高 楊，符素華，羅來軍，王 楠，朱 旭

(1.地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京100875;2.北京市第五中學(xué)，北京100007)

礫石是指粒徑≥2 mm的礦物顆粒[1]。土壤中的礫石分為兩種，一種是土壤表層的礫石或是部分嵌入在土壤中的礫石，另一種是埋在土壤下層中完全被土壤包裹的礫石;這兩種礫石對(duì)侵蝕過程的影響不完全一致[2]。礫石裸露于地表或是部分嵌入在土壤中，主要影響降雨截留、礫石流、下滲、地表徑流以及蒸散發(fā);礫石在土壤下層完全被土壤包圍對(duì)侵蝕過程的影響主要包括滲流、下滲以及徑流的產(chǎn)生。

現(xiàn)有的土壤侵蝕過程模型如 WEPP，EUROSEM等都要求入滲參數(shù)的空間分布信息，以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、模擬徑流和土壤侵蝕的變化規(guī)律，而土壤中礫石的含量在一定程度上影響著土壤入滲速率。Simanton等[4]在水蝕預(yù)報(bào)研究中指出，礫石對(duì)侵蝕有重要的影響，侵蝕預(yù)報(bào)模型需要用戶輸入覆蓋和土壤剖面描述，如果能建立起來一種關(guān)系來表達(dá)土壤坡面礫石含量同礫石覆蓋度的關(guān)系，那么用戶的直接輸入將會(huì)變少。

國(guó)外針對(duì)礫石覆蓋度和土壤中礫石含量對(duì)水文和土壤侵蝕的影響進(jìn)行了眾多的研究，主要集中在以下兩個(gè)方面:(1)研究礫石覆蓋同地形因子的關(guān)系，試圖建立礫石覆蓋度同坡度的定量關(guān)系[5-10];(2)單獨(dú)研究礫石覆蓋或礫石含量對(duì)各種侵蝕過程的影響，例如:入滲、蒸散發(fā)、徑流和侵蝕量等[11-15]。很少有人去關(guān)注礫石覆蓋度同礫石重量百分含量的關(guān)系。北京山區(qū)的土壤中含有大量的礫石，這些礫石的存在可能對(duì)北京山區(qū)的侵蝕和水文過程產(chǎn)生影響。本文就北京山區(qū)的礫石覆蓋度和土壤中礫石含量展開研究，建立礫石覆蓋度和礫石重量百分比的關(guān)系。目的在于減少侵蝕模型中用戶的輸入，提高預(yù)報(bào)的精度，為土石山區(qū)水土流失治理提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 采樣方案

本研究選擇了北京密云山區(qū)的3塊農(nóng)用地。其中高嶺農(nóng)用地A和高嶺農(nóng)用地B為梯田，高嶺農(nóng)用地A的土地利用方式以花生地為主，高嶺農(nóng)用地B的土地利用方式以栗子樹和花生混合種植為主;北莊朱家灣農(nóng)用地C為自然坡面，土地利用方式以零散的栗子樹為主。

考慮農(nóng)用地的地形以及坡面的高差，在梯田的等高耕作層或坡面的不同坡位處等間隔的設(shè)計(jì)采樣區(qū)域。如圖1所示從坡頂?shù)狡碌自O(shè)置5個(gè)采樣區(qū)域，并在每個(gè)采樣區(qū)域附近處重復(fù)3個(gè)采樣。這樣一塊農(nóng)用地總共設(shè)置15個(gè)采樣點(diǎn)，3塊農(nóng)用地共有45個(gè)采樣點(diǎn)。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖

1.2 土樣采集及礫石覆蓋度測(cè)量

按照室內(nèi)設(shè)計(jì)的采樣點(diǎn)布設(shè)方案，在農(nóng)用地不同坡位處設(shè)置采樣點(diǎn)。將定制的高1 cm、直徑為40 cm的圓形鐵皮框小心放到采樣點(diǎn)上。借助于打孔直尺，并按預(yù)先約定的規(guī)則在8個(gè)方向上讀取出現(xiàn)礫石的小孔數(shù)量，每個(gè)采樣點(diǎn)都有4人獨(dú)立的在8個(gè)方向上讀取數(shù)據(jù)，最后取4人讀數(shù)的平均值計(jì)算采樣點(diǎn)的礫石覆蓋度(如圖2所示)。然后借助于小鐵錘和敲打支架將高為5 cm、直徑為40 cm的圓形鐵皮框小心的敲打進(jìn)剛剛讀數(shù)的采樣區(qū)域內(nèi)。最后用小鐵鏟、直尺、水平鏟小心的分層的采取 0-2，2-5，5-10，10-15，15-20 cm深度圓形區(qū)域內(nèi)的土樣。

