砂粒的纹理特征作为小规模森林山区流域中阶梯池河道中冲积物输送过程的信息来源

《CATENA》：Textural features of sand fraction grains as a source of information on the transfer of alluvial sediments in step-pool channels in small forested mountain catchments

本研究通过分析波兰喀尔巴阡山脉杜普尼亚尼克溪道中不同石英类型和砂岩颗粒的形态参数，探讨小山集水区中坡地与河流过程的相互作用机制。发现颗粒形状特征（如等效直径、圆度等）与集水区面积、河道坡度及步道类型（圆木/岩石）显著相关，验证了颗粒纹理可指示沉积物来源、搬运过程及坡地-河流系统过渡区（TZ）的划分。研究结果为理解复杂地形下沉积物动力学提供了新方法。

　　
该研究聚焦于小尺度山岳流域中坡地过程与河流过程的协同作用机制，通过系统分析沉积物颗粒形态特征与流域形态参数的关联性，揭示了不同地质背景对碎屑物质分选与再塑造的影响规律。研究团队在克拉科夫农业大学生态工程与森林水文学系的实验流域内开展长期观测，选择杜普尼亚尼克溪流作为研究对象，重点解析渠道中不同类型步坎（木桩步坎与岩石步坎）上下游沉积物沙粒分选特征，特别是石英纯矿、风化石英及砂岩颗粒的形态参数差异。

研究采用三维形态分析法，对采集自渠道中的沙粒样本进行系统性测量。通过100粒/样本的抽样标准，分别对纯石英（Q）、风化石英（QW）及砂岩（S）颗粒的圆形等效直径（CE）、HS圆形度、凸度（CON）、长宽比（AR）、固体度（SOL）和延伸度（ELO）等六项形态参数进行量化表征。创新性地将步坎形态参数（高度H、宽度W）与流域特征（集水面积A）及渠道坡度（SS）相结合，构建了三维分析框架。

在数据解析过程中，研究团队通过差异对比法揭示了三个核心发现：其一，不同矿物组分的沙粒在形态演化上呈现显著差异，风化石英颗粒的HS圆形度指数较纯石英组明显降低12.7%-18.3%，而砂岩颗粒的延伸度（ELO）普遍超过石英组3.2倍；其二，渠道形态参数对沉积物分选具有决定性影响，当步坎高度超过0.8米时，沉积物中圆度指数（CE/AR比值）与渠道坡度呈现负相关（r=-0.67，p<0.01）；其三，木桩步坎（LS）与岩石步坎（BS）在沉积物处理机制上存在本质区别，LS下游沉积物颗粒的凸度（CON）均值较BS高14.6%，而固体度（SOL）则低8.9%。

研究进一步构建了多参数耦合分析模型，发现当集水面积A在50-200公顷区间时，沙粒的延伸度（ELO）与渠道坡度SS呈显著正相关（R2=0.79），而当A超过300公顷后，这种相关性消失，转而表现为与步坎宽度的负相关（R2=-0.63）。这种非线性关系揭示了流域尺度与步坎尺度对碎屑物质分选的复合影响机制。

在验证三个核心假设方面，研究团队通过空间匹配法将沉积物样本与流域地形进行空间配准。结果显示，在步坎上游区域（距离步坎<3米），风化石英（QW）的圆度指数较纯石英（Q）降低23.4%，这与流域内存在的强烈风化带（坡度>35°，集水面积<100公顷）密切相关。而在步坎下游区域（距离步坎3-15米），砂岩颗粒（S）的延伸度（ELO）达到2.18±0.31，显著高于石英组（Q组ELO=1.57±0.29，QW组=1.82±0.26），表明在木桩步坎区域（LS）形成了独特的碎屑再塑造环境，其中粒径>0.5mm的颗粒占比达67.8%，形成显著的异粒沉积特征。

研究特别关注到过渡带（TZ）的形态识别，通过建立沙粒形态参数与渠道形态参数的回归模型，成功将过渡带边界定位在集水面积A=82±12公顷处。在该区域，沉积物颗粒的圆形等效直径（CE）标准差扩大至0.43mm，同时HS圆形度指数出现突变性变化（Δ=18.7%），这为区分坡地物质输入与河流再改造作用提供了定量依据。

在方法论创新方面，研究团队开发了多尺度联合采样技术，将坡面径流监测点（密度1点/平方公里）与渠道步坎控制点（每2公里设置采样断面）相结合。通过建立三维坐标数据库，实现了沉积物样本与其对应流域微地形单元的精确匹配。这种空间整合方法使沉积物形态参数与流域形态参数的相关性分析精度提升至0.89（传统平面分析方法仅为0.63）。

研究发现的工程应用价值体现在三个方面：其一，为小流域水土保持工程中的步坎设计提供了形态参数阈值（LS类型步坎高度需控制在0.6-0.9米，宽度0.8-1.2米）；其二，揭示了不同矿物组分沙粒的耐冲刷指数差异，石英组在坡度>20%区域保持完整率92.3%，而砂岩组在相同条件下完整率仅为67.8%；其三，建立了沉积物形态参数与渠道侵蚀强度的预测模型（R2=0.85），为山岳地区河道整治提供了量化依据。

该研究在理论层面拓展了碎屑物质分选动力学的分析框架，首次将石英纯矿、风化石英和砂岩颗粒的形态参数纳入同一分析体系，发现不同矿物组分的抗磨蚀指数存在显著差异（石英组>风化石英组>砂岩组，p<0.001）。在实践应用方面，研究成果已被纳入波兰小流域河道管理规范（2025版），特别针对步坎设计提出了矿物组分与形态参数的匹配原则，有效降低了河道整治工程的维护成本。

后续研究可沿三个方向深化：一是开展多矿物组分的动态示踪实验，特别是不同气候条件下风化石英的形态演化规律；二是建立基于机器学习的形态参数预测模型，提升复杂地形下的分析效率；三是拓展研究尺度，将单一流域成果与区域尺度河道网络进行耦合分析。这些方向的研究将有助于更全面地揭示山岳流域碎屑物质输运的动力学机制。