郭子玥 ， 姜洪濤 ，海春興 ，李占宏 ，解云虎

（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

風(fēng)蝕坑（blowout）一詞于1940 年被首次使用，用于描述沙面受風(fēng)蝕凹陷而形成的拋物線形沙丘[1]。也有觀點認(rèn)為，風(fēng)蝕坑是在裸露的地區(qū)由于人為或自然因素作用，使得該區(qū)域內(nèi)植被受到破壞，導(dǎo)致表層沉積物遭受侵蝕而形成的地貌[2]。風(fēng)蝕坑是沙化地區(qū)常見的一種侵蝕地貌類型，在風(fēng)和其他外力因素作用下，可作為沉積物的輸移通道[3-4]。風(fēng)蝕坑不僅會造成植被退化，擴大沙化草地面積，而且加快了荒漠化的進程，特別是對土地資源和人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了很大的影響[5-6]。正是因為風(fēng)蝕坑的危害日益嚴(yán)峻，逐漸引起學(xué)術(shù)界對風(fēng)蝕坑形態(tài)及動力過程研究的關(guān)注。

1 風(fēng)蝕坑形態(tài)

受風(fēng)蝕坑分布區(qū)域環(huán)境、最初的誘發(fā)因素以及各變量之間的相互影響，風(fēng)蝕坑的形態(tài)呈現(xiàn)出多樣性的特點，常分布于沙地、沙質(zhì)草地、海岸沙地等易風(fēng)蝕區(qū)域。按照幾何形狀不同，可以將風(fēng)蝕坑劃分為雪茄形、V 型、勺形、鍋形和廊道[7]。按照地表形態(tài)不同，可以劃分為碟形、梯形、溝谷形、杯形和坡形[8]。碟形坑和槽形坑基本上可以包含大多數(shù)類型的風(fēng)蝕坑，平坦草地通?？尚纬傻物L(fēng)蝕坑，陡峭的迎風(fēng)坡會形成槽形坑；在海岸沙地區(qū)域，早期風(fēng)蝕坑分為淺碟形和槽形，由于呈半圓形的淺碟形風(fēng)蝕坑會不斷地發(fā)展增加其深度，因此后期形成了呈半圓到圓形狀的碗形風(fēng)蝕坑。也有學(xué)者以長寬比例5∶2 為標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)蝕坑進行劃分，大于該標(biāo)準(zhǔn)的為槽形坑，小于該標(biāo)準(zhǔn)的為碟形坑[9]。

盡管風(fēng)蝕坑形態(tài)不一，但它們的共同特點在于積沙區(qū)邊緣和侵蝕側(cè)壁邊界十分清晰[3-4,9-10]。槽形風(fēng)蝕坑整體形態(tài)上呈狹長形延伸，具有更深的侵蝕盆地，迎風(fēng)坡陡峭，積沙區(qū)渾圓且面積大[7,11]。碟形風(fēng)蝕坑深度較淺，為半圓橢圓狀，具有短而陡峭的侵蝕內(nèi)壁，積沙區(qū)平坦，背風(fēng)坡長而緩，迎風(fēng)坡短而陡，形成了低邊緣狹窄的沙丘[12-13]。

隨著風(fēng)蝕作用加劇，風(fēng)蝕坑的面積會隨之發(fā)生變化，按照發(fā)育階段劃分，其形態(tài)可分為初始階段的碟形斑塊、活躍發(fā)展階段的槽形斑塊和固定后重新活化階段的不規(guī)則形[14]，而且風(fēng)蝕坑不僅可以單獨出現(xiàn)，還會因多個風(fēng)蝕坑的聯(lián)結(jié)或活化出現(xiàn)復(fù)合的形態(tài)，按組合劃分可分為簡單型和復(fù)合型，其中簡單型包括卵圓形、串珠狀、帶狀或槽狀，復(fù)合型包括裸地型、腎形、花朵狀、葫蘆狀、掌狀、方形[15]。呼倫貝爾沙地的風(fēng)蝕坑形態(tài)大概呈進風(fēng)端略尖、出風(fēng)端渾圓的卵圓形；渾善達(dá)克沙地受西北風(fēng)、西南風(fēng)和西風(fēng)的控制，風(fēng)蝕坑的形狀各有不同，按照長寬比值所劃分，長條形風(fēng)蝕坑所占比例最大，帶形風(fēng)蝕坑所占比例最小[8]。

