耕作引起的紫色土母巖破碎運(yùn)動(dòng)定量分析

許海超，張建輝，戴佳棟，王 勇，王 恒，向 軍

（1. 中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，雅安625014）

0 引 言

四川盆地紫色土區(qū)是典型的巖土二元結(jié)構(gòu)，淺薄的土層直接下伏母巖，泥（頁(yè)）巖是形成該區(qū)土壤的主要母質(zhì)[1]。由于土體結(jié)構(gòu)松散、降雨集中且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活躍，導(dǎo)致土壤侵蝕嚴(yán)重，部分坡耕地土壤淺薄甚至基巖裸露。

在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中，農(nóng)民為了抵消土壤侵蝕引起的土壤生產(chǎn)力下降，通常有2 種方式可以補(bǔ)充土壤：1）從下坡土壤堆積區(qū)或其他地方搬運(yùn)土壤補(bǔ)充到上坡位置[2]，稱為“背地邊”；2）使用母巖風(fēng)化物補(bǔ)充[3]，稱為“喙石骨”。破碎母巖補(bǔ)充耕層土壤以維持地力是紫色土區(qū)農(nóng)民基于長(zhǎng)期的耕作經(jīng)驗(yàn)探索出的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[4-7]。耕作產(chǎn)生的巖屑會(huì)向順坡方向運(yùn)動(dòng)，緊接著更深處的母巖暴露出來(lái)并在后續(xù)耕作中被繼續(xù)破碎[8-9]。最為關(guān)鍵的是該區(qū)紫色母巖（尤其是紫色泥巖）相對(duì)松軟且易發(fā)生崩解[10]，混入土壤中的紫色母巖碎屑可以在短期內(nèi)風(fēng)化成土，其富含的P、K 等元素可以補(bǔ)充土壤肥力[11]。

耕作破碎母巖產(chǎn)生雙重效應(yīng)，一方面直接導(dǎo)致母巖破碎，進(jìn)而加速母巖風(fēng)化進(jìn)程；另一方面，耕作破碎母巖過(guò)程中部分巖石碎屑會(huì)被搬離原來(lái)位置，所以也是一種母巖侵蝕形式。巖石的強(qiáng)度由巖石類(lèi)型、巖石含水程度、巖石固化程度等共同決定[12]，會(huì)直接影響耕作過(guò)程中母巖抵抗破壞的能力；而坡度、地面起伏等地形條件會(huì)影響坡面物質(zhì)的運(yùn)移過(guò)程[13]。因此，耕作破碎母巖既是一種人為風(fēng)化過(guò)程，也是一種人為侵蝕過(guò)程，是巖土界面上人為因素和自然因素共同作用的結(jié)果。相對(duì)于礦山開(kāi)采、工程建設(shè)的影響，當(dāng)前只有少量研究提及耕作對(duì)母巖的直接破碎作用[6,14]，而且多為定性描述，鮮見(jiàn)定量研究報(bào)道。本研究采用物理示蹤和模擬耕作相結(jié)合的方法，定量評(píng)估不同自然條件和耕作方式下母巖破碎運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)于深入了解母巖人為風(fēng)化成土和侵蝕機(jī)制具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省簡(jiǎn)陽(yáng)市（104°28′E，30°26′N(xiāo)），地貌為典型的川中丘陵淺丘地貌，海拔400～587 m，相對(duì)高度一般是20～40 m，丘陵坡耕地坡度在4.5°～20°之間，主要集中在5°～15°[15]。氣候類(lèi)型屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候，四季分明，年平均氣溫17 ℃。多年平均降雨量約為960 mm，且90%以上的降雨集中在5—10 月。按照中國(guó)現(xiàn)有土壤系統(tǒng)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，土壤被劃分為石灰紫色正常新成土。成土母巖為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組紫色泥（頁(yè)）巖，為鈣泥質(zhì)（或泥鈣質(zhì)），膠結(jié)固結(jié)性差、組織松軟、抗壓強(qiáng)度低、礦物組成復(fù)雜，受冷熱干濕影響脹縮劇烈[1,16]。旱坡耕地是本區(qū)主要土地利用類(lèi)型，具有塊小、坡陡、土層淺薄的顯著特點(diǎn)。坡頂土層一般厚僅20 cm；順坡向下，土層逐漸加深，可達(dá)40～50 cm。耕作方式為順坡向上鋤耕，每年耕作1～2 次。農(nóng)耕地種植結(jié)構(gòu)以小麥（Triticum aestivum L.）—玉米（Zea mays L.）—紅薯（Ipomoea batatas [L.] Lam）為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究耕作對(duì)母巖的影響，設(shè)置了3 個(gè)試驗(yàn)變量：巖石含水率（7.44%和14.77%）、耕作深度（2、4、6 cm）、坡度（5°、10°、15°、20°、25°），共進(jìn)行模擬耕作30組。在走訪農(nóng)戶和野外模擬耕作后發(fā)現(xiàn)，不論是在覆土坡面還是裸巖坡面上，研究區(qū)內(nèi)鋤耕破碎母巖的可行深度范圍為0～6 cm，所以選擇2、4、6 cm 耕作深度進(jìn)行研究。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

