放牧踩踏破坏土壤物理结皮对风蚀的影响

Impact of Soil Physical Crust Damage Caused by Grazing Trampling on Wind Erosion

摘要

目的 探究不同放牧踩踏强度对物理结皮的破坏程度及其对风蚀强度与风蚀动力学参数的影响。 方法 以黄土高原北部六道沟小流域的盖沙黄土为研究对象，在120 mm/h模拟降雨强度条件下形成物理结皮后，设置20%、40%、60%、80%和100% 5种模拟放牧踩踏强度及9、11、13 m/s 3种风速，开展不同踩踏强度下物理结皮破坏程度对风蚀特征的规律探究。 结果 1）踩踏破坏物理结皮显著加剧风蚀，风蚀模数较未踩踏（CK）增加23.45%~409.79%。同一风速下，物理结皮抗风蚀能力随踩踏强度增大而减弱。2）粉尘浓度（PM_2.5、PM₁₀、TSP）与放牧踩踏强度呈显著正相关（p<0.05），踩踏强度梯度每增加20%，粉尘释放量相较于前一踩踏强度梯度提高1.22~7.21倍，其中，PM_2.5浓度增幅最大，PM₁₀和TSP次之。3）随着踩踏强度增大，摩阻风速和空气动力学粗糙度均显著增加，摩阻风速为0.17~0.69 m/s，空气动力学粗糙度为0.012~0.068 cm。 结论 踩踏破坏物理结皮，显著加剧风蚀。粉尘释放浓度随踩踏强度显著增加，PM_2.5释放浓度对踩踏响应最为敏感，其增幅高于PM₁₀和TSP。研究结果可为黄土高原北部风蚀防治提供理论依据。

Abstract

Objective To explore the degree of damage to physical crusts caused by different intensities of grazing trampling and their influence on wind erosion intensity and dynamic parameters of wind erosion. Methods This study took the sandy loess covering the Liudaogou small watershed in the northern part of the Loess Plateau as the research object. Physical crusts were formed under the simulated rainfall intensity of 120 mm/h， and five simulated grazing trampling intensities of 20%， 40%， 60%， 80%， and 100% and three wind speeds of 9， 11， and 13 m/swere established. The patterns of the degree of physical crust damage under different trampling intensities on wind erosion characteristics were investigated. Results 1） Trampling of different intensities significantly damaged the soil physical crust， thereby significantly intensifying wind erosion， with the wind erosion modulus increasing by 23.45% to 409.79% compared with the untrampled control （CK）. At the same wind speed， the greater the intensity of trampling， the weaker the wind erosion resistance of the physical crusts. 2） Dust concentrations （PM_2.5， PM₁₀， TSP） were significantly positively correlated with grazing trampling intensity （p<0.05）. For every 20% increase in trampling intensity gradient， dust release increased by 1.22 to 7.21 times compared to the previous level， with PM_2.5 concentration showing the largest increase， followed by PM₁₀ and TSP. 3） As the trampling intensity increased， both friction wind velocity and aerodynamic roughness increased significantly. The friction wind velocity ranged from 0.17 m/s to 0.69 m/s， and the aerodynamic roughness ranged from 0.012 cm to 0.068 cm. Conclusion Trampling damage to the physical crust significantly exacerbates wind erosion. Dust release increases exponentially with trampling intensity， and PM_2.5 is the most sensitive to trampling， with an increase higher than that of PM₁₀ and TSP. The research findings can provide a theoretical basis for the prevention and control of wind erosion in the northern part of the Loess Plateau.

Graphical abstract

关键词

黄土高原 / 物理结皮 / 放牧踩踏 / 风蚀 / 风洞试验

Key words

Loess Plateau / physical crust / grazing trampling / wind erosion / wind tunnel testing

黄土高原北部属典型干旱-半干旱气候区，水蚀与风蚀交替发生，夏季集中降雨促进土壤物理结皮的形成，而冬春季频繁大风则为风蚀提供动力条件^［1］。已有研究^［2］表明，土壤物理结皮对风蚀具有显著抑制作用，其致密结构能够分散风力对地表松散颗粒的直接作用，有效抑制细颗粒跃移；物理结皮覆盖度通过改变地表空气动力学粗糙度，调节摩阻风速，进而影响风沙流结构及风蚀过程^［3］。

