《CATENA》：Effect of soil physical crust strength on wind erosion in the northern Loess Plateau
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风蚀防控机制研究：物理结壳特性与风蚀响应关系分析。通过模拟降雨和风洞实验，揭示了不同降雨强度（40-120mm·h?1）和风速（9-13m·s?1）下 aeolian sandy soil 表面物理结壳的动态演变规律。研究表明：降雨强度显著提升结壳厚度（+15%-25%）、硬度（+20%-35%）和抗剪强度（+18%-30%），使风蚀强度降低超95%，跳跃高度减少超70%。结构方程模型表明结壳硬度和抗剪强度是风蚀防控的核心因子，建立的多变量回归模型（R2=0.85）可有效预测风蚀强度。该成果为黄土高原风蚀治理提供了量化调控依据。
方帅|张秀梅|孙汉阳|郭英翔|李展斌|马波
中国科学院水土保持与生态环境研究中心、教育部水土保持与沙漠化控制国家重点实验室，中国陕西省杨陵市712100
摘要
风蚀是黄土高原土壤退化的主要驱动力。土壤物理结皮在稳定风成沙土和防止风蚀方面起着关键作用。本研究通过室内模拟降雨和风洞实验，研究了在不同降雨强度（40、80、120毫米/小时）和风速（9、11、13米/秒）条件下，物理结皮特性的演变及其对风蚀的响应。研究表明，降雨强度的增加显著促进了结皮的形成，尤其是增强了结皮的厚度、硬度和剪切强度。与裸露土壤相比，物理结皮使风蚀强度和沉积物输送率降低了95%以上，跃移高度降低了70%以上。随着结皮强度的增加，风蚀强度、沉积物输送率和跃移高度逐渐减小。相反，空气动力粗糙度和摩擦速度对结皮强度的增加表现出非线性响应，这突显了表面与气流之间的复杂相互作用。冗余分析（RDA）和结构方程建模（SEM）表明，降雨强度通过调节结皮的机械性能间接减轻了风蚀；具体而言，结皮硬度和剪切强度被认为是主要控制因素。此外，建立了一个包含结皮硬度、剪切强度、容重、>0.25毫米团聚体含量和可侵蚀颗粒的多变量回归模型，该模型对风蚀强度的预测精度很高（R2 = 0.85）。这些发现为物理结皮的防蚀机制提供了科学见解。
引言
风蚀是指在气流作用下，土壤颗粒被剥离、输送和重新沉积的过程。全球大约三分之一的陆地表面受到风蚀的影响（Jarrah等人，2020年）。这一过程不仅会去除表层有机物，导致表土变粗和肥力下降，还会产生近地表灰尘。因此，它降低了区域空气质量，并对干旱和半干旱地区的粮食安全和生态稳定性构成直接威胁（Jarrah等人，2020年；Singh等人，2022年；Zhao等人，2022年）。因此，控制风蚀已成为全球许多干旱和半干旱地区生态恢复的关键优先事项（Zhao等人，2022年；Ma等人，2022年；Armenise等人，2018年）。在植被稀疏的地区，物理土壤结皮作为抵御风蚀和土地退化的重要天然屏障，这在中国黄土高原（Zou等人，2024年；Ma等人，2022年；Chen等人，2022年）、英国Butterwick（Armenise等人，2018年）、马里南部Koutiala地区（Bodnar和Hulshof，2006年）以及埃及Sidi Barrani（El-Husseiny和Salem，2018年）都有观察到。
由降雨形成的物理结皮作为一种独特的地表层，在调节土壤水文和侵蚀过程中起着重要作用（Stavi等人，2009年；Sun等人，2010年；Ma等人，2022年；Chamizo等人，2012年）。在结皮形成过程中，细小颗粒堵塞土壤孔隙，将松散的表面颗粒聚集形成坚硬的外壳。这种外壳保护了下层的未固结土壤，从而减少了其暴露时的侵蚀敏感性（Chen和Duan，2015年；Lu等人，2017a；Lu等人，2017b）。物理结皮的抗侵蚀性与结皮覆盖率、结皮厚度和结皮剪切强度等关键指标相关（Pi等人，2021年；Li等人，2022年；Shariatmadari等人，2021年；Zuo等人，2021年；Zobeck，1991a）。