碎石对土壤改良的影响

碎石对土壤改良的影响

碎石是指粒径大于2mm的矿沉淀。在石质山区,土壤表层常有大量的砾石存在,如在北京山区的粗骨褐土中,荒草地土壤表层的砾石含量高达22%以上。即使在黄土高原地区,有的土壤中也有大量的砾石存在。另外,由于严重的土壤侵蚀,也导致了某些地区的土壤出现了严重的土壤粗化问题(史德明,2000;章明奎,1999),使得土壤含有大量的砾石。土壤中大量砾石的存在,不仅对土壤物理特性如土壤容重、土壤孔隙率及土壤含水量等存在影响,并且也对土壤的入渗特性存在影响。入渗一方面决定了产生地表径流的水量,从而对地表侵蚀产生影响;另一方面,它又影响了土壤含水量,而对作物可利用的有效水产生影响,从而影响作物产量(Kosmas等,1994)。因此,土壤中砾石的存在将对整个水文循环产生影响。现有的土壤侵蚀过程模型如WEPP(Flangan等,1995),EUROSEM(Morgan等,1998)等都要求入渗参数的空间分布信息,以准确地预报、模拟径流和土壤侵蚀的时空变化规律。可见,研究土壤中砾石存在对入渗、径流的影响,也可为土壤侵蚀模型参数的输入提供依据,并提高模型的预报精度。此外,地表砾石覆盖也可作为土壤侵蚀治理手段而被应用于林地道路和一些开发建设项目的水土流失治理中。因此,研究土壤中砾石存在对入渗的影响有着及其重要的理论价值和应用价值。国外学者就土壤中砾石存在对土壤物理特性及入渗规律的影响等研究取得了一些成果。本文主要将国外研究作一评述,为国内该领域的研究提供借鉴。1砾石对土壤容重的影响土壤中砾石对入渗规律的影响主要是通过改变土壤特性如土壤容重、土壤含水量等引起的。通常,含大量砾石的土壤容重计算方法有两种。一是根据砾石在整个土样中的重量百分含量计算,其计算公式为:ρT=[(1−W)/ρb+W/ρs]−1(1)式中:ρT——土壤容重;ρs——砾石密度;ρb——土壤中细土(<2mm)容重;W——土壤中砾石重量百分含量。另外一种是根据砾石在土样中的体积百分含量进行计算,其计算公式为:ρT=ρb+Z2(ρs−ρb)(2)式中:ρT——土壤容重;ρs——砾石密度;ρb——土壤中细土(<2mm)容重;Z2——土壤中砾石体积百分含量。砾石存在对土壤容重存在较大的影响,土壤容重常规测量方法会带来较大的误差,因此,一些研究者提出了一些行之有效的方法,以准确测量这类含有较多砾石土壤的土壤容重(Cunningham等,1968;Luz等,1994;Shipp等,1995)。在研究砾石对土壤容重的影响时,主要考虑了两个方面:一是研究砾石存在对土壤中小于2mm的细土容重的影响;另一方面是砾石存在对包括砾石在内的总土壤容重的影响。Stewart等和Alberto的实验数据都表明:随着砾石含量的增加,土壤中细土容重降低。Torri利用Stewart和Alberto的实验数据建立了细土容重与砾石重量百分含量之间的关系式:δf=δf0(1−1.67Mr3.39)(3)式中:δf——细土容重;δf0——无砾石存在时的土壤容重;Mr——土壤中砾石的重量百分含量。Cerda试验结果表明,土壤中砾石覆盖度越大,土壤容重就越小。Cerda认为这是由于砾石覆盖增加了砾石下面土壤的有机质含量和阻碍土壤结皮所产生的结果。但也有研究表明,土壤容重先随砾石含量增加而增加,尔后又随砾石含量增加而减小。