土壤风蚀是指气流与土壤表面相互作用，土壤颗粒在风力的影响下被分离、迁徙和沉积的一系列综合自然地理过程^[1]。风蚀是中国水土流失面积最广、危害巨大的侵蚀形式。水利部2023年《中国水土保持公报》数据显示，中国风力侵蚀面积高达1.56×10⁶ km²，占水土流失总面积的59.22%。另外，风蚀还是造成土地沙化的主要诱因，也是极端的气候条件下导致沙尘暴、扬沙气候灾害的根本因素^[2]。

土壤物理结皮广泛分布于裸露的地表，是自然界普遍存在的土壤表层结构，这种特殊结构可对气流与土壤的相互作用产生影响，从而改变地表风蚀物质的搬运和沉积过程^[3]。大量研究表明，物理结皮可以减小风蚀，左小锋等^[4]认为，物理结皮通过增大地表土壤抗剪强度和土壤紧实度，从而提高土壤结构稳定性，降低土壤风蚀风险；毛旭芮等^[5]发现结皮面积、强度、含水量及土壤质地均对风蚀产生影响，其中结皮覆盖度越大，起动风速越大。物理结皮强度可以反映沙(土)地表面形成的固结层所能承受的压力，抗压强度越大，表征抗风蚀能力越强，对风力的抵抗性越高^[6]。土壤物理结皮的强度不仅受形成条件(如雨强、降雨历时、土壤质地等)的影响^[7]，还与外界环境变化密切相关，环境的变化会改变物理结皮强度与风化程度^[8]，从而影响其抗风蚀能力。冻融循环作为一种强风化作用，可通过影响土壤理化性质和水分迁移、破坏土体的机械稳定性，从而作用于土壤可蚀性^[9]，这种作用在表土层尤为显著，冻融作用对物理结皮的影响作用不可忽视。以往的研究多针对不同形成条件下物理结皮对风蚀的影响，对于冻融而造成土壤物理结皮风化后的风蚀研究相对薄弱；且物理结皮的抗风蚀能力在相同条件下是否因其覆盖程度不同而对冻融作用的响应不同尚未可知。因此，冻融条件下对不同覆盖度物理结皮的抗风蚀性进行研究具有必要性。

六道沟小流域位于陕西省神木市，地处黄土高原北部的风蚀水蚀交错区，气候类型为典型的干旱半干旱气候，同时也属于中度冻融侵蚀区。该地区水力、冻融与风力侵蚀交错发生，侵蚀形式多样，发生过程复杂：夏季集中的降雨给土壤物理结皮的发育创造了条件；冬春季节大风频繁，则为风蚀的发生提供了动力来源；加之该地区冬季寒冷漫长，土壤会经历相当长时间的冻融循环，而冻融作为一种强风化作用会破坏土壤结构的稳定性，同时对裸露地表下垫面特征造成强烈的影响，加剧土壤侵蚀。因此，本文对冻融条件下土壤物理结皮的抗风蚀性能变化进行研究，以期为黄土高原风沙防治提供依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

供试土壤采自陕西省神木市六道沟小流域(110°21′—110°23′E，38°46′—38°51′N)，六道沟北依长城，地处毛乌素沙漠边缘，自然条件的过渡性特征十分明显。属中温带的半干旱大陆性季风气候区，旱洪及沙尘暴灾害频繁。年际、年内气候变化剧烈，年平均气温8.5 ℃，年平均降水量432.4 mm，无霜期169 d，冬季漫长且受极低冷气团影响冬季最低可达到-28.1 ℃，土壤最大冻结深度可达146 cm。当地主风向为西北，次主风向为东南，东风最弱，年均风速3.6 m/s，累年极大风速可达24.5 m/s，年均大风日数13.5 d，最多达44 d，年均沙尘暴日数11.5 d，最多达22 d。植被类型为干旱草原，天然植被大部分已遭破坏，生态环境脆弱、沙化与植被退化严重。该地区降雨集中在夏季，冬季漫长且土壤表面经历强烈的冻融循环作用，加之冬春季风力强盛，土壤物理结皮受冻融作用的影响强烈。

研究区物理结皮广泛分布，供试土壤为典型的沙质黄土，其黏粒(＜0.002 mm)含量为6.76%，粉粒(0.002~0.05 mm)含量为24.32%，沙粒(0.05~1 mm)含量为68.92%，有机质含量为9.17 mg/kg，土壤容重为1.41 g/cm³。

1.2 研究方法

(1) 前期准备。本试验于2023年3—4月进行，选取研究区内物理结皮覆被的裸地进行采样，剥离表土后挖取0—10 cm的沙黄土作为供试土壤，风干后剔除小石子等杂质备用。

