小灤河谷地土壤侵蝕速率的定量測算

2012-04-29 21:53:00張麗云蔡湛李慶辰劉平宇

湖北農業科學 2012年14期

張麗云蔡湛李慶辰劉平宇

摘要：野外調查和地貌學、生物學分析表明，發生水土流失的坡面上生長的獨樹或樹叢定點記錄了坡面水土流失的全過程，可以作為定量測算坡面侵蝕速率的標志。因坡面侵蝕而懸空的樹干基部高出當前地面的垂直距離，即為其生長期間坡面侵蝕的厚度；而樹木的年輪記錄提供了時間尺度。據此，測算出河北省承德市小灤河谷地無成片森林覆蓋的亞黏土坡面，在１６８１～２０１0年期間的平均侵蝕速率為２．１ｍｍ／ａ；而有沖溝發育的風沙土坡面，在１９６１～２０１0年期間的平均侵蝕速率達２４.0 ｍｍ／ａ。

關鍵詞：坡面侵蝕速率；水土流失；土壤侵蝕；小灤河谷地

中圖分類號：Ｐ５５１；Ｓ１５７．１；Ｓ７１４．７（２２２）文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）14－2964-04

Quantitative Estimation of Soil Erosion Rate in Xiaoluanhe River Valley

ＺＨＡＮＧＬｉ－ｙｕｎ１，ＣＡＩＺｈａｎ１，ＬＩＱｉｎｇ－ｃｈｅｎ１，ＬＩＵＰｉｎｇ－ｙｕ２

（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＨｅｂｅｉＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００１１，Ｃｈｉｎａ；

２．ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＰｒｅｓｃｈｏｏｌＴｅａｃｈｅｒｓＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５０２２８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｆｉｅｌｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎａｎｄｇｅｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｂｉｏｌｏｇｙａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｇｒｏｖｅｏｒｔｒｅｅａｌｏｎｅｇｒｏｗｉｎｇｏｎｔｈｅｓｏｉｌａｎｄｗａｔｅｒｌｏｓｓｓｌｏｐｅｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｆｏｒｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｓｌｏｐｅｓｕｒｆａｃｅｅｒｏｓｉｏｎｒａｔｅ．Ｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｃｕｒｒｅｎｔｓｌｏｐｅｓｕｒｆａｃｅｔｏｔｈｅｉｍｐｅｎｄｉｎｇｔｒｕｎｋｂａｓｅｗａｓｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｓｌｏｐｅｓｕｒｆａｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｉｒｇｒｏｗｔｈｐｅｒｉｏｄ．Ａｎｄｔｒｅｅｇｒｏｗｔｈｒｉｎｇｐｒｏｖｉｄｅｄａｔｉｍｅｓｃａｌｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｏｆａｎａｖｅｒａｇｅｅｒｏｓｉｏｎｒａｔｅｏｎｃｌａｙｓｌｏｐｅｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｏｕｔｆｏｒｅｓｔｃｏｖｅｒｉｎＸｉａｏｌｕａｎｈｅＲｉｖｅｒ vａｌｌｅｙ，Ｃｈｅｎｇｄｅｃｉｔｙ，Ｈｅｂｅｉｐｒｏｖｉｎｃｅｉｎ１６８１～２０１0 ｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｓ２．１ｍｍ／ａ；ａｎｄｏｎｔｈｅｓａｎｄｃｌａｙｓｌｏｐｓｕｒｆａｃｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｒｏｍｇａｌｌｙ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｅｒｏｓｉｏｎｒａｔｅｉｎ１９６１～２０１0 ｗａｓ２４ｍｍ／ａ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌｏｐｅｓｕｒｆａｃｅｅｒｏｓｉｏｎｒａｔｅ；ｓｏｉｌａｎｄｗａｔｅｒｌｏｓｓ；ｓｏｉｌｅｒｏｓｉｏｎ；ＸｉａｏｌｕａｎｈｅＲｉｖｅｒｖａｌｌｅｙ

