風蝕

風蝕，即風的侵蝕作用，指在風力作用下地表物質被侵蝕、磨蝕並被帶走的過程。 ^[1]  風吹過地表時，產生紊流，使沙離開地表，從而使地表物質遭受破壞，稱為吹蝕作用；風沙流緊貼地面遷移時，沙礫對地面物質的衝擊、摩擦的作用，稱為磨蝕作用。風蝕作用在風日多、風速大的乾燥區極為盛行。在陡峭的巖壁上，經風蝕形成大小不等、形狀各異的小洞穴和凹坑，稱為風蝕壁龕；孤立突起的岩石，經長期風蝕，易形成柱狀，稱風蝕柱，或形成頂部大、基部小的形似蘑菇的岩石，稱風蝕蘑菇；鬆散物質組成的地面，經風吹蝕，形成寬廣而輪廓不大明顯的風蝕窪地，它們多呈橢圓形，成行分佈，並沿主要風向伸展；乾旱、半乾旱區的耕地如無防風設施，很易受到風蝕，土粒吹蝕後形成風蝕沙地，沙粒及岩石碎屑吹蝕後，石礫或基岩裸露，稱為礫漠或石漠（又稱戈壁。）

風力作用下土壤顆粒主要有3種運動類型：躍移、懸移和滾動。 ^[5] 

當中等粒子（100～500μm）被驅動時，在短時間內它們進入風流中，隨後由於重力又落下來，促使它們碰撞並加入到其他土壤顆粒的運動中，這種輸送方式叫做躍移。由於土壤顆粒的巨大作用，躍移是植物傷害的主要原因。 ^[5] 

指來自於很小土壤顆粒的垂直和水平運動，在躍移和直接風力作用下，直徑100μm或更小的顆粒將被刮起來，懸浮到風中隨風輸送；在遠距離搬運過程中，主要是<20μm的顆粒。在風蝕過程中，懸浮一般佔總的土壤顆粒的3%～40%，搬運的高度最高、距離最遠，是沙塵暴主要構成部分，土壤損失最為明顯。由於比較細小的土壤顆粒通常含較多的有機質和營養物質，所以懸浮顆粒是最富含有機質和植物營養物質的部分。 ^[5] 

直徑在500～1000μm大的土壤顆粒和團聚體，由於太大不能離開地表，但受躍移過程中旋轉的顆粒碰撞衝擊而鬆動，隨風滾動。表面滾動佔總的土壤顆粒的7%～25%，影響到當地的沉積並對植物產生傷害。 ^[5] 

20世紀40年代初，以Chepil為代表的美國農業部科學家對土壤風蝕防治進行了一系列的研究工作。 ^[6]  經過60多年的時間，許多學者通過田間和室內便攜式風洞試驗對農田風蝕和沙塵揚起進行了一系列的調查研究，結果表明採取特殊的保護措施，如作物殘茬覆蓋，增加地表粗糙度以及改變土壤特性，有效地減少了農田風蝕土壤的損失。土壤風蝕的嚴重性是由1） 風速；2） 地表土壤物理特性；3） 地表覆蓋及粗糙度狀況決定的。

風速是風蝕的啓動力，風速增加時，風向上抬起土壤的力和拖曳力也相應增加，引起大顆粒侵蝕，同時搬運能力也相應增加。如果在農田地表沒有或很少保護的情況下，大風可以在短時間內搬運走大量的土壤。引起土壤顆粒在風流中開始移動的風速值叫臨界風速值。臨界風速值取決於土壤覆蓋物和土壤的可侵蝕性。板結的或有不易侵蝕物質（如植物、殘茬或石頭等）覆蓋的地表，臨界風速將比光禿的、疏鬆表面土壤的臨界風速高。 ^[7] 

風蝕強度取決於風的侵蝕力，土壤或岩石的抗蝕性以及地表的粗糙度。風的土壤搬運量大約與風速的平方成正比。

一般情況下，表面越粗糙風蝕越輕，但極細微顆粒的光滑表面能夠經受相當高的風速而不被侵蝕。

測量局部地塊風蝕量E的方程可表示為：

E=f（I，e，k，L，N，）

式中I為土壤抗蝕性，e為局部性風的條件因子，k為地表糙率，L為與一定風向相對的地面寬度，N為植物覆蓋度。研究表明，在距地表30釐米以上，風速急驟減小，風所挾帶的沙粒90%以上在地表30釐米的高度以內，故近地表範圍內的磨蝕與擦蝕作用最強烈。風蝕使土壤顆粒在空間上重新分佈和分選，深刻地影響人類的生產和生活環境。

