沙質草地風蝕坑形態-動力過程研究進展*

郭子玥 ， 姜洪濤 ，海春興 ，李占宏 ，解云虎

（1.內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2.內蒙古科技大學包頭師范學院資源與環境學院，內蒙古 包頭 014030）

風蝕坑（blowout）一詞于1940 年被首次使用，用于描述沙面受風蝕凹陷而形成的拋物線形沙丘[1]。也有觀點認為，風蝕坑是在裸露的地區由于人為或自然因素作用，使得該區域內植被受到破壞，導致表層沉積物遭受侵蝕而形成的地貌[2]。風蝕坑是沙化地區常見的一種侵蝕地貌類型，在風和其他外力因素作用下，可作為沉積物的輸移通道[3-4]。風蝕坑不僅會造成植被退化，擴大沙化草地面積，而且加快了荒漠化的進程，特別是對土地資源和人類的生產生活產生了很大的影響[5-6]。正是因為風蝕坑的危害日益嚴峻，逐漸引起學術界對風蝕坑形態及動力過程研究的關注。

1 風蝕坑形態

受風蝕坑分布區域環境、最初的誘發因素以及各變量之間的相互影響，風蝕坑的形態呈現出多樣性的特點，常分布于沙地、沙質草地、海岸沙地等易風蝕區域。按照幾何形狀不同，可以將風蝕坑劃分為雪茄形、V 型、勺形、鍋形和廊道[7]。按照地表形態不同，可以劃分為碟形、梯形、溝谷形、杯形和坡形[8]。碟形坑和槽形坑基本上可以包含大多數類型的風蝕坑，平坦草地通常可形成碟形風蝕坑，陡峭的迎風坡會形成槽形坑；在海岸沙地區域，早期風蝕坑分為淺碟形和槽形，由于呈半圓形的淺碟形風蝕坑會不斷地發展增加其深度，因此后期形成了呈半圓到圓形狀的碗形風蝕坑。也有學者以長寬比例5∶2 為標準對風蝕坑進行劃分，大于該標準的為槽形坑，小于該標準的為碟形坑[9]。

盡管風蝕坑形態不一，但它們的共同特點在于積沙區邊緣和侵蝕側壁邊界十分清晰[3-4,9-10]。槽形風蝕坑整體形態上呈狹長形延伸，具有更深的侵蝕盆地，迎風坡陡峭，積沙區渾圓且面積大[7,11]。碟形風蝕坑深度較淺，為半圓橢圓狀，具有短而陡峭的侵蝕內壁，積沙區平坦，背風坡長而緩，迎風坡短而陡，形成了低邊緣狹窄的沙丘[12-13]。

隨著風蝕作用加劇，風蝕坑的面積會隨之發生變化，按照發育階段劃分，其形態可分為初始階段的碟形斑塊、活躍發展階段的槽形斑塊和固定后重新活化階段的不規則形[14]，而且風蝕坑不僅可以單獨出現，還會因多個風蝕坑的聯結或活化出現復合的形態，按組合劃分可分為簡單型和復合型，其中簡單型包括卵圓形、串珠狀、帶狀或槽狀，復合型包括裸地型、腎形、花朵狀、葫蘆狀、掌狀、方形[15]。呼倫貝爾沙地的風蝕坑形態大概呈進風端略尖、出風端渾圓的卵圓形；渾善達克沙地受西北風、西南風和西風的控制，風蝕坑的形狀各有不同，按照長寬比值所劃分，長條形風蝕坑所占比例最大，帶形風蝕坑所占比例最小[8]。

盡管風蝕坑的形態類型多樣，但基本是由平坦的草地或沙丘受到強烈的風蝕而產生，其形態具有共同的特征：1）侵蝕口；2）臨近侵蝕口的陡峭侵蝕壁；3）風蝕坑下風側后端由緩變陡傾斜的沙坡和半圓形邊緣組成的大型沉積扇[9,11]。不同地區碟形坑和槽形坑的觀測數據如表1 所示。