黄土高原北部地处农牧交错带，畜牧业与耕作业具有同等重要的地位。放牧过程中，牛、羊等牲畜的行走、进食和休憩等行为对土壤和植被持续施加压力，导致土壤孔隙度降低，透气性与透水能力下降，土壤性状不断恶化^［4-5］，同时，造成地表结皮破碎、结构不连续和覆盖度降低，使其更易受到风力侵蚀^［6］。物理结皮本身具有良好的抗风蚀能力，完整结皮可减少90%以上风蚀量，且风蚀量随结皮覆盖度的降低而增加^［7］。白雯宇等^［8］研究证实，物理结皮能显著抑制风蚀扬尘排放。目前，关于踩踏破坏物理结皮的研究^［9-10］多集中于土壤微生物量变化和退化梯度等方面，而对踩踏影响其抗风蚀功能的机制关注不足。相比之下，针对生物结皮受踩踏影响的研究较为系统，有研究^［11-14］表明，放牧踩踏会导致其盖度下降，斑块破碎化，降低生物多样性与丰富度，并影响坡面水分入渗和元素循环过程^［15］。由于生物结皮内部菌丝与胞外聚合物形成的生物黏结结构赋予其一定韧性，可缓冲踩踏压力^［16］，因而其抵抗踩踏干扰的能力通常强于物理结皮。正因如此，物理结皮在放牧干扰下可能表现出更高的脆弱性。尽管这2类结皮在形成机制与抗风蚀效应上已有较明确区分，且均具备显著防风蚀功能，但其对踩踏干扰的响应差异及其导致的粉尘释放机制尚不清晰，尤其在风水复合侵蚀区，物理结皮的稳定性既受气候因素调控，也受人为扰动强度的显著影响。在六道沟小流域，长期放牧踩踏已成为加剧区域风蚀的重要人为因素，通过降低结皮结构稳定性，促使土壤细颗粒迁移与粉尘释放，对生态环境造成危害。当前，关于不同踩踏强度与物理结皮覆盖度之间的定量关系及指标变化如何进一步影响PM_2.5、PM₁₀和TSP等不同粒径粉尘的释放规律，尚缺乏系统的试验验证与定量分析。因此，本研究采用室内模拟降雨与风洞试验相结合的方法，以不同强度放牧踩踏为切入点，系统测定风蚀模数、粉尘浓度释放量、输沙率、输沙高度、摩阻风速及空气动力学粗糙度等动力学参数，明确放牧踩踏对物理结皮的破坏过程，揭示物理结皮在放牧踩踏条件下对风蚀扬尘的响应规律，以期为黄土高原北部的风蚀防治提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

供试土壤采自陕西省神木市六道沟小流域，位于神木市以西14 km（38°46′~38°51′N，110°21′~110°23′E），属于盖沙黄土丘陵沟壑地貌，是黄土高原风水复合侵蚀区典型区域^［17］。前期调查发现，该区域放牧踩踏现象十分普遍，天然植被大部分已遭破坏，生态环境脆弱，沙化与植被退化严重。区域内地表物质组成复杂，盖沙黄土与风积沙分布广泛，其松散质地在降雨后易形成物理结皮，同时具有高度的风蚀敏感性，是研究放牧踩踏与风蚀耦合效应的典型区域^［18］。降水年际变化大且年内集中，年平均降水量408.5 mm，年际变化剧烈，最大降水量819.1 mm，最小降水量106.8 mm，其中6—9月降水量占全年降水量的80.9%，夏季集中降雨为物理结皮的形成与发育提供条件。区域内放牧现象较为普遍，尤其在春秋两季，由于气候相对温和、牧草资源相对集中，成为全年中放牧活动最为集中的时段。牲畜踩踏直接导致地表物理结皮大面积破碎，土壤结构遭到破坏，此过程显著降低地表抗风蚀能力^［19］，在冬春大风季节加剧近地表粉尘释放风险，已成为制约当地生态恢复与土地可持续利用的关键因素。

1.2 试验设计

1.2.1 前期准备

在规格为50 cm×100 cm×10 cm的土槽中，按照1.4 g/cm³的土壤体积质量和实测含水量配制供试土壤，并将土壤分层压实至10 cm深度。调节土槽底部坡度至2°，并设置渗水孔。随后以120 mm/h的降雨强度模拟自然入渗，过程期间保持土槽微倾以防止积水。降雨结束后，样品置于自然条件下风干。

