耕作引起的紫色土母巖破碎運動定量分析

許海超，張建輝，戴佳棟，王 勇，王 恒，向 軍

（1. 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，雅安625014）

0 引 言

四川盆地紫色土區(qū)是典型的巖土二元結(jié)構(gòu)，淺薄的土層直接下伏母巖，泥（頁）巖是形成該區(qū)土壤的主要母質(zhì)[1]。由于土體結(jié)構(gòu)松散、降雨集中且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活躍，導(dǎo)致土壤侵蝕嚴重，部分坡耕地土壤淺薄甚至基巖裸露。

在農(nóng)業(yè)實踐中，農(nóng)民為了抵消土壤侵蝕引起的土壤生產(chǎn)力下降，通常有2 種方式可以補充土壤：1）從下坡土壤堆積區(qū)或其他地方搬運土壤補充到上坡位置[2]，稱為“背地邊”；2）使用母巖風(fēng)化物補充[3]，稱為“喙石骨”。破碎母巖補充耕層土壤以維持地力是紫色土區(qū)農(nóng)民基于長期的耕作經(jīng)驗探索出的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[4-7]。耕作產(chǎn)生的巖屑會向順坡方向運動，緊接著更深處的母巖暴露出來并在后續(xù)耕作中被繼續(xù)破碎[8-9]。最為關(guān)鍵的是該區(qū)紫色母巖（尤其是紫色泥巖）相對松軟且易發(fā)生崩解[10]，混入土壤中的紫色母巖碎屑可以在短期內(nèi)風(fēng)化成土，其富含的P、K 等元素可以補充土壤肥力[11]。

耕作破碎母巖產(chǎn)生雙重效應(yīng)，一方面直接導(dǎo)致母巖破碎，進而加速母巖風(fēng)化進程；另一方面，耕作破碎母巖過程中部分巖石碎屑會被搬離原來位置，所以也是一種母巖侵蝕形式。巖石的強度由巖石類型、巖石含水程度、巖石固化程度等共同決定[12]，會直接影響耕作過程中母巖抵抗破壞的能力；而坡度、地面起伏等地形條件會影響坡面物質(zhì)的運移過程[13]。因此，耕作破碎母巖既是一種人為風(fēng)化過程，也是一種人為侵蝕過程，是巖土界面上人為因素和自然因素共同作用的結(jié)果。相對于礦山開采、工程建設(shè)的影響，當前只有少量研究提及耕作對母巖的直接破碎作用[6,14]，而且多為定性描述，鮮見定量研究報道。本研究采用物理示蹤和模擬耕作相結(jié)合的方法，定量評估不同自然條件和耕作方式下母巖破碎運動特征，對于深入了解母巖人為風(fēng)化成土和侵蝕機制具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省簡陽市（104°28′E，30°26′N），地貌為典型的川中丘陵淺丘地貌，海拔400～587 m，相對高度一般是20～40 m，丘陵坡耕地坡度在4.5°～20°之間，主要集中在5°～15°[15]。氣候類型屬于亞熱帶濕潤氣候，四季分明，年平均氣溫17 ℃。多年平均降雨量約為960 mm，且90%以上的降雨集中在5—10 月。按照中國現(xiàn)有土壤系統(tǒng)分類標準，土壤被劃分為石灰紫色正常新成土。成土母巖為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組紫色泥（頁）巖，為鈣泥質(zhì)（或泥鈣質(zhì)），膠結(jié)固結(jié)性差、組織松軟、抗壓強度低、礦物組成復(fù)雜，受冷熱干濕影響脹縮劇烈[1,16]。旱坡耕地是本區(qū)主要土地利用類型，具有塊小、坡陡、土層淺薄的顯著特點。坡頂土層一般厚僅20 cm；順坡向下，土層逐漸加深，可達40～50 cm。耕作方式為順坡向上鋤耕，每年耕作1～2 次。農(nóng)耕地種植結(jié)構(gòu)以小麥（Triticum aestivum L.）—玉米（Zea mays L.）—紅薯（Ipomoea batatas [L.] Lam）為主。

