青藏高原水土耦合作用機理及伴生的環境地質問題研究

張文海 吳華 孟盼望 陶偉

摘要 通過研究地表徑流對地形地貌的改造侵蝕過程及產生的水土流失問題，以及對相關學者研究成果進行總結，結果表明，地形地貌特征與水土流失均與地表徑流存在直接相關聯的關系，大趨勢上地形地貌的改變是地質侵蝕時期發生的各種構造運動作用的結果，而局部產生的地形地貌是地表徑流作用產生的，造成水土流失的主要侵蝕營力是地表徑流作用的結果，地表徑流與凍融侵蝕、土壤侵蝕相互作用加劇了水土流失。

關鍵詞 青藏高原;地形地貌;水土流失;地表徑流;侵蝕營力;耦合作用

中圖分類號 X141文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2021）02-0068-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.02.020

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on the Mechanism of WaterSoil Coupling and Associated Environmental Geological Problems in Tibet Plateau

ZHANG Wenhai1，2，WU Hua1，MENG Panwang1 et al

（1. College of Engineering， Tibet University， Lhasa， Tibet 850012;2.Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment，Ministry of Water Resources， Chinese Academy of Sciences，Chengdu， Sichuan 610041）

Abstract By studying the erosion process of surface runoff on topography and landforms and the resulting water and soil loss， as well as summarizing the research results of related scholars，the results showed that the landform characteristics and soil erosion were directly associated with surface runoff， the relationship between changes in trend on topography of geological erosion period was the results of various tectonic movement effect， and the topography was generated by the local function produced by the surface runoff， soil erosion in the main force was the result of the role of surface runoff， erosion camp surface runoff， soil erosion and freezethaw erosion exacerbated the interaction between soil and water loss.

Key words Tibet Plateau;Topography and landform;Soil erosion;Surface runoff;Erosion force;Coupling effect

水土流失已成為限制人類生存和發展的主要環境災害之一[1]，近代以來隨著幾次工業革命及現代化建設需要，人類對于地球的資源需要日益增多。礦產資源的開采、溫室效應等都直接、間接地加劇了水土流失，當然自然環境本身就是在不斷演化。對于青藏高原而言冰川融水對生態環境的影響起主導作用，其地形地貌的特征無一不透露著水土流失很嚴重。通過闡述高原地形地貌的特征及風化過程與水土流失之間的關系，揭示高原山地、平原水土流失機理，為治理高原區生態環境提供一定的參考及防治措施。從南極首次突破歷史最高溫度及珠穆朗瑪峰植被生長高度的不斷提高，意味著溫室效應在加劇氣候變化越發明顯，高原冰川融化及其伴隨的水土流失會進一步加劇。由于地形地貌多樣、氣候復雜，存在凍融、風力、水力和重力等多種侵蝕營力，對于土壤侵蝕研究薄弱，在凍融侵蝕、地質侵蝕、土壤侵蝕還缺乏相關研究[2]。有學者認為是耕地及高原區特征的生態環境和長期人為活動造成生態退化[3-4]，導致了水土流失。對于高原區侵蝕營力及造成水土流失的諸多因素還不是很完善，也有學者希望通過定量研究青藏高原構造-侵蝕-氣候三者之間的耦合關系，探討地形地貌的演化歷史以及深部的地球動力學機制[5]。地貌發育特征是氣候變化的一種反饋標志[6]，高原地貌復雜多樣說明了氣候變化非常大。筆者通過對基巖凍融破壞過程及其他風化作用、地表徑流搬運過程、地表徑流對平原區的改造過程、氣候等因素，闡述地形地貌與水土流失的關系，以期對高原區地表徑流與地形地貌特征、水土流失有一個新的認識，為治理高原區環境地質問題提供一定的理論基礎。

1 區域水文地質背景

青藏高原南起喜馬拉雅山脈南緣，北至昆侖山、阿爾金山和祁連山北緣，東西長約2 800 km，南北寬300～1 500 km，介于26°～39°N、73°～104°E。地殼厚度在東西方向上較均勻，變化不大，而南北方向上變化較大，地勢呈西高東低的特點。高原內部相對于邊緣區起伏較低，是一個巨大的山脈體系，其由山系和高原面組成。由山、谷以及河流相間組成，地形錯綜復雜。氣溫隨高度和緯度的升高而降低，氣溫日較差大;平均氣溫由東南向西北遞減。河流分布主要受到氣候和自身地形地勢的影響。內流河大多以冰雪融水為主要補給水源，夏季水流量充沛，冬季基本無水流，多為間歇性河流。由于外流水系大多起源于藏東南或東部，所以其補給的主要方式是雨水補給。青藏高原的水資源以河川徑流為主體。青藏高原南部和東南部河網密集，土地資源地域分布明顯，數量構成極不平衡。

