砾石覆盖对土壤侵蚀过程影响的研究进展

丁宇浩 黄莎琳 王君惠 杨东升

摘 要：含砾石土壤是一种重要的土壤资源，在世界上有着广泛的分布，地中海地区超过60%的土壤含有砾石，美国有15.6%的土壤资源有砾石分布，中国18%土壤资源是含砾石土壤[1-2]。在我国西南喀斯特地区的土石山区，北方土石山区褐土和西南地区紫色土中及南方红壤区山地土壤中都有大量的砾石存在[3-4]。近年来含砾石土壤研究成果集中在砾石覆盖影响土壤含水量和导水率[5-6] 、影响土壤入渗和蒸发规律[7]、影响坡面产流和产沙规律[8]等土壤水文物理性质及土壤侵蚀过程。

关键词：砾石覆盖;土壤侵蚀;细沟侵蚀

【中图分类号】 S157.1  【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）18-0282-02

1 总体概况

砾石是土壤中粒径>2mm的矿物颗粒，在土壤里分布广泛，含砾石土壤大多分布在土壤侵蚀比较严重的地区，认识含砾石土壤侵蚀过程对于这类地区水土保持技术发展有重要意义[9]。壤中砾石的存在形式分为2 种，一种是覆盖于土壤表层的砾石或部分嵌入于土壤的砾石，另一种是埋藏于土壤下层被完全包裹的砾石[10]。砾石覆盖于土壤表面，不仅影响土壤含水量和蒸发，而且还可以使土壤免受雨滴的溅蚀，防止土壤表面结皮，进而增加水分入渗;因此砾石的存在不仅会改变土壤的物质组成和结构，而且还会影响土壤容重、孔隙度、导水率及土壤入渗等土壤物理特性和水力学特性，从而进一步改变坡面产流和水土流失过程，即土壤中砾石的存在会影响整个水文循环，现有的研究主要集中在砾石覆盖与坡面产流产沙关系等方面[11-13]，而降雨强度和坡度对不同砾石存在形式土壤侵蚀的影响研究较少。

土壤中砾石的存在将对整个土壤侵蚀过程产生重要影响。现有的土壤侵蚀模型包括经验模型RUSLE、物理模型WEPP 、EUROSEM等都要求输入砾石的空间分布信息，以求准确预报土壤侵蚀的时间和空间变化规律[14]。因此，土壤中砾石的存在对土壤侵蚀的影响有着重要的理论价值和应用价值。国外对砾石在土壤侵蚀过程中影响的研究已有几十年的时间，取得了一些重要的研究成果：与国外情况相比，我国含砾石土壤分布广泛，但有关含砾石土壤的物理性质、水文过程特别是侵蚀过程的研究却很少。

2 砾石覆盖对土壤侵蚀的影响

2.1 砾石覆盖对溅蚀的影响

溅蚀是土壤侵蚀的初级阶段。溅蚀会破坏土壤结构，增加径流紊动性，增强径流的分散和搬运能力。目前国内外普遍认为，贱蚀的主要影响因素包括坡度、降雨特征、植被覆盖和土层结构，其中，降雨特性包括降雨量、降雨强度、降雨能量、雨滴直径、雨滴速度、降雨历时等诸多因子[15]但是在研究中忽视了砾石覆盖这一影响因素。

砾石对溅蚀的影响主要表现在两个方面。首先，覆盖在土表的砾石保护土壤免受雨滴打击和径流冲刷，从而降低降雨对土壤的分散作用。J.Moeyersons[16]在花岗岩碎砾坡上建立试验小区的实验表明显示在坡度为14%～63%的坡面上，25～100 mm/h降雨过程中砾石的蠕动速率为0～4 cm/h，与降雨强度和坡度呈正相关关系。

其次，表土砾石可以截留大部分溅起的细土颗粒，将其临时贮存在砾石表面，缩短溅散土粒的平均溅散距离，减少径流冲刷的泥沙来源。J.Poesen[18]等根据M.Martinez等44mm/h模拟降雨下的试验数据计算得出，石覆盖表土溅散土粒的均加权溅散距离为11.6cm，而移除覆盖砾石后，平均加权溅散距离增加至20.4cm。

2.2 砾石覆盖对细沟间侵蚀的影响

相关实驗，主要从室内模拟试验和野外小区试验两方面展开。为了了解土壤中砾石覆盖对细沟间侵蚀的影响，J.Poesen[19]等的研究结果表明：当砾石置于表土之上，或嵌入土壤，但土壤具有结构性大孔隙时，砾石表面形成的径流以及部分砾石间的霍顿流由砾石下面及其周边的大孔隙吸收，地表产流量随着砾石覆盖度的增加而减少，地表产沙量随之减少;砾石置于表土之上时的地表产沙量总是小于砾石嵌入表土时的地表产沙量;当覆盖度一定时，地表产流产沙量还受到砾石大小的影响，二者之间呈正相关关系。J.Poesen[19]等实验表明结果表明：当砾石嵌入只具有质地孔隙易结皮的表土时，砾石覆盖与地表产流产沙呈正相关关系。当大部分表土被砾石覆盖时，砾石对土壤的保护作用超过径流的侵蚀作用，砾石与产沙量的关系转化为负相关关系，-并在砾石覆盖度为80%～100%时，产沙量达到最小值[18]。

