砒砂巖侵蝕機(jī)理研究與展望

姚文藝 李長(zhǎng)明 張攀 王愿昌

摘要：砒砂巖侵蝕機(jī)理是我國(guó)北方脆弱生態(tài)區(qū)治理實(shí)踐中迫切需要解決的應(yīng)用基礎(chǔ)問(wèn)題中的難點(diǎn)。為深化理解砒砂巖復(fù)合侵蝕發(fā)生發(fā)展過(guò)程、揭示多動(dòng)力侵蝕交替/耦合關(guān)系、辨識(shí)復(fù)合侵蝕與植被退化的耦合機(jī)理，系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)砒砂巖侵蝕研究的主要成果，包括砒砂巖侵蝕類(lèi)型及其發(fā)生動(dòng)因、砒砂巖侵蝕分布特征、砒砂巖侵蝕巖性機(jī)理等，并對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)展進(jìn)行討論，指出砒砂巖侵蝕規(guī)律研究中面臨的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，提出未來(lái)研究的重點(diǎn)課題，包括砒砂巖區(qū)多動(dòng)力復(fù)合侵蝕時(shí)空分異規(guī)律、復(fù)合侵蝕與植被退化的互饋關(guān)系、水巖作用下砒砂巖三元結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、復(fù)合侵蝕試驗(yàn)觀測(cè)方法等，可為今后開(kāi)展相關(guān)研究工作提供參考。

關(guān)鍵詞：砒砂巖：復(fù)合侵蝕：侵蝕機(jī)理：生態(tài)恢復(fù)：黃河

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.1； TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.001

砒砂巖是在古生代二疊紀(jì)（距今約2.5億年前）、中生代三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)逐漸形成的厚層砂巖、砂頁(yè)巖和泥質(zhì)砂巖組成的巖石互層，屬陸相碎屑沉積巖類(lèi)，集中分布于黃河流域鄂爾多斯高原，其面積1.67萬(wàn)km。由于砒砂巖上覆巖層厚度小、壓力低，因此其成巖程度弱、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，具有“無(wú)水堅(jiān)如磐石、遇水爛如稀泥”的特性。砒砂巖區(qū)水蝕、風(fēng)蝕、凍融侵蝕交替發(fā)生，土壤侵蝕劇烈，生態(tài)環(huán)境極其惡劣，成為黃河粗泥沙的集中來(lái)源區(qū)，同時(shí)嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展。開(kāi)展砒砂巖侵蝕規(guī)律研究、認(rèn)識(shí)砒砂巖侵蝕機(jī)理，是砒砂巖區(qū)水土流失及生態(tài)綜合治理的重要課題，是黃河治理和典型脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)恢復(fù)等重大實(shí)踐的必然要求。