2 坡面流等侵蝕營力對山地的改造

青藏高原是世界第三極，由印度板塊俯沖擠壓亞洲板塊致使地殼隆起形成。由于其獨特的地理位置終年溫度較低且日照充足水蒸發量也很大，但因其上空四季均有水汽輻射場不利于降雨，且由于是低緯度高原地形降雨量少[7-8]，所以大氣降雨較少，其內流河水資源多半由冰川融水產生。這就導致對于地形地貌改變的侵蝕營力是冰川融水形成的地表徑流作用的結果，對于凍融侵蝕由于其凍融環境條件要求比較苛刻，凍融效果明顯的區域主要集中在環境氣候變化敏感的區域及部分溫差變化較大的山腰地帶。基于高原區地形地貌復雜性，造就了其環境氣候條件的敏感。對于地質侵蝕由于其經歷的時間漫長且發生的各種侵蝕不斷對地形地貌進行改造，造就了當今青藏高原地形地貌的總體雛形。雖然高原區地形地貌主要影響因素是構造運動的結果，構造作用在塑造地形地貌上起控制性作用[9]，但由于地質侵蝕作用時間漫長使得高原區地形地貌趨向于復雜的方向發展。隨著近代間冰期的因素抑或是人為對環境的影響，使得冰川融化加劇，冰川進退地質活動明顯增強，其融化形成的地表徑流侵蝕活動能力加強。冰川由于復雜氣候等因素融化形成的水流不規則流淌（圖1），冰川融水終年對地表不斷地進行下切侵蝕，致使諸多山體邊坡曾現出區域性不規則的徑流路線相互交織。邊坡被沖溝分割成不規則的塊狀，如此大面積的地表流水，加劇了水土的流失。且高原區地殼不斷抬升使地表被迫侵蝕，所以高原區沖溝廣泛發育。

隨著地殼不斷抬升地質侵蝕、地表徑流不間斷作用，造就了高原區山地多由坡度較陡的山地組成。由于坡度對積雪覆蓋的影響較大[10]，且土壤對水流的敏感性大于對坡度的敏感性[11]。因此由于坡度影響，坡面冰川在自重等因素作用下失穩成塊狀整體向下運移，對地表的磨蝕程度較大。滑移過程產生的冰磧土向坡腳運移，地質歷史時期已經形成的冰磧土顆粒也會進一步遭受破壞，為水土流水提供了原材料。冰川融水的流量較大，受坡度影響在重力加速度條件下具有較大的勢能，對巖石侵蝕作用明顯，對于水土的運移能力也得到增強。土壤對水流的敏感性則主要表現在與土壤顆粒、組成成分有關，經調研發現高壓區地表顆粒普遍較小，使得侵蝕作用的產生變得容易。

冰川大面積分布隨著季節更替，冰川融化形成的大面積徑流使得山地水土流失嚴重，匯聚的水流對地表進行侵蝕形成了沖溝，因其徑流可以說是無規則的流淌。如此反復形成的沖溝廣泛分布，由于地質運動地表抬升使得沖溝充分發育，經過終年各種侵蝕營力作用形成了溝壑廣泛分布（圖2）。當然，這也是地質侵蝕的基礎之上形成的地形地貌。且各個山地形成的沖溝不是獨立存在的，彼此相連構成了山地與山地之間的水系，徑流隨著地形流淌又構成了山地與平原區水系（圖2～3）。

高原地形受板塊俯沖影響不斷上升，被動受侵蝕風化作用，造成地表巖石不斷加速風化直至露出基巖。冰川融水入滲經過冰劈作用使得基巖破碎，由冰劈作用破碎的基巖物質往下運移時，其中一部分碎裂的基巖由于風化作用、冰川的反復進退以及反復凍融作用變成細小顆粒，隨地表徑流不斷向平原地帶運移（圖2）。向下運移過程中經過平原等海拔較低區域時，由于氣候影響巖石會進行一個反復凍融的過程加劇了巖石的風化，凍融效果明顯的地帶，通常巖體孔隙含水率越高，且溫度越大的區域凍融效果越明顯，所以風化程度越高的區域主要集中在山腰地帶，以及由于地形影響溫差較大的區域。基巖的破碎對于受地形、氣候影響明顯的區域也可以說是冰劈作用及反復凍融共同作用的結果[12]。如此反復不斷地產生細小顆粒向平原堆積，長此以往造成平原區土地沙化。風化的細小顆粒隨水流流失，使得山地難以形成有利于植被生長的腐蝕殖，這也為生態治理過程中的突出水土流失問題形成了惡性循環。

