荒漠砾幂（又称荒漠砾石覆盖层，Desert Pavement）由一层紧密堆积的碎屑物组成，这些碎屑物嵌入在黏粒或粉粒富集的泡状土层（Av）之中^［1］。作为世界干旱区常见的景观特征^［2］，荒漠砾幂在澳大利亚、美国西南部（尤其是亚利桑那州和加利福尼亚州）、中东、北非、中亚、蒙古、俄罗斯和中国西北内陆盆地等地均有分布。荒漠砾幂按成因可分为冲积型和残积型两种，冲积型砾幂以混合成分和不同来源的砾石为特征，残积型砾幂以局部基岩暴露的角状碎片为特征，风化较少^［3］。

荒漠砾幂在水文、生态中起着重要作用^［4］。荒漠砾幂能够降低地表水分渗透、增加地表径流，进而影响生态结构和景观演化，对未来荒漠生态和环境演变具有重要的指示作用^{［2，5-6］}。同时，荒漠砾幂能够保护地表土壤和沉积物免受侵蚀^［7-8］。近20年来，国外关于荒漠砾幂的研究集中在北美莫哈维沙漠^{［6， 9］}和索诺兰沙漠^［10］、北非利比亚高原^［11-12］、中东内盖夫沙漠^［4，13］、澳大利亚艾尔湖区^［14］、印度塔尔沙漠^［7］等地，研究主要包括荒漠砾幂的特征^［7，9］、形成演化^［6，15］、地表修复^{［11，16-17］}、生态水文效应^{［1，18-19］}等。相比而言，国内关于荒漠砾幂的研究较少，主要涉及形成演化^［8］，尤其缺乏对荒漠砾幂水文效应方面的研究。

荒漠砾幂的水文特性主要反映在降低地表土壤水分入渗和减少地表蒸发。Hamerlynck等^［18］认为只有在降水量较大、降水频率较低的降水事件中，水分才能通过砾幂对深层土壤水分产生补给。砾幂水分入渗与多种因素有关，如地表砾石覆盖度、砾幂碎屑物、砾幂发育年龄等。Abrahams等^［20］认为水分入渗与砾石覆盖度之间存在负相关关系。Peosen等^［21］认为当砾幂受到干扰时，两者呈负相关关系，若砾幂未受干扰，两者呈正相关关系。Hamerlynck等^［18］认为水分入渗与砾幂碎屑有关，均一度较好的小碎屑及其下方泡状土层能够有效阻止水分入渗。Young等^［1］认为随着砾幂发育年龄的增加，水分入渗率降低，土壤储水量增加。然而，Li等^［19］采用人工降雨对砾幂进行的水文特性研究，发现砾幂去除与否对径流和水分入渗没有显著性差异，碎屑层不是入渗和降雨径流的限制层。

在河西走廊地区，分布着大面积荒漠砾幂，对维持荒漠生态系统的稳定具有重要作用。然而，关于荒漠砾幂的特征及其水文效应方面的研究相对较少。本文以河西走廊中部临泽绿洲北部荒漠为例，调查了地表砾幂的特征，分析了荒漠砾幂对土壤水分入渗的影响。研究可为进一步了解荒漠砾幂的水文效应提供参考依据。

研究区位于河西走廊中部临泽绿洲北部荒漠（图1），地理坐标为39°25′—39°42′N、99°57′—100°20′E，平均海拔1 350 m。区域气候属典型的干旱荒漠气候，年平均气温7.6 ℃，最高气温39 ℃，最低气温-27.3 ℃；年降水量116.8 mm，年潜在蒸散量2 390 mm；年平均风速3.2 m·s^-1，历史最大风速>17 m·s^-1。土壤类型以灰棕漠土和灰漠土为主。常见植物有泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa）、红砂（Reaumuria songarica）、灌木亚菊（Ajania fruticulosa）、蒙古韭（Allium mongolicum）等；若遇到降水发生，地表可能会出现大量一年生植被，如籽蒿（Artemisia sieversiana）、画眉草（Eragrostis pilosa）、狗尾草（Setaria viridis）、虎尾草（Chloris virgata）、白茎盐生草（Halogeton arachnoideus）、雾冰藜（Bassia dasyphylla）等。