研究表明，结皮覆盖率与移动表层土壤颗粒所需的关键摩擦速度呈正相关，即结皮覆盖率越高，关键摩擦速度越高（Shariatmadari等人，2021年）。例如，具有10%结皮覆盖率的土壤，其关键摩擦速度是未结皮土壤的两倍（Pi和Sharratt，2019年）。同样，Sharratt和Vaddella（2014年）证明，在哥伦比亚高原上，启动表层土壤颗粒运动所需的最小摩擦速度随着物理结皮厚度的增加而呈指数增长。Feng等人（2013年）观察到，结皮厚度和强度随着降雨量的增加而增加。此外，由于物理结皮的结构紧密且硬度较高，可以有效增强表层土壤的剪切强度，提高土壤结构稳定性，从而降低风蚀风险（Lu等人，2017b；Zou等人，2024年）。尽管以往的研究已经广泛量化了结皮覆盖率和厚度对风蚀的缓解作用（Sharratt和Vaddella，2014年；Feng等人，2013年；Zuo等人，2021年），但大多数研究将物理结皮视为静态表面参数。实际上，物理结皮是动态特征；它们的机械性能（如硬度、剪切强度）在不同的形成条件下会有显著变化，尤其是在降雨强度下。目前，降雨强度如何调节这些微观机械性能，以及这些性能如何改变风蚀强度、表面空气动力粗糙度和摩擦速度的机制仍有待完全阐明。
作为世界上最大的风成黄土沉积区，黄土高原年平均风速较高，强风天气频繁，使其成为中国风蚀最敏感的地区之一（Zhao等人，2022年；Ma等人，2022年；Chen等人，2022年；Zou等人，2024年）。在过去几十年中，风蚀已被认为是该地区土壤退化的主要驱动因素。为了研究降雨条件下物理结皮特性的动态演变及其对风蚀的响应，本研究利用实验室模拟降雨和风洞实验，研究了黄土高原北部风成沙土上形成的物理结皮。本研究的具体目标是：（1）量化结皮物理性质对不同降雨强度的响应；（2）分析物理结皮对风蚀的空气动力反馈；（3）确定控制风蚀强度的主要因素并建立预测模型。本研究旨在阐明物理结皮抵抗风蚀的机制，并为黄土高原的风沙控制提供理论基础。
研究区域概述
本研究在陕西省神木市以西14公里的柳道沟流域进行（图1）。该流域位于黄土高原风蚀与水蚀交错带，以沙覆盖的黄土丘陵-沟壑地貌为特征。流域面积为689.2公顷，主河道长度为4.2公里（Liu等人，2025年）。该地区属于中温带半干旱类型，夏季和秋季有集中降雨，冬季干燥多风
结皮形成前后土壤物理和化学性质的变化
实验土壤的基本物理和化学性质见表1。与原始实验土壤相比，物理结皮的形成导致容重、粘土含量、沙粒含量以及结皮层中>0.25毫米团聚体的比例增加。同时，土壤有机质、粉粒含量和<0.25毫米团聚体的比例减少。这些变化可能归因于土壤沟槽在形成过程中的轻微倾斜
土壤物理化学性质差异的分析
黄土高原的土壤主要由粉粒和沙粒组成。降雨过程中，雨滴冲击导致土壤颗粒的物理化学分散（Feng等人，2024年；Xu等人，2025年；Bouza等人，1993年）。细小颗粒在重力和土壤毛细吸力的作用下被冲刷和迁移，堵塞土壤孔隙（Okolo等人，2020年；Liu和Jiang，1988年；Feng等人，2024年；Xu等人，2025年；Bouza等人，1993年），从而增强了土壤的压实程度
结论
本研究通过模拟降雨和风洞实验，量化了物理结皮特性对黄土高原北部沙质黄土风蚀的影响。主要发现如下：
随着降雨强度从40毫米/小时增加到120毫米/小时，结皮厚度、硬度、剪切强度、容重和粘土含量增加，而孔隙度降低。相反，有机质、粉粒含量、>0.25毫米团聚体含量、平均粒径（MWD）和最大粒径（GMD）最初有所增加
CRediT作者贡献声明
方帅：撰写——初稿，可视化，方法学，调查。张秀梅：软件，方法学。孙汉阳：调查。郭英翔：调查。李展斌：撰写——审稿与编辑。马波：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，资源，调查，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（42277342）、国家自然科学基金（U2443212、42307452）以及高产、高效和可持续种植高粱的研究，应用酒糟有机肥料（mygccyc[2023]013）的共同资助。
