2002年5月26-31日，北京，中国
史培军
教授、博士
北京师范大学资源科学研究所所长
北京师范大学副校长
中国土壤风蚀研究的现状与展望*
史培军严平袁艺
( 北京师范大学中国沙漠研究中心, 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室,
北京师范大学资源科学研究所北京100875 )
摘要：土壤风蚀是一个全球性的环境问题。中国是世界上受土壤风蚀危害最严重的国家之一，土壤风蚀是中国干旱、半干旱及部分湿润地区土地荒漠化的首要过程。中国风蚀荒漠化面积达160.74×104 km2，占国土总面积的16.7％，严重影响这些地区的资源开发和社会经济持续稳定发展。中国对风蚀现象及其危害的认识已有2000多年的历史。二十世纪50～60年代，我国科学家对全国各大沙漠进行综合考察，开展了沙地利用、流沙固定及有关定位观测实验；80年代以来，土壤风蚀作为沙漠化的首要环节而得到前所未有的重视，相继开展了大量的实验研究工作，揭示了各种因素对风蚀过程的影响，尤其是人为因素对风蚀的加剧作用，并提出了不同地区的风蚀防治措施。本文将总结近几十年来中国土壤风蚀研究的进展，从风沙地貌与沙漠化、风蚀动力学、风蚀影响因子、风蚀测定与评估模型、风蚀强度分级、沙尘暴、风蚀控制等方面阐述风蚀研究的主要成果，并针对当前存在的问题，对未来土壤风蚀研究与防治提出展望与建议。
关键词：土壤风蚀；中国；干旱半干旱地区；土地荒漠化；沙尘暴
1 引言
土壤风蚀是一个全球性的环境问题。严重的土壤风蚀不仅危害本地，造成地表细粒物质和土壤养分、有机质的大量流失，土地生产力下降，影响农作物的正常生长；而且殃及四方，产生大范围的沙尘暴灾害和大气环境污染，影响人类身体健康，并对交通、通讯和水利等设施构成危害。全球极易发生土壤风蚀的地区包括非洲、中东、中亚、东南亚部分地区、西伯利亚平原、澳大利亚、南美洲南部及北美洲的内陆地区[1]。风蚀造成的土地退化面积达到5.05×106 km2，占全球退化土地总面积的46.4％[2]。土壤风蚀也是中国干旱、半干旱及部分湿润地区土地退化或荒漠化的主要过程之一[3]。我国风蚀荒漠化面积达160.74×104 km2，占国土总面积的16.7％[4]，严重影响这些地区的资源开发和社会经济持续稳定发展。
中国学者对风蚀现象及其危害的认识已有2000多年的历史。历史文献记载有风蚀产生的“雨土”、“黄砂”等风沙灾害现象[5]；东汉史学家班固(32－92)记载了罗布泊一带的雅丹地形，北魏地理学家郦道元(466－527)在描述雅丹地形的形成时就有“浍其崖岸，馀溜风吹，稍成龙形”的解释[6]；到清代，地方官员开始采用风蚀防治措施以保护耕地和灌溉设施[7]；德国地质学家李希霍芬(Richthofen)通过对中国黄土高原的多年考察(1866－1872)，认为中国北方广泛的黄土堆积主要是由其西北沙漠和戈壁地区的风蚀所致[8]；瑞典探险家斯文·赫定(Sven Hedin)考察了罗布泊地区的雅丹地貌之后计算出，在1 600 a的时间内，风蚀深度达6 m[9]。二十世纪50～60年代，我国科学家对全国各大沙漠进行综合考察，开展了沙地利用、流沙固定及有关定位观测实验；80年代以来，由于人口的急剧增长造成土地荒漠化问题日益严重，土壤风蚀
*国家重大基础研究规划项目(G2000048702、G2000018604)和国家“十五”科技攻关项目“沙区农田、草地土壤风蚀防治技术研究”赞助
作为沙漠化的首要环节而得到前所未有的重视，相继开展了大量的实验研究工作，揭示了各种因素对风蚀过程的影响，尤其是人为因素对风蚀的加剧作用，并提出了不同地区的风蚀防治措施。
本文将总结近几十年来中国土壤风蚀研究的进展，并针对当前存在的问题，对未来土壤风蚀研究与防治提出展望与建议。