土壤中有大量砾石存在时,对土壤含水量也存在影响。Reinhart提出,由于砾石的含水量比细土的含水量小,因此土壤中如有大量砾石存在,在测量这类土壤含水量时,对其采样方法、试验方法及计算方法都应做相应调整。Epstein野外小区的试验结果表明,土壤中去除砾石小区的土壤含水量比没有去除砾石的自然状况小区的土壤含水量小。Petersen利用美国宾夕法尼亚州采集的粉壤土,分析了有砾石存在时土壤不同水平层持水量的变化,以及对凋萎含水量和田间持水量的影响。其研究结果表明土壤不同水平层中砾石含量的差异比水平层其它特性如粘土累积量、潜育化程度等更能影响土壤水平层有效水量。随着砾石含量的增加,土壤凋萎含水量减小,而田间持水量却基本上保持常量。因此土壤有效水随砾石含量增加而增加。Ingelmo在西班牙采集了7种不同基岩组成的92个土壤剖面,用以研究重力含水量和有效水量与土壤中砾石含量的关系。其研究表明,随土壤中砾石含量增加,土壤重力含水量指数(小于2mm细土中的重力含水量与土壤中的重力含水量之比值)和有效水量指数(小于2mm细土中的有效含水量与土壤中的有效含水量之比值)与砾石含量之间都存在或正或负的关系,而这取决于基岩的岩性。土壤中砾石存在对地表结皮也存在影响。Poesen研究了砾石在土壤中不同位置对地表结皮的影响,以及这种影响和土壤类型的关系。研究结果表明,细砂土比黄土质壤土更易发生土壤结皮现象。对于黄土质壤土,砾石在土壤中的位置对地表结皮强度没有明显影响;而对于细砂土,砾石在土壤中的位置对于地表结皮强度有明显影响,砾石覆盖于地面时的入渗量大于砾石镶嵌于地表土壤时的入渗量,即砾石覆盖于土壤表面时的土壤结皮强度比砾石镶嵌于土壤中时弱。2饱和水力传导率计算公式在降雨径流模型中,饱和水力传导率常常是一个重要的输入参数。土壤中砾石存在会影响土壤中空隙数量而对导水率造成影响。Peck和Watson最先考虑土壤中砾石存在对饱和水力传导率的影响,并用方程对含有砾石土壤的饱和水力传导率加以修正,其计算公式为:Kb/Ks=2(1−Z2)/(2+Z2)(4)式中:Kb——含有砾石的土壤饱和水力传导率;Ks——无砾石存在时,该土壤类型的饱和水力传导率;Z2——砾石的体积百分比含量。Bouwer和Rice用试验数据验证了Peck和Watson的公式,他们发现该公式过高估计了饱和水力传导率,尤其是在砾石含量较大的时候,并给出式(5)来计算饱和水力传导率。Kb/Ks=eb/es(5)式中:Kb——砂和砾石混合时的饱和水力传导率;Ks——砂土的饱和水力传导率;eb——含有砾石的砂土孔隙比;es——砂土孔隙比。欧洲土壤侵蚀模型(EUROSEM:Morgan等,1998)也考虑了土壤中砾石存在对饱和水力传导率的影响,并根据砾石在土壤中的不同位置而用不同的公式对饱和水力传导率加以了修正。当砾石位于土壤表层时,砾石的存在增加了土壤的入渗量,因此用公式(6)加以修正。当砾石镶嵌于土壤中时,砾石的存在减少了土壤的入渗量,而用公式(7)对饱和水力传导率加以修正。Ksroc=Ks(1+Pave)(6)Ksroc=Ks(1−Pave)(7)式中:Ksroc为砾石存在时土壤饱和水力传导率;Ks为无砾石存在时土壤饱和水力传导率;Pave为砾石覆盖度。