國(guó)外在單一砂巖區(qū)風(fēng)化侵蝕、坡溝耦合侵蝕、重力侵蝕、溝道系統(tǒng)形成及溝壑侵蝕、泥巖區(qū)溝蝕等方面有相關(guān)研究成果報(bào)道，但可能受砒砂巖特殊的地理區(qū)位所限，未見(jiàn)國(guó)外報(bào)道諸如砂巖、砂頁(yè)巖、泥質(zhì)砂巖交互巖類(lèi)侵蝕的研究案例。我國(guó)對(duì)砒砂巖侵蝕問(wèn)題的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)90年代初，其代表性成果是黃河水利委員會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)黃委）資助完成的《晉陜蒙接壤地區(qū)砒砂巖分布范圍及侵蝕類(lèi)型區(qū)劃分》《砒砂巖地區(qū)植物“柔性壩”試驗(yàn)研究階段總報(bào)告（ 1995-1998）》。之后，在黃委重大治黃科技計(jì)劃、水利部等省部級(jí)科技計(jì)劃、國(guó)家科技攻關(guān)（支撐）計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等資助下，有關(guān)單位對(duì)砒砂巖區(qū)水土流失現(xiàn)狀、侵蝕類(lèi)型及成因、侵蝕規(guī)律及其發(fā)生機(jī)理等開(kāi)展了持續(xù)研究。砒砂巖區(qū)處于我國(guó)北方地貌、植物、氣候、土壤等多元過(guò)渡帶，其地貌類(lèi)型由東南部以水蝕為主的黃土丘陵溝壑逐漸過(guò)渡到西北部以風(fēng)蝕為主的風(fēng)沙地貌，中間地帶為水蝕和風(fēng)蝕共同作用形成的蓋沙黃土丘陵：植物群落由東南部半旱生植物占優(yōu)勢(shì)逐漸演變到西北部以沙生植物占優(yōu)勢(shì)：氣候從東南部到西北部由半干旱過(guò)渡到干旱，既有鄂爾多斯高原風(fēng)大沙多的特點(diǎn)，又有黃土高原大陸性氣候暴雨強(qiáng)度大的特點(diǎn)，極端最高和最低氣溫分別為40.2、- 34.5℃。因而，該區(qū)多類(lèi)型侵蝕交替發(fā)生，形成復(fù)合性侵蝕18]，區(qū)域侵蝕模數(shù)高達(dá)3萬(wàn)～4萬(wàn)L/（ km2.a）.進(jìn)入黃河的粒徑大于0.05 mm的粗泥沙量約占黃河下游多年平均淤積量的1/4。加之該區(qū)富含煤、石油和天然氣等，能源資源開(kāi)發(fā)等人類(lèi)活動(dòng)干擾強(qiáng)烈，生態(tài)退化嚴(yán)重，甚至造成“生態(tài)難民”問(wèn)題，被中外專(zhuān)家稱(chēng)為“世界水土流失之最”“地球生態(tài)癌癥”。解決砒砂巖區(qū)嚴(yán)重的水土流失和生態(tài)退化問(wèn)題，成為全面實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略目標(biāo)的區(qū)域性重大挑戰(zhàn)。在我國(guó)生態(tài)保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃中把黃河上中游脆弱生態(tài)區(qū)治理明確列為重點(diǎn)工程，尤其是砒砂巖區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)被作為黃河治理的重點(diǎn)。近期在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“典型脆弱生態(tài)恢復(fù)與保護(hù)研究”專(zhuān)項(xiàng)中，專(zhuān)門(mén)設(shè)立了“鄂爾多斯高原砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理”項(xiàng)目，以期通過(guò)對(duì)砒砂巖區(qū)水蝕、風(fēng)蝕等復(fù)合侵蝕規(guī)律研究，揭示復(fù)合侵蝕與生態(tài)退化的耦合機(jī)理，為維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全提供技術(shù)支撐。因此，砒砂巖區(qū)土壤侵蝕規(guī)律的深化研究顯得尤為迫切，亦成為土壤侵蝕研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。可以說(shuō)，鑒于砒砂巖特有的復(fù)合侵蝕特征及其耦合關(guān)系的復(fù)雜性，開(kāi)展砒砂巖侵蝕規(guī)律的深化研究對(duì)促進(jìn)水土保持學(xué)科發(fā)展具有重要意義，同時(shí)也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。為此，本文在總結(jié)關(guān)于砒砂巖區(qū)土壤侵蝕規(guī)律、發(fā)生機(jī)理等方面的主要成果基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，指出砒砂巖侵蝕規(guī)律研究面臨的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，提出未來(lái)研究的重點(diǎn)課題，期望為開(kāi)展相關(guān)研究工作提供參考。

1 砒砂巖侵蝕類(lèi)型及分布

1.1 砒砂巖侵蝕類(lèi)型

砒砂巖區(qū)是我國(guó)典型的多動(dòng)力復(fù)合侵蝕區(qū)域，基本上包括了主要的侵蝕類(lèi)型，如水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕、重力侵蝕及人為侵蝕等。畢慈芬等根據(jù)侵蝕驅(qū)動(dòng)力不同，將砒砂巖侵蝕分為“季節(jié)性降雨徑流侵蝕”和“常年性非徑流侵蝕”兩類(lèi)：第一類(lèi)為由不產(chǎn)生土壤位移的小雨、暴雨前期不產(chǎn)生土壤位移的小雨和暴雨徑流侵蝕三部分組成，主要指水力侵蝕：第二類(lèi)為全年都可能發(fā)生的重力侵蝕、凍融侵蝕和風(fēng)蝕等。

（1）水力侵蝕。試驗(yàn)研究表明，砒砂巖水力侵蝕與砒砂巖的顏色有一定關(guān)系。由于砒砂巖是由砂巖、泥質(zhì)砂巖等多類(lèi)砂巖構(gòu)成的松散巖層，不同巖層所含礦物組分氧化鐵等的含量有差異，因此形成了紅、白、黃、灰等多種顏色相間的分層結(jié)構(gòu)，俗稱(chēng)“五花肉”。不同顏色砒砂巖的透水性能是有差別的，因而抗水蝕的能力也不同。例如，白色砒砂巖的水分人滲率小于紅色砒砂巖的，因此在相同徑流量條件下，紅色砒砂巖的產(chǎn)沙量、水流含沙量均比白色的大，說(shuō)明紅色砒砂巖的抗蝕性弱。蔡懷森等對(duì)單一紅色和紅白混雜兩類(lèi)砒砂巖的抗蝕性的試驗(yàn)表明，紅白混雜砒砂巖的透水性較紅色的差，紅色砒砂巖的穩(wěn)定人滲率較紅白混雜的大，說(shuō)明紅色砒砂巖遇水時(shí)更容易發(fā)生潰散，其水力侵蝕強(qiáng)度大。根據(jù)王倫江等研究，就砒砂巖坡面單位徑流產(chǎn)沙量而言，從小到大排序?yàn)辄S綿土<紅棕色砒砂巖<紫紅色砒砂巖。當(dāng)然，砒砂巖水蝕與下墊面等多種因素有關(guān)，如張喜旺等的研究表明，降雨與植被的年內(nèi)匹配模式對(duì)砒砂巖侵蝕有重要的影響。