在山丘-绿洲间的荒漠内，沿NE-SW方向依次选取5块样地（图1），样地大小为100 m× 100 m。表1和图2显示了5个样地的地理位置、地表特征、剖面形态和植被特征。样地1地表平坦，被荒漠砾幂覆盖，植被覆盖度20%~35%，土壤剖面呈Av-Bk系列，偶尔存在Btk层，Av层土壤结构呈中度块状、中度棱柱状和片状结构。样地2位于干沟一侧，干沟宽度可超过8 m，地表为荒漠砾幂所覆盖，植被覆盖度达30%，土壤剖面为Av-Bk系列，Av层土壤结构呈中度块状、中度棱柱状和中度片状。样地3地表无明显的流水痕迹，地表为荒漠砾幂所覆盖，地表植被覆盖度15%~30%，土壤剖面为Av-Bk-（Btk），Av层呈中度块状、中强棱柱状和中度片状结构。样点4地表平坦，为荒漠砾幂所覆盖，植被覆盖度为10%~20%，土壤剖面系列为Av-Bk系列，有时夹杂有Btk层，Av层土壤结构存在中度棱柱状和中度块状结构。样地5距绿洲最近，存在细沟侵蚀，地表存在车辙印和人工培植的梭梭，土壤系列为Av-Bk系列，土壤偏红，Av层土壤结构为块状、中等片状和中等棱柱状结构。

每个样地内设置样线1条，间隔1 m设置小样方（10 cm× 10 cm），样方共计40个。每个样方内，采用直尺测量砾幂厚度，测量3次并取平均值。测量完毕后，将小样方内砾幂样品带回试验室过筛（2 mm圆孔土壤筛），随机选取200颗砾石（>2 mm），采用游标卡尺测定砾石的长轴（d_a）、中轴（d_b）和短轴（d_c），按如下公式^［22］计算砾石粒径。

入渗试验于2019年9—10月进行，试验前10 d內无降水发生。每个样地内进行10组土壤水分入渗试验，每组试验包括砾幂覆盖和砾幂去除两种处理。入渗试验前在地表平铺一层湿润沙（<2 mm），采用盘式入渗仪（高度100 cm，底盘直径17 cm）在 -1 cm水头下进行土壤水分入渗试验，采用Philip模型对试验结果进行拟合^［23］，计算稳定入渗率，计算公式如

式中：I（t）为单位面积的累计入渗率；t是累计入渗时间；S是吸水系数。通过模拟可以估计出吸水系数。

对上式求导可得到入渗率的表达式为：

式中：i（t）为入渗率。当水流稳定时，入渗率即为稳定入渗率，它数值上等于或接近于饱和导水率。

入渗试验前，对地表进行拍照，取样大小为10 cm×10 cm样方，裁剪处理后采用数字图像处理法提取砾石覆盖度^［24］。数字处理法的基本步骤为：①光学和几何校正；②识别砾石特征；③图像二值化；④采用全局阈值法进行阈值风格分割；⑤采用Matlab 2016b软件计算已处理图像的黑白像素数目；⑥通过计算黑白像素数目估算砾石覆盖度。

