小滦河谷地土壤侵蚀速率的定量测算

2012-04-29张丽云蔡湛李庆辰刘平宇

湖北农业科学 2012年14期

张丽云蔡湛李庆辰刘平宇

摘要：野外调查和地貌学、生物学分析表明，发生水土流失的坡面上生长的独树或树丛定点记录了坡面水土流失的全过程，可以作为定量测算坡面侵蚀速率的标志。因坡面侵蚀而悬空的树干基部高出当前地面的垂直距离，即为其生长期间坡面侵蚀的厚度；而树木的年轮记录提供了时间尺度。据此，测算出河北省承德市小滦河谷地无成片森林覆盖的亚黏土坡面，在１６８１～２０１0年期间的平均侵蚀速率为２．１ｍｍ／ａ；而有冲沟发育的风沙土坡面，在１９６１～２０１0年期间的平均侵蚀速率达２４.0 ｍｍ／ａ。

关键词：坡面侵蚀速率；水土流失；土壤侵蚀；小滦河谷地

中图分类号：Ｐ５５１；Ｓ１５７．１；Ｓ７１４．７（２２２）文献标识码：Ａ文章编号：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

坡面侵蚀是流域水土流失的主要形式，由此产生的地表泥沙和养分流失除了造成土壤贫瘠和石漠化外，还引起下游河道的淤塞和水库淤积，因而是当今人类面临的一种最普遍、持续性最强的地质灾害，被称为“蠕动的灾难”，已成为中国乃至全球所面临的重大环境问题，因而受到地质、地貌、土壤学界的高度重视，并引起农业、水利、环保部门的密切关注，所以开展了多方面的深入研究［１－３］。但是，由于坡面侵蚀包括难以捕捉和适时观测的重力崩塌、滑坡、泥石流等突发过程与积少成多、不便记录的雨滴溅蚀［４］、雨水冲刷、冻融蠕动、雪蚀、风蚀、溶蚀及生物作用等缓慢渐进过程，而且受到土地利用方式、植被类型与盖度等多重因素的影响［５，６］，所以长期以来国内外主要是借助基于数理统计和过程模拟并涉及多因子的经验模型、理论模型和随机模型对其进行研究［７］，探索土壤侵蚀速率。但由于国外模型主要是基于坡度小于１５°的缓坡耕地和在大西洋、地中海气候条件下建立的［５，８－１１］，不适合以２５°左右陡坡侵蚀为主、地处东亚季风气候区、雨热同期且多暴雨、沙随水行［１２］的中国国情。国内的有关研究主要集中在黄土高原、云贵高原等地区［６，１３－１７］，并引进了磁化率、同位素检测参数指标等辅助手段，也获得了一些成熟模式和较为系统的观测、试验数据［１４－１６，１８，１９］。但这些模式的建立多数基于某一试验区的设定条件［４，２０，２１］，而且模型选取参数或因子的数量及所占比重（或权重）也因研究者所从事的学科或领域不同而差别较大，所以多数模型难以全面、准确地模拟自然状态下流域坡面土壤侵蚀的客观过程；即便是经过检验，适合当地情况或符合某地客观实际的模型也多数移植困难，会因自然条件的差异而在别的地区“水土不服”，难以应用［２２］。一些基于河流水体Ｎ、Ｐ、Ｋ等养分观测数据的水土流失模型，仅利用了信息量的２％（即溶解状态的养分流失量不到养分流失总量的２％）［２３］，而多数水文站（点）的河流泥沙数据仅有悬移质含量，缺少推移质和跳跃组分的含量［２４］，而用截留坑拦截的推移质泥沙也只有原投放量的６３％［５］，所以其所得结果也偏移较大。近年的人工降雨试验模型表明，降雨造成的坡面土壤侵蚀主要发生在地表细沟形成阶段以后［１９，２０］，但在自然状态下，细沟开始出现时的原始坡面已侵蚀殆尽。因此，基于人工降雨试验模型的坡面侵蚀过程在自然界无法标定原点，也难以据此推算坡面土壤侵蚀速率。

不过，尽管影响坡面侵蚀的因子众多，且在不同地区各有消长，坡面侵蚀形成的水土流失过程也极其复杂［５］、充满变数，但其最终形成的侵蚀结果却是十分明显和确定的。它们在地貌上留下了清晰的形态特征和空间尺度（如冲沟等），可供后来者进行测量和计算，而标定这种侵蚀形态发育过程的起始原点，确定过程的持续时间段即时间刻度，则成为了流域坡面侵蚀速率研究的关键。基于这一认识，我们试图借助坡面上残存的树木作为其生长期间坡面侵蚀的原点标志和时间刻度，来定量分析和计算坡面水土流失的数量，以期获得流域坡面侵蚀速率的定量数据。

１研究区概况

小滦河谷地位于河北省北部坝缘山地区，地处承德市西北１４０ｋｍ的木兰围场国家森林公园内。整个谷地宽浅开阔，谷底海拔高程１０６０ｍ。谷地两侧为由太古界片麻岩和后期形成的火山岩、花岗岩等岩浆岩组成的中山山脉，比高达６００～８００ｍ。在谷地两侧坡麓有黄土、风沙土等第四纪松散沉积物覆盖，并发育有地表冲沟等微地貌形态。

