砒砂巖風(fēng)化速率及其主要影響因素分析

高文浩，付金霞，張寶利，吳 娟，楊玉春，楊香云

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

分布于黃河中游多沙粗沙區(qū)的砒砂巖在降水、風(fēng)力、凍融、重力等多侵蝕營(yíng)力復(fù)合作用下，極易發(fā)生風(fēng)化剝蝕，遇水如泥、遇風(fēng)成砂、凍融崩解，土壤侵蝕劇烈［1］。 近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)砒砂巖物理特征、物質(zhì)組成、巖性特征、侵蝕特征等進(jìn)行了室內(nèi)外試驗(yàn)研究［2-11］，但對(duì)砒砂巖原巖風(fēng)化速率及其驅(qū)動(dòng)因素（降水、風(fēng)力、凍融作用）的研究較少。 筆者對(duì)原狀砒砂巖試塊在完全裸露、防雨、防風(fēng)防雨3 種情況下的風(fēng)化速率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期為砒砂巖區(qū)水土流失治理及相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)概況

于2018 年1 月20 日在內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)境內(nèi)的二老虎溝小流域選取紅色、灰白色砒砂巖原巖試樣（試塊）各3 個(gè)。 該小流域是黃河一級(jí)支流皇甫川流域內(nèi)的一條支溝，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量約350 mm，主要集中于7—9 月；日溫差最大達(dá)15 ℃，冬季最低氣溫達(dá)-30 ℃，夏季最高氣溫可達(dá)38 ℃，11月—次年3 月為封凍期（最大凍土深度1.5 m）；大風(fēng)主要集中在3—5 月和10—11 月，以西北風(fēng)為主，風(fēng)力強(qiáng)勁。 砒砂巖受不同季節(jié)干濕變化、冷熱變化、凍融作用和風(fēng)沙作用的影響，極易發(fā)生風(fēng)化剝蝕。

1.2 試驗(yàn)概況

將6 個(gè)砒砂巖試樣分別放置于鐵盤(pán)中，對(duì)3 個(gè)紅色砒砂巖試樣和3 個(gè)灰白色砒砂巖試樣分別按防雨、防風(fēng)防雨、完全裸露3 種處理方式進(jìn)行風(fēng)化速率試驗(yàn)（見(jiàn)表1），其中：1 號(hào)、2 號(hào)試樣進(jìn)行防雨處理，即樣本上方有遮雨棚，該組試樣不受降雨影響但受風(fēng)力和凍融作用的影響；3 號(hào)、4 號(hào)試樣進(jìn)行防風(fēng)防雨處理，樣本被白鐵皮箱完全扣住（處于全封閉狀態(tài)），不受降雨和風(fēng)力的影響，僅受溫度變化引起的凍融作用影響；5號(hào)、6 號(hào)試樣完全裸露在自然環(huán)境中，受干濕變化、冷熱變化、凍融作用、風(fēng)力作用的復(fù)合影響。 試驗(yàn)于2018 年1 月20 日開(kāi)始、2020 年11 月7 日結(jié)束，通過(guò)拍照觀察試樣形態(tài)的變化情況，通過(guò)稱(chēng)重分析試樣風(fēng)化速率，試驗(yàn)期間對(duì)試樣進(jìn)行了9 次拍照和稱(chēng)重（時(shí)間分別為2018 年1 月20 日、3 月24 日、7 月1 日、11月3 日，2019 年5 月2 日、7 月15 日、10 月31 日，2020年5 月17 日、11 月7 日）。

表1 試樣概況及處理方式

1.3 試樣風(fēng)化速率計(jì)算方法

參考有關(guān)研究，采用質(zhì)量平衡法計(jì)算試樣風(fēng)化速率［12-13］，即基于6 個(gè)砒砂巖試樣初始質(zhì)量與試驗(yàn)期間稱(chēng)重所得質(zhì)量之差（風(fēng)化剝蝕量），計(jì)算不同時(shí)段的風(fēng)化剝蝕量及風(fēng)化速率。