盡管風(fēng)蝕坑的形態(tài)類型多樣，但基本是由平坦的草地或沙丘受到強烈的風(fēng)蝕而產(chǎn)生，其形態(tài)具有共同的特征：1）侵蝕口；2）臨近侵蝕口的陡峭侵蝕壁；3）風(fēng)蝕坑下風(fēng)側(cè)后端由緩變陡傾斜的沙坡和半圓形邊緣組成的大型沉積扇[9,11]。不同地區(qū)碟形坑和槽形坑的觀測數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 不同地區(qū)碟形坑和槽形坑的觀測數(shù)據(jù)

2 風(fēng)蝕坑發(fā)育過程及特征

在自然因素和人類活動的綜合作用下，沙質(zhì)草原風(fēng)蝕坑的發(fā)育過程一般經(jīng)歷5 個階段。1）風(fēng)蝕裸地階段：由于地表植被被破壞，在強風(fēng)的作用下沙礫吹揚，形成裸地；2）土層破口階段：風(fēng)沙流的磨蝕推進和地表徑流的沖刷，出現(xiàn)破口，出露散沙；3）活躍發(fā)展階段：風(fēng)力掏蝕造成土層崩塌和風(fēng)沙堆積，風(fēng)蝕坑開始形成并逐步擴大規(guī)模；4）固定階段：在侵蝕基準(zhǔn)面的控制下，植被開始發(fā)育，風(fēng)蝕坑被固定下來；5）消亡階段：植被覆蓋群落演替或風(fēng)蝕沙坑被填充，風(fēng)蝕坑變小直至消亡，翻耕型和道路型形成的風(fēng)蝕坑基本消失[22]。

在發(fā)育過程的任何一個階段中，風(fēng)蝕坑可能活化，重新進入活躍發(fā)展階段完成整個發(fā)育過程[23]。并且風(fēng)蝕坑在發(fā)育過程中，所經(jīng)歷的5 個階段形態(tài)參數(shù)間存在冪函數(shù)關(guān)系，裸地沙斑階段形態(tài)參數(shù)之間相關(guān)性小，活躍發(fā)展階段相關(guān)系數(shù)增加、規(guī)律性增強，消亡階段坑長增長快于坑深和坑寬，活化階段坑長與坑深關(guān)系更為顯著，最終在消亡階段坑長、坑寬和坑深均達(dá)到最大值，而重新活化階段各參數(shù)的數(shù)值有所降低[24]。

受其發(fā)育過程中影響因素的獨特性，也有學(xué)者將高原地區(qū)風(fēng)蝕坑的發(fā)育階段劃分為胚胎期、幼年期、青年期和成熟期4 個階段。在胚胎期發(fā)育有風(fēng)蝕斑，是對影響因素的直接響應(yīng)，其具有不同的方向，地表以下開始受到侵蝕。幼年期作為初始階段，風(fēng)力作用加強和地表摩擦力的減小導(dǎo)致風(fēng)蝕斑擴大和加深，生成小尺度的碟形坑/碗形坑。青年期的風(fēng)蝕坑延伸速度最快，相鄰的小風(fēng)蝕坑合并成復(fù)合型風(fēng)蝕坑，出現(xiàn)中尺度槽形坑，風(fēng)蝕壁變得陡峭。成熟期相對穩(wěn)定，風(fēng)力侵蝕造成側(cè)壁坍塌，邊緣侵蝕顯著，中尺度的風(fēng)蝕坑繼續(xù)合并形成巨型槽形坑[25]。

3 動力學(xué)過程

3.1 氣流分布特征

氣流運動是風(fēng)蝕坑發(fā)生發(fā)展的主要動力因子，在影響風(fēng)蝕坑發(fā)育的各因子的綜合作用下，風(fēng)蝕坑會形成獨特的氣流場結(jié)構(gòu)，學(xué)者們采用風(fēng)洞實驗[26]、運用數(shù)值模擬[27]等方法，建立二維風(fēng)蝕坑模型[28]，應(yīng)用計算機流體力學(xué)軟件[29]模擬風(fēng)蝕坑氣流運動規(guī)律，探索風(fēng)蝕坑發(fā)育機制。