1.2.2 模拟踩踏工具

采用自行设计的近似羊蹄形状的实心铁质工具模拟放牧踩踏，该工具由2个相同椭圆在长轴顶点处以固定角度连接而成，通过测量椭圆长轴（a）和短轴（b），利用公式s=\mathrm{\pi }ab计算单个蹄印面积，根据破坏强度=（踩踏次数×蹄印面积）/土槽表面积，反推出5种不同强度破坏需要的踩踏次数，踩踏次数分别为31、62、93、124、155次^［18］，根据结皮破碎指数采用Photo Scan将图像转化为黑白二值图量化踩踏破坏程度，计算CFI=（A₀/Aᵢ）×100%。式中：A₀为破损区域面积；Aᵢ为整个图像区域的面积。当100%破坏时，CFI>0.9，认定踩踏强度为100%时为完全破坏。每组处理设置3次重复，以减少试验误差。模拟踩踏工具以6 cm高度自由落体垂直作用土壤，模拟单蹄受力约13.3 kg，压强4.17 kPa，等效于成年羊单蹄踩地实际压强，确保与野外放牧情况相似。

1.2.3 风洞试验

将处理后的试验土样进行风洞试验，风洞试验设在西北农林科技大学水土保持研究所风洞试验室内完成。风洞实验室全长19 m，分为动力段、调节段、整流段、试验段和集沙段。风洞断面截面1.0 m×1.2 m（宽×高），通过变频器（0~50 Hz）调节风速，风速在0~16 m/s内连续可调^［20］。风洞试验设计参数见表1，不同踩踏强度处理后的物理结皮状况见图1。风洞内试验段风速均匀性良好，σ≤±0.25%（σ为风速截面任一点气流速度与气流平均速度相对偏差的均方根）。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 粉尘总浓度检测

基于室内风洞试验和空气颗粒监测装置，分析不同放牧踩踏强度对土壤物理结皮破坏后的土壤风蚀速率、PM_2.5、PM₁₀和TSP等粉尘释放的影响。风蚀后空气中PM_2.5、PM₁₀、总悬浮颗粒物（TSP）浓度为待测指标，使用DUST-DETECTER（cw-76 s）粉尘仪对风蚀模拟试验中的粉尘浓度进行测定。该设备监测的粉尘浓度范围为0.01~150 mg/（m³·s），监测时间间隔1~60 s可调，采样流量3.0 L/min，且具有数据精准、性能稳定及智能监测等特点^［21］。

1.3.2 风蚀模数

将电子秤（量程200 kg，精度1 g）放置在试验段基座上，调平后将试验钢槽放在电子秤上，试验开始前，称量钢槽和土样总重（W₁）。风洞密封完全后，设置变频器频率，启动风机，在轴心风速分别为9、11、13 m/s的风速下分别吹蚀20、15、10 min。每个风速吹蚀过后，称量钢槽和土样总重（W₂）。基于吹蚀前后的重量差计算风蚀量。计算公式为：

E=\frac{W_{\mathrm{1}}-W_{\mathrm{2}}}{A\times t}（1）

式中：E为风蚀模数，g/（m²·min）；W₁为风蚀前钢槽和土样的总重，g；W₂为风蚀后钢槽和土样的总重，g；A为结皮样品受风蚀的面积，m²；t为吹蚀时间，min。

1.3.3 输沙率（Q）

所集沙粒用精度0.01 g的电子秤称重，获得输沙量数据，采用公式计算单位时间单位宽度的输沙率。

Q=\frac{M}{∆t∆y}（2）

式中：Q为输沙率，g/（cm·min）；M为集沙量，g；Δt为收集时间，min；Δy为集沙盒进沙口宽度，cm。

1.3.4 摩阻风速（U^∗）和空气动力学粗糙度（Z₀）

在风洞中进行试验时，风速廓线计算公式为：

\frac{U_Z}{U^{*}}=\frac{\mathrm{1}}{k}\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{Z}{Z_{\mathrm{0}}}\right)（3）

式中：U_Z 为高度为Z时的风速，m/s；Z₀为空气动力学粗糙度，cm；U^∗为摩阻风速，m/s；k为冯·卡曼常数，取值0.4。空气动力学粗糙度（Z₀）是描述地表对气流阻抗的重要参数，通过风速廓线拟合计算获得。通过不同试验土槽表面不同高度的风速进行曲线拟合得到风速廓线，其结果满足对数分布律，拟合关系式为：

U_z=A+B\mathrm{l}\mathrm{n}Z（4）

式中：A、B为回归系数。

当U_z=\mathrm{0}时，可得到空气动力学粗糙度（Z₀）：

Z_{\mathrm{0}}=\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(-A/B)（5）

由公式（4）和公式（5）可得摩阻风速：

U^{*}=kB（6）

1.3.5 结皮破损率

为定量评估不同放牧踩踏强度下土壤物理结皮的破坏程度，采用结皮破损率作为指标，结合网格法实测的结皮盖度进行计算，具体公式为：

\mathrm{C}\mathrm{F}\mathrm{I}=\frac{A_{\mathrm{0}}}{A_i}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（7）

