风蚀

风蚀（Wind Erosion），即为风力侵蚀作用的通称，指的是在风力作用下地表物质被侵蚀、磨蚀并被带走的过程。严重的风蚀主要发生在干燥的土壤环境中，同时这些地区的地表上空还需要有相对稳定的风力，其主要表现形态包括吹扬、跳跃、滚动、磨蚀和擦蚀等。风力侵蚀的现象在世界上的大部分地区均有发生，但其重要性和普遍性一般都低于水力侵蚀，它们的影响力只在缺水的干旱和半干旱地区表现得更大一些。

## 作用流程和原理

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无论是侵蚀还是磨蚀，其形成的根本原因都是风吹过地表时造成了地表物质的运动或变质。若地表物质为直径较小的细沙、土壤，风吹过该地区时会直接产生紊流，带动细沙离开地表移动，该过程被称为吹蚀；若地表物质为岩石，风力无法轻易使其移动，此时风力作用将倾向于表现出摩擦、冲击的形态，使得岩石物质的外观结构发生变化，该过程则被称作磨蚀。由于吹蚀作用中风带起的沙砾在运动过程中会产生气固两相流，这样的流体同样也会摩擦地表，进而产生磨蚀作用，故吹蚀和磨蚀过程往往呈现伴生态，相辅相成，共同影响着地貌景观。

## 土壤运动形态

在风力作用下，不同直径的土壤颗粒会呈现出不同的运动状态，按照其离开地表的幅度可分为悬移、跃移和滚移三种。当地表颗粒直径小于100微米时，一旦有风吹过，这样的颗粒便很难再重新回到地表，而是将跟随风向随风输送至其他区域，此过程即为悬移，意为悬浮移动；介于100微米至500微米之间的颗粒可能被风吹离地表，但很快便会因为自身重力重新降落回到地面，此过程称为跃移，意为以在地表跳跃的姿态进行移动；而在颗粒直径达到500微米至1000微米时，风力将很难将其吹起，它们则会倾向于在地表滚动，此则为滚移。早在1962年以前，科学家就已经观察到了颗粒在滚动约30厘米后离开地表，即跃移的现象，而在1988年美国堪萨斯州立大学的研究人员首次对所有风蚀土壤的运动形态进行了系统性的概括。在上述三种土壤运动形态中，发生悬移的土壤是造成土壤损失最重要的影响因素，也是沙尘暴的形成原因之一。

## 影响因素

风蚀过程的主要影响因素包括风速、地表覆盖情况、地表土壤性质等。1965年，美国农业部开发了著名的风蚀方程（Wind Erosion Equation，简称WEQ），其代数表述为：$E = f(I, K, C, L, V)$。其中 $E$ 代表年均土壤流失量，$I$代表土壤可蚀性指数，$K$ 代表地表粗糙度因子，$C$ 代表气候因子，$L$ 代表无植被覆盖区域的长度，$V$ 代表植被覆盖因子。该方程系统性地列举了所有影响土壤流失量的因素，是世界上第一个可以系统估算农田年均风蚀量的模型。

### 三次方定律和起动风速

1941年，英国风沙物理学的奠基人拉夫·巴格诺尔德在其著作中首次以代数形式解释了输沙率和风速之间的关系。简而言之，输沙率与风对沙的作用力和风速之积成正比，而风对沙作用力与风速的平方成正比，故输沙率与风速的三次方成正比。其公式为：$Q \propto u^2 \times u = u^3$。其中 $Q$ 代表输沙率，$u$ 代表风速。该公式即为风蚀模型中的“三次方定律”，后世科学界的进一步探索基本都建立在该定律的基础之上。1993年，中国科学院兰州沙漠研究所在研究中指出，“三次方定律”有时候与输沙量和风速之间的经验回归方程并不一致，进一步提出了风力可以吹动的最大沙粒质量与风速6次方成正比的定律。该定律与“三次方定律”并不冲突，因为一定风速下输沙的大颗粒会增加，而小颗粒会相对减少，二者共同作用下导致总的输沙量仍然趋向于不变。

