全球土壤可蝕性因子礫石效應(yīng)的影響因素研究

楊苗苗， 楊勤科， 張科利， 王春梅， 龐國偉， 李玉茹,3

(1.西北大學 城市與環(huán)境學院， 西安 710127;2.北京師范大學 地理科學學部， 北京 100875； 3.自然資源部 第一地理信息制圖院， 西安 710054)

土壤可蝕性因子(K)是土壤屬性對土壤侵蝕影響的度量指標[1]，該指標是采用USLE、RUSLE和CSLE等模型來進行區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查與制圖所必需的重要數(shù)據(jù)[1-2]。有研究表明，土壤可蝕性因子除受到土壤顆粒組成等影響外，也受到土壤中礫石(直徑>2 mm)含量的影響[3-4]。

礫石是由于成土過程不充分，尚未發(fā)育為成熟的土壤而形成的[5]。礫石也可從其他地方搬運而來[6]，如地表的滑坡過程、耕作使土壤中的礫石向上移動、水選擇性沖刷/剝蝕土壤細顆粒等[7]都有可能產(chǎn)生礫石。研究表明，礫石影響地表徑流過程和侵蝕產(chǎn)沙過程[8]。對于礫石含量與環(huán)境因子關(guān)系方面，Poesen等[9]的研究表明，集約化耕作丘陵區(qū)礫石覆蓋模式與總地形曲率呈正相關(guān)關(guān)系，凸坡礫石覆蓋率大于凹坡；Simanton[10]和朱元駿[11]等發(fā)現(xiàn)，山坡坡度影響礫石覆蓋層的特征，礫石覆蓋率的差異與山坡坡度密切相關(guān)；Nyssen[12]和李燕[13]等解釋了耕作動態(tài)篩分過程導(dǎo)致了礫石在土壤表面的分布，礫石通過耕作分選被迅速帶到土壤表面；Li等[14]的研究表明，礫石覆蓋率傾向于隨著坡度的增加而增大，南坡和西坡的總覆蓋率往往略高于北坡和東坡；王小燕[15]和王慧芳[16]等認為，碎石含量隨著土層深度的增加而增加；Meng等[17]研究了不同森林石質(zhì)土壤巖石碎塊特征，發(fā)現(xiàn)在0—10 cm土層中，混交林中的礫石含量明顯少于純林；Liu等[18]認為，巖性、構(gòu)造運動和水文過程的差異可能會使土壤表面產(chǎn)生不同的地貌特征，并在土壤中留下不同的礫石覆蓋。盡管前人對于礫石含量與環(huán)境要素關(guān)系中涉及了土壤可蝕性因子礫石效應(yīng)(以下簡稱礫石效應(yīng))的影響因素分析，但全球尺度下礫石效應(yīng)受到哪些因素影響，依然有待認識。

楊苗苗等[4]的研究表明，全球范圍內(nèi)，剖面(0—15 cm)礫石的存在會增加土壤可蝕性，而表面覆蓋礫石會減少土壤可蝕性，兩者綜合影響使土壤侵蝕降低。本研究在對礫石效應(yīng)(SEK)研究基礎(chǔ)上，綜合考慮SEK與高程、坡度、坡向、土地利用類型、植被覆蓋度、多年平均溫度和多年平均降雨量等多個環(huán)境要素的關(guān)系，分析影響SEK的主控因素，旨在為全面認識礫石效應(yīng)(SEK)以及應(yīng)用K因子和土壤侵蝕調(diào)查提供參考。

1 材料與方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本研究在全球范圍內(nèi)展開，所用基本數(shù)據(jù)為作者前期研究積累的數(shù)據(jù)[4]，包括礫石覆蓋(土壤表面)影響(St)，剖面(表層，0—15cm)礫石影響(Kcf)、礫石覆蓋和剖面礫石綜合影響(Kf-cs)；同時有通過ISRIC(https:∥files.isric.org/soilgrids/data/aggregated/)，NASA(https:∥earthdata.nasa.gov/esds/competitive-programs/measures/nasadem)，GEE(https:∥developers.google.cn/earth-engine/datasets)，IPCC(https:∥www.ipcc.ch/)網(wǎng)站下載相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括礫石覆蓋率數(shù)據(jù)、剖面礫石含量數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)、多年平均植被覆蓋度NDVI數(shù)據(jù)、全球氣候類型分區(qū)圖、全球多年平均溫度和多年平均年降雨量數(shù)據(jù)，以及由高程派生的坡度數(shù)據(jù)、坡向數(shù)據(jù)、地形起伏度數(shù)據(jù)等(表1)。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源及其用途