在土層淺薄的坡面上，清理出坡度分別為0～25°的5種母巖（紫色泥巖）坡面，每個(gè)耕作小區(qū)的大小為2 m×1.5 m。使用帶有直徑2 cm 加長(zhǎng)合金開(kāi)孔器的電鉆，在等高線上每隔10 cm 開(kāi)1 個(gè)直徑為2 cm、深6 cm 的示蹤孔，該方法可以有效避免損壞示蹤孔周?chē)膸r體，盡量保持母巖原本的力學(xué)性質(zhì)。以最左側(cè)示蹤孔底部為原點(diǎn)，順坡方向?yàn)閄 軸，等高線為Y 軸，垂直于坡面為Z軸，建立三維坐標(biāo)系。每組試驗(yàn)沿Y 軸布置14 個(gè)示蹤孔，每個(gè)孔內(nèi)沿Z 軸布置3 排示蹤劑。選用最大直徑為2 cm的白色礫石作為示蹤劑，因?yàn)樵摲N示蹤劑成本低廉且易區(qū)別于紫色母巖。把示蹤劑逐個(gè)進(jìn)行編號(hào)，按照順序依次放入示蹤孔中，并在空隙中填入具有一定黏性的濕潤(rùn)細(xì)土，然后壓實(shí)，使示蹤劑和母巖成為整體（圖1）。使用細(xì)土覆蓋示蹤區(qū)域，避免耕作人員進(jìn)行選擇性耕作，以保證結(jié)果的可靠性。

圖1 試驗(yàn)坡面布置示意圖 Fig. 1 Sketch of sloping land layout for the experiment

準(zhǔn)備工作就緒后，使用可調(diào)耕作深度的鋤頭[17]，分別使用2、4、6 cm 深度從坡底向坡頂方向進(jìn)行順坡耕作，直至越過(guò)示蹤區(qū)至少20 cm。所用工具的鋤頁(yè)長(zhǎng)22 cm，下邊緣寬14 cm，上邊緣寬10 cm。所有試驗(yàn)由同一具有熟練耕作技能的農(nóng)民完成，以確保試驗(yàn)的控制條件一致。耕作結(jié)束后，使用小型三齒耙從坡底向坡頂依次挖掘，發(fā)現(xiàn)示蹤礫石時(shí)記錄其三維坐標(biāo)位置。

于2017 年11 月（A 組）和2018 年3 月（B 組）在同一地點(diǎn)的相鄰小區(qū)完成試驗(yàn)，且都是在清除覆土層后獲得的新鮮母巖坡面進(jìn)行試驗(yàn)，以減少外界溫度、母巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)、風(fēng)化程度等可能帶來(lái)的影響。

1.4 計(jì)算及測(cè)定指標(biāo)