式中：A₀为结皮破损总面积，m²；A_i 为结皮总表面积，m²。

1.4 数据处理

本研究数据均采用Excel软件进行整理分析，并通过SPSS Statistics 24软件进行正态分布检验，利用Origin软件进行图表绘制及数据拟合，使用AMOS构建土壤物理结皮覆盖度与风蚀之间的结构方程模型（structural equation modeling，SEM）并分析其关系，解析影响风蚀的直接和间接路径。

2 结果与分析

2.1 放牧踩踏对风蚀的影响

2.1.1 放牧踩踏破坏物理结皮对风蚀模数的影响

不同踩踏强度下，受破坏的物理结皮风蚀模数随风速增加显著上升（p<0.05）（图2）。在未踩踏（CK）处理中，随风速增大，风蚀模数由（3.37±0.05）g/（m²·min）分别增至（5.72±0.33）、（9.38±0.15）g/（m²·min），增幅分别达69.73%和178.33%；以20%踩踏强度为例，9 m/s时风蚀为5.68 g/（m²·min），11、13 m/s时分别上升38.91%和103.87%，风速增大显著加剧风蚀强度（p<0.05）。在9 m/s风速下，不同踩踏强度处理的风蚀模数依次较CK提高68.54%、124.92%、186.94%、293.17%和409.79%。高强度踩踏破坏物理结皮结构，导致松散颗粒含量增加，从而加剧风蚀（p<0.05），11、13 m/s风速下规律表现一致。11 m/s时，20%踩踏强度下风蚀模数较CK增幅为23.45%。表明踩踏强度越低，风蚀抑制效果越显著，是由于物理结皮的抗风蚀能力与踩踏强度密切相关，低强度踩踏通过维持较高的结皮覆盖率和结构稳定性，显著增强土壤抗风蚀能力。物理结皮对风蚀的最大减蚀效果可达80.38%，而高强度踩踏破坏物理结皮，导致其破碎化，增加地表松散颗粒物含量，进而显著加剧风蚀过程。

2.1.2 放牧踩踏破坏物理结皮对输沙率的影响

由图3可知，不同踩踏强度下，物理结皮经吹蚀后0~6 cm高度内的近地表输沙率的变化特征表现为近地表输沙率随踩踏强度和风速的增大而上升。在9 m/s的风速下，近地表输沙率从CK处理的0.35 g/（cm·min）上升至100%踩踏强度下的5.91 g/（cm·min）；当风速增至11 m/s时，近地表输沙率从CK处理的0.45 g/（cm·min）增至7.01 g/（cm·min）；风速为13 m/s时，近地表输沙率从CK处理的0.82 g/（cm·min）增至8.44 g/（cm·min）。3种风速条件下，100%踩踏破坏下的近地表输沙率相较于CK均呈较高增幅。

不同踩踏强度下的物理结皮输沙率与输沙高度存在差异（图4）。输沙率随踩踏强度增大呈显著正相关；输沙率随输沙高度的增加呈指数减小趋势，而输沙高度随风速的增大而升高。在13 m/s风速下，CK处理的输沙高度最大为10 cm，踩踏强度为100%时，输沙高度达到最大值16 cm；在9 m/s风速条件下，完整结皮的输沙高度最小，仅为8 cm；踩踏后，不同覆盖度物理结皮的输沙高度增加2~8 cm。

2.1.3 放牧踩踏破坏物理结皮对摩阻风速和空气动力学粗糙度的影响

不同踩踏强度下的空气动力学粗糙度见图5。在9 m/s风速下，CK处理的空气动力学粗糙度为0.012 cm，100%时为0.061 cm，增加4.08倍；在11 m/s风速时，由CK处理的0.016 cm增加到100%的0.055 cm，增加2.44倍；在13 m/s风速时，CK处理下空气动力学粗糙度从0.018 cm增加至100%踩踏强度下的0.068 cm，增加2.78倍。踩踏强度梯度每增加20%，都造成地表细微起伏，引起地表高度差的变化，通过破坏近地表结构，改变物理结皮格局，显著增大空气动力学粗糙度。随着踩踏强度增大，地表对气流的摩擦与阻力作用增强，导致空气动力学粗糙度显著升高。在相同踩踏强度下，较高的风速会放大由踩踏形成的微地形效应。