（2）風(fēng)力侵蝕。砒砂巖區(qū)風(fēng)向多與溝道垂直或大角度相交，因此風(fēng)蝕產(chǎn)沙量往往很大，同時(shí)風(fēng)成堆積物也為水力侵蝕提供了物質(zhì)來(lái)源。楊具瑞等通過(guò)對(duì)砒砂巖區(qū)西召溝小流域風(fēng)蝕進(jìn)行觀測(cè)，分析了風(fēng)蝕量與溝沿線、溝角線長(zhǎng)度之和與風(fēng)化溝谷面積比值的關(guān)系，認(rèn)為：同種砒砂巖與單位溝沿線、溝角線長(zhǎng)度之和與侵蝕模數(shù)之間，在上、中、下游具有確定的比值：不同種類(lèi)砒砂巖的風(fēng)蝕模數(shù)與單位溝沿線、溝角線長(zhǎng)度之和之間具有一定的比例關(guān)系：風(fēng)蝕量與砒砂巖地表土壤結(jié)構(gòu)也有關(guān)系。據(jù)楊曉東等觀測(cè)，結(jié)構(gòu)愈松散風(fēng)蝕量愈大，例如，在砒砂巖地表有覆沙時(shí)，其風(fēng)蝕量是裸露砒砂巖地表風(fēng)蝕量的13倍。

（3）凍融侵蝕。土壤及其母質(zhì)或巖石中的水分因溫度正負(fù)劇烈變化而引起的凍融作用，使其脹縮碎裂、移動(dòng)流失的現(xiàn)象稱(chēng)為凍融侵蝕。顯然，凍融侵蝕與砒砂巖含水率、密度及溫度等有關(guān)。據(jù)劉李杰等試驗(yàn)觀測(cè)，砒砂巖含水率在11%以下時(shí)幾乎不發(fā)生凍脹，當(dāng)含水率為12%～ 16%時(shí)凍脹量與凍結(jié)深度的比值即凍脹率隨含水率增大而線性增大，凍脹率隨砒砂巖干密度的增大而增大，在一定的干密度條件下，凍脹率隨冷端溫度的降低而增大。當(dāng)然，不同研究者采用的試樣不同，得到的凍融發(fā)生臨界含水率、溫度都會(huì)有所不同。

（4）重力侵蝕。重力侵蝕與砒砂巖坡面坡度及巖性都有一定的關(guān)系。據(jù)野外調(diào)查，不同類(lèi)型區(qū)坡面穩(wěn)定的臨界坡角是不同的，如：覆土砒砂巖區(qū)的臨界坡角為350～ 450.裸露砒砂巖區(qū)白色砒砂巖的為350～700、紅白相間的為350～ 450。當(dāng)坡角大于臨界坡角時(shí)，易發(fā)生重力侵蝕。唐政洪等的研究進(jìn)一步表明，重力侵蝕主要發(fā)生在坡角大于300的溝坡，坡角為350～ 600的溝坡是發(fā)生瀉溜的主要地段，崩塌主要發(fā)生在600以上的陡崖地段。孔隙、裂隙越發(fā)育的砒砂巖坡面，越容易發(fā)生重力侵蝕。另外，不同巖性互層的地層組合方式也會(huì)對(duì)重力侵蝕有影響。據(jù)葉浩等研究，砒砂巖化學(xué)成分對(duì)重力侵蝕也有影響，如Mg、K20、Mn0、Fe0等含量的變化可造成內(nèi)聚力的顯著變化，進(jìn)而明顯影響重力侵蝕的發(fā)育。

事實(shí)上，砒砂巖區(qū)的多種侵蝕方式在空間上具有復(fù)合作用、在時(shí)間上具有交替發(fā)生的特點(diǎn)。風(fēng)蝕及凍融侵蝕均可誘發(fā)重力侵蝕，同時(shí)這些侵蝕方式產(chǎn)生的松散堆積物又為水力（徑流）侵蝕和泥沙輸移提供了物質(zhì)來(lái)源。在水力侵蝕、重力侵蝕發(fā)生時(shí)，風(fēng)蝕堆積物坡積裙可不斷被蝕退，進(jìn)入溝道的泥沙被水流搬運(yùn)至下游，風(fēng)蝕又不斷搬運(yùn)補(bǔ)充坡積裙。唐政洪等曾歸納出砒砂巖侵蝕具有風(fēng)化一侵蝕一風(fēng)化循環(huán)的特點(diǎn)。當(dāng)然，如果從侵蝕方式的發(fā)生過(guò)程而言，水力侵蝕與重力侵蝕或風(fēng)力侵蝕與重力侵蝕亦可相伴發(fā)生，由此也可以歸納認(rèn)為砒砂巖具有風(fēng)蝕/重力侵蝕一水蝕/重力侵蝕一風(fēng)蝕/重力侵蝕的復(fù)雜交替/耦合的循環(huán)侵蝕特征。

