荒漠生态系统是中国陆地生态系统的重要组成部分，具有独特的结构和功能^［1］。干旱区、半干旱区土壤风蚀是土壤退化的主要原因^［2-3］，目前全世界大约2/3的地区遭受着风蚀的影响^［4］。在干旱风沙环境中，植被适应当地气候环境，多以群落的方式存在，但目前针对群落的防风阻沙研究较少^［5-6］。植被通过改变地表覆盖度，增加地表粗糙度，阻挡气流，削弱近地表风速，减少土壤风蚀^［7-9］；同时，植物可改善小气候，增加土壤湿度，改善土壤质地等，增强植物下垫面及周边土壤的抗侵蚀性。

风力是土壤风蚀发生的直接动力。研究表明，风蚀量与风速正相关，土壤受侵蚀强度的分布与风场方向一致^［10］。当风蚀发生时，只有风场方向上的植被会对风沙运动产生影响。国内外关于植被对风沙影响的研究，多从固定尺度范围、单向恒定大小风速的风洞试验及植被配置等角度去分析^［11-12］，少有从不同风向的角度去分析。已有风蚀模型研究表明，起沙风速、地表粗糙度、土壤可蚀性和土壤含水率是影响风蚀的四大要素^［13］，而地表粗糙度则受植被盖度、高度、密度等影响^［14］。植被构型影响风沙运动的模型中，植被盖度的贡献率最大，其次是植被高度^［6］。然而，自然界中群落内植物的随机分布，可能造成不同方向、不同半径范围内的植被盖度差异。野外风沙运动时，风速和风向随时间发生变化。因此，如何确定植被对风沙运动的影响尺度范围、如何统计多风向时植被因子（盖度与高度）与风速，建立输沙率和风速、植被因子之间的数量关系，有待研究。

长期以来，关于乌兰布和沙漠风沙运动的研究受到众多学者的广泛关注^［15-17］。当地的植物群落对周围风沙运动起到了一定的防护作用，缓解了风沙入黄过程。通过野外监测植物周围的风沙运动过程，可以直观地研究植物群落对风沙运动的影响^［18-20］。本研究将对乌兰布和沙漠沿黄两岸荒漠植物群落的地表输沙率、风速及植被因子进行观测，从植被下垫面的角度探讨不同风速条件下，植被因子与粗糙度、输沙率之间的定量关系，了解两岸3种不同荒漠植物群落对风沙运动的影响，探究与粗糙度、输沙率关系最紧密的植被范围，以期明确植物群落对风沙的影响，为沙区植被建设及生态恢复提供理论支持。

研究区位于黄河乌兰布和沙漠段两岸，左岸为阿拉善左旗与磴口县，右岸为杭锦旗与鄂托克旗（图1）。乌兰布和沙漠（39°16′—40°57′N、106°09′—106°57′E）总面积9 991 km^2［21］，海拔1 028~1 054 m，处于以贺兰山为分界线的荒漠-草原干旱区^［22］。由于沙漠地区植被稀少，降水不足，风沙灾害则成为当地的主要灾害类型^［23］。乌兰布和沙漠是黄河流域风沙最活跃的区域，每年向黄河输沙约7.72×10⁷ kg，占黄河含沙总量的37%^［24］。该地区气候干燥，年降水量143 mm，年平均气温8 ℃，年蒸发量2 260 mm，年光照时间3 180 h，属于典型中温带大陆性干旱季风气候。年平均风速3.7 m·s^-1，主要风向为西和西北，大风沙多发生于春季3—5月，年扬沙日数75~79 d，年大风日数10~32 d，年沙尘暴日数19~22 d^［22］。研究区的自然地理景观主要是波状高原和低山丘陵；土壤区系属漠钙土带；在长期干旱多风的气候条件下，地表发育了沙丘链、灌丛沙堆与沙丘间洼地的风沙地貌格局^［25］。两岸植被以旱生灌木和小乔木为建群种，地表主要生长植物为梭梭（Haloxylon ammodendron）、霸王（Zygophyllum xanthoxylum）、四合木（Tetraena mongolica）和沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）等灌木^［26］以及画眉草（Eragrostis pilosa）、狗尾草（Setaria viridis）等一年生沙生植物^［27］。

