礫石覆蓋對(duì)土壤侵蝕過(guò)程影響的研究進(jìn)展

丁宇浩 黃莎琳 王君惠 楊東升

摘?要：含礫石土壤是一種重要的土壤資源，在世界上有著廣泛的分布，地中海地區(qū)超過(guò)60%的土壤含有礫石，美國(guó)有15.6%的土壤資源有礫石分布，中國(guó)18%土壤資源是含礫石土壤[1-2]。在我國(guó)西南喀斯特地區(qū)的土石山區(qū)，北方土石山區(qū)褐土和西南地區(qū)紫色土中及南方紅壤區(qū)山地土壤中都有大量的礫石存在[3-4]。近年來(lái)含礫石土壤研究成果集中在礫石覆蓋影響土壤含水量和導(dǎo)水率[5-6]?、影響土壤入滲和蒸發(fā)規(guī)律[7]、影響坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙規(guī)律[8]等土壤水文物理性質(zhì)及土壤侵蝕過(guò)程。

關(guān)鍵詞：礫石覆蓋;土壤侵蝕;細(xì)溝侵蝕

【中圖分類(lèi)號(hào)】?S157.1??【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A?【文章編號(hào)】1674-3733（2020）18-0282-02

1?總體概況

礫石是土壤中粒徑>2mm的礦物顆粒，在土壤里分布廣泛，含礫石土壤大多分布在土壤侵蝕比較嚴(yán)重的地區(qū)，認(rèn)識(shí)含礫石土壤侵蝕過(guò)程對(duì)于這類(lèi)地區(qū)水土保持技術(shù)發(fā)展有重要意義[9]。壤中礫石的存在形式分為2?種，一種是覆蓋于土壤表層的礫石或部分嵌入于土壤的礫石，另一種是埋藏于土壤下層被完全包裹的礫石[10]。礫石覆蓋于土壤表面，不僅影響土壤含水量和蒸發(fā)，而且還可以使土壤免受雨滴的濺蝕，防止土壤表面結(jié)皮，進(jìn)而增加水分入滲;因此礫石的存在不僅會(huì)改變土壤的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)，而且還會(huì)影響土壤容重、孔隙度、導(dǎo)水率及土壤入滲等土壤物理特性和水力學(xué)特性，從而進(jìn)一步改變坡面產(chǎn)流和水土流失過(guò)程，即土壤中礫石的存在會(huì)影響整個(gè)水文循環(huán)，現(xiàn)有的研究主要集中在礫石覆蓋與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系等方面[11-13]，而降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)不同礫石存在形式土壤侵蝕的影響研究較少。

土壤中礫石的存在將對(duì)整個(gè)土壤侵蝕過(guò)程產(chǎn)生重要影響。現(xiàn)有的土壤侵蝕模型包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚏USLE、物理模型WEPP?、EUROSEM等都要求輸入礫石的空間分布信息，以求準(zhǔn)確預(yù)報(bào)土壤侵蝕的時(shí)間和空間變化規(guī)律[14]。因此，土壤中礫石的存在對(duì)土壤侵蝕的影響有著重要的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。國(guó)外對(duì)礫石在土壤侵蝕過(guò)程中影響的研究已有幾十年的時(shí)間，取得了一些重要的研究成果：與國(guó)外情況相比，我國(guó)含礫石土壤分布廣泛，但有關(guān)含礫石土壤的物理性質(zhì)、水文過(guò)程特別是侵蝕過(guò)程的研究卻很少。

2?礫石覆蓋對(duì)土壤侵蝕的影響

2.1?礫石覆蓋對(duì)濺蝕的影響

濺蝕是土壤侵蝕的初級(jí)階段。濺蝕會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，增加徑流紊動(dòng)性，增強(qiáng)徑流的分散和搬運(yùn)能力。目前國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為，賤蝕的主要影響因素包括坡度、降雨特征、植被覆蓋和土層結(jié)構(gòu)，其中，降雨特性包括降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨能量、雨滴直徑、雨滴速度、降雨歷時(shí)等諸多因子[15]但是在研究中忽視了礫石覆蓋這一影響因素。