.L.Descroix等[20]在墨西哥西北部的研究结果显示，由于岩性的差异，1）在岩石为熔灰岩的牧场上，>2cm的砾石与地表径流系数，侵蚀速率都表现出较强的负相关关系，而<2cm的砾石与地表产流产沙量呈较弱的正相关关系在岩石为砾岩的牧场上，<2cm的砾石 比>2cm的砾石与地表产流产沙量呈现出更强的正相关性。3.在林地<2cm的砾石与地表 产流产沙量表现出较强的正相关关系。

上述室内外研究结果都表明，当砾石位于表土之上，或嵌入土壤，但土壤具有结构性大孔隙时，产沙量随着砾石覆盖的增加而减少，砾石覆盖度与细沟间产沙量呈负指数函数关系。砾石覆盖减少细沟间产沙的效率与砾石的大小呈明显的负相关关系。此外，有研究人员通过室内模拟降雨对不同坡度条件下砾石覆盖和细沟间侵蚀产沙量的关系进行了研究，试验结果显示：当坡度为3.5%的缓坡时，产沙量随砾石覆盖度增加呈指数衰减;但当坡度为28.7%的陡坡时，砾石覆盖度与产沙量表现出非单调关系。

2.3 砾石覆盖对细沟侵蚀的影响

随着对砾石覆盖土壤侵蚀研究的深入，一些学者开始研究砾石覆盖在坡面细沟侵蚀中的作用。与细沟间砾石的相对固定性相比，细沟内的砾石更易在径流的冲刷作用下发生移动。由J.Poesen[21]的田间试验结果可知：在中等强度降雨下，细沟内直径高达9cm的砾石也会在径流的冲刷下向下坡移动;与砾石形状和细沟最大径流量相比，砾石大小和细沟坡度对砾石移动距离的影响更为重要。D.Torri[22]等在室内模拟不同糙度细沟沟底，研究了沟底单个砾石起动的临界水力条件，指出这一临界水力条件主要取决于细沟水流泥沙含量以及 砾石在细沟径流中相对高度。A.D.Abrahams[23]等在亚利桑那州试验小流域牧草地坡面上选择7条自然形成的细沟，进行了一系列径流冲刷试验。结果表明：在砾质土牧草地坡面上，易形成宽而浅的细沟，沟底一般为砾石所覆盖，细沟流流速是流量、坡度、细沟糙度的函数，细沟糙度随砾石覆盖度的增加而增加，故细沟流流速与砾石覆盖度呈反比关系。还有研究者研究了土石混合介质中砾石对细沟水流水力特征和侵蚀的影响，结果显示砾石覆盖能分散径流动能，但在径流形态以紊流为主的情况下[24].当砾石被径流淹没后砾石含量对水力粗糙率没有显著影响.在坡度为7% 放水速率为5.77L /min条件下，不含砾石土壤的产沙量比砾石质量含量为51%的土壤产沙量高63倍，砾石覆盖减少产沙量的效率受到坡度和放水速率的影响。

4 结论：

表土砾石覆盖对土壤侵蚀过程有着重要影响，现在的研究表明：

（1）砾石覆盖保护土壤免受雨滴溅蚀，表土结皮减少，增强表土结构稳定性。

（2）表土砾石覆盖能抑制细沟的形成，增加细沟糙度，降低细沟径流速率和及其侵蚀速率。

（3）在相同砾石覆盖条件下，土壤溅蚀量随降雨强度的增大而增大，但增大的幅度逐渐减小。

（4）在相同降雨强度条件下，土壤溅蚀量与砾石覆盖度呈负相关，二者的变化符合指数函数（的关系。砾石覆盖能够有效抑制土壤溅蚀的发生。

（5）降雨强度增大时，土壤溅蚀量受砾石覆盖度影响的程度减小，土壤溅蚀量随溅蚀距离的增加先增大后减少，土粒飞溅距离与降雨强度呈正相关。

5 展望：

国外学者近些年来对砾石在土壤降雨侵蚀各个子过程中的作用都有较深入的研究，并把这些研究成果应用到土壤侵蚀预报的实际工作中。

表土礫石覆盖一方面通过减少雨滴击溅和径流冲刷面积，增强土壤的抗侵蚀性，直接作用于土壤水蚀过程，另一方面，土体中或表土

现阶段，有关砾石对细沟侵蚀影响的研究还比较缺乏，砾石对细沟水流剪切力的分散，砾石特征对细沟水流水力特性和侵蚀产沙的影响，以及砾石移动对细沟侵蚀的作用都还有待于进一步研究。

参考文献

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