入渗试验后，在入渗点旁开挖50 cm深的土壤剖面，分别采集砾幂及其下方0~3、3~6、6~10、10~15、15~25、25~35、35~50 cm土壤剖面样品，并带回实验室处理。采用烘干法（105 ℃，8 h）测定土壤质量含水量。采用筛分法（2 mm圆孔土壤筛）测定砾石含量，选取过筛后>2 mm的砾石样品，采用6种规格的土壤筛（孔径为2.5、3、4、5、10、20 mm的圆孔土壤筛）做过筛处理并称重，计算不同粒径范围内的砾石含量，即砾石粒级。此外，利用环刀在土壤剖面0~5（含砾幂）、5~10、10~20、20~30、30~40、40~50 cm上采样，装袋封存后带回实验室，采用烘干法（105 ℃，8 h）测定土壤容重。测定完毕后，采用权重法（以土壤分层为准）计算土壤剖面质量含水量、土壤剖面砾石含量和下层（5~50 cm）土壤容重。

利用IBM SPSS软件进行Pearson相关性分析和方差分析，采用LSD进行多重比较。

图3A显示，砾幂平均厚度为0.50 cm，介于0.10~1.03 cm，呈正态分布，其中厚度0.40~0.65 cm的砾幂占60.50%。5个样地内（表2），样地4砾幂厚度最大（0.61 cm），样地1砾幂厚度最小（0.39 cm），其余样地砾幂厚度从大到小依次为样地3>样地2>样地5。

图3B显示，砾石覆盖度平均为52.70%，介于19.48%~97.63%，呈偏态分布，峰值位于40%~45%，占18%。5个样地内（表2），样地1砾石覆盖度高达76.58%，其余样地砾石覆盖度相对较低，介于38.44%~52.86%。

图3C显示，砾幂平均砾石粒径为4.61 mm，介于1.70~31.69 mm，呈偏态分布，其中2~4 mm粒径范围内的砾石颗粒占55.10%。5个样地内（表2），砾幂砾石粒径偏小且差异不大，样地2砾石粒径最大（5.18 mm），样地5砾石粒径最小（4.19 mm），其余区域砾石粒径从大到小依次为样地3>样地1>样地4。

砾幂质量含水量仅为0.30%，低于砾幂下方土壤剖面质量含水量。砾幂及其下方土壤剖面质量含水量呈单峰分布，最大值为2.57%，出现在15~25 cm土层中（图4A）。5个样地内（表2），砾幂质量含水量均偏低，最大值出现在样地1（0.53%），最小值出现在样地3（0.22%）；砾幂下方土壤剖面质量含水量相对较高，介于1.74%~2.30%，最大值出现在样地4（2.30%），最小值出现在样地3（1.62%）。

为分析砾幂及其下方土壤剖面的砾石特征，将粒径>2 mm的颗粒视为砾石。图4B所示，砾幂砾石含量相对较高，占41.64%；砾幂下方土壤剖面砾石含量相对较低，为15.17%。5个样地内（表2），砾幂砾石含量较高，沿山丘-绿洲方向呈增加趋势，样地5砾石含量最高，为54.37%，样地1砾石含量最低，为30.61%。砾幂下方剖面砾石含量较低，样地3含量最高，为20.93%，样地4含量最低，为8.97%。

为进一步分析砾幂及其下方土壤剖面砾石含量特征，将砾石粒径进行分级（表3）。统计结果显示，砾幂和砾幂下方土壤剖面的砾石粒级具有明显差异。砾幂砾石粒级以5~10 mm为主，占34.98%；10~20 mm次之，占23.63%。砾幂下方土壤剖面砾石粒级以5~10 mm为主，占25.11%；3~4 mm和2~2.5 mm次之，分别占19.00%和17.04%。5个样地内，砾幂及其下方土壤剖面的砾石粒级变化的规律相似（表3）。砾幂砾石粒级以5~10 mm为主，占29.14%~37.38%；10~20 mm次之，占20.95%~27.06%。砾幂下方土壤剖面砾石粒级以5~10 mm为主，占21.81%~30.82%；3~4 mm和2~2.5 mm次之，分别介于16.81%~21.50%和14.12%~20.47%。