地表土壤物理特性包括土壤顆粒大小的分佈和土塊及結皮層的動態穩定性。

Chepil（1941年）在土壤特性方面做了大量的工作，研究水穩性團聚體和乾土塊與風蝕度之間的關係，Chepil和Woodruff指出直徑小於0.84mm的顆粒最易於風蝕。因此，小於0.84mm的土壤顆粒增加時,易於被侵蝕的土壤粒子也相應增加。由於土壤風蝕是先發生分離，土塊和結皮層的動態穩定性就顯得尤其重要。土塊、結皮層以及水分增加了土壤的凝聚力，從而減少了土壤分離和產生疏鬆粒子的數量。Chepil對含有不同比例侵蝕成分的土樣進行了測試，通過測試運移的土壤量，計算出不同團聚體大小對地表的保護程度。結果表明，大得不能被風搬運的團聚體，才能提供最大程度的保護。 ^[7] 

Fryrear應用便攜式風洞估計了平坦地表、已耕地表和含有非侵蝕性土塊的已耕地表的土壤損失。結果得出，20%非侵蝕性土塊覆蓋的地表與無土塊覆蓋的地表相比，土壤損失減少56%；40%和60%.土塊覆蓋的地表分別減少82%和89%，地表粗糙度在控制風蝕方面是很有效的，並建立了土壤粗糙度係數與地表粗糙度之間的關係，定量方程為：k=e-0.48SR.Hagen研究了作物殘茬對風蝕的影響原因，結果表明：倒伏殘茬抑制了地表土壤的揚起，增加了臨界風速；直立殘茬減小了土壤表面的摩阻速度並攔截了躍移的土壤；試驗證明直立殘茬比倒伏殘茬對風蝕的控制更有效。Fryrear通過室內和田間風洞試驗研究了倒伏殘茬覆蓋百分率與土壤損失的關係，當20%覆蓋時，減少土壤損失[57%,50%覆蓋時，減少土壤損失95%.其土壤損失比表達式為：SLRc=1.81e-0.072SC（R2=-0.94），但僅在8%～80%覆蓋下驗證了此方程。Bilbro和Fryrear[利用Fryrear（1985）的試驗數為：

SLRc=e-0.0438SC（R2=0.94）。

SLR是指已知處理條件下被侵蝕土壤與平坦、裸露地表最大土壤損失之比。Horning（1998）等通過風洞模擬試驗研究土壤損失比與地表粗糙度及地表覆蓋率之間的關係，從圖中可以看出他們均服從指數關係，把倒伏殘茬覆蓋和地表粗糙度分別作為獨立變量，得出定量方程為[13]

SLR=e-0.5SC×e-0.52SR

式中　SLR——土壤損失比； SC——倒伏殘茬覆蓋率，%； SR——地表粗糙度，cm.

此式説明作物殘茬保護地表是有效且可行的控制風蝕的方法，而地表粗糙度的增加，也可以明顯地降低風蝕。對殘茬覆蓋和地表粗糙度能有效的減小風蝕的理解，可更好地開發和應用保護性耕作來減少農田風蝕、土壤源的損失以及沙塵暴的發生。

風蝕主要發生在乾旱、半乾旱氣候區和遭受週期性乾旱的濕潤地區。

中國風蝕地貌主要分佈區在青海柴達木，南疆和田、羅布泊，東疆哈密、吐魯番，北疆克拉瑪依附近地區。柴達木風沙地貌中67%為風蝕地貌，尤其西北部，與構造線方向大致相同的強勁西風吹蝕第三紀泥、砂岩系，形成順着風向排列的殘餘長丘，長10-100m甚至數千米。新疆羅布泊古樓蘭雅丹地區風蝕地貌十分發育，有風蝕條形土墩與窪地相間組合的典型的雅丹地貌。和田以北麻札塔格（山）的風蝕蘑菇也很典型。東疆大風口七角井、天山達坂城、北疆老風口附近廣佈風蝕城堡、殘丘言山等。克拉瑪依東北烏爾和的風城平頂層狀墩台，高10-30m。此外塔里木盆地東南部庫姆塔格風蝕柱、吐魯番西部的風蝕穴也都十分典型。 ^[8] 

