拉萨河流域不同植被类型坡面砾石形态与分布特征

2023-01-09章志鑫陈同德王颢霖焦菊英李建军张子琦陈玉兰

水土保持研究 2023年1期

章志鑫, 陈同德, 王颢霖, 焦菊英,, 李建军,张子琦, 陈玉兰, 林红, 徐倩

(1.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌 712100; 2.中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)

砾石是指土壤中直径大于2 mm的矿物颗粒，其广泛存在于多种类型的土壤中，含砾石的土壤在世界范围内有广泛分布，并且砾石含量各有不同[1]，比如在地中海地区土壤砾石含量高达60%[2]，在北京山区荒草地粗骨褐土壤中砾石含量高达22%[3]，三峡库区典型山地紫色土中砾石含量达到40%[4]，南方丘陵区红壤中的砾石含量高达24%～43%[5]，在黄土高原水蚀风蚀交错带表层土壤中砾石含量在3%～50%的范围内[6-8]。砾石对土壤侵蚀的影响表现在两个方面，一是保护表层土壤免受雨滴溅蚀减弱径流冲刷，直接影响土壤侵蚀；二是由于影响土壤物理性质(如容重、孔隙度与紧实度)和水文过程(如降雨分配、入渗、地表径流以及水动力特性等)，间接地影响着土壤侵蚀过程[9-15]。同时，坡面砾石分布特征也反映着以往土壤侵蚀情况[14]。因此，研究坡面砾石的分布对土壤侵蚀、水文过程的影响有着十分重要的意义，认识和掌握坡面砾石的分布特征，是土壤侵蚀、水文过程等相关研究的基础。

目前，有不少学者对砾石的分布特征进行了研究，发现砾石的分布特征与坡度、坡位等因素有关。在美国亚利桑那半干旱草地的研究发现，砾石含量与坡度存在一种对数关系，砾石覆盖度随着坡度呈现对数式增加[16-17]。在地中海地区研究发现，不同粒径的砾石覆盖度受坡度的影响存在差异：对于粒径>5 mm的砾石而言，砾石覆盖度和粒径随坡度的增加，分别表现出凸型的曲线增加和线性增加[18]；粒径5～20 mm的砾石含量由坡顶到坡底呈现增加趋势，而粒径>250 mm的砾石含量呈现减小趋势[19]。在黄土高原水蚀风蚀交错带，砾石集中分布在山顶、山脊、路边、山谷边缘等部位，海拔、植被盖度及坡度与砾石空间分布关联性较强[20]；砾石粒径沿坡面(坡顶→坡底)有总体降低的趋势，砾石粒径随坡度增加而降低且砾石覆盖度较大区域出现在坡面中部[8]。在我国西南半湿润岩溶山区，坡形在一定程度上主导砾石分布特征与坡度之间的关系，砾石含量从坡上到坡下逐渐减少[21]。在三峡库区紫色土的较陡坡面上，砾石含量和平均粒径从坡顶至坡脚逐渐增加，而在缓坡坡面上，含量从坡顶至坡脚逐渐减少[22]。在太行山南麓，整个坡面上小砾石(5～20 mm)、中砾石(20～75 mm)、大砾石(>75 mm)和总砾石含量均呈现从坡顶到坡脚逐渐减小的趋势[10]。综合以上研究，砾石的分布特征在不同区域表现不同，而在青藏高原地区的相关研究目前鲜见报道。

