中国毛乌素沙地农田风蚀过程及其对沙丘开垦的响应机制研究

本研究针对毛乌素沙地沙丘开垦为农田后加剧风蚀的问题，通过野外实测对比分析了农田、流动沙地和植被沙丘的沙尘输移特征。研究发现农田地表水平输沙率(QT)达13.91±6.38 kg m-1 h-1，垂直输沙率(FT)达0.94±0.69 kg m-1 h-1，显著高于植被沙丘，揭示农田开垦会通过改变粒径分布（125-250μm占比55.27%）和输沙模式（高斯峰函数）加剧风蚀。研究为沙区农田风蚀防治提供了重要依据。

　　

在广袤的毛乌素沙地，一场因人类活动引发的生态博弈正在上演。这片中国四大沙地之一的区域，近年来为保障粮食安全开展了大规模沙丘开垦，农田面积从2000年的3822.7公顷激增至2020年的4865.7公顷。然而，这种"向沙漠要良田"的做法却暗藏危机——裸露的农田表面在西北季风肆虐下，正成为新的沙尘暴策源地。更令人担忧的是，当前对沙地开垦后的风蚀过程认知仍存在空白：究竟农田与原生沙地的风蚀差异如何？沙粒输移规律有何不同？这些问题的解答直接关系到北方生态屏障的稳固。

陕西师范大学地理科学与旅游学院的研究团队在《Soil and Tillage Research》发表的重要研究，通过精密的野外实验揭开了这一谜题。研究人员在2024年沙尘暴高发的3月，采用LDDSEG分段集沙仪（采样高度0-0.6m）和Windsonic风速仪，对比监测了五年期玉米田(C)、一年期玉米田(OC)与周边流动沙地(S)、植被沙丘(V)的风蚀过程。通过高斯峰函数和指数函数拟合输沙通量垂直分布，结合ANOVA分析不同地表类型的差异，并计算了阈值风速(u_*t)和粗糙度长度(z₀)等关键参数。

研究结果部分呈现了丰富发现：

1. 风速廓线与地表特性：对数线性模型(R²>0.83)显示农田粗糙度长度(z₀=2.30×10^-3 m)显著低于沙地，导致更易发生风蚀。五年期农田的摩擦速度(u_*=0.37 m s^-1)虽低于一年期农田(0.54 m s^-1)，但输沙率仍维持较高水平。

2. 沙粒输移规律：农田输沙通量呈现独特的三维特征。水平输沙率(Q_T)在流动沙地最高(23.68±15.89 kg m^-1 h^-1)，但农田(13.91±6.38)显著高于植被沙丘(1.88±1.57)。垂直分布上，农田输沙在0.21-0.29m高度出现拐点，符合高斯峰函数，而植被沙丘则呈指数递减。

3. 粒径的关键作用：农田表面125-250μm颗粒占比达55.27%，远高于沙地的39.61%。更值得注意的是，粉尘级颗粒(<63μm)在农田输移物中占比达7.05%，是沙地的4倍，这解释了为何农田垂直输沙率(F_T=0.94)反超流动沙地(0.82)。

4. 空间差异现象：从农田上风向(C1)到下风向(C3)，输沙率递减趋势明显(15.29→10.07 kg m^-1 h^-1)，新垦农田(OC)的输沙强度更是老农田的1.49倍，印证了开垦初期的生态脆弱性。

这项研究通过详实数据揭示了"沙地-农田"转换的生态代价：开垦使植被沙丘的细颗粒物质暴露，通过改变地表粗糙度和粒径组成，不仅使水平输沙量增加6.9倍，更使粉尘排放量提升5.47倍。研究创新性地指出农田风蚀存在"高度拐点效应"，这意味着沙粒能跃迁到更高空域，加剧区域粉尘扩散。这些发现为理解人类活动如何通过改变地表属性来放大风蚀提供了机理模型，也为沙区农田的防风措施（如设置间距<100m的阻风带、保留作物残茬）提供了量化依据。在全球干旱区农业扩张的背景下，这项来自中国半干旱沙地的研究，无疑为协调粮食安全与生态安全提供了重要科学基准。