姚文藝 李長明 張攀 王愿昌

摘要：砒砂巖侵蝕機理是我國北方脆弱生態(tài)區(qū)治理實踐中迫切需要解決的應(yīng)用基礎(chǔ)問題中的難點。為深化理解砒砂巖復合侵蝕發(fā)生發(fā)展過程、揭示多動力侵蝕交替/耦合關(guān)系、辨識復合侵蝕與植被退化的耦合機理，系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外對砒砂巖侵蝕研究的主要成果，包括砒砂巖侵蝕類型及其發(fā)生動因、砒砂巖侵蝕分布特征、砒砂巖侵蝕巖性機理等，并對現(xiàn)有研究進展進行討論，指出砒砂巖侵蝕規(guī)律研究中面臨的關(guān)鍵科學問題，提出未來研究的重點課題，包括砒砂巖區(qū)多動力復合侵蝕時空分異規(guī)律、復合侵蝕與植被退化的互饋關(guān)系、水巖作用下砒砂巖三元結(jié)構(gòu)破壞機理、復合侵蝕試驗觀測方法等，可為今后開展相關(guān)研究工作提供參考。

關(guān)鍵詞：砒砂巖：復合侵蝕：侵蝕機理：生態(tài)恢復：黃河

中圖分類號：S157.1； TV882.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.001

砒砂巖是在古生代二疊紀（距今約2.5億年前）、中生代三疊紀、侏羅紀和白堊紀逐漸形成的厚層砂巖、砂頁巖和泥質(zhì)砂巖組成的巖石互層，屬陸相碎屑沉積巖類，集中分布于黃河流域鄂爾多斯高原，其面積1.67萬km。由于砒砂巖上覆巖層厚度小、壓力低，因此其成巖程度弱、結(jié)構(gòu)強度低，具有“無水堅如磐石、遇水爛如稀泥”的特性。砒砂巖區(qū)水蝕、風蝕、凍融侵蝕交替發(fā)生，土壤侵蝕劇烈，生態(tài)環(huán)境極其惡劣，成為黃河粗泥沙的集中來源區(qū)，同時嚴重制約當?shù)亟?jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展。開展砒砂巖侵蝕規(guī)律研究、認識砒砂巖侵蝕機理，是砒砂巖區(qū)水土流失及生態(tài)綜合治理的重要課題，是黃河治理和典型脆弱生態(tài)區(qū)生態(tài)恢復等重大實踐的必然要求。