如前所述，3 號(hào)、4 號(hào)試樣僅受溫度變化引起的凍融作用影響，1 號(hào)、2 號(hào)試樣受到風(fēng)力和凍融作用的影響，5 號(hào)、6 號(hào)試樣受降水、風(fēng)力、凍融作用影響。 以3號(hào)試樣的風(fēng)化速率（凍融風(fēng)化速率）為基準(zhǔn)，1 號(hào)試樣風(fēng)化速率與3 號(hào)試樣風(fēng)化速率之差即為風(fēng)力因素對(duì)灰白色砒砂巖的風(fēng)化速率，5 號(hào)試樣風(fēng)化速率與1 號(hào)試樣風(fēng)化速率之差即為降水因素對(duì)灰白色砒砂巖的風(fēng)化速率；同理，以4 號(hào)試樣的風(fēng)化速率（凍融風(fēng)化速率）為基準(zhǔn)，2 號(hào)試樣風(fēng)化速率與4 號(hào)試樣風(fēng)化速率之差即為風(fēng)力因素對(duì)紅色砒砂巖的風(fēng)化速率，6 號(hào)試樣風(fēng)化速率與2 號(hào)試樣風(fēng)化速率之差即為降水因素對(duì)紅色砒砂巖的風(fēng)化速率。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)化剝蝕量及風(fēng)化速率

各試樣在試驗(yàn)期初（2018 年1 月20 日）、期末（2020 年11 月7 日）的形態(tài)見(jiàn)表2，在不同時(shí)段的風(fēng)化剝蝕量見(jiàn)表3。

表2 各試樣在試驗(yàn)期初、期末的形態(tài)

表3 各試樣在不同時(shí)段的風(fēng)化剝蝕量kg

由表2、表3 可知，研究期6 個(gè)試樣的形態(tài)變化和風(fēng)化剝蝕量差異很大：完全裸露的5 號(hào)、6 號(hào)試樣形態(tài)變化最大、風(fēng)化最為嚴(yán)重，5 號(hào)試樣的風(fēng)化剝蝕量達(dá)18.70 kg（占初始質(zhì)量的91.31%），6 號(hào)試樣的風(fēng)化剝蝕量為12.42 kg（占初始質(zhì)量的61.27%）；防風(fēng)防雨處理的3 號(hào)、4 號(hào)試樣形態(tài)基本無(wú)變化、風(fēng)化程度最輕，風(fēng)化剝蝕量分別為1.27 kg（占初始質(zhì)量的8.04%）、0.96 kg（占初始質(zhì)量的4.03%）；防雨處理的1 號(hào)、2 號(hào)試樣形態(tài)變化、風(fēng)化程度介于完全裸露試樣和防風(fēng)防雨試樣之間，1 號(hào)試樣風(fēng)化剝蝕量為3.66 kg（占初始質(zhì)量的17.38%），2 號(hào)試樣風(fēng)化剝蝕量為1.96 kg（占初始質(zhì)量的7.02%）。 從6 個(gè)試樣的風(fēng)化程度綜合而言，灰白色砒砂巖試樣＞紅色砒砂巖試樣，完全裸露砒砂巖試樣＞防雨處理砒砂巖試樣＞防風(fēng)防雨處理砒砂巖試樣，各種風(fēng)化營(yíng)力交替或疊加作用效應(yīng)明顯。

依據(jù)試驗(yàn)期（2018 年1 月20 日—2020 年11 月7日，按2.8 a 計(jì)）各試樣風(fēng)化剝蝕量推算的年均風(fēng)化剝蝕量和風(fēng)化速率（年風(fēng)化剝蝕量占初始質(zhì)量的比例）見(jiàn)表4。

表4 各試樣年均風(fēng)化剝蝕量和風(fēng)化速率

由表4 可知，在相同處理情況下灰白色砒砂巖試樣風(fēng)化速率大于紅色砒砂巖試樣風(fēng)化速率：防風(fēng)防雨處理試樣的風(fēng)化速率，3 號(hào)試樣大于4 號(hào)試樣；防雨處理試樣的風(fēng)化速率，1 號(hào)試樣大于2 號(hào)試樣；完全裸露試樣的風(fēng)化速率，5 號(hào)試樣大于6 號(hào)試樣。 完全裸露試樣（5 號(hào)、6 號(hào)試樣）的風(fēng)化速率顯著高于段雷等［13］研究所得廣東、江西、重慶、四川、山東、黑龍江等地玄武巖、花崗巖等巖石（下文稱(chēng)為其他巖石）的風(fēng)化速率（灰白色砒砂巖風(fēng)化速率是其他巖石風(fēng)化速率的13.5～69.2 倍，紅色砒砂巖風(fēng)化速率是其他巖石風(fēng)化速率的9～46 倍）。

2.2 砒砂巖風(fēng)化影響因素

2.2.1巖性和礦物組成的影響

巖性是影響其風(fēng)化速率的內(nèi)因。 砒砂巖中蒙脫石含量較大（平均含量為18.23%，不同顏色砒砂巖中蒙脫石含量有所不同）［1，14］，蒙脫石具有吸水膨脹（遇水膨脹后體積可增大50%）、失水收縮等特性，導(dǎo)致了砒砂巖的易風(fēng)化脆弱性。 有關(guān)學(xué)者研究表明［15-17］，砒砂巖遇水后易發(fā)生崩塌現(xiàn)象，與本試驗(yàn)觀察的情況相符。此外，砒砂巖顆粒膠結(jié)差、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、抗蝕性差，在極端氣候條件下風(fēng)化更為劇烈［4-5］。