青藏高原被称为“亚洲水塔”，是我国及周边区域生态安全的重要保障[23]。全球变暖过程中，土壤退化、冰川融化、洪水和土壤侵蚀等现象不断加剧[24-26]。青藏高原被认为是板块构造隆升的产物，经过长期的气候变化，如第四纪气候变化，冰期与间冰期的交替，导致该区域形成了巨厚岩石层。该区域山体高耸，坡面陡峭，存在大量长坡面，加之温度上升之后的积雪、冰川融化，以及集中6—10月的降雨均为水蚀的发生提供了良好的客观条件，不同的地表条件，水蚀过程会呈现差异化。在复杂的内营力和外营力(风力、冻融、水力)作用下，岩石被破坏、搬运和沉积，使得砾石广泛分布在地表及土壤中[27-29]。因此，研究地表砾石的形态与分布特征，有利于掌握水文及土壤侵蚀过程和砾石分布的相互关系，为研究青藏高原土壤侵蚀过程的研究提供科学依据。为此，本研究利用数码图像处理技术，在拉萨河流域选取典型坡面样点进行砾石分布调查，分析不同坡面位置的砾石形态与分布特征，以期从地表砾石分布的视角为该区域后续土壤侵蚀研究提供参考依据。

1 研究区概况

本试验研究区位于青藏高原拉萨河流域(29°20′—31°15′N，90°05′—93°20′E)，该流域海拔3 550～7 162 m，面积约33 221 km2。年平均降水量为340～700 mm，年内降水分配极不均匀，主要集中在每年的6—10月，占全年降水量的90%左右，该流域属于高原温带—寒温带半干旱季风气候，年平均气温为-1.5～7.8℃。流域年土壤侵蚀量为10 006.2万t/a，平均土壤侵蚀模数为3 076.6 t/(km2·a)[30]。该流域土壤类型主要为灌丛草原土，还有荒漠土、高山草甸土、寒漠土等，土壤中均含有较多的石砾，且透水性较好。植被类型以山地稀疏森林、山地灌丛草原、寒冷半湿润高山草甸以及灌丛为主[31]。该区域生态环境脆弱，受到自然因素和人为因素的双重作用，致使流域内土壤侵蚀严重和自然灾害频频发生，尤其在人类活动越频繁的地区土壤侵蚀程度越为严重，趋势愈为明显[32]。

2 研究方法

2.1 样点布设与采样方法

野外考察过程中，考虑到安全性和可达性，选取9个不同的典型坡面，主要分布在堆龙德庆、墨竹工卡、林周、当雄县(区)范围内(图1)。为进一步描述坡面不同位置砾石的形态与分布特征的差异，在各典型坡面的山坡和其下堆积坡分别布设2～3个2 m×2 m的样方，又把2 m×2 m样方分为4个1 m×1 m的小样方。考察过程中，记录样方内植被覆盖度、植被类型以及坡度，然后采用数码相机对小样方进行拍照采样，为避免照片发生畸形改变以获取清晰的砾石形态，本研究使用标准镜头和小光圈进行拍摄。在拍摄过程中，对应放置清晰可见的毫米刻度标尺，其次根据地表砾石大小不同，保持相机距地面1～1.5 m的高度垂直拍摄，以保证数码图像涵盖足够的区域大小和砾石，确保获取样点的数码图像在一定误差范围内。最后获取样点的数码图像，以1 m×1 m的小样方为依据，截取面积为1 m×1 m的图像作为处理所用图像。根据9个典型坡面的山坡和其下堆积坡的植被类型，将其按山坡—堆积坡分为草—草坡面(A)、灌草—草坡面(B)和灌草—灌草坡面(C)3类。9个典型坡面的基本情况见表1。

图1 拉萨河流域及调查样点分布

表1 调查坡面的基本情况

2.2 数据获取方法

野外所获得的数码图像，利用开源软件ImageJ进行处理。ImageJ可以自动计算得到砾石的直径、面积、圆度和形状比率[8,34]。样方内每个砾石形状不规则，难以完全包括每个砾石的整体形态，因此在计算砾石覆盖度时，将位于样方边缘的砾石进行裁切，样方内的部分计入砾石覆盖度；同样，样方内砾石会存在相互重叠，因此重叠的砾石也不计入砾石覆盖度统计。本研究选取的砾石颗粒测量参数和计算方法见表2，对所获得的216张有效数码图像进行处理，共获取27 396颗砾石的形态参数。