选取黄河乌兰布和沙漠段两岸植被为研究对象，按照主要建群种的不同，设置梭梭群落样地（40°10′42″N、106°50′45″E）、霸王+四合木群落样地（40°04′42″N、106°52′20″E）和霸王+沙冬青群落样地（40°04′39″N、106°52′52″E），样地大小为300 m×300 m（图1）。实验观测时段为2023年春季，分别在3个样地中心各布设HOBO气象站一套（4个风速，一个风向），观测20、50、100、200 cm高度风速及200 cm风向，采样频率10 s一次，5 min记录一个数据，观测期内风速风向以西风为主（图2）。在每块实验样地内选取不同植被盖度区域分别设置了3个圆形小样地，中心放置集沙仪，小样地之间距离大于50 m，共9块小样地。1、2、3号小样地位于梭梭群落样地，4、5、6号小样地位于霸王+四合木群落样地，7、8、9号小样地位于霸王+沙冬青群落样地。表土松散，表层土壤无结皮。各样地植被盖度、土壤含水量等见表1。

春季单场风时，利用旋转的50层集沙仪进行输沙测定，每层进沙口大小为2 cm×2 cm，每场大风结束，取样后用0.01 g电子天平称重。

植被盖度利用无人机（DJI Phantom 4M）航拍获取数据。航拍选择晴朗无风天气，拍摄时段11：00— 14：00，可尽可能避免阳光斜射产生的阴影对植被盖度的提取造成的数值误差，飞行过程采用等时间间隔拍照，在飞行前设置好区域与航线，横向重叠率为75%，纵向重叠率为70%，云台俯角-90°，飞行速度为8 m·s^-1，飞行高度为50 m，航拍范围为300 m×300 m。利用Pix4D Mapper软件将航拍影像进行拼接镶嵌，再使用ENVI软件利用可见光波段过红指数EXR（=1.4R-G）来区分植被与非植被区域，使用ArcMap软件基于遥感图像的双峰阈值法来计算植被盖度，得到各样地的植被盖度图。将每个圆形小样方按照风向16方位将每个小样方细划分为角度为22.5°的16等份扇形区域，提取各区域内的植被盖度，使用分区统计法得到按风向16方位分区盖度分布图（图3）。

采用2023年春季4—5月监测的风沙数据，对风速、风向、植被盖度、土壤含水率及输沙量进行数据预处理和输沙率计算。

风速廓线：采用对数廓线拟合的方法计算空气动力学粗糙度，测得4个高度（20、50、100、200 cm）风速，并运用最小二乘回归得到风速廓线拟合公式^［15-16］。

式中：U_Z 为Z高度处的风速；a，b为回归系数。

令U_Z ＝0，可求出粗糙度Z₀：

输沙率：输沙率Q的计算公式为：

式中：Q为输沙率，单位kg·m^-1·h^-1；q_i 为第i层输沙量，单位kg；s为集沙仪进风口宽度，单位m；t为集沙时间，是指集沙仪收集沙物质时间内起沙风（高度2 m处瞬时风速≥5 m·s^-1）的累计时间，单位h。

植被盖度：在风沙观测期间，旋转式集沙仪所累积的沙物质无法明确区分不同风向来源的沙粒。鉴于风向的转变以及风流经过具有不同植被盖度和高度的区域时，沙粒被拦截的程度存在差异，本研究旨在更精确地评估植被盖度对沙物质累积的影响。因此，在统计植被盖度时，本研究摒弃了传统方法，转而采用按16个风向方位分别统计植被盖度，并依据各方位起沙风累计时间占总起沙风时间的比例作为权重，进而计算出综合植被盖度。