2.2.2外部風(fēng)化營(yíng)力的影響

由前述不同處理試樣風(fēng)化速率存在顯著差異可知，砒砂巖風(fēng)化速率除受巖性影響外，還受凍融、風(fēng)力、降水等外部風(fēng)化營(yíng)力的交替或疊加影響。 凍融使砒砂巖脹縮交替，造成巖體結(jié)構(gòu)破壞、表層破碎脫落；風(fēng)的吹蝕改變表層松散物的粒度組成，而挾沙風(fēng)的撞擊、磨蝕進(jìn)一步加劇巖體表面結(jié)構(gòu)的破壞；砒砂巖遇水成泥的特性使其在受到雨滴擊濺和雨水浸泡后迅速潰散。

1）試驗(yàn)期降水、氣溫、風(fēng)速變化情況。 研究區(qū)在試驗(yàn)期每年1—3 月、11—12 月降水極少，降水主要集中在7—9 月（2018 年、2019 年7—9 月降水量分別為320.1、252.3 mm，分別占年降水量的70.57%、55.21%；2020 年7—9 月降水量為295.9 mm），因此7—9 月是砒砂巖降水風(fēng)化的高峰期。 研究區(qū)每年3—10 月平均氣溫在0 ℃以上，11 月—次年2 月平均氣溫在0 ℃以下，巖土從11 月開(kāi)始進(jìn)入冷凍期、于次年3—4 月緩緩解凍，3—4 月凍融作用強(qiáng)烈（2018 年、2019 年、2020 年3—4 月凍融交替日數(shù)分別為13、24、24 d）、是砒砂巖凍融風(fēng)化的高峰期。 研究區(qū)起沙風(fēng)速為4.8 m／s［18］，3—5 月是大風(fēng)的高峰期，月均風(fēng)速為4.1 ～5.1 m／s（其他月份平均風(fēng)速小于4 m／s）， 2018 年、2019 年、2020年3—5 月出現(xiàn)風(fēng)速≥5 m／s 的天數(shù)分別為89、89、88 d，出現(xiàn)風(fēng)速≥10 m／s 的天數(shù)分別為29、36、56 d，因此3—5 月是砒砂巖風(fēng)力風(fēng)化的高峰期。

2）3 種外部風(fēng)化營(yíng)力的貢獻(xiàn)率。 基于各試樣年均風(fēng)化速率（表4），按照前述方法計(jì)算3 種外部風(fēng)化營(yíng)力（凍融、風(fēng)力和降水）造成的風(fēng)化速率及貢獻(xiàn)率，結(jié)果見(jiàn)表5；基于各時(shí)段風(fēng)化剝蝕量（表3），按照前述方法計(jì)算的3 種外部風(fēng)化營(yíng)力在不同時(shí)段對(duì)砒砂巖風(fēng)化的貢獻(xiàn)率見(jiàn)表6。 由表5、表6 可知，降水對(duì)砒砂巖風(fēng)化速率的影響顯著大于風(fēng)力和凍融的，風(fēng)力與凍融對(duì)砒砂巖風(fēng)化速率的影響接近（二者對(duì)紅色、灰白色砒砂巖的風(fēng)化速率有一定差異，有待進(jìn)一步研究），降水、風(fēng)力、凍融3 種風(fēng)化營(yíng)力交替作用或疊加作用加速了砒砂巖的風(fēng)化。

表5 外部風(fēng)化營(yíng)力造成的風(fēng)化速率及貢獻(xiàn)率

表6 凍融、風(fēng)力和降水對(duì)砒砂巖風(fēng)化的貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論

在完全裸露的自然狀態(tài)下，灰白色砒砂巖風(fēng)化速率大于紅色砒砂巖風(fēng)化速率，按試樣質(zhì)量計(jì)算的年均風(fēng)化速率分別為32.61%、21.88%；降水、風(fēng)力、凍融對(duì)灰白色砒砂巖風(fēng)化的貢獻(xiàn)率分別為80.96%、10.24%和8.80%，對(duì)紅色砒砂巖風(fēng)化的貢獻(xiàn)率分別為88.53%、4.89%、6.58%，降水對(duì)砒砂巖風(fēng)化速率的影響顯著大于風(fēng)力和凍融的；降水、風(fēng)力、凍融3 種風(fēng)化營(yíng)力交替作用或疊加作用加速了砒砂巖的風(fēng)化。