1.2 試驗設(shè)計

為研究耕作對母巖的影響，設(shè)置了3 個試驗變量：巖石含水率（7.44%和14.77%）、耕作深度（2、4、6 cm）、坡度（5°、10°、15°、20°、25°），共進行模擬耕作30組。在走訪農(nóng)戶和野外模擬耕作后發(fā)現(xiàn)，不論是在覆土坡面還是裸巖坡面上，研究區(qū)內(nèi)鋤耕破碎母巖的可行深度范圍為0～6 cm，所以選擇2、4、6 cm 耕作深度進行研究。

1.3 試驗過程

在土層淺薄的坡面上，清理出坡度分別為0～25°的5種母巖（紫色泥巖）坡面，每個耕作小區(qū)的大小為2 m×1.5 m。使用帶有直徑2 cm 加長合金開孔器的電鉆，在等高線上每隔10 cm 開1 個直徑為2 cm、深6 cm 的示蹤孔，該方法可以有效避免損壞示蹤孔周圍的巖體，盡量保持母巖原本的力學(xué)性質(zhì)。以最左側(cè)示蹤孔底部為原點，順坡方向為X 軸，等高線為Y 軸，垂直于坡面為Z軸，建立三維坐標系。每組試驗沿Y 軸布置14 個示蹤孔，每個孔內(nèi)沿Z 軸布置3 排示蹤劑。選用最大直徑為2 cm的白色礫石作為示蹤劑，因為該種示蹤劑成本低廉且易區(qū)別于紫色母巖。把示蹤劑逐個進行編號，按照順序依次放入示蹤孔中，并在空隙中填入具有一定黏性的濕潤細土，然后壓實，使示蹤劑和母巖成為整體（圖1）。使用細土覆蓋示蹤區(qū)域，避免耕作人員進行選擇性耕作，以保證結(jié)果的可靠性。

圖1 試驗坡面布置示意圖 Fig. 1 Sketch of sloping land layout for the experiment

準備工作就緒后，使用可調(diào)耕作深度的鋤頭[17]，分別使用2、4、6 cm 深度從坡底向坡頂方向進行順坡耕作，直至越過示蹤區(qū)至少20 cm。所用工具的鋤頁長22 cm，下邊緣寬14 cm，上邊緣寬10 cm。所有試驗由同一具有熟練耕作技能的農(nóng)民完成，以確保試驗的控制條件一致。耕作結(jié)束后，使用小型三齒耙從坡底向坡頂依次挖掘，發(fā)現(xiàn)示蹤礫石時記錄其三維坐標位置。

于2017 年11 月（A 組）和2018 年3 月（B 組）在同一地點的相鄰小區(qū)完成試驗，且都是在清除覆土層后獲得的新鮮母巖坡面進行試驗，以減少外界溫度、母巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)、風(fēng)化程度等可能帶來的影響。

1.4 計算及測定指標

根據(jù)所有示蹤礫石的位移計算破碎母巖的平均位移。

式中D 是順坡方向的平均位移，m；Dij是編號為ij 的示蹤劑平行于耕作方向的位移，m；i 是示蹤劑的行號，1≤i≤3；j 是列號，1≤j≤14；n 是示蹤劑的總數(shù)。

每次耕作完成后，隨機選擇3 塊新鮮母巖塊裝入樣品袋中密封。在實驗室內(nèi)，去除母巖表層易于剝離的成分，稱質(zhì)量m1；在105 ℃下烘干24 h，稱質(zhì)量m2；然后，使用蠟封法測量巖塊體積V。根據(jù)以上結(jié)果計算出耕作前的母巖含水率和容重。

2 次試驗?zāi)笌r的含水率分別為14.77%和7.44%，而母巖的容重分別為（20.79± 0.51）、（21.20± 0.46）kN/m3，基本一致（表1）。