1.2 研究方法

本研究根據(jù)土壤發(fā)生學、土壤侵蝕和土壤利用的原理，以前期研究形成的認識和計算得到的3個表示礫石效應(yīng)的參數(shù)SEK(礫石覆蓋影響St、剖面礫石影響Kcf、礫石覆蓋和剖面礫石綜合影響Kf-cs)為基礎(chǔ)，通過相關(guān)分析認識屬性相關(guān)特征，通過斷面分析認識其空間格局及其關(guān)系，通過主控因子分析形成對礫石效應(yīng)(SEK)的影響因素的系統(tǒng)認識。

采用Poesen等[20]的算法計算礫石覆蓋下的可蝕性衰減系數(shù)St。

St=1-e-0.04(Rc-10)

(1)

式中：St為土壤可蝕性衰減系數(shù)；Rc為礫石覆蓋率(%)。St越大說明礫石覆蓋對土壤侵蝕的削弱作用越明顯。

未考慮礫石的土壤可蝕性因子[Kf，(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]和有剖面礫石影響的土壤可蝕性因子[Kc，(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]的計算公式如下：

(2)

(3)

M=(Msilt+Mvfs)×(100-Mc)

(4)

式中：Mc為黏粒含量(%)；Msilt為粉砂粒含量(%)；Mvfs為極細砂粒含量(%)；OM為有機質(zhì)含量(%)；s為土壤結(jié)構(gòu)等級；Kpf為不考慮剖面礫石影響的土壤滲透性分量；Kpc為考慮剖面礫石影響的土壤滲透性分量。

通過St與Kc相乘可計算考慮剖面礫石和礫石覆蓋影響的土壤可蝕性因子Kcs[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]

Kcs=(1-St)×Kc

(5)

將有剖面礫石影響的土壤可蝕性因子(Kc)與未考慮礫石的土壤可蝕性因子(Kf)求差值，得到剖面礫石影響系數(shù)[Kcf，(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]：

Kcf=Kc-Kf

(6)

Kcf越大，說明剖面礫石對土壤侵蝕的增強作用越明顯。

將未考慮礫石的土壤可蝕性因子(Kf)與考慮剖面礫石和礫石覆蓋影響的土壤可蝕性因子(Kcs)求差值，得到剖面礫石和表面礫石覆蓋綜合影響系數(shù)[Kf-cs，(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]：

Kf-cs=Kf-Kcs

(7)

Kf-cs越大，說明剖面礫石和礫石覆蓋對土壤侵蝕的影響作用越明顯。

(1) 相關(guān)分析。在全球范圍內(nèi)，經(jīng)緯度每間隔2.5°生成一個采樣點，在其上采集SEK的參數(shù)(St，Kcf，Kf-cs)和環(huán)境要素[高程、坡度、植被覆蓋度(NDVI)、多年平均降雨量和多年平均溫度]數(shù)據(jù)，分析SEK因子與環(huán)境要素的關(guān)系，并進行顯著性檢驗。全球范圍內(nèi)共采集樣點數(shù)據(jù)2 642個，樣點均勻分布，具有一定代表性。

(2) 格局分析。借助生態(tài)學研究中梯度分析的方法[21]，通過布設(shè)斷面分析不同高程和坡度梯度方向上礫石效應(yīng)(SEK)的變化。同時在全球范圍內(nèi)，統(tǒng)計不同坡向、不同土地利用類型和不同氣候類型區(qū)的礫石效應(yīng)均值，分析其值高低的原因。

(3) 主控因子分析。隨機森林(random forest)模型是由Breiman[22]在2001年提出來的一種基于分類樹的機器學習算法，該模型是利用bootsrap重抽樣方法從原始樣本中抽取多個樣本，對每個bootsrap樣本進行決策樹建模，然后組合多棵決策樹的預(yù)測，通過投票得出最終預(yù)測結(jié)果。本研究在Python語言平臺上進行隨機森林回歸。

對于隨機森林回歸的精度檢驗，本研究采用的評價指標包括決定系數(shù)(R2)和平均絕對誤差(MAE)。

(8)

(9)

