黄土区水蚀风蚀交错带砾石对坡面土壤水循环的影响及机制

Soil water is the most important water source available to the vegetation in the water-wind erosion crisscross region of the Loess Plateau. Soil water cycle and transformation pattern determine the quantity and quality of soil water, which have important effects on the growth and development of the vegetation. Rock fragments (size > 2 mm) are the large component commonly presented in the soil of this region and can strongly influence soil water movement and storage in the process of soil water cycle. However, few studies pay attention to the impacts of rock fragments mentioned above, posing difficulties to the estimations of soil water quantity and quality. This study combines field-situ-experiments and laboratory measurements to investigate the effect of rock fragments on soil water cycle on slope and its mechanism by measuring soil structure and physical property and monitoring the process of soil water cycle on slope, coupling with using isotope technique to distinguish the allocation and transformation of soil water in soil and rock fragments. It aims to deepen the understanding of soil water cycle process in the specific soil of the region and to provide decision evidences for the reasonable uses of soil and water resources as well as for the restoration of the vegetation in the region.

土壤水是黄土区水蚀风蚀交错带植被利用的最主要水分来源，其循环及转化规律决定着土壤水的数量和质量，对植被的生长和发育起着重要作用。砾石（尺寸>2 mm）是区域土壤中常见的大颗粒成分，对土壤水循环过程中土壤水的运动和蓄存有着重要影响。然而，较少有研究关注该类型土壤中砾石的影响，给土壤水数量和质量的估算带来困难。项目采用野外定位观测试验与室内分析测定相结合的方法，通过对含砾石土壤结构和物理性质的测定及坡面土壤水循环过程的观测，利用同位素分析技术区分土壤水在土壤和砾石间的分配和转化，研究砾石对坡面土壤水循环的影响及机制，以深化认识区域特定土壤类型的水循环过程，为区域水土资源的合理利用和植被恢复提供决策依据。

由于土壤侵蚀和人类活动的影响，黄土高原地区土壤中常出现大颗粒的砾石（>2mm）。砾石在尺寸、物理和化学性质上不同于土壤颗粒，进而影响水土界面过程及土壤水循环。当前较少有研究关注此类型的土壤，导致对其中的水土过程及机制认识不足。项目采用野外定位观测、调查取样和室内模拟实验相结合的方式，以黄土高原北部出现的含砾石土壤为对象，着重研究了砾石的空间分布规律及影响因素以及砾石对坡面水土过程（蒸发、入渗、径流和泥沙）和柠条地土壤水分的影响。研究结果表明，坡面砾石覆盖度与坡度正相关；植被对砾石的影响存在临界效应。植被盖度在临界值以下，砾石盖度与植被盖度正相关，超过临界值则表现为负相关。坡面砾石绝大部分（65%）的直径在2-20 mm。流域尺度上，坡度和植被是影响砾石分布的主要因素，海拔是影响砾石尺寸的主要因素。砾石对土壤蒸发的影响很小，但会改变土壤水分在剖面的分布，使得深层土壤含水量增加。砾石能吸收相当一部分的水分，如果不考虑这部分水分，会导致低估土壤储水量。砾石含量较低时（质量含量<10%）可以增加水分入渗，减少径流、降低土壤侵蚀量；大坡度和长历时降雨条件下，砾石会导致降雨后期侵蚀量剧增。土壤中的砾石层能限制水分向深层入渗，使得柠条坡地砾石层上的水分含量增加、砾石层下出现一个明显的低含水量层。发展了一种利用图像处理技术来估算坡面流速的方法，其优点在于：快速，无需率定，适于复杂地表覆盖条件。项目研究扩展了当前土壤物理学的研究领域，使人们对含砾石土壤中砾石的分布规律，砾石如何影响坡面水土过程及土壤水循环有了进一步的认识。项目研究结果在土壤侵蚀防控和植被建设中具有一定的应用价值，如可以将坡面砾石作为黄土高原土壤侵蚀的一种指示物；高砾石含量地区同样的土壤水分能发育更好的植被；在利用砾石覆盖来降低边坡土壤侵蚀的防护技术需考虑坡度和降雨历时。