沙质草地风蚀坑形态-动力过程研究进展*

郭子玥 ， 姜洪涛 ，海春兴 ，李占宏 ，解云虎

（1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古科技大学包头师范学院资源与环境学院，内蒙古 包头 014030）

风蚀坑（blowout）一词于1940 年被首次使用，用于描述沙面受风蚀凹陷而形成的抛物线形沙丘[1]。也有观点认为，风蚀坑是在裸露的地区由于人为或自然因素作用，使得该区域内植被受到破坏，导致表层沉积物遭受侵蚀而形成的地貌[2]。风蚀坑是沙化地区常见的一种侵蚀地貌类型，在风和其他外力因素作用下，可作为沉积物的输移通道[3-4]。风蚀坑不仅会造成植被退化，扩大沙化草地面积，而且加快了荒漠化的进程，特别是对土地资源和人类的生产生活产生了很大的影响[5-6]。正是因为风蚀坑的危害日益严峻，逐渐引起学术界对风蚀坑形态及动力过程研究的关注。

1 风蚀坑形态

受风蚀坑分布区域环境、最初的诱发因素以及各变量之间的相互影响，风蚀坑的形态呈现出多样性的特点，常分布于沙地、沙质草地、海岸沙地等易风蚀区域。按照几何形状不同，可以将风蚀坑划分为雪茄形、V 型、勺形、锅形和廊道[7]。按照地表形态不同，可以划分为碟形、梯形、沟谷形、杯形和坡形[8]。碟形坑和槽形坑基本上可以包含大多数类型的风蚀坑，平坦草地通常可形成碟形风蚀坑，陡峭的迎风坡会形成槽形坑；在海岸沙地区域，早期风蚀坑分为浅碟形和槽形，由于呈半圆形的浅碟形风蚀坑会不断地发展增加其深度，因此后期形成了呈半圆到圆形状的碗形风蚀坑。也有学者以长宽比例5∶2 为标准对风蚀坑进行划分，大于该标准的为槽形坑，小于该标准的为碟形坑[9]。

尽管风蚀坑形态不一，但它们的共同特点在于积沙区边缘和侵蚀侧壁边界十分清晰[3-4,9-10]。槽形风蚀坑整体形态上呈狭长形延伸，具有更深的侵蚀盆地，迎风坡陡峭，积沙区浑圆且面积大[7,11]。碟形风蚀坑深度较浅，为半圆椭圆状，具有短而陡峭的侵蚀内壁，积沙区平坦，背风坡长而缓，迎风坡短而陡，形成了低边缘狭窄的沙丘[12-13]。

随着风蚀作用加剧，风蚀坑的面积会随之发生变化，按照发育阶段划分，其形态可分为初始阶段的碟形斑块、活跃发展阶段的槽形斑块和固定后重新活化阶段的不规则形[14]，而且风蚀坑不仅可以单独出现，还会因多个风蚀坑的联结或活化出现复合的形态，按组合划分可分为简单型和复合型，其中简单型包括卵圆形、串珠状、带状或槽状，复合型包括裸地型、肾形、花朵状、葫芦状、掌状、方形[15]。呼伦贝尔沙地的风蚀坑形态大概呈进风端略尖、出风端浑圆的卵圆形；浑善达克沙地受西北风、西南风和西风的控制，风蚀坑的形状各有不同，按照长宽比值所划分，长条形风蚀坑所占比例最大，带形风蚀坑所占比例最小[8]。

尽管风蚀坑的形态类型多样，但基本是由平坦的草地或沙丘受到强烈的风蚀而产生，其形态具有共同的特征：1）侵蚀口；2）临近侵蚀口的陡峭侵蚀壁；3）风蚀坑下风侧后端由缓变陡倾斜的沙坡和半圆形边缘组成的大型沉积扇[9,11]。不同地区碟形坑和槽形坑的观测数据如表1 所示。