坡面侵蝕是流域水土流失的主要形式，由此產生的地表泥沙和養分流失除了造成土壤貧瘠和石漠化外，還引起下游河道的淤塞和水庫淤積，因而是當今人類面臨的一種最普遍、持續性最強的地質災害，被稱為“蠕動的災難”，已成為中國乃至全球所面臨的重大環境問題，因而受到地質、地貌、土壤學界的高度重視，并引起農業、水利、環保部門的密切關注，所以開展了多方面的深入研究［１－３］。但是，由于坡面侵蝕包括難以捕捉和適時觀測的重力崩塌、滑坡、泥石流等突發過程與積少成多、不便記錄的雨滴濺蝕［４］、雨水沖刷、凍融蠕動、雪蝕、風蝕、溶蝕及生物作用等緩慢漸進過程，而且受到土地利用方式、植被類型與蓋度等多重因素的影響［５，６］，所以長期以來國內外主要是借助基于數理統計和過程模擬并涉及多因子的經驗模型、理論模型和隨機模型對其進行研究［７］，探索土壤侵蝕速率。但由于國外模型主要是基于坡度小于１５°的緩坡耕地和在大西洋、地中海氣候條件下建立的［５，８－１１］，不適合以２５°左右陡坡侵蝕為主、地處東亞季風氣候區、雨熱同期且多暴雨、沙隨水行［１２］的中國國情。國內的有關研究主要集中在黃土高原、云貴高原等地區［６，１３－１７］，并引進了磁化率、同位素檢測參數指標等輔助手段，也獲得了一些成熟模式和較為系統的觀測、試驗數據［１４－１６，１８，１９］。但這些模式的建立多數基于某一試驗區的設定條件［４，２０，２１］，而且模型選取參數或因子的數量及所占比重（或權重）也因研究者所從事的學科或領域不同而差別較大，所以多數模型難以全面、準確地模擬自然狀態下流域坡面土壤侵蝕的客觀過程；即便是經過檢驗，適合當地情況或符合某地客觀實際的模型也多數移植困難，會因自然條件的差異而在別的地區“水土不服”，難以應用［２２］。一些基于河流水體Ｎ、Ｐ、Ｋ等養分觀測數據的水土流失模型，僅利用了信息量的２％（即溶解狀態的養分流失量不到養分流失總量的２％）［２３］，而多數水文站（點）的河流泥沙數據僅有懸移質含量，缺少推移質和跳躍組分的含量［２４］，而用截留坑攔截的推移質泥沙也只有原投放量的６３％［５］，所以其所得結果也偏移較大。近年的人工降雨試驗模型表明，降雨造成的坡面土壤侵蝕主要發生在地表細溝形成階段以后［１９，２０］，但在自然狀態下，細溝開始出現時的原始坡面已侵蝕殆盡。因此，基于人工降雨試驗模型的坡面侵蝕過程在自然界無法標定原點，也難以據此推算坡面土壤侵蝕速率。

不過，盡管影響坡面侵蝕的因子眾多，且在不同地區各有消長，坡面侵蝕形成的水土流失過程也極其復雜［５］、充滿變數，但其最終形成的侵蝕結果卻是十分明顯和確定的。它們在地貌上留下了清晰的形態特征和空間尺度（如沖溝等），可供后來者進行測量和計算，而標定這種侵蝕形態發育過程的起始原點，確定過程的持續時間段即時間刻度，則成為了流域坡面侵蝕速率研究的關鍵。基于這一認識，我們試圖借助坡面上殘存的樹木作為其生長期間坡面侵蝕的原點標志和時間刻度，來定量分析和計算坡面水土流失的數量，以期獲得流域坡面侵蝕速率的定量數據。

１研究區概況

小灤河谷地位于河北省北部壩緣山地區，地處承德市西北１４０ｋｍ的木蘭圍場國家森林公園內。整個谷地寬淺開闊，谷底海拔高程１０６０ｍ。谷地兩側為由太古界片麻巖和后期形成的火山巖、花崗巖等巖漿巖組成的中山山脈，比高達６００～８００ｍ。在谷地兩側坡麓有黃土、風沙土等第四紀松散沉積物覆蓋，并發育有地表沖溝等微地貌形態。

小灤河谷地地處東亞中溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，雨熱同期。受海拔高度和地貌格局的共同影響，區內氣候又具有迎風坡山地氣候的特點，夏季來自太平洋的水汽含量較高的暖濕氣團在這里遇阻抬升，形成明顯的地形雨，使區域內的年降水量達５６０ｍｍ，明顯高于周邊地區，成為多雨中心。相對豐沛的降水使區域內的地表徑流豐富，并匯聚于谷底，形成常年性河流。

灤河支流小灤河自北而南貫穿谷地，屬常年性河流，河床寬淺，曲流發育，河面寬度１０～４０ｍ，水深０．８～１．０ｍ，水情穩定，流速平穩，水量豐沛［25］。為開發小灤河水資源，２００８年在谷地中的老窩鋪修建了庫容為９．８×１０５ｍ３的小Ⅱ型水庫一座。