1.2 砒砂巖侵蝕時(shí)空分布特征

砒砂巖侵蝕具有明顯的時(shí)空分異規(guī)律，其在空間上與砒砂巖類(lèi)型區(qū)、坡溝系統(tǒng)地貌單元的分布有關(guān)，在時(shí)間上與年度季節(jié)性變化有關(guān)。

根據(jù)砒砂巖地表覆蓋物質(zhì)的不同，砒砂巖區(qū)分為裸露砒砂巖區(qū)、覆土砒砂巖區(qū)和覆沙砒砂巖區(qū)三類(lèi)：裸露砒砂巖區(qū)指砒砂巖直接見(jiàn)于地表，上面無(wú)黃土、沙或覆土（沙）極薄（0～1.5 m）；覆土砒砂巖區(qū)指砒砂巖掩埋于各種黃土地貌之下，黃土厚一般大于1.5 m；覆沙砒砂巖區(qū)指砒砂巖掩埋于較厚沙層之下。不同類(lèi)型區(qū)主要侵蝕類(lèi)型及復(fù)合侵蝕類(lèi)型有一定的差異（見(jiàn)表1）。總體來(lái)說(shuō)，在裸露、覆土、覆沙區(qū)的復(fù)合侵蝕中均會(huì)有重力侵蝕發(fā)生。另外，無(wú)論是哪一類(lèi)砒砂巖區(qū)，只要有砒砂巖出露，或輕或重均會(huì)有凍融侵蝕發(fā)生。就不同強(qiáng)度侵蝕的面積分布而言，裸露區(qū)極強(qiáng)烈侵蝕面積占砒砂巖區(qū)面積的3.43%，相應(yīng)地，覆土區(qū)、覆沙區(qū)的分別占13.42%.1.36%，砒砂巖區(qū)的極強(qiáng)烈侵蝕面積主要分布于覆土區(qū)，其面積占覆土區(qū)總面積的25.47%。根據(jù)趙國(guó)際觀測(cè)，在小流域坡溝系統(tǒng)地貌單元尺度上，主要侵蝕類(lèi)型也是有差異的：水力侵蝕發(fā)生的部位以坡面與溝坡為主：重力侵蝕以陡坡與溝坡為主，且有從坡頂向溝坡逐步增強(qiáng)的趨勢(shì)：對(duì)于風(fēng)蝕，在迎風(fēng)坡及其兩側(cè)，或者在東西走向高地勢(shì)之間是強(qiáng)風(fēng)蝕區(qū)，且從坡頂?shù)狡履_風(fēng)蝕厚度逐漸減小，坡頂?shù)娘L(fēng)蝕量是坡中部的近4倍。另外，水蝕從南向北減弱，而風(fēng)蝕則白南向北增強(qiáng)。

砒砂巖區(qū)水力、風(fēng)力、重力及凍融引發(fā)的侵蝕在年尺度內(nèi)交替或2項(xiàng)以上同時(shí)出現(xiàn)，呈疊加性，但不同季節(jié)主要侵蝕類(lèi)型有分異性。覆沙區(qū)全年以風(fēng)蝕為主：在覆土、裸露區(qū)冬春季風(fēng)力侵蝕強(qiáng)烈，尤其是春季風(fēng)蝕最為嚴(yán)重，夏秋水力侵蝕占主導(dǎo)地位，尤以夏季水蝕最為嚴(yán)重。凍融和重力侵蝕疊加在春季最為明顯。

總體來(lái)說(shuō)，春夏之交是凍融、風(fēng)化高峰期，4-5月是風(fēng)蝕高峰期，5-6月是重力侵蝕高峰期，7-9月是水蝕高峰期。在5-9月多發(fā)生重力侵蝕與水蝕的復(fù)合，其他時(shí)期則發(fā)生重力侵蝕、風(fēng)蝕、凍融侵蝕的復(fù)合。多動(dòng)力侵蝕在年尺度內(nèi)交替發(fā)生及疊加，其疊加效應(yīng)可能會(huì)造成侵蝕峰值（見(jiàn)圖1），但是對(duì)其疊加關(guān)系及疊加效應(yīng)仍缺乏研究。

2 砒砂巖侵蝕巖性機(jī)理

砒砂巖侵蝕巖性機(jī)理主要是指砒砂巖的礦物組成、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物等特征要素在侵蝕過(guò)程中的作用關(guān)系。