表1 試驗坡面的基本情況 Table 1 Condition of sloping lands

2 結(jié)果與分析

2.1 破碎母巖平均位移

在2 組含水率不同的母巖上耕作得到的結(jié)果存在明顯差異（圖2）。對于含水率為14.77%的母巖，使用2 cm深度耕作產(chǎn)生的巖屑平均位移為（0.33±0.01）m，相比于其他深度耕作明顯偏大；使用4 cm 深度耕作與6 cm 深度耕作產(chǎn)生的巖屑平均位移差異不大（（0.21±0.02）m vs. （0.20±0.01）m）。對于含水率為7.44%的母巖，耕作深度與巖屑平均位移無顯著相關(guān)（P＞0.1，表2）。在不考慮坡度影響的情況下，含水率為14.77%的母巖在2、4、6 cm 深度耕作下產(chǎn)生的巖屑位移的平均值比含水率為7.44%的母巖分別大67.72%、9.03%和4.16%。可見，含水率是影響坡面母巖破碎運移的重要因素，但是這種影響隨著耕作深度的增大逐漸減小。

圖2 耕作破碎母巖引起的巖屑平均位移 Fig. 2 Mean displacement distance of rock fragments induced by tillage

結(jié)合表2 可以發(fā)現(xiàn)，含水率為14.77%的母巖，坡度對巖屑平均位移無顯著影響（P＞0.1），而耕作深度增加對巖屑平均位移有極顯著減弱作用（P＜0.001）；含水率為7.44%的母巖，巖屑平均位移隨著坡度的增加顯著增大（P＜0.1），而耕作深度對巖屑平均位移無顯著影響（P＞0.1）。以上結(jié)果說明，含水率較高的母巖破碎運動由耕作深度占主導(dǎo)，而含水率較低的母巖破碎運動受坡度影響較大。

表2 不同水分條件下巖屑平均位移與坡度和耕作深度的相關(guān)系數(shù) Table 2 Correlation coefficients between mean displacement distance and slope and tillage depth for bedrocks with different moisture contents

2.2 不同深度破碎母巖運動特征

為了進一步剖析耕作引起的母巖破碎運移機制，對不同深度的巖屑運動特征進行分別歸納（圖3）。結(jié)果顯示，使用4 和6 cm 耕作深度處理的坡面，下層巖屑的位移明顯比上層巖屑的小（圖3b、圖3c、圖3e、圖3f）。對于含水率為14.77%和7.44%的母巖，使用4 cm 深度耕作時，＞2～4 cm 深度的巖屑平均位移比0～2 cm 深度分別減少了38.07%、32.13%；耕作深度為6 cm 時，＞2～4 cm深度的巖屑平均位移相對于0～2 cm 深度分別減少了50.93%、28.8%，＞4～6 cm 深度的巖屑平均位移相對于0～2 cm 深度分別減少了61.63%、45.91%。可見，特定耕作深度下，巖屑位移隨著深度的增加快速減小，且?guī)r石含水率高的坡面減小幅度更大。

圖3 耕作破碎母巖引起的不同深度巖屑運移 Fig. 3 Movement of rock fragments at different depths under different tillage depths

對于頂層巖屑（0～2 cm）而言（圖3），除了含水率為14.77%的母巖在2 cm深度耕作時的巖屑平均位移明顯偏大，其他坡面上的巖屑平均位移都隨著耕作深度的增加逐漸增大。在含水率為14.77%的坡面上，使用6 cm深度耕作的頂層巖屑平均位移比4 cm 深度耕作增加了19.65%；在含水率為7.44%的坡面上，使用4 cm 和6 cm深度耕作時，頂層巖屑平均位移比2 cm 深度耕作分別增加了19.38%和25.5%，說明增大耕作深度可以顯著增大頂層巖屑的順坡位移（P＜0.1，表3）。坡度對含水率為14.77%坡面上的頂層巖屑運動無顯著影響（P＞0.1），而含水率為7.44%坡面上的頂層巖屑位移與坡度之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.1）。在不考慮坡度影響的情況下，分別使用2、4、6 cm 的深度耕作時，含水率為14.77%的坡面比含水率為7.44%的坡面上頂層巖屑的平均位移分別高出67.72%，7.87%和22.77%。此外，最上層巖屑位移的標準差明顯偏大，說明頂層巖屑運動劇烈且隨機性較強。

