黃土高原中南部土壤侵蝕強(qiáng)度對(duì)氣候變化的敏感性研究

范瑞瑞　張艷　郁科科

摘要：全球氣候變化正在改變著全球陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、全球格局甚至生態(tài)功能，由于土壤侵蝕這一全球性生態(tài)環(huán)境問(wèn)題備受熱議，土壤侵蝕強(qiáng)度對(duì)氣候變化的敏感性問(wèn)題逐漸受到關(guān)注。黃土高原地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)弱對(duì)氣候變化的敏感性越來(lái)越成為公眾關(guān)注的熱點(diǎn)話題。本文在無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下，將歷史資料中關(guān)于暴雨洪水的定性描述進(jìn)行定量化為等級(jí)1（輕度侵蝕）、等級(jí)2（中度侵蝕）、等級(jí)3（重度侵蝕），結(jié)合區(qū)域氣候干濕變化記錄，試圖查明近360a黃土高原中南部地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度在不同氣候條件下的變化特征。結(jié)果表明：近360a來(lái)，該區(qū)共發(fā)生42次不同強(qiáng)度土壤侵蝕事件，平均約每9a發(fā)生1次，其中1級(jí)輕度侵蝕29次，2級(jí)中度侵蝕2次，3級(jí)重度侵蝕11次。在10a至數(shù)十年尺度上，氣候偏濕期共發(fā)生22次土壤侵蝕事件，其中1級(jí)輕度侵蝕17次，2級(jí)中度侵蝕1次，3級(jí)重度侵蝕4次，說(shuō)明土壤侵蝕程度總體較弱;氣候偏干期共發(fā)生20次，其中1級(jí)輕度侵蝕12次，2級(jí)中度侵蝕1次，3級(jí)重度侵蝕7次，說(shuō)明土壤侵蝕程度總體較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：黃土高原;土壤侵蝕;氣候變化;敏感性

中圖分類號(hào)：S157

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：范瑞瑞（1994-），女，碩士研究生在讀。研究方向：土地工程學(xué);通訊作者張艷（1978-），女，博士，副教授。研究方向：土地資源管理的教學(xué)與科研。

引言

以變暖為主要特征的氣候變化影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的轉(zhuǎn)化[1-4]，溫室氣體的增加，導(dǎo)致全球平均降水量、雨強(qiáng)及蒸發(fā)量均隨之增加，致使極端氣候事件出現(xiàn)概率增大，從而對(duì)全球土壤侵蝕以及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在影響[5]。從小范圍尺度來(lái)看，土壤侵蝕問(wèn)題加劇的主要原因是土壤顆粒、土壤團(tuán)聚體等被破壞，而土壤團(tuán)聚體受土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量等影響，可能隨氣候變化而變化。如，全球氣溫上升加快土壤有機(jī)質(zhì)分解，促進(jìn)地表結(jié)皮的快速形成，保留住地表土壤養(yǎng)分，降低土壤侵蝕對(duì)環(huán)境的危害。從大范圍尺度上來(lái)看，氣候變化引起全球大范圍降雨時(shí)空分布異常，進(jìn)一步對(duì)泥沙輸移、水分入滲等產(chǎn)生影響，最終決定地表徑流的時(shí)空分布特征和流向。對(duì)于全球變化與土壤侵蝕之間的關(guān)系的界定是土壤侵蝕學(xué)科研究熱點(diǎn)之一[6]。然而，目前關(guān)于全球氣候變化對(duì)土壤侵蝕影響研究以及土壤侵蝕對(duì)全球氣候變化的敏感性、脆弱性和適應(yīng)性研究都相對(duì)薄弱[6]。由此可見(jiàn)，開(kāi)展土壤侵蝕強(qiáng)弱程度與氣候變化之間的關(guān)系研究顯得尤為迫切。

