为0.16~0.22、0.18~0.23、0.19~0.22、0.19~0.23、0.20~0.22、0.21~0.22 mm。随风速增加，0.15%~12.94%、17.53%~43.96%砾石盖度下，分选系数分别为0.07~0.1、0.081~0.09，后者和前者相比，变化范围减小，分选性极好； 0.15%~12.94%、17.53%~43.96%砾石盖度下，偏度值分别为0.001~0.01、0.004~0.006，峰度值分别为0.007~0.013、0.009~0.01。显然，随砾石盖度增加，不同风速平均粒径、分选系数、偏度和峰度变化范围均呈减小趋势，平均粒径波动不大，整体向更细方向发展，分选性极好，偏度呈近对称分布，峰度值很宽。即随砾石盖度增加，不同风速下粒度参数差异性逐渐减小，当砾石盖度增加到43.96%时，不同风速粒度参数值基本保持一致（图6）。

不同初始砾石盖度下砾石盖度随风速增加呈线性函数增长，0.15%~43.96%初始盖度下砾石盖度在24 m·s^-1风速作用下砾石盖度分别是初始砾石盖度的82.76、12.71、4.55、2.69、2.68、1.43倍， 17.53%和43.96%初始砾石盖度下砾石盖度随风速变化较明显（图7）。2.24%~43.96%初始砾石盖度下，砾石盖度在12 m·s^-1风速作用下分别是初始砾石盖度的2.37、3.65、5.36、6.47、12.75倍。24 m·s^-1风速下，2.24%~6.53%初始砾石盖度床面下砾石盖度是初始砾石盖度的2.35、2.45倍，17.53%~43.96%初始砾石盖度下砾石盖度是初始砾石盖度的2.86、3.78、5.19倍。综上所述，低风速下，低砾石盖度床面下，细颗粒组分流失，砾石盖度变化较小，随风速增加，砾石盖度不断增加，戈壁砾石床面被吹蚀，使其地表粗颗粒砾石裸露，细颗粒组分减少，使砾石床面盖度增加，且不同砾石盖度变化量增加。高风速下，随着砾石盖度逐渐增加，戈壁床面细颗粒组分流失严重，粗颗粒砾石增加，和低风速相比，不同砾石盖度变化量增加。相同初始砾石盖度床面下，砾石盖度随风速变化明显，表现为先快速增加，变化量较小，增长到一定程度时缓慢增加，变化量增加。

在风沙运动过程中，随作用风速增大戈壁床面砾石盖度呈线性增加，且二者呈线性强相关（表1）。在分析砾石盖度和风速的相关关系时，由于风具有紊动性，故瞬时风速用一定时间间隔的平均风速代替，这是讨论近地层风速常用的处理方法，易于把握风速总体变化趋势^［20］。

地表覆盖砾石可以在一定程度上抑制可蚀性物质脱离地表、降低地表风速和增加地表粗糙度，从而削弱携沙风沙流和地表之间的相互作用。谭立海等^［8］对不同砾石覆盖度戈壁床面风蚀速率进行定量模拟时发现，砾石盖度低于40%时，砾石粒径增大可以使风蚀率减小，从而削弱风蚀强度。屈建军等^［21］对多种典型戈壁床面风沙流特性进行比较发现，特定风速下下覆地表对风沙流结构的影响占绝对优势，主要原因是不同下垫面对沙粒起动风速、跃移高度及能量衰减的影响程度不同，同一风速下输沙量主要受控于戈壁地表粒度组成。本研究通过对不同戈壁床面砾石盖度、不同风速梯度作用下输沙量和总输沙量垂直分布特征的分析，发现中高风速段砾石盖度越小近地表输沙廓线曲率越大，高风速段低砾石盖度（0.15%~12.94%）下随风速增加输沙量拐点上移，这与屈建军等^［25］研究结果一致。因风速增加，沙床面蠕移质携带能量增大，与戈壁地表碰撞过程中能量损失很少，起跳角度增大使输沙量随风速增加呈上升趋势，而风速变化对戈壁风蚀强度的影响比砾石盖度更明显，仅砾石盖度大于30%时盖度对风蚀强度抑制作用更强烈^［5］，盖度为10%~50%时，风蚀速率显著减小^［7］，这与本文试验结果一致。本文砾石盖度小于30%时，不同砾石盖度下中高风速段输沙特征变化明显，当砾石盖度为43.9%时，输沙特征变化较小，风沙流结构受风速影响变化更明显。由于戈壁床面砾石盖度越大，床面粗糙度越大，沙粒和砾石发生碰撞的起跳高度增大，沙粒所获取动能增大，使床面对气流的摩擦阻力增加，抗侵蚀能力增强，风蚀强度随之减弱。中国西北戈壁地表以中覆盖度为主，砾石盖度为32%~85%^［22］，本文基于ImageJ提取的原始砾石床面盖度为0.15%~43.96%，因此介于这种砾石盖度下的戈壁风沙流结构特征对野外戈壁风沙运动研究具有一定参考价值。