對于＞2～4 cm 深度的巖屑，不同含水率坡面之間的巖屑平均位移差異不大，而且坡度和耕作深度對該層的巖屑運動都無顯著影響（P＞0.1）。對于＞4～6 cm 深度的巖屑，在含水率為14.77%的坡面上巖屑平均位移與坡度之間無顯著關(guān)聯(lián)（P＞0.1），而在含水率為7.44%的坡面上巖屑平均位移與坡度顯著正相關(guān)（P＜0.1）。以上結(jié)果說明，耕作破碎母巖引起的巖屑運動過程受到巖石含水率、耕作深度和坡度的共同影響，且各因子在不同深度的作用機制不同。

表3 不同深度巖屑位移與坡度和耕作深度的相關(guān)系數(shù) Table 3 Correlation coefficients of mean displacement distance of rock fragments to slope gradient and tillage depth for different deep layers

3 討 論

3.1 耕作破碎母巖示蹤方法

當前尚未見測算土壤母巖破碎運動的方法，本研究首次將點物理示蹤法應(yīng)用到該領(lǐng)域。選擇該種示蹤方法是基于：1）點物理示蹤技術(shù)比較成熟，已廣泛應(yīng)用于測定土壤運動，結(jié)果相對可靠[18-19]；2）母巖是一個整體，破碎后其力學(xué)性質(zhì)隨即改變，所以添加示蹤劑應(yīng)遵循不破壞或者少破壞母巖原有結(jié)構(gòu)的原則，該方法可以有效減少對母巖的破壞。但是，該方法也存在操作繁瑣、工作量大的缺點。現(xiàn)有的磁性示蹤方法可以節(jié)約大量工作[20]，但是磁性示蹤劑需要與被示蹤物質(zhì)充分混合，所以無法應(yīng)用到該試驗中。另外，非示蹤劑法可以避免對監(jiān)測對象的干擾，如模型法和梯級法[21-22]，以及近期應(yīng)用到土壤運移測定中的激光雷達掃描方法[23]、無人機技術(shù)（UAV）[24]，這些方法雖然可以避免巖體破壞，但是無法判定不同深度巖屑的運動情況。值得注意的是，使用點物理示蹤法時要盡量在試驗條件允許的前提下設(shè)置足夠多的示蹤孔作為重復(fù)，以避免少數(shù)示蹤孔測定結(jié)果差異造成的試驗數(shù)據(jù)突變，從而減少偶然性造成的影響。

3.2 巖石含水率對母巖破碎運動影響機制

水對巖石力學(xué)性質(zhì)有著顯著的影響，水分子的介入改變了巖石的物理狀態(tài)，削弱了顆粒間的聯(lián)系[25]。柴賀軍[26]研究表明紫色泥巖的力學(xué)性質(zhì)受含水率的影響很大，抗剪強度隨著含水率的增大逐漸減小。使用相同深度耕作時，耕作者施加在母巖表面的力的大小比較接近。由于含水率越低的母巖抗破壞強度越高，施加相同載荷對其破壞越小，所以從巖體破碎、剝離后的巖屑運動平均位移也就越小。反之，由于含水率越高的母巖抗破壞強度越低，耕作者使用相同力量破碎母巖時，巖屑會獲得更大的動能，從而產(chǎn)生更大的巖屑位移。

Sharifat 和Kushwaha[27]進行土壤耕作試驗時發(fā)現(xiàn)土壤位移與土壤含水率正相關(guān)，這與本文耕作破碎母巖得到的結(jié)果一致。土壤含水率于塑限以下時，土壤抗剪強度隨水分增加而增大[28-29]，但是大量研究證實土壤位移與抗剪強度負相關(guān)[30-32]。這種看似矛盾的結(jié)果是因為土壤含水率越高的坡面，土壤黏性越強，土壤在黏聚力的作用下可隨耕作工具運動的更遠；而含水率越高的母巖，抗剪強度越低[26]，且?guī)r屑不會粘附在耕作工具上，所以巖石強度才是其破碎運移的決定因素。因此，雖然土壤和母巖在耕作過程中隨含水率變化的運動趨勢相似，但其作用機制存在根本差異。