表2 砾石颗粒形态参数

3 结果与分析

3.1 粒度组成

对于A类坡面，A1，A2和A3山坡砾石平均粒径均大于堆积坡；且3个坡面的山坡和堆积坡砾石的平均粒径大小排序均为A1>A2>A3(表3)。A1山坡砾石平均粒径为(51.36±2.54) mm，优势粒级为中砾和粗砾，数量占比为51.67%，堆积坡砾石平均粒径为(28.73±1.69) mm，优势粒级为细砾和中砾，数量占比为46.63%；A2山坡和堆积坡砾石平均粒径分别为(37.26±3.90) mm和(27.91±7.11) mm，优势粒级均为中砾和粗砾，数量占比分别为69.15%和81.97%；A3山坡和堆积坡砾石平均粒径分别为(9.42±0.26) mm和(8.24±0.15) mm，优势粒级均为细砾和中砾，数量占比分别为73.06%和86.71%。

对于B类坡面，B1，B2和B3山坡和堆积坡之间砾石的平均粒径无显著性差异；且山坡之间和堆积坡之间砾石平均粒径均无显著性差异(表3)。B1山坡和堆积砾石平均粒径分别为(17.23±2.04) mm和(15.20±0.71) mm，优势粒级均为细砾和中砾，数量占比分别为68.63%和66.86%；B2山坡和堆积坡砾石平均粒径分别为(17.03±0.43) mm和(19.87±0.26) mm，优势粒级均为细砾和中砾，数量占比分别为71.45%和68.62%；B3山坡和堆积坡砾石平均粒径分别为(15.32±0.35) mm和(19.27±0.22) mm，优势粒级均为细砾和中砾，数量占比分别为57.67%和59.76%。

对于C类坡面，C1，C2和C3山坡砾石平均粒径均小于堆积坡；且3个坡面的山坡和堆积坡砾石平均粒径大小排序为C1>C2>C3(表3)。C1山坡和堆积坡砾石平均粒径分别为(26.90±1.79) mm和(43.99±8.75) mm，优势粒级均为中砾和粗砾，数量占比分别为72.11%和75.86%；C2山坡砾石平均粒径为(7.89±0.27) mm，优势粒级为细砾和中砾，数量占比为74.64%，堆积坡砾石平均粒径(23.96±0.89) mm，优势粒级为粗砾和极粗砾，数量占比71.20%；C3山坡和堆积坡砾石平均粒径分别为(4.08±0.04) mm和(5.45±0.05) mm，优势粒级均为极细砾和细砾，数量占比分别为95.12%和87.13%。

3.2 砾石形态特征

A类坡面，A2和A3山坡和堆积坡之间砾石圆度和形状比率无显著性差异(p>0.05)，A1山坡砾石圆度显著小于堆积坡，山坡砾石形状比率显著大于堆积坡(p<0.01)；A1，A2和A3山坡之间、堆积坡之间砾石圆度和形状比率均无显著性差异(p>0.05)。山坡和堆积坡砾石圆度分别介于0.65～0.71，0.69～0.71，形状比率分别介于1.56～1.67，1.56～1.58(图2)。

B类坡面，B1，B2和B3山坡和堆积坡之间砾石圆度和形状比率无显著性差异(p>0.05)；B1，B2和B3山坡之间、堆积坡之间砾石圆度和形状比率也均无显著性差异(p>0.05)。山坡和堆积坡砾石平均圆度分别介于0.68～0.71，0.68～0.72，形状比率分别介于1.53～1.62，1.63～1.66。