2 研究进展
土壤风蚀作为干旱和半干旱地区风沙过程、沙漠化与沙尘暴灾害的首要环节，引起了中国学者的关注。近几十年来，通过风洞实验、野外观测等手段，相继开展大量的研究工作。在风蚀动力学、风蚀影响因子、风蚀测定与评估、风蚀防治技术等方面取得了显著的进展，并在风沙地貌、土地沙漠化、沙漠环境演变、沙尘暴与风沙灾害等相关研究领域，也取得了突出的成绩。
2.1 风沙地貌与沙漠化
我国土壤风蚀研究是伴随着沙漠科学，尤其是风沙地貌和沙漠化的研究而开展起来的。二十世纪50～60年代，中国科学院治沙队对我国各大沙漠进行综合考察，在内蒙及西北五省建立了六个综合治沙实验站
及数十个中心站，基本查清了我国十大沙漠、沙地的自然条件和主要特征（图1），在风沙地貌发育、风沙运动规律、沙漠治理和风沙灾害防治等方面开展了系统的研究工作，相继出版了一系列论著，具有代表性的有《中国沙漠概论》[10]、《塔克拉玛干沙漠风沙地貌研究》[11]、《风沙地貌学》[12]等。
图1中国北方沙漠与沙漠化土地分布(据文献[14])
自二十世纪80年代，中国沙漠研究的重点逐步转到沙漠化方面上，带动了土壤风蚀研究的发展。主要取得了以下成果[13~16]：(1) 揭示了中国北方干旱半干旱及部分半湿润地区土地沙漠化的类型、主要特征及其发生发展过程；(2) 查明了中国沙漠化现状、分布特征及其危害；
(3) 分析了沙漠化的成因，确定了自然因素与人为因素在沙漠化成因中的作用；(4) 制定了沙漠化指标体系，开展了大范围的遥感与地面调查，进行沙漠化的监测和制图工作（图1）；(5) 选择沙漠化危害严重的地区，进行不同自然条件下不同类型的沙漠化土地防治试验研究与示范。
2.2 风蚀动力学
风沙过程是指风力对地表物质的侵蚀、搬运和沉积，而风蚀实质上是气流或气固两相流
对地表物质的吹蚀和磨蚀过程。因此，从风沙物理学或流体力学的角度研究风蚀的动力机制，探讨沙粒的受力机制、风沙运动方式、风沙流结构、输沙率模型等，成为风蚀研究的重要理论基础。
土壤颗粒的受力主要包括外力和内力两种，其中外力包括上举力、摩擦力、形状阻力以及颗粒撞击力、振动力、旋转力、颗粒剪切力、粒间离散力等，而内力包括重力、引力（万有引力、静电引力）、水膜吸附力、生物粘结力（图2）。凌裕泉和吴正(1980)、贺大良和高有广(1988)在风洞中，应用普通电影摄影和高速电影摄影，对沙粒受力运动的过程进行了动态摄影观测，并根据摄影资料对作用于单颗沙粒的几个主要力进行了概率计算，讨论了它们在沙粒运动中所起的作用[17,18]；刘贤万(1995)应用高速频闪摄影和高速电影摄影，采用自动运动参数判读仪和计算机平滑拟合轨迹等方法，对不同运动方式的沙粒进行了受力分析，建立了各运动阶段的力学数学模型[19]。石康军
图2土壤颗粒受力分析
沙粒的运动可划分为悬移、跃移和蠕移三种形式。中国学者对沙粒跃移的研究较多，凌裕泉和吴正(1980)观测到沙粒跃移的轨迹特征，对起跳角和降落角进行了统计[17]；邹学勇等(1992)通过高速频闪摄影，对不同下垫面条件下沙粒的跃移轨迹、延程速度、起跳角与降落角呈线性关系等一系列问题进行了初步的论证[20]；刘贤万(1995)发现，沙粒运动除了悬移、跃移和蠕移三种基本形式外，在沙粒发生跃移前，尚存在振动、滚动和滑动三种运动形式[19]。
风沙流结构表示气流中搬运的沙粒随高度的分布，是决定输沙率和防沙工程选择的重要指标。在风沙流结构研究方面，最早刘振兴(1960)根据湍流扩散理论，得出在不同空气稳定度下沙粒悬浮浓度随高度的分布公式及其与平均风速的关系[21]。吴正(1987)通过野外观测和风洞实验证明，输沙量随高度的分布