3 河槽流等侵蝕營力對地表的改造

在高原山地地表由于冰劈作用，所以其地表主要分布的冰磧土一般都是塊狀，高處的坡面流沿著沖溝向下匯聚，具有較強的勢能與動能，所以在山地坡腳處總是產生下蝕作用，使得地表河流也總是在坡腳處產生（圖4）。在夏季冰川大面積融化造成河水漫溢，由于地質侵蝕及其往期各種侵蝕營力的作用，沉積的砂土堆積在平原區。在河水漫溢時大量的砂石通過水流被搬運流失，在侵蝕營力小的區域地帶沉積，不斷地對地表進行改造造成了平原區復雜的地形，在工程建設中往往面臨著這樣的隱患。由于凍土廣泛分布，因此治理難度非常大，為人類生存活動所需的環境條件帶來了挑戰。

由于凍融及風化作用巖土體不斷破壞，破碎的巖石隨著水流不斷往山腳運移匯聚，并隨著河槽流及地面流水進行運移。在高原區夏季水量充沛其水能也是較大的。充足的水量使得水流在平原區進行漫溢，逐漸形成區域水系，因此水土流失最嚴重的地區就是河流及其組成的水系。在構造運動及水流側蝕作用所形成的地貌中最具代表性的就是“九曲回腸”（圖5）。說明該地區水流作用強烈，水流源源不斷地把冰磧土及風化土進行運移。冰磧土也在水流過程中不斷地進行磨蝕，成為細小顆粒被運走。表明構造活動對于流域地形地貌發育具有強烈的控制作用，構造活動是造成河流縱剖面發生改變的最主要因素，而局部河段同時還受到巖性因素的控制和影響，但并非主控因素[5]。由冰川基巖反復凍融產生的冰磧土隨徑流運移至平緩地帶，冰磧土經過運移一部分變成細小顆粒，與風化作用形成的小顆粒土一起被運移至平緩地帶，長此以往造成砂土的集中使得平緩區域部分地區土地沙化。風對于細小顆粒也具有較強的搬運能力，細小顆粒隨風運移至遇到山谷等在底部沉積，隨徑流也會搬運至平緩地帶。在夏季由于冰川融水增多，使得對山地的侵蝕增強，在河流流域水土攜帶能力也會增強[13]，且夏季為水土流失高峰期。高原區陽光充足堆積在平原區的砂土含水率流失嚴重，使得巖土砂粒黏聚力下降，易引起揚塵、沙塵暴等環境問題。

4 引發高原區環境地質問題相關因素

4.1 水土流失問題

（1）不同的土地利用類型水土流失程度不同[14]，在不同的土地利用方式中，農業用地受到的侵蝕最大，而森林受到的侵蝕最小[15]。由于青藏高原農業用地、森林覆蓋率均較低就不討論。同樣，不同的地形地貌水土流失差異也不同，平原區更容易水土流失。

（2）大孔隙度和土壤容重會影響地表徑流，草地表現出最大的地表徑流和土壤流失，而高原區以農牧為主，因此傾向于改善土壤生態系統服務，改善入滲，減少地表徑流和土壤侵蝕[16]。

（3）青藏高原高寒草地生態系統脆弱、抗干擾能力差，氣候變化以及人類的活動進一步加劇了其脆弱性[17]，使得水土流失導致環境變差。

（4）礦產資源的開發利用也會引發地質災害、地形地貌景觀破壞、水土污染等地質環境問題，廢棄的土壤也會隨著徑流流失[18]。

綜上所述，不同的土地利用方式水土流失方式不同，不同的地形地貌決定地表徑流方式不同。對于水土流水問題，可以從相關方式減少土壤流失，如建立水土資源防線[19-20]也可以通過人為方式改變地形地貌，從而改變某一區域水土流失嚴重問題。

4.2 土地沙化問題

在日夜溫差、季節溫差較大的高原，砂土集中的平原地帶，經過陽光的暴曬，細小顆粒經過風吹極易形成揚塵，造成環境污染。土地沙化會造成土地荒蕪，荒地會加劇土壤侵蝕[17]，由于土地沙化造成土壤黏聚力降低，土壤顆粒會在地表流水以及風的作用下向四周蔓延，使得環境地質條件向著惡性循環方向發展。高寒地區生態脆弱，氣候變化、人類活動同樣會使土地沙化加劇。綜上所述，生態環境破壞所造成的土地沙化問題較為嚴峻，而環境破壞最主要的直接原因在于水土流失嚴重，所以探討水土流失與徑流的關系是很有必要的。

5 結語

（1）青藏高原地形地貌總體上大趨勢是有構造運動作用及地質侵蝕產生的，但在局部上的地形地貌由冰川融水產生的地表徑流決定的，水土之間存在耦合作用地表徑流對地表改造可以說是侵蝕營力中最有侵蝕能力的因素。