2 結(jié)果與分析

2.1 礫石效應(yīng)與地形關(guān)系

2.1.1 礫石效應(yīng)與高程關(guān)系 礫石含量與礫石效應(yīng)計算結(jié)果如圖1所示，礫石效應(yīng)與高程的關(guān)系見圖2，圖2和表2表明，隨著高程增加，St，Kcf和Kf-cs均呈上升趨勢，且高程與St，Kcf和Kf-cs之間均存在極顯著的相關(guān)性(p<0.01)(表2)，其間的相關(guān)系數(shù)分別為0.843，0.252，0.807，其中Kcf與高程的相關(guān)性較低，St和Kf-cs與高程的相關(guān)性較高。由圖1可見，影響較大的范圍主要分布在青藏高原、喜馬拉雅山脈和科迪拉山系等山脈地區(qū)。

根據(jù)不同的高程梯度，分別在中國、南美洲、蒙古俄羅斯和美國布設(shè)高程斷面，如圖3A所示(白色斷面線)，歸一化后得到不同斷面的高程、St和Kf-cs的剖面圖(圖4)。由圖3可見，St和Kf-cs的剖面圖與高程剖面圖波動趨勢大致相同。

圖1 礫石效應(yīng)的參數(shù)

圖2 礫石效應(yīng)與高程關(guān)系

表2 環(huán)境因子與礫石效應(yīng)相關(guān)性結(jié)果

2.1.2 礫石效應(yīng)與坡度關(guān)系 圖5顯示，St，Kf-cs與坡度之間存在顯著的相關(guān)性(p<0.01)(表2)，相關(guān)系數(shù)分別為0.715，0.662，而Kcf與坡度之間的相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)僅為0.09。隨著坡度的增加，St，Kcf，Kf-cs均增加。從全球看(圖1)，礫石覆蓋和礫石綜合影響比較明顯的地方多位于荒漠和山地高原邊緣，主要有俄羅斯遠東地區(qū)中西伯利亞高原、蒙古高原、中國的塔克拉瑪干沙漠、青藏高原、喜馬拉雅山脈和美洲的科迪拉山系、北美沙漠、阿塔卡馬沙漠等。

根據(jù)不同的坡度梯度，分別在中國、西歐、北美以及南美部分區(qū)域布設(shè)坡度斷面，見圖3B(白色斷面線)，歸一化后得到不同斷面的坡度、St和Kf-cs的剖面圖(圖6)。由圖6可知，St和Kf-cs剖面圖波動規(guī)律與高程剖面圖的相似度較高。

2.1.3 礫石效應(yīng)與坡向關(guān)系 在北回歸線以北的地區(qū)，南坡為陽坡；在南回歸線以南的地區(qū)，北坡為陽坡；在南北回歸線之間，陽坡需要根據(jù)太陽直射點的緯度位置決定。分析礫石效應(yīng)與坡向的關(guān)系時，統(tǒng)計北回歸線以北和南回歸線以南的地區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)，在北半球，南坡和西坡的礫石效應(yīng)略大于北坡和東坡，即陽坡的礫石效應(yīng)大于陰坡，南半球正好相反，與Li等[14]的研究結(jié)果一致。

圖3 斷面布設(shè)

圖4 高程斷面

圖5 礫石效應(yīng)與坡度關(guān)系

2.2 礫石效應(yīng)與土地利用類型和植被覆蓋關(guān)系

2.2.1 礫石效應(yīng)與土地利用類型的關(guān)系 從圖7可以看出，分析全球范圍內(nèi)，草地、林地、耕地、荒漠和裸地等覆蓋類型的St，Kcf和Kf-cs的均值，可以發(fā)現(xiàn)，耕地和林地的礫石效應(yīng)較小，草地、荒漠和裸地的礫石效應(yīng)較明顯。統(tǒng)計不同土地利用類型的坡度和地形起伏度均值(表4)，發(fā)現(xiàn)耕地通常在比較平的地形部位。

圖6 坡度斷面

表3 不同坡向礫石效應(yīng)統(tǒng)計

圖7 礫石效應(yīng)與土地利用統(tǒng)計

表4 不同土地利用類型的坡度和地形起伏度均值

2.2.2 礫石效應(yīng)與植被覆蓋的關(guān)系 對比礫石效應(yīng)與植被覆蓋度NDVI的關(guān)系，St，Kcf，Kf-cs與NDVI之間均呈現(xiàn)顯著性(表2)，相關(guān)系數(shù)分別為0.582，0.049，0.164。圖8顯示，隨著NDVI的增大，St，Kf-cs總體上呈下降趨勢，其中NDVI對Kcf，Kf-cs的影響較弱。