共在高嶺農(nóng)用地A上采集14個(gè)采樣點(diǎn)的礫石覆蓋度 ，5層采樣(0-2，2-5，5-10，10-15，15-20 cm)共70個(gè)土樣來獲取礫石重量百分含量。在高嶺農(nóng)用地B和北莊農(nóng)用地C分別采集了15個(gè)采樣點(diǎn)的礫石覆蓋度，3層(0-2，2-5，5-10 cm)共 90個(gè)土樣。

圖2 覆蓋度測(cè)量示意圖

1.3 室內(nèi)樣品分析

將野外采集的土樣，放入土壤室中自然風(fēng)干。每個(gè)采樣點(diǎn)的土樣經(jīng)風(fēng)干后均勻混合，并用鋁盒取3個(gè)土樣，通過烘干前和烘干后的重量變化計(jì)算風(fēng)干土的含水量。用天平對(duì)采樣點(diǎn)的風(fēng)干土稱重，通過計(jì)算的含水量數(shù)據(jù)得到烘干土的總重量M。隨后用定制的直徑為 40 cm，粒徑分別為 2，6，20，60 mm[16]的大土樣篩，對(duì)風(fēng)干土樣過篩。按照篩子孔徑從小到大依次放置，收集2～6，6～20，20～60，＞60 mm 四種不同粒徑下的礫石。礫石在過篩過程中，以手和工具是否能將篩中的礫石弄碎作為標(biāo)準(zhǔn)，來看是否為真正的礫石[16]。最后將收集到的礫石在清水下反復(fù)沖洗干凈，放入烘箱中烘干過篩并再次稱重。那么2～6 mm下的礫石重量即為M1，6～20 mm粒徑下的礫石重量即為 M2，20～60 mm粒徑下的礫石重量即為M3，＞60 mm粒徑下的礫石重量即為M4。

礫石覆蓋度的計(jì)算方法:

式中:A1，A2，A3，A4——不同觀測(cè)者讀取的出現(xiàn)礫石的小孔個(gè)數(shù);B——打孔直尺小孔總個(gè)數(shù)。

礫石重量百分含量的計(jì)算:

式中:Ci——不同粒徑下的礫石百分含量;C1——2～6 mm下的礫石重量百分含量;C2——6～20 mm下的礫石重量百分含量;C3——20～60 mm下的礫石重量百分含量;C4——＞60 mm下的礫石重量百分含量，Mi——不同粒徑下的礫石重量;M1——2 ～ 6 mm下的礫石重量——6～20 mm下的礫石重量;——20～ 60 mm 下的礫石重量;—— ＞60 mm下的礫石重量。

2 結(jié)果分析

2.1 礫石覆蓋度和礫石百分含量關(guān)系隨深度的變化

在高嶺農(nóng)用地A的基礎(chǔ)上，基于室外數(shù)據(jù)采集和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理，用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件的線性回歸分析功能統(tǒng)計(jì)不同粒徑、不同采樣深度下，礫石重量百分含量和礫石覆蓋度的線性相關(guān)系數(shù)和雙尾檢驗(yàn)的P值見表1。需要說明的是采集的樣本中幾乎不存在大于60 mm的礫石。

表1 不同深度礫石含量和礫石覆蓋度的關(guān)系統(tǒng)計(jì)

從表1結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，礫石重量百分含量和礫石覆蓋度之間具有一定的相關(guān)性，但是這種關(guān)系的強(qiáng)弱隨著不同的粒徑組合和采樣的土壤深度的改變而改變。當(dāng)采樣深度確定時(shí)，組合粒徑下(2～20，2～60，6～60 mm)的礫石重量百分含量和礫石覆蓋度的線性關(guān)系較單一粒徑下(2～6，6～20，20～60 mm)的線性關(guān)系好。

為了進(jìn)一步分析和揭示深度對(duì)礫石覆蓋度和礫石百分含量關(guān)系的影響，基于農(nóng)用地A的14個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制了9種粒徑組合下，礫石覆蓋度和礫石重量百分含量的相關(guān)系數(shù)隨采樣深度的變化圖(圖3)。