國外在單一砂巖區(qū)風化侵蝕、坡溝耦合侵蝕、重力侵蝕、溝道系統(tǒng)形成及溝壑侵蝕、泥巖區(qū)溝蝕等方面有相關(guān)研究成果報道，但可能受砒砂巖特殊的地理區(qū)位所限，未見國外報道諸如砂巖、砂頁巖、泥質(zhì)砂巖交互巖類侵蝕的研究案例。我國對砒砂巖侵蝕問題的系統(tǒng)研究始于20世紀90年代初，其代表性成果是黃河水利委員會（簡稱黃委）資助完成的《晉陜蒙接壤地區(qū)砒砂巖分布范圍及侵蝕類型區(qū)劃分》《砒砂巖地區(qū)植物“柔性壩”試驗研究階段總報告（ 1995-1998）》。之后，在黃委重大治黃科技計劃、水利部等省部級科技計劃、國家科技攻關(guān)（支撐）計劃、國家自然科學基金等資助下，有關(guān)單位對砒砂巖區(qū)水土流失現(xiàn)狀、侵蝕類型及成因、侵蝕規(guī)律及其發(fā)生機理等開展了持續(xù)研究。砒砂巖區(qū)處于我國北方地貌、植物、氣候、土壤等多元過渡帶，其地貌類型由東南部以水蝕為主的黃土丘陵溝壑逐漸過渡到西北部以風蝕為主的風沙地貌，中間地帶為水蝕和風蝕共同作用形成的蓋沙黃土丘陵：植物群落由東南部半旱生植物占優(yōu)勢逐漸演變到西北部以沙生植物占優(yōu)勢：氣候從東南部到西北部由半干旱過渡到干旱，既有鄂爾多斯高原風大沙多的特點，又有黃土高原大陸性氣候暴雨強度大的特點，極端最高和最低氣溫分別為40.2、- 34.5℃。因而，該區(qū)多類型侵蝕交替發(fā)生，形成復合性侵蝕18]，區(qū)域侵蝕模數(shù)高達3萬～4萬L/（ km2.a）.進入黃河的粒徑大于0.05 mm的粗泥沙量約占黃河下游多年平均淤積量的1/4。加之該區(qū)富含煤、石油和天然氣等，能源資源開發(fā)等人類活動干擾強烈，生態(tài)退化嚴重，甚至造成“生態(tài)難民”問題，被中外專家稱為“世界水土流失之最”“地球生態(tài)癌癥”。解決砒砂巖區(qū)嚴重的水土流失和生態(tài)退化問題，成為全面實現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略目標的區(qū)域性重大挑戰(zhàn)。在我國生態(tài)保護與建設(shè)規(guī)劃中把黃河上中游脆弱生態(tài)區(qū)治理明確列為重點工程，尤其是砒砂巖區(qū)長期以來被作為黃河治理的重點。近期在國家重點研發(fā)計劃“典型脆弱生態(tài)恢復與保護研究”專項中，專門設(shè)立了“鄂爾多斯高原砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理”項目，以期通過對砒砂巖區(qū)水蝕、風蝕等復合侵蝕規(guī)律研究，揭示復合侵蝕與生態(tài)退化的耦合機理，為維護區(qū)域生態(tài)安全提供技術(shù)支撐。因此，砒砂巖區(qū)土壤侵蝕規(guī)律的深化研究顯得尤為迫切，亦成為土壤侵蝕研究領(lǐng)域的熱點之一?？梢哉f，鑒于砒砂巖特有的復合侵蝕特征及其耦合關(guān)系的復雜性，開展砒砂巖侵蝕規(guī)律的深化研究對促進水土保持學科發(fā)展具有重要意義，同時也是一項挑戰(zhàn)。為此，本文在總結(jié)關(guān)于砒砂巖區(qū)土壤侵蝕規(guī)律、發(fā)生機理等方面的主要成果基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有研究的不足，指出砒砂巖侵蝕規(guī)律研究面臨的關(guān)鍵科學問題，提出未來研究的重點課題，期望為開展相關(guān)研究工作提供參考。

1 砒砂巖侵蝕類型及分布

1.1 砒砂巖侵蝕類型

砒砂巖區(qū)是我國典型的多動力復合侵蝕區(qū)域，基本上包括了主要的侵蝕類型，如水力侵蝕、風力侵蝕、凍融侵蝕、重力侵蝕及人為侵蝕等。畢慈芬等根據(jù)侵蝕驅(qū)動力不同，將砒砂巖侵蝕分為“季節(jié)性降雨徑流侵蝕”和“常年性非徑流侵蝕”兩類：第一類為由不產(chǎn)生土壤位移的小雨、暴雨前期不產(chǎn)生土壤位移的小雨和暴雨徑流侵蝕三部分組成，主要指水力侵蝕：第二類為全年都可能發(fā)生的重力侵蝕、凍融侵蝕和風蝕等。

（1）水力侵蝕。試驗研究表明，砒砂巖水力侵蝕與砒砂巖的顏色有一定關(guān)系。由于砒砂巖是由砂巖、泥質(zhì)砂巖等多類砂巖構(gòu)成的松散巖層，不同巖層所含礦物組分氧化鐵等的含量有差異，因此形成了紅、白、黃、灰等多種顏色相間的分層結(jié)構(gòu)，俗稱“五花肉”。不同顏色砒砂巖的透水性能是有差別的，因而抗水蝕的能力也不同。例如，白色砒砂巖的水分人滲率小于紅色砒砂巖的，因此在相同徑流量條件下，紅色砒砂巖的產(chǎn)沙量、水流含沙量均比白色的大，說明紅色砒砂巖的抗蝕性弱。蔡懷森等對單一紅色和紅白混雜兩類砒砂巖的抗蝕性的試驗表明，紅白混雜砒砂巖的透水性較紅色的差，紅色砒砂巖的穩(wěn)定人滲率較紅白混雜的大，說明紅色砒砂巖遇水時更容易發(fā)生潰散，其水力侵蝕強度大。根據(jù)王倫江等研究，就砒砂巖坡面單位徑流產(chǎn)沙量而言，從小到大排序為黃綿土<紅棕色砒砂巖<紫紅色砒砂巖。當然，砒砂巖水蝕與下墊面等多種因素有關(guān)，如張喜旺等的研究表明，降雨與植被的年內(nèi)匹配模式對砒砂巖侵蝕有重要的影響。