根據(jù)所有示蹤礫石的位移計(jì)算破碎母巖的平均位移。

式中D 是順坡方向的平均位移，m；Dij是編號(hào)為ij 的示蹤劑平行于耕作方向的位移，m；i 是示蹤劑的行號(hào)，1≤i≤3；j 是列號(hào)，1≤j≤14；n 是示蹤劑的總數(shù)。

每次耕作完成后，隨機(jī)選擇3 塊新鮮母巖塊裝入樣品袋中密封。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，去除母巖表層易于剝離的成分，稱質(zhì)量m1；在105 ℃下烘干24 h，稱質(zhì)量m2；然后，使用蠟封法測(cè)量巖塊體積V。根據(jù)以上結(jié)果計(jì)算出耕作前的母巖含水率和容重。

2 次試驗(yàn)?zāi)笌r的含水率分別為14.77%和7.44%，而母巖的容重分別為（20.79± 0.51）、（21.20± 0.46）kN/m3，基本一致（表1）。

表1 試驗(yàn)坡面的基本情況 Table 1 Condition of sloping lands

2 結(jié)果與分析

2.1 破碎母巖平均位移

在2 組含水率不同的母巖上耕作得到的結(jié)果存在明顯差異（圖2）。對(duì)于含水率為14.77%的母巖，使用2 cm深度耕作產(chǎn)生的巖屑平均位移為（0.33±0.01）m，相比于其他深度耕作明顯偏大；使用4 cm 深度耕作與6 cm 深度耕作產(chǎn)生的巖屑平均位移差異不大（（0.21±0.02）m vs. （0.20±0.01）m）。對(duì)于含水率為7.44%的母巖，耕作深度與巖屑平均位移無(wú)顯著相關(guān)（P＞0.1，表2）。在不考慮坡度影響的情況下，含水率為14.77%的母巖在2、4、6 cm 深度耕作下產(chǎn)生的巖屑位移的平均值比含水率為7.44%的母巖分別大67.72%、9.03%和4.16%。可見(jiàn)，含水率是影響坡面母巖破碎運(yùn)移的重要因素，但是這種影響隨著耕作深度的增大逐漸減小。

圖2 耕作破碎母巖引起的巖屑平均位移 Fig. 2 Mean displacement distance of rock fragments induced by tillage

結(jié)合表2 可以發(fā)現(xiàn)，含水率為14.77%的母巖，坡度對(duì)巖屑平均位移無(wú)顯著影響（P＞0.1），而耕作深度增加對(duì)巖屑平均位移有極顯著減弱作用（P＜0.001）；含水率為7.44%的母巖，巖屑平均位移隨著坡度的增加顯著增大（P＜0.1），而耕作深度對(duì)巖屑平均位移無(wú)顯著影響（P＞0.1）。以上結(jié)果說(shuō)明，含水率較高的母巖破碎運(yùn)動(dòng)由耕作深度占主導(dǎo)，而含水率較低的母巖破碎運(yùn)動(dòng)受坡度影響較大。

表2 不同水分條件下巖屑平均位移與坡度和耕作深度的相關(guān)系數(shù) Table 2 Correlation coefficients between mean displacement distance and slope and tillage depth for bedrocks with different moisture contents

2.2 不同深度破碎母巖運(yùn)動(dòng)特征

為了進(jìn)一步剖析耕作引起的母巖破碎運(yùn)移機(jī)制，對(duì)不同深度的巖屑運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分別歸納（圖3）。結(jié)果顯示，使用4 和6 cm 耕作深度處理的坡面，下層巖屑的位移明顯比上層巖屑的小（圖3b、圖3c、圖3e、圖3f）。對(duì)于含水率為14.77%和7.44%的母巖，使用4 cm 深度耕作時(shí)，＞2～4 cm 深度的巖屑平均位移比0～2 cm 深度分別減少了38.07%、32.13%；耕作深度為6 cm 時(shí)，＞2～4 cm深度的巖屑平均位移相對(duì)于0～2 cm 深度分別減少了50.93%、28.8%，＞4～6 cm 深度的巖屑平均位移相對(duì)于0～2 cm 深度分別減少了61.63%、45.91%。可見(jiàn)，特定耕作深度下，巖屑位移隨著深度的增加快速減小，且?guī)r石含水率高的坡面減小幅度更大。