得益于良好的環境條件，區域內林木植被長勢良好，林相整齊且相連成片［25］。尤其是自清代１６８１年開始皇家“木蘭秋狝”以來，對木蘭圍場實施“禁封”［26］；加之新中國建立后，木蘭圍場的國有林場對區域內天然次生林的積極管護，使區域內的自然植被得到較好的保護，因而在谷地兩側坡面多有白榆（ＵｌｍｕｓｐｕｍｉｌａＬ．）、油松（ＰｉｎｕｓｔａｂｕｌａｅｆｏｒｍｉｓＣａｒｒ．）、落葉松［Ｌａｒｉｘｇｍｅｌｌｉｎｉ（Ｒｕｐｒ．）Ｒｕｐｒ．］、山楊（ＰｏｐｕｌｕｓｄａｖｉｄｉａｎａＤｏｄｅ）、白樺（ＢｅｔｕｌａｐｌａｔｙｐｈｙｌｌａＳｕｋ）等高大喬木生長，個別樹齡在５００ a以上。其中不乏樹干基部懸空、僅靠幾支樹根支撐托起的參天大樹。其雖經數百年的風雨洗禮，但仍枝葉繁茂、生機盎然，見證并記錄了河谷兩側山場坡面水土流失的歷史進程。

２材料與方法

２．１調查點地貌

在小灤河谷地兩側邊坡上，森林覆蓋率達８６．６％，既有茂密的原始次生林相連成片，也有單株獨樹孤立生長。其中原始次生林中古樹參天、林木葳蕤，林下枯枝落葉層厚達２０ｃｍ以上，受到保護的山場坡面基本無水土流失發生。而獨樹所在的坡面多數產生水土流失，可見到地表發育的沖溝，部分地點的古樹周圍坡面被侵蝕降低，使樹木生長在不足２ｍ２的土臺上。更有甚者，個別古樹甚至連根部下面的沙土也被侵蝕掏空，僅靠幾根斜插的樹根支撐起樹干的基部。側面望去，如同樹干上、下均分出枝杈，一頭向上伸向藍天，一頭向下扎入地下，十分有趣。也正是這種有趣的現象，使其成為當地坡面在該樹生長期間遭受侵蝕的“記錄器”。

２．２方法

調查在小灤河谷地兩側坡面上水土流失明顯的地貌部位進行，共涉及１００株獨樹或樹叢，其中對具有區域代表性、且有準確年齡數據的１株油松、２株白榆的樹干基部距地面的距離進行了測量，以求得在這些樹木生長期間區域坡面的侵蝕深度。為了使資料更加完整，也將下墊面條件與小灤河谷地類似、位于太行山北段平山縣蛟潭莊鎮腔子村花崗片麻巖分水嶺上的１株麻櫟（ＱｕｅｒｃｕｓａｃｕｔｉｓｓｉｍａＣａｒｒ．）的觀測數據補充進來。

２．２．１油松位于五道溝黑林子沖溝邊沿，樹高２５ｍ，依據其輪枝數出樹齡為５０ａ。樹下地表組成物質為粉沙土，沖溝下切深度１．２ｍ，目前朝向沖溝一側的樹根已暴露于空氣中并枯死，且明顯細于朝向溝壁一側的樹根，樹木僅靠朝向溝壁一側的樹根和垂直下扎的主根生長與固定。

２．２．２白榆１位于五道溝黑林子村旁，樹高１５ｍ，胸徑１．２ｍ，樹冠面積４０ｍ２，為一樹齡３３０ａ的古榆，目前樹干基部面積２ｍ２的黃土臺高出周圍坡面０．７ｍ。

２．２．３白榆２位于距五道溝村西１ｋｍ處的坡面上，樹高１０ｍ，胸徑０．５ｍ，樹冠面積１６ｍ２，樹齡１１０ａ（據２００９年采伐鄰樹的樹茬年輪測算），目前受到５條根系支撐的樹干基部高出沖溝溝底（現地面）０．５ｍ。

２．２．４麻櫟位于太行山北段平山縣蛟潭莊鎮腔子村東、海拔高度１０５０ｍ的花崗片麻巖分水嶺上，樹高２０ｍ，胸徑１．２ｍ，樹冠３００ｍ２，樹齡１０００ａ，樹干基部高出周圍地面０．２ｍ。

３結果與分析

３．１灤河流域自然坡面侵蝕的速度

依據目前樹干基部高出所在地面的高度，可以測算出在被觀測樹木生長期間，小灤河流域自然坡面侵蝕的速度。

3．1．１近５０年來的水土流失強度以黑林子油松記錄的數據測算，Ｖ１＝１２００ｍｍ／５０ａ＝２４ｍｍ／ａ；即在１９６１～２０１0年期間，小灤河谷地沙土坡面沖溝侵蝕下切速率為每年２４ｍｍ。