2.3 礫石效應(yīng)與氣候要素的關(guān)系

2.3.1 礫石效應(yīng)與多年平均降雨量的關(guān)系 對比礫石效應(yīng)與多年平均降雨量的關(guān)系，St，Kcf和Kf-cs與多年平均降雨量之間均呈現(xiàn)顯著性(表2)，相關(guān)系數(shù)分別為0.546，0.568，0.523。如圖9所示，隨著多年平均降雨量的增加，St和Kf-cs呈先增后減趨勢，而Kcf在雨量<3 000mm時呈下降趨勢，然后略有上升。

2.3.2 礫石效應(yīng)與多年平均溫度的關(guān)系 對比礫石效應(yīng)與多年平均溫度的關(guān)系，St，Kcf和Kf-cs與溫度之間均呈現(xiàn)顯著性(表2)，相關(guān)系數(shù)分別為0.597，0.468，0.477，說明礫石效應(yīng)與多年平均溫度的相關(guān)性較高。圖10顯示，St和Kf-cs與多年平均溫度呈負相關(guān)，Kcf與多年平均溫度呈正相關(guān)。

圖8 礫石效應(yīng)與植被覆蓋度關(guān)系

圖9 礫石效應(yīng)響與多年平均年降雨量關(guān)系

圖10 礫石效應(yīng)與多年平均溫度關(guān)系

2.3.3 典型氣候區(qū)的礫石效應(yīng)分析 根據(jù)Peel等[19]得到的全球氣候類型分區(qū)圖的分類標準，將全球分為熱帶赤道地區(qū)、較溫暖濕潤地區(qū)、北方寒冷地區(qū)、干旱地區(qū)和極地地區(qū)(圖11)，并分別統(tǒng)計不同氣候類型區(qū)的礫石效應(yīng)(表5)。可以發(fā)現(xiàn)，對于礫石覆蓋影響St和礫石綜合影響Kf-cs而言，熱帶赤道地區(qū)影響最小，干旱地區(qū)影響最大，即溫度高降雨量大的區(qū)域礫石效應(yīng)小，溫度低降雨量小的區(qū)域礫石效應(yīng)較大。

但較溫暖濕潤地區(qū)比北方寒冷地區(qū)礫石覆蓋影響和礫石綜合影響比北方寒冷地區(qū)大，原因是，在北方寒冷地區(qū)，主要分布有西西伯利亞平原、東歐平原和北美中部大平原等，平均海拔為548.77m，平均坡度為17.25°；而在較溫暖濕潤地區(qū)，主要分布有巴拉納高原、阿巴拉契亞山脈、加丹加高原、隆達高原、伊朗高原等，平均海拔為735.48m，平均坡度為24.03°。在這兩個地區(qū)St和Kf-cs主要受地形影響，受溫度和降雨影響較小，所以北方寒冷地區(qū)的礫石效應(yīng)要小一些。對于剖面礫石影響Kcf而言，影響從大到小的地區(qū)依次是干旱地區(qū)、熱帶赤道地區(qū)、溫暖濕潤地區(qū)和北方寒冷地區(qū)，即溫度越高剖面礫石效應(yīng)越大，與前文分析規(guī)律一致。

2.4 主控因素分析

將全部影響因子作為自變量，對SEK(St，Kcf和Kf-cs)進行隨機森林回歸，并分別計算經(jīng)過隨機森林回歸方法得到的SEK預(yù)測值和SEK真實值的R2和MAE(圖12)。由圖12可知，St，Kcf和Kf-cs的R2分別為0.593，0.267，0.718，說明7個環(huán)境因子(高程、坡度、坡向、NDVI、土地利用類型、多年平均降雨和多年平均溫度)對Kf-cs的解釋度最高，其次是St，對Kcf的解釋度較弱；St，Kcf和Kf-cs的MAE分別為0.096，0.000 7，0.003，與St，Kcf和Kf-cs的真實值取值范圍相比都較小，說明隨機森林對St，Kcf和Kf-cs的預(yù)測值偏離誤差都較小。

圖11 全球氣候類型分區(qū)

