耕作引起的紫色土母岩破碎运动定量分析

2020-05-19许海超张建辉戴佳栋

农业工程学报 2020年7期

许海超，张建辉，戴佳栋，王勇，王恒，向军

（1. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 四川农业大学水利水电学院，雅安625014）

0 引言

四川盆地紫色土区是典型的岩土二元结构，浅薄的土层直接下伏母岩，泥（页）岩是形成该区土壤的主要母质[1]。由于土体结构松散、降雨集中且农业生产活跃，导致土壤侵蚀严重，部分坡耕地土壤浅薄甚至基岩裸露。

在农业实践中，农民为了抵消土壤侵蚀引起的土壤生产力下降，通常有2 种方式可以补充土壤：1）从下坡土壤堆积区或其他地方搬运土壤补充到上坡位置[2]，称为“背地边”；2）使用母岩风化物补充[3]，称为“喙石骨”。破碎母岩补充耕层土壤以维持地力是紫色土区农民基于长期的耕作经验探索出的农业生产方式[4-7]。耕作产生的岩屑会向顺坡方向运动，紧接着更深处的母岩暴露出来并在后续耕作中被继续破碎[8-9]。最为关键的是该区紫色母岩（尤其是紫色泥岩）相对松软且易发生崩解[10]，混入土壤中的紫色母岩碎屑可以在短期内风化成土，其富含的P、K 等元素可以补充土壤肥力[11]。

耕作破碎母岩产生双重效应，一方面直接导致母岩破碎，进而加速母岩风化进程；另一方面，耕作破碎母岩过程中部分岩石碎屑会被搬离原来位置，所以也是一种母岩侵蚀形式。岩石的强度由岩石类型、岩石含水程度、岩石固化程度等共同决定[12]，会直接影响耕作过程中母岩抵抗破坏的能力；而坡度、地面起伏等地形条件会影响坡面物质的运移过程[13]。因此，耕作破碎母岩既是一种人为风化过程，也是一种人为侵蚀过程，是岩土界面上人为因素和自然因素共同作用的结果。相对于矿山开采、工程建设的影响，当前只有少量研究提及耕作对母岩的直接破碎作用[6,14]，而且多为定性描述，鲜见定量研究报道。本研究采用物理示踪和模拟耕作相结合的方法，定量评估不同自然条件和耕作方式下母岩破碎运动特征，对于深入了解母岩人为风化成土和侵蚀机制具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省简阳市（104°28′E，30°26′N），地貌为典型的川中丘陵浅丘地貌，海拔400～587 m，相对高度一般是20～40 m，丘陵坡耕地坡度在4.5°～20°之间，主要集中在5°～15°[15]。气候类型属于亚热带湿润气候，四季分明，年平均气温17 ℃。多年平均降雨量约为960 mm，且90%以上的降雨集中在5—10 月。按照中国现有土壤系统分类标准，土壤被划分为石灰紫色正常新成土。成土母岩为侏罗系蓬莱镇组紫色泥（页）岩，为钙泥质（或泥钙质），胶结固结性差、组织松软、抗压强度低、矿物组成复杂，受冷热干湿影响胀缩剧烈[1,16]。旱坡耕地是本区主要土地利用类型，具有块小、坡陡、土层浅薄的显著特点。坡顶土层一般厚仅20 cm；顺坡向下，土层逐渐加深，可达40～50 cm。耕作方式为顺坡向上锄耕，每年耕作1～2 次。农耕地种植结构以小麦（Triticum aestivum L.）—玉米（Zea mays L.）—红薯（Ipomoea batatas [L.] Lam）为主。

1.2 试验设计

为研究耕作对母岩的影响，设置了3 个试验变量：岩石含水率（7.44%和14.77%）、耕作深度（2、4、6 cm）、坡度（5°、10°、15°、20°、25°），共进行模拟耕作30组。在走访农户和野外模拟耕作后发现，不论是在覆土坡面还是裸岩坡面上，研究区内锄耕破碎母岩的可行深度范围为0～6 cm，所以选择2、4、6 cm 耕作深度进行研究。

