李廷勇教授发表东北黑土区水蚀暴露底土风蚀特
来源:未知 作者:admin 日期:2026-04-07
土壤侵蚀是全球土地退化最严重的形式之一,直接威胁土壤资源可持续利用和粮食安全。我国黑土地是保障国家粮食安全的“压舱石”,然而,自20世纪50年代大规模农业开垦以来,高强度耕作导致水土流失不断加剧。其中,侵蚀沟作为水力侵蚀的最严峻形式,流失表层肥沃土壤,并暴露出松散、结构较差的底土(subsoil)。该层相较于表层,通常黏重板结,有机质含量极低;加之冬春冻融作用,结构更趋松散。而风蚀则进一步加剧了这些裸露底土的侵蚀风险。然而,目前大多数研究聚焦于水蚀过程,对水蚀暴露底土的风蚀特征缺乏系统认知,尤其是在不同风速和团聚体粒径条件下的风蚀动力学机制尚不明确。
因此,本研究选取典型黑土区黑龙江省海伦市水蚀暴露的松散底土为研究对象,在哈尔滨工业大学大气边界层风洞与浪槽联合实验室开展了75次风洞试验,量化了4个不同风速(10、12、14、16 m/s)与4个团聚体粒级(<53、53–250、250–850、850–2000 μm)的风蚀规律。研究可为明确气候变化背景下风水复合侵蚀规律,为风蚀-水蚀耦合模型优化提供临界起动风速、剪切速度等关键参数。
不同自由风速对应的剪切风速为0.15–0.75 m/s,与团聚体最大粒径的1/6次方呈正比关系。剪切风速变化受自由风速与地表粗糙度(团聚体粒径)共同影响,二者可解释其变化的40%(R²=0.40)。粒径850–2000 μm的起动风速约为7.2 m/s,是<53 μm起动风速的两倍(3.6 m/s)。起动风速与粒径呈显著的对数函数关系(R²=0.85),表明粒径是控制风蚀发生的关键因素。
累积输沙量受风速和粒径共同影响。对于53–250 μm和250–850 μm粒径,输沙量随风速增加呈幂函数增加。在16 m/s强风条件下,250–850 μm输沙量可达53–250 μm的两倍,反映了中粗颗粒在强风条件下成为风沙流的重要组成部分。
53–250 μm 与 250–850 μm 粒径质量通量的垂直分布对不同风速的响应有所不同。随风速增大,两组粒径在高处(远离地表)的输送量均明显上升,表明强风能将更大范围的颗粒抬升到较高区域。然而,在近床层区域,两者的分布特征出现分化:53–250 μm在所有风速下均表现出明显的高度峰值,峰值高度随风速增加由3 cm增到5 cm,250–850 μm仅在最高风速(16 m/s)出现显著高度峰值。
研究成果以Effects of Wind Velocity and Aggregate Size on Wind Erosion Characteristics of Loose Subsoil From the Mollisols Region of China: A Wind Tunnel Assessment为题发表在Land Degradation &Development(SCI Q2/二区)上。云南师范大学为论文的第一完成单位,李廷勇研究员为通讯作者,地理学部自然地理学专业硕士研究生徐艳燕为第一作者,共同通讯包括中国农业科学院农业资源与农业区划研究所温艳茹副研究员和中国地质调查局沈阳地调中心戴慧敏主任/高级工程师;主要参与作者包括慕尼黑工业大学Karl Auerswald教授、哈尔滨工业大学高东来教授和兰州大学博士后葛正虎等。研究得到了北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室、国家重点研发计划项目(编号:2024YFD1501103, 2024YFD1501200)、国家自然科学基金(编号:42407492, 42571330)和自然资源部黑土地演化与生态效应重点实验室/辽宁省黑土地演化与生态效应重点实验室(编号:KLEEBL202001)的资助。
论文链接:Yanyan Xu, Bao Liu, YanruWen*, Karl Auerswald, Zhenghu Ge, Donglai Gao, Xinhua Peng, Ting-Yong Li*, Huimin Dai*, Wenbin Wu. Effects of wind velocity and aggregate size on wind erosion characteristics of loose subsoil from the Mollisols region of China: A wind tunnel assessment. Land Degradation & Development. https://doi.org/10.1002/ldr.70412
因此,本研究选取典型黑土区黑龙江省海伦市水蚀暴露的松散底土为研究对象,在哈尔滨工业大学大气边界层风洞与浪槽联合实验室开展了75次风洞试验,量化了4个不同风速(10、12、14、16 m/s)与4个团聚体粒级(<53、53–250、250–850、850–2000 μm)的风蚀规律。研究可为明确气候变化背景下风水复合侵蚀规律,为风蚀-水蚀耦合模型优化提供临界起动风速、剪切速度等关键参数。

