综述：岩溶白云岩斜坡中的岩石碎屑：特征、分布及其对土壤质量建模的意义

《CATENA》：Rock fragments in karst dolomite slopes: their features, distributions and implications for soil mass modelling

本文系统研究了岩溶白云岩不同坡向（阴坡 vs. 阳坡）斜坡中岩石碎屑（RFs）的覆盖率、含量、粒径及磨圆度特征，揭示了其在坡位和土层深度上的分布规律。研究发现，忽略RFs会导致土壤质量被高估5%至30%，强调了在高度异质性的岩石地貌（如喀斯特地区）进行水文过程建模和土壤质量评估时，必须考虑RFs空间变异性的重要性。

　　

研究背景

岩石碎屑（RFs）是土壤剖面或地表未风化或部分风化的母质，根据美国农业部标准，其粒径通常为2至76毫米。它们是全球土壤中普遍存在的组分，尤其在山区更为丰富。RFs通过调节凋落物分解过程、改变土壤热状况和原位风化反应，显著影响土壤养分动态。此外，RFs在改变土壤物理性质（如容重、土壤孔隙度和土壤持水机制）方面起着关键作用。在干旱地区，储存在RFs中的水分是植物可吸收利用的重要资源。RFs还深刻影响斜坡水文过程，例如，适宜的RFs能减少土壤直接暴露于空气，从而抑制土壤水分蒸发；扩大的土壤孔隙创造了优先流路径，从而增强入渗；增加的土壤表面粗糙度有效抑制地表径流形成并提升地下流补给潜力。这些效应的程度取决于RFs的分布、大小和数量等因素。喀斯特地区，特别是中国西南部的喀斯特区域，作为世界上最大的裸露和半裸露喀斯特区，生态系统脆弱，石漠化严重。该区域土壤性质高度异质，水文过程复杂，其中RFs的特征（如分布、大小、覆盖率、含量）是调控这些过程的关键因素。白云岩作为喀斯特地区主要的碳酸盐岩，其相关土壤富含RFs且异质性显著，这使得土壤水文过程的研究变得极为复杂。

研究区域与方法

本研究区域位于广西环江县，海拔在260至501米之间，以典型的喀斯特峰丛洼地为特征，下层为棕钙质土，表层具砂质质地。白云岩是主要的岩石类型，基岩裸露广泛。土壤深度从0.1到1米不等，地表和剖面内均富含RFs。研究选择了两个对比坡向（阴坡和阳坡）的白云岩斜坡，沿每条斜坡设置三条样线，共采集87个土壤剖面（其中33个受裸露基岩影响），系统调查了RFs的覆盖率、含量、粒径和磨圆度在不同坡位和土层深度的变化特征，并评估了考虑RFs对土壤质量估算的影响。

岩石碎屑覆盖率的变异

研究表明，阴坡的平均RF覆盖率（6.64%）显著高于阳坡（5.31%）。在阴坡，RF覆盖率随着坡位降低呈下降趋势，从坡顶的11.27%降至坡脚的3.09%。在阳坡，坡顶的RF覆盖率相对较低（4.14%），同样随坡位降低而下降，范围从9.61%到2.57%。存在裸露基岩的采样点，其平均RF覆盖率（10.59%）显著高于无裸露基岩的采样点（3.05%），表明裸露基岩的存在主要影响表层土壤的RF覆盖。

岩石碎屑含量的分布特征

与覆盖率不同，阳坡的平均RF含量（16.47%）显著高于阴坡（12.31%）。RF含量在两条斜坡上均表现出高度变异性。RF含量随土壤深度增加而减少。在粒径分布方面，20–40毫米的RFs在阴坡（31.94%）和阳坡（45.73%）均占比最高。裸露基岩的存在对整体RF含量没有显著影响，进一步说明其影响局限于表层。

岩石碎屑磨圆度的变化

RF的磨圆度在两个斜坡之间无显著差异（阴坡0.5207 vs. 阳坡0.5873）。然而，磨圆度随着粒径增大而减小，并随土壤深度增加而增大。这反映了长期重力作用和水力作用对岩石碎屑迁移和改造的影响。

阴坡更高覆盖率但更低含量和磨圆度

阴坡更高的RF覆盖率可能归因于其更好的植被覆盖，增强了土壤保水性，凋落物含量高也使得下垫面或表土根际条件更复杂，减缓了RFs的下移。阳坡较高的RF含量可能与更强的物理风化作用有关。磨圆度随深度增加可能与更深层RFs经历更长时间的风化磨蚀有关。

对土壤质量估算的影响

研究指出，在土壤质量估算中忽略RFs会导致5%至30%的高估误差。这种高估会进一步导致对土壤碳、氮储量及持水能力等关键指标的错误判断。

结论

在中国西南部大多数喀斯特山区，地表和土壤内部通常存在大量碎屑。本研究结果表明，不考虑RF含量将导致土壤质量被高估5%至35%。随着坡位降低，阳坡和阴坡的平均RF覆盖率均呈现下降趋势。RF含量则随土层深度增加而减少。这些发现凸显了在高度异质性的岩石地貌（如喀斯特地区）进行水文过程建模和土壤质量评估时，必须考虑RFs空间变异性的重要性，为类似区域的生态水文研究和土壤资源管理提供了关键依据。