式中：c为植被盖度，单位%；c_i 为第i方位植被盖度，单位%；t_i 为第i方位起沙风累计时间，单位h；t为观测期内起沙风累计时间，单位h。计算植被盖度时，只考虑起沙风方向植被盖度，忽略未发生风流或瞬时风速<5 m·s^-1的方向。

植被高度：与式（4）同理，植被高度也按植被盖度类似的统计方法，对不同方向的平均植被高度（单株植被高度的总和除以株数）乘以起沙风累计时间的比例。

式中：h为植被高度，单位cm；h_i 为风向16方位中第i方位范围内平均植被高度，单位cm；t_i 为第i方位内起沙风的累计时间，单位h；t为观测期内起沙风的累计时间，单位h。

风速：与式（4）同理，风速也按类似的统计方法，对不同方向的平均风速乘以起沙风累计时间的比例。

式中：v为观测时间段内的风速，单位m·s^-1；v_i 为风向16方位中第i方位平均风速，单位m·s^-1；t_i 为第i方位内起沙风的累计时间，单位h；t为观测期内起沙风的累计时间，单位h。

植被因子对风速的影响主要表现在改变近地表风速垂直分布，进而影响风速廓线。选取瞬时起沙风速大于5 m·s^-1，且连续时间内的各高度平均风速绘制风速廓线图。由图4可以看出， 5~11 m·s^-1的风速梯度下3种群落样地风速廓线均符合U_Z =a+blnZ（R² >0.90）的对数函数分布规律。

相同风速下，3种群落粗糙度有显著差异（P<0.01），表现为霸王+四合木群落>霸王+沙冬青群落>梭梭群落（表2）。已有文献指出，Z₀与植被盖度正相关，符合对数模型^{［11，14］}，且与植被高度线性相关^［28］。本研究探讨风速与植被因子（盖度和高度）对空气动力学粗糙度的定量影响。

各方位的植被盖度及植被高度的变化趋势波动较大（图5）。对一个观测样地而言，多大范围的植被因子（盖度、高度）能代表测定区域，并没有文献研究。为了量化粗糙度Z₀与风速、植被盖度、高度之间的数量关系，本研究以风速仪为中心，按照每次发生时风向，按16方位扇形区域统计不同半径范围（5、10、15、20、25、30 m）的植被盖度c、植被高度h和200 cm高度处风速U_Z 与粗糙度Z₀之间的关系。

在半径尺度变化中，植被生长、分布、盖度差异影响风沙流结构。以霸王+四合木群落为例，植被盖度及高度未随半径尺度规律性变化，但非规律性变化仍影响风沙运动。为探究植被因子与风速对粗糙度的影响，需按不同半径尺度统计分析植被因子（表3）。本研究旨在确定3种群落内，风速与植被因子共同作用下对粗糙度相关性最大的植被尺度范围。采用R²作为评价标准，R²值高表明在该尺度范围内，空气动力学粗糙度与植被因子、风速相关性显著。

从图6可知，不同半径范围内的植被因子与风速、粗糙度的相关性不同。梭梭群落样地中，20 m半径范围内的植被盖度对该样地的粗糙度变化影响最大，霸王+四合木群落及霸王+沙冬青群落样地的粗糙度则与该样地内5 m半径范围内的植被盖度相关性最强，建立拟合方程式：

式中： c为植被盖度（%）； h为植被高度（m）；U_Z 为风速（m·s^-1）；Z₀为空气动力学粗糙度（cm）；a₀、b₀分别为系数；c₀为常数。拟合关系式结果见表4。

从拟合关系式中a₀>0，可知植被盖度c和植被高度h的乘积与粗糙度Z₀正相关，与风速U_Z呈现负相关。这意味着随着植被盖度和植被高度的增加，粗糙度增大；随着风速的增加，粗糙度减小。系数b₀的绝对值要远大于系数a₀，风速是影响粗糙度大小的最主要因素。