（2）風力侵蝕。砒砂巖區(qū)風向多與溝道垂直或大角度相交，因此風蝕產(chǎn)沙量往往很大，同時風成堆積物也為水力侵蝕提供了物質(zhì)來源。楊具瑞等通過對砒砂巖區(qū)西召溝小流域風蝕進行觀測，分析了風蝕量與溝沿線、溝角線長度之和與風化溝谷面積比值的關(guān)系，認為：同種砒砂巖與單位溝沿線、溝角線長度之和與侵蝕模數(shù)之間，在上、中、下游具有確定的比值：不同種類砒砂巖的風蝕模數(shù)與單位溝沿線、溝角線長度之和之間具有一定的比例關(guān)系：風蝕量與砒砂巖地表土壤結(jié)構(gòu)也有關(guān)系。據(jù)楊曉東等觀測，結(jié)構(gòu)愈松散風蝕量愈大，例如，在砒砂巖地表有覆沙時，其風蝕量是裸露砒砂巖地表風蝕量的13倍。

（3）凍融侵蝕。土壤及其母質(zhì)或巖石中的水分因溫度正負劇烈變化而引起的凍融作用，使其脹縮碎裂、移動流失的現(xiàn)象稱為凍融侵蝕。顯然，凍融侵蝕與砒砂巖含水率、密度及溫度等有關(guān)。據(jù)劉李杰等試驗觀測，砒砂巖含水率在11%以下時幾乎不發(fā)生凍脹，當含水率為12%～ 16%時凍脹量與凍結(jié)深度的比值即凍脹率隨含水率增大而線性增大，凍脹率隨砒砂巖干密度的增大而增大，在一定的干密度條件下，凍脹率隨冷端溫度的降低而增大。當然，不同研究者采用的試樣不同，得到的凍融發(fā)生臨界含水率、溫度都會有所不同。

（4）重力侵蝕。重力侵蝕與砒砂巖坡面坡度及巖性都有一定的關(guān)系。據(jù)野外調(diào)查，不同類型區(qū)坡面穩(wěn)定的臨界坡角是不同的，如：覆土砒砂巖區(qū)的臨界坡角為350～ 450.裸露砒砂巖區(qū)白色砒砂巖的為350～700、紅白相間的為350～ 450。當坡角大于臨界坡角時，易發(fā)生重力侵蝕。唐政洪等的研究進一步表明，重力侵蝕主要發(fā)生在坡角大于300的溝坡，坡角為350～ 600的溝坡是發(fā)生瀉溜的主要地段，崩塌主要發(fā)生在600以上的陡崖地段。孔隙、裂隙越發(fā)育的砒砂巖坡面，越容易發(fā)生重力侵蝕。另外，不同巖性互層的地層組合方式也會對重力侵蝕有影響。據(jù)葉浩等研究，砒砂巖化學成分對重力侵蝕也有影響，如Mg、K20、Mn0、Fe0等含量的變化可造成內(nèi)聚力的顯著變化，進而明顯影響重力侵蝕的發(fā)育。

事實上，砒砂巖區(qū)的多種侵蝕方式在空間上具有復合作用、在時間上具有交替發(fā)生的特點。風蝕及凍融侵蝕均可誘發(fā)重力侵蝕，同時這些侵蝕方式產(chǎn)生的松散堆積物又為水力（徑流）侵蝕和泥沙輸移提供了物質(zhì)來源。在水力侵蝕、重力侵蝕發(fā)生時，風蝕堆積物坡積裙可不斷被蝕退，進入溝道的泥沙被水流搬運至下游，風蝕又不斷搬運補充坡積裙。唐政洪等曾歸納出砒砂巖侵蝕具有風化一侵蝕一風化循環(huán)的特點。當然，如果從侵蝕方式的發(fā)生過程而言，水力侵蝕與重力侵蝕或風力侵蝕與重力侵蝕亦可相伴發(fā)生，由此也可以歸納認為砒砂巖具有風蝕/重力侵蝕一水蝕/重力侵蝕一風蝕/重力侵蝕的復雜交替/耦合的循環(huán)侵蝕特征。