C类坡面，C2和C3山坡和堆积坡之间砾石圆度和形状比率无显著性差异(p>0.05)，C1山坡砾石圆度显著小于堆积坡，形状比率表现为山坡显著大于堆积坡(p<0.01)；C1，C2和C3山坡之间、堆积坡之间砾石圆度和形状比率无显著性差异(p>0.05)。山坡和堆积坡砾石平均圆度分别介于0.66～0.68，0.65～0.72，形状比率分别介于1.63～1.66，1.53～1.64。

表3 各坡面砾石平均粒径及不同粒级砾石数量占比

注：字母a，b表示同一坡面山坡和堆积坡砾石圆度和形状比率是否存在显著性差异(独立样本t检验，p<0.01)。

3.3 砾石覆盖度

A类坡面砾石覆盖度介于0.27%～14.63%，A1，A2和A3山坡砾石覆盖度均大于堆积坡；且3个坡面的山坡和堆积坡砾石覆盖度大小排序均为A1>A2>A3(表4)。A1山坡和堆积坡砾石覆盖度分别为14.63%和5.72%，其中>32 mm的砾石覆盖度分别占总覆盖度的96.92%和94.76%；A2山坡和堆积坡砾石覆盖度分别为2.67%和2.78%，其中>32 mm砾石的覆盖度分别占总覆盖度的88.39%和95.09%；A3山坡和堆积坡砾石覆盖度分别为0.27%和2.68%，其中≤32 mm的砾石覆盖度分别占总覆盖度的100%和70.15%。

B类坡面砾石覆盖度介于23.55%～24.22%，B1，B2和B3坡面的山坡和堆积坡之间砾石覆盖度相差不大；且山坡之间、堆积坡之间砾石覆盖度也相差不大(表4)。B1山坡和堆积坡砾石覆盖度分别为24.14%和23.70%，其中>32 mm的砾石覆盖度分别占总覆盖度的91.55%和80.08%；B2山坡和堆积坡砾石覆盖度分别为24.08%和23.55%，其中>32 mm的砾石覆盖度分别占总覆盖度的83.34%和68.41%；B3山坡和堆积坡砾石覆盖度分别为24.22%和23.87%，其中>32 mm的砾石覆盖度分别占总覆盖度的77.58%和75.53%。

C类坡面砾石覆盖度介于0.72%～25.82%，C1，C2和C3山坡砾石覆盖度均小于堆积坡；且3个坡面的山坡和堆积坡砾石覆盖度大小排序均为C1>C2>C3(表4)。C1山坡和堆积坡砾石覆盖度分别为19.00%和25.82%，其中>32 mm的砾石覆盖度分别占总覆盖度的90.79%和96.74%；C2山坡和堆积坡砾石覆盖度分别为1.00%和6.16%，其中≤32 mm的砾石覆盖度分别占总覆盖度的79.00%和63.90%；C3山坡和堆积坡砾石覆盖度分别为0.72%和2.04%，其中≤32 mm的砾石覆盖度分别占总覆盖度的100%和97.55%。

表4 各坡面砾石总覆盖度及不同粒级砾石覆盖度

4 讨论

同一坡面山坡和堆积坡的砾石粒径以及覆盖度差异的主要原因是山坡和堆积坡坡度之间的差异。坡度越缓，砾石的分布越为稳定，砾石不易受到外营力作用(重力和径流)的影响[9,22]。如A类坡面，其山坡坡度小于堆积坡，山坡的砾石平均粒径以及覆盖度均大于堆积坡；B类坡面，山坡和堆积坡坡度接近，两者的砾石平均粒径以及覆盖度差异不大；C类坡面，其山坡坡度大于堆积坡，山坡的砾石平均粒径以及覆盖度均小于堆积坡。但同一类坡面之间的砾石粒度组成及覆盖度大小因受到植被、气候、海拔、岩性等因素的影响也存在差异。