3.3 耕作深度對母巖破碎運動影響機制

大量研究表明耕作引起的土壤位移隨著耕作深度的增加而增大[33-35]，而本研究中隨耕作深度的增大，巖屑平均位移不增反減。Zhang 等[35]發(fā)現(xiàn)，進行深耕需要更大的順坡方向的力來拖動土壤，土塊在離開鋤頁時會有更大的初始速度，因此可以克服更大阻力運動到更遠的位置。但是，耕作破碎母巖時，在鋤頁嵌入巖體過程中母巖發(fā)生破碎、解體，所以基本不需要沿順坡方向進行拖拽，尤其進行淺層耕作（2 和4 cm）時這種現(xiàn)象更加明顯。此外，耕作過程中土壤是以塊體形式運動，所以不同深度的土壤的位移相近；而母巖破碎后以碎屑形式進行運動，由于上層母巖的緩沖作用，越往深度巖石受到的力越小，因此不同深度的巖屑位移差距很大。Ziegler等[36]在試驗基礎(chǔ)提出耕作引起的土壤順坡運動，60%由鋤頭直接接觸引起，40%由分離后的土壤跳躍滾動造成；從本文研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，耕作破碎母巖引起的巖屑運動主要由分離后的巖屑跳躍滾動造成。

破壞體積大的同種巖石需要施加更大的力，因為巖塊破裂時的最大載荷隨體積增大而增大[12]。對母巖進行耕作時，隨著耕作深度的增大，單次耕作破壞的母巖體積隨之增大，因此操作者需要施加更大的力才能到達破壞載荷。同時，隨著耕作深度的增大，頂層母巖受到的沖擊力更大，所以巖屑會獲得更大的動能，運動到更遠的位置。另外，試驗中發(fā)現(xiàn)，大部分飛濺的母巖會被前一次耕作形成的巖屑堆積物阻擋，且耕作深度越大，阻擋效應(yīng)越強，所以隨著耕作深度的增大頂層巖屑在獲得更大動能的情況下并沒有大幅度增長。本試驗中，在含水率為14.77%的母巖坡面上，使用2 cm深度進行耕作時，巖屑位移明顯偏大，不符合以上規(guī)律。可能原因是含水率高的母巖抗破壞強度低，更容易破碎，因此巖屑獲得動能較大；而2 cm 深度耕作產(chǎn)生的巖屑較少，分布不夠集中，阻擋效應(yīng)微弱，所以該情況下巖屑運動距離明顯偏大。此外，相同體積的巖塊，含水率越高其質(zhì)量越大，受到慣性的影響越大，這也是含水率高時巖屑運動距離更遠的原因之一。

3.4 坡度對母巖破碎運動影響機制

坡度決定了坡面物質(zhì)的穩(wěn)定性，相同耕作條件下，坡度越大坡面物質(zhì)越容易發(fā)生順坡移動[13,21,37]。但是，本研究中只有含水率低（7.44%）的坡面巖屑運動符合該規(guī)律；而含水率高（14.77%）的坡面巖屑運動與坡度無顯著關(guān)聯(lián)（表2），且不同深度的巖屑運動與坡度都無顯著關(guān)系，這種現(xiàn)象是由于2 種含水率的母巖在不同坡度上的運動差異所致。

由于含水率低（7.44%）的母巖強度較高、不易破碎，鋤頁耕入6 cm 深時，深度位置的母巖破碎運動都很微弱，此時耕作者會進行拉拽和翻轉(zhuǎn)操作，底層（＞4～6 cm）巖屑上移并在重力作用下運動，而坡度越大，重力對坡面物質(zhì)運動的影響強烈；與此同時，＞2～4 cm 深度巖屑始終處于翻轉(zhuǎn)的中心，且有在上層母巖的緩沖作用下，巖屑跳躍、滾動等重力主導(dǎo)的運動較為微弱，所以該層巖屑的運動基本不受坡度影響。然而，在母巖強度較小（含水率為14.77%）的坡面耕作時，操作者不需使用很大的力就可以實現(xiàn)破碎母巖的目的，也不需要進行拉拽和翻轉(zhuǎn)，故深度（＞2～4 cm 和＞4～6 cm）的巖屑位移都與坡度沒有顯著關(guān)系。