Mehuys等在室内用扰动土样研究了土壤中砾石存在对不饱和水力传导率的影响,其研究结果表明,当不饱和水力传导率表示为体积含水量的函数时,土壤中有砾石存在的水力传导率明显高于土壤中无砾石时的水力传导率。当不饱和水力传导率表示为基质势的函数时,则土壤中有无砾石存在,对水力传导率的影响不大。3pla和丙纶工区对土壤入渗的影响土壤中砾石存在对入渗规律的影响研究,主要从野外小区试验和室内模拟试验两方面展开的。但这两方面的研究结果都表明,土壤中砾石覆盖对入渗的影响比较复杂。下面分别从这两方面来加以阐述。3.1土壤质地对入渗量的影响现有的野外小区试验研究结果表明,无论是灌草丛试验小区还是农地和裸地试验小区,入渗量与砾石覆盖度之间既有负相关关系,也有正相关关系。Epstein等对野外长22.1m,坡度为8%的3个农地径流试验小区分别进行了3种不同的处理,即(1)自然条件(农地),(2)将土壤中大于3.81cm的砾石清理出小区,(3)将土壤中大于3.81cm的砾石清理出小区,进行粉碎,并回填至土壤中。实验进行了为期4年的观测,其研究结果表明,砾石被清理出去的小区入渗量小于其余两个小区,砾石粉碎后回填的小区和自然状况小区的入渗量无显著差异。Box在5个地点分别采用人工降雨装置研究土壤中砾石对入渗和土壤侵蚀的影响,每个地点的试验小区分别进行了3种不同的处理,即(1)2个小区用于自然地表条件(农地),(2)1个小区将15cm土层中大于0.6cm的砾石清除出小区,(3)1个小区将(2)中清理出的砾石填至土壤中,这样,其砾石含量较第一种处理大1倍。所有小区在15cm耕作层内都进行翻耕。其研究结果发现,对于不同的土壤质地,这3种处理对入渗量的影响不同。对于粉沙壤土和粗骨粉沙壤土,清理出土壤中砾石小区(第2种处理)与自然状况小区(第一种处理)的入渗量无显著差异,而砾石含量番倍后的小区(第3种处理)入渗量大于其余两种情况。但是对于土壤质地为壤土的试验小区,前面3种处理对土壤入渗量并没有明显影响。Abraham在WalnutGulch流域用26个面积大小为1m×1m的灌草丛试验小区进行了人工降雨试验,研究不同砾石覆盖度对降雨入渗的影响。实验中,测定了试验小区内的砾石(直径大于5mm)覆盖度、灌木丛覆盖度、枯枝落叶覆盖度(包括灌木丛的根和地表枯枝落叶)和细土覆盖度(<5mm)。其研究结果表明土壤入渗率与灌木丛覆盖度和枯枝落叶覆盖度呈正相关关系,而与砾石覆盖度呈负相关关系,并且与砾石覆盖度的相关关系更好。Cerda研究了瑞典东南部地区砾石覆盖(该地区砾石大部分位于土壤表面)对入渗特性的影响,采用了灌草丛试验小区,试验区面积为0.24m2,其试验结果与Abrahams等的试验结果刚刚相反,其研究结果表明,土壤稳渗率与砾石覆盖度之间为正相关关系。他认为土体和岩石之间的孔隙有利于入渗水快速地向深层土壤渗透。同时砾石,尤其是风化砾石能拦截大量的雨水并吸收部分雨水,这就使得土壤中砾石含量越高,越有利于植被根系的生长和孔隙的发育,从而使得土壤入渗率越高。另外Cerda认为随砾石覆盖度增加,导致入渗量增加的另外一个原因是砾石存在增加了地面糙率,从而使得径流流速变缓而入渗量增加。砾石覆盖对降雨入渗的影响还与砾石在土壤中所处的位置有关。Valentin在4个不同气候区国家的12个站点选择了6种不同土壤质地、37个1m2大小的未扰动试验小区,进行了人工降雨试验,研究了砾石在土壤中不同位置以及土壤中砾石大小不同对降雨入渗的影响。