使用人工模拟降雨的方法制备物理结皮是一种相对成熟的制备方法，可以通过控制降雨量、雨强、降雨历时等参数制备不同强度的物理结皮^[10-11]。本研究基于人工降雨试验制备土壤物理结皮，使用尺寸为1.0 m(长)×0.3 m(宽)×0.1 m(高)的钢槽作为容器，在钢槽底部布设小孔便于雨水自然下渗，模拟自然雨水入渗过程(图 1)。

将供试土壤按照1.4 g/cm³(野外实测容重均值)容重填装于钢槽内，土壤填充深度为10 cm。装填后将结皮样品置于坡度可调的板车上，调整板车坡度为2°(防止积水)后开始人工模拟降雨试验。降雨前根据试验设计将土槽用塑料隔板分区遮挡(结皮区位于上坡向)，以制备不同覆盖度的物理结皮样品。制备好的结皮样品置于阴凉、干燥处进行自然风干。由于冻融作用受到土壤含水量的显著影响，曾建辉等^[12]在就含水量对冻融作用的影响研究中表明，当初始含水量为8%时冻融作用最为显著。故本试验在冻融前需对结皮样品进行水分处理，将土壤含水量控制在8%左右。在水分处理中向土壤喷洒一定量的水，由于此时物理结皮已经形成，因此在加水过程中需小心谨慎防止破坏结皮，且加水后立即裹上保鲜膜，静置12 h使水分均匀扩散。水分处理后将结皮样品置于卧式恒温冰箱中进行冻融处理，根据研究区气象资料将冻结温度设定为-20 ℃，冻融处理分为冻结和融化两个过程，冻结、融化各12 h为一次冻融。冻融过程中为保证土壤含水率不发生变化，在冻融时始终用保鲜膜对土槽进行覆盖。

(2) 试验设计。为探究冻融条件下不同覆盖度物理结皮对土壤风蚀的影响，对冻融前后不同覆盖度物理结皮样品进行风洞试验，收集有无冻融情况下沙黄土的风蚀特征，并从冻融前后物理结皮的硬度、厚度、抗剪强度土壤容重等强度特征的变化，探究分析物理结皮与风蚀之间的定量关系。研究^[13]表明，土壤受到冻融作用后其物理化学性质会发生改变，随着冻融次数的增加，土壤性质变化趋势减小，在冻融次数达到某一阈值时将达到稳定状态，土壤性质几乎不再随冻融次数增加而改变。故本试验对无冻融和13次冻融循环后的土壤物理结皮覆盖土进行风洞试验，探究不同结皮覆盖度对土壤风蚀的影响。试验设计详见表 1。

冻融后对物理结皮抗剪强度、硬度、厚度、结皮容重等指标进行测定，以探究冻融作用对物理结皮强度的影响。

(3) 试验方法。本研究涉及的所有模拟试验均在西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行，人工降雨设备为西北农林科技大学水土保持研究所水保试验设备工厂设计制造的侧喷式降雨机，具有很好的人工模拟降雨性能，降雨均匀度达80%以上，实测降雨能量可达天然降雨的90%以上^[14]。冻融试验采用容积为1 020 L的卧式低温风冷冰箱，冰箱冷冻温度在-25~±5 ℃可调，温度差可控制在±1 ℃。内箱尺寸为长2 560 mm×宽580 mm×高770 mm，可同时放置多组样品进行模拟冻融试验。风洞试验在西北农林科技大学水土保持研究所风洞实验室内完成，风洞实验室全长19 m，分为动力段、调节段、整流段、试验段和集沙段。风洞断面截面1.0×1.2 m(宽×高)，通过变频器(0~50 Hz)调节风速，风速在0~16 m/s范围内连续可调^[15]。风洞内试验段风速均匀性良好，σ≤±0.25%(σ为风速截面任一点气流速度与气流平均速度相对偏差的均方根)。

将冻融后的结皮样品置于风洞实验室中进行风蚀试验，使用带豁口的工程木板将试验段底层孔隙封住，只留一个结皮平面使其与风洞下平面对齐。利用皮托管传感器测定风蚀过程中结皮上方不同高度处的风速，以绘制风速廓线供后续分析，试验中L型皮托管分别可以测量1，3，5，8，10，12，16，20，60 cm等不同高度的风速。在集沙段设置平口式集沙仪(北京市防沙治沙工程技术中心研制)，总高度85 cm，沙尘采集高度60 cm，采集梯度为30个连续的2 cm×1 cm进沙口，采集效率＞80%。将电子秤(量程200 kg，精度1 g)放置在试验段基座上，调平后将试验钢槽放在电子秤上，试验开始前，称量钢槽和土样总重W₁。风洞密封完全后，设置变频器频率，启动风机，在轴心风速分别为9，11，13 m/s的风速下分别吹蚀10，15，20 min。每个风速吹蚀过后，称量钢槽和土样总重W₂。基于吹蚀前后的重量差计算风蚀量。分层收集平口式集沙仪中风蚀物并进行称重，计算风沙流结构。

