風蝕

風蝕（Wind Erosion），即為風力侵蝕作用的通稱，指的是在風力作用下地表物質被侵蝕、磨蝕並被帶走的過程。嚴重的風蝕主要發生在乾燥的土壤環境中，同時這些地區的地表上空還需要有相對穩定的風力，其主要表現形態包括吹揚、跳躍、滾動、磨蝕和擦蝕等。風力侵蝕的現象在世界上的大部分地區均有發生，但其重要性和普遍性一般都低於水力侵蝕，它們的影響力只在缺水的乾旱和半乾旱地區表現得更大一些。

## 作用流程和原理

無論是侵蝕還是磨蝕，其形成的根本原因都是風吹過地表時造成了地表物質的運動或變質。若地表物質為直徑較小的細沙、土壤，風吹過該地區時會直接產生紊流，帶動細沙離開地表移動，該過程被稱為吹蝕；若地表物質為岩石，風力無法輕易使其移動，此時風力作用將傾向於表現出摩擦、衝擊的形態，使得岩石物質的外觀結構發生變化，該過程則被稱作磨蝕。由於吹蝕作用中風帶起的沙礫在運動過程中會產生氣固兩相流，這樣的流體同樣也會摩擦地表，進而產生磨蝕作用，故吹蝕和磨蝕過程往往呈現伴生態，相輔相成，共同影響著地貌景觀。

## 土壤運動形態

在風力作用下，不同直徑的土壤顆粒會呈現出不同的運動狀態，按照其離開地表的幅度可分為懸移、躍移和滾移三種。當地表顆粒直徑小於100微米時，一旦有風吹過，這樣的顆粒便很難再重新回到地表，而是將跟隨風向隨風輸送至其他區域，此過程即為懸移，意為懸浮移動；介於100微米至500微米之間的顆粒可能被風吹離地表，但很快便會因為自身重力重新降落回到地面，此過程稱為躍移，意為以在地表跳躍的姿態進行移動；而在顆粒直徑達到500微米至1000微米時，風力將很難將其吹起，它們則會傾向於在地表滾動，此則為滾移。早在1962年以前，科學家就已經觀察到了顆粒在滾動約30厘米後離開地表，即躍移的現象，而在1988年美國堪薩斯州立大學的研究人員首次對所有風蝕土壤的運動形態進行了系統性的概括。在上述三種土壤運動形態中，發生懸移的土壤是造成土壤損失最重要的影響因素，也是沙塵暴的形成原因之一。

## 影響因素

風蝕過程的主要影響因素包括風速、地表覆蓋情況、地表土壤性質等。1965年，美國農業部開發了著名的風蝕方程（Wind Erosion Equation，簡稱WEQ），其代數表述為：$E = f(I, K, C, L, V)$。其中 $E$ 代表年均土壤流失量，$I$代表土壤可蝕性指數，$K$ 代表地表粗糙度因子，$C$ 代表氣候因子，$L$ 代表無植被覆蓋區域的長度，$V$ 代表植被覆蓋因子。該方程系統性地列舉了所有影響土壤流失量的因素，是世界上第一個可以系統估算農田年均風蝕量的模型。

### 三次方定律和起動風速

1941年，英國風沙物理學的奠基人拉夫·巴格諾爾德在其著作中首次以代數形式解釋了輸沙率和風速之間的關係。簡而言之，輸沙率與風對沙的作用力和風速之積成正比，而風對沙作用力與風速的平方成正比，故輸沙率與風速的三次方成正比。其公式為：$Q \propto u^2 \times u = u^3$。其中 $Q$ 代表輸沙率，$u$ 代表風速。該公式即為風蝕模型中的「三次方定律」，後世科學界的進一步探索基本都建立在該定律的基礎之上。1993年，中國科學院蘭州沙漠研究所在研究中指出，「三次方定律」有時候與輸沙量和風速之間的經驗回歸方程並不一致，進一步提出了風力可以吹動的最大沙粒質量與風速6次方成正比的定律。該定律與「三次方定律」並不衝突，因為一定風速下輸沙的大顆粒會增加，而小顆粒會相對減少，二者共同作用下導致總的輸沙量仍然趨向於不變。