表1 不同地區碟形坑和槽形坑的觀測數據

2 風蝕坑發育過程及特征

在自然因素和人類活動的綜合作用下，沙質草原風蝕坑的發育過程一般經歷5 個階段。1）風蝕裸地階段：由于地表植被被破壞，在強風的作用下沙礫吹揚，形成裸地；2）土層破口階段：風沙流的磨蝕推進和地表徑流的沖刷，出現破口，出露散沙；3）活躍發展階段：風力掏蝕造成土層崩塌和風沙堆積，風蝕坑開始形成并逐步擴大規模；4）固定階段：在侵蝕基準面的控制下，植被開始發育，風蝕坑被固定下來；5）消亡階段：植被覆蓋群落演替或風蝕沙坑被填充，風蝕坑變小直至消亡，翻耕型和道路型形成的風蝕坑基本消失[22]。

在發育過程的任何一個階段中，風蝕坑可能活化，重新進入活躍發展階段完成整個發育過程[23]。并且風蝕坑在發育過程中，所經歷的5 個階段形態參數間存在冪函數關系，裸地沙斑階段形態參數之間相關性小，活躍發展階段相關系數增加、規律性增強，消亡階段坑長增長快于坑深和坑寬，活化階段坑長與坑深關系更為顯著，最終在消亡階段坑長、坑寬和坑深均達到最大值，而重新活化階段各參數的數值有所降低[24]。

受其發育過程中影響因素的獨特性，也有學者將高原地區風蝕坑的發育階段劃分為胚胎期、幼年期、青年期和成熟期4 個階段。在胚胎期發育有風蝕斑，是對影響因素的直接響應，其具有不同的方向，地表以下開始受到侵蝕。幼年期作為初始階段，風力作用加強和地表摩擦力的減小導致風蝕斑擴大和加深，生成小尺度的碟形坑/碗形坑。青年期的風蝕坑延伸速度最快，相鄰的小風蝕坑合并成復合型風蝕坑，出現中尺度槽形坑，風蝕壁變得陡峭。成熟期相對穩定，風力侵蝕造成側壁坍塌，邊緣侵蝕顯著，中尺度的風蝕坑繼續合并形成巨型槽形坑[25]。

3 動力學過程

3.1 氣流分布特征

氣流運動是風蝕坑發生發展的主要動力因子，在影響風蝕坑發育的各因子的綜合作用下，風蝕坑會形成獨特的氣流場結構，學者們采用風洞實驗[26]、運用數值模擬[27]等方法，建立二維風蝕坑模型[28]，應用計算機流體力學軟件[29]模擬風蝕坑氣流運動規律，探索風蝕坑發育機制。

碟形坑和槽形坑作為兩種主要的風蝕坑類型，在坑口處氣流運動特征相似，即受風蝕坑的吸附作用，把一定范圍內流經的氣流吸附至坑內，坑口處氣流匯集，壓強降低，氣流加速，受風蝕坑形狀大小、局部地形特點以及氣流方向和風的入射角等因素的影響，氣流分布發生相應的改變[30-32]。碟形坑在坑口處氣流加速后，從入風口進入風蝕坑后輻散減速至坑底，氣流速度降至最低，由于積沙體的阻擋作用，氣流沿迎風坡爬升，地形迅速抬升，氣流壓縮加速，在頂部達到最大，受植被覆蓋和地形的影響，背風坡處氣流分離減速，速度降至最低后逐漸恢復[33-34]。

風蝕坑長軸與風向的夾角往往會影響氣流變化，當出現右斜交或垂直向時，在坑部南緣產生順時針的渦流，當出現平行向或左斜交向時，渦流與南緣相反[17]；當夾角小于17.5°時，部分侵蝕壁發生湍流，傾斜角大于17.5°時，部分湍流壁消失[35]；當坡度大于20°時，背風坡氣流偏轉發生次生氣流，相反背風坡氣流保持原來方向[33]。氣流進入槽形坑內后，由于氣流結構紊亂，風速隨高度降低，再逐步加速至坑底出現極大值，氣流分離減速至迎風坡坡底后加速上升，在坡頂再次出現極大值，風速沿背風坡下降至穩定。氣流與風蝕坑長軸平行時，氣流加速出現急流；當斜向入坑時，產生螺旋環流，會對氣流的整體分布產生直接影響[30,36]。