巴格诺尔德除了解释了输沙率与风速的比例关系外，还提出了起动风速的概念，指的是只有当距地表2米高处的风速达到一定数值时，地表沙粒才会开始运动。起动风速并不是一个不变的常量，巴格诺尔德认为，起动风速与地表沙粒粒径的平方根成正比关系。2000年，中国风沙物理学家邵亚平提出了一种新的起沙过程模型。该模型除了考虑了沙粒直径的因素之外，还将土壤水分、植被覆盖、含盐量等多种因素纳入了临界摩阻风速的影响因素范围内。土壤水分和盐分越高、地表覆盖物越多，起动风速就会越大。2010年，中国气象局研究人员通过对塔克拉玛干沙漠腹地进行观测，初步计算出了春夏季该沙漠的起动风速约为每秒4.1米；而在青海省的柴达木盆地，由于地处冷空气过境的主要路径上，该数字则会达到每秒10.3米。

### 地表覆盖情况

自从风蚀三次方定律被提出后，学术界普遍倾向于单一研究风速对风蚀的影响，而并没有对地表粗糙度等其他因素的研究。1984年，美国土壤风蚀专家弗莱利尔通过便携式风洞系统，研究了不同地表条件下的土壤风蚀损失情况。在实验中发现，相对于平坦裸露地表，含有土垄的已耕地表土壤损失率降低了约90%，而在这些已耕地表上额外铺设土块覆盖，则可以将损失率降低至约98%。该实验的核心结论即提高地表粗糙度可有效控制风蚀，以代数公式的形式描述，则为：$k = e^{-0.48SR}$。其中 $k$ 代表土壤粗糙度系数；$SR$ 代表地表在空气动力学中的粗糙度，单位为厘米。次年，他将该公式进一步整理为了土壤损失比与地表粗糙度的关系，其表述为：$SLR = 1.81e^{-0.72SC}$。其中 $SLR$ 表示土壤损失比，$SC$ 表示土壤覆盖度百分比。该函数在其定义域内呈现了单调递减的性质，当土壤表面覆盖度越高时，土壤损失比越低。

### 土壤特性

对于土壤特性影响风蚀机理的研究在1958年就已经开始了。加拿大风蚀研究专家切皮尔是第一位详细论述土壤颗粒尺寸与风蚀起动关系的科学家，他在其论文中第一次提出了以0.84毫米为标准的土壤粒径划分方法，大于0.84毫米的土壤颗粒属于不可蚀因子，难以被风力直接吹动；反之则为高度可蚀因子，可能更容易遭到风蚀。该划分方法直接影响了后世所有风蚀方程的定义，1965年美国农业部发表的风蚀方程也是以此为依据建立的，该方程中易蚀颗粒含量的定义即为土壤中直径小于0.84毫米颗粒所占的百分比。

## 风蚀地貌

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在风力对地表物质进行吹蚀、磨蚀和雕刻后，地表上不容易发生移动的岩石等物质会形成各种独特的景观，它们被统称为风蚀地貌。它们大量出现在干旱地区的沙漠、戈壁区域，少数也会出现在青藏高原的外围地区，其中典型的代表包括风蚀残丘、风蚀蘑菇、风蚀沟槽、风蚀坑、风蚀脊等，以风蚀残丘和风蚀蘑菇最为常见。20世纪初，瑞典探险家斯文·赫定在新疆维吾尔自治区罗布泊地区考察时，发现了大量的风蚀残丘群，他按照当地的维吾尔语将这种地貌称作“Yardang”（يارداڭ），这便是后世被普遍认作风蚀地貌代表之一的雅丹地貌。由于在风沙这一类气固两相流体中，随着离地高度发生变化，该流体中不同高度的含沙量是不一样的，这导致风沙对一些岩石的磨蚀产生了差异性。一般而言，近地面风沙流中含沙量最大，因此对较高岩体而言，低处的磨蚀往往高于高处，逐渐形成了上大下小的蘑菇状岩石，地理学中称之为蕈岩（Mushroom rock），又称风蚀蘑菇。这类地貌在中国新疆的吐鲁番盆地、准噶尔盆地等地均有分布，美国加利福尼亚州死亡谷国家公园中也有类似的地貌。