小滦河谷地地处东亚中温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明，雨热同期。受海拔高度和地貌格局的共同影响，区内气候又具有迎风坡山地气候的特点，夏季来自太平洋的水汽含量较高的暖湿气团在这里遇阻抬升，形成明显的地形雨，使区域内的年降水量达５６０ｍｍ，明显高于周边地区，成为多雨中心。相对丰沛的降水使区域内的地表径流丰富，并汇聚于谷底，形成常年性河流。

滦河支流小滦河自北而南贯穿谷地，属常年性河流，河床宽浅，曲流发育，河面宽度１０～４０ｍ，水深０．８～１．０ｍ，水情稳定，流速平稳，水量丰沛［25］。为开发小滦河水资源，２００８年在谷地中的老窝铺修建了库容为９．８×１０５ｍ３的小Ⅱ型水库一座。

得益于良好的环境条件，区域内林木植被长势良好，林相整齐且相连成片［25］。尤其是自清代１６８１年开始皇家“木兰秋狝”以来，对木兰围场实施“禁封”［26］；加之新中国建立后，木兰围场的国有林场对区域内天然次生林的积极管护，使区域内的自然植被得到较好的保护，因而在谷地两侧坡面多有白榆（ＵｌｍｕｓｐｕｍｉｌａＬ．）、油松（ＰｉｎｕｓｔａｂｕｌａｅｆｏｒｍｉｓＣａｒｒ．）、落叶松［Ｌａｒｉｘｇｍｅｌｌｉｎｉ（Ｒｕｐｒ．）Ｒｕｐｒ．］、山杨（ＰｏｐｕｌｕｓｄａｖｉｄｉａｎａＤｏｄｅ）、白桦（ＢｅｔｕｌａｐｌａｔｙｐｈｙｌｌａＳｕｋ）等高大乔木生长，个别树龄在５００ a以上。其中不乏树干基部悬空、仅靠几支树根支撑托起的参天大树。其虽经数百年的风雨洗礼，但仍枝叶繁茂、生机盎然，见证并记录了河谷两侧山场坡面水土流失的历史进程。

２材料与方法

２．１调查点地貌

在小滦河谷地两侧边坡上，森林覆盖率达８６．６％，既有茂密的原始次生林相连成片，也有单株独树孤立生长。其中原始次生林中古树参天、林木葳蕤，林下枯枝落叶层厚达２０ｃｍ以上，受到保护的山场坡面基本无水土流失发生。而独树所在的坡面多数产生水土流失，可见到地表发育的冲沟，部分地点的古树周围坡面被侵蚀降低，使树木生长在不足２ｍ２的土台上。更有甚者，个别古树甚至连根部下面的沙土也被侵蚀掏空，仅靠几根斜插的树根支撑起树干的基部。侧面望去，如同树干上、下均分出枝杈，一头向上伸向蓝天，一头向下扎入地下，十分有趣。也正是这种有趣的现象，使其成为当地坡面在该树生长期间遭受侵蚀的“记录器”。

２．２方法

调查在小滦河谷地两侧坡面上水土流失明显的地貌部位进行，共涉及１００株独树或树丛，其中对具有区域代表性、且有准确年龄数据的１株油松、２株白榆的树干基部距地面的距离进行了测量，以求得在这些树木生长期间区域坡面的侵蚀深度。为了使资料更加完整，也将下垫面条件与小滦河谷地类似、位于太行山北段平山县蛟潭庄镇腔子村花岗片麻岩分水岭上的１株麻栎（ＱｕｅｒｃｕｓａｃｕｔｉｓｓｉｍａＣａｒｒ．）的观测数据补充进来。

２．２．１油松位于五道沟黑林子冲沟边沿，树高２５ｍ，依据其轮枝数出树龄为５０ａ。树下地表组成物质为粉沙土，冲沟下切深度１．２ｍ，目前朝向冲沟一侧的树根已暴露于空气中并枯死，且明显细于朝向沟壁一侧的树根，树木仅靠朝向沟壁一侧的树根和垂直下扎的主根生长与固定。

２．２．２白榆１位于五道沟黑林子村旁，树高１５ｍ，胸径１．２ｍ，树冠面积４０ｍ２，为一树龄３３０ａ的古榆，目前树干基部面积２ｍ２的黄土台高出周围坡面０．７ｍ。

２．２．３白榆２位于距五道沟村西１ｋｍ处的坡面上，树高１０ｍ，胸径０．５ｍ，树冠面积１６ｍ２，树龄１１０ａ（据２００９年采伐邻树的树茬年轮测算），目前受到５条根系支撑的树干基部高出冲沟沟底（现地面）０．５ｍ。

２．２．４麻栎位于太行山北段平山县蛟潭庄镇腔子村东、海拔高度１０５０ｍ的花岗片麻岩分水岭上，树高２０ｍ，胸径１．２ｍ，树冠３００ｍ２，树龄１０００ａ，树干基部高出周围地面０．２ｍ。