3.2 風沙輸移

風沙輸移的沿程變化是研究風蝕坑氣流變化的重要內容，風蝕坑及其周圍區域的風速超過起沙風速時，風沙流攜帶著沙粒隨氣流開始移動，風蝕率和風速之間存在冪函數的關系[37]，受地表狀況和大氣條件的影響，風蝕坑不同部位表現出不同的氣流變化[18]。在入風口處，輻散減速侵蝕降低，細顆粒物質隨著風速的降低沉積下來[38]。當坑底出露的河流相物質結構松散時，較小的風速也可以進行搬運侵蝕，隨著規模進一步擴大，侵蝕加劇至侵蝕基準面，細沙含量達到最高[33,39]。在坑后緣隨著風速降低，上部侵蝕能力較強，輸沙量隨著侵蝕強度的降低而增加[34]。風速沿著迎風坡不斷增加，輸沙量逐漸增加，攜帶走大量細沙，使得迎風坡粗沙含量增多，越過坡頂后，輸沙量下降，細沙在背風坡沉積，由于風向向下，細沙含量不斷增多[36,40]。

除此之外，季節變化、植被覆蓋和地形因素也會對風沙輸移產生影響，進而影響風沙流結構。由于地面在冬季的濕度較大，冬季的侵蝕相比于夏季較少，春季伴有強烈的大風天氣且降水量減少，這有利于風沙活動[18,41]。當冬季強烈的風暴活動減弱后，風沙輸移會明顯增加，在年際間存在著較大差異。風蝕坑的上部多覆蓋有植被，對風沙流具有攔截作用，沙粒沉降于積沙區頂部，頂部風沙堆積明顯[33,42]。

4 風蝕坑形態-動力過程研究方法

4.1 風蝕坑形態研究

目前，對于風蝕坑形態特征及發育演化方面的研究主要采取野外實地考察和遙感衛星影像解譯等新技術相結合的方法觀測形態變化。早期野外考察采用全站測量儀、鐵鍬、鋼尺測量研究土層特征，再結合航空照片、社會調查研究風蝕坑的形態，由于技術水平的提高及新技術的發展，實現了風蝕坑由二維到三維形態演化[15]。也有學者采用載波相位差分技術（PTK）測量坑的長度、寬度和深度數據，利用數字高程模型（DEM）根據高程數據觀測風蝕坑演變過程[43-45]。隨著衛星遙感技術的發展，根據衛星遙感影像解譯，通過高分辨率衛星影像進行分析，觀察風蝕坑空間上的分布和形態變化，通過不同時期影像分析結果的對比，監測風蝕坑移動和活化速度[46-47]。各種研究方法的綜合運用，進一步提高了風蝕坑量化的精確度，確保了量化的準確性。移動多邊形時空分析模型（STAMP）量化和描述了多邊形特征的時空動態性，為更好地提取和描述風蝕坑的形態變化提供了主要技術手段[48]。

4.2 風蝕坑動力過程研究

最直觀地監測風蝕坑動力過程的研究方法為野外實地架設風速儀測量近地表層流場，在重要地貌部位用風速儀測量典型區域風速廓線，了解區域內氣流的變化情況[17]。后期逐步開始使用實時動態載波相位差分GPS等新型設備[49]，風洞實驗和計算機流體力學（CFD）數值模擬等方法[31]，探究風蝕坑三維流場分布狀況，推動了風沙動力過程的研究。從微觀領域采用激光粒度分析儀測量風蝕坑沉積物顆粒級配狀況，采用Udden-Wenworth 粒級標準建立粒度參數模型，運用累計曲線和福克-沃德（Folk-Ward）公式圖解計算粒度參數（平均粒徑、標準差、偏度、峰態）[50-51]，判斷易侵蝕區分布情況和易蝕顆粒粒徑分布范圍。隨著風沙動力學過程研究的深入，開始進入風沙輸移的系統性研究階段，早期具有代表性的研究為茲納門斯基的風洞實驗，隨后加入了遙感圖像數據處理的方法及Fryberger 方法對輸沙勢（DP）、合成輸沙勢（RDP）和風向變率指數（RDP/DP）的求算[18]（如式1 所示），使風蝕坑動力過程的研究更系統。