風蝕是風成作用的首要環節。一切風成作用過程都是首先經由風蝕過程發生的。世界上面積巨大的沙漠沙丘和風成黃土沉積，都先經過風力對原地進行風蝕，然後搬運、沉積下來才得以形成。

風蝕的直接後果是地表上的細粒物質減少，粗粒物質增加，同時伴隨土壤有機質和養分的損失。嚴重的長期風蝕會在荒漠地區形成戈壁、雅丹及風蝕窪地等地貌現象。風蝕是荒漠化的重要過程和表現。由於自然或人為因素的影響，植被減少以致於地表裸露時，首先會發生風蝕作用。在相對濕潤地區，天然植被本來是比較好的，但由於人類的不合理開發和利用，導致植被減少，土壤暴露於地表，從而遭受流水和風力的雙重侵蝕。在相對乾旱地區，植被本來就稀少，風蝕也很嚴重，如果人類再不科學地保護耕地和草場，將會使這裏本來就嚴重的風蝕進一步增強。

越來越多的科學家認識到，風蝕是荒漠化尤其是乾旱、半乾旱植被脆弱區荒漠化的主要過程。防治荒漠化必須考慮風蝕，並從風蝕入手。國內外正在投入大量基金，組織研究風蝕的動力機制，以便尋找防治荒漠化的有效途徑。 ^[1] 

由於岩石的性質、產狀多種多樣，風蝕結果造成雅丹地形：風蝕殘丘、風蝕柱、風蝕谷、風蝕窪地、風城、風蝕壁龕、風稜石、石蘑菇等。千姿百態的風蝕景觀，既有一定的科學研究價值又可供遊覽觀光。增加植被覆蓋，減低風速，擴大地表覆蓋度，保蓄土壤水分，是防止風蝕的重要措施。

風蝕作用形成風蝕地貌。中國沙漠地區的風蝕地貌，除被廣大沙丘所埋沒的以外，在大風區域還有廣泛的出露，特別是正對風口的迎風地段，發育更為典型。主要分佈在柴達木盆地的西北部，塔里木盆地東端的羅布泊窪地，東疆以及準噶爾盆地的西北部等地。由於岩層的性質和產狀等因素的影響，它們具有種種不同的形態，主要是：

大部分見於巖性強弱相間的沉積岩（主要是砂岩、泥岩等）地區。它們是在流水侵蝕的基礎上，由於巖性軟硬不同，導致差別性的風力吹蝕，從而形成許多層狀墩台，相對高度多數為10～30米；有的由於岩層平鋪，墩台頂部多平坦，故稱“蝕餘方山”；亦有生成寶塔狀的。烏爾禾的“風城”就是其中最典型的代表之一。

烏爾禾“風城”位於準噶爾盆地古爾班通古特沙漠西北部的烏爾禾地區，方圓有數十公里。它發育在白堊紀岩層為主的構造台階上，由巖性軟硬不同的吐魯谷砂岩和泥岩水平互層所組成。這裏氣候乾燥、雨量少，但常以暴雨形式出現，沖溝相當發育。白堊紀地層一般都含有較多的鹽分，在乾燥氣候條件下，風化和鹽化作用很強，造成一層疏鬆的風化殼，使地層表面變得很疏鬆。而這種疏鬆易受侵蝕的地層，又正位於準噶爾西部著名的大風口上，經常受到六七級以上大風的吹蝕。長期風化剝蝕，風的吹蝕的結果，在原來暴雨侵蝕地貌的基礎上，形成了狀如城堡、亭台樓閣、宮殿等蝕餘方山地形。砂岩比較堅硬，當泥岩受到砂岩保護時，往往形成上部大、下部小的蕈狀。此外，還有塔狀、柱狀等多種地形，甚至還有的象人形、有的象珍禽異獸等奇特形態，活龍活現，栩栩如生。蝕餘方山的相對高度大都有二三十米，高者可達50米。從高處遠眺，溝谷兩旁不同形態的土體相互組合在一起，高低起伏，宛如一座古城廢址中街巷兩邊櫛比相連的斷垣殘壁。因為這種地貌形態主要是由風的吹蝕作用形成的，因此稱之為“風城”。

像烏爾禾“風城”這樣的風蝕地貌，還廣泛見於新疆東部蘭新鐵路十三間房風口以南一帶。這裏常年颳大風，十三間房年平均風速有9.3米/秒；第三紀的紅色砂岩受到強烈風蝕，“風城”地貌也十分典型。塔里木盆地東端羅布泊窪地，在樓蘭古城東北孔雀河畔一帶，新第三紀紅褐色粉砂岩出露的地區，也有風蝕城堡分佈，一般高20～25米，頂部平坦，古代烽火台多建於其上。