圖3 耕作破碎母巖引起的不同深度巖屑運(yùn)移 Fig. 3 Movement of rock fragments at different depths under different tillage depths

對(duì)于頂層巖屑（0～2 cm）而言（圖3），除了含水率為14.77%的母巖在2 cm深度耕作時(shí)的巖屑平均位移明顯偏大，其他坡面上的巖屑平均位移都隨著耕作深度的增加逐漸增大。在含水率為14.77%的坡面上，使用6 cm深度耕作的頂層巖屑平均位移比4 cm 深度耕作增加了19.65%；在含水率為7.44%的坡面上，使用4 cm 和6 cm深度耕作時(shí)，頂層巖屑平均位移比2 cm 深度耕作分別增加了19.38%和25.5%，說(shuō)明增大耕作深度可以顯著增大頂層巖屑的順坡位移（P＜0.1，表3）。坡度對(duì)含水率為14.77%坡面上的頂層巖屑運(yùn)動(dòng)無(wú)顯著影響（P＞0.1），而含水率為7.44%坡面上的頂層巖屑位移與坡度之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.1）。在不考慮坡度影響的情況下，分別使用2、4、6 cm 的深度耕作時(shí)，含水率為14.77%的坡面比含水率為7.44%的坡面上頂層巖屑的平均位移分別高出67.72%，7.87%和22.77%。此外，最上層巖屑位移的標(biāo)準(zhǔn)差明顯偏大，說(shuō)明頂層巖屑運(yùn)動(dòng)劇烈且隨機(jī)性較強(qiáng)。

對(duì)于＞2～4 cm 深度的巖屑，不同含水率坡面之間的巖屑平均位移差異不大，而且坡度和耕作深度對(duì)該層的巖屑運(yùn)動(dòng)都無(wú)顯著影響（P＞0.1）。對(duì)于＞4～6 cm 深度的巖屑，在含水率為14.77%的坡面上巖屑平均位移與坡度之間無(wú)顯著關(guān)聯(lián)（P＞0.1），而在含水率為7.44%的坡面上巖屑平均位移與坡度顯著正相關(guān)（P＜0.1）。以上結(jié)果說(shuō)明，耕作破碎母巖引起的巖屑運(yùn)動(dòng)過(guò)程受到巖石含水率、耕作深度和坡度的共同影響，且各因子在不同深度的作用機(jī)制不同。

表3 不同深度巖屑位移與坡度和耕作深度的相關(guān)系數(shù) Table 3 Correlation coefficients of mean displacement distance of rock fragments to slope gradient and tillage depth for different deep layers

3 討 論

3.1 耕作破碎母巖示蹤方法

當(dāng)前尚未見(jiàn)測(cè)算土壤母巖破碎運(yùn)動(dòng)的方法，本研究首次將點(diǎn)物理示蹤法應(yīng)用到該領(lǐng)域。選擇該種示蹤方法是基于：1）點(diǎn)物理示蹤技術(shù)比較成熟，已廣泛應(yīng)用于測(cè)定土壤運(yùn)動(dòng)，結(jié)果相對(duì)可靠[18-19]；2）母巖是一個(gè)整體，破碎后其力學(xué)性質(zhì)隨即改變，所以添加示蹤劑應(yīng)遵循不破壞或者少破壞母巖原有結(jié)構(gòu)的原則，該方法可以有效減少對(duì)母巖的破壞。但是，該方法也存在操作繁瑣、工作量大的缺點(diǎn)。現(xiàn)有的磁性示蹤方法可以節(jié)約大量工作[20]，但是磁性示蹤劑需要與被示蹤物質(zhì)充分混合，所以無(wú)法應(yīng)用到該試驗(yàn)中。另外，非示蹤劑法可以避免對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的干擾，如模型法和梯級(jí)法[21-22]，以及近期應(yīng)用到土壤運(yùn)移測(cè)定中的激光雷達(dá)掃描方法[23]、無(wú)人機(jī)技術(shù)（UAV）[24]，這些方法雖然可以避免巖體破壞，但是無(wú)法判定不同深度巖屑的運(yùn)動(dòng)情況。值得注意的是，使用點(diǎn)物理示蹤法時(shí)要盡量在試驗(yàn)條件允許的前提下設(shè)置足夠多的示蹤孔作為重復(fù)，以避免少數(shù)示蹤孔測(cè)定結(jié)果差異造成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)突變，從而減少偶然性造成的影響。