1.3 数据处理

(1) 风蚀强度(风蚀模数)。单位面积上单位时间内的风蚀量。计算公式如下：

$ E=\frac{W_1-W_2}{A \cdot t} $

(1)

式中：E为风蚀强度(风蚀模数)〔g/(m²·min)〕; W₁为风蚀前钢槽和土样的总重(g); W₂为风蚀后钢槽和土样的总重(g); A为结皮样品受风蚀的面积(m²); t为吹蚀时间(min)。

(2) 近地表输沙率Q。指地表以上不同高度单位时间内的风蚀输沙量〔g/(cm²·min)〕，使用不同高度集沙仪收集的风沙物质进行计算，计算公式为：

$ Q=\frac{M}{A \cdot t} $

(2)

式中：M为不同高度集沙仪收集的风沙的质量(g); A为集沙仪进口的面积(cm²); t为吹蚀时间(min)。

(3) 摩阻风速。摩阻风速又可称为临界启动风速，表示的是土壤颗粒脱离地表束缚进入运动所需要的最小风速^[16]。U_*是确定地表能否起沙的有力判据，在近地面气层里基本上不随高度发生变化。地表土壤风蚀起沙过程实质上是运动的气流与地表微粒在界面上相互作用的动力过程^[17]。其计算公式为：

$ \frac{U_Z}{U_*}=\frac{1}{k} \ln \left(\frac{Z}{Z_0}\right) $

(3)

式中：U_Z为高度为Z时的风速(m/s); Z₀为地表平均粗糙度(cm); U_*为摩阻风速; k为Vonkarman常数, 取值0.4。

(4) 空气动力学粗糙度。空气动力学粗糙度是反映下垫面与大气相互作用空气动力学特征的重要参数，表征对风流运动的扰动和摩擦效应^[18]，依据风速廓线的拟合方程计算，以风速为x轴、高度为y轴的风速廓线拟合曲线为指数函数公式(R²＞0.9)，其主要公式为^[19]：

$ h=a \cdot \mathrm{e}^{b \cdot v} $

(4)

式中：h为测量高度(cm); v为风速观测值(m/s); a和b均为常数。当风速为0时, 所对应的h值为该试验处理条件下的空气动力学粗糙度。

基于SPSS 26对试验数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA，α=0.05)，使用最小显著差异法(LSD)对试验结果进行事后比较，对冻融前后土壤风蚀强度的差异进行独立样本T检验。

2 结果与分析 2.1 冻融对不同覆盖度物理结皮风蚀强度的影响

冻融前不同覆盖度物理结皮的土壤风蚀强度如图 2所示，物理结皮的风蚀强度随风速的增加呈显著增加的趋势(p＜0.05)。以全覆盖物理结皮为例，其土壤风蚀强度从9 m/s的15.75 g/(m²·min)增加到11 m/s和13 m/s的22.22，38.67 g/(m²·min)，分别增加了41.09%和145.50%。此外，物理结皮的风蚀强度随结皮覆盖度的增加呈显著减小的趋势(p＜0.05)，当风速为9 m/s时，不同覆盖度物理结皮(20%，40%，60%，80%，100%)的风蚀强度分别为203.83，138.92，80.42，18.33，15.75 g/(m²·min)，较CK分别减小了37.22%，57.21%，75.23%，94.35%和95.14%，可见物理结皮覆盖度越大，对风蚀的减蚀效果越显著，且物理结皮的土壤风蚀强度在风速为11和13 m/s时的结果与之相似，物理结皮对风蚀的最大减蚀率可达96.07%和95.93%。

表 2所示为13次冻融后不同覆盖度物理结皮对风蚀强度的影响。与冻融前相同的是，冻融后不同覆盖度物理结皮的风蚀强度随着风速的提升而增加，随着结皮覆盖度的增加而降低，冻融后全覆盖物理结皮的风蚀减蚀率仍可达到94.34%，94.28%和93.27%。但是，冻融13次后物理结皮的土壤风蚀强度较冻融前呈增加的趋势，冻融后土壤风蚀强度较冻融前增加了0.02~1.27倍，其中风速为11 m/s，覆盖度为0%时增幅最小，而风速9 m/s，覆盖度80%时增幅最大。