表1 不同地区碟形坑和槽形坑的观测数据

2 风蚀坑发育过程及特征

在自然因素和人类活动的综合作用下，沙质草原风蚀坑的发育过程一般经历5 个阶段。1）风蚀裸地阶段：由于地表植被被破坏，在强风的作用下沙砾吹扬，形成裸地；2）土层破口阶段：风沙流的磨蚀推进和地表径流的冲刷，出现破口，出露散沙；3）活跃发展阶段：风力掏蚀造成土层崩塌和风沙堆积，风蚀坑开始形成并逐步扩大规模；4）固定阶段：在侵蚀基准面的控制下，植被开始发育，风蚀坑被固定下来；5）消亡阶段：植被覆盖群落演替或风蚀沙坑被填充，风蚀坑变小直至消亡，翻耕型和道路型形成的风蚀坑基本消失[22]。

在发育过程的任何一个阶段中，风蚀坑可能活化，重新进入活跃发展阶段完成整个发育过程[23]。并且风蚀坑在发育过程中，所经历的5 个阶段形态参数间存在幂函数关系，裸地沙斑阶段形态参数之间相关性小，活跃发展阶段相关系数增加、规律性增强，消亡阶段坑长增长快于坑深和坑宽，活化阶段坑长与坑深关系更为显著，最终在消亡阶段坑长、坑宽和坑深均达到最大值，而重新活化阶段各参数的数值有所降低[24]。

受其发育过程中影响因素的独特性，也有学者将高原地区风蚀坑的发育阶段划分为胚胎期、幼年期、青年期和成熟期4 个阶段。在胚胎期发育有风蚀斑，是对影响因素的直接响应，其具有不同的方向，地表以下开始受到侵蚀。幼年期作为初始阶段，风力作用加强和地表摩擦力的减小导致风蚀斑扩大和加深，生成小尺度的碟形坑/碗形坑。青年期的风蚀坑延伸速度最快，相邻的小风蚀坑合并成复合型风蚀坑，出现中尺度槽形坑，风蚀壁变得陡峭。成熟期相对稳定，风力侵蚀造成侧壁坍塌，边缘侵蚀显著，中尺度的风蚀坑继续合并形成巨型槽形坑[25]。

3 动力学过程

3.1 气流分布特征

气流运动是风蚀坑发生发展的主要动力因子，在影响风蚀坑发育的各因子的综合作用下，风蚀坑会形成独特的气流场结构，学者们采用风洞实验[26]、运用数值模拟[27]等方法，建立二维风蚀坑模型[28]，应用计算机流体力学软件[29]模拟风蚀坑气流运动规律，探索风蚀坑发育机制。

碟形坑和槽形坑作为两种主要的风蚀坑类型，在坑口处气流运动特征相似，即受风蚀坑的吸附作用，把一定范围内流经的气流吸附至坑内，坑口处气流汇集，压强降低，气流加速，受风蚀坑形状大小、局部地形特点以及气流方向和风的入射角等因素的影响，气流分布发生相应的改变[30-32]。碟形坑在坑口处气流加速后，从入风口进入风蚀坑后辐散减速至坑底，气流速度降至最低，由于积沙体的阻挡作用，气流沿迎风坡爬升，地形迅速抬升，气流压缩加速，在顶部达到最大，受植被覆盖和地形的影响，背风坡处气流分离减速，速度降至最低后逐渐恢复[33-34]。

风蚀坑长轴与风向的夹角往往会影响气流变化，当出现右斜交或垂直向时，在坑部南缘产生顺时针的涡流，当出现平行向或左斜交向时，涡流与南缘相反[17]；当夹角小于17.5°时，部分侵蚀壁发生湍流，倾斜角大于17.5°时，部分湍流壁消失[35]；当坡度大于20°时，背风坡气流偏转发生次生气流，相反背风坡气流保持原来方向[33]。气流进入槽形坑内后，由于气流结构紊乱，风速随高度降低，再逐步加速至坑底出现极大值，气流分离减速至迎风坡坡底后加速上升，在坡顶再次出现极大值，风速沿背风坡下降至稳定。气流与风蚀坑长轴平行时，气流加速出现急流；当斜向入坑时，产生螺旋环流，会对气流的整体分布产生直接影响[30,36]。