1.3 试验过程

在土层浅薄的坡面上，清理出坡度分别为0～25°的5种母岩（紫色泥岩）坡面，每个耕作小区的大小为2 m×1.5 m。使用带有直径2 cm 加长合金开孔器的电钻，在等高线上每隔10 cm 开1 个直径为2 cm、深6 cm 的示踪孔，该方法可以有效避免损坏示踪孔周围的岩体，尽量保持母岩原本的力学性质。以最左侧示踪孔底部为原点，顺坡方向为X 轴，等高线为Y 轴，垂直于坡面为Z轴，建立三维坐标系。每组试验沿Y 轴布置14 个示踪孔，每个孔内沿Z 轴布置3 排示踪剂。选用最大直径为2 cm的白色砾石作为示踪剂，因为该种示踪剂成本低廉且易区别于紫色母岩。把示踪剂逐个进行编号，按照顺序依次放入示踪孔中，并在空隙中填入具有一定黏性的湿润细土，然后压实，使示踪剂和母岩成为整体（图1）。使用细土覆盖示踪区域，避免耕作人员进行选择性耕作，以保证结果的可靠性。

图1 试验坡面布置示意图 Fig. 1 Sketch of sloping land layout for the experiment

准备工作就绪后，使用可调耕作深度的锄头[17]，分别使用2、4、6 cm 深度从坡底向坡顶方向进行顺坡耕作，直至越过示踪区至少20 cm。所用工具的锄页长22 cm，下边缘宽14 cm，上边缘宽10 cm。所有试验由同一具有熟练耕作技能的农民完成，以确保试验的控制条件一致。耕作结束后，使用小型三齿耙从坡底向坡顶依次挖掘，发现示踪砾石时记录其三维坐标位置。

于2017 年11 月（A 组）和2018 年3 月（B 组）在同一地点的相邻小区完成试验，且都是在清除覆土层后获得的新鲜母岩坡面进行试验，以减少外界温度、母岩结构状态、风化程度等可能带来的影响。

1.4 计算及测定指标

根据所有示踪砾石的位移计算破碎母岩的平均位移。

式中D 是顺坡方向的平均位移，m；Dij是编号为ij 的示踪剂平行于耕作方向的位移，m；i 是示踪剂的行号，1≤i≤3；j 是列号，1≤j≤14；n 是示踪剂的总数。

每次耕作完成后，随机选择3 块新鲜母岩块装入样品袋中密封。在实验室内，去除母岩表层易于剥离的成分，称质量m1；在105 ℃下烘干24 h，称质量m2；然后，使用蜡封法测量岩块体积V。根据以上结果计算出耕作前的母岩含水率和容重。

2 次试验母岩的含水率分别为14.77%和7.44%，而母岩的容重分别为（20.79± 0.51）、（21.20± 0.46）kN/m3，基本一致（表1）。

表1 试验坡面的基本情况 Table 1 Condition of sloping lands

2 结果与分析

2.1 破碎母岩平均位移

在2 组含水率不同的母岩上耕作得到的结果存在明显差异（图2）。对于含水率为14.77%的母岩，使用2 cm深度耕作产生的岩屑平均位移为（0.33±0.01）m，相比于其他深度耕作明显偏大；使用4 cm 深度耕作与6 cm 深度耕作产生的岩屑平均位移差异不大（（0.21±0.02）m vs. （0.20±0.01）m）。对于含水率为7.44%的母岩，耕作深度与岩屑平均位移无显著相关（P＞0.1，表2）。在不考虑坡度影响的情况下，含水率为14.77%的母岩在2、4、6 cm 深度耕作下产生的岩屑位移的平均值比含水率为7.44%的母岩分别大67.72%、9.03%和4.16%。可见，含水率是影响坡面母岩破碎运移的重要因素，但是这种影响随着耕作深度的增大逐渐减小。

图2 耕作破碎母岩引起的岩屑平均位移 Fig. 2 Mean displacement distance of rock fragments induced by tillage