氣候變暖會(huì)加劇土壤侵蝕嚴(yán)重程度已經(jīng)成為大多數(shù)學(xué)者得出的一致結(jié)論，但全球氣候變暖最終會(huì)加劇土壤侵蝕的機(jī)理和原因目前還沒(méi)有定論。更為重要的是，目前多數(shù)基于全球氣候變暖背景下的降雨量變化趨勢(shì)復(fù)雜，因?yàn)槿蚪涤炅孔兓哂袇^(qū)域性特點(diǎn)，一些區(qū)域降雨增多，而另外的區(qū)域則有所降低，可見(jiàn)全球氣候變化對(duì)未來(lái)土壤侵蝕強(qiáng)弱程度關(guān)系依舊沒(méi)有明確定論[7]。由此可引發(fā)出一系列科學(xué)問(wèn)題：歷史時(shí)期土壤侵蝕強(qiáng)度是如何發(fā)生一系列變化;土壤侵蝕強(qiáng)度與氣候變化之間存在什么樣的復(fù)雜關(guān)系;不同區(qū)域表現(xiàn)形式有何異同;土壤侵蝕強(qiáng)度變化的驅(qū)動(dòng)因素是什么;影響過(guò)程和驅(qū)動(dòng)機(jī)制是什么。這些都是廣大學(xué)者值得關(guān)注和深思的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

處在東南季風(fēng)、西南季風(fēng)和高原季風(fēng)相互作用地帶的黃土高原是我國(guó)土壤侵蝕的嚴(yán)重發(fā)生區(qū)域，了解該區(qū)土壤侵蝕對(duì)氣候變化敏感程度對(duì)認(rèn)識(shí)其它區(qū)域土壤侵蝕對(duì)氣候變化的敏感性與適應(yīng)性有著重要的參考價(jià)值?，F(xiàn)已認(rèn)識(shí)到，暴雨等強(qiáng)降雨過(guò)程是造成黃土高原地區(qū)土壤侵蝕的氣候因素[8]。因此，本文以陜西省咸陽(yáng)北5縣（長(zhǎng)武縣、彬縣、永壽縣、旬邑縣和淳化縣）為例，查閱近360a來(lái)歷史文獻(xiàn)中關(guān)于該區(qū)暴雨洪水等強(qiáng)降雨事件，將其定性的描述進(jìn)行定量化劃分侵蝕強(qiáng)度，結(jié)合區(qū)域歷史時(shí)期的氣候干濕序列，研究歷史時(shí)期咸陽(yáng)北5縣地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度與氣候變化之間的敏感關(guān)系，試圖為當(dāng)前土壤侵蝕對(duì)氣候變化的敏感性尋找歷史相似性。

1研究區(qū)域概況

咸陽(yáng)北5縣地區(qū)地處暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，受大陸性季風(fēng)氣候控制，四季氣候變化差異明顯，位于陜西中南部地區(qū)[9]。陜西北5縣地區(qū)由東南向西北地勢(shì)呈階梯狀，主要以平原跟高原地形為主。該區(qū)可以劃分為3個(gè)地理單元：南部渭河、涇河平原;中部苔原區(qū);北部高原丘陵區(qū)[10]。約有11條土石山嶺位于咸陽(yáng)市境內(nèi)，分布于北部安遠(yuǎn)地區(qū)。咸陽(yáng)最高點(diǎn)為東北部石門(mén)山，最低點(diǎn)海拔高度是362m，主要位于陜西咸陽(yáng)東南部三原縣大程鎮(zhèn)清河出境地。中北部山脈密布，使咸陽(yáng)形成2個(gè)不同特點(diǎn)的地區(qū)[11]。

2數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

我國(guó)歷史悠久，歷史文獻(xiàn)資料浩瀚如海，其中關(guān)于氣象及氣候方面的記載更是不勝繁多，這為研究陜西咸陽(yáng)北5縣歷史時(shí)期的氣候環(huán)境變化提供了依據(jù)。本文所涉及的暴雨洪水災(zāi)害記錄來(lái)源于袁林先生所著的《西北災(zāi)荒史》[12]，其囊括了中國(guó)近2000a來(lái)的各類災(zāi)害。氣候干濕指數(shù)獲取于《中國(guó)近五百年年旱澇分布圖集》[13]、《中國(guó)近五百年旱澇分布圖集》續(xù)補(bǔ)（1980—1992）[14]、《中國(guó)近五百年旱澇分布圖集》的再續(xù)補(bǔ)（1993—2000）[15]。