呈指数规律递减；随着风速的增加，下层气流中沙量相对减少，相应增加了上层气流中搬运的沙量；在同一风速条件下，随着总输沙量增大，下层气流
/Q0－1），以判断中搬运的沙量增加，上层沙量相应减少；并提出风沙流结构特征值（λ＝Q2
－10
地表吹蚀、搬运与堆积状况：当λ＜1时，为过饱和风沙流，有利于堆积；λ＞1时，为非饱和风沙流，有利于风蚀；λ＝1时，为饱和风沙流，有利于非蚀非积搬运[12]。马世威(1988)研究了影响风沙流结构的三个主要因素，即风速、总输沙量、下垫面[22]。邹学勇等(1992)采用统计和概率的方法推导出风沙流结构为对数函数，并对戈壁风沙流做了专门研究[19]。Chen et al. (1995)又进一步分析了风沙流的粒度参数分布函数[23]。
输沙率的确定是风沙物理学的核心研究内容，长期以来国内外学者提出了大量的理论模型和经验公式。除刘振兴(1960)应用空气动力学原理提出一个较为全面的输沙率模型外[21]，我国学者多根据野外观测和风洞实验资料，建立输沙量与风速的相关关系式[24,25]。
2.3 风蚀影响因子
土壤风蚀是在特定的环境背景下风动力条件作用于沙质地表的结果，其成因总体上可以
归咎于自然因素、人为因素及其相互作用，其中自然因素包括气候、土壤、植被和地形等，人为因素包括土地开垦、过度放牧、樵采、水资源过度利用等不合理的经济活动（表1）。有关风蚀影响因子，国内外学者通过大量的试验研究，在单因子对土壤风蚀的影响方面已经取得了显著的成果；在人为因素方面，国内学者普遍认为土地翻耕和牲蓄践踏是人为加速风蚀的主要原因。
表1 影响土壤风蚀的主要因子
气 候
土 壤 植 物 地 形 人为活动 植被类型 (±) 植被盖度 (+) 地表粗糙度 (±) 坡度 (±) 土垄 (±) 开垦 (－) 放牧 (－) 农田防护林 (+) 作物残茬 (+) 风速 (－)
风向 (±)
湍流度 (－)
降雨量 (+)
蒸发量 (－)
温度 (+)
气压变化 (－)
冻融作用 (+) 土壤类型 (±) 颗粒组成 (±) 土体结构 (±) 有机质含量 (±) 碳酸钙含量 (±) 土壤容重 (±) 团粒密度 (±) 土壤水分 (+) 注：（＋）表示土壤风蚀随该因子的增加而减弱；（—）反之；（±）表示即有增加也有减少。
2.3.1 气候因子
气候条件对风蚀的影响不仅仅表现在风力作用上，而是风速、降水和温度等因子综合作用的结果。Chepil et al . (1962)认为正是这些气候因子决定着年土壤风蚀水平，提出了风蚀气候因子指数[26]，用于风蚀模型(WEQ)计算中[27]。之后，联合国粮农组织(FAO)将Chepil et al .公式(1962)修改为[28,29]：
12
C ＝1/100∑u 3((ETP i －P i )/ETP i ) d (式1)
i =1 式中，u 为2 m 处的月均风速，ETP i 为月潜在蒸发量，P i 为月降水量，d 为月总天数。
董玉祥和康国定(1994)根据粮农组织气候因子指数(式1)，选择中国北方11个省区233个气象台(站)的气象数据，计算出各地的风蚀气候因子指数，绘出中国干旱半干旱地区年风蚀气候因子等值线图[30]（图3）
。图3表明，中国干旱半干旱地区年风蚀气候因子指数多介入10－100之间，其基本特征是东部由东南向西北逐渐增强，西部自西向东逐渐增强。气候侵蚀力较强的主要区域有准噶尔盆地、柴达木盆地、阿拉善戈壁地区、内蒙古高原北部、科尔沁草原及塔克拉玛干沙漠（没有数据），这些地区的气候因子指数在100以上，达到风蚀气候侵蚀力极强水平。
图3 中国北方干旱半干旱地区年风蚀因子C 值(据文献[30]修改)
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