结合表2 可以发现，含水率为14.77%的母岩，坡度对岩屑平均位移无显著影响（P＞0.1），而耕作深度增加对岩屑平均位移有极显著减弱作用（P＜0.001）；含水率为7.44%的母岩，岩屑平均位移随着坡度的增加显著增大（P＜0.1），而耕作深度对岩屑平均位移无显著影响（P＞0.1）。以上结果说明，含水率较高的母岩破碎运动由耕作深度占主导，而含水率较低的母岩破碎运动受坡度影响较大。

表2 不同水分条件下岩屑平均位移与坡度和耕作深度的相关系数 Table 2 Correlation coefficients between mean displacement distance and slope and tillage depth for bedrocks with different moisture contents

2.2 不同深度破碎母岩运动特征

为了进一步剖析耕作引起的母岩破碎运移机制，对不同深度的岩屑运动特征进行分别归纳（图3）。结果显示，使用4 和6 cm 耕作深度处理的坡面，下层岩屑的位移明显比上层岩屑的小（图3b、图3c、图3e、图3f）。对于含水率为14.77%和7.44%的母岩，使用4 cm 深度耕作时，＞2～4 cm 深度的岩屑平均位移比0～2 cm 深度分别减少了38.07%、32.13%；耕作深度为6 cm 时，＞2～4 cm深度的岩屑平均位移相对于0～2 cm 深度分别减少了50.93%、28.8%，＞4～6 cm 深度的岩屑平均位移相对于0～2 cm 深度分别减少了61.63%、45.91%。可见，特定耕作深度下，岩屑位移随着深度的增加快速减小，且岩石含水率高的坡面减小幅度更大。

图3 耕作破碎母岩引起的不同深度岩屑运移 Fig. 3 Movement of rock fragments at different depths under different tillage depths

对于顶层岩屑（0～2 cm）而言（图3），除了含水率为14.77%的母岩在2 cm深度耕作时的岩屑平均位移明显偏大，其他坡面上的岩屑平均位移都随着耕作深度的增加逐渐增大。在含水率为14.77%的坡面上，使用6 cm深度耕作的顶层岩屑平均位移比4 cm 深度耕作增加了19.65%；在含水率为7.44%的坡面上，使用4 cm 和6 cm深度耕作时，顶层岩屑平均位移比2 cm 深度耕作分别增加了19.38%和25.5%，说明增大耕作深度可以显著增大顶层岩屑的顺坡位移（P＜0.1，表3）。坡度对含水率为14.77%坡面上的顶层岩屑运动无显著影响（P＞0.1），而含水率为7.44%坡面上的顶层岩屑位移与坡度之间存在显著正相关关系（P＜0.1）。在不考虑坡度影响的情况下，分别使用2、4、6 cm 的深度耕作时，含水率为14.77%的坡面比含水率为7.44%的坡面上顶层岩屑的平均位移分别高出67.72%，7.87%和22.77%。此外，最上层岩屑位移的标准差明显偏大，说明顶层岩屑运动剧烈且随机性较强。

对于＞2～4 cm 深度的岩屑，不同含水率坡面之间的岩屑平均位移差异不大，而且坡度和耕作深度对该层的岩屑运动都无显著影响（P＞0.1）。对于＞4～6 cm 深度的岩屑，在含水率为14.77%的坡面上岩屑平均位移与坡度之间无显著关联（P＞0.1），而在含水率为7.44%的坡面上岩屑平均位移与坡度显著正相关（P＜0.1）。以上结果说明，耕作破碎母岩引起的岩屑运动过程受到岩石含水率、耕作深度和坡度的共同影响，且各因子在不同深度的作用机制不同。

表3 不同深度岩屑位移与坡度和耕作深度的相关系数 Table 3 Correlation coefficients of mean displacement distance of rock fragments to slope gradient and tillage depth for different deep layers