踩踏前后不同结皮覆盖度下的摩阻风速变化趋势见图6。箱线图的上下两端分别表示各踩踏强度下摩阻风速的最大值与最小值，箱体反映其集中分布范围，整体数值为0.17~0.69 m/s。3种风速下的平均摩阻风速分别为0.33、0.38、0.45 m/s，相较于未踩踏条件下对应风速的平均值（0.19、0.23、0.24 m/s）均有增加趋势。随着踩踏强度的增加，摩阻风速整体呈上升趋势，9 m/s时，20%踩踏强度下的摩阻风速与CK及40%踩踏强度之间的摩阻风速差异不显著，可能是因为0~40%破坏程度内，结皮表面相对完整，地表糙度增幅有限。

与CK处理相比，13 m/s风速下，40%和60%踩踏强度的平均摩阻风速虽有上升，但差异不显著，而在80%和100%强度下则显著升高。尽管在部分踩踏区间差异不显著，但总体来看，平均摩阻风速呈现增大趋势。踩踏强度梯度每增加20%，均引起地表细微起伏。近地层气流湍流强度的增强是摩阻风速增大的主要原因，在相同地表条件下，近地层气流湍流强度随风速的增大而增强，进而导致摩阻风速上升，最终表现为摩阻风速随风速增大而增大的现象。

2.2 放牧踩踏破坏物理结皮对粉尘释放的影响

从图7可以看出，未踩踏处理下，PM_2.5、PM₁₀和TSP的释放量均处于较低水平。整体来看，在9、11、13 m/s的条件下，随着踩踏强度的增加，粉尘释放量均显著上升。与20%踩踏强度相比，当破坏强度增至40%时，3种粒径的粉尘释放量进一步增加，该趋势在13 m/s风速下尤为明显。随着风速增大，相同踩踏强度下的粉尘释放量增幅也随之提高。在相同风速条件下，粉尘浓度随踩踏强度的加剧呈非线性增长。3种粉尘释放浓度均随踩踏强度增加而上升，表明放牧踩踏强度的加大，促使更多土壤细颗粒被扬起形成粉尘，导致释放浓度显著增加（p<0.05），对环境空气质量危害加重。当模拟羊踩踏强度从0增至100%时，各粒级粉尘浓度逐渐上升，其中PM_2.5浓度增幅最大，达到621.40%；PM₁₀和TSP浓度增幅分别高达386.01%和415.73%。在相同踩踏强度下，风速与粉尘释放浓度呈正相关，即风速越大，PM_2.5、PM₁₀和TSP的释放浓度越高。

2.3 放牧踩踏对风蚀特性的响应机制

为明确放牧踩踏强度破坏物理结皮对风蚀的影响机制，构建了结构方程模型进行解析，对其中的作用路径进行量化分析且模型拟合优度指标均符合统计学要求，表明模型能够有效揭示变量间的关系。由分析结果（图8）可知，踩踏强度对风蚀模数的相关系数（r）为0.82，是影响风蚀的主导因素。其作用通过直接和间接2条路径实现，直接路径表现为踩踏对物理结皮的机械破坏，高强度踩踏压碎物理结皮表面，使结皮破损率显著上升，下层松散土壤大量暴露，直接提高风蚀模数；间接路径则通过改变地表微地形，当风力通过土壤表面受到更强的摩擦与阻力作用，从而表现出更大的空气动力学粗糙度（r=0.94）及摩阻风速而加剧风蚀。踩踏强度与粉尘释放浓度的相关系数（r）为0.87，表明踩踏强度增大，粉尘释放浓度显著倍增。与踩踏破坏相比，风速的直接效应相对有限，通过定量对比表明，在类似六道沟小流域这样人为活动强烈的风水复合侵蚀区，控制人为干扰对于维持结皮结构稳定性、减轻风蚀危害具有重要意义。模型量化不同路径的相关系数，揭示在黄土高原北部该特定区域背景下，维持物理结皮的相对完整性是防治风蚀最关键的因素。在生态脆弱区需严格控制踩踏强度，为制定差异化的区域风蚀防治策略提供关键的机理依据和数据支撑。