图1 研究区概况(a)典型侵蚀沟(b)风速变化范围最大与最小风速值与归一化植被指数(NDVI)月均变化图(c)2010–2020年4月、5月的风速变化箱线图(d)

图2 哈尔滨工业大学大气边界层风洞与浪槽联合实验室直流式风洞布局示意图(a),动力段(b)、测试段(c)和出口扩散段(d)

图2 哈尔滨工业大学大气边界层风洞与浪槽联合实验室直流式风洞布局示意图(a),动力段(b)、测试段(c)和出口扩散段(d)
不同自由风速对应的剪切风速为0.15–0.75 m/s,与团聚体最大粒径的1/6次方呈正比关系。剪切风速变化受自由风速与地表粗糙度(团聚体粒径)共同影响,二者可解释其变化的40%(R²=0.40)。粒径850–2000 μm的起动风速约为7.2 m/s,是<53 μm起动风速的两倍(3.6 m/s)。起动风速与粒径呈显著的对数函数关系(R²=0.85),表明粒径是控制风蚀发生的关键因素。
累积输沙量受风速和粒径共同影响。对于53–250 μm和250–850 μm粒径,输沙量随风速增加呈幂函数增加。在16 m/s强风条件下,250–850 μm输沙量可达53–250 μm的两倍,反映了中粗颗粒在强风条件下成为风沙流的重要组成部分。

图3 剪切风速随自由风速与最大团聚体粒径指数函数关系图

图4 起动风速与粒径大小对数函数关系图(a),53–250 μm与250–850 μm累计输沙通量与风速指数函数关系图(b)

图4 起动风速与粒径大小对数函数关系图(a),53–250 μm与250–850 μm累计输沙通量与风速指数函数关系图(b)
53–250 μm 与 250–850 μm 粒径质量通量的垂直分布对不同风速的响应有所不同。随风速增大,两组粒径在高处(远离地表)的输送量均明显上升,表明强风能将更大范围的颗粒抬升到较高区域。然而,在近床层区域,两者的分布特征出现分化:53–250 μm在所有风速下均表现出明显的高度峰值,峰值高度随风速增加由3 cm增到5 cm,250–850 μm仅在最高风速(16 m/s)出现显著高度峰值。

图5 风洞实验下不同团聚体粒径的质量通量垂直分异规律:10 m/s质量通量垂直分布(a),12 m/s质量通量垂直分布(b),14 m/s质量通量垂直分布(c),16 m/s质量通量垂直分布(d)
图6 53–250 μm与250–850 μm质量通量转变的峰值高度(a),53–250 μm与250–850 μm输沙量随风速变化规律(b)
图6 53–250 μm与250–850 μm质量通量转变的峰值高度(a),53–250 μm与250–850 μm输沙量随风速变化规律(b)
研究成果以Effects of Wind Velocity and Aggregate Size on Wind Erosion Characteristics of Loose Subsoil From the Mollisols Region of China: A Wind Tunnel Assessment为题发表在Land Degradation &Development(SCI Q2/二区)上。云南师范大学为论文的第一完成单位,李廷勇研究员为通讯作者,地理学部自然地理学专业硕士研究生徐艳燕为第一作者,共同通讯包括中国农业科学院农业资源与农业区划研究所温艳茹副研究员和中国地质调查局沈阳地调中心戴慧敏主任/高级工程师;主要参与作者包括慕尼黑工业大学Karl Auerswald教授、哈尔滨工业大学高东来教授和兰州大学博士后葛正虎等。研究得到了北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室、国家重点研发计划项目(编号:2024YFD1501103, 2024YFD1501200)、国家自然科学基金(编号:42407492, 42571330)和自然资源部黑土地演化与生态效应重点实验室/辽宁省黑土地演化与生态效应重点实验室(编号:KLEEBL202001)的资助。
论文链接:Yanyan Xu, Bao Liu, YanruWen*, Karl Auerswald, Zhenghu Ge, Donglai Gao, Xinhua Peng, Ting-Yong Li*, Huimin Dai*, Wenbin Wu. Effects of wind velocity and aggregate size on wind erosion characteristics of loose subsoil from the Mollisols region of China: A wind tunnel assessment. Land Degradation & Development. https://doi.org/10.1002/ldr.70412
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