## 其他天体上的风蚀现象

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风蚀现象的主体即为风和沙粒，而宇宙中许多行星和卫星等天体都具有大气层和稳定地表，这意味着风蚀并不是地球所独有的地理现象。在太阳系中，火星上的风蚀地貌是除地球之外最丰富的。由于火星的大气密度较低，平均气压为6百帕，仅为地球表面大气压的约0.6%，但火星地表的风速可达100公里每小时以上，故风蚀成为了改造火星地表的主要因素。火星在数十亿年前就失去了大部分液态水和活跃的板块运动，这也使得持续的风蚀成为了火星地表塑造过程中最持久的力量。早在1979年，美国科学家沃德通过“海盗号轨道探测器”的图像分析，就已确认了火星亚马逊平原附近存在大量由风蚀形成的流线型垄槽地形。沃德将其按照地球上的雅丹地貌特征，类似地将其称之为“火星雅丹地貌”，这是人类第一次在地外行星发现并确认了其他的雅丹地貌。2005年，美国科学家借助“火星全球探勘者号”探测卫星传回的图像进行分析，得出了风力是火星地表变化主要因素的结论。在全球探勘者号传回的图像中，遍布火星地表的沙丘和风成条纹清晰可见。随着火星探测技术的进步，人们已经在火星赤道附近的美杜莎槽沟层区域发现了大量的火星雅丹地貌存在；在盖尔坑附近发现的伊奥利亚山可能也是一座巨大的侵蚀沉积层。

除了火星上存在风蚀现象导致的地貌特征外，人们在金星上也发现了大量的风成条纹，这一点在1992年由美国天体地质学家隆纳·格里利和他的研究团队，从麦哲伦号探测器传回的高分辨率金星成像上发现并总结得出。类似的观测活动一直持续到了1999年，至此科学家已经建立了一个包含5970条风成条纹的全球数据库，并确认了两个大型沙丘场的存在，其总面积达18300平方公里。这些沙丘场和条纹的分布与大气环流模式高度一致，有助于进一步验证金星的大气模型。这些研究结论都证明，虽然金星的近地表风速极低（仅有约1米每秒），但风力作用在金星上仍然广泛存在。

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科学家在除了类地行星之外，在土卫六卫星上也发现了极其活跃的风蚀过程。与其他行星不同的是，土卫六上风蚀现象的主要驱动因素是大量的有机物质。土卫六拥有约1.5倍于地球的高密度大气，以及约七分之一于地球的低重力环境，这使得在土卫六上的风甚至可以使卵石或小型巨石滚动。量化地来看，起风沙的风力就足以在土卫六滚动约0.5米大的石块，而“卡西尼-惠更斯号”在土卫六中纬度地区所探测到的条纹状平原、雷达回传数据中明显的石块滚动痕迹都进一步佐证了这一点。2024年，科学家发现在土卫六的赤道附近分布了大片的沙丘区域，类似地球的撒哈拉沙漠，它覆盖了约17%的土卫六表面。这些沙丘的组成物质是高空光化学反应生成的固态有机碳氢化合物，如托林等，这片沙丘也是风蚀作用的结果。由于土卫六具有许多和地球类似的天文性质，对土卫六的探索仍在进行中，而它的风蚀系统也成为了目前行星科学中最引人入胜的前沿领域之一。

## 生态影响

### 自然影响

在自然地理学和地貌学中，风蚀是一种正常且常见的现象，但当其强度和范围超出一定程度时，则会给自然环境和人文环境带来严重的危害。风蚀造成的最主要、最严重的后果就是土地退化和荒漠化。土壤结构中的养分物质分布并不均匀，它们主要集中在表层的粉砂和黏土等细颗粒中。1986年美国农业部的研究人员发现，严重的风蚀会带走这些细颗粒，而只留下相对贫瘠的粗砂和石块，这就是今天地理学中“风蚀分选”的概念。风蚀分选现象虽然进行较为缓慢，但最终将会导致土地质地变粗、腐殖质减少，从而造成土地退化，这也是全球近70%的干旱地区土地生态系统功能降低的潜在因素。由于土壤表层细颗粒被风沙带走，土壤粗糙度降低，而这又使得风沙的阻碍减少，风蚀影响加剧，依此循环最终导致土地发生荒漠化。