暴雨的侵蝕程度隨降雨強(qiáng)度增加而增強(qiáng)，突發(fā)性洪水對(duì)陸地表面沖刷力度更大，由此可見(jiàn)，兩者通常會(huì)引發(fā)一系列嚴(yán)重的土壤侵蝕事件。史料記載中采用“漫淹”、“淹沒(méi)”、“湮沒(méi)”等這些表示程度的詞來(lái)描述降雨的侵蝕力度大小。如“清圣祖康熙元年（1662AD），永壽縣六月，大雨。六月二十四日至八月二十八日，淫雨如注，連綿不絕，城垣、公署、佛寺、民窯俱傾”。北5縣地區(qū)遭遇強(qiáng)降雨侵蝕力的表示有“漂沒(méi)”。如“永壽縣七、八月，陰雨連綿，山水漲發(fā)，秋禾多被損壞，共沖刷淹浸民地六十二頃余畝，收成失望”。用來(lái)描述更高一級(jí)侵蝕程度的詞語(yǔ)有“沖沒(méi)”、“沖壓”、“沖剝”和“沖毀”等，如“清高宗乾隆二十一年（1756AD），彬縣、長(zhǎng)武縣、禮泉縣，被水、被雹，沖塌房屋，淹傷秋禾”。因此，統(tǒng)計(jì)并將《西北災(zāi)荒史》中關(guān)于暴雨與洪水事件的定性描述進(jìn)行定量化。如將帶“沖”字定量為等級(jí)3，定義為重度侵蝕;帶“漂”字定量為等級(jí)2，定義為中度侵蝕;帶“淹”、“漫”字定量為等級(jí)1，定義為輕度侵蝕。值得說(shuō)明的是，若僅記載“某年某月，雨”等簡(jiǎn)要描述，則不在統(tǒng)計(jì)范圍之內(nèi)，如“清圣祖康熙四十八年（1709AD），咸陽(yáng)三月，雨，至五月，麥?zhǔn)斩酚啵嗪涛闯伞?。若僅記載“某年某月，某地大雨”，則將其定量為等級(jí)1（輕度侵蝕），如“清圣祖康熙三十三年（1694AD），咸陽(yáng)，夏，大雨，水深二尺”，或僅記載“某年某月，某地大水”則將其定量為等級(jí)2（中度侵蝕）。若同年中有“沖”、“淹”或“漂”的記載，則根據(jù)各自發(fā)生的受災(zāi)面積、區(qū)域大小、所占比重進(jìn)行比較，按照比重的大小進(jìn)行定級(jí)，處理得到災(zāi)情定量化結(jié)果，如“清德宗光緒十三年（1887AD），長(zhǎng)武，五月，撫恤陜西長(zhǎng)武、洛南、隴三州、縣被水、被雹災(zāi)民。十月奏：陜西長(zhǎng)安等屬被水，獒厔等屬城垣坍塌。淳化，東北鄉(xiāng)方里鎮(zhèn)旁溝土窯被水沖灌，淹斃男婦大小二十一丁口。永壽，七、八月，陰雨連綿，山水漲發(fā)，秋禾多被沖傷”。對(duì)《中國(guó)近五百年年旱澇分布圖集》系列中的氣候干濕指數(shù)進(jìn)行逐年統(tǒng)計(jì)，建立近360a陜西咸陽(yáng)北5縣地區(qū)氣候干濕變化序列。根據(jù)對(duì)暴雨洪水侵蝕強(qiáng)度的定量化結(jié)果與建立的氣候干濕變化序列對(duì)比分析，初步探討土壤侵蝕強(qiáng)度對(duì)氣候干濕變化的敏感性程度。

3結(jié)果分析

3.1近360a來(lái)咸陽(yáng)北5縣暴雨洪水事件特征

表1為近360a咸陽(yáng)北5縣地區(qū)發(fā)生的暴雨洪水事件。近360a來(lái)，該區(qū)共發(fā)生42次典型的不同強(qiáng)度土壤侵蝕事件，平均約每9a發(fā)生1次，其中1級(jí)輕度侵蝕29次，2級(jí)中度侵蝕2次，3級(jí)重度侵蝕11次。其中某些年份洪災(zāi)發(fā)生的比較集中，如1881年、1884年、1886年、1887年、1888年、1889年和1902年、1905年、1906年、1907年、1909年等。