1.2 砒砂巖侵蝕時空分布特征

砒砂巖侵蝕具有明顯的時空分異規(guī)律，其在空間上與砒砂巖類型區(qū)、坡溝系統(tǒng)地貌單元的分布有關(guān)，在時間上與年度季節(jié)性變化有關(guān)。

根據(jù)砒砂巖地表覆蓋物質(zhì)的不同，砒砂巖區(qū)分為裸露砒砂巖區(qū)、覆土砒砂巖區(qū)和覆沙砒砂巖區(qū)三類：裸露砒砂巖區(qū)指砒砂巖直接見于地表，上面無黃土、沙或覆土（沙）極?。?～1.5 m）；覆土砒砂巖區(qū)指砒砂巖掩埋于各種黃土地貌之下，黃土厚一般大于1.5 m；覆沙砒砂巖區(qū)指砒砂巖掩埋于較厚沙層之下。不同類型區(qū)主要侵蝕類型及復合侵蝕類型有一定的差異（見表1）?？傮w來說，在裸露、覆土、覆沙區(qū)的復合侵蝕中均會有重力侵蝕發(fā)生。另外，無論是哪一類砒砂巖區(qū)，只要有砒砂巖出露，或輕或重均會有凍融侵蝕發(fā)生。就不同強度侵蝕的面積分布而言，裸露區(qū)極強烈侵蝕面積占砒砂巖區(qū)面積的3.43%，相應(yīng)地，覆土區(qū)、覆沙區(qū)的分別占13.42%.1.36%，砒砂巖區(qū)的極強烈侵蝕面積主要分布于覆土區(qū)，其面積占覆土區(qū)總面積的25.47%。根據(jù)趙國際觀測，在小流域坡溝系統(tǒng)地貌單元尺度上，主要侵蝕類型也是有差異的：水力侵蝕發(fā)生的部位以坡面與溝坡為主：重力侵蝕以陡坡與溝坡為主，且有從坡頂向溝坡逐步增強的趨勢：對于風蝕，在迎風坡及其兩側(cè)，或者在東西走向高地勢之間是強風蝕區(qū)，且從坡頂?shù)狡履_風蝕厚度逐漸減小，坡頂?shù)娘L蝕量是坡中部的近4倍。另外，水蝕從南向北減弱，而風蝕則白南向北增強。

砒砂巖區(qū)水力、風力、重力及凍融引發(fā)的侵蝕在年尺度內(nèi)交替或2項以上同時出現(xiàn)，呈疊加性，但不同季節(jié)主要侵蝕類型有分異性。覆沙區(qū)全年以風蝕為主：在覆土、裸露區(qū)冬春季風力侵蝕強烈，尤其是春季風蝕最為嚴重，夏秋水力侵蝕占主導地位，尤以夏季水蝕最為嚴重。凍融和重力侵蝕疊加在春季最為明顯。

總體來說，春夏之交是凍融、風化高峰期，4-5月是風蝕高峰期，5-6月是重力侵蝕高峰期，7-9月是水蝕高峰期。在5-9月多發(fā)生重力侵蝕與水蝕的復合，其他時期則發(fā)生重力侵蝕、風蝕、凍融侵蝕的復合。多動力侵蝕在年尺度內(nèi)交替發(fā)生及疊加，其疊加效應(yīng)可能會造成侵蝕峰值（見圖1），但是對其疊加關(guān)系及疊加效應(yīng)仍缺乏研究。

2 砒砂巖侵蝕巖性機理

砒砂巖侵蝕巖性機理主要是指砒砂巖的礦物組成、化學成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物等特征要素在侵蝕過程中的作用關(guān)系。

2.1 砒砂巖巖性

（1）礦物組成。砒砂巖由多種礦物組成，不少學者從不同角度對砒砂巖的礦物組成進行了研究，雖然采用的試樣、試驗方法和檢測儀器等可能有差異，但對砒砂巖主要礦物成分的認識基本一致：砒砂巖的主要礦物成分包括石英、長石、方解石、蒙脫石、高嶺石等。但是，一些研究者對各種成分含量的測驗結(jié)果卻有明顯差別（見表2）。砒砂巖顏色不同，相同礦物成分的含量也有很大差別，例如按文獻的結(jié)果統(tǒng)計，4種顏色砒砂巖的蒙脫石最大最小含量的比值可以達到3，石英含量的極值比為2.4，方解石的達到7.9；在不同深度，即使顏色相同，但同類礦物的含量也有很大差別。由此說明，砒砂巖礦物成分的空間分異性是非常大的。另外，砒砂巖的石英含量為50%左右，較一般砂巖等巖石的含量低，由此說明砒砂巖的成巖程度低。