3．1．２近１００年來的水土流失強度以白榆２記錄的數據測算，Ｖ２＝５００ｍｍ／１１０ａ≈４．５ｍｍ／ａ；即在１９０１～２０１0年期間，小灤河谷地坡面侵蝕速率平均約為每年４．５ｍｍ。

3．1．３近３００年來的水土流失強度以白榆１記錄的數據測算，Ｖ３＝７００ｍｍ／３３０ａ≈２．１ｍｍ／ａ；即在１６８１年至２０１０期間，小灤河谷地坡面侵蝕速率平均約為每年２．１ｍｍ。

3．1．４近１０００年來的水土流失強度以腔子村麻櫟記錄的數據測算，Ｖ４＝２００ｍｍ／１００1 ａ≈０．２ｍｍ／ａ；即在１０１０～２０１０年期間，華北山地基巖地區坡面侵蝕（降低）的平均速率約為每年０．２ｍｍ。

３．２可靠性分析

上述調查與測算的數據具有地貌學和生物學方面的依據。

3．2．１地貌學依據野外調查表明，在自然狀態下，散落在地表的種子，不論是從飛鳥上掉落的還是從母樹上自然跌落的，受到重力的影響，總是滾落到自然坡面上相對平緩或低洼的部位停留下來，并可能在那里生根發芽生長發育。因此，樹木開始發芽生長的位置一定不是當時坡面的相對凸出部分，也就是說，樹木所記錄的其生長期間坡面侵蝕數量是其下限（即最小值）。而相對平坦或凹進的坡面位置正是降水所產生的坡面徑流最容易匯合并形成股流從而造成坡面侵蝕的位置或區域，因而也是坡面侵蝕最強烈的區域。因此，樹木的生根發芽之處即標定了其所在坡面在其生命期間遭受侵蝕之初的原始起點。

3．2．２生物學依據樹木的種子在生根發芽之后，其種子和枝芽之間將形成樹干的基部，而且在日后樹木的生長發育過程中，樹干的基部不會隨著樹齡的增加而長高；因此，其作為樹木生長初期地面高程的原始標點是合適的。在日后的坡面侵蝕后退過程中，隨著坡面侵蝕程度的加劇，樹木周圍甚至樹下的沙土被逐漸侵蝕掏空，扎入地下的樹根露出地表，并承擔起支撐樹干基部的責任，形成前述觀察到的有趣景觀，成為本項研究的素材。觀察表明，樹根在發育過程中，以橫向增粗為主，其縱向伸長僅限于根梢末端。因此，懸空的樹根并不會改變樹干基部的原有高度。

４小結與討論

上述調查和測算的坡面侵蝕速率結果表明，小灤河谷地兩側為第四紀松散沉積物組成的坡面，在沒有被成片森林覆蓋的區域，自１６８１～２０１０年期間的３３０年時間里，發生了強烈的水土流失。坡面侵蝕量平均為２．１ｍｍ／ａ。而且侵蝕速率有逐漸增加的趨勢；尤其是自１９０１年以來，在發育沖溝的區域，坡面侵蝕的速率更是高達4.５ｍｍ／ａ，說明失去林被保護的自然坡面水土流失在加劇。而在黏性較差的沙質土坡面上，一旦沖溝形成，其水土流失速率驚人，坡面侵蝕速率在１９６１年以來，可高達２４ｍｍ／ａ。由第四紀松散沉積物組成的裸露自然坡面高于裸露基巖山梁的侵蝕降低速率（其數值為０．２ｍｍ／ａ），也高于太行山中段基巖山地中陡崖的后退速率（其數值為１．３５ｍｍ／ａ）［２7，２8］。

本研究發現了小灤河谷地自然坡面發育過程中的生物記錄，即殘存于侵蝕坡面上的獨樹或樹叢，可以作為標定坡面侵蝕原點的標志，并可以依據樹木年輪，定量測算該樹生長期間當地坡面的侵蝕量。

通過觀測生長于坡面不同位置（坡頂、坡腰、坡腳）的樹木記錄的坡面侵蝕量，還可以進一步研究坡面在后退過程中形態的變化、坡面縱斷面上不同區域的侵蝕強度變化以及在坡麓發生堆積的部位和臨界坡度（如在小灤河谷地兩側坡麓上觀察到了樹干被埋住０．５～１．５ｍ的現象），并據此推算坡腳的堆積量和測算坡面侵蝕后退過程中產生的推移質和懸移質、溶解質的比例（另文發表），以解決在傳統的流域侵蝕產沙估算方法中物質測量方面的難題［５］。

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