（2）建立在地質侵蝕營力的基礎之上，在各種侵蝕營力中，地表徑流是最具侵蝕能力的侵蝕活動，凍融侵蝕等一些侵蝕只是促進了侵蝕作用的進行。

（3）探討地形地貌與水土流失的關系，或可通過改變地形地貌使得地表徑流能夠避開人類活動的區域，如改變河道流向。通過充分了解地表徑流、地形地貌與水土流失之間的關系，使得人類對于人居環境有一定的選擇能力，促進人與自然環境和諧相處。

（4）高原地區水土流失的源頭是基巖的冰劈作用產生的碎石土，地表的沉積土是地質歷史各時期沉積的結果。土地利用類型、人類活動因素、礦產資源的開發利用等，都是促進生態環境變得惡劣的一些因素，最主要的是水土流失問題。

（5）地表徑流與地形地貌標志、水土流失是相互作用相互影響的。地表徑流可以改變地形地貌形態，也能引起水土流失;水土流失反過來又可以改變地形地貌從而改變徑流流向。這為環境治理帶來很大的困難，個人認為治理的最主要因素是進行治砂、排水，對需要進行環境治理及工程建設的區域進行排水工程、邊坡治理。

參考文獻

[1] YANG L X，YANG G S，LI H P，et al.Effects of rainfall intensities on sediment loss and phosphorus enrichment ratio from typical land use type in Taihu Basin，China[J].Environmental science and pollution research，2020，27（12）：12866-12873.

[2] 陳同德，焦菊英，王顥霖，等.青藏高原土壤侵蝕研究進展[J].土壤學報，2020，57（3）：547-564.

[3] 呂清華.高原區坡耕地水土流失綜合治理[J].區域治理，2019（38）：32-34.

[4] 彭旭東.喀斯特高原坡地淺層孔（裂）隙水土漏失過程及特征研究[D].貴陽：貴州大學，2018.

[5] 王偉.青藏高原東緣地表侵蝕與地貌演化定量研究[D].北京：中國地震局地質研究所，2018.

[6] 蘇琦.青藏高原東北緣典型流域地貌參數分析與構造變形探討[D].蘭州：中國地震局蘭州地震研究所，2015.

[7] 段瑋，段旭，樊風，等.青藏高原東南側干濕季氣候特征與成因分析[A]∥中國氣象學會.第32屆中國氣象學會年會S4東亞氣候變異成因和預測.北京：中國氣象學會，2015：4.

[8] 張寅生，姚檀棟，蒲健辰，等.青藏高原唐古拉山冬克瑪底河流域水文過程特征分析[J].冰川凍土，1997，19（3）：214-222.

[9] 何玉林.青藏高原東緣主干斷裂活動性及其構造變形模式研究[D].成都：成都理工大學，2013.

[10] 除多，達珍，拉巴卓瑪.西藏高原積雪覆蓋空間分布及地形影響[J].地球信息科學學報，2017，19（5）：635-645.

[11] MA Q H，ZHANG K L，CAO Z H，et al.Soil detachment by overland flow on steep cropland in the subtropical region of China[J].Hydrological processes，2020，34（8）：1810-1820.

[12] 胡林.高寒地區水蝕發育機理及公路邊坡水蝕生態防控技術研究[D].西安：西安理工大學，2016.

[13] GUSAROV A V.The response of water flow，suspended sediment yield and erosion intensity to contemporary longterm changes in climate and land use/cover in river basins of the Middle Volga Region，European Russia[J].The science of the total environment，2020，719：1-24.

[14] CHALISE D，KUMAR L.Land use change affects water erosion in the Nepal Himalayas[J].PLoS One，2020，15（4）：1-19.

[15] 楊祎.青藏高原高寒草地生態承載力研究[D].石家莊：河北師范大學，2019.

[16] DOS SANTOS FALCO K，PANACHUKI E，DAS NEVES MONTEIRO F，et al.Surface runoff and soil erosion in a natural regeneration area of the Brazilian Cerrado[J].International soil and water conservation research，2020，8（2）：124-130.

[17] 楊與靖.高原高山峽谷區礦產資源開發地質環境問題及防治研究：以西藏甲瑪、玉龍銅礦為例[J].四川地質學報，2019，39（S1）：106-115.

[18] 扎西堅村.西藏高原河谷農業區生態清潔小流域建設探討[C]∥《環境工程》編委會、工業建筑雜志社有限公司.《環境工程》2018年全國學術年會論文集（下冊）.北京：《工業建筑》雜志社，2018：5.

[19] ADEKIYA A O，AGBEDE T M，OLAYANJU A，et al.Effect of biochar on soil properties，soil loss，and cocoyam yield on a tropical sandy loam Alfisol[J].The scientific word journal，2020，2020：1-9.

[20] RAJBANSHI J，BHATTACHARYA S.Assessment of soil erosion，sediment yield and basin specific controlling factors using RUSLESDR and PLSR approach in Konar river basin，India[J/OL].Journal of hydrology，2002，587[2020-04-05].https：∥doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124935.