研究结果表明,在干旱、半干旱地区,土壤中主要存在的是直径较大的、镶嵌于土壤中的砾石,此时入渗量与砾石覆盖度之间为负相关关系;在湿润地区,土壤中主要存在的是直径较小的、位于土壤表面的砾石,入渗率与砾石覆盖度之间为正相关关系。总之,现有的野外小区研究结果表明,降雨入渗与砾石覆盖度之间既有正相关关系存在,又有负相关关系存在。Wilcox等指出:当研究地面采用裸地或耕地地表时,入渗量与砾石含量之间的关系通常为正相关关系,这是由于砾石对土壤表面提供了额外的保护,减少了雨滴的直接打击,并减少了地表结皮的产生。然而Poesen等的研究结果表明,前面的正相关关系还取决于砾石在土壤中的位置。Abrahams和Parson认为对于没有用机械工具进行扰动的小区,入渗量与砾石含量之间的关系为正相关关系,而对于扰动小区,入渗量与砾石含量之间的关系为负相关关系。3.2不同覆盖度的岩石对降雨入渗量的影响为了更好地了解土壤中砾石覆盖对降雨入渗的影响机制,Poesen等在室内进行了大量的人工降雨试验。Poesen等采用长178.5cm,宽125.2cm(试验区域长94.5cm,宽60cm),坡度为5.7%的试验槽,利用人工降雨试验研究了砾石覆盖以及砾石在土壤中的不同位置对降雨入渗的影响。砾石在土壤中的位置分为两种情况:镶嵌于土壤之中(图1a)或位于地表土壤之上(图1b)。其研究结果表明,当砾石很好地镶嵌于土壤表层而形成一个较好的结皮层时(图1a),土壤入渗量与砾石覆盖度呈负相关关系;而当砾石位于土壤表面时(图1b),土壤入渗量与砾石覆盖度呈正相关关系。由此,Poesen等认为这一研究结果可用于解释野外试验中入渗量与砾石覆盖度之间的或正或负关系。Valetin在野外试验小区的研究也得到了与Poesen等相类似的结果。Poesen等发现降雨入渗量与砾石覆盖之间的关系,不仅与砾石在土壤中的位置有关,而且还与砾石附近的土壤孔隙类型有关。当砾石部分镶嵌于土壤表层而存在结构孔隙(图1e)或砾石位于有结构孔隙和质地孔隙的土壤表层(图1b和图1d)时,土壤入渗量与砾石覆盖度之间为正相关关系;当砾石很好地镶嵌于土壤表层而形成一个较好的结皮层(图1a和图1c)时,土壤入渗量与砾石覆盖度呈负相关关系。此外,Poesen等用不同大小的聚苯乙烯方块(厚2mm)来模拟不同砾石大小对入渗的影响。实验采用室内人工降雨,所用聚苯乙烯方块大小分别为3cm,5.9cm,11.7cm和22.3cm。试验土壤采用了对地表结皮较为敏感的壤质砂土。研究结果表明,当覆盖度和聚苯乙烯方块在土壤中的位置一定时,随着聚苯乙烯方块尺寸的增加,入渗量减小。同时,他也发现,聚苯乙烯方块在土壤中的不同位置对降雨入渗的影响。当覆盖度与聚苯乙烯方块大小一定时,聚苯乙烯方块部分镶嵌于土壤中时的入渗量总小于聚苯乙烯方块位于地表时。这是由于作者采用的是对地表结皮较为敏感的壤质砂土,当聚苯乙烯方块部分镶嵌于土壤中时,土壤表面形成了一个较好的土壤结皮层,从而使得土壤入渗量减小。4土壤侵蚀模型土壤中砾石存在通过影响土壤容重、土壤含水量等土壤特性,而对土壤的入渗规律产生影响。现有的研究表明,土壤中砾石的存在对入渗规律的影响较为复杂,即入渗量与砾石含量之间有正相关或负