2.1 砒砂巖巖性

（1）礦物組成。砒砂巖由多種礦物組成，不少學(xué)者從不同角度對(duì)砒砂巖的礦物組成進(jìn)行了研究，雖然采用的試樣、試驗(yàn)方法和檢測(cè)儀器等可能有差異，但對(duì)砒砂巖主要礦物成分的認(rèn)識(shí)基本一致：砒砂巖的主要礦物成分包括石英、長(zhǎng)石、方解石、蒙脫石、高嶺石等。但是，一些研究者對(duì)各種成分含量的測(cè)驗(yàn)結(jié)果卻有明顯差別（見(jiàn)表2）。砒砂巖顏色不同，相同礦物成分的含量也有很大差別，例如按文獻(xiàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，4種顏色砒砂巖的蒙脫石最大最小含量的比值可以達(dá)到3，石英含量的極值比為2.4，方解石的達(dá)到7.9；在不同深度，即使顏色相同，但同類(lèi)礦物的含量也有很大差別。由此說(shuō)明，砒砂巖礦物成分的空間分異性是非常大的。另外，砒砂巖的石英含量為50%左右，較一般砂巖等巖石的含量低，由此說(shuō)明砒砂巖的成巖程度低。

（2）化學(xué)成分。不少研究者對(duì)砒砂巖的化學(xué)成分做過(guò)分析，在砒砂巖所含主要化學(xué)成分方面的認(rèn)識(shí)是比較一致的。砒砂巖的化學(xué)成分主要有二氧化硅（ Si0）、三氧化二鋁（Al203）、三氧化二鐵（ Fe203）、氧化鎂（Mg0）、氧化鈣（Ca0）、氧化鈉（ Na20）、氧化鉀（K20）等。但是，不同研究者所測(cè)驗(yàn)的含量有較大差別，其含量大小與砒砂巖顏色、取樣位置等有關(guān)。從現(xiàn)有測(cè)驗(yàn)成果看，上述化學(xué)成分的平均含量變幅分別為59.7%～ 76.8%、10.6%～ 15.4%、1.6%～4.3%、1.8%～4.8%、0.6%～15.1%、0. 9%～3.9%、2.5%～3.0%?？傮w來(lái)說(shuō)，含量最高的是Si0，其次是Al203、Fe203、Mg0和Ca0等。

（3）結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)石迎春等分析，砒砂巖巖體屬于不等粒巖，不均勻系數(shù)C_u大于5，曲率系數(shù)C_q大于3，粗細(xì)顆?；祀s，磨圓程度低，礦物顆粒平均扁圓度達(dá)到0.411 1，而且砒砂巖顆粒較粗，如白色砒砂巖粒徑大于0.05 mm的粗顆粒占84.5%。砒砂巖表面較為粗糙，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙較大，使得其更容易遭受風(fēng)化侵蝕。結(jié)晶度較好的塊狀晶體和黏土類(lèi)物質(zhì)膠結(jié)在一起，存在較多的孔隙，膠結(jié)物質(zhì)多為碳酸鹽和黏土物質(zhì)。根據(jù)金爭(zhēng)平等分析，由于大顆粒形成的孔隙被小顆粒所填充，因此砒砂巖的滲透能力并不高，其穩(wěn)定滲透能力只有黃土的1/3。在砒砂巖溝坡多有垂直裂隙發(fā)育，為重力侵蝕創(chuàng)造了條件。砒砂巖微觀形貌主要呈絮狀、片狀或蜂窩狀的凝膠物質(zhì)，其微觀結(jié)構(gòu)主要呈塊粒鏈接或絮狀鏈接。根據(jù)趙澄林等對(duì)碎屑巖膠結(jié)類(lèi)型的劃分標(biāo)準(zhǔn)，砒砂巖大部分屬于孔隙式膠結(jié)，少數(shù)成巖程度較高的屬于接觸式膠結(jié)。砒砂巖的這些結(jié)構(gòu)特征，使其力學(xué)性能相對(duì)較差（見(jiàn)表3），尤其在水巖作用下，存在礦物轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，其轉(zhuǎn)化量越大，溶解的礦物量就越多，孔隙度變化就越大，而孔隙度的變化直接導(dǎo)致巖體的力學(xué)性能降低。