圖3 礫石覆蓋度和百分含量的相關(guān)系數(shù)與采樣深度的關(guān)系

從圖3中可以看出，每種粒徑組合下線性相關(guān)系數(shù)隨采樣深度的增加而減小，相關(guān)系數(shù)和采樣深度存在負(fù)相關(guān)。也就是說表層礫石百分含量和礫石覆蓋度的線性相關(guān)關(guān)系較底層的好。這可以解釋為當(dāng)?shù)乇碛捎诟鞅粩_動(dòng)后，地表植被較少，伴隨降雨侵蝕的作用下，表層0-2 cm的礫石慢慢的裸露于地表。地表的礫石覆蓋正是表層礫石裸露后形成的，所以礫石覆蓋度和礫石百分含量的關(guān)系在表層最好，隨著采樣深度的增加，相關(guān)系數(shù)也在降低。

2.2 礫石覆蓋和礫石重量百分含量的關(guān)系

由于所采集的樣本數(shù)據(jù)包含兩種不同土地利用方式。高嶺農(nóng)用地A和高嶺農(nóng)用地B為梯田，北莊農(nóng)用地C為自然坡面。為了比較兩種土地利用方式對(duì)礫石覆蓋和礫石重量百分含量關(guān)系有無顯著性影響，對(duì)北莊自然坡面上0-2 cm的表層測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)分組進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn)，分組數(shù)據(jù)如表2所示。

配對(duì)T檢驗(yàn)的結(jié)果表明:P=0.009，按顯著性水平α=0.05，P＜α，所以可認(rèn)為同一礫石覆蓋度下兩種土地利用方式的礫石重量百分含量有顯著性差異(表3)。

基于以上分析，在建立礫石覆蓋度和礫石重量百分含量的線性關(guān)系時(shí)分成為兩種情況，一種為梯田狀態(tài)下的礫石覆蓋度和礫石重量百分含量的關(guān)系，一種為自然坡面狀態(tài)下的礫石覆蓋和礫石百分含量的關(guān)系。同時(shí)礫石覆蓋度和礫石重量百分含量線性關(guān)系隨深度變化的分析結(jié)果表明，表層(0-2 cm)和第二層(2-5 cm)的礫石重量百分含量同覆蓋度的相關(guān)性較好，表層關(guān)系更佳。所以下面分析全部基于表層采樣數(shù)據(jù)，并建立礫石覆蓋度同礫石重量百分含量的線性關(guān)系。

表2 兩種土地利用方式下的數(shù)據(jù)分組

表3 配對(duì) t檢驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 梯田狀態(tài)下的礫石覆蓋度和礫石重量百分含量關(guān)系 圖4表明礫石覆蓋度與不同粒徑下礫石重量百分含量都存在一定的相關(guān)性，但相關(guān)性強(qiáng)弱不同。礫石覆蓋度與2～6 mm粒徑下礫石重量百分含量的相關(guān)性最弱(線性相關(guān)系數(shù)R=0.4254，雙尾檢驗(yàn)P=0.0214);礫石覆蓋度與6～20 mm粒徑下礫石重量百分含量也有一定的相關(guān)性(R=0.4626，雙尾檢驗(yàn)P=0.0115);礫石覆蓋度與20-60 mm粒徑下礫石重量百分含量有較好的相關(guān)性(線性相關(guān)系數(shù)R=0.5664，雙尾檢驗(yàn)P=0.0115);礫石覆蓋度與＞2 mm的礫石重量百分含量正相關(guān)最好(線性相關(guān)系數(shù)R=0.6214，雙尾檢驗(yàn) P=3.2152E-05)，線性關(guān)系為:

式中:x——＞2 mm 的礫石重量百分含量;y——礫石覆蓋度。

圖4 梯田狀態(tài)下礫石覆蓋度和礫石百分含量的關(guān)系

圖5 自然坡面狀態(tài)下礫石覆蓋度和礫石百分含量的關(guān)系

2.2.2 自然坡面狀態(tài)下的礫石覆蓋度和礫石重量百分含量的關(guān)系 圖5表明礫石覆蓋度與不同粒徑下礫石重量百分含量的相關(guān)性存在差異。礫石覆蓋與2～6 mm粒徑下礫石重量百分含量相關(guān)性很弱(線性相關(guān)系數(shù)R=0.3335，雙尾檢驗(yàn) P=0.2244);礫石覆蓋度與6～20 mm粒徑下礫石重量百分含量有一定的相關(guān)性(線性相關(guān)系數(shù)R=0.5382，雙尾檢驗(yàn)P=0.0385);礫石覆蓋度與20～60 mm粒徑下礫石重量百分含量也呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性(線性相關(guān)系數(shù)R=0.5349，雙尾檢驗(yàn) P=0.0399);礫石覆蓋度與＞2 mm的礫石重量百分含量正相關(guān)最好(線性相關(guān)系數(shù)R=0.6400，雙尾檢驗(yàn) P=0.0102)，線性關(guān)系為:

式中:x——＞2 mm的礫石重量百分含量;y——礫石覆蓋度。

3 結(jié)論

基于北京山區(qū)不同耕作方式下的3塊農(nóng)用地礫石覆蓋度和分層(0-2，2-5，5-10 ，10-15，15-20 cm)礫石重量百分含量數(shù)據(jù)，對(duì)礫石覆蓋和礫石含量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論:(1)礫石覆蓋度和含量之間的相關(guān)系數(shù)隨采樣深度的增加而減小，表層礫石百分含量和礫石覆蓋的相關(guān)性較底層好;(2)梯田和坡地兩種不同土地利用方式下，礫石覆蓋度同表層礫石重量百分含量都存在一定的相關(guān)性，礫石覆蓋同大粒徑(6～20，20～60 mm)礫石百分含量的相關(guān)系數(shù)較小粒徑(2～6 mm)好。對(duì)所有粒徑(2～60 mm)的礫石來說，礫石覆蓋度同礫石重量百分含量顯著正相關(guān)。

[1] Miller F T，Guthrie R L.Classification and distribution of soils containing rock fragments in the United States[J].Soil Sci.Soc.Am.Spec.Pub1，1984，13:1-6.

[2] Poesen J，Lavee H.Rock fragments in top soils:significance and processes[J].Catena，1994，23(1/2):1-28.

[3] 符素華.土壤中礫石存在對(duì)入滲影響研究進(jìn)展[J].水土保持學(xué)報(bào)，2005，19(1):171-175.

[4] Simanton J R，Renard K G，Christiansen C M，et al.Spatial distribution of surface rock fragments along catenas in Semiarid Arizona and Nevada，USA[J].Catena，1994，23(1/2):29-42.

[5] Poesen J W，Van Wesemael B，Bunte K，et al.Variation of rock fragment cover and size along semiarid hillslopes:a case-study from southeast Spain[J].Geomorphology ，1998 ，23(2/4):323-335.

[6] 朱元駿，邵明安.黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶小流域坡面表土礫石空間分布[J].中國(guó)科學(xué):D輯地球科學(xué)，2008，38(3):375-383.

[7] Yair A，Klein M.The influence of surface properties on flow and erosion processes on debris covered slopes in an arid area[J].Catena，1973 ，1:1-18.

[8] M artinez M，Lane L J，F(xiàn)ogel M M.Experimentalinvestigation of soil detachment by raindrop impacts[M]∥Proceedings of the Rainfall Simulator Workshop.Tucson，A Z，USDAARM-W-10，1979:153-155.

[9] Simanton J R，Renard K G，Christiansen C M，et al.Spatial distribution of surface rock fragments along catenas in Semiarid Arizona and Nevada，USA[J].Catena，1994，23(1/2):29-42.

[10] Simanton J R，Toy T J.The relation between surface rock-fragment cover and semiarid hillslope profile morphology[J].Catena，1994，23(3/4):213-225.

[11] Poesen J，Van Wesemael B，Govers G，et al.Patterns of rock fragment cover generated by tillage erosion[J].Geomorphology，1997 ，18(3/4):183-197.

[12] Cerda A.Effects of rock fragment cover on soil infiltration，interrill runoff and erosion[J].European Journal of Soil Science，2001 ，52(1):59-68.

[13] Katra I，Lavee H ，Sarah P.The effect of rock fragment size and position on topsoil moisture on arid and semi-arid hillslopes[J].Catena，2008，72:49-55.

[14] Tomas D F，Poesen J.Effects of surface rock fragment characteristics on interrill runoff and erosion of a silty loam soil[J].Soil&Tillage Research ，1998 ，46:81-95.

[15] Nyssen J，Haile M，Poesen J，et al.Removal of rock fragments and its effect on soil loss and crop yield[J].Soil Use and Management，2001，17(3):179-187.

[16] Hodgson J M.Soil sampling and soil description[M].Oxford:Oxford University Press，1978.

[17] Nyssen J，Poesen J，M oeyersons J，et al.patial distribution of rock fragments in cultivated soils in Northern Ethiopia as affected by lateral and vertical displacement processes[J].Geomorphology ，2002，43(1/2):1-16.