式中，DP為輸沙勢（矢量單位：VU）；U為風速（m·s-1）；Ut為起動風速（m·s-1）；t為起沙風時間，用觀測時間內起沙風時間與總觀測時間的百分比表示。

4.3 風蝕坑形態-動力過程綜合分析

隨著監測技術的進步，綜合運用地面監測、遙感測量和計算機模擬等方法，在風蝕坑形態-動力過程方面的研究進一步深入，更好地為風蝕坑形態-動力研究提供了多方向的支撐。蝕積變化的監測采用插杄法和GPS 技術，通過AI（活躍指數）、EI（侵蝕指數）和DI（沉積指數）指標參數表征蝕積強弱，進一步分析風蝕坑的蝕積過程和易侵蝕區域分布狀況[17,49]。發揮CA-Markov 模型長期預測和模擬復雜系統的優勢，并結合RWEQ 模型，通過地表數值模擬，分析并預測土壤風蝕情況和風蝕坑分布區地表覆被景觀變化[52-53]，觀測并記錄風蝕坑景觀數量的變化情況，制定有效措施控制風蝕坑發展。采用宏觀沉積學分析方法，觀察研究區地表地質情況和剖面土體構型，進行環境解譯后制圖，為沙源的診斷和盆地的演化過程提供基礎支撐[54]。

5 不足與展望

1）現有關于風蝕坑形態-動力過程的研究中，已依照不同的標準對風蝕坑進行分類，以面積、寬度、深度等形態數據為支撐對風蝕坑形態特征進行描述，并把風蝕坑發育過程劃分為不同的階段，闡述了各發育階段的差異，為風蝕坑的識別奠定了基礎。風蝕坑動力學研究過程中，對風蝕坑內不同部位的氣流及風沙輸移有了更全面的研究。但是風蝕坑的形態具有多樣性，多數學者僅對碟形坑和槽形坑進行詳細的描述，使得形態較為相似的風蝕坑不易辨識，并且由于風蝕坑的形成受環境、地貌、氣流等因素的影響，發育過程中的風蝕坑并不能按照既有的風蝕坑類型進行劃分，所以在今后的研究中應在風蝕坑形態分類適用的普遍性和獨特性方面進一步深化。

2）風力的強度會直接作用于風蝕坑內的不同位置，從而影響風蝕坑整體形態的變化，但是對于改變后形狀是否可逆以及使形態發生改變的風力強度的臨界值沒有更深入的探討。同時，對于某個地區的風況和風蝕坑的變化情況是否存在一定的規律性尚不清楚。在氣候方面，可以加入氣候變化與風蝕坑發育關系的研究，雖然厄爾尼諾和拉尼娜現象平均約每4年發生一次，但厄爾尼諾現象出現時，我國北方夏季干旱少雨，發生的當年會出現暖冬的現象，而拉尼娜年恰恰相反，這會導致氣溫和降水的改變，間接影響風蝕坑的發育。

3）小范圍內風蝕坑形態-動力過程的研究主要采用地面監測的方法，大區域的風蝕坑形態-動力過程研究依然采用傳統的遙感手段結合地面驗證的方式完成，介于目前遙感影像分辨率級別的限制，其會影響風蝕坑形態辨識的精度。鑒于此，在今后的研究中，應該更加關注遙感數據源的精度及更精確的風蝕坑形態模擬的數學方法，以實現從宏觀尺度對風蝕坑發育演化進行高精度、多維度的時空監測。