礫石對(duì)濺蝕的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，覆蓋在土表的礫石保護(hù)土壤免受雨滴打擊和徑流沖刷，從而降低降雨對(duì)土壤的分散作用。J.Moeyersons[16]在花崗巖碎礫坡上建立試驗(yàn)小區(qū)的實(shí)驗(yàn)表明顯示在坡度為14%～63%的坡面上，25～100?mm/h降雨過(guò)程中礫石的蠕動(dòng)速率為0～4?cm/h，與降雨強(qiáng)度和坡度呈正相關(guān)關(guān)系。

其次，表土礫石可以截留大部分濺起的細(xì)土顆粒，將其臨時(shí)貯存在礫石表面，縮短濺散土粒的平均濺散距離，減少?gòu)搅鳑_刷的泥沙來(lái)源。J.Poesen[18]等根據(jù)M.Martinez等44mm/h模擬降雨下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，石覆蓋表土濺散土粒的均加權(quán)濺散距離為11.6cm，而移除覆蓋礫石后，平均加權(quán)濺散距離增加至20.4cm。

2.2?礫石覆蓋對(duì)細(xì)溝間侵蝕的影響

相關(guān)實(shí)驗(yàn)，主要從室內(nèi)模擬試驗(yàn)和野外小區(qū)試驗(yàn)兩方面展開(kāi)。為了了解土壤中礫石覆蓋對(duì)細(xì)溝間侵蝕的影響，J.Poesen[19]等的研究結(jié)果表明：當(dāng)?shù)[石置于表土之上，或嵌入土壤，但土壤具有結(jié)構(gòu)性大孔隙時(shí)，礫石表面形成的徑流以及部分礫石間的霍頓流由礫石下面及其周邊的大孔隙吸收，地表產(chǎn)流量隨著礫石覆蓋度的增加而減少，地表產(chǎn)沙量隨之減少;礫石置于表土之上時(shí)的地表產(chǎn)沙量總是小于礫石嵌入表土?xí)r的地表產(chǎn)沙量;當(dāng)覆蓋度一定時(shí)，地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量還受到礫石大小的影響，二者之間呈正相關(guān)關(guān)系。J.Poesen[19]等實(shí)驗(yàn)表明結(jié)果表明：當(dāng)?shù)[石嵌入只具有質(zhì)地孔隙易結(jié)皮的表土?xí)r，礫石覆蓋與地表產(chǎn)流產(chǎn)沙呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)大部分表土被礫石覆蓋時(shí)，礫石對(duì)土壤的保護(hù)作用超過(guò)徑流的侵蝕作用，礫石與產(chǎn)沙量的關(guān)系轉(zhuǎn)化為負(fù)相關(guān)關(guān)系，-并在礫石覆蓋度為80%～100%時(shí)，產(chǎn)沙量達(dá)到最小值[18]。

.L.Descroix等[20]在墨西哥西北部的研究結(jié)果顯示，由于巖性的差異，1）在巖石為熔灰?guī)r的牧場(chǎng)上，>2cm的礫石與地表徑流系數(shù)，侵蝕速率都表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而<2cm的礫石與地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量呈較弱的正相關(guān)關(guān)系在巖石為礫巖的牧場(chǎng)上，<2cm的礫石?比>2cm的礫石與地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出更強(qiáng)的正相關(guān)性。3.在林地<2cm的礫石與地表?產(chǎn)流產(chǎn)沙量表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。

上述室內(nèi)外研究結(jié)果都表明，當(dāng)?shù)[石位于表土之上，或嵌入土壤，但土壤具有結(jié)構(gòu)性大孔隙時(shí)，產(chǎn)沙量隨著礫石覆蓋的增加而減少，礫石覆蓋度與細(xì)溝間產(chǎn)沙量呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。礫石覆蓋減少細(xì)溝間產(chǎn)沙的效率與礫石的大小呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，有研究人員通過(guò)室內(nèi)模擬降雨對(duì)不同坡度條件下礫石覆蓋和細(xì)溝間侵蝕產(chǎn)沙量的關(guān)系進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)坡度為3.5%的緩坡時(shí)，產(chǎn)沙量隨礫石覆蓋度增加呈指數(shù)衰減;但當(dāng)坡度為28.7%的陡坡時(shí)，礫石覆蓋度與產(chǎn)沙量表現(xiàn)出非單調(diào)關(guān)系。

