高寒區(qū)凍融侵蝕類型及驅(qū)動力分析

錢登峰，莊曉暉，張 博

(1.西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 林芝860000；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京100013)

據(jù)第三次全國土壤侵蝕遙感調(diào)查資料統(tǒng)計，全國水土流失面積(含凍融侵蝕)484.74萬km2，占國土面積的50.49%，其中凍融侵蝕面積127.82萬km2， 占國土面積的13.31%。我國凍融侵蝕區(qū)涉及西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、四川、黑龍江7個省(自治區(qū))，其中西藏自治區(qū)凍融侵蝕面積最大，達90.50 萬km2，占全國凍融侵蝕面積的70.8%[1]。

基于高海拔地區(qū)的定義[2]和陳仁升對中國寒區(qū)的界定[3]，提出高寒區(qū)(高海拔寒區(qū))的概念，即海拔3 500 m (或4 000 m)以上，存在多年凍土、冰川和穩(wěn)定性季節(jié)積雪的高山高原地區(qū)。作為高寒區(qū)一種主要的土壤侵蝕形式，由于其所處的地理位置和地質(zhì)環(huán)境特殊，凍融侵蝕產(chǎn)生的水土流失問題也比較特殊。對高寒區(qū)土壤侵蝕進行分類和驅(qū)動力分析，能為進一步研究土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展機理、空間分布特征和規(guī)律以及制定科學(xué)的土壤侵蝕防治對策提供依據(jù)。

1 凍融侵蝕與凍融作用

所謂凍融侵蝕是指在多年凍土地區(qū)，土體或巖石風(fēng)化體中的水分反復(fù)凍融而使土體和風(fēng)化體不斷凍脹、破裂、消融、流變而發(fā)生蠕動、移動的現(xiàn)象[4]。凍融作用是造成凍融侵蝕的主要原因，它與氣候的日、年和多年變化有著密切的關(guān)系[5]。高寒區(qū)海拔高，氣溫低，氣溫日、年較差大，凍融作用交替頻繁，為凍融侵蝕的發(fā)生發(fā)展創(chuàng)造了條件。隨著凍土區(qū)溫度周期性地發(fā)生正負變化，凍土層中的水分相應(yīng)地出現(xiàn)相變與遷移，致使巖石碎裂，松散沉積物擾動與再分選，凍土層發(fā)生變形，產(chǎn)生凍脹、融沉和流變等一系列的復(fù)雜過程。

凍融侵蝕和凍融作用是兩個不同的概念，凍融侵蝕是一種侵蝕現(xiàn)象，而凍融作用是造成這種現(xiàn)象的主要因素。存在凍融作用不一定會出現(xiàn)凍融侵蝕現(xiàn)象。在我國華北地區(qū)，冬季常會出現(xiàn)低于0 ℃的氣溫，在第二年春季氣溫回升過程中晝夜氣溫正負變化造成土壤機械破壞，如田間大土塊經(jīng)過凍融作用分裂成很多小土塊，但春季轉(zhuǎn)暖后這些土塊并沒有流失掉，而是停留在原地，這種現(xiàn)象就不能認為是凍融侵蝕。凍融侵蝕強調(diào)碎裂土體、巖石等在凍融作用下產(chǎn)生機械破壞或位移，并使土體、巖石不能恢復(fù)原狀或回復(fù)原位[6]。

2 高寒區(qū)凍融侵蝕類型及驅(qū)動力分析

在不同作用力下土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展過程中所呈現(xiàn)的各種形式或形態(tài)，稱為侵蝕類型[4]。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—96)的分區(qū)依據(jù)，一級區(qū)劃以發(fā)生學(xué)原則(主要侵蝕外營力)，分為水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕三大侵蝕類型區(qū)，凍融侵蝕又分為北方凍融土侵蝕區(qū)和青藏高原冰川侵蝕區(qū)，其中青藏高原被列為冰川侵蝕區(qū)。劉淑珍等認為冰川侵蝕與凍融侵蝕在營力和方式上都有本質(zhì)區(qū)別，冰川侵蝕應(yīng)單獨劃為一個類型[2]。參照水利部標準并結(jié)合大多數(shù)研究者對凍融侵蝕的觀點，把冰川侵蝕作為凍融侵蝕的一種進行研究。本研究把高寒區(qū)凍融侵蝕分為冰川侵蝕、融冰/雪徑流侵蝕、凍融風(fēng)蝕、凍融瀉溜、凍融泥流、溝道凍融侵蝕。

(1)冰川侵蝕。冰川侵蝕是指冰川在自身重力作用下向下移動過程中對坡面或溝床造成的磨蝕和拔蝕作用。冰川是地球上最大的“天然固體水庫”。青藏高原高寒區(qū)雪線以上多年的積雪因重力緣故被擠壓成冰塊，并在重力的作用下沿河床或山坡緩慢向下移動。多數(shù)冰川厚達幾十米，甚至上百米，重量非常大，具有巨大的機械動能，在運動過程中就像一臺巨大的鏟土機，破壞著山坡地表土壤[6]。山谷中的冰川是一條長年存在以冰塊組成的巨大河流，又稱為冰河。冰川前進時切割山谷兩旁的石頭，將它們帶往下游很遠的地方。冰川融化時下部冰舌退縮，這些巨大的石頭就被留在原來冰河的河道上或兩旁山坡上。冰河流經(jīng)的山谷會由原來的V形變成U形。