3.2 巖石含水率對(duì)母巖破碎運(yùn)動(dòng)影響機(jī)制

水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)有著顯著的影響，水分子的介入改變了巖石的物理狀態(tài)，削弱了顆粒間的聯(lián)系[25]。柴賀軍[26]研究表明紫色泥巖的力學(xué)性質(zhì)受含水率的影響很大，抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增大逐漸減小。使用相同深度耕作時(shí)，耕作者施加在母巖表面的力的大小比較接近。由于含水率越低的母巖抗破壞強(qiáng)度越高，施加相同載荷對(duì)其破壞越小，所以從巖體破碎、剝離后的巖屑運(yùn)動(dòng)平均位移也就越小。反之，由于含水率越高的母巖抗破壞強(qiáng)度越低，耕作者使用相同力量破碎母巖時(shí)，巖屑會(huì)獲得更大的動(dòng)能，從而產(chǎn)生更大的巖屑位移。

Sharifat 和Kushwaha[27]進(jìn)行土壤耕作試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤位移與土壤含水率正相關(guān)，這與本文耕作破碎母巖得到的結(jié)果一致。土壤含水率于塑限以下時(shí)，土壤抗剪強(qiáng)度隨水分增加而增大[28-29]，但是大量研究證實(shí)土壤位移與抗剪強(qiáng)度負(fù)相關(guān)[30-32]。這種看似矛盾的結(jié)果是因?yàn)橥寥篮试礁叩钠旅妫寥鲤ば栽綇?qiáng)，土壤在黏聚力的作用下可隨耕作工具運(yùn)動(dòng)的更遠(yuǎn)；而含水率越高的母巖，抗剪強(qiáng)度越低[26]，且?guī)r屑不會(huì)粘附在耕作工具上，所以巖石強(qiáng)度才是其破碎運(yùn)移的決定因素。因此，雖然土壤和母巖在耕作過(guò)程中隨含水率變化的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相似，但其作用機(jī)制存在根本差異。

3.3 耕作深度對(duì)母巖破碎運(yùn)動(dòng)影響機(jī)制

大量研究表明耕作引起的土壤位移隨著耕作深度的增加而增大[33-35]，而本研究中隨耕作深度的增大，巖屑平均位移不增反減。Zhang 等[35]發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行深耕需要更大的順坡方向的力來(lái)拖動(dòng)土壤，土塊在離開(kāi)鋤頁(yè)時(shí)會(huì)有更大的初始速度，因此可以克服更大阻力運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的位置。但是，耕作破碎母巖時(shí)，在鋤頁(yè)嵌入巖體過(guò)程中母巖發(fā)生破碎、解體，所以基本不需要沿順坡方向進(jìn)行拖拽，尤其進(jìn)行淺層耕作（2 和4 cm）時(shí)這種現(xiàn)象更加明顯。此外，耕作過(guò)程中土壤是以塊體形式運(yùn)動(dòng)，所以不同深度的土壤的位移相近；而母巖破碎后以碎屑形式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，由于上層母巖的緩沖作用，越往深度巖石受到的力越小，因此不同深度的巖屑位移差距很大。Ziegler等[36]在試驗(yàn)基礎(chǔ)提出耕作引起的土壤順坡運(yùn)動(dòng)，60%由鋤頭直接接觸引起，40%由分離后的土壤跳躍滾動(dòng)造成；從本文研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，耕作破碎母巖引起的巖屑運(yùn)動(dòng)主要由分離后的巖屑跳躍滾動(dòng)造成。