2.2 侵蝕巖性機(jī)理

砒砂巖的礦物組成、化學(xué)成分及其結(jié)構(gòu)特征決定了其易侵蝕性。從礦物組成來(lái)說(shuō)，雖然砒砂巖成巖程度低，石英含量相對(duì)少，但仍在50%左右，而石英是極為穩(wěn)定的礦物，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，且?guī)缀醪话l(fā)生化學(xué)溶解作用，因此石英不是導(dǎo)致砒砂巖遇水崩解、見(jiàn)風(fēng)碎化的原因。造成其易侵蝕的礦物成因主要是所含長(zhǎng)石類(lèi)、蒙脫石等黏土類(lèi)、碳酸鹽類(lèi)和高嶺土等礦物的含量較高。鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石等長(zhǎng)石類(lèi)礦物解理和雙晶發(fā)育，在干旱、大風(fēng)的環(huán)境下極易風(fēng)化，導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)被破壞，抵抗侵蝕能力減弱，而且長(zhǎng)石的主要風(fēng)化物高嶺石抗蝕能力最差。蒙脫石是一種2：1型黏土礦物，干燥環(huán)境下不會(huì)導(dǎo)致巖體破壞，但其在形成過(guò)程中會(huì)發(fā)生品格取代，引起蒙脫石的品格形變，使得蒙脫石晶胞帶負(fù)電荷，外部水分子容易進(jìn)人蒙脫石晶層間，遇水時(shí)極易膨脹，最大可膨脹至原體積的40倍，導(dǎo)致巖體微結(jié)構(gòu)破壞。方解石和白云石等是碳酸鹽礦物的主要成分，方解石的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，其抗風(fēng)化能力弱，且遇水后易與水中CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并被水流帶走，從而減弱砂巖顆粒之間的膠結(jié)作用。砒砂巖的黏土礦物成分主要是蒙脫石及少量伊利石和高嶺石，這些礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，有時(shí)甚至超過(guò)30%，同樣表明砒砂巖的結(jié)構(gòu)不成熟。因此，蒙脫石是導(dǎo)致砒砂巖遇水崩解的主要原因，鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石等含量高是砒砂巖易于風(fēng)化的主要原因，方解石膠結(jié)作用弱是導(dǎo)致砒砂巖抗蝕能力差的主要原因。另外，砒砂巖遇水時(shí)，礦物轉(zhuǎn)化量大，使孔隙率變大.也是減弱砒砂巖抗蝕性能的原因之一。

從化學(xué)成分來(lái)說(shuō)，砒砂巖所含Na20、K20、Ca0等的含量雖然較低，但它們的性質(zhì)異常活潑，極易發(fā)生化學(xué)變化，遇水非常易于流失，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破壞，降低砒砂巖的抗蝕能力。

從結(jié)構(gòu)方面來(lái)說(shuō)，砒砂巖結(jié)構(gòu)組成有三大類(lèi)：一是由結(jié)晶度較高的原生礦物石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽組成的顆粒物；二是由蒙脫石、高嶺石、伊利石、云母等次生黏土礦物組成的填充物，這些黏土物質(zhì)填充在粗大顆粒間的孔隙中；三是顆粒物與顆粒物、顆粒物與填充物接觸界面上的膠結(jié)物，其主要成分是游離氧化物（如游離氧化鐵等）。不同礦物粒徑相差懸殊，顆粒大小不一，顆粒之間接觸不緊密，排列混亂，無(wú)一定的方向性，孔隙發(fā)育較好，因此砒砂巖抗水蝕、風(fēng)蝕能力差。砒砂巖本身結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)，存在明顯的各向異性，垂直方向的抗剪能力更強(qiáng)一些，因此在侵蝕過(guò)程中水平方向更容易發(fā)生片蝕，被沖刷形成沖溝。雖然砒砂巖結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，在無(wú)水條件下具有堅(jiān)硬的巖性特征，但一旦遇水，其抗剪、抗壓強(qiáng)度隨含水量增大急劇降低，非常容易發(fā)生水蝕。

進(jìn)而歸納認(rèn)為，砒砂巖的崩解、潰散主要是其巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以承受內(nèi)部的膨脹作用而造成的，例如蒙脫石遇水后強(qiáng)烈的膨脹作用，使砒砂巖潰散，蒙脫石等黏土礦物成為膨脹元：砒砂巖內(nèi)部的孔隙通道為水浸入巖體提供了條件，溫度在零度以下時(shí)，孔隙中的水便結(jié)冰膨脹，使砒砂巖結(jié)構(gòu)遭到崩解。而石英等膠結(jié)物構(gòu)成的膠結(jié)元，其膠結(jié)強(qiáng)度一旦低于膨脹力，必然發(fā)生結(jié)構(gòu)潰散。因此，砒砂巖破壞具有二元結(jié)構(gòu)特征，即膨脹元和膠結(jié)元，根據(jù)其結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程，可建立二元結(jié)構(gòu)幾何模型及破壞力學(xué)模型（見(jiàn)圖2）。

由圖2（b）得到砒砂巖結(jié)構(gòu)破壞的力學(xué)關(guān)系為式中：△u為膨脹力作用下的位移：v為泊松比：E為彈性模量：α為膨脹物厚度：b為膨脹物圓心到包裹物外層的厚度；P1為內(nèi)網(wǎng)膨脹力。

式（1）定量揭示了砒砂巖結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)理，也為通過(guò)改變砒砂巖結(jié)構(gòu)性能、控制崩解侵蝕的實(shí)踐提供了理論指導(dǎo)，例如：一方面可以對(duì)內(nèi)圓膨脹物進(jìn)行改性，抑制或減小內(nèi)圓膨脹力P1；另一方面可以改變外部約束環(huán)包裹物的性質(zhì)，增大膠結(jié)元的約束環(huán)約束力。