巴格諾爾德除了解釋了輸沙率與風速的比例關係外，還提出了起動風速的概念，指的是只有當距地表2米高處的風速達到一定數值時，地表沙粒才會開始運動。起動風速並不是一個不變的常量，巴格諾爾德認為，起動風速與地表沙粒粒徑的平方根成正比關係。2000年，中國風沙物理學家邵亞平提出了一種新的起沙過程模型。該模型除了考慮了沙粒直徑的因素之外，還將土壤水分、植被覆蓋、含鹽量等多種因素納入了臨界摩阻風速的影響因素範圍內。土壤水分和鹽分越高、地表覆蓋物越多，起動風速就會越大。2010年，中國氣象局研究人員通過對塔克拉瑪干沙漠腹地進行觀測，初步計算出了春夏季該沙漠的起動風速約為每秒4.1米；而在青海省的柴達木盆地，由於地處冷空氣過境的主要路徑上，該數字則會達到每秒10.3米。

### 地表覆蓋情況

自從風蝕三次方定律被提出後，學術界普遍傾向於單一研究風速對風蝕的影響，而並沒有對地表粗糙度等其他因素的研究。1984年，美國土壤風蝕專家弗萊利爾通過可攜式風洞系統，研究了不同地表條件下的土壤風蝕損失情況。在實驗中發現，相對於平坦裸露地表，含有土壟的已耕地表土壤損失率降低了約90%，而在這些已耕地表上額外鋪設土塊覆蓋，則可以將損失率降低至約98%。該實驗的核心結論即提高地表粗糙度可有效控制風蝕，以代數公式的形式描述，則為：$k = e^{-0.48SR}$。其中 $k$ 代表土壤粗糙度係數；$SR$ 代表地表在空氣動力學中的粗糙度，單位為厘米。次年，他將該公式進一步整理為了土壤損失比與地表粗糙度的關係，其表述為：$SLR = 1.81e^{-0.72SC}$。其中 $SLR$ 表示土壤損失比，$SC$ 表示土壤覆蓋度百分比。該函數在其定義域內呈現了單調遞減的性質，當土壤表面覆蓋度越高時，土壤損失比越低。

### 土壤特性

對於土壤特性影響風蝕機理的研究在1958年就已經開始了。加拿大風蝕研究專家切皮爾是第一位詳細論述土壤顆粒尺寸與風蝕起動關係的科學家，他在其論文中第一次提出了以0.84毫米為標準的土壤粒徑劃分方法，大於0.84毫米的土壤顆粒屬於不可蝕因子，難以被風力直接吹動；反之則為高度可蝕因子，可能更容易遭到風蝕。該劃分方法直接影響了後世所有風蝕方程的定義，1965年美國農業部發表的風蝕方程也是以此為依據建立的，該方程中易蝕顆粒含量的定義即為土壤中直徑小於0.84毫米顆粒所占的百分比。

## 風蝕地貌

在風力對地表物質進行吹蝕、磨蝕和雕刻後，地表上不容易發生移動的岩石等物質會形成各種獨特的景觀，它們被統稱為風蝕地貌。它們大量出現在乾旱地區的沙漠、戈壁區域，少數也會出現在青藏高原的外圍地區，其中典型的代表包括風蝕殘丘、風蝕蘑菇、風蝕溝槽、風蝕坑、風蝕脊等，以風蝕殘丘和風蝕蘑菇最為常見。20世紀初，瑞典探險家斯文·赫定在新疆維吾爾自治區羅布泊地區考察時，發現了大量的風蝕殘丘群，他按照當地的維吾爾語將這種地貌稱作「Yardang」（يارداڭ），這便是後世被普遍認作風蝕地貌代表之一的雅丹地貌。由於在風沙這一類氣固兩相流體中，隨著離地高度發生變化，該流體中不同高度的含沙量是不一樣的，這導致風沙對一些岩石的磨蝕產生了差異性。一般而言，近地面風沙流中含沙量最大，因此對較高岩體而言，低處的磨蝕往往高於高處，逐漸形成了上大下小的蘑菇狀岩石，地理學中稱之為蕈岩（Mushroom rock），又稱風蝕蘑菇。這類地貌在中國新疆的吐魯番盆地、準噶爾盆地等地均有分布，美國加利福尼亞州死亡谷國家公園中也有類似的地貌。