由圖13可知，高程和坡度對St的影響較大，其次是多年平均溫度和植被覆蓋度，坡向、多年平均降雨和土地利用影響較小；多年平均溫度和多年平均降雨對Kcf的影響較大，其余各因子影響都較為微弱；高程和坡度對Kf-cs的影響較大，其次是多年平均降雨和坡向，土地利用類型、多年平均溫度和植被覆蓋度的影響較小；說明高程和坡度是St和Kf-cs的主控因子，多年平均降雨和多年平均溫度是Kcf的主控因子。原因是St和Kf-cs主要是礫石覆蓋的影響作用，在土壤表面，更容易受到地形等外界因素的影響，而Kcf是土壤剖面中礫石的影響，較為穩(wěn)定，受地形等外部因素的影響僅為間接作用。

表5 不同氣候區(qū)礫石效應(yīng)統(tǒng)計

圖12 隨機森林回歸礫石效應(yīng)驗證散點圖

圖13 影響因子重要性排序

3 討 論

3.1 關(guān)于礫石的來源與分布

土壤由基巖風化過程、生物化學過程、地表物質(zhì)運動過程、人為作用過程等作用下形成。土壤形成比較充分則土壤比較黏重，否則粗顆粒較多。礫石正是由于成土過程不充分，尚未發(fā)育為成熟的土壤而形成的[5]。另一方面，后期的土壤侵蝕也有可能產(chǎn)生礫石，如荒漠是過于干旱、生物活動微弱、風大所致；高山(冰雪帶以下)是溫度過低、或水蝕過強所致；礫石也可從其他地方搬運而來[6]，如地表的滑坡過程、耕作使土壤中的礫石向上移動、水選擇性沖刷/剝蝕土壤細顆粒等[10]都有可能產(chǎn)生礫石。有研究表明，礫石主要分布在坡度大(圖3)[11]、高程高(圖3)[5]、陽坡[14]、凸坡[9]、較為寒冷干旱的山地和荒漠(圖11)[12]等地區(qū)，本研究的結(jié)論雖與一些認識一致，但是本研究量化分析更能說明礫石效應(yīng)(SEK)的影響因素。

由于缺少全球范圍內(nèi)的礫石覆蓋率的實測數(shù)據(jù)，而且目前最高分辨率的衛(wèi)星影像也無法提取這些信息，作為一種初步的嘗試，本文用Hengl等[23]通過機器學習得到的Soilgrid土壤表面礫石含量數(shù)據(jù)代替礫石覆蓋率。一些學者嘗試通過構(gòu)建模型來預(yù)測礫石覆蓋率，如Simanton等[10]的研究中提到，知道土壤剖面50mm內(nèi)的礫石含量，使用基于坡度的方程可以更好地估計地表巖石碎塊覆蓋率，計算公式如下

RFC=68.62-80.62/RFPSL0.5

(10)

式中:RFP為土壤剖面礫石含量(%)；SL為坡度(%)；RFC為土壤表面礫石覆蓋率(%)。

基于公式(10)計算結(jié)果(圖14)，基本可以表達丘陵山區(qū)礫石覆蓋的分布大勢，與Soilgrid數(shù)據(jù)(圖15)整體趨勢相似，相關(guān)性達到0.518。但是均值差異較大(分別為13.40%，9.19%)，在較平坦地區(qū)也有所不同(如澳大利亞、非洲、中亞等地區(qū))。存在差異的原因應(yīng)該是上述公式只考慮坡度，沒有海拔、土地覆蓋類型、氣候要素等參數(shù)，荒漠地區(qū)的估計偏低。然而更全面、精確地分析有待于通過野外抽樣調(diào)查、無人機影像判讀等方法，改善礫石覆蓋率數(shù)據(jù)的精度。

注：圖14是基于公式(10)的計算結(jié)果。

3.2 影響SEK的環(huán)境要素

3.2.1 地形對SEK影響的解釋

(1) 高程對SEK影響。高程可以被認為是降水和溫度的綜合影響的一個綜合表現(xiàn)[5]。高程最高的地方在青藏高原、喜馬拉雅山脈和科迪拉山系等山脈地區(qū)；這種高、旱、寒環(huán)境下，以物理風化為主，成土過程弱，因此土壤表面礫石含量高，礫石效應(yīng)也較大。而且不同高程的水熱條件對土壤理化性質(zhì)的也有間接影響，高程越高，溫度較低，水分較少，礫石效應(yīng)較大。