本研究发现植被的类型及分布特征对砾石粒度组成以及覆盖度的影响较大，因植被在消减径流动能的同时，还具有拦截作用[20]。在A类坡面中，虽然均为草—草坡面，但A1植被多为大籽蒿(Artemisiasieversiana)等(植株高30～60 cm)，且生长密集(盖度40%～50%)，对砾石的拦截作用最强；A2植被多为甘肃马先蒿(Pediculariskansuensis)等(植株高20～30 cm)，且生长较密集(盖度30%～40%)，对砾石的拦截作用较强；A3植被多为水葱(Schoenoplectustabernaemontani)、鼠曲草(Gnaphaliumaffine)等(植株高5～8 cm)，且生长稀疏(盖度20%～30%)，对砾石的拦截作用最弱(图3)；因此砾石平均粒径以及覆盖度大小均表现为A1>A2>A3。在C类坡面中，虽然均为灌草—灌草坡面，但C1植被多为砂生小檗(Berberissabulicola)、扁刺峨眉蔷薇(Rosaomeiensispteracantha)等(植株高100 cm以上)，为聚集性生长，对砾石的拦截作用最强；C2植被多为高山柏(Juniperussquamata)等(植株高50～100 cm)，对砾石的拦截作用次之；C3植被多为小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)等(植株高30～50 cm)，呈分散性生长，对砾石的拦截作用最弱(图4)；因此砾石平均粒径以及覆盖度大小均表现为C1>C2>C3。而在B类坡面中，B1，B2和B3山坡植被均以砂生小檗、小叶锦鸡儿、水葱、笔直黄耆(Astragalusstrictus)等为主，堆积坡植被均以水葱、笔直黄耆等为主，因此砾石粒度组成以及覆盖度差异不大。

海拔和气候对砾石粒度组成的影响均表现为对温差的影响。如在A类坡面中，A3在念青唐古拉高山盆地区，海拔最高，温差最大，气候寒冷干燥，基岩受到冰川的磨蚀作用和寒冻风化作用强烈，更易形成大量小粒径的岩屑[37]；而A1在雅鲁藏布高山峡谷区，相比念青唐古拉高山峡谷区，海拔较低，温差较小，基岩受到冰川的磨蚀作用和寒冻风化作用较弱，因此砾石的粒径相对较大；A2在念青唐古拉高山峡谷区，海拔、气候在A1和A3之间，因此砾石平均粒径大小表现为A1>A2>A3。

不同类型的岩石其风化速度不同，抵抗风化作用的能力也不同[9]。以A类坡面为例，A1基岩硬度为极硬(新生代和中生代层状基性和中性侵入岩)，抗风化能力最强，基岩被风化形成大粒径的砾石；A2基岩硬度为硬(新生代和中生代层状中酸性侵入岩)，抗风化能力较强，基岩被风化形成较大粒径的砾石；A3基岩硬度为软(古生代层状中酸性侵入岩、碎屑岩)，抗风化能力最弱，基岩易被风化成细颗粒砾石，因此砾石平均粒径表现为A1>A2>A3。

图3 A类和C类坡面植被的类型及分布特征

同一类坡面之间砾石圆度和形状比率均无显著性差异，原因是坡面原始分布的岩石受到风化作用、冻融作用、冰川的磨蚀作用等多种外营力，形成的砾石形状具有随机性；且由于受到坡度、坡长、植被、径流等因素的影响，砾石的分布也具有随机性，因此同一类坡面之间砾石圆度和形状比率无显著差异。而山坡和堆积坡砾石圆度和形状比率差异的主要原因是坡面的砾石是否受到季节性洪水的作用。季节性洪水，其对砾石的搬运能力较强，砾石之间容易发生摩擦碰撞，因此圆度较大[34]。如A1和C1坡面的堆积坡样方均处在季节性洪水沟坡内，受到径流的搬运作用后，砾石之间会发生摩擦碰撞，而位于堆积坡上方的山坡样方受到径流搬运作用较弱，砾石之间发生摩擦碰撞的几率较小，因此A1和C1堆积坡砾石的圆度显著大于山坡(图2)。