风沙看着美丽却有危险

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   地球陆地表面极薄的一层物质就是土壤层，它对于人类和陆生动植物生存极为关键。没有土壤层，地球上就不可能生长任何草木、谷物，不可能有动物和人类的生存。荒漠化，就是土壤层土质恶化，有机物质下降乃至消失，造成表面沙化或板结从而成为不毛之地。荒漠化不仅造成贫困，而且迫使人们离开故土，造成严重可怕的移民浪潮。荒漠化被视为人类在环境领域面临的三大挑战之一。
   6月17日是第二十四个世界防治荒漠化和干旱日，我国宣传的主题是防治土地荒漠化 助力脱贫攻坚战，旨在进一步激励和动员广大人民群众积极参与土地荒漠化防治，逐步改善沙区生态状况，加快发展沙区绿色产业，实现治沙增绿和脱贫致富协调发展。中科院西北生态环境资源研究院（筹）研究员刘树林特撰写此文，介绍风沙的美丽和危害，以及科学家们在荒漠化问题中取得的一些成果。
　　风沙运动 美轮美奂
　　我国大部分沙漠和沙地地表物质的机械组成以细砂（粒径0.05~0.25mm）为主，加之正常条件下，西部大部分沙漠和沙地都有厚度不等的干沙层，极易被风进行侵蚀搬运。
　　风完全主宰着沙粒的命运，夜以继日地搬运着每一颗沙粒，并根据风况大小和沙源丰富程度等的不同，量身塑造出各种美轮美奂的沙波纹和形态各异的沙丘。比如下面这几个：





      图1 平行状沙波纹





    图2 鱼鳞状沙波纹





     图3 单一新月形沙丘





    图4 高大复合型沙丘

　　风沙运动也会带来灾害
　　风沙运动在塑造美的同时，引发的沙丘列队整体移动、地表风蚀、沙割、沙埋和沙尘释放等，对农田、草地、工矿、重大交通设施以及自然文化遗产等造成了严重危害，极大地加剧了土地沙漠化和沙尘暴等灾害性天气的发生（图5），我国因风沙灾害年均经济损失超过500亿元。




    图5 不同形式的风沙灾害

　　风沙的美与灾是怎么形成的？
　　风是干旱半干旱地区地貌发育的主要外营力。风吹经疏松的砂质地表时，由于气流作用于地表颗粒的外力大于其受到的阻力时（图6），颗粒即被起动，进入气流形成风沙运动。




    图6 颗粒受力的基本形式

　　风沙运动在对地表形态的塑造和土地沙漠化（荒漠化的主要类型之一）的形成与发展过程中，扮演着极为重要的角色。
　　研究表明，起动风速与沙粒的粒径大小、沙层表土湿度状况、地面粗糙度等有关。一般沙粒越大，沙层表土越湿，地面越粗糙，植被覆盖度越大，起动风速也越大。
　　在一定粒径范围内，随粒径增大，起动风速也增大。大的颗粒需要较大的起动风速，但当颗粒的平均粒径小于0.06mm时，由于小颗粒之间的分子和电子吸引力等，起动风速也较大，特别大和特别细的粒径都不易起动（图7），风对沙粒的侵蚀具有明显的偏好。


图7 颗粒平均粒径与起动速度之间的关系
　　一旦颗粒被带入气流，颗粒因粒径大小的不同而主要按照蠕移、跃移、悬移三种形式运动（图8）。


图8 风力作用下颗粒运动的三种主要形式
　　通常粒径小于0.05 mm的粉砂和黏土颗粒，由于体积小，质量轻，在空气中的自由沉降速度很小，能在风中悬移很长时间和很大距离，有的甚至可达数千公里以外。而粒径0.10~0.15 mm的沙粒最容易以跃移的形式运动。

　　跃移是风沙运移的最主要形式，跃移运动的重要性，不仅表现在一般情况下跃移质是风沙的主体，还在于表层蠕移与悬移都与跃移有关。
　　为解决荒漠化，科学家们一直在努力
　　荒漠化是指气候异常和人类活动等因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化。荒漠化是全球性的生态环境问题，是人类生存和可持续发展面临的最严峻挑战之一。世界上约有100多个国家、10亿多人口受荒漠化影响。
　　多年来，国际社会为解决荒漠化问题进行着不懈的努力。2017年9月在中国鄂尔多斯召开的《联合国防治荒漠化公约》第十三次缔约方大会，重申了对联合国可持续发展峰会正式通过的《2030年可持续发展议程》的承诺，包括努力在2030年之前实现全球土地退化零增长的目标。
　　中国政府历来高度重视防沙治沙工作。1950年国务院成立治沙领导小组，多次召开全国防沙治沙工作大会，首批签署了《联合国防治荒漠化公约（UNCCD）》，先后颁布实施的《防沙治沙法》、《国务院关于进一步加强防沙治沙工作的决定》、《全国防沙治沙规划》，推行的省级政府防沙治沙目标责任制，相继实施的天然林保护、京津风沙源治理、三北防护林建设、退耕还林、退牧还草等一系列重大生态修复工程，极大地缓减了我国风沙灾害的影响，并使我国率先实现了土地退化零增长目标，成为全球荒漠化防治的成功典范。
　　然而，土地沙漠化的发生发展过程和恢复逆转过程，由于极易受到各种自然因素与人文因素的影响（图9），风沙灾害发生的不确定性大。同时，土地沙漠化常与贫困问题交织在一起，形成恶性循环，严重影响我国精准脱贫目标的实现。我国风沙灾害防治工作依然任重而道远。




   图9 干旱与过牧双重影响下的草地

　　近年来，中国科学院西北生态环境资源研究院（筹）的科学家们，通过理论研究、大量野外观测和模拟实验等，在风沙研究方面取得了一系列的进展：

发展了我国风沙防治工程学、建立了防沙治沙恢复生态学，阐明了我国特有风沙地貌的形成机理；

揭示了沙粒跃移高度随海拔高度增加而增大的规律，研发了大网格高立式沙障等技术体系；

发现了戈壁风沙流结构呈现象鼻子特征（图10），并建立人工砾石戈壁输沙场（图11），构建了固-阻-输-导有机组合的针对性风沙灾害防治技术体系，有效减轻了青藏铁路沿线和敦煌莫高窟顶等的风沙危害；

认识到了生物土壤结皮作为生态系统工程师的重要作用，首次将隐花植物作为人工固沙植被重要组成，提出了干旱半干旱沙区流沙快速固定与植被稳定建植的技术与模式。

将控制和削弱风沙运动来减轻风沙灾害的认知，从纯技术问题拓展到了保护和改善生态环境，并将治沙与脱贫相结合，积极倡导产业化治沙技术，极大地提高了我国风沙防治的理论与技术水平。





图10 戈壁风沙流象鼻子特征





图11 人工砾石戈壁

　　 对于风沙运动，以及风沙造成的荒漠化问题，科学家们一直在努力探索，相信在不久的将来还会有更多成果涌出。
   中国向荒漠化宣战近40年来，开展三北防护林建设、风沙源治理、退耕还林还草等一系列行动。对生活在乌兰布和沙漠、塞罕坝、右玉、策勒这些地方的绿色卫士来说，几十年如一日，每天都是防治荒漠化和干旱日。现在，我们每年从荒漠和沙漠中救活4000多平方公里土地。