## 其他天體上的風蝕現象

風蝕現象的主體即為風和沙粒，而宇宙中許多行星和衛星等天體都具有大氣層和穩定地表，這意味著風蝕並不是地球所獨有的地理現象。在太陽系中，火星上的風蝕地貌是除地球之外最豐富的。由於火星的大氣密度較低，平均氣壓為6百帕，僅為地球表面大氣壓的約0.6%，但火星地表的風速可達100公里每小時以上，故風蝕成為了改造火星地表的主要因素。火星在數十億年前就失去了大部分液態水和活躍的板塊運動，這也使得持續的風蝕成為了火星地表塑造過程中最持久的力量。早在1979年，美國科學家沃德通過「海盜號軌道探測器」的圖像分析，就已確認了火星亞馬遜平原附近存在大量由風蝕形成的流線型壟槽地形。沃德將其按照地球上的雅丹地貌特徵，類似地將其稱之為「火星雅丹地貌」，這是人類第一次在地外行星發現並確認了其他的雅丹地貌。2005年，美國科學家藉助「火星全球探勘者號」探測衛星傳回的圖像進行分析，得出了風力是火星地表變化主要因素的結論。在全球探勘者號傳回的圖像中，遍布火星地表的沙丘和風成條紋清晰可見。隨著火星探測技術的進步，人們已經在火星赤道附近的美杜莎槽溝層區域發現了大量的火星雅丹地貌存在；在蓋爾坑附近發現的伊奧利亞山可能也是一座巨大的侵蝕沉積層。

除了火星上存在風蝕現象導致的地貌特徵外，人們在金星上也發現了大量的風成條紋，這一點在1992年由美國天體地質學家隆納·格里利和他的研究團隊，從麥哲倫號探測器傳回的高解析度金星成像上發現並總結得出。類似的觀測活動一直持續到了1999年，至此科學家已經建立了一個包含5970條風成條紋的全球資料庫，並確認了兩個大型沙丘場的存在，其總面積達18300平方公里。這些沙丘場和條紋的分布與大氣環流模式高度一致，有助於進一步驗證金星的大氣模型。這些研究結論都證明，雖然金星的近地表風速極低（僅有約1米每秒），但風力作用在金星上仍然廣泛存在。

科學家在除了類地行星之外，在土衛六衛星上也發現了極其活躍的風蝕過程。與其他行星不同的是，土衛六上風蝕現象的主要驅動因素是大量的有機物質。土衛六擁有約1.5倍於地球的高密度大氣，以及約七分之一於地球的低重力環境，這使得在土衛六上的風甚至可以使卵石或小型巨石滾動。量化地來看，起風沙的風力就足以在土衛六滾動約0.5米大的石塊，而「卡西尼-惠更斯號」在土衛六中緯度地區所探測到的條紋狀平原、雷達回傳數據中明顯的石塊滾動痕跡都進一步佐證了這一點。2024年，科學家發現在土衛六的赤道附近分布了大片的沙丘區域，類似地球的撒哈拉沙漠，它覆蓋了約17%的土衛六表面。這些沙丘的組成物質是高空光化學反應生成的固態有機碳氫化合物，如托林等，這片沙丘也是風蝕作用的結果。由於土衛六具有許多和地球類似的天文性質，對土衛六的探索仍在進行中，而它的風蝕系統也成為了目前行星科學中最引人入勝的前沿領域之一。

## 生態影響

### 自然影響

在自然地理學和地貌學中，風蝕是一種正常且常見的現象，但當其強度和範圍超出一定程度時，則會給自然環境和人文環境帶來嚴重的危害。風蝕造成的最主要、最嚴重的後果就是土地退化和荒漠化。土壤結構中的養分物質分布並不均勻，它們主要集中在表層的粉砂和黏土等細顆粒中。1986年美國農業部的研究人員發現，嚴重的風蝕會帶走這些細顆粒，而只留下相對貧瘠的粗砂和石塊，這就是今天地理學中「風蝕分選」的概念。風蝕分選現象雖然進行較為緩慢，但最終將會導致土地質地變粗、腐殖質減少，從而造成土地退化，這也是全球近70%的乾旱地區土地生態系統功能降低的潛在因素。由於土壤表層細顆粒被風沙帶走，土壤粗糙度降低，而這又使得風沙的阻礙減少，風蝕影響加劇，依此循環最終導致土地發生荒漠化。