圖15 SoilGrids數(shù)據(jù)(均值9.19%)

(2) 坡度對SEK影響。坡度的差異引起的礫石在坡面上的分選[15]，從而影響不同坡面的侵蝕強度[11]。坡度越大，侵蝕發(fā)生越劇烈，礫石在該處發(fā)生侵蝕性富集，覆蓋度越大，礫石覆蓋和礫石綜合影響也就越大。隨著坡度的增加，礫石覆蓋率的增長速度逐漸變慢。山坡坡度下礫石覆蓋率的普遍增加是由于植被稀疏的山坡上發(fā)生的水蝕和沉積過程造成的。

(3) 坡向?qū)EK影響。坡向影響給定景觀的太陽能吸收率。在北半球，朝南的斜坡比相對應(yīng)朝北的斜坡更垂直于太陽光線，通常要更加溫暖，從而一般濕度較低。因此，朝南的斜坡風化程度不深，植被覆蓋率較低，雨水和徑流侵蝕率較高。朝南的山坡段經(jīng)歷了強烈的層間和細溝侵蝕，因此具有較高的礫石覆蓋率，礫石覆蓋影響也更大，南半球則正好相反。

3.2.2 土地利用與覆蓋對SEK影響的解釋 耕地通常在比較平的地形部位，耕地的坡度和地形起伏度較小，草地、荒漠和裸地地區(qū)通常較干旱，生物活動微弱，風大導(dǎo)致有較多的礫石覆蓋，而高山(冰雪帶以下)地區(qū)溫度過低，或由于水蝕過強導(dǎo)致礫石含量較多，從而有較大的礫石效應(yīng)。

對于植被覆蓋NDVI而言，隨著NDVI的增大，St和Kf-cs整體上呈下降趨勢，而NDVI對剖面礫石影響Kcf的影響較弱。原因是植被覆蓋度越大的區(qū)域，土壤條件更好，礫石含量較低，所以礫石效應(yīng)也會較小。

3.2.3 水熱條件對SEK影響的解釋 由于降雨的影響，礫石受到侵蝕分選作用的影響，會缺乏地表富集，而且降雨量較大的區(qū)域主要分布在亞洲東南部、非洲中部、北美洲東南部和南美洲北部地區(qū)，這些地區(qū)地勢較低，多植被覆蓋，土壤類型主要為沖積土、黑土、黑鈣土等，這類土壤土層較深，營養(yǎng)較為豐富，所以礫石含量相對較小，影響也較小。

氣溫通過影響土壤中的微生物群落及總量使其土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對土壤理化性質(zhì)有較大影響，最終影響土壤可蝕性[24]，氣溫越高的地區(qū)，水熱條件好，地勢平緩，土壤條件更好，土壤表面礫石覆蓋較少，礫石覆蓋的影響會降低。而當溫度較高時，土壤中生物和化學反應(yīng)速率會增快，土壤剖面中的礫石效應(yīng)會有一定的增強。

3.2.4 影響SEK的其他要素 已有研究表明，耕作對礫石含量的分布也有一定的影響[25]，進而影響土壤侵蝕。這是由于耕作一方面對不同粒徑的顆粒具有篩選作用，導(dǎo)致大的顆粒向上運動以及小的顆粒向下運動；另一方面耕作侵蝕使得表層土壤顆粒被徑流帶走。這兩方面原因增加土壤表面礫石覆蓋率，客觀上對土壤也起到一定的保護作用。但由于全球范圍內(nèi)，耕作的影響無法定量估算，本文暫未考慮。

也有研究表明，礫石分布還與林種[17]、母質(zhì)的物理和化學性質(zhì)[15]、動植物擾動、碎屑擾亂(樹木連根拔起)、冷凍擾動(凍融)、變硬擾動(黏土的收縮和溶脹))、重力沉降、晶體生長和浪費和地震作用(地震運動)[6]等有關(guān)，但在全球范圍內(nèi)，這些數(shù)據(jù)難以獲取和定量估算。今后在小流域范圍內(nèi)研究礫石效應(yīng)的影響因素，或許可將這些因素也予以考慮，也可利用高精度(如5 m)的實測高程、坡度、礫石覆蓋率等數(shù)據(jù)進行更細致的分析。