(2)融冰/雪徑流侵蝕。融冰/雪徑流侵蝕是指表層解凍土壤在融冰/雪徑流作用力下被破壞、搬運和沉積的過程。春夏季高寒區(qū)地表熱量收支變化，收入大于支出，造成空氣及土壤溫度上升，雪線以下積雪和雪線以上部分冰川產(chǎn)生融水。土壤表層解凍土壤與下層未解凍土壤之間產(chǎn)生了一個不透水層，入滲水分遇到土壤隔水層不能繼續(xù)下滲，造成表層解凍土壤呈飽和或過飽和狀態(tài)，進而冰/雪融水在土壤表面匯集，產(chǎn)生股狀水流，造成土壤侵蝕，嚴重時會導(dǎo)致冰川融雪型泥石流的發(fā)生，危及人們生命安全，損壞道路和工程設(shè)施。

(3)凍融風(fēng)蝕。凍融風(fēng)蝕是指土壤在凍融作用下土體團聚結(jié)構(gòu)遭破壞，在風(fēng)力作用下被吹起及搬運的過程。青藏高原高寒區(qū)大部分地區(qū)干旱少雨，除西藏東南部降水量相對較多外，藏北和阿里等地區(qū)降水量稀少，最少的只有幾十毫米，并且大風(fēng)天氣多。青藏高原高寒區(qū)反復(fù)的凍融作用使得表土變得松散，加之處于氣候干燥、植被稀疏、冬春季多風(fēng)的環(huán)境，在風(fēng)力等作用下形成了強烈的風(fēng)蝕作用區(qū)。

(4)凍融瀉溜。裸露陡坡上表層巖石由于冷熱不均或內(nèi)部水分凍脹熱縮作用破裂成碎屑，并在自重作用下順坡向下滾落的現(xiàn)象，稱為凍融瀉溜。巖石是熱的不良導(dǎo)體，是由不同熱膨脹系數(shù)礦物組成的集合體。高寒區(qū)白天光照強，造成巖石表面溫度高、內(nèi)外溫差大，導(dǎo)致巖石開裂，在表層出現(xiàn)塊狀或?qū)訝畹膭兟湮?，并在重力作用下向下運動。此外，巖石內(nèi)部水分在溫度反復(fù)的正負變化之下會出現(xiàn)凍脹熱縮過程，在這種膨脹力和收縮力作用下一樣會使得巖石碎裂和滑落，從而產(chǎn)生侵蝕。

(5)凍融泥流。凍融泥流是指凍融風(fēng)化層和飽含水的松散土層解凍時，因具有塑性而發(fā)生沿斜坡蠕動的現(xiàn)象。凍融泥流是發(fā)生在10°～20°坡面上的一種重力侵蝕現(xiàn)象。解凍土壤和未解凍土壤之間隔水層的存在使入滲到解凍土壤的水分在重力作用下形成壤中流，導(dǎo)致土壤重量加大。當滑動面上未解凍土產(chǎn)生的摩擦力小于上面解凍土壤的下滑力時，土壤就沿著滑動面向下蠕動，并隨著外部融水的加入，逐漸形成泥流向下流動。

(6)溝道凍融侵蝕。溝道凍融侵蝕是指溝道內(nèi)土壤由于凍融作用造成的溝坡滑瀉、溝壁垮塌和溝岸裂隙及融滑現(xiàn)象。高寒區(qū)溝道主要位于小型集水面的出水口處以及大型坡面下坡位地勢相對較低的位置，通常是由最初的細溝發(fā)展而來，由細溝發(fā)展為淺溝再到切溝，最后形成有一定寬度和深度的溝道。在高寒區(qū)溝道發(fā)展過程中，起初水力侵蝕作用明顯，溝道形成后凍融作用和水力作用都為溝道發(fā)展壯大提供了能量基礎(chǔ)，尤其是凍融侵蝕，溝道內(nèi)土壤等物質(zhì)受到地面和溝道邊坡兩個方向表層土壤向深層傳遞的熱量影響，導(dǎo)致土壤內(nèi)部溫度晝夜正負交替變化，產(chǎn)生熱縮冷脹現(xiàn)象，使土壤和一些巖石風(fēng)化物滑落或垮塌進入溝床，經(jīng)溝道內(nèi)冰雪融水流失掉。

3 凍融侵蝕研究展望

由于環(huán)境惡劣、條件艱苦，所以目前對高寒區(qū)凍融侵蝕的研究較少，并且多數(shù)是宏觀研究成果，相關(guān)機理性研究鮮有報道。受全球變暖和人類活動影響，高寒區(qū)凍融侵蝕對高原生態(tài)環(huán)境、人類生產(chǎn)生活、工程設(shè)施安全造成的影響日益凸顯，因此加強對高寒區(qū)凍融侵蝕的研究十分必要。

未來青藏高原高寒區(qū)凍融侵蝕研究有以下幾個方向：冰川退縮與全球氣候環(huán)境關(guān)系研究、凍融侵蝕機理研究、凍融侵蝕預(yù)報模型研究、凍融侵蝕強度評價指標體系研究、河流/湖泊水文—泥沙過程與凍融侵蝕關(guān)系研究。

[參考文獻]

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