3 讨论

3.1 耕作破碎母岩示踪方法

当前尚未见测算土壤母岩破碎运动的方法，本研究首次将点物理示踪法应用到该领域。选择该种示踪方法是基于：1）点物理示踪技术比较成熟，已广泛应用于测定土壤运动，结果相对可靠[18-19]；2）母岩是一个整体，破碎后其力学性质随即改变，所以添加示踪剂应遵循不破坏或者少破坏母岩原有结构的原则，该方法可以有效减少对母岩的破坏。但是，该方法也存在操作繁琐、工作量大的缺点。现有的磁性示踪方法可以节约大量工作[20]，但是磁性示踪剂需要与被示踪物质充分混合，所以无法应用到该试验中。另外，非示踪剂法可以避免对监测对象的干扰，如模型法和梯级法[21-22]，以及近期应用到土壤运移测定中的激光雷达扫描方法[23]、无人机技术（UAV）[24]，这些方法虽然可以避免岩体破坏，但是无法判定不同深度岩屑的运动情况。值得注意的是，使用点物理示踪法时要尽量在试验条件允许的前提下设置足够多的示踪孔作为重复，以避免少数示踪孔测定结果差异造成的试验数据突变，从而减少偶然性造成的影响。

3.2 岩石含水率对母岩破碎运动影响机制

水对岩石力学性质有着显著的影响，水分子的介入改变了岩石的物理状态，削弱了颗粒间的联系[25]。柴贺军[26]研究表明紫色泥岩的力学性质受含水率的影响很大，抗剪强度随着含水率的增大逐渐减小。使用相同深度耕作时，耕作者施加在母岩表面的力的大小比较接近。由于含水率越低的母岩抗破坏强度越高，施加相同载荷对其破坏越小，所以从岩体破碎、剥离后的岩屑运动平均位移也就越小。反之，由于含水率越高的母岩抗破坏强度越低，耕作者使用相同力量破碎母岩时，岩屑会获得更大的动能，从而产生更大的岩屑位移。

Sharifat 和Kushwaha[27]进行土壤耕作试验时发现土壤位移与土壤含水率正相关，这与本文耕作破碎母岩得到的结果一致。土壤含水率于塑限以下时，土壤抗剪强度随水分增加而增大[28-29]，但是大量研究证实土壤位移与抗剪强度负相关[30-32]。这种看似矛盾的结果是因为土壤含水率越高的坡面，土壤黏性越强，土壤在黏聚力的作用下可随耕作工具运动的更远；而含水率越高的母岩，抗剪强度越低[26]，且岩屑不会粘附在耕作工具上，所以岩石强度才是其破碎运移的决定因素。因此，虽然土壤和母岩在耕作过程中随含水率变化的运动趋势相似，但其作用机制存在根本差异。

3.3 耕作深度对母岩破碎运动影响机制

大量研究表明耕作引起的土壤位移随着耕作深度的增加而增大[33-35]，而本研究中随耕作深度的增大，岩屑平均位移不增反减。Zhang 等[35]发现，进行深耕需要更大的顺坡方向的力来拖动土壤，土块在离开锄页时会有更大的初始速度，因此可以克服更大阻力运动到更远的位置。但是，耕作破碎母岩时，在锄页嵌入岩体过程中母岩发生破碎、解体，所以基本不需要沿顺坡方向进行拖拽，尤其进行浅层耕作（2 和4 cm）时这种现象更加明显。此外，耕作过程中土壤是以块体形式运动，所以不同深度的土壤的位移相近；而母岩破碎后以碎屑形式进行运动，由于上层母岩的缓冲作用，越往深度岩石受到的力越小，因此不同深度的岩屑位移差距很大。Ziegler等[36]在试验基础提出耕作引起的土壤顺坡运动，60%由锄头直接接触引起，40%由分离后的土壤跳跃滚动造成；从本文研究结果可以发现，耕作破碎母岩引起的岩屑运动主要由分离后的岩屑跳跃滚动造成。