破壞體積大的同種巖石需要施加更大的力，因?yàn)閹r塊破裂時(shí)的最大載荷隨體積增大而增大[12]。對(duì)母巖進(jìn)行耕作時(shí)，隨著耕作深度的增大，單次耕作破壞的母巖體積隨之增大，因此操作者需要施加更大的力才能到達(dá)破壞載荷。同時(shí)，隨著耕作深度的增大，頂層母巖受到的沖擊力更大，所以巖屑會(huì)獲得更大的動(dòng)能，運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的位置。另外，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，大部分飛濺的母巖會(huì)被前一次耕作形成的巖屑堆積物阻擋，且耕作深度越大，阻擋效應(yīng)越強(qiáng)，所以隨著耕作深度的增大頂層巖屑在獲得更大動(dòng)能的情況下并沒(méi)有大幅度增長(zhǎng)。本試驗(yàn)中，在含水率為14.77%的母巖坡面上，使用2 cm深度進(jìn)行耕作時(shí)，巖屑位移明顯偏大，不符合以上規(guī)律。可能原因是含水率高的母巖抗破壞強(qiáng)度低，更容易破碎，因此巖屑獲得動(dòng)能較大；而2 cm 深度耕作產(chǎn)生的巖屑較少，分布不夠集中，阻擋效應(yīng)微弱，所以該情況下巖屑運(yùn)動(dòng)距離明顯偏大。此外，相同體積的巖塊，含水率越高其質(zhì)量越大，受到慣性的影響越大，這也是含水率高時(shí)巖屑運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)的原因之一。

3.4 坡度對(duì)母巖破碎運(yùn)動(dòng)影響機(jī)制

坡度決定了坡面物質(zhì)的穩(wěn)定性，相同耕作條件下，坡度越大坡面物質(zhì)越容易發(fā)生順坡移動(dòng)[13,21,37]。但是，本研究中只有含水率低（7.44%）的坡面巖屑運(yùn)動(dòng)符合該規(guī)律；而含水率高（14.77%）的坡面巖屑運(yùn)動(dòng)與坡度無(wú)顯著關(guān)聯(lián)（表2），且不同深度的巖屑運(yùn)動(dòng)與坡度都無(wú)顯著關(guān)系，這種現(xiàn)象是由于2 種含水率的母巖在不同坡度上的運(yùn)動(dòng)差異所致。

由于含水率低（7.44%）的母巖強(qiáng)度較高、不易破碎，鋤頁(yè)耕入6 cm 深時(shí)，深度位置的母巖破碎運(yùn)動(dòng)都很微弱，此時(shí)耕作者會(huì)進(jìn)行拉拽和翻轉(zhuǎn)操作，底層（＞4～6 cm）巖屑上移并在重力作用下運(yùn)動(dòng)，而坡度越大，重力對(duì)坡面物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響強(qiáng)烈；與此同時(shí)，＞2～4 cm 深度巖屑始終處于翻轉(zhuǎn)的中心，且有在上層母巖的緩沖作用下，巖屑跳躍、滾動(dòng)等重力主導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)較為微弱，所以該層巖屑的運(yùn)動(dòng)基本不受坡度影響。然而，在母巖強(qiáng)度較小（含水率為14.77%）的坡面耕作時(shí)，操作者不需使用很大的力就可以實(shí)現(xiàn)破碎母巖的目的，也不需要進(jìn)行拉拽和翻轉(zhuǎn)，故深度（＞2～4 cm 和＞4～6 cm）的巖屑位移都與坡度沒(méi)有顯著關(guān)系。

