沙尘暴的起沙机制：地表覆盖物如何影响沙粒启动临界风速

我们来详细解释一下沙尘暴的起沙机制中，地表覆盖物是如何影响沙粒启动的临界风速的。

核心概念：临界风速

• 定义： 临界风速是指使地表沙粒克服自身重力和颗粒间的黏聚力，开始发生运动（包括蠕动、跃移、悬移）所需的最小风速。它是衡量地表抗风蚀能力的一个重要指标。
• 影响因素： 临界风速受多种因素影响，包括沙粒本身的性质（粒径、密度、形状、含水率）、地表状况（粗糙度、土壤结皮）以及最关键的地表覆盖物。

地表覆盖物如何影响临界风速

地表覆盖物主要通过以下几种机制来影响沙粒启动的临界风速，总体上提高临界风速，从而抑制风蚀和沙尘暴的发生：

物理阻挡作用：

• 直接覆盖： 覆盖物（如植被、砾石、作物残茬、枯枝落叶）直接覆盖在沙土表面，阻挡了风与沙粒的直接接触。风需要先“绕过”或“越过”这些障碍物，才能作用于沙粒。
• 减少暴露面积： 覆盖物减少了裸露沙土的面积，降低了风能直接作用的区域。只有未被覆盖的区域才可能发生起沙。
• 效果： 覆盖度越高，覆盖物越密集、越高大，这种物理阻挡效果越显著，临界风速就越高。

改变地表空气动力学特性（增加粗糙度）：

• 增加地表粗糙度： 覆盖物（特别是植被和砾石）显著增加了地表的物理粗糙度。粗糙度增大会导致：
  • 风速廓线改变： 近地面的风速梯度发生变化。在相同高度（例如气象站常用的10米高度）测量的风速下，地表覆盖物高的区域，其贴近地表（几厘米内）的实际风速会大大降低。
  • 湍流增强： 覆盖物会破碎气流，产生更多的小尺度湍流涡旋，消耗风的动能，使其难以有效地作用于沙粒并使其启动。
• 效果： 地表粗糙度越高，近地面的有效侵蚀风速越低，临界风速越高。茂密的植被或密集的砾石覆盖能极大地提高临界风速。

保护作用（减少风蚀力）：

• 覆盖物本身吸收风能： 风在吹过覆盖物时，其动能被覆盖物本身（如草叶、树枝、砾石）吸收和耗散，传递到沙土表面的风能减少。
• 减弱风力对沙粒的冲击： 覆盖物削弱了风的冲击力，使其难以将沙粒剥离地表或使其跃起。
• 效果： 这种保护作用直接降低了风对沙粒的侵蚀力，因此需要更强的风才能达到启动沙粒所需的力，即临界风速提高。

改善土壤结构（增强黏聚力）：

• 植被根系： 植被的根系网络能够固结土壤颗粒，增加土壤的团粒结构和内聚力，使沙粒更难被风剥离。
• 有机质积累： 植被凋落物分解后形成的有机质能改善土壤结构，增加颗粒间的黏结力。
• 生物结皮： 某些覆盖物（如地衣、苔藓、藻类）或其凋落物可能促进生物土壤结皮的形成。生物结皮通过菌丝、分泌物等将沙粒黏结在一起，形成一层抗风蚀的表皮。
• 物理结皮： 植被覆盖有助于保持土壤水分，减少蒸发，可能有助于形成物理结皮（如雨后表层土壤硬化），也能增强抗风蚀能力。
• 效果： 土壤结构改善和结皮形成都显著增强了沙粒抵抗风力启动的能力，从而提高了临界风速。

改变微气候（如增加湿度）：

• 植被蒸腾和遮荫： 植被覆盖可以增加近地面的空气湿度，并通过遮荫降低地表温度。较高的土壤湿度和空气湿度会增加沙粒之间的毛细水力和吸附力，增强颗粒间的黏聚力。
• 效果： 在湿润条件下，沙粒更难被风启动，临界风速更高。但这种效应在极端干旱区可能相对较弱。

不同覆盖物的效果差异

• 植被覆盖： 效果最为显著和持久，能通过多种机制（物理阻挡、改变粗糙度、固结土壤、改善微气候）综合提高临界风速。覆盖度越高、植株越高大、根系越发达，效果越好。
• 砾石覆盖： 主要通过物理阻挡和增加地表粗糙度来提高临界风速。砾石覆盖率、砾石粒径和其在表面的嵌入程度（是否半埋入沙中）是关键因素。通常需要较高的覆盖率才能有效抑制风蚀。
• 作物残茬/枯落物覆盖： 主要起物理阻挡和增加粗糙度的作用，也能在一定程度上改善土壤结构。其效果取决于残留量（覆盖度）和残留物的高度、密度。
• 土壤结皮（生物/物理）： 主要通过增强土壤表面颗粒间的黏聚力来提高临界风速。一旦结皮被破坏（如人为踩踏、动物活动、径流冲刷），其保护作用会急剧下降，甚至可能导致更严重的风蚀。

总结

地表覆盖物是影响沙尘暴起沙临界风速的最关键因素之一。它通过物理阻挡风沙接触、改变地表气流结构（增加粗糙度）、直接消耗风能、固结沙土、改善土壤结构、增加黏聚力、调节微气候等多种途径，有效地提高了沙粒启动所需的临界风速。覆盖度越高、覆盖物越密集、结构越复杂（如高大植被），其对临界风速的提升效果就越显著，抑制风蚀和沙尘暴的能力就越强。因此，保护和恢复地表植被覆盖，合理利用砾石覆盖、保护土壤结皮等措施，是防治沙尘暴的根本途径。