3 討論與面臨的關(guān)鍵問(wèn)題

綜觀近年來(lái)關(guān)于砒砂巖侵蝕規(guī)律的研究成果，盡管在砒砂巖侵蝕類(lèi)型、發(fā)生過(guò)程及侵蝕巖性機(jī)理等方面取得了不少認(rèn)識(shí)，研究方法不斷得到完善，但由于砒砂巖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加之侵蝕環(huán)境惡劣，侵蝕類(lèi)型多且交替/耦合發(fā)生，因此現(xiàn)有的一些研究結(jié)果還有一定差異，對(duì)復(fù)合侵蝕發(fā)生、發(fā)展及其過(guò)程機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不十分清晰。同時(shí)，砒砂巖區(qū)的退化生態(tài)環(huán)境條件與侵蝕有著密不可分的關(guān)系，兩者具有互饋?zhàn)饔茫瑢?duì)此的研究仍很薄弱。隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略的實(shí)施，砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理將會(huì)成為關(guān)注的重點(diǎn)，因而關(guān)于砒砂巖區(qū)的侵蝕規(guī)律及其與生態(tài)退化的關(guān)系必然成為土壤侵蝕學(xué)科研究的熱點(diǎn)之一。因此，從學(xué)科發(fā)展及砒砂巖區(qū)生態(tài)治理實(shí)踐需求的角度來(lái)看，還應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的研究。

（1）砒砂巖區(qū)多動(dòng)力復(fù)合侵蝕時(shí)空分異規(guī)律。水蝕一風(fēng)蝕一凍融侵蝕是自然界水、風(fēng)、溫度綜合作用的結(jié)果，在時(shí)空分布、能量供給、物質(zhì)來(lái)源等方面相互耦合，形成了與單一的水蝕或風(fēng)蝕完全不同的侵蝕、泥沙搬運(yùn)、沉積過(guò)程。而以往對(duì)復(fù)合侵蝕的交替過(guò)程與機(jī)理研究較少，對(duì)砒砂巖復(fù)合侵蝕、產(chǎn)沙過(guò)程的驅(qū)動(dòng)機(jī)制仍不清楚，而這正是有效治理砒砂巖區(qū)侵蝕的關(guān)鍵問(wèn)題之一。因此，建議通過(guò)野外定位觀測(cè)試驗(yàn)、室內(nèi)實(shí)體模型試驗(yàn)分析及遙感解譯等多種方法，揭示水力、風(fēng)力、凍融侵蝕交替發(fā)生發(fā)展的特征、過(guò)程及變化規(guī)律，闡明復(fù)合侵蝕時(shí)空分布規(guī)律及復(fù)合侵蝕發(fā)生的動(dòng)力機(jī)制與動(dòng)力臨界值，揭示復(fù)合侵蝕過(guò)程與機(jī)理，以及粗泥沙產(chǎn)輸過(guò)程對(duì)植被覆蓋變化的響應(yīng)，為破解砒砂巖區(qū)植被退化的侵蝕動(dòng)力機(jī)制提供基礎(chǔ)支撐。

（2）復(fù)合侵蝕與植被退化的響應(yīng)關(guān)系。土壤侵蝕使植被賴(lài)以生存的土壤及養(yǎng)分流失，水分難以留存，必然致使植被退化：而植被退化又促使水文環(huán)境惡化，地表覆蓋物減少，為水蝕、風(fēng)蝕的發(fā)生提供更為有利的條件，進(jìn)而加劇土壤侵蝕，因此土壤侵蝕與植被退化有明顯的互饋?zhàn)饔茫绕湓谂皫r生態(tài)脆弱區(qū)表現(xiàn)得更為突出。為此，應(yīng)把砒砂巖區(qū)復(fù)合侵蝕與生態(tài)退化作為一個(gè)系統(tǒng)加以認(rèn)識(shí)，分析砒砂巖區(qū)植被退化時(shí)空特征及與集水區(qū)匯流的關(guān)系，分析土地利用/植被覆蓋時(shí)空變化及水沙序列演變特征，研究流域水文條件對(duì)植被演變的綜合響應(yīng)，明晰土壤侵蝕強(qiáng)度格局與植被景觀格局的空間關(guān)系，模擬反演植被影響下的水沙動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析植被格局對(duì)土壤侵蝕的反饋規(guī)律，揭示多動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下植被退化與多營(yíng)力復(fù)合侵蝕互饋機(jī)理。

（3）水巖作用下砒砂巖三元結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理。目前所建立的砒砂巖二元結(jié)構(gòu)模型沒(méi)有考慮砒砂巖孔隙結(jié)構(gòu)在遇水潰散過(guò)程中的作用，而孔隙結(jié)構(gòu)是砒砂巖結(jié)構(gòu)的重要方面，也是水分、氣體和養(yǎng)分的運(yùn)輸通道，孔隙結(jié)構(gòu)特征直接影響著水對(duì)砒砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。因此，孔隙結(jié)構(gòu)在砒砂巖遇水潰散過(guò)程中不斷發(fā)生變化，同時(shí)影響著砒砂巖結(jié)構(gòu)組成的物理變化和化學(xué)變化，是砒砂巖結(jié)構(gòu)組成的重要一元。鑒于此，建議開(kāi)展水巖作用下砒砂巖三元結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理研究.通過(guò)砒砂巖結(jié)構(gòu)特征分析，辨識(shí)砒砂巖三元結(jié)構(gòu)組成方式，模擬砒砂巖遇水破壞過(guò)程，分析水運(yùn)移對(duì)其物化性質(zhì)的影響，建立砒砂巖三元結(jié)構(gòu)模型，揭示其破壞機(jī)理。