耕作時(shí)鋤頁(yè)與坡面并非垂直，隨著坡度的增大，鋤柄與坡面的角度變化不大，但是與水平方向之間的角度逐漸減小（圖4）。由于母巖破碎時(shí)受到垂直于鋤頁(yè)方向（沿鋤柄方向）的力，巖屑初始速度的方向和鋤柄一致，所以小坡度上巖屑跳躍高度更大，在沒(méi)有阻擋物的情況下可運(yùn)動(dòng)更遠(yuǎn)；而大坡度上的巖屑雖然沿順坡方向的速度更大，但是跳躍高度較小，大部分被前次耕作形成的疏松物質(zhì)阻擋。施加相同的力進(jìn)行耕作時(shí)，巖石強(qiáng)度低的坡面上巖屑跳躍更加嚴(yán)重，隨著坡度的增大，重力對(duì)跳躍巖屑的運(yùn)動(dòng)影響越來(lái)越大，同時(shí)被前次耕作形成的疏松物質(zhì)阻擋的巖屑也越來(lái)越多，因此整體上含水率為14.77%坡面的巖屑位移與坡度關(guān)系不顯著。而在巖石強(qiáng)度高（含水率為7.44%）的坡面上耕作時(shí)，大部分能量都用于使母巖破碎，導(dǎo)致巖屑剝離后獲得的動(dòng)能較小，跳躍高度差異較小，主要在重力下沿坡面滾動(dòng)，所以受坡度的影響較大。

除了上文中討論的3 個(gè)試驗(yàn)變量，外界溫度也是影響母巖風(fēng)化破碎的重要因素，且不同地點(diǎn)和不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)母巖的風(fēng)化程度也會(huì)存在一定差異。因此，野外模擬耕作試驗(yàn)要盡量選擇在外界溫度相近的環(huán)境中進(jìn)行，且相關(guān)試驗(yàn)的時(shí)間和空間上應(yīng)盡量接近，以將溫度、母巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)、風(fēng)化程度等控制變量限定在相對(duì)一致的范圍內(nèi)。

本文將耕作侵蝕的研究對(duì)象從土壤拓展到母巖，對(duì)于深化耕作侵蝕研究具有重要意義。此外，耕作破碎母巖會(huì)引起坡面礫石的含量、粒徑組成和空間分布發(fā)生變化，而且長(zhǎng)期耕作也會(huì)引起顯著的地形演化，這些都是影響坡面水文過(guò)程的重要因素。

圖4 不同坡度上的鋤耕變化 Fig. 4 Changes of hoeing tillage with different slope gradients

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)模擬耕作試驗(yàn)，利用物理示蹤法追蹤紫色泥巖坡面母巖破碎后的巖屑運(yùn)動(dòng)，定量研究了不同巖石含水率、坡度和耕作深度條件下耕作引起的母巖破碎運(yùn)動(dòng)特征，主要結(jié)論如下：

1）巖石含水率是影響母巖破碎運(yùn)動(dòng)的重要因素，巖石含水率越高，耕作引起的母巖破碎運(yùn)動(dòng)越劇烈。

2）耕作深度和坡度對(duì)母巖破碎運(yùn)動(dòng)的影響機(jī)制在巖石含水率不同的坡面上存在差異。含水率高的母巖坡面，巖屑位移與耕作深度顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與坡度無(wú)顯著相關(guān)；含水率低的母巖坡面，巖屑位移與耕作深度無(wú)顯著關(guān)系（P＞0.1），但與坡度呈顯著正相關(guān)（P＜0.1）。

3）不同深度位置巖屑的運(yùn)動(dòng)差異很大，深度越大巖屑平均位移越小。特定耕作深度下，頂層巖屑運(yùn)動(dòng)最為劇烈且隨機(jī)性較強(qiáng)；隨著深度的增加，巖屑位移快速減小，且?guī)r石含水率高的坡面減小幅度更大。

可見(jiàn)，耕作引起的母巖破碎運(yùn)動(dòng)受到人為因素（耕作深度）與自然因素（巖石含水率、坡度）的共同影響，且各因子在不同深度位置的作用機(jī)制不同。本研究初步闡明了耕作引起的母巖破碎運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)探索紫色土母巖侵蝕和風(fēng)化成土機(jī)制具有重要的參考價(jià)值。