（2）化學成分。不少研究者對砒砂巖的化學成分做過分析，在砒砂巖所含主要化學成分方面的認識是比較一致的。砒砂巖的化學成分主要有二氧化硅（ Si0）、三氧化二鋁（Al203）、三氧化二鐵（ Fe203）、氧化鎂（Mg0）、氧化鈣（Ca0）、氧化鈉（ Na20）、氧化鉀（K20）等。但是，不同研究者所測驗的含量有較大差別，其含量大小與砒砂巖顏色、取樣位置等有關(guān)。從現(xiàn)有測驗成果看，上述化學成分的平均含量變幅分別為59.7%～ 76.8%、10.6%～ 15.4%、1.6%～4.3%、1.8%～4.8%、0.6%～15.1%、0. 9%～3.9%、2.5%～3.0%?？傮w來說，含量最高的是Si0，其次是Al203、Fe203、Mg0和Ca0等。

（3）結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)石迎春等分析，砒砂巖巖體屬于不等粒巖，不均勻系數(shù)C_u大于5，曲率系數(shù)C_q大于3，粗細顆粒混雜，磨圓程度低，礦物顆粒平均扁圓度達到0.411 1，而且砒砂巖顆粒較粗，如白色砒砂巖粒徑大于0.05 mm的粗顆粒占84.5%。砒砂巖表面較為粗糙，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙較大，使得其更容易遭受風化侵蝕。結(jié)晶度較好的塊狀晶體和黏土類物質(zhì)膠結(jié)在一起，存在較多的孔隙，膠結(jié)物質(zhì)多為碳酸鹽和黏土物質(zhì)。根據(jù)金爭平等分析，由于大顆粒形成的孔隙被小顆粒所填充，因此砒砂巖的滲透能力并不高，其穩(wěn)定滲透能力只有黃土的1/3。在砒砂巖溝坡多有垂直裂隙發(fā)育，為重力侵蝕創(chuàng)造了條件。砒砂巖微觀形貌主要呈絮狀、片狀或蜂窩狀的凝膠物質(zhì)，其微觀結(jié)構(gòu)主要呈塊粒鏈接或絮狀鏈接。根據(jù)趙澄林等對碎屑巖膠結(jié)類型的劃分標準，砒砂巖大部分屬于孔隙式膠結(jié)，少數(shù)成巖程度較高的屬于接觸式膠結(jié)。砒砂巖的這些結(jié)構(gòu)特征，使其力學性能相對較差（見表3），尤其在水巖作用下，存在礦物轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，其轉(zhuǎn)化量越大，溶解的礦物量就越多，孔隙度變化就越大，而孔隙度的變化直接導致巖體的力學性能降低。

2.2 侵蝕巖性機理

砒砂巖的礦物組成、化學成分及其結(jié)構(gòu)特征決定了其易侵蝕性。從礦物組成來說，雖然砒砂巖成巖程度低，石英含量相對少，但仍在50%左右，而石英是極為穩(wěn)定的礦物，抗風化能力強，且?guī)缀醪话l(fā)生化學溶解作用，因此石英不是導致砒砂巖遇水崩解、見風碎化的原因。造成其易侵蝕的礦物成因主要是所含長石類、蒙脫石等黏土類、碳酸鹽類和高嶺土等礦物的含量較高。鉀長石、斜長石等長石類礦物解理和雙晶發(fā)育，在干旱、大風的環(huán)境下極易風化，導致巖石結(jié)構(gòu)被破壞，抵抗侵蝕能力減弱，而且長石的主要風化物高嶺石抗蝕能力最差。蒙脫石是一種2：1型黏土礦物，干燥環(huán)境下不會導致巖體破壞，但其在形成過程中會發(fā)生品格取代，引起蒙脫石的品格形變，使得蒙脫石晶胞帶負電荷，外部水分子容易進人蒙脫石晶層間，遇水時極易膨脹，最大可膨脹至原體積的40倍，導致巖體微結(jié)構(gòu)破壞。方解石和白云石等是碳酸鹽礦物的主要成分，方解石的化學性質(zhì)較為活潑，其抗風化能力弱，且遇水后易與水中CO2發(fā)生化學反應(yīng)并被水流帶走，從而減弱砂巖顆粒之間的膠結(jié)作用。砒砂巖的黏土礦物成分主要是蒙脫石及少量伊利石和高嶺石，這些礦物的質(zhì)量分數(shù)較高，有時甚至超過30%，同樣表明砒砂巖的結(jié)構(gòu)不成熟。因此，蒙脫石是導致砒砂巖遇水崩解的主要原因，鉀長石、斜長石等含量高是砒砂巖易于風化的主要原因，方解石膠結(jié)作用弱是導致砒砂巖抗蝕能力差的主要原因。另外，砒砂巖遇水時，礦物轉(zhuǎn)化量大，使孔隙率變大.也是減弱砒砂巖抗蝕性能的原因之一。