2.2 冻融对不同覆盖度物理结皮输沙率的影响

图 3为不同覆盖度物理结皮在冻融前后其0—10 cm空间内的近地表输沙率的变化。如图 3所示，近地表输沙率随结皮覆盖度的增大而减小，随风速的增大而增大。在9 m/s风速条件下，近地表输沙率从CK的5.90 g/(cm²·min)减小到全结皮覆盖的0.21 g/(cm²·min)；当风速增加到11 m/s，近地表输沙率从CK的10.28 g/(cm²·min)减小至全结皮覆盖的0.63 g/(cm²·min)；当风速为13 m/s时，近地表输沙率从CK的17.87 g/(cm²·min)减小至全结皮覆盖的0.74 g/(cm²·min)，3种风速条件下分别减小了96.44%，93.87%和95.85%。

但是，冻融后物理结皮的近地表输沙率较冻融前呈增加的趋势。除CK外其他各覆盖度物理结皮冻融后的近地表输沙率均大于冻融前，增加了0.7~4.3倍不等，且结皮覆盖度越高其增幅越大。同时，13 m/s风速条件下冻融后近地表输沙率的变化幅度最大，11 m/s次之，9 m/s变化最小。

此外，不同覆盖度物理结皮冻融前后的输沙率和输沙高度存在差异(见图 4)，物理结皮的输沙率随着输沙高度的增加呈指数减小的趋势。CK在13 m/s风速条件下的输沙高度达到34 cm的最大值；全覆盖结皮在9 m/s风速条件下仅有最小10 cm的输沙高度。冻融后不同覆盖度的物理结皮的输沙高度增加了2~10 cm。

2.3 冻融对不同覆盖度物理结皮摩阻风速和空气动力学粗糙度的影响

图 5显示的是冻融前后不同结皮覆盖度的摩阻风速，结果表明，冻融前不同盖度摩阻风速存在差异，整体介于0.84~1.35 m/s之间，各覆盖度摩阻风速之间并未发现显著性差异(p＞0.05)，冻融后结皮摩阻风速介于0.80~1.51 m/s之间，平均值为1.04 m/s略小于冻融前的平均摩阻风速1.11 m/s。不同风速下各结皮盖度摩阻风速呈增加的趋势，冻融后风速9，11，13 m/s时摩阻风速均值分别为0.99，1.03，1.11 m/s，而冻融前3个风速下摩阻风速均值分别为1.01，1.08，1.23 m/s。冻融后结皮摩阻风速降低，但未发现显著性差异。图 6为不同结皮覆盖下冻融前后空气动力学粗糙度的计算结果，h最大为0.086 cm最小仅为0.011 cm，试验结果表明冻融前后h的值在10^-1 mm级别，细微的地表起伏都会引起h的变化，在结皮的制备和处理过程中很容易使表面粗糙度产生误差，导致试验结果具有很大的不确定性，结皮及裸土表面相对平整、地表糙率起伏不大，精度相对较高，难以保证变量的一致性，导致试验结果误差较大。

3 讨论

冻融作用的本质是土壤水分不断冻结—融化—冻结，水分在相变的过程中体积增大，孔隙水对周围土体进行挤压，使孔隙增大；融化时扩张的土壤孔隙被水分重新填充，更多的水进入孔隙被再次冻结，反复循环下孔隙不断扩张产生裂隙，同时裂隙传递土壤表面，使结皮内部变得松散，结皮强度降低，增加土壤可蚀性^[20-21]。土壤物理结皮作为一种特殊的下垫面，其在土壤风蚀过程中发挥重要的作用，但是受冻融作用的影响，物理结皮表面变得松散，其抗风蚀能力显著降低。

