碎石分布对紫色土坡面侵蚀的影响及其作用机制

In the Three Gorges Reservoir Region, the gravelification characteristic of purple soil is prominent because of strong physical weathering and serious soil erosion. However, the influence of rock fragments on slope erosion processes and its mechanism haven’t been clarified. Thereby, purple soil slope which riches in rock fragments in the Three Gorges Reservoir Region will serve as object of study in this project. Through various experiments such as fieldwork, soil profile investigation, in door and out door water movement simulation and in situ simulated rainfall, the spatial distribution characteristics of rock fragments in purple soil and the variation patterns of physical and hydraulic properties (bulk density, porosity, water holding capacity, water conductivity, etc.) of soils containing rock fragments will be analyzed, the influence of rock fragment distribution on infiltration, runoff and sediment will be studied, then the development and progression of erosion on purple soil slope under combined action of surface runoff and subsurface runoff will be revealed, and eventually the quantitative relationship between rock fragment distribution characteristics and infiltration, surface and subsurface runoff and sediment etc. erosion sub-processes on purple soil slope will be established. Research in erosion of purple soil slope with rock fragments from soil physical, soil hydropedological and soil erosion dynamics perspectives will have great significance on in-depth study of erosion processes on purple soil slope, and will also be conducive to enhancing understanding of erosion processes and provide important scientific basis for erosion control and improvement of stony soils which are widespread in hilly and mountainous area of China.

在三峡库区，强烈的物理风化及严重的土壤侵蚀使紫色土砾质化特征十分明显，但有关碎石分布对紫色土侵蚀过程的影响及其作用机制尚未明确。本项目拟以三峡库区紫色土坡地为研究对象，针对其碎石分布广泛、含量高的特点，通过野外考察、土壤剖面调查、室内外水分运动模拟及原位模拟降雨等实验，分析紫色土中碎石分布特征及相应土壤容重、孔隙、持水性与导水性等土壤物理、水力学性质变异规律，研究碎石分布对紫色土坡面降雨入渗及产流产沙的影响，探讨其作用机制，解释地表径流和壤中流共同作用下紫色土坡面土壤侵蚀发生发展过程，建立碎石分布特征与坡面入渗、地表径流、壤中流产流及侵蚀产沙等坡面侵蚀子过程的定量关系。该研究从土壤物理学、土壤水文学和土壤侵蚀动力学等角度研究碎石分布对侵蚀过程的影响，对紫色土坡面侵蚀过程的深入研究有重要意义，同时该研究也有利于增进对我国山区含碎石土壤侵蚀过程的认识，为其侵蚀防治及改良利用提供重要的科学依据。

在三峡库区，强烈的物理风化及严重的土壤侵蚀使紫色土砾质化特征十分明显，但有关碎石分布对紫色土侵蚀过程的影响及其作用机制尚未明确。故本项目以三峡库区紫色土坡地为研究对象，针对其碎石分布广泛、含量高的特点，通过野外考察、土壤剖面调查、室内外水分运动模拟及原位模拟降雨等实验，分析了紫色土中碎石分布特征及相应土壤容重、孔隙、持水性与导水性等土壤物理、水力学性质变异规律，研究了碎石分布对紫色土坡面降雨入渗及产流产沙的影响，探讨了其作用机制，解释地表径流和壤中流共同作用下紫色土坡面土壤侵蚀发生发展过程，建立了碎石分布特征与坡面入渗、地表径流、壤中流产流及侵蚀产沙等坡面侵蚀子过程的定量关系。研究结果显示：①紫色土不同土层都含有碎石，碎石含量集中分布在0%~40%。②碎石和细土两种不同数量级粒径颗粒的混合，改变了土壤的结构，碎石含量对土壤的总容重、细土容重和孔隙分布等基本物理性质有显著影响。③当碎石含量小于20%~30%时，碎石的存在增强了土壤入渗能力，随着碎石含量的增加，土壤的入渗速率和累积入渗量分别从0.14 mm/min、14.25 mm（Rv = 0%）提高到0.18 mm/min、19.19 mm（Rv = 20%）。④碎石覆盖提高了表土粗糙度，增加了地表洼蓄水深，并保护表土结构免受雨滴击溅破坏，维护土壤入渗性能，三种降雨强度下（0.95 ± 0.04 mm/min、1.51 ± 0.05 mm/min与2.03 ± 0.08 mm/min），稳定入渗速率分别从0.28、0.33、0.40 mm/min（碎石盖度 0%）增加到0.71、0.85、0.94 mm/min（碎石盖度 40%）。碎石覆盖保护表土免受雨滴溅蚀和径流的冲刷，随着碎石盖度增加，径流含沙率从39~51 g/L（碎石盖度 0%）降低到10~15 g/L（碎石盖度 40%）。碎石覆盖通过减少地表径流量和表土可蚀土壤，抑制了土壤流失。碎石覆盖对土壤侵蚀相关参数的影响具有边际效应，20%的碎石盖度是增加入渗，减少地表径流和土壤流失最佳盖度。本研究从土壤物理学、土壤水文学和土壤侵蚀动力学等角度研究了碎石分布对侵蚀过程的影响，对紫色土坡面侵蚀过程的深入研究有重要意义，同时该研究也有利于增进对我国山区含碎石土壤侵蚀过程的认识，为其侵蚀防治及改良利用提供重要的科学依据。