３结果与分析

３．１滦河流域自然坡面侵蚀的速度

依据目前树干基部高出所在地面的高度，可以测算出在被观测树木生长期间，小滦河流域自然坡面侵蚀的速度。

3．1．１近５０年来的水土流失强度以黑林子油松记录的数据测算，Ｖ１＝１２００ｍｍ／５０ａ＝２４ｍｍ／ａ；即在１９６１～２０１0年期间，小滦河谷地沙土坡面冲沟侵蚀下切速率为每年２４ｍｍ。

3．1．２近１００年来的水土流失强度以白榆２记录的数据测算，Ｖ２＝５００ｍｍ／１１０ａ≈４．５ｍｍ／ａ；即在１９０１～２０１0年期间，小滦河谷地坡面侵蚀速率平均约为每年４．５ｍｍ。

3．1．３近３００年来的水土流失强度以白榆１记录的数据测算，Ｖ３＝７００ｍｍ／３３０ａ≈２．１ｍｍ／ａ；即在１６８１年至２０１０期间，小滦河谷地坡面侵蚀速率平均约为每年２．１ｍｍ。

3．1．４近１０００年来的水土流失强度以腔子村麻栎记录的数据测算，Ｖ４＝２００ｍｍ／１００1 ａ≈０．２ｍｍ／ａ；即在１０１０～２０１０年期间，华北山地基岩地区坡面侵蚀（降低）的平均速率约为每年０．２ｍｍ。

３．２可靠性分析

上述调查与测算的数据具有地貌学和生物学方面的依据。

3．2．１地貌学依据野外调查表明，在自然状态下，散落在地表的种子，不论是从飞鸟上掉落的还是从母树上自然跌落的，受到重力的影响，总是滚落到自然坡面上相对平缓或低洼的部位停留下来，并可能在那里生根发芽生长发育。因此，树木开始发芽生长的位置一定不是当时坡面的相对凸出部分，也就是说，树木所记录的其生长期间坡面侵蚀数量是其下限（即最小值）。而相对平坦或凹进的坡面位置正是降水所产生的坡面径流最容易汇合并形成股流从而造成坡面侵蚀的位置或区域，因而也是坡面侵蚀最强烈的区域。因此，树木的生根发芽之处即标定了其所在坡面在其生命期间遭受侵蚀之初的原始起点。

3．2．２生物学依据树木的种子在生根发芽之后，其种子和枝芽之间将形成树干的基部，而且在日后树木的生长发育过程中，树干的基部不会随着树龄的增加而长高；因此，其作为树木生长初期地面高程的原始标点是合适的。在日后的坡面侵蚀后退过程中，随着坡面侵蚀程度的加剧，树木周围甚至树下的沙土被逐渐侵蚀掏空，扎入地下的树根露出地表，并承担起支撑树干基部的责任，形成前述观察到的有趣景观，成为本项研究的素材。观察表明，树根在发育过程中，以横向增粗为主，其纵向伸长仅限于根梢末端。因此，悬空的树根并不会改变树干基部的原有高度。

４小结与讨论

上述调查和测算的坡面侵蚀速率结果表明，小滦河谷地两侧为第四纪松散沉积物组成的坡面，在没有被成片森林覆盖的区域，自１６８１～２０１０年期间的３３０年时间里，发生了强烈的水土流失。坡面侵蚀量平均为２．１ｍｍ／ａ。而且侵蚀速率有逐渐增加的趋势；尤其是自１９０１年以来，在发育冲沟的区域，坡面侵蚀的速率更是高达4.５ｍｍ／ａ，说明失去林被保护的自然坡面水土流失在加剧。而在黏性较差的沙质土坡面上，一旦冲沟形成，其水土流失速率惊人，坡面侵蚀速率在１９６１年以来，可高达２４ｍｍ／ａ。由第四纪松散沉积物组成的裸露自然坡面高于裸露基岩山梁的侵蚀降低速率（其数值为０．２ｍｍ／ａ），也高于太行山中段基岩山地中陡崖的后退速率（其数值为１．３５ｍｍ／ａ）［２7，２8］。

本研究发现了小滦河谷地自然坡面发育过程中的生物记录，即残存于侵蚀坡面上的独树或树丛，可以作为标定坡面侵蚀原点的标志，并可以依据树木年轮，定量测算该树生长期间当地坡面的侵蚀量。

通过观测生长于坡面不同位置（坡顶、坡腰、坡脚）的树木记录的坡面侵蚀量，还可以进一步研究坡面在后退过程中形态的变化、坡面纵断面上不同区域的侵蚀强度变化以及在坡麓发生堆积的部位和临界坡度（如在小滦河谷地两侧坡麓上观察到了树干被埋住０．５～１．５ｍ的现象），并据此推算坡脚的堆积量和测算坡面侵蚀后退过程中产生的推移质和悬移质、溶解质的比例（另文发表），以解决在传统的流域侵蚀产沙估算方法中物质测量方面的难题［５］。

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