3.2 风沙输移

风沙输移的沿程变化是研究风蚀坑气流变化的重要内容，风蚀坑及其周围区域的风速超过起沙风速时，风沙流携带着沙粒随气流开始移动，风蚀率和风速之间存在幂函数的关系[37]，受地表状况和大气条件的影响，风蚀坑不同部位表现出不同的气流变化[18]。在入风口处，辐散减速侵蚀降低，细颗粒物质随着风速的降低沉积下来[38]。当坑底出露的河流相物质结构松散时，较小的风速也可以进行搬运侵蚀，随着规模进一步扩大，侵蚀加剧至侵蚀基准面，细沙含量达到最高[33,39]。在坑后缘随着风速降低，上部侵蚀能力较强，输沙量随着侵蚀强度的降低而增加[34]。风速沿着迎风坡不断增加，输沙量逐渐增加，携带走大量细沙，使得迎风坡粗沙含量增多，越过坡顶后，输沙量下降，细沙在背风坡沉积，由于风向向下，细沙含量不断增多[36,40]。

除此之外，季节变化、植被覆盖和地形因素也会对风沙输移产生影响，进而影响风沙流结构。由于地面在冬季的湿度较大，冬季的侵蚀相比于夏季较少，春季伴有强烈的大风天气且降水量减少，这有利于风沙活动[18,41]。当冬季强烈的风暴活动减弱后，风沙输移会明显增加，在年际间存在着较大差异。风蚀坑的上部多覆盖有植被，对风沙流具有拦截作用，沙粒沉降于积沙区顶部，顶部风沙堆积明显[33,42]。

4 风蚀坑形态-动力过程研究方法

4.1 风蚀坑形态研究

目前，对于风蚀坑形态特征及发育演化方面的研究主要采取野外实地考察和遥感卫星影像解译等新技术相结合的方法观测形态变化。早期野外考察采用全站测量仪、铁锹、钢尺测量研究土层特征，再结合航空照片、社会调查研究风蚀坑的形态，由于技术水平的提高及新技术的发展，实现了风蚀坑由二维到三维形态演化[15]。也有学者采用载波相位差分技术（PTK）测量坑的长度、宽度和深度数据，利用数字高程模型（DEM）根据高程数据观测风蚀坑演变过程[43-45]。随着卫星遥感技术的发展，根据卫星遥感影像解译，通过高分辨率卫星影像进行分析，观察风蚀坑空间上的分布和形态变化，通过不同时期影像分析结果的对比，监测风蚀坑移动和活化速度[46-47]。各种研究方法的综合运用，进一步提高了风蚀坑量化的精确度，确保了量化的准确性。移动多边形时空分析模型（STAMP）量化和描述了多边形特征的时空动态性，为更好地提取和描述风蚀坑的形态变化提供了主要技术手段[48]。

4.2 风蚀坑动力过程研究

最直观地监测风蚀坑动力过程的研究方法为野外实地架设风速仪测量近地表层流场，在重要地貌部位用风速仪测量典型区域风速廓线，了解区域内气流的变化情况[17]。后期逐步开始使用实时动态载波相位差分GPS等新型设备[49]，风洞实验和计算机流体力学（CFD）数值模拟等方法[31]，探究风蚀坑三维流场分布状况，推动了风沙动力过程的研究。从微观领域采用激光粒度分析仪测量风蚀坑沉积物颗粒级配状况，采用Udden-Wenworth 粒级标准建立粒度参数模型，运用累计曲线和福克-沃德（Folk-Ward）公式图解计算粒度参数（平均粒径、标准差、偏度、峰态）[50-51]，判断易侵蚀区分布情况和易蚀颗粒粒径分布范围。随着风沙动力学过程研究的深入，开始进入风沙输移的系统性研究阶段，早期具有代表性的研究为兹纳门斯基的风洞实验，随后加入了遥感图像数据处理的方法及Fryberger 方法对输沙势（DP）、合成输沙势（RDP）和风向变率指数（RDP/DP）的求算[18]（如式1 所示），使风蚀坑动力过程的研究更系统。