風蝕長丘，形似一條細長的壟崗，長度一般在10～200米不等，也有延伸數公里的；高度多在10～20米，也有40～50米的。風蝕劣地，是一種支離破碎的殘丘地面，丘體矮小，一般只有幾米長，高度也不超過10米。它們多分佈在背斜構造等非常發育，地層軟硬相間，且風向又與構造方向相一致的地區。以柴達木盆地西北部分佈最廣，面積有2萬多平方公里。

在花崗岩、偉晶花崗岩、礫岩和粗砂岩等粗粒巖組成的向陽迎風的巖壁上，常常可以見到形狀各異、大小不等而密集的孔穴，有的高可及人，遠望猶如窗格和蜂窩，這種地貌稱為石窩。它的形成是：沙漠地區白晝陽光強烈照射，使巖壁增熱，巖體裏的礦物體積膨脹；夜晚温度驟降，礦物體收縮。由於礦物的熱力性質各不相同，其體積的膨脹和收縮也有差異。這樣，一脹一縮，在不同礦物的界面間就產生了應力（膨脹時產生壓應力，收縮時產生張應力），使礦物彼此鬆解，巖面風化剝落。此外，岩石內含有一些可溶性鹽類，也可通過毛細管水上升到岩石表面，由於水分很快蒸發，鹽分重新結晶，體積擴張，也使岩石表面鬆散破碎。風化的巖面，經風力的吹蝕，最初形成很多淺小的凹坑；以後，風挾帶沙子就沿凹坑磨蝕（旋磨），使凹坑不斷加深擴大，最後形成狀如蜂窩的石窩（風蝕穴）地形。塔克拉瑪干沙漠北部庫車鹽水溝的砂岩峭壁上，這種石窩十分發育；在吐魯番盆地西北部一些石質丘陵的迎風坡上，也可見到這種蜂窩石。

孤立突起的岩石，尤其是裂隙很發育的不大堅實的岩石，受到長期風蝕作用以後，形成上部大、基部小的地形，很像蘑菇，故稱風蝕蘑菇，或石蘑菇。它形成的原因是由於近地面的氣流含沙量大，孤突的岩石下部受到風沙的磨蝕較上部為甚，下部變得愈來愈小，最後變成上大下小的蕈狀。特別是當下部的巖性較上部軟弱，易於風化變得疏鬆時，更有利於風蝕蘑菇的形成。風蝕蘑菇在吐魯番盆地西北部的石質丘陵地區，準噶爾盆地西北部的烏爾禾和塔克拉瑪干沙漠西部麻扎塔格等地都可見到。風蝕蘑菇一般多是在基岩地區發育的風蝕城堡等地貌的一種附生形態。

雅丹與上述的風蝕地貌不同，它是發育在第四紀河湖相的土狀堆積物中，以羅布泊窪地西北部的古樓蘭附近最為典型。羅布泊窪地西北部及甘肅西部疏勒河下游；風蝕雅丹地貌廣泛分佈，面積有2600平方公里，僅次於柴達木盆地的西北部，是中國第二個面積最大的風蝕地貌分佈區。“雅丹”是維吾爾語“陡壁的小丘”之意，後來用它來泛指風蝕土墩和風蝕凹地相間的地貌組合。高起的土墩多作長條形，排列方向與主風向平行；相對高度多在4～10米，長度不等。土墩組成物質全為粉沙、細沙和沙質粘土水平互層，沙質粘土往往構成土墩頂面，向下風方向作1～2度的傾斜，四周由幾種坡向的坡面組成，坡度通常上陡下緩。

在羅布泊鹽鹼地北部的東西兩側，粘土土墩的頂面是灰白色鹽鹼塊；又因它彎曲而長，形狀似龍，故名“白龍堆”。關於白龍堆，中國古書上早有記述。《漢書·地理志》中就有“白龍堆，乏水草，沙形如卧龍”的記載。《周書》西域傳中更對白龍堆的分佈位置作了敍述：“鄯善，古樓蘭所治，城方一里，地多沙滷，少水草，北即白龍堆，西北有流沙數百里”。