风蚀现象是造成沙尘暴形成过程中最主要的动力环节。风蚀过程会向大气环境释放大量的可吸入颗粒物、气溶胶等物质，并且可以在全球范围内远距离输送。早在1950年代，人们就已经发现来自非洲的矿物粉尘等物质可以跨越大西洋输送，甚至到达了加勒比海等地区。1969年，科学家提出了撒哈拉空气层（Saharan Air Layer）的概念，解释了来自撒哈拉沙漠的沙尘到达西半球的原因。2025年，欧盟哥白尼计划组织在其对大西洋西岸区的监测报告中指出，夏季来自撒哈拉沙漠的沙尘将会伴随信风到达加勒比海湾、佛罗里达半岛等地。瓜德罗普岛在此期间测得的PM10峰值达到了80-150μg/m³，而佛罗里达州的指数为60-120μg/m³。然而撒哈拉空气层的存在除了影响当地的空气质量外，也带来了一些其他生态效应。从撒哈拉沙漠中夹杂带来的大量铁、磷等养分可以使大西洋海域的海洋生产力趋于上升，2024年，波多黎各大学的研究人员发现当撒哈拉沙尘质量浓度密度上升时，热带北大西洋海域中马尾藻的浓度也会随之上升。沙尘颗粒的矿物粉尘中还含有活性冰核粒子，这些粒子虽然经过了长距离的运输，但仍然可以保持良好的活性。它们会在加勒比海域和中美洲增加云层生成几率，进而影响当地的降水。

### 人文危害

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风蚀现象发生时，会使得原本纯净的气流中夹杂高速运动的沙粒和颗粒物，这些飞溅的颗粒物对人类的生产活动和健康都会带来严重后果。在农业生产活动中，高速风沙流将直接破坏许多农作物及其幼苗的生物组织。2014年，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的一份研究报告中指出，风沙流将导致玉米幼苗的细胞膜结构受损严重，其幼苗中的MDA含量、SOD活性和可溶性糖含量趋于下降，而其膜透性将显著增加。1930年代，由于干旱气候和无节制的农业扩张，美国中央大平原和加拿大的草原三省地区发生了一系列的沙尘暴侵袭事件，史称“黑色风暴事件”。该事件导致接近一千万亩农田被摧毁，美国当年冬小麦产量减少了510多万吨。

风沙流对人类的基础设施也有强大的破坏力。对于现代建筑，风沙流可能持续摩擦外墙，影响真石漆和玻璃幕墙等建筑材料的结构强度。在中国丝绸之路沿线，遍布了大量的土遗址，如交河故城、玉门关遗址、敦煌汉长城等露天土遗址。这些遗址所在地区多发大风天气，而这些遗址的墙基多半在生土层上开挖而成，建筑强度较低，导致墙面凹凸不平，甚至被风沙穿透，造成墙体坍塌。以敦煌汉长城为例，由于多年自然侵蚀，今天仅有少量基段残留，其余部分已完全被磨蚀消失。除了建筑物之外，途经风沙流地区的交通基础设施也可能受到风蚀影响破坏。中国内蒙古自治区境内的甘泉铁路因穿越沙漠风蚀区而发生了道床沙化问题，导致对应路段的道砟接触力降低；公路设施中精密结构虽相对于铁路而言较少，但风沙途经时会留下大量沉积的沙粒，导致公路被风沙掩埋，例如中国新疆和内蒙古等地每年均需要进行公路清沙作业。

## 防治技术

风蚀过程会直接导致地表细粒物质减少，粗粒物质增加，同时还会导致土壤中的有机质和养分逐渐流失。除了美国的“黑色风暴事件”之外，类似的恶劣天气于1993年5月5日在中国甘肃省的河西走廊附近也发生了一次，其瞬时风速最大达到了每秒37.9米，中国气象史上称之为“5.5黑风暴事件”。这一系列沙尘天气都使得人们开始考虑防治荒漠化的措施，而风蚀又是干旱地区荒漠化的主要过程。科学界对风蚀的防治主要从其影响因素，即降低风速、固定沙面、增强地表抗蚀力三方面入手。2023年，中国华北水利水电大学与瑞士巴塞尔大学的一项联合研究证明，通过实施一系列工程和生物措施，可以降低全球超过52%的风蚀量。