本研究针对冻融条件下不同覆盖度物理结皮对土壤风蚀的影响进行研究，结果表明，物理结皮覆盖显著降低了土壤风蚀，全覆盖物理结皮减蚀率可达95%以上，可以大幅减小风蚀，这与Yan Yuchun等^[22]的研究结果相似。而毛旭芮等^[5]通过控制物理结皮盖度和分布，研究物理结皮盖度对风蚀的影响，发现结皮率对风蚀量的影响较为显著，且结皮率的增加有效减小了风蚀量，本研究得出与之相似的结论，即不同覆盖度物理结皮均对风蚀均产生抑制作用，且覆盖度越大减蚀率越高。物理结皮作为覆被于地表的致密层，本身有着良好的抗风蚀性，其平均减蚀率能达到90%以上，结皮的类型和土壤质地差别会影响这个数值^[23]。郭迎香^[24]在针对物理结皮的抗风蚀性研究中指出，物理结皮具有相对致密的结构，相较于一般土壤，结皮有着更大的容重，结皮硬度和抗剪强度均大于无结皮土壤，这些力学特性决定了土壤能否被气流吹蚀。此外，下垫面的粗糙度等形态指标也是影响土壤风蚀的重要因素^[18]，本研究对物理结皮摩阻风速和空气动力学粗糙度的研究结果显示，摩阻风速在一定范围内波动，原因可能是试验设计时将结皮区置于上风向位置，风力率先吹蚀结皮，此时风蚀不易发生；当气流到达裸土区时沙粒迅速被吹起，结皮区和非结皮区摩阻风速不一致导致最终计算出来的整体摩阻风速之间误差较大。冻融后结皮土摩阻风速变小，但未发现显著性差异。原因可能是冻融后土壤出现裂隙，结皮表面略微隆起，导致了摩阻风速有所增加，裂隙的出现和结皮抗剪强度的变化二者抵消了摩阻风速的变化。大量研究表明，冻融作用会减小物理结皮强度^[25-27]，从而影响风蚀，冻融作用使土壤有机质含量、土壤团聚体稳定性及土壤抗剪强度等与土壤抵抗侵蚀能力有关的指标发生改变，使土壤在外力作用下更容易产生侵蚀，从而增强了后续的风蚀^{[26, 28]}。

对比分析冻融前后不同覆盖度物理结皮的风蚀特征可知，冻融后风蚀强度、输沙率、输沙高度均有所增加，其中9 m/s风速时，80%盖度物理结皮冻融后风蚀强度增加了127.72%，这与Wang等^[29]的研究结果相似。国外学者Dirk Goossens^[30]在对土壤结皮对风蚀沉积物排放和运输的影响研究中发现，风蚀过程中跃移颗粒不断撞击结皮表面，使其厚度不断减小，在达到阈值前土壤结皮并不会失去对土壤的保护作用，即结皮在受到破坏后仍能保留一部分抗风蚀能力，直至结皮完全消失。本文研究结果与之相似，在冻融后，物理结皮仍具有较高的风蚀减蚀率，冻融后全覆盖物理结皮较CK风蚀量仍然减少93.27%，不同覆盖度物理结皮受冻融作用程度不同，结皮面积越大，其受冻融作用影响越大，冻融后风蚀强度就越大。

黄土高原北部的六道沟流域物理结皮分布广泛，该地集中的降雨为结皮发育提供了良好的条件，物理结皮有效减小当地的土壤风蚀。但是，当进入休耕期后，便会出现大量的裸露耕地，在人类活动以及牲畜踩踏下耕地中的结皮会被破坏，物理结皮被破坏结皮覆盖度降低，增加了风蚀的风险；加之该地季节性冻融作用明显，冻融作用进一步破坏结皮结构，将会导致晚冬、早春时期土壤风蚀量增加。本研究从冻融后物理结皮风蚀的角度出发，针对冻融后物理结皮的抗风蚀性进行研究，利用风洞试验，探究了不同覆盖度物理结皮在3种风速下的风蚀强度、输沙率、输沙高度以及摩阻风速等的变化，阐明了冻融风化后物理结皮的减蚀效应，研究可为物理结皮和风蚀的相关研究提供一定的理论参考。

4 结论

(1) 不同覆盖度(20%，40%，60%，80%)的物理结皮对土壤风蚀均具有显著的抑制作用，可减小37.22%~96.07%的风蚀强度。冻融对物理结皮具有破坏作用，冻融后不同覆盖度物理结皮的风蚀强度可增加0.02~1.27倍，但全覆盖物理结皮的风蚀减蚀率仍可达到93%以上。

(2) 物理结皮的存在显著降低了近地表输沙率，且输沙率随结皮覆盖度的增加而减小，随风速的增大而增加。然而，冻融作用会导致近地表输沙率增加，增幅在0.7~4.3倍之间，且覆盖度越高，增幅越大。输沙高度随结皮覆盖度的增加而降低，冻融后输沙高度有所增加，增幅为2~10 cm。

(3) 物理结皮覆盖度对摩阻风速和空气动力学粗糙度的影响不显著，不同覆盖度条件下物理结皮的摩阻风速介于0.84~1.35 m/s之间，空气动力学粗糙度介于0.011~0.086 cm之间。冻融后摩阻风速出现增加的趋势，但空气动力学粗糙度变化不显著。