從化學成分來說，砒砂巖所含Na20、K20、Ca0等的含量雖然較低，但它們的性質(zhì)異?；顫?，極易發(fā)生化學變化，遇水非常易于流失，導致巖體結(jié)構(gòu)破壞，降低砒砂巖的抗蝕能力。

從結(jié)構(gòu)方面來說，砒砂巖結(jié)構(gòu)組成有三大類：一是由結(jié)晶度較高的原生礦物石英、長石和碳酸鹽組成的顆粒物；二是由蒙脫石、高嶺石、伊利石、云母等次生黏土礦物組成的填充物，這些黏土物質(zhì)填充在粗大顆粒間的孔隙中；三是顆粒物與顆粒物、顆粒物與填充物接觸界面上的膠結(jié)物，其主要成分是游離氧化物（如游離氧化鐵等）。不同礦物粒徑相差懸殊，顆粒大小不一，顆粒之間接觸不緊密，排列混亂，無一定的方向性，孔隙發(fā)育較好，因此砒砂巖抗水蝕、風蝕能力差。砒砂巖本身結(jié)構(gòu)性很強，存在明顯的各向異性，垂直方向的抗剪能力更強一些，因此在侵蝕過程中水平方向更容易發(fā)生片蝕，被沖刷形成沖溝。雖然砒砂巖結(jié)構(gòu)性較強，在無水條件下具有堅硬的巖性特征，但一旦遇水，其抗剪、抗壓強度隨含水量增大急劇降低，非常容易發(fā)生水蝕。

進而歸納認為，砒砂巖的崩解、潰散主要是其巖體結(jié)構(gòu)強度難以承受內(nèi)部的膨脹作用而造成的，例如蒙脫石遇水后強烈的膨脹作用，使砒砂巖潰散，蒙脫石等黏土礦物成為膨脹元：砒砂巖內(nèi)部的孔隙通道為水浸入巖體提供了條件，溫度在零度以下時，孔隙中的水便結(jié)冰膨脹，使砒砂巖結(jié)構(gòu)遭到崩解。而石英等膠結(jié)物構(gòu)成的膠結(jié)元，其膠結(jié)強度一旦低于膨脹力，必然發(fā)生結(jié)構(gòu)潰散。因此，砒砂巖破壞具有二元結(jié)構(gòu)特征，即膨脹元和膠結(jié)元，根據(jù)其結(jié)構(gòu)破壞過程，可建立二元結(jié)構(gòu)幾何模型及破壞力學模型（見圖2）。

由圖2（b）得到砒砂巖結(jié)構(gòu)破壞的力學關(guān)系為式中：△u為膨脹力作用下的位移：v為泊松比：E為彈性模量：α為膨脹物厚度：b為膨脹物圓心到包裹物外層的厚度；P1為內(nèi)網(wǎng)膨脹力。

式（1）定量揭示了砒砂巖結(jié)構(gòu)破壞的機理，也為通過改變砒砂巖結(jié)構(gòu)性能、控制崩解侵蝕的實踐提供了理論指導，例如：一方面可以對內(nèi)圓膨脹物進行改性，抑制或減小內(nèi)圓膨脹力P1；另一方面可以改變外部約束環(huán)包裹物的性質(zhì)，增大膠結(jié)元的約束環(huán)約束力。