3 讨 论

黄土高原北部的六道沟小流域物理结皮分布广泛，但人类活动及牲畜踩踏破坏物理结皮，导致覆盖度降低，增加风蚀的风险，踩踏强度通过显著降低物理结皮覆盖度（p<0.05），发生地表微起伏变化，进而增加空气动力学粗糙度、摩阻风速及粉尘浓度释放量，最终加剧风蚀强度^［22］。结皮覆盖度作为关键中介变量，其变化受到踩踏强度的显著影响，并通过调控粉尘释放的途径影响风蚀强度。风速对粉尘释放具有直接促进作用，但结皮覆盖度所形成的地表稳定结构在一定程度上弱化风蚀强度^［23］。随着放牧踩踏强度的增加，物理结皮盖度显著下降，导致粉尘浓度释放量显著上升（p<0.05），与王国鹏等^［24］研究结果一致。踩踏的机械破坏作用改变结皮覆盖度大小，导致原本具有覆盖作用的结皮层呈现结构破碎，从而暴露出下层疏松土壤^［25］。结皮盖度的降低不仅削弱地表抗风蚀能力，还减少土壤对细颗粒的胶结作用，显著提高地表粉尘的可释放性^［26］。本研究中物理结皮最大减蚀率达80.38%，低于毛旭芮等^［27］在黄土丘陵区观测的90%减蚀率，二者差异可能源于研究区土壤质地及模拟降雨条件的不同。这些变化共同加速风蚀进程，表明放牧踩踏通过破坏物理结皮覆盖度完整性间接放大风蚀强度。因此，控制踩踏强度对于维持结皮结构稳定性、减轻风蚀危害具有重要意义，保护物理结皮覆盖度是降低风蚀的关键，尤其在六道沟小流域生态脆弱区需严格控制踩踏强度。未来研究可结合长期观测，进一步探究踩踏对结皮物理性质的累积效应，以及不同踩踏强度下的生态恢复阈值，为风蚀防治和生态管理提供更精准的理论依据。

风速增大显著促进粉尘释放，加快土壤颗粒运动并使更多粉尘进入大气环境^［28］。风速越大，这种促进作用越明显，对空气质量和生态环境的负面影响也越大。不同踩踏强度的物理结皮在风蚀过程中释放的粉尘浓度存在差异，表现为PM_2.5浓度<PM₁₀浓度<TSP浓度，同钟志强^［29］的研究结果一致。PM_2.5、PM₁₀、TSP浓度均随踩踏强度的增加而显著升高（p<0.05），与CK相比，PM_2.5增幅最大，主要原因是物理结皮的胶结作用对细颗粒的束缚更强，踩踏破坏结皮后，物理结皮胶结作用削弱，细颗粒更易扬起。

不同踩踏强度下的物理结皮摩阻风速及空气动力学粗糙度的研究结果显示，在不同风速下，摩阻风速在一定范围内波动，总体呈增加趋势，随着踩踏强度的增加，地表对气流的阻碍作用也更加显著，使气流在近地表形成更强的剪切作用，从而导致摩阻风速呈现增大趋势。在相同风速下，踩踏强度越大，空气动力学粗糙度越大，踩踏活动增加地表微地形的扰动，从而增加空气动力学粗糙度^［30］。CK和不同踩踏强度下的物理结皮的空气动力学粗糙度均<0.068 cm，与植被覆盖下的空气动力学粗糙度对比来看，物理结皮对空气动力学粗糙度的作用程度较小。羊群所踩过的物理结皮可能多呈现条带状分布格局，而本试验模拟的均匀踩踏与真实的放牧情况存在一定差异，仍需后续进行更多研究予以验证。

4 结 论

1）在不同踩踏强度（20%、40%、60%、80%、100%）作用下，物理结皮受到破坏，加剧土壤风蚀，相较于未踩踏（CK），踩踏强度梯度从20%提高至100%，土壤风蚀模数增加23.45%~409.79%。在相同风速下，物理结皮抗风蚀性能随踩踏强度增大而减弱，表明人为干扰强度是影响其防风蚀效果的关键因素。

2）踩踏强度的增大显著提高近地表输沙率；输沙率随结皮覆盖度的降低而增大，随风速的增大而增加；输沙高度随踩踏强度的增大而升高，增幅为2~8 cm；在不同粒径的颗粒物中，PM_2.5释放浓度对踩踏响应最敏感，其增幅高于PM₁₀和TSP。

3）踩踏通过改变地表微地形提升风蚀动力学参数。相同风速下，随着踩踏强度增大，摩阻风速和空气动力学粗糙度与踩踏强度呈显著正相关，摩阻风速为0.17~0. 69 m/s，空气动力学粗糙度为0.012~0.068 cm。

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基金资助

国家自然科学基金面上项目(42277342)