雅丹地貌在喀什三角洲平原的西南部、吐魯番盆地燕木什以南沖積平原等地也都有廣泛分佈。但由於長期受風蝕破壞，土墩面積變得愈來愈小，形成風蝕土丘，使地面崎嶇起伏，支離破碎。

19世紀初美國大量採用鏵式犁開荒，將數千萬公頃乾旱、半乾旱草原開墾成農田，耕翻後多次耙壓碎土、裸露休閒，幾十年獲得了好收成，糧食大量出口，為美國帶來了豐厚的經濟利益。至20世紀30年代，連續數年在美國西部颳起的舉世震驚的“黑風暴”，大風在沒有遮攔的農田裸地上橫掃，成千上萬噸表土被風颳走。1934年5月一場典型的沙塵暴從美國西部颳起，連續三天，橫掃2/3國土，把3億多噸土壤捲進大西洋。僅這一年美國毀壞300多萬公頃耕地，冬小麥減產510萬噸，導致16萬農民傾家蕩產逃離西部，留下的人生活極其困難，還有不少人死於沙塵暴引起的肺炎。

“黑風暴”驚醒了人們，推動了各種保水保土耕種方法的研究。經過半個世紀研究，開發出免耕法，並與退耕種草、植樹造林建立防風屏障等措施相結合，有效地扼制住沙塵暴的再度猖獗。美國60%耕地實行免耕 法種植。免耕法核心技術：一是殘茬覆蓋。淘汰鏵式犁，土壤不翻耕，秸稈覆蓋田面；二是使用茬地播種機“鐵茬”播種，隨播種深施化肥；三是採用除草劑與淺鋤相結合清除雜草。美國農業部農業研究中心（USDA——ARS）1979年報告，與傳統耕作法對比，免耕、秸稈覆蓋處理，土壤貯水量增加，徑流量和蒸發量減少，增強土壤抗風蝕能力，從而提高了作物產量。

澳大利亞乾旱面積625 萬km2，佔國土面積81%.從20世紀初以來幾十年翻耕作業，導致土壤風蝕和水蝕嚴重，土層變淺。科學家預測如不採取措施，100年後澳大利亞耕地面積將減少50%.20世紀 70年代以來澳政府在全國建立了保護性作耕試驗站。大量實驗證明秸稈覆蓋是一項防止風蝕、保持水土的有效耕作方法。殘茬覆蓋減少水土流失90%，減少風蝕70%～80%（見表2）。

加拿大位於北美，氣候寒冷，夏季土壤休閒期長，土壤翻耕後，裸露休閒18～21個月。由於缺乏覆蓋物導致土壤水分蒸發，增加土壤鹽鹼度和土壤風蝕、水蝕。20世紀50年代，加拿大開始研究保護性耕作。集中解決了免耕播種機、除草劑等關鍵技術，21世紀已全部淘汰鏵式犁，實行殘茬覆蓋免耕播種。研究表明免耕法有利於減少土壤侵蝕，保蓄水分，改善土壤結構，增加作物產量。

前蘇聯旱區分佈在北緯50～53度，包括草原帶與半荒漠帶，約有耕地9700萬hm2，年降雨量350～450mm.乾旱、風蝕和水蝕是農業的主要威脅。風蝕面積7000 萬hm2，沙塵暴是該地區的主要災難。20世紀50年代試驗無壁犁耕法，又叫馬爾採夫耕作法。包括留高茬（20cm），、無壁犁深松35～40cm，茬地播種機播種，能保留雨雪，減輕風蝕、水蝕，提高作物產量，在前蘇聯得到大面積推廣應用。

免耕法是最大限度地減少土壤耕作和將作物殘茬留於地表的一種耕作體系，是一種改良的、集約的、防治水蝕和風蝕的作物生產方法。免耕法耕作體系取消了耕翻、耙耱、平地等傳統作業。只有條播作為主要作業保留下來，但比傳統條播難度更大。相對堅硬的土壤和地表殘留物增加了條播的難度。因此，免耕播種機要求切割土壤能力更強，同時能清理開溝器附近的殘茬，不致造成種子堵塞。施肥通常和播種同時進行，肥料施在種子近旁。除草以化學除草為主，輔助以機械淺鋤除草。

作物殘留物覆蓋能有效的減少大風引起的沙塵顆粒運動。一方面它可以吸收一部分風力，減少風對土壤的作用力；另一方面，由於把作物的殘茬留在土壤表面，把根茬留在土壤裏，它們都能保護土壤顆粒不被風力移動。