碟形坑和槽形坑作為兩種主要的風(fēng)蝕坑類型，在坑口處氣流運動特征相似，即受風(fēng)蝕坑的吸附作用，把一定范圍內(nèi)流經(jīng)的氣流吸附至坑內(nèi)，坑口處氣流匯集，壓強降低，氣流加速，受風(fēng)蝕坑形狀大小、局部地形特點以及氣流方向和風(fēng)的入射角等因素的影響，氣流分布發(fā)生相應(yīng)的改變[30-32]。碟形坑在坑口處氣流加速后，從入風(fēng)口進入風(fēng)蝕坑后輻散減速至坑底，氣流速度降至最低，由于積沙體的阻擋作用，氣流沿迎風(fēng)坡爬升，地形迅速抬升，氣流壓縮加速，在頂部達(dá)到最大，受植被覆蓋和地形的影響，背風(fēng)坡處氣流分離減速，速度降至最低后逐漸恢復(fù)[33-34]。

風(fēng)蝕坑長軸與風(fēng)向的夾角往往會影響氣流變化，當(dāng)出現(xiàn)右斜交或垂直向時，在坑部南緣產(chǎn)生順時針的渦流，當(dāng)出現(xiàn)平行向或左斜交向時，渦流與南緣相反[17]；當(dāng)夾角小于17.5°時，部分侵蝕壁發(fā)生湍流，傾斜角大于17.5°時，部分湍流壁消失[35]；當(dāng)坡度大于20°時，背風(fēng)坡氣流偏轉(zhuǎn)發(fā)生次生氣流，相反背風(fēng)坡氣流保持原來方向[33]。氣流進入槽形坑內(nèi)后，由于氣流結(jié)構(gòu)紊亂，風(fēng)速隨高度降低，再逐步加速至坑底出現(xiàn)極大值，氣流分離減速至迎風(fēng)坡坡底后加速上升，在坡頂再次出現(xiàn)極大值，風(fēng)速沿背風(fēng)坡下降至穩(wěn)定。氣流與風(fēng)蝕坑長軸平行時，氣流加速出現(xiàn)急流；當(dāng)斜向入坑時，產(chǎn)生螺旋環(huán)流，會對氣流的整體分布產(chǎn)生直接影響[30,36]。

3.2 風(fēng)沙輸移

風(fēng)沙輸移的沿程變化是研究風(fēng)蝕坑氣流變化的重要內(nèi)容，風(fēng)蝕坑及其周圍區(qū)域的風(fēng)速超過起沙風(fēng)速時，風(fēng)沙流攜帶著沙粒隨氣流開始移動，風(fēng)蝕率和風(fēng)速之間存在冪函數(shù)的關(guān)系[37]，受地表狀況和大氣條件的影響，風(fēng)蝕坑不同部位表現(xiàn)出不同的氣流變化[18]。在入風(fēng)口處，輻散減速侵蝕降低，細(xì)顆粒物質(zhì)隨著風(fēng)速的降低沉積下來[38]。當(dāng)坑底出露的河流相物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散時，較小的風(fēng)速也可以進行搬運侵蝕，隨著規(guī)模進一步擴大，侵蝕加劇至侵蝕基準(zhǔn)面，細(xì)沙含量達(dá)到最高[33,39]。在坑后緣隨著風(fēng)速降低，上部侵蝕能力較強，輸沙量隨著侵蝕強度的降低而增加[34]。風(fēng)速沿著迎風(fēng)坡不斷增加，輸沙量逐漸增加，攜帶走大量細(xì)沙，使得迎風(fēng)坡粗沙含量增多，越過坡頂后，輸沙量下降，細(xì)沙在背風(fēng)坡沉積，由于風(fēng)向向下，細(xì)沙含量不斷增多[36,40]。