風蝕現象是造成沙塵暴形成過程中最主要的動力環節。風蝕過程會向大氣環境釋放大量的可吸入顆粒物、氣溶膠等物質，並且可以在全球範圍內遠距離輸送。早在1950年代，人們就已經發現來自非洲的礦物粉塵等物質可以跨越大西洋輸送，甚至到達了加勒比海等地區。1969年，科學家提出了撒哈拉空氣層（Saharan Air Layer）的概念，解釋了來自撒哈拉沙漠的沙塵到達西半球的原因。2025年，歐盟哥白尼計劃組織在其對大西洋西岸區的監測報告中指出，夏季來自撒哈拉沙漠的沙塵將會伴隨信風到達加勒比海灣、佛羅里達半島等地。瓜德羅普島在此期間測得的PM10峰值達到了80-150μg/m³，而佛羅里達州的指數為60-120μg/m³。然而撒哈拉空氣層的存在除了影響當地的空氣品質外，也帶來了一些其他生態效應。從撒哈拉沙漠中夾雜帶來的大量鐵、磷等養分可以使大西洋海域的海洋生產力趨於上升，2024年，波多黎各大學的研究人員發現當撒哈拉沙塵質量濃度密度上升時，熱帶北大西洋海域中馬尾藻的濃度也會隨之上升。沙塵顆粒的礦物粉塵中還含有活性冰核粒子，這些粒子雖然經過了長距離的運輸，但仍然可以保持良好的活性。它們會在加勒比海域和中美洲增加雲層生成機率，進而影響當地的降水。

### 人文危害

風蝕現象發生時，會使得原本純淨的氣流中夾雜高速運動的沙粒和顆粒物，這些飛濺的顆粒物對人類的生產活動和健康都會帶來嚴重後果。在農業生產活動中，高速風沙流將直接破壞許多農作物及其幼苗的生物組織。2014年，中國科學院寒區旱區環境與工程研究所的一份研究報告中指出，風沙流將導致玉米幼苗的細胞膜結構受損嚴重，其幼苗中的MDA含量、SOD活性和可溶性糖含量趨於下降，而其膜透性將顯著增加。1930年代，由於乾旱氣候和無節制的農業擴張，美國中央大平原和加拿大的草原三省地區發生了一系列的沙塵暴侵襲事件，史稱「黑色風暴事件」。該事件導致接近一千萬畝農田被摧毀，美國當年冬小麥產量減少了510多萬噸。

風沙流對人類的基礎設施也有強大的破壞力。對於現代建築，風沙流可能持續摩擦外牆，影響真石漆和玻璃幕牆等建築材料的結構強度。在中國絲綢之路沿線，遍布了大量的土遺址，如交河故城、玉門關遺址、敦煌漢長城等露天土遺址。這些遺址所在地區多發大風天氣，而這些遺址的牆基多半在生土層上開挖而成，建築強度較低，導致牆面凹凸不平，甚至被風沙穿透，造成牆體坍塌。以敦煌漢長城為例，由於多年自然侵蝕，今天僅有少量基段殘留，其餘部分已完全被磨蝕消失。除了建築物之外，途經風沙流地區的交通基礎設施也可能受到風蝕影響破壞。中國內蒙古自治區境內的甘泉鐵路因穿越沙漠風蝕區而發生了道床沙化問題，導致對應路段的道砟接觸力降低；公路設施中精密結構雖相對於鐵路而言較少，但風沙途經時會留下大量沉積的沙粒，導致公路被風沙掩埋，例如中國新疆和內蒙古等地每年均需要進行公路清沙作業。

## 防治技術

風蝕過程會直接導致地表細粒物質減少，粗粒物質增加，同時還會導致土壤中的有機質和養分逐漸流失。除了美國的「黑色風暴事件」之外，類似的惡劣天氣於1993年5月5日在中國甘肅省的河西走廊附近也發生了一次，其瞬時風速最大達到了每秒37.9米，中國氣象史上稱之為「5.5黑風暴事件」。這一系列沙塵天氣都使得人們開始考慮防治荒漠化的措施，而風蝕又是乾旱地區荒漠化的主要過程。科學界對風蝕的防治主要從其影響因素，即降低風速、固定沙面、增強地表抗蝕力三方面入手。2023年，中國華北水利水電大學與瑞士巴塞爾大學的一項聯合研究證明，通過實施一系列工程和生物措施，可以降低全球超過52%的風蝕量。

