编辑推荐：
中国北方黄土高原刘家沟小流域砂质黄土样品，通过实验室模拟13次冻融循环结合风洞试验，研究不同覆盖率物理 crust 在不同风速下风蚀特性变化。结果表明：FTC导致crust厚度和密度增加，但剪切强度和硬度下降；风蚀强度随风速增大显著提升（p<0.05），且覆盖率高的crust（≥60%）显著降低近地表泥沙输运率（p<0.05）；FTC通过破坏crust结构使摩擦速度降低（p<0.05）而粗糙度上升（p<0.05），这种双重效应导致风蚀抑制能力下降。
张秀梅|钟志强|戴成|张一杰|马波
中国陕西省杨凌市西北农林科技大学水土保持科学与工程学院，国家水土保持与荒漠化控制重点实验室，邮编712100
摘要
在寒冷干旱地区的冬季和春季，物理结皮在防止和控制风蚀过程中起着关键作用。中高纬度地区普遍存在的季节性冻融过程显著改变了土壤结构和物理力学性质。然而，冻融循环（FTC）如何影响物理结皮特性——从而导致风蚀加剧或减弱——目前尚不清楚。本研究从中国黄土高原北部的陕西省神木市柳道沟小流域采集了沙质黄土样本，并采用了实验室模拟冻融实验和风洞实验相结合的研究方法。对不同覆盖度（0%、20%、40%、60%、80%、100%）的物理结皮进行了风蚀测试，以研究FTC对风蚀强度（WEI）、沉积物排放率、摩擦速度、空气动力粗糙度等动态参数的影响。结果表明，FTC对物理结皮特性的影响明显依赖于风速（p < 0.05）。物理结皮的风蚀强度随风速增加而显著增加。近地表沉积物排放率在结皮覆盖度较高时显著降低，但在风速较大时显著增加。物理结皮有效抑制了风蚀事件（p < 0.05）；然而，FTC加剧了风蚀并减弱了其抑制作用。冻融后的平均摩擦速度低于非冻融条件，而空气动力粗糙度则表现出相反的趋势。独立成分分析和多块冗余分析显示，风蚀强度的增加主要与结皮覆盖度降低和空气动力粗糙度降低有关。次要因素包括由于冬季反复冻融作用导致的结皮剪切强度、厚度、容重和硬度的变化，而土壤有机质含量没有显著相关性。这些发现揭示了季节性冻融对黄土高原北部沙质黄土物理结皮风蚀响应的调节机制，有效填补了关于寒冷干旱地区冻融、结皮和风蚀相互作用的研究空白。
引言
土壤风蚀是指在风力作用下，通过气流与土壤表面之间的相互作用，导致土壤颗粒脱落、输送和沉积的综合性自然地理过程（Lackóová等，2021；Pi等，2021；Xu等，2018）。风蚀广泛分布于全球干旱、半干旱和部分半湿润地区，覆盖了地球陆地表面的四分之一以上（Gestwa，2015；Pu等，2020）。它是中国最普遍且最具破坏性的土壤侵蚀形式。根据中华人民共和国水利部2023年发布的《中国水土保持公报》，风蚀影响了约1,556,200平方公里的土地，占全国土壤侵蚀总面积的59.22%。此外，风蚀是土地荒漠化的主要驱动因素（Middleton，2017），并在极端气候条件下引发沙尘暴和扬沙事件（Klose等，2019；Yan等，2015）。因此，深入理解控制土壤颗粒起始、输送和沉积的关键表面条件及其演变机制，是风蚀过程研究和侵蚀控制实践中的关键科学问题。
土壤物理结皮广泛分布在裸露的地表上，是由雨滴撞击、沉积和干燥作用形成的细颗粒紧密层。它们是陆地生态系统中普遍存在的自然表面结构（Liu等，2024；Mcintyre，1958）。土壤物理结皮通常由表层压实层和下层淋溶层组成。压实层由颗粒紧密堆积、孔隙小且密度高的细颗粒构成。淋溶层主要由向下输送和沉积的细颗粒组成，其孔隙率远低于原始土壤（Onofiok和Singer，1984）。在形成过程中，雨滴的机械冲击使土壤团聚体破裂和分散，雨水的化学分散进一步促进了细颗粒的迁移。这些过程共同导致表层结构变得致密，同时在下层形成了阻碍水分渗透的结皮层（Agassi等，1981）。尽管这种表面结构在某种程度上改变了土壤表面的物理和力学性质，但其结构完整性和功能稳定性并非固定不变，可能会在后续环境条件下发生变化。因此，作为动态演变的地表特征，不同环境影响下物理土壤结皮的稳定性和功能变化值得进一步研究。
大量研究表明，物理结皮可以通过改变气流与土壤之间的相互作用（Chen等，1980）、增加地表土壤剪切强度和土壤压实度（Kouchami-Sardoo等，2019），以及改变风蚀物质在表面的输送和沉积过程（Yang等，2019）来降低风蚀风险。此外，结皮覆盖度、强度（Zobeck，1991）、含水量（Chen等，2019）和土壤质地（Kazman等，1983）共同影响风蚀动态，较高的结皮覆盖度与较高的风蚀阈值风速相关。需要注意的是，上述认识主要基于在结皮结构相对完整且表面条件稳定的情况下进行的研究。然而，在自然环境中，土壤表面不断受到温度波动和干湿交替等各种物理扰动的影响，这可能会削弱结皮的连续性和机械强度，从而改变其调节气流的能力。因此，在动态环境条件下，物理土壤结皮的减风蚀功能是否保持稳定，以及不同覆盖度结皮的响应有何差异，目前仍知之甚少。