式中，DP为输沙势（矢量单位：VU）；U为风速（m·s-1）；Ut为起动风速（m·s-1）；t为起沙风时间，用观测时间内起沙风时间与总观测时间的百分比表示。

4.3 风蚀坑形态-动力过程综合分析

随着监测技术的进步，综合运用地面监测、遥感测量和计算机模拟等方法，在风蚀坑形态-动力过程方面的研究进一步深入，更好地为风蚀坑形态-动力研究提供了多方向的支撑。蚀积变化的监测采用插杄法和GPS 技术，通过AI（活跃指数）、EI（侵蚀指数）和DI（沉积指数）指标参数表征蚀积强弱，进一步分析风蚀坑的蚀积过程和易侵蚀区域分布状况[17,49]。发挥CA-Markov 模型长期预测和模拟复杂系统的优势，并结合RWEQ 模型，通过地表数值模拟，分析并预测土壤风蚀情况和风蚀坑分布区地表覆被景观变化[52-53]，观测并记录风蚀坑景观数量的变化情况，制定有效措施控制风蚀坑发展。采用宏观沉积学分析方法，观察研究区地表地质情况和剖面土体构型，进行环境解译后制图，为沙源的诊断和盆地的演化过程提供基础支撑[54]。

5 不足与展望

1）现有关于风蚀坑形态-动力过程的研究中，已依照不同的标准对风蚀坑进行分类，以面积、宽度、深度等形态数据为支撑对风蚀坑形态特征进行描述，并把风蚀坑发育过程划分为不同的阶段，阐述了各发育阶段的差异，为风蚀坑的识别奠定了基础。风蚀坑动力学研究过程中，对风蚀坑内不同部位的气流及风沙输移有了更全面的研究。但是风蚀坑的形态具有多样性，多数学者仅对碟形坑和槽形坑进行详细的描述，使得形态较为相似的风蚀坑不易辨识，并且由于风蚀坑的形成受环境、地貌、气流等因素的影响，发育过程中的风蚀坑并不能按照既有的风蚀坑类型进行划分，所以在今后的研究中应在风蚀坑形态分类适用的普遍性和独特性方面进一步深化。

2）风力的强度会直接作用于风蚀坑内的不同位置，从而影响风蚀坑整体形态的变化，但是对于改变后形状是否可逆以及使形态发生改变的风力强度的临界值没有更深入的探讨。同时，对于某个地区的风况和风蚀坑的变化情况是否存在一定的规律性尚不清楚。在气候方面，可以加入气候变化与风蚀坑发育关系的研究，虽然厄尔尼诺和拉尼娜现象平均约每4年发生一次，但厄尔尼诺现象出现时，我国北方夏季干旱少雨，发生的当年会出现暖冬的现象，而拉尼娜年恰恰相反，这会导致气温和降水的改变，间接影响风蚀坑的发育。

3）小范围内风蚀坑形态-动力过程的研究主要采用地面监测的方法，大区域的风蚀坑形态-动力过程研究依然采用传统的遥感手段结合地面验证的方式完成，介于目前遥感影像分辨率级别的限制，其会影响风蚀坑形态辨识的精度。鉴于此，在今后的研究中，应该更加关注遥感数据源的精度及更精确的风蚀坑形态模拟的数学方法，以实现从宏观尺度对风蚀坑发育演化进行高精度、多维度的时空监测。