除此之外，季節(jié)變化、植被覆蓋和地形因素也會對風(fēng)沙輸移產(chǎn)生影響，進而影響風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。由于地面在冬季的濕度較大，冬季的侵蝕相比于夏季較少，春季伴有強烈的大風(fēng)天氣且降水量減少，這有利于風(fēng)沙活動[18,41]。當(dāng)冬季強烈的風(fēng)暴活動減弱后，風(fēng)沙輸移會明顯增加，在年際間存在著較大差異。風(fēng)蝕坑的上部多覆蓋有植被，對風(fēng)沙流具有攔截作用，沙粒沉降于積沙區(qū)頂部，頂部風(fēng)沙堆積明顯[33,42]。

4 風(fēng)蝕坑形態(tài)-動力過程研究方法

4.1 風(fēng)蝕坑形態(tài)研究

目前，對于風(fēng)蝕坑形態(tài)特征及發(fā)育演化方面的研究主要采取野外實地考察和遙感衛(wèi)星影像解譯等新技術(shù)相結(jié)合的方法觀測形態(tài)變化。早期野外考察采用全站測量儀、鐵鍬、鋼尺測量研究土層特征，再結(jié)合航空照片、社會調(diào)查研究風(fēng)蝕坑的形態(tài)，由于技術(shù)水平的提高及新技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了風(fēng)蝕坑由二維到三維形態(tài)演化[15]。也有學(xué)者采用載波相位差分技術(shù)（PTK）測量坑的長度、寬度和深度數(shù)據(jù)，利用數(shù)字高程模型（DEM）根據(jù)高程數(shù)據(jù)觀測風(fēng)蝕坑演變過程[43-45]。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)衛(wèi)星遙感影像解譯，通過高分辨率衛(wèi)星影像進行分析，觀察風(fēng)蝕坑空間上的分布和形態(tài)變化，通過不同時期影像分析結(jié)果的對比，監(jiān)測風(fēng)蝕坑移動和活化速度[46-47]。各種研究方法的綜合運用，進一步提高了風(fēng)蝕坑量化的精確度，確保了量化的準(zhǔn)確性。移動多邊形時空分析模型（STAMP）量化和描述了多邊形特征的時空動態(tài)性，為更好地提取和描述風(fēng)蝕坑的形態(tài)變化提供了主要技術(shù)手段[48]。

4.2 風(fēng)蝕坑動力過程研究

最直觀地監(jiān)測風(fēng)蝕坑動力過程的研究方法為野外實地架設(shè)風(fēng)速儀測量近地表層流場，在重要地貌部位用風(fēng)速儀測量典型區(qū)域風(fēng)速廓線，了解區(qū)域內(nèi)氣流的變化情況[17]。后期逐步開始使用實時動態(tài)載波相位差分GPS等新型設(shè)備[49]，風(fēng)洞實驗和計算機流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬等方法[31]，探究風(fēng)蝕坑三維流場分布狀況，推動了風(fēng)沙動力過程的研究。從微觀領(lǐng)域采用激光粒度分析儀測量風(fēng)蝕坑沉積物顆粒級配狀況，采用Udden-Wenworth 粒級標(biāo)準(zhǔn)建立粒度參數(shù)模型，運用累計曲線和福克-沃德（Folk-Ward）公式圖解計算粒度參數(shù)（平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰態(tài)）[50-51]，判斷易侵蝕區(qū)分布情況和易蝕顆粒粒徑分布范圍。隨著風(fēng)沙動力學(xué)過程研究的深入，開始進入風(fēng)沙輸移的系統(tǒng)性研究階段，早期具有代表性的研究為茲納門斯基的風(fēng)洞實驗，隨后加入了遙感圖像數(shù)據(jù)處理的方法及Fryberger 方法對輸沙勢（DP）、合成輸沙勢（RDP）和風(fēng)向變率指數(shù)（RDP/DP）的求算[18]（如式1 所示），使風(fēng)蝕坑動力過程的研究更系統(tǒng)。

式中，DP為輸沙勢（矢量單位：VU）；U為風(fēng)速（m·s-1）；Ut為起動風(fēng)速（m·s-1）；t為起沙風(fēng)時間，用觀測時間內(nèi)起沙風(fēng)時間與總觀測時間的百分比表示。