在本研究中，3种群落样地的拟合关系式结果均符合R²>0.6的条件，说明使用Levenburg-Marquardt优化算法及Plane函数Z₀=a₀ch+b₀U_Z +c₀来拟合植被盖度、植被高度、风速和粗糙度之间的关系是可行的，并且具有较高的准确性。同时，在计算粗糙度、植被盖度和植被高度等参数均以起沙风向分方位进行统计，由此可见，分方位统计参数可行。

输沙率随风速增加而增大，与植被高度和盖度负相关^{［11，29-30］}。野外观测时，风向风速变化，集沙仪收集的沙物质是多方向混合物，各方向植被盖度、高度等影响因子不同。建立输沙率与植被、风速量化关系时，需考虑方向及作用时长。

在探索植被因子、风速二者对输沙率的影响时，考虑不同范围植被对沙物质的搬运过程的影响可能存在差异，与上文研究粗糙度的方法一样，采用了相同的分半径尺度范围的方法统计分析植被因子，探究了以集沙仪为中心不同半径范围的集成植被盖度、植被高度和风速与输沙量的二次函数和指数函数方程式，筛选出3种拟合效果较好的函数形式

式中： Q为输沙率（单位：kg·m^-1·h^-1）； c为植被盖度（单位：%）；h为植被高度（单位：m）；v为风速（单位：m·s^-1）；a₁、b₁为系数；c₁为常数。研究发现，梭梭群落的最佳植被范围为30 m，霸王+四合木、霸王+沙冬青群落为15 m。

根据3种模型的R²值，Q=exp（a₁ch+b₁v² +c₁）指数函数拟合效果最为理想，梭梭样地、霸王+四合木样地和霸王+沙冬青样地的R²分别为0.324、0.884和0.979（表5）。梭梭群落的输沙率为0.01~0.154 kg·m^-1·h^-1、霸王+四合木群落的输沙率范围0.007~1.114 kg·m^-1·h^-1、霸王+沙冬青群落的输沙率范围0.007~0.752 kg·m^-1·h^-1，与最佳模型预测值进行比较，结果如图7。决定系数R²与模拟线的斜率皆可作为模型拟合效果的评判，R²越接近于1则证明实测值与预测值的偏离程度越低，拟合效果越好。不同群落拟合模型的R²霸王+沙冬青群落（0.979）>霸王+四合木群落（0.884）>梭梭群落（0.324）；模拟线的斜率越接近于1，则证明实测值与预测值的偏离程度越小，拟合效果越好。不同群落拟合线的斜率大小显示：霸王+沙冬青群落斜率为1.01，霸王+四合木群落斜率为0.97，梭梭群落斜率为0.82，由此可看出霸王+沙冬青群落的斜率最接近于1，拟合效果最佳，霸王+四合木群落次之，梭梭群落的斜率与1偏差最大。

综上所述，3种植物群落的拟合效果表现为霸王+沙冬青群落>霸王+四合木群落>梭梭群落，经过验证后，拟合模型的R²与模拟线斜率说明此模型的精度较高，在研究集成风速、植被盖度、植被高度三者与输沙率之间的定量关系时，模型Q=exp（a₁ch+b₁v² +c₁）具有较高的可靠性。

指数函数拟合结果中，系数a₁、b₁分别代表植被因子、风速二者对输沙率造成的影响。不同群落样地内，系数b₁稳定在0.22~0.28，系数a₁稳定在0.04~0.28。对比表5中3种群落样地发现，系数b₁值普遍偏大，这说明风速对输沙率的影响仍然占据主导地位，系数a₁值霸王+四合木群落>霸王+沙冬青群落>梭梭群落，计算3种群落的植被因子c、h和风速因子v² 对输沙率Q的贡献率，梭梭群落中分别为11.99%和15.27%，霸王+四合木群落中分别是0.54%和3.38%，霸王+沙冬青群落中分别为1.75%和12.34%。由此可知，不同群落风速是影响输沙率的最主导因素，植被因子在各群落中的贡献率存在差异显著。