2.3?礫石覆蓋對(duì)細(xì)溝侵蝕的影響

隨著對(duì)礫石覆蓋土壤侵蝕研究的深入，一些學(xué)者開(kāi)始研究礫石覆蓋在坡面細(xì)溝侵蝕中的作用。與細(xì)溝間礫石的相對(duì)固定性相比，細(xì)溝內(nèi)的礫石更易在徑流的沖刷作用下發(fā)生移動(dòng)。由J.Poesen[21]的田間試驗(yàn)結(jié)果可知：在中等強(qiáng)度降雨下，細(xì)溝內(nèi)直徑高達(dá)9cm的礫石也會(huì)在徑流的沖刷下向下坡移動(dòng);與礫石形狀和細(xì)溝最大徑流量相比，礫石大小和細(xì)溝坡度對(duì)礫石移動(dòng)距離的影響更為重要。D.Torri[22]等在室內(nèi)模擬不同糙度細(xì)溝溝底，研究了溝底單個(gè)礫石起動(dòng)的臨界水力條件，指出這一臨界水力條件主要取決于細(xì)溝水流泥沙含量以及?礫石在細(xì)溝徑流中相對(duì)高度。A.D.Abrahams[23]等在亞利桑那州試驗(yàn)小流域牧草地坡面上選擇7條自然形成的細(xì)溝，進(jìn)行了一系列徑流沖刷試驗(yàn)。結(jié)果表明：在礫質(zhì)土牧草地坡面上，易形成寬而淺的細(xì)溝，溝底一般為礫石所覆蓋，細(xì)溝流流速是流量、坡度、細(xì)溝糙度的函數(shù)，細(xì)溝糙度隨礫石覆蓋度的增加而增加，故細(xì)溝流流速與礫石覆蓋度呈反比關(guān)系。還有研究者研究了土石混合介質(zhì)中礫石對(duì)細(xì)溝水流水力特征和侵蝕的影響，結(jié)果顯示礫石覆蓋能分散徑流動(dòng)能，但在徑流形態(tài)以紊流為主的情況下[24].當(dāng)?shù)[石被徑流淹沒(méi)后礫石含量對(duì)水力粗糙率沒(méi)有顯著影響.在坡度為7%?放水速率為5.77L?/min條件下，不含礫石土壤的產(chǎn)沙量比礫石質(zhì)量含量為51%的土壤產(chǎn)沙量高63倍，礫石覆蓋減少產(chǎn)沙量的效率受到坡度和放水速率的影響。

4?結(jié)論：

表土礫石覆蓋對(duì)土壤侵蝕過(guò)程有著重要影響，現(xiàn)在的研究表明：

（1）礫石覆蓋保護(hù)土壤免受雨滴濺蝕，表土結(jié)皮減少，增強(qiáng)表土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（2）表土礫石覆蓋能抑制細(xì)溝的形成，增加細(xì)溝糙度，降低細(xì)溝徑流速率和及其侵蝕速率。

（3）在相同礫石覆蓋條件下，土壤濺蝕量隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，但增大的幅度逐漸減小。

（4）在相同降雨強(qiáng)度條件下，土壤濺蝕量與礫石覆蓋度呈負(fù)相關(guān)，二者的變化符合指數(shù)函數(shù)（的關(guān)系。礫石覆蓋能夠有效抑制土壤濺蝕的發(fā)生。

（5）降雨強(qiáng)度增大時(shí)，土壤濺蝕量受礫石覆蓋度影響的程度減小，土壤濺蝕量隨濺蝕距離的增加先增大后減少，土粒飛濺距離與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)。

5?展望：

國(guó)外學(xué)者近些年來(lái)對(duì)礫石在土壤降雨侵蝕各個(gè)子過(guò)程中的作用都有較深入的研究，并把這些研究成果應(yīng)用到土壤侵蝕預(yù)報(bào)的實(shí)際工作中。

表土礫石覆蓋一方面通過(guò)減少雨滴擊濺和徑流沖刷面積，增強(qiáng)土壤的抗侵蝕性，直接作用于土壤水蝕過(guò)程，另一方面，土體中或表土

現(xiàn)階段，有關(guān)礫石對(duì)細(xì)溝侵蝕影響的研究還比較缺乏，礫石對(duì)細(xì)溝水流剪切力的分散，礫石特征對(duì)細(xì)溝水流水力特性和侵蝕產(chǎn)沙的影響，以及礫石移動(dòng)對(duì)細(xì)溝侵蝕的作用都還有待于進(jìn)一步研究。

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