3.2暴雨洪水事件與土壤侵蝕

咸陽(yáng)北5縣地區(qū)降水量較少且比較集中，降水變化明顯，突發(fā)性強(qiáng)降雨事件發(fā)生頻率增加，引發(fā)洪水，土壤侵蝕危機(jī)加重。根據(jù)一段時(shí)間的水文泥沙觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，陜西北5縣地區(qū)降雨特性和降雨強(qiáng)度決定了土壤侵蝕程度，降雨強(qiáng)度變大，土壤侵蝕力度加劇。周佩華等[16]進(jìn)行多次降雨強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)探索，得出黃土高原地區(qū)土壤侵蝕量由降雨強(qiáng)度決定，降雨強(qiáng)度大則侵蝕量加劇，反之亦然。江忠善等[17]總結(jié)得出，土壤侵蝕的重要原因是小面積短時(shí)間區(qū)域的突發(fā)性降水。王萬(wàn)忠[18]提到突發(fā)性暴雨是引起黃土高原地區(qū)水土快速流失的重要影響因子。賈志偉等[19]提出，30min以內(nèi)集中性降雨和水土流失量表現(xiàn)出正向關(guān)關(guān)系。呂甚悟和李君蓮[20]指出，隨著隴中黃土高原地區(qū)年侵蝕雨量的增加水土流失量隨之增強(qiáng)。除此之外，通過(guò)之前學(xué)者對(duì)陜北黃土高原地區(qū)的長(zhǎng)期觀察研究，發(fā)現(xiàn)淤地壩小流域產(chǎn)沙的最重要的驅(qū)動(dòng)力是強(qiáng)降雨和洪水，產(chǎn)沙量隨暴雨強(qiáng)度增大而變大[21，22]。

近360a來(lái)咸陽(yáng)北5縣共發(fā)生42次典型的不同等級(jí)暴雨洪水事件，對(duì)該區(qū)的地表生態(tài)環(huán)境造成一系列嚴(yán)重負(fù)面影響。根據(jù)記載，等級(jí)3的有“清德宗光緒十三年（1887AD），淳化，東北鄉(xiāng)方里鎮(zhèn)旁溝土窯被水沖灌，淹斃男婦大小二十一丁口”，“清德宗光緒十四年，永壽，七、八月，陰雨連綿，山水漲發(fā)，秋禾多被損壞，共沖刷淹浸民地六十二頃余畝，收成失望”;等級(jí)2的有“中華民國(guó)二十三年（1934AD），彬縣，山洪爆發(fā)，或已河流漲溢，大災(zāi)降臨，猝不及避，男女老幼淹斃無(wú)算，廬舍牲畜漂沒(méi)無(wú)存”;等級(jí)1的有“清德宗光緒十三年（1887AD），淳化，東北鄉(xiāng)方里鎮(zhèn)旁溝土窯被水，淹斃男婦大小二十一丁口。中華民國(guó)二十二年，淳化，大雨連綿，涇水暴漲，漫濫成災(zāi)”。

3.3黃土高原土壤侵蝕與氣候變化的關(guān)系

黃土質(zhì)地細(xì)膩，結(jié)構(gòu)疏松，空隙較多，濕陷性和滲透性較大，具有快速分散的特性，抗沖刷力較弱。大量的試驗(yàn)研究[23]證實(shí)，植被覆蓋度與土壤侵蝕量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土壤侵蝕量隨植被覆蓋度的增高而逐漸減少。劉元保等[24]對(duì)黃土高原小流域研究發(fā)現(xiàn)植被能從根本上降低或消除徑流沖刷力，并且減緩?fù)寥狼治g力度。鄭粉莉等[25]通過(guò)對(duì)子午嶺小流域觀測(cè)站點(diǎn)資料進(jìn)行分析和林地開(kāi)墾前后土壤侵蝕特征進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)林地土壤侵蝕模數(shù)經(jīng)過(guò)開(kāi)墾后明顯增加;研究發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)樵瓉?lái)的林地土壤被黃綿土所代替，引起土壤侵蝕速度加快[26]。通過(guò)比較延安水土保持試驗(yàn)站的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)陜西延安地區(qū)黃龍山寺溝侵蝕量是無(wú)林流域南溝的1/5[27]。另外分析發(fā)現(xiàn)，決定黃土高原地區(qū)植被覆蓋度的主要?dú)夂蛞蜃訛榻邓ｉh慶文[28]研究表明，黃土高原地區(qū)植被類型由于受到降水量多少的影響，隨著降水強(qiáng)度依次遞減并呈現(xiàn)森林、森林草原、草原和荒漠草原分布格局。由此可見(jiàn)，黃土高原地區(qū)植被覆蓋和降水量的多少系負(fù)相關(guān)。信忠寶等[29]通過(guò)對(duì)1981—2006年黃土高原地區(qū)植被覆蓋和降水量之間的機(jī)理進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度在多雨期快速增加，在降水減少期隨之減少。李登科[30]總結(jié)出黃土高原地區(qū)雨季降水量的增多引起植被覆蓋增高。齊清等[31]經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，黃土高原地區(qū)降水量多的年份比降水量少的年份植被覆蓋度高。張翀等[32]發(fā)現(xiàn)在黃土高原區(qū)隨著降水量的增加，隨之增多的還有植被覆蓋度。由此可見(jiàn)，要控制黃土高原土壤侵蝕問(wèn)題，最需要關(guān)注的因子是降水量與植被覆蓋度。