学者研究植被因子对粗糙度、输沙率影响时，常从固定尺度、恒定风速及人工植被配置角度分析^［11-12］。风速风向随时间变化，植被因子因尺度而异。本文提出按风向数据与起沙风时间频率乘积总和计算风速植被因子的方法。

植被影响风沙运动有最佳尺度范围。学者研究不同尺度范围对比结果，寻找最佳影响尺度。韦立伟等^［12］、高函^［31］分别通过设置沙蒿、柠条3种林带配置（1行、2行、3行林带）及背风面不同距离处的粗糙度、输沙率来探究植被的有效影响距离，得出2行林带配置下对风沙的有效影响距离分别为：沙蒿林带背风面10H处、柠条林带背风面5H范围内（H为植被高度），且迎风面越靠近林带防护效果越明显；本研究分析不同半径尺度植被因子与风速对粗糙度、输沙率的影响，通过R²最大值确定最佳影响尺度范围。结合学者结论，植被对风沙运动影响有尺度范围，研究时应考虑不同尺度差异。但最佳影响尺度范围非固定，受行带配置、植被盖度及高度影响。

分析植被因子和风速对输沙率影响时，用集成数据拟合分析其对输沙率的整体影响。风速平方v²对输沙率Q影响显著，符合动能定律公式W=mv²/2，函数模型具物理意义。

空气动力学粗糙度随风速增大而减小，随植被因子增大而增大。植被盖度及高度增加，对近地表对风速的摩擦及阻力增大，导致粗糙度增大，这与白子怡等^［11］、赵永来等^［32］的结论一致。而植被具有一定的韧性，当近地表风速增大到一定程度，植被茎秆及枝叶呈倒伏状态，植被拦截风的作用减小，所以粗糙度随风速的增大而减小^［33-34］。风速和植被之间相互作用，直接导致粗糙度的变化。因此，不同群落的粗糙度，随风速变化存在一个复杂的规律。

国内研究群落中输沙率时，多基于风速、植被盖度、高度及生物量等单因素建立数量关系，对多影响因素的数量关系研究较少。植被高度、盖度与输沙率^［35］、风速与输沙率之间呈指数函数关系^［36］。

在不同群落中，植被因子对输沙率的影响程度存在差异，植被对输沙的影响主要体现在植被下垫面^{［13，32］}，梭梭树冠高，植被因子c、h对输沙率Q影响小，风速v²影响大；霸王+沙冬青群落，植被因子影响小于风速。霸王+四合木群落样地a₁与b₁值相近，影响相近。四合木结构紧密，拦截风沙更有效。3种群落植被因子贡献率表现为梭梭群落>霸王+沙冬青群落>霸王+四合木群落。

植被是自然环境中抵御风沙的首要屏障，其种类、密度、高度及分布影响风蚀过程。不同植物群落对风速削弱、沙粒捕获及土壤保护效果各异。植被结构复杂，群落影响机制更复杂。本文研究不同风速下风速、植被因子与输沙率关系，模型系数揭示参数影响。未来应细化植被参数、优化模型，明确物理机制，构建精准输沙模型，服务风沙防治。

粗糙度Z₀与植被盖度c、植被高度h和风速U_Z 符合Z₀=a₀ch+b₀U_Z +c₀关系，输沙率Q与风速v、植被盖度c、植被高度h之间呈现指数函数Q=exp（a₁ch+b₁v² +c₁）变化规律，风速与粗糙度存在负相关，与输沙率存在正相关，风速是影响粗糙度和输沙率的最主要因素（|b|>a）。植被因子对粗糙度、输沙率的影响具有一定的尺度范围。不同群落中，植被因子对输沙率的影响程度存在差异，下垫面结构紧密的霸王+四合木群落，能够更有效地拦截风沙。