（4）復(fù)合侵蝕觀測(cè)方法。復(fù)合侵蝕研究的難點(diǎn)之一是從總侵蝕量中分離各動(dòng)力作用的貢獻(xiàn)量。目前對(duì)水蝕與風(fēng)蝕研究的理論基礎(chǔ)大都是流體力學(xué)，然而由于風(fēng)蝕和水蝕物質(zhì)運(yùn)移的方向性與維度不同，通常作為兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程分別測(cè)量。水蝕有明顯的邊界，可以通過(guò)測(cè)量流域出口的徑流泥沙而得到，而風(fēng)蝕沒(méi)有明顯的邊界，只能通過(guò)跟蹤土壤表面的變化或分析微粒來(lái)測(cè)量風(fēng)蝕通量。目前，分析風(fēng)蝕產(chǎn)沙常用的方法有直接估算法、輸沙平衡法、粒度分析法、模型法、同位素示蹤法等，其中前三種方法是通過(guò)風(fēng)沙觀測(cè)或試驗(yàn)，依據(jù)風(fēng)力、下墊面狀況、典型取樣以及調(diào)查資料計(jì)算風(fēng)蝕量，很難反映風(fēng)蝕與水蝕之間的交互作用，而同位素示蹤法一般實(shí)用于風(fēng)積作用的定量觀測(cè)，對(duì)風(fēng)化作用尚無(wú)法定量。復(fù)合侵蝕是一個(gè)多動(dòng)力交互作用的地表剝蝕過(guò)程，有其內(nèi)在規(guī)律性，因此必須在模擬試驗(yàn)及分析方法上有所突破。建議開(kāi)展基于降雨、風(fēng)力、凍融、徑流等多動(dòng)力交替循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)方面的研究，為揭示水力、風(fēng)力、凍融等交替侵蝕過(guò)程與作用機(jī)理提供有效的研究手段，在多動(dòng)力復(fù)合侵蝕模擬研究的方法、技術(shù)上創(chuàng)新。

4 結(jié)語(yǔ)

砒砂巖區(qū)是黃河流域典型的生態(tài)極度脆弱區(qū)，是黃河粗泥沙來(lái)源的核心區(qū)。圍繞砒砂巖區(qū)水土流失治理、生態(tài)恢復(fù)，近年來(lái)對(duì)砒砂巖區(qū)水土流失規(guī)律開(kāi)展了不少研究，在砒砂巖侵蝕類(lèi)型及其分布、砒砂巖巖體結(jié)構(gòu)特征、侵蝕巖性機(jī)理等方面取得了豐碩成果。然而，對(duì)砒砂巖侵蝕規(guī)律及其發(fā)生發(fā)展機(jī)理的研究遠(yuǎn)非那么簡(jiǎn)單。砒砂巖侵蝕屬于多相侵蝕交替/耦合作用的地表剝蝕過(guò)程，時(shí)空分異性強(qiáng)，加之砒砂巖本身的巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此需要研發(fā)新的技術(shù)與方法，在侵蝕機(jī)理的認(rèn)識(shí)上取得突破。隨著我國(guó)進(jìn)入新時(shí)代對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的強(qiáng)力推進(jìn)，以及治黃實(shí)踐的發(fā)展，對(duì)砒砂巖區(qū)水土流失治理及生態(tài)恢復(fù)等實(shí)踐提出了更多的科技需求。砒砂巖區(qū)多動(dòng)力復(fù)合侵蝕交替/耦合關(guān)系、復(fù)合侵蝕與植被退化的互饋機(jī)理、多動(dòng)力復(fù)合侵蝕模擬方法與技術(shù)將成為今后研究砒砂巖侵蝕機(jī)理的主要方向，為在這些重要課題、關(guān)鍵技術(shù)等方面取得新突破，需要采用GIS、RS等現(xiàn)代信息采集分析技術(shù)及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，野外定位觀測(cè)與室內(nèi)實(shí)體模擬試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型模擬反演技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，土壤侵蝕與水土保持科學(xué)、水文泥沙科學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、巖石學(xué)等多學(xué)科交叉，當(dāng)前，應(yīng)重點(diǎn)圍繞砒砂巖復(fù)合侵蝕驅(qū)動(dòng)力作用關(guān)系、復(fù)合侵蝕與植被退化的耦合機(jī)理等開(kāi)展研究，為砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理、減少粗泥沙人黃、保障黃河流域生態(tài)安全提供理論支撐。