3 討論與面臨的關(guān)鍵問題

綜觀近年來關(guān)于砒砂巖侵蝕規(guī)律的研究成果，盡管在砒砂巖侵蝕類型、發(fā)生過程及侵蝕巖性機理等方面取得了不少認識，研究方法不斷得到完善，但由于砒砂巖結(jié)構(gòu)的復雜性，加之侵蝕環(huán)境惡劣，侵蝕類型多且交替/耦合發(fā)生，因此現(xiàn)有的一些研究結(jié)果還有一定差異，對復合侵蝕發(fā)生、發(fā)展及其過程機理的認識還不十分清晰。同時，砒砂巖區(qū)的退化生態(tài)環(huán)境條件與侵蝕有著密不可分的關(guān)系，兩者具有互饋作用，對此的研究仍很薄弱。隨著國家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略的實施，砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理將會成為關(guān)注的重點，因而關(guān)于砒砂巖區(qū)的侵蝕規(guī)律及其與生態(tài)退化的關(guān)系必然成為土壤侵蝕學科研究的熱點之一。因此，從學科發(fā)展及砒砂巖區(qū)生態(tài)治理實踐需求的角度來看，還應(yīng)加強以下幾方面的研究。

（1）砒砂巖區(qū)多動力復合侵蝕時空分異規(guī)律。水蝕一風蝕一凍融侵蝕是自然界水、風、溫度綜合作用的結(jié)果，在時空分布、能量供給、物質(zhì)來源等方面相互耦合，形成了與單一的水蝕或風蝕完全不同的侵蝕、泥沙搬運、沉積過程。而以往對復合侵蝕的交替過程與機理研究較少，對砒砂巖復合侵蝕、產(chǎn)沙過程的驅(qū)動機制仍不清楚，而這正是有效治理砒砂巖區(qū)侵蝕的關(guān)鍵問題之一。因此，建議通過野外定位觀測試驗、室內(nèi)實體模型試驗分析及遙感解譯等多種方法，揭示水力、風力、凍融侵蝕交替發(fā)生發(fā)展的特征、過程及變化規(guī)律，闡明復合侵蝕時空分布規(guī)律及復合侵蝕發(fā)生的動力機制與動力臨界值，揭示復合侵蝕過程與機理，以及粗泥沙產(chǎn)輸過程對植被覆蓋變化的響應(yīng)，為破解砒砂巖區(qū)植被退化的侵蝕動力機制提供基礎(chǔ)支撐。

（2）復合侵蝕與植被退化的響應(yīng)關(guān)系。土壤侵蝕使植被賴以生存的土壤及養(yǎng)分流失，水分難以留存，必然致使植被退化：而植被退化又促使水文環(huán)境惡化，地表覆蓋物減少，為水蝕、風蝕的發(fā)生提供更為有利的條件，進而加劇土壤侵蝕，因此土壤侵蝕與植被退化有明顯的互饋作用，尤其在砒砂巖生態(tài)脆弱區(qū)表現(xiàn)得更為突出。為此，應(yīng)把砒砂巖區(qū)復合侵蝕與生態(tài)退化作為一個系統(tǒng)加以認識，分析砒砂巖區(qū)植被退化時空特征及與集水區(qū)匯流的關(guān)系，分析土地利用/植被覆蓋時空變化及水沙序列演變特征，研究流域水文條件對植被演變的綜合響應(yīng)，明晰土壤侵蝕強度格局與植被景觀格局的空間關(guān)系，模擬反演植被影響下的水沙動態(tài)過程，分析植被格局對土壤侵蝕的反饋規(guī)律，揭示多動力驅(qū)動下植被退化與多營力復合侵蝕互饋機理。