戈壁砾石盖度、风速等是影响戈壁风沙运动的主要物理指标，输沙粒度组分含量、粒度参数特征表征了风沙运动过程中风力对沙源物质的搬运能力和分选情况^［24］，风速一定时，在不同戈壁床面砾石盖度影响下，输沙颗粒频率分布曲线均表现为单峰分布，床面砾石盖度只对曲线峰值粒径所占质量百分含量有所影响，对风沙流中输沙颗粒粒度分布影响较小。整体来看，随砾石盖度增加不同风速粒度参数差异性减小，达到43.96%时基本保持一致。

少数学者利用数值模拟取得一定研究进展，发现砾石盖度可以直接影响沙尘的沉积分布情况，且砾石盖度大于40%时可以有效抑制沙尘释放^［26］，这与本实验结果一致，本实验中砾石盖度达到43.9%时，风沙流结构受砾石盖度影响变化最小。从风沙流输沙组分角度分析，戈壁区风沙运动的主要运动形式为跃移沙粒与地表砾石的碰撞和反弹作用，跃移沙粒运动同时也影响着悬移组分，而跃移组分含量受下垫面砾石盖度影响，砾石盖度不同对应地表物质组成不同，跃移组分含量受物质组成影响。砾石盖度越大，地表粗糙度越大，跃移高度和长度越大，又因近地表0~20 cm为风沙活动层，而风沙活动层内气流紊动性受跃移沙粒影响很大，参与戈壁风沙运动的跃移沙粒数量多、速度快，起跳初速度和角度都很大，跃移沙粒可以充分利用气流能量^［27-28］。

利用ImageJ对数字图像进行砾石盖度结果提取已被证明具有可行性和适用性^［21］，与无人机获取的戈壁地表正射图像^［22］相比，该方法获取图像分辨率较高，可以较好地识别2 mm以上的砾石。

戈壁风沙运动除了受风速、砾石盖度影响，还与局部地形地貌、植被分布格局等因素有密切联系。戈壁野外条件错综复杂，本文仅对一定条件下的戈壁风沙运动对下垫面砾石盖度变化的影响进行了分析描述，初步获取了基于风洞试验观测的戈壁风沙运动和下垫面砾石盖度变化的耦合结果，但具体耦合过程尚不清楚，具体影响机制仍需深入研究。

戈壁地表输沙廓线随风速变化趋势可大致分为3类：低风速段（6~14 m·s^-1）基本不变、中风速段（16~18 m·s^-1）小幅增加、高风速段（18~24 m·s^-1）先增加后减少并出现拐点。中高风速段砾石盖度越小近地表输沙廓线曲率越大，高风速段低砾石盖度（0.15%~12.94%）下随风速增加拐点上移，表明风速对风沙流结构影响明显。高砾石盖度（17.53%~43.96%）低风速下风沙流结构变化不明显，表明高砾石盖度对戈壁风沙运动有明显抑制作用；随床面砾石盖度增加，输沙粒度频率分布曲线有下移趋势，砾石盖度对输沙颗粒频率分布规律影响较小，均表现为单峰分布，只对曲线峰值粒径所占质量百分含量有所影响，说明风速一定时，风沙流中输沙颗粒粒度分布受砾石盖度影响较小，随砾石盖度增加不同风速粒度参数差异性减小，达到43.96%时基本保持一致。

床面砾石盖度随风速增加呈线性函数增长，高风速下不同盖度变化量大于低风速下盖度变化量。从野外生产生活实践等角度考虑，戈壁地表铺设砾石盖度大于40%时，有利于防沙治沙。从理论应用角度考虑，这种戈壁风沙运动和下垫面之间相互耦合作用结果可以为风沙物理学提供理论参考。