3.3 對區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查的啟示

礫石效應(yīng)可在K因子中考慮[3]，也可在(R)USLE-C[1]中考慮；如果不予考慮，則礫石含量高的地區(qū)(山地、高原和荒漠等)的土壤侵蝕速率會被高估。目前在土壤可蝕性因子計算時，大部分未考慮礫石的影響，導(dǎo)致了評價結(jié)果的偏差，如Borrelli等[26]的圖上山地被明顯高估，Teng等[27]文章中秦嶺、川西地區(qū)被高估，Teng等[25]青藏高原東部被高估。

以科迪勒拉山系、阿拉伯高原、伊朗高原、阿巴拉契亞山脈、喜馬拉雅和喀喇昆侖山區(qū)為例，這些地區(qū)海拔高、地形起伏度較大，地表以物理風化為主，地表礫石覆蓋率很高，土壤侵蝕比較微弱。但是Borrelli等[26]的土壤侵蝕評價結(jié)果中，這些地區(qū)土壤侵蝕速率明顯高于相鄰地區(qū)。我們猜想可能性的原因是沒有充分考慮礫石效應(yīng)。所以，應(yīng)該對重點地區(qū)(海拔和坡度大且土壤水熱條件不夠好的山地、降水量較小的荒漠地區(qū))，考慮礫石的影響，并對土壤侵蝕評價結(jié)果的影響做出系統(tǒng)分析。

生產(chǎn)實踐和有關(guān)研究中，有認識到礫石的覆蓋具有抵抗土壤侵蝕、保護土壤的作用，如我國西北的砂田是一種在土壤表面覆蓋一層礫石的農(nóng)田，主要集中分布在甘肅省中部地區(qū)，以及青海、新疆和寧夏的部分地區(qū)[28]。在世界上其他降水稀少的地方也有砂田分布，如美國南部干旱地區(qū)的德克薩斯州等地[29]，瑞士的沙莫松以及西班牙的加那利群島等地[30]。砂田能有效地減少土壤蒸發(fā)和徑流，提高土壤水分入滲效率和土壤溫度，阻止水土流失和次生鹽漬化，增加砂田作物產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率和土壤微生物數(shù)量[28]。Nyssen等[12]的研究指出，農(nóng)民通常不愿意將較小的礫石從他們的土地上拿走，因為他們認為它們對土壤水分保持和表土保護免受侵蝕有積極影響。在RUSLE手冊[1]中也有提到，土壤中的礫石會影響徑流，進而影響細溝間的侵蝕，使計算得到的土壤可蝕性因子值不夠準確。但這些認識尚沒有在區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查與評價制圖中考慮。

4 結(jié) 論

(1) 土壤可蝕性因子(K)的估算與礫石含量有關(guān)，礫石效應(yīng)(SEK)受到高程、坡度、坡向、土地利用類型、植被覆蓋、多年平均降雨量和多年平均溫度等環(huán)境要素的影響；其中，高程和坡度與SEK(St，Kcf和Kf-cs)呈正相關(guān)；植被覆蓋度、多年平均降雨量和多年平均溫度與St和Kf-cs呈負相關(guān)；多年平均降雨與Kcf呈負相關(guān)；多年平均溫度與Kcf呈正相關(guān)；陽坡的礫石效應(yīng)大于陰坡；耕地和林地的礫石效應(yīng)較小，草地、荒漠和裸地的礫石效應(yīng)較大。

(2) 礫石覆蓋影響St和礫石綜合影響Kf-cs的主控因子為高程和坡度，原因是St和Kf-cs主要是礫石覆蓋的影響作用，在土壤表面，更容易受到地形等外界因素的影響。Kcf的主控因子為多年平均降雨和多年平均溫度，原因是Kcf為土壤剖面中礫石的影響，較為穩(wěn)定，受地形等外部因素的影響僅為間接作用。

(3) 在大區(qū)域乃至全球性土壤侵蝕評價中，對于礫石含量較大、海拔較高、坡度較大的區(qū)域(如科迪勒拉山系、阿拉伯高原、伊朗高原、阿巴拉契亞山脈、青藏高原和天山等地區(qū))，均應(yīng)給予特別關(guān)注，如果不加考慮，則有可能使土壤侵蝕評價結(jié)果出現(xiàn)偏差。

致謝：澳大利亞聯(lián)邦科工組織水土資源研究所David Jupp先生協(xié)助訂正英文摘要，特此致謝。