北京山區礫石覆蓋度和礫石含量的關系研究

高 楊，符素華，羅來軍，王 楠，朱 旭

(1.地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京師范大學 地理學與遙感科學學院，北京100875;2.北京市第五中學，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;礫石在土壤下層完全被土壤包圍對侵蝕過程的影響主要包括滲流、下滲以及徑流的產生。

現有的土壤侵蝕過程模型如 WEPP，EUROSEM等都要求入滲參數的空間分布信息，以準確預報、模擬徑流和土壤侵蝕的變化規律，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]在水蝕預報研究中指出，礫石對侵蝕有重要的影響，侵蝕預報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系來表達土壤坡面礫石含量同礫石覆蓋度的關系，那么用戶的直接輸入將會變少。

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

1 研究方法

1.1 采樣方案

本研究選擇了北京密云山區的3塊農用地。其中高嶺農用地A和高嶺農用地B為梯田，高嶺農用地A的土地利用方式以花生地為主，高嶺農用地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計采樣區域。如圖1所示從坡頂到坡底設置5個采樣區域，并在每個采樣區域附近處重復3個采樣。這樣一塊農用地總共設置15個采樣點，3塊農用地共有45個采樣點。

圖1 采樣點分布示意圖

1.2 土樣采集及礫石覆蓋度測量

按照室內設計的采樣點布設方案，在農用地不同坡位處設置采樣點。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上。借助于打孔直尺，并按預先約定的規則在8個方向上讀取出現礫石的小孔數量，每個采樣點都有4人獨立的在8個方向上讀取數據，最后取4人讀數的平均值計算采樣點的礫石覆蓋度(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剛剛讀數的采樣區域內。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深度圓形區域內的土樣。

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

圖2 覆蓋度測量示意圖

1.3 室內樣品分析

將野外采集的土樣，放入土壤室中自然風干。每個采樣點的土樣經風干后均勻混合，并用鋁盒取3個土樣，通過烘干前和烘干后的重量變化計算風干土的含水量。用天平對采樣點的風干土稱重，通過計算的含水量數據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，對風干土樣過篩。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準，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。

礫石覆蓋度的計算方法:

式中:A1，A2，A3，A4——不同觀測者讀取的出現礫石的小孔個數;B——打孔直尺小孔總個數。

礫石重量百分含量的計算:

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 結果分析

2.1 礫石覆蓋度和礫石百分含量關系隨深度的變化

在高嶺農用地A的基礎上，基于室外數據采集和室內數據處理，用SPSS統計分析軟件的線性回歸分析功能統計不同粒徑、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系數和雙尾檢驗的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系統計

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

為了進一步分析和揭示深度對礫石覆蓋度和礫石百分含量關系的影響，基于農用地A的14個采樣點數據，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系數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系數與采樣深度的關系

從圖3中可以看出，每種粒徑組合下線性相關系數隨采樣深度的增加而減小，相關系數和采樣深度存在負相關。也就是說表層礫石百分含量和礫石覆蓋度的線性相關關系較底層的好。這可以解釋為當地表由于耕作被擾動后，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系在表層最好，隨著采樣深度的增加，相關系數也在降低。

2.2 礫石覆蓋和礫石重量百分含量的關系

由于所采集的樣本數據包含兩種不同土地利用方式。高嶺農用地A和高嶺農用地B為梯田，北莊農用地C為自然坡面。為了比較兩種土地利用方式對礫石覆蓋和礫石重量百分含量關系有無顯著性影響，對北莊自然坡面上0-2 cm的表層測量結果數據分組進行配對T檢驗，分組數據如表2所示。

配對T檢驗的結果表明:P=0.009，按顯著性水平α=0.05，P＜α，所以可認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系時分成為兩種情況，一種為梯田狀態下的礫石覆蓋度和礫石重量百分含量的關系，一種為自然坡面狀態下的礫石覆蓋和礫石百分含量的關系。同時礫石覆蓋度和礫石重量百分含量線性關系隨深度變化的分析結果表明，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性較好，表層關系更佳。所以下面分析全部基于表層采樣數據，并建立礫石覆蓋度同礫石重量百分含量的線性關系。

表2 兩種土地利用方式下的數據分組

表3 配對 t檢驗結果

2.2.1 梯田狀態下的礫石覆蓋度和礫石重量百分含量關系 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性，但相關性強弱不同。礫石覆蓋度與2～6 mm粒徑下礫石重量百分含量的相關性最弱(線性相關系數R=0.4254，雙尾檢驗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性(R=0.4626，雙尾檢驗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性(線性相關系數R=0.5664，雙尾檢驗P=0.0115);礫石覆蓋度與＞2 mm的礫石重量百分含量正相關最好(線性相關系數R=0.6214，雙尾檢驗 P=3.2152E-05)，線性關系為:

式中:x——＞2 mm 的礫石重量百分含量;y——礫石覆蓋度。

圖4 梯田狀態下礫石覆蓋度和礫石百分含量的關系

圖5 自然坡面狀態下礫石覆蓋度和礫石百分含量的關系

2.2.2 自然坡面狀態下的礫石覆蓋度和礫石重量百分含量的關系 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性很弱(線性相關系數R=0.3335，雙尾檢驗 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性(線性相關系數R=0.5382，雙尾檢驗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出一定的相關性(線性相關系數R=0.5349，雙尾檢驗 P=0.0399);礫石覆蓋度與＞2 mm的礫石重量百分含量正相關最好(線性相關系數R=0.6400，雙尾檢驗 P=0.0102)，線性關系為:

式中:x——＞2 mm的礫石重量百分含量;y——礫石覆蓋度。

3 結論

基于北京山區不同耕作方式下的3塊農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據，對礫石覆蓋和礫石含量之間的關系進行了研究，得出以下結論:(1)礫石覆蓋度和含量之間的相關系數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性，礫石覆蓋同大粒徑(6～20，20～60 mm)礫石百分含量的相關系數較小粒徑(2～6 mm)好。對所有粒徑(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。

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