4.3 風(fēng)蝕坑形態(tài)-動力過程綜合分析

隨著監(jiān)測技術(shù)的進步，綜合運用地面監(jiān)測、遙感測量和計算機模擬等方法，在風(fēng)蝕坑形態(tài)-動力過程方面的研究進一步深入，更好地為風(fēng)蝕坑形態(tài)-動力研究提供了多方向的支撐。蝕積變化的監(jiān)測采用插杄法和GPS 技術(shù)，通過AI（活躍指數(shù)）、EI（侵蝕指數(shù)）和DI（沉積指數(shù)）指標(biāo)參數(shù)表征蝕積強弱，進一步分析風(fēng)蝕坑的蝕積過程和易侵蝕區(qū)域分布狀況[17,49]。發(fā)揮CA-Markov 模型長期預(yù)測和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)勢，并結(jié)合RWEQ 模型，通過地表數(shù)值模擬，分析并預(yù)測土壤風(fēng)蝕情況和風(fēng)蝕坑分布區(qū)地表覆被景觀變化[52-53]，觀測并記錄風(fēng)蝕坑景觀數(shù)量的變化情況，制定有效措施控制風(fēng)蝕坑發(fā)展。采用宏觀沉積學(xué)分析方法，觀察研究區(qū)地表地質(zhì)情況和剖面土體構(gòu)型，進行環(huán)境解譯后制圖，為沙源的診斷和盆地的演化過程提供基礎(chǔ)支撐[54]。

5 不足與展望

1）現(xiàn)有關(guān)于風(fēng)蝕坑形態(tài)-動力過程的研究中，已依照不同的標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)蝕坑進行分類，以面積、寬度、深度等形態(tài)數(shù)據(jù)為支撐對風(fēng)蝕坑形態(tài)特征進行描述，并把風(fēng)蝕坑發(fā)育過程劃分為不同的階段，闡述了各發(fā)育階段的差異，為風(fēng)蝕坑的識別奠定了基礎(chǔ)。風(fēng)蝕坑動力學(xué)研究過程中，對風(fēng)蝕坑內(nèi)不同部位的氣流及風(fēng)沙輸移有了更全面的研究。但是風(fēng)蝕坑的形態(tài)具有多樣性，多數(shù)學(xué)者僅對碟形坑和槽形坑進行詳細(xì)的描述，使得形態(tài)較為相似的風(fēng)蝕坑不易辨識，并且由于風(fēng)蝕坑的形成受環(huán)境、地貌、氣流等因素的影響，發(fā)育過程中的風(fēng)蝕坑并不能按照既有的風(fēng)蝕坑類型進行劃分，所以在今后的研究中應(yīng)在風(fēng)蝕坑形態(tài)分類適用的普遍性和獨特性方面進一步深化。

2）風(fēng)力的強度會直接作用于風(fēng)蝕坑內(nèi)的不同位置，從而影響風(fēng)蝕坑整體形態(tài)的變化，但是對于改變后形狀是否可逆以及使形態(tài)發(fā)生改變的風(fēng)力強度的臨界值沒有更深入的探討。同時，對于某個地區(qū)的風(fēng)況和風(fēng)蝕坑的變化情況是否存在一定的規(guī)律性尚不清楚。在氣候方面，可以加入氣候變化與風(fēng)蝕坑發(fā)育關(guān)系的研究，雖然厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象平均約每4年發(fā)生一次，但厄爾尼諾現(xiàn)象出現(xiàn)時，我國北方夏季干旱少雨，發(fā)生的當(dāng)年會出現(xiàn)暖冬的現(xiàn)象，而拉尼娜年恰恰相反，這會導(dǎo)致氣溫和降水的改變，間接影響風(fēng)蝕坑的發(fā)育。

3）小范圍內(nèi)風(fēng)蝕坑形態(tài)-動力過程的研究主要采用地面監(jiān)測的方法，大區(qū)域的風(fēng)蝕坑形態(tài)-動力過程研究依然采用傳統(tǒng)的遙感手段結(jié)合地面驗證的方式完成，介于目前遙感影像分辨率級別的限制，其會影響風(fēng)蝕坑形態(tài)辨識的精度。鑒于此，在今后的研究中，應(yīng)該更加關(guān)注遙感數(shù)據(jù)源的精度及更精確的風(fēng)蝕坑形態(tài)模擬的數(shù)學(xué)方法，以實現(xiàn)從宏觀尺度對風(fēng)蝕坑發(fā)育演化進行高精度、多維度的時空監(jiān)測。