土壤物理结皮的强度不仅受其形成阶段的关键条件（如降雨强度、持续时间和土壤质地）的影响（Liu等，2017），还与结皮形成后的外部环境动态变化密切相关。环境变化会改变结皮的结构完整性和力学性质（Chen和Duan，2015），从而影响其风化程度和抗风蚀能力（Bajracharya等，1998）。作为强烈的风化剂（Joseph和Bernard，2018），冻融循环（FTC）影响土壤结构（Zhang等，2023）、物理化学性质（Dagesse，2010）和水分迁移（Zhou等，2024），进而影响土壤的机械稳定性（Yang等，2024）并增强土壤可蚀性。这种效应在表层土壤中尤为明显，突显了FTC在改变物理结皮特性中的关键作用（Oztas和Fayetorbay，2003）。尽管国内外已有大量关于FTC对土壤物理性质影响的研究，但由于实验方案、土壤质地和初始土壤含水量的差异，研究结果存在显著差异甚至矛盾。例如，Alkire和Morrison（1983）报告称冻融后结皮剪切强度显著增加，而其他研究则得出了相反的结果（Liu等，2012）。此外，以往的研究主要集中在不同条件下形成的物理结皮对风蚀的影响，对冻融后物理结皮的风蚀响应关注较少。关键在于，在相同条件下，不同覆盖度的物理结皮的抗风蚀响应是否存在差异。因此，系统研究不同覆盖度物理结皮在冻融条件下的抗风蚀特性和响应机制具有重要的科学意义。
中国黄土高原北部是一个典型的风-水侵蚀过渡带，水蚀、冻融和风蚀过程共存并相互作用，导致复杂的侵蚀机制。夏季集中的降雨促进了土壤物理结皮的形成，而冬季和春季频繁的强风则为风蚀提供了动力。此外，该地区还受到季节性冻融过程的影响，这些过程影响结皮的结构稳定性和抗侵蚀能力。为了研究这种气候条件下物理结皮的风蚀机制，我们从黄土高原北部的神木市柳道沟小流域采集了沙质黄土样本。利用降雨作用制备了不同覆盖度（20%、40%、60%、80%、100%）的物理结皮和一个完全裸露的土壤对照组。这些样本接受了室内模拟冻融试验和风洞侵蚀试验，旨在：（1）研究冻融对不同覆盖度结皮风蚀特性的影响；（2）评估其对摩擦速度和空气动力粗糙度等动态参数的影响；（3）分析物理结皮对整个冻融-风蚀过程的响应及其主导因素。这项研究对黄土高原的风沙控制具有重要的指导意义。
实验设计
为了研究物理结皮覆盖度（PCC）对冻融条件下土壤风蚀的影响，设置了六个覆盖度水平，分别为20%、40%、60%、80%、100%和一个裸露土壤对照组（CK）。风洞试验在9、11和13 m·s?1的风速下进行，分为两种冻融处理：无冻融（NFT）和经过13次FTC后。试验观察到的风蚀特性主要包括风蚀强度和近地表沉积物输送率。
冻融前后物理结皮性质的变化
FTC对物理结皮性质的影响明显依赖于风速。换句话说，冻融过程对结皮有显著影响，但这种影响随风速而变化。具体来说，在9 m·s?1的风速条件下，结皮厚度和结皮容重显著增加（p < 0.001），而结皮剪切强度（p < 0.001）和结皮硬度（p < 0.05）显著降低（图2）。相比之下，在11 m·s?1的风速条件下，结皮厚度...冻融过程破坏土壤结构并降低土壤抗侵蚀能力
冻融作用的本质在于土壤水分的连续冻融-解冻循环。在水分相变过程中，其体积膨胀，孔隙水对周围土壤施加压力，导致土壤孔隙扩大。在解冻过程中，膨胀的土壤孔隙重新充满水分，更多的水分进入孔隙并再次冻结（Ferrick和Gatto，2005）。在反复循环中，孔隙继续膨胀并产生裂纹...结论
本研究构建了不同覆盖度（0%、20%、40%、60%、80%、100%）的物理结皮，以监测其在不同风速和冻融条件下的风蚀特性，旨在探讨强冬季风如何影响黄土高原北部物理结皮的物理性质和风蚀可蚀性。结果表明，强冬季风会损害物理结皮的结构和功能：
作者贡献声明
张秀梅：撰写——初稿、正式分析、数据管理。钟志强：监督、调查、数据管理。戴成：方法论、调查。张一杰：验证、调查。马波：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们衷心感谢两位编辑和三位匿名审稿人的宝贵意见。他们的深刻见解和建设性建议显著提高了本手稿的质量。本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42277342、41771311）的支持。