图4C显示，表层土壤容重较大，为1.71 g·cm^-3；下层土壤容重较小，介于1.62~1.66 g·cm^-3。表2结果表明，除样地2外，其余样地表层土壤容重均大于下层土壤容重。表层土壤容重中，样地5容重最大，为1.80 g·cm^-3，样地2容重最小，为1.58 g·cm^-3。下层土壤容重中，样地5容重最大，为1.72 g·cm^-3，样地4容重最小，为1.58 g·cm^-3。

砾幂去除前后，土壤水分入渗发生了明显变化（图5）。当砾幂覆盖时，稳定入渗率为2.35 mm·min^-1；当砾幂去除后，稳定入渗率为3.69 mm·min^-1，是砾幂覆盖时的1.6倍。这表明砾幂能够限制土壤水分入渗。对比不同样地，当砾幂覆盖时，稳定入渗率沿山丘-绿洲方向降低，其中样地1最高（2.83 mm·min^-1），样地5最低（2.05 mm·min^-1）；当砾幂去除后，稳定入渗率在样地1最高（4.57 mm·min^-1），在样地4最小（3.12 mm·min^-1）。

方差分析结果（图5）表明，砾幂去除前后，5个样地内稳定入渗率的显著性发生了明显变化。当砾幂覆盖时，样地1与样地2存在显著差异，与其他样地间不存在显著差异；样地2与样地4、样地5存在显著差异，而与样地3不存在显著差异；样地3、样地4和样地5相互之间不存在显著差异。当砾幂去除后，样地1与其他样地间均存在显著差异；样地2与样地3、样地4或样地5不存在显著差异；样地3与样地4或样地5不存在显著差异；而样地4和样地5之间不存在显著差异。

Pearson相关分析（表4）表明，稳定入渗率与砾幂的厚度和砾石含量呈极显著负相关；与砾幂的砾石覆盖度、质量含水量呈显著正相关；与砾幂砾石粒径相关性较大，但不存在显著性；而与表层容重无显著相关性。这说明砾幂的厚度和砾石含量能够显著降低土壤水分入渗，而砾幂的砾石覆盖度、砾幂质量含水量则能显著促进土壤水分入渗；砾幂砾石颗粒大小虽能促进土壤水分入渗，但效果不显著。总之，砾幂物理性质对土壤水分入渗影响较大。

荒漠砾幂是干旱区常见的景观特征，其形成与非生物演化有关^［6］。随着时间的推移，地表起伏减少，地表碎屑破碎、密度增加、磨圆度降低、碎屑物质逐渐嵌入到由细颗粒物质组成的泡状土层之中，最终形成一个互锁的碎屑网络结构^［11］。在本研究中，临泽绿洲北部荒漠砾幂的厚度为0.50 cm、砾石覆盖度为52.70%、碎屑粒径为4.61 mm，但在不同区域内有所差异。这种差异可能因微地貌差异所致。由于所处微地貌环境不同（表1），地表碎屑物质来源和分化程度不同。如果遇到山洪暴发，大量冲积物被冲积到低洼区域，导致地表形态和物质组成发生变化。此外，由于研究区地处巴丹吉林沙漠边缘，风沙活动会携带大量沙尘，在数千年的加积过程中，地表砾石最终被加积物质所裹挟，在特殊作用下形成具有泡状土层。Moharana等^［7］在调查位于焦特布尔附近的塔尔沙漠时也认为荒漠砾幂的形成可能经历了不同的地貌过程，导致了地表砾幂在空间上表现出较大的变异性。

在干旱区荒漠生态系统中，降水是土壤水分的主要来源^［15］。尽管砾幂地表会因夜间冷而增加土壤水分，但在强烈的日照下，砾幂水分会被迅速蒸发，因此，砾幂含水量较低^［25］。由于地表砾幂入渗率较低且限制地表蒸散^［18］，而土壤中可补给的水分极少，只有在降水量较大、降水频率较低的降水事件中才能对深层土壤产生补给^［18］。然而，砾幂下方土壤剖面在冲洪积作用下形成的富含砾石碎屑的沉积层并不利于水分存储。因此，砾幂下方土壤剖面含水量也较低。即使如此，砾幂下方土壤剖面含水量在区域内分布也存在差异，例如位于样地1、样地4要比样地3的含水量高。