世界上不同國家針對風蝕發生地區的開發程度差異，發展出了不同的防治方案。這些防治技術多半是與人類現代生產活動有關的，主要從農業生產方式和生態恢復的層面進行。自從1930年代的「黑色風暴事件」之後，以美國和加拿大為首的國家就開始了對於保護性耕作方法的研究。從1990年代開始，美國在肯塔基州的白肋菸草產區推廣了免耕生產法和一系列雜草管理技術。加拿大在其草原省份也推廣了類似的免耕技術，2014年的一份研究顯示，加拿大有超過75%的農田已經採用了多種形式的保護性耕作方式，而這其中免耕農田的占比超過了50%。相比於傳統的耕作模式，新型的免耕模式可以顯著增加土壤中的有機碳成分，同時可以提高土壤的礦化碳和輕組碳含量。除了美國和加拿大之外，澳大利亞在其境內的熱帶沙漠氣候區域也推行了保護性耕作技術。科學家通過對澳大利亞北部的北領地和昆士蘭州部分區域進行多年的田間試驗，發現地表覆蓋物可以有效調節土壤溫度、保持水分並控制土壤侵蝕，同時保護性耕作技術的產量與傳統耕作並無大異甚至更高。

相較於北美洲和大洋洲的風蝕地區，中國的風蝕區域主要差異在於並無規模化的耕作情況，如寧夏回族自治區附近的騰格里沙漠、陝北的一些荒漠化地區。然而這些地區不受控制的沙漠化情況會使它們作為沙源地，危害到華北地區的生態安全。中國通過先在流沙區域建設草方格固定沙地、隨後在草方格內種植梭梭等耐旱灌木的方式建立持久、穩定的植被。通過這些措施，從2001年至2020年，中國受到風力侵蝕影響的區域面積減少了約45.7%。2024年，中國科學院的科研人員在騰格里沙漠內約5萬平方米的沙漠中成功應用了EICP-PVAc改良技術，該技術被證明可以有效抑制風蝕，同時可以增加土壤有機碳和銨態氮含量，是一種針對機械固沙難以施工區域的新的固沙方案。除了對於自然生態區域的恢復措施外，中國對於河西走廊中的大量文化遺產也有針對性的保護方法。隨著材料科學的進步，許多新型化學材料已經被證明了具有良好的抗風蝕能力，其中最典型的是高模數矽酸鉀材料，它的材料特點是與土體兼容性好，且不會改變文物外觀。2008年，中國科學院和敦煌研究院的科研人員在實驗中發現，應用高模數矽酸鉀對土遺址進行加固，可以使其抗風蝕強度提高6-10倍。自高模數矽酸鉀（PS）材料之後，又有諸如有機材料改性聚乙烯醇（SH）、纖維素納米晶須（CNC）等新型材料湧現，以便適應文物所在地區的不同氣候條件。

在蘇聯時期，蘇共中央也曾探索了一系列防治風蝕的方法。1948年，蘇聯部長會議通過了自然改造大計劃，該計劃旨在營造防護林、修建水利設施來改造蘇聯歐洲部分的乾旱氣候。最初計劃造林570萬公頃，但該計劃隨著1953年史達林逝世而終止。在史達林時期建設的防護林由於缺乏經驗和管理方法，最終收效甚微。20世紀60至70年代，蘇聯新西伯利亞州、鄂木斯克州、阿爾泰邊疆區以及巴什基爾蘇維埃共和國的轄區內陸續重啟了建設防護林的計劃。雖該計劃實施較為坎坷，但最終蘇聯還是建成了13.3萬公頃、長達1.15萬公里的防護林；建成了史達林格勒水電站、齊姆良水庫、列寧運河等水利工程。它們保護了附近4000萬公頃農田和360個牧場，同時在調節徑流、改善小氣候和防風固沙方面發揮了重要作用。

## 外部連結

- 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