世界上不同国家针对风蚀发生地区的开发程度差异，发展出了不同的防治方案。这些防治技术多半是与人类现代生产活动有关的，主要从农业生产方式和生态恢复的层面进行。自从1930年代的“黑色风暴事件”之后，以美国和加拿大为首的国家就开始了对于保护性耕作方法的研究。从1990年代开始，美国在肯塔基州的白肋烟草产区推广了免耕生产法和一系列杂草管理技术。加拿大在其草原省份也推广了类似的免耕技术，2014年的一份研究显示，加拿大有超过75%的农田已经采用了多种形式的保护性耕作方式，而这其中免耕农田的占比超过了50%。相比于传统的耕作模式，新型的免耕模式可以显著增加土壤中的有机碳成分，同时可以提高土壤的矿化碳和轻组碳含量。除了美国和加拿大之外，澳大利亚在其境内的热带沙漠气候区域也推行了保护性耕作技术。科学家通过对澳大利亚北部的北领地和昆士兰州部分区域进行多年的田间试验，发现地表覆盖物可以有效调节土壤温度、保持水分并控制土壤侵蚀，同时保护性耕作技术的产量与传统耕作并无大异甚至更高。

相较于北美洲和大洋洲的风蚀地区，中国的风蚀区域主要差异在于并无规模化的耕作情况，如宁夏回族自治区附近的腾格里沙漠、陕北的一些荒漠化地区。然而这些地区不受控制的沙漠化情况会使它们作为沙源地，危害到华北地区的生态安全。中国通过先在流沙区域建设草方格固定沙地、随后在草方格内种植梭梭等耐旱灌木的方式建立持久、稳定的植被。通过这些措施，从2001年至2020年，中国受到风力侵蚀影响的区域面积减少了约45.7%。2024年，中国科学院的科研人员在腾格里沙漠内约5万平方米的沙漠中成功应用了EICP-PVAc改良技术，该技术被证明可以有效抑制风蚀，同时可以增加土壤有机碳和铵态氮含量，是一种针对机械固沙难以施工区域的新的固沙方案。除了对于自然生态区域的恢复措施外，中国对于河西走廊中的大量文化遗产也有针对性的保护方法。随着材料科学的进步，许多新型化学材料已经被证明了具有良好的抗风蚀能力，其中最典型的是高模数硅酸钾材料，它的材料特点是与土体兼容性好，且不会改变文物外观。2008年，中国科学院和敦煌研究院的科研人员在实验中发现，应用高模数硅酸钾对土遗址进行加固，可以使其抗风蚀强度提高6-10倍。自高模数硅酸钾（PS）材料之后，又有诸如有机材料改性聚乙烯醇（SH）、纤维素纳米晶须（CNC）等新型材料涌现，以便适应文物所在地区的不同气候条件。

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在苏联时期，苏共中央也曾探索了一系列防治风蚀的方法。1948年，苏联部长会议通过了自然改造大计划，该计划旨在营造防护林、修建水利设施来改造苏联欧洲部分的干旱气候。最初计划造林570万公顷，但该计划随着1953年斯大林逝世而终止。在斯大林时期建设的防护林由于缺乏经验和管理方法，最终收效甚微。20世纪60至70年代，苏联新西伯利亚州、鄂木斯克州、阿尔泰边疆区以及巴什基尔苏维埃共和国的辖区内陆续重启了建设防护林的计划。虽该计划实施较为坎坷，但最终苏联还是建成了13.3万公顷、长达1.15万公里的防护林；建成了斯大林格勒水电站、齐姆良水库、列宁运河等水利工程。它们保护了附近4000万公顷农田和360个牧场，同时在调节径流、改善小气候和防风固沙方面发挥了重要作用。

## 外部链接

- The Bibliography of Aeolian Research
- Facts about wind erosion and dust storms on the Great Plains , hosted by the UNT Government Documents Department
- Aeolian Research (the Journal)
- the International Society for Aeolian Research, ISAR