耕作時鋤頁與坡面并非垂直，隨著坡度的增大，鋤柄與坡面的角度變化不大，但是與水平方向之間的角度逐漸減小（圖4）。由于母巖破碎時受到垂直于鋤頁方向（沿鋤柄方向）的力，巖屑初始速度的方向和鋤柄一致，所以小坡度上巖屑跳躍高度更大，在沒有阻擋物的情況下可運動更遠；而大坡度上的巖屑雖然沿順坡方向的速度更大，但是跳躍高度較小，大部分被前次耕作形成的疏松物質(zhì)阻擋。施加相同的力進行耕作時，巖石強度低的坡面上巖屑跳躍更加嚴重，隨著坡度的增大，重力對跳躍巖屑的運動影響越來越大，同時被前次耕作形成的疏松物質(zhì)阻擋的巖屑也越來越多，因此整體上含水率為14.77%坡面的巖屑位移與坡度關(guān)系不顯著。而在巖石強度高（含水率為7.44%）的坡面上耕作時，大部分能量都用于使母巖破碎，導(dǎo)致巖屑剝離后獲得的動能較小，跳躍高度差異較小，主要在重力下沿坡面滾動，所以受坡度的影響較大。

除了上文中討論的3 個試驗變量，外界溫度也是影響母巖風(fēng)化破碎的重要因素，且不同地點和不同時間節(jié)點母巖的風(fēng)化程度也會存在一定差異。因此，野外模擬耕作試驗要盡量選擇在外界溫度相近的環(huán)境中進行，且相關(guān)試驗的時間和空間上應(yīng)盡量接近，以將溫度、母巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)、風(fēng)化程度等控制變量限定在相對一致的范圍內(nèi)。

本文將耕作侵蝕的研究對象從土壤拓展到母巖，對于深化耕作侵蝕研究具有重要意義。此外，耕作破碎母巖會引起坡面礫石的含量、粒徑組成和空間分布發(fā)生變化，而且長期耕作也會引起顯著的地形演化，這些都是影響坡面水文過程的重要因素。

圖4 不同坡度上的鋤耕變化 Fig. 4 Changes of hoeing tillage with different slope gradients

4 結(jié) 論

本研究通過模擬耕作試驗，利用物理示蹤法追蹤紫色泥巖坡面母巖破碎后的巖屑運動，定量研究了不同巖石含水率、坡度和耕作深度條件下耕作引起的母巖破碎運動特征，主要結(jié)論如下：

1）巖石含水率是影響母巖破碎運動的重要因素，巖石含水率越高，耕作引起的母巖破碎運動越劇烈。

2）耕作深度和坡度對母巖破碎運動的影響機制在巖石含水率不同的坡面上存在差異。含水率高的母巖坡面，巖屑位移與耕作深度顯著負相關(guān)（P＜0.05），與坡度無顯著相關(guān)；含水率低的母巖坡面，巖屑位移與耕作深度無顯著關(guān)系（P＞0.1），但與坡度呈顯著正相關(guān)（P＜0.1）。

3）不同深度位置巖屑的運動差異很大，深度越大巖屑平均位移越小。特定耕作深度下，頂層巖屑運動最為劇烈且隨機性較強；隨著深度的增加，巖屑位移快速減小，且?guī)r石含水率高的坡面減小幅度更大。

可見，耕作引起的母巖破碎運動受到人為因素（耕作深度）與自然因素（巖石含水率、坡度）的共同影響，且各因子在不同深度位置的作用機制不同。本研究初步闡明了耕作引起的母巖破碎運動特征，對探索紫色土母巖侵蝕和風(fēng)化成土機制具有重要的參考價值。