（3）水巖作用下砒砂巖三元結(jié)構(gòu)破壞機理。目前所建立的砒砂巖二元結(jié)構(gòu)模型沒有考慮砒砂巖孔隙結(jié)構(gòu)在遇水潰散過程中的作用，而孔隙結(jié)構(gòu)是砒砂巖結(jié)構(gòu)的重要方面，也是水分、氣體和養(yǎng)分的運輸通道，孔隙結(jié)構(gòu)特征直接影響著水對砒砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。因此，孔隙結(jié)構(gòu)在砒砂巖遇水潰散過程中不斷發(fā)生變化，同時影響著砒砂巖結(jié)構(gòu)組成的物理變化和化學變化，是砒砂巖結(jié)構(gòu)組成的重要一元。鑒于此，建議開展水巖作用下砒砂巖三元結(jié)構(gòu)破壞機理研究.通過砒砂巖結(jié)構(gòu)特征分析，辨識砒砂巖三元結(jié)構(gòu)組成方式，模擬砒砂巖遇水破壞過程，分析水運移對其物化性質(zhì)的影響，建立砒砂巖三元結(jié)構(gòu)模型，揭示其破壞機理。

（4）復合侵蝕觀測方法。復合侵蝕研究的難點之一是從總侵蝕量中分離各動力作用的貢獻量。目前對水蝕與風蝕研究的理論基礎(chǔ)大都是流體力學，然而由于風蝕和水蝕物質(zhì)運移的方向性與維度不同，通常作為兩個獨立的過程分別測量。水蝕有明顯的邊界，可以通過測量流域出口的徑流泥沙而得到，而風蝕沒有明顯的邊界，只能通過跟蹤土壤表面的變化或分析微粒來測量風蝕通量。目前，分析風蝕產(chǎn)沙常用的方法有直接估算法、輸沙平衡法、粒度分析法、模型法、同位素示蹤法等，其中前三種方法是通過風沙觀測或試驗，依據(jù)風力、下墊面狀況、典型取樣以及調(diào)查資料計算風蝕量，很難反映風蝕與水蝕之間的交互作用，而同位素示蹤法一般實用于風積作用的定量觀測，對風化作用尚無法定量。復合侵蝕是一個多動力交互作用的地表剝蝕過程，有其內(nèi)在規(guī)律性，因此必須在模擬試驗及分析方法上有所突破。建議開展基于降雨、風力、凍融、徑流等多動力交替循環(huán)試驗?zāi)M技術(shù)方面的研究，為揭示水力、風力、凍融等交替侵蝕過程與作用機理提供有效的研究手段，在多動力復合侵蝕模擬研究的方法、技術(shù)上創(chuàng)新。

4 結(jié)語

砒砂巖區(qū)是黃河流域典型的生態(tài)極度脆弱區(qū)，是黃河粗泥沙來源的核心區(qū)。圍繞砒砂巖區(qū)水土流失治理、生態(tài)恢復，近年來對砒砂巖區(qū)水土流失規(guī)律開展了不少研究，在砒砂巖侵蝕類型及其分布、砒砂巖巖體結(jié)構(gòu)特征、侵蝕巖性機理等方面取得了豐碩成果。然而，對砒砂巖侵蝕規(guī)律及其發(fā)生發(fā)展機理的研究遠非那么簡單。砒砂巖侵蝕屬于多相侵蝕交替/耦合作用的地表剝蝕過程，時空分異性強，加之砒砂巖本身的巖體結(jié)構(gòu)復雜，因此需要研發(fā)新的技術(shù)與方法，在侵蝕機理的認識上取得突破。隨著我國進入新時代對生態(tài)文明建設(shè)的強力推進，以及治黃實踐的發(fā)展，對砒砂巖區(qū)水土流失治理及生態(tài)恢復等實踐提出了更多的科技需求。砒砂巖區(qū)多動力復合侵蝕交替/耦合關(guān)系、復合侵蝕與植被退化的互饋機理、多動力復合侵蝕模擬方法與技術(shù)將成為今后研究砒砂巖侵蝕機理的主要方向，為在這些重要課題、關(guān)鍵技術(shù)等方面取得新突破，需要采用GIS、RS等現(xiàn)代信息采集分析技術(shù)及統(tǒng)計學方法，野外定位觀測與室內(nèi)實體模擬試驗、數(shù)學模型模擬反演技術(shù)的有機結(jié)合，土壤侵蝕與水土保持科學、水文泥沙科學、流體動力學、生態(tài)學、環(huán)境學、巖石學等多學科交叉，當前，應(yīng)重點圍繞砒砂巖復合侵蝕驅(qū)動力作用關(guān)系、復合侵蝕與植被退化的耦合機理等開展研究，為砒砂巖區(qū)生態(tài)綜合治理、減少粗泥沙人黃、保障黃河流域生態(tài)安全提供理論支撐。