荒漠砾幂的存在会降低地表土壤水分渗透，使得地表径流流入附近低洼区域或汇入侵蚀沟道^［1］。该研究发现当砾幂去除后，稳定入渗率会明显提高，是砾幂覆盖时的1.3~1.8倍。一方面，这种现象可能与砾幂下方土壤结构相关。砾幂地表为互锁的碎屑网络结构^［11］，其下方土壤常常发育形成棱柱状、柱状或层状结构，因此会产生大量缝隙或裂隙，可为土壤水分入渗提供优先通道^［2］。另一方面，与砾幂物理结构有关。首先，砾幂厚度会限制土壤水分入渗。随着砾幂的发育，更多黏粒或粉粒物质被加积到砾幂中，砾幂结构更加紧密，降低了地表水分入渗。其次，砾幂砾石含量也能降低土壤水分入渗。由于砾石能在砾幂形成中起到骨架作用，砾石含量越高，砾幂结构越稳定；同时，较小的砾石碎屑具有较大的比表面积，使得与黏粒或粉粒物质结合更加紧密。因此，这种砾幂结构并不利于水分入渗。尽管Young等^［1］认为随着砾幂发育年龄的增加，土壤入渗率会降低，但是该研究去除了地表碎屑物，并没有考虑碎屑物在入渗中所起的作用。尽管Hamerlynck等^［18］认为均一度较好的小碎屑能够起到阻止水分入渗的作用，但没有揭示砾石含量与入渗之间的关系。第三，地表砾石覆盖度能够促进土壤水分入渗。尽管许多研究结果认为砾石覆盖度与入渗率之间存在正相关或负相关关系，但该研究结果表明砾石覆盖度与入渗呈正相关关系。Poesen等^［21］也认为如果砾幂未受干扰，两者之间呈正相关关系。第四，砾幂含水量是否能够促进土壤水分入渗有待进一步研究。尽管土壤物理学认为初期含水量越低，土壤初始入渗越快，但在该研究中，并没有考虑初始入渗速率。而关于砾幂含水量影响稳定入渗率的一种解释是砾幂水分能够精确地控制着荒漠植物的分布和成土成因^［15］，砾幂含水量可能作为砾幂性能的一种体现。

区域内荒漠砾幂厚度薄（0.50 cm）、砾石粒径小（4.61 mm），地表砾石覆盖度变化范围大，介于38.44%~76.58%。砾幂砾石含量占41.64%，沿山丘-绿洲方向呈增加趋势。砾幂质量含水量极低，仅为0.3%。然而，含砾幂的上层土壤容重却较大，为1.71 g·cm^-3。

垂直方向上，砾幂质量含水量低于其下土壤剖面质量含水量，砾幂砾石含量则高于其下土壤剖面砾石含量。砾幂和砾幂下方土壤剖面的砾石粒级不同，砾幂砾石粒级以5~10 mm为主，10~20 mm次之；而砾幂下方土壤剖面砾石粒级以5~10 mm为主，3~4 mm和2~2.5 mm次之。除样地2外，其余样地上层土壤容重均高于下层土壤容重。

砾幂能够限制土壤水分入渗。砾幂去除前，稳定入渗率介于2.05~2.83 mm·min^-1，沿山丘-绿洲方向呈减小趋势；而砾幂去除后，稳定入渗率明显提高，是砾幂去除前的1.3~1.8倍。砾幂物理性质影响土壤水分入渗。砾幂厚度和砾石含量均能显著降低稳定入渗率，而砾石覆盖度则显著提高稳定入渗率。砾幂砾石粒径与稳定入渗率相关性较大，但影响不显著。