破坏体积大的同种岩石需要施加更大的力，因为岩块破裂时的最大载荷随体积增大而增大[12]。对母岩进行耕作时，随着耕作深度的增大，单次耕作破坏的母岩体积随之增大，因此操作者需要施加更大的力才能到达破坏载荷。同时，随着耕作深度的增大，顶层母岩受到的冲击力更大，所以岩屑会获得更大的动能，运动到更远的位置。另外，试验中发现，大部分飞溅的母岩会被前一次耕作形成的岩屑堆积物阻挡，且耕作深度越大，阻挡效应越强，所以随着耕作深度的增大顶层岩屑在获得更大动能的情况下并没有大幅度增长。本试验中，在含水率为14.77%的母岩坡面上，使用2 cm深度进行耕作时，岩屑位移明显偏大，不符合以上规律。可能原因是含水率高的母岩抗破坏强度低，更容易破碎，因此岩屑获得动能较大；而2 cm 深度耕作产生的岩屑较少，分布不够集中，阻挡效应微弱，所以该情况下岩屑运动距离明显偏大。此外，相同体积的岩块，含水率越高其质量越大，受到惯性的影响越大，这也是含水率高时岩屑运动距离更远的原因之一。

3.4 坡度对母岩破碎运动影响机制

坡度决定了坡面物质的稳定性，相同耕作条件下，坡度越大坡面物质越容易发生顺坡移动[13,21,37]。但是，本研究中只有含水率低（7.44%）的坡面岩屑运动符合该规律；而含水率高（14.77%）的坡面岩屑运动与坡度无显著关联（表2），且不同深度的岩屑运动与坡度都无显著关系，这种现象是由于2 种含水率的母岩在不同坡度上的运动差异所致。

由于含水率低（7.44%）的母岩强度较高、不易破碎，锄页耕入6 cm 深时，深度位置的母岩破碎运动都很微弱，此时耕作者会进行拉拽和翻转操作，底层（＞4～6 cm）岩屑上移并在重力作用下运动，而坡度越大，重力对坡面物质运动的影响强烈；与此同时，＞2～4 cm 深度岩屑始终处于翻转的中心，且有在上层母岩的缓冲作用下，岩屑跳跃、滚动等重力主导的运动较为微弱，所以该层岩屑的运动基本不受坡度影响。然而，在母岩强度较小（含水率为14.77%）的坡面耕作时，操作者不需使用很大的力就可以实现破碎母岩的目的，也不需要进行拉拽和翻转，故深度（＞2～4 cm 和＞4～6 cm）的岩屑位移都与坡度没有显著关系。

耕作时锄页与坡面并非垂直，随着坡度的增大，锄柄与坡面的角度变化不大，但是与水平方向之间的角度逐渐减小（图4）。由于母岩破碎时受到垂直于锄页方向（沿锄柄方向）的力，岩屑初始速度的方向和锄柄一致，所以小坡度上岩屑跳跃高度更大，在没有阻挡物的情况下可运动更远；而大坡度上的岩屑虽然沿顺坡方向的速度更大，但是跳跃高度较小，大部分被前次耕作形成的疏松物质阻挡。施加相同的力进行耕作时，岩石强度低的坡面上岩屑跳跃更加严重，随着坡度的增大，重力对跳跃岩屑的运动影响越来越大，同时被前次耕作形成的疏松物质阻挡的岩屑也越来越多，因此整体上含水率为14.77%坡面的岩屑位移与坡度关系不显著。而在岩石强度高（含水率为7.44%）的坡面上耕作时，大部分能量都用于使母岩破碎，导致岩屑剥离后获得的动能较小，跳跃高度差异较小，主要在重力下沿坡面滚动，所以受坡度的影响较大。

除了上文中讨论的3 个试验变量，外界温度也是影响母岩风化破碎的重要因素，且不同地点和不同时间节点母岩的风化程度也会存在一定差异。因此，野外模拟耕作试验要尽量选择在外界温度相近的环境中进行，且相关试验的时间和空间上应尽量接近，以将温度、母岩结构状态、风化程度等控制变量限定在相对一致的范围内。

本文将耕作侵蚀的研究对象从土壤拓展到母岩，对于深化耕作侵蚀研究具有重要意义。此外，耕作破碎母岩会引起坡面砾石的含量、粒径组成和空间分布发生变化，而且长期耕作也会引起显著的地形演化，这些都是影响坡面水文过程的重要因素。