柔性植株形态对土壤风蚀速率的影响机制

Flexible plant morphology, which leads to different wind turbulent construction and plant drag force, has an important influence on the force acting on plant and the force exerted on ground between plants by air, then causes to different soil erosion. Hence, plant morphology is an important impact factor, however, the systematic study of plant morphology is lacking in wind erosion. According to the field survey data of the typical plant morphology in wind erosion area and the similarity criterion of wind tunnel experiments, the present project will study the aerodynamic characteristics, resistance characteristics, surface shear stress distribution and shear stress partitioning for flexible plants with different morphology by using wind tunnel experiments and theoretical analysis. From the view of mechanical analysis, the effect of flexible plant morphology on soil wind erosion rate will be revealed. The present study will have an important theoretical significance to reveal the mechanism of soil wind erosion over vegetation.

柔性植株形态不同导致气流湍流结构和植株阻力特征不同，影响植株对气流作用力的分担能力以及风对裸土地表作用力的大小，进而产生不同的抑制土壤风蚀效果，因此，植株形态是影响风蚀的一个重要因子，然而目前缺乏对风蚀中植株形态因子的系统研究。本项目依据风蚀区典型植株形态野外调查数据和风洞实验相似性准则，采用风洞实验和理论分析相结合的方法，研究不同形态植株构型的空气动力学特征、地表剪应力分布和剪应力分解规律，从风蚀动力学角度阐明柔性植株形态构型对土壤风蚀速率的影响机制，这对揭示植被覆盖下土壤风蚀机理具有重要理论价值。

植株形态是影响风蚀的一个重要因子，然而缺乏系统研究。本项目主要研究不同植株形态构型的空气动力学特征、地表剪应力分布特征和剪应力分解以及地表剪应力分布对土壤风蚀速率的影响，还开展了不同形态单植株周围地表剪应力分布和蚀积特征的研究以及植形态对空气动力学起沙率的影响研究。在空气动力学研究方面，建立了细长柔性植株覆盖地表空气动力学粗糙度表达式，阐明了细长和上大下小状柔性植株覆盖地表空气动力学参数的差别、细长和上大下小状柔性植株阻力系数随侧影盖度的变化规律以及树状植株间距、行数和排列方式对气流恢复的影响，初步确定了植株柔性变形的定量表达。在地表剪应力研究方面，阐明了细长、上大下小状柔性植株以及树状刚性植株覆盖地表的地表剪应力分布特征和剪应力分解参数，确定了地表摩阻风速概率密度分布函数。在输沙率（或风蚀速率）研究方面，建立了细长、上大下小状柔性植株以及树状刚性植株覆盖地表输沙率（或风蚀速率）与地表摩阻风速的关系表达式，以及与来流风速、侧影盖度之间的关系表达式，还建立了基于地表摩阻风速概率密度分布函数的植被地表输沙率（或风蚀速率）预测模型，并阐明了细长、上大下小状柔性植株以及树状刚性植株覆盖地表输沙通量特征。在不同形态单植株周围地表剪应力分布和蚀积特征的研究方面，确定了5种单植株模型周围的地表剪应力空间分布特征及其差异，揭示了单植株形态对蚀积特征的影响以及单圆柱周围微地形变化对气流场和地表剪应力的影响。在空气动力学起沙率研究方面，揭示了植被地表空气动力学起沙率与地表剪应力的关系以及空气动力学颗粒卷吸模式。这些结果将植株形态融入到风蚀研究中，阐明了不同形态植株的空气动力学特征、地表剪应力分布、剪应力分解等规律，从风蚀动力学角度揭示了植株形态对风蚀速率的影响机制，这对于考虑植株形态的风蚀模型构建具有重要科学意义。