根據(jù)表1和圖2顯示，在10a至數(shù)十年尺度上，氣候偏濕期共發(fā)生22次土壤侵蝕事件，其中1級(jí)輕度侵蝕17次，2級(jí)中度侵蝕1次，3級(jí)重度侵蝕4次，說(shuō)明土壤侵蝕程度總體較弱。氣候偏干期共發(fā)生20次土壤侵蝕事件，其中1級(jí)輕度侵蝕12次，2級(jí)中度侵蝕1次，3級(jí)重度侵蝕7次，說(shuō)明土壤侵蝕程度總體較強(qiáng)。

陜西咸陽(yáng)北5縣地區(qū)在氣候偏濕期，降水量劇增，研究區(qū)植被生長(zhǎng)迅速，將截留部分降水與加大雨水入滲量，從而導(dǎo)致地表徑流減少，土壤侵蝕問(wèn)題得到緩解。與之相反，干旱期降水量少，陜西北5縣地區(qū)處于黃土高原區(qū)域，受長(zhǎng)時(shí)間干冷氣候影響植被覆蓋度相對(duì)較低，裸露的地表占據(jù)較大面積。但是在黃土高原地區(qū)，干旱氣候條件下8、9月份降水相對(duì)集中且密集，所以地表徑流沖刷流動(dòng)能力增強(qiáng)，因此土壤侵蝕程度加劇。

可以從表2中觀察到清代以來(lái)咸陽(yáng)中南部暴雨洪水事件發(fā)生的分布情況。共統(tǒng)計(jì)了42次的暴雨洪水事件發(fā)生情況，其中洪澇災(zāi)害等級(jí)1總計(jì)29次，處于偏干期13次，約占44.82%，處于偏濕期16次，約占57.14%;洪澇災(zāi)害等級(jí)2總計(jì)2次，1次處于偏干期，另外1次處于偏濕期;在洪澇災(zāi)害等級(jí)3中紀(jì)錄有12次，其中3次處于偏濕期，約占25%，9次處于偏干期，約占75%。由此可知，侵蝕強(qiáng)烈發(fā)生時(shí)段既不發(fā)生在濕潤(rùn)時(shí)期，也不在過(guò)渡時(shí)期，而是發(fā)生在氣候變化相對(duì)干旱時(shí)期。

4結(jié)論

縱觀世界發(fā)現(xiàn)，陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及格局都隨氣候變化而改變，土壤侵蝕問(wèn)題普遍成為全球環(huán)境學(xué)家的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)，探討土壤侵蝕強(qiáng)度與氣候變化之間的響應(yīng)機(jī)制更加成為熱點(diǎn)話題。陜西咸陽(yáng)北5縣地區(qū)作為黃圖高原區(qū)土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，研究該區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)弱對(duì)氣候變化的敏感性最為典型。研究發(fā)現(xiàn)近360a來(lái)，陜西省咸陽(yáng)北5縣地區(qū)共發(fā)生42次不同強(qiáng)度土壤侵蝕事件，平均約每9a發(fā)生1次，其中1級(jí)輕度侵蝕28次，2級(jí)中度侵蝕2次，3級(jí)重度侵蝕11次。在數(shù)十年尺度上，氣候偏濕期共發(fā)生21次土壤侵蝕事件，其中1級(jí)輕度侵蝕16次，2級(jí)中度侵蝕1次，3級(jí)重度侵蝕4次，說(shuō)明土壤侵蝕程度總體較弱;氣候偏干期共發(fā)生20次，其中1級(jí)輕度侵蝕12次，2級(jí)中度侵蝕1次，3級(jí)重度侵蝕7次，說(shuō)明土壤侵蝕程度總體較強(qiáng)。

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（責(zé)任編輯 常陽(yáng)陽(yáng)）