青藏高原水土耦合作用機(jī)理及伴生的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題研究

張文海 吳華 孟盼望 陶偉

摘要 通過(guò)研究地表徑流對(duì)地形地貌的改造侵蝕過(guò)程及產(chǎn)生的水土流失問(wèn)題，以及對(duì)相關(guān)學(xué)者研究成果進(jìn)行總結(jié)，結(jié)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(guān)聯(lián)的關(guān)系，大趨勢(shì)上地形地貌的改變是地質(zhì)侵蝕時(shí)期發(fā)生的各種構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果，而局部產(chǎn)生的地形地貌是地表徑流作用產(chǎn)生的，造成水土流失的主要侵蝕營(yíng)力是地表徑流作用的結(jié)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(guān)鍵詞 青藏高原;地形地貌;水土流失;地表徑流;侵蝕營(yíng)力;耦合作用

中圖分類號(hào) X141文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2021）02-0068-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.02.020

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(fā)展的主要環(huán)境災(zāi)害之一[1]，近代以來(lái)隨著幾次工業(yè)革命及現(xiàn)代化建設(shè)需要，人類對(duì)于地球的資源需要日益增多。礦產(chǎn)資源的開(kāi)采、溫室效應(yīng)等都直接、間接地加劇了水土流失，當(dāng)然自然環(huán)境本身就是在不斷演化。對(duì)于青藏高原而言冰川融水對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響起主導(dǎo)作用，其地形地貌的特征無(wú)一不透露著水土流失很嚴(yán)重。通過(guò)闡述高原地形地貌的特征及風(fēng)化過(guò)程與水土流失之間的關(guān)系，揭示高原山地、平原水土流失機(jī)理，為治理高原區(qū)生態(tài)環(huán)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(zhǎng)高度的不斷提高，意味著溫室效應(yīng)在加劇氣候變化越發(fā)明顯，高原冰川融化及其伴隨的水土流失會(huì)進(jìn)一步加劇。由于地形地貌多樣、氣候復(fù)雜，存在凍融、風(fēng)力、水力和重力等多種侵蝕營(yíng)力，對(duì)于土壤侵蝕研究薄弱，在凍融侵蝕、地質(zhì)侵蝕、土壤侵蝕還缺乏相關(guān)研究[2]。有學(xué)者認(rèn)為是耕地及高原區(qū)特征的生態(tài)環(huán)境和長(zhǎng)期人為活動(dòng)造成生態(tài)退化[3-4]，導(dǎo)致了水土流失。對(duì)于高原區(qū)侵蝕營(yíng)力及造成水土流失的諸多因素還不是很完善，也有學(xué)者希望通過(guò)定量研究青藏高原構(gòu)造-侵蝕-氣候三者之間的耦合關(guān)系，探討地形地貌的演化歷史以及深部的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制[5]。地貌發(fā)育特征是氣候變化的一種反饋標(biāo)志[6]，高原地貌復(fù)雜多樣說(shuō)明了氣候變化非常大。筆者通過(guò)對(duì)基巖凍融破壞過(guò)程及其他風(fēng)化作用、地表徑流搬運(yùn)過(guò)程、地表徑流對(duì)平原區(qū)的改造過(guò)程、氣候等因素，闡述地形地貌與水土流失的關(guān)系，以期對(duì)高原區(qū)地表徑流與地形地貌特征、水土流失有一個(gè)新的認(rèn)識(shí)，為治理高原區(qū)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 區(qū)域水文地質(zhì)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(zhǎng)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(shì)呈西高東低的特點(diǎn)。高原內(nèi)部相對(duì)于邊緣區(qū)起伏較低，是一個(gè)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(cuò)綜復(fù)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(shì)的影響。內(nèi)流河大多以冰雪融水為主要補(bǔ)給水源，夏季水流量充沛，冬季基本無(wú)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(bǔ)給的主要方式是雨水補(bǔ)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(wǎng)密集，土地資源地域分布明顯，數(shù)量構(gòu)成極不平衡。

2 坡面流等侵蝕營(yíng)力對(duì)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(dú)特的地理位置終年溫度較低且日照充足水蒸發(fā)量也很大，但因其上空四季均有水汽輻射場(chǎng)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(nèi)流河水資源多半由冰川融水產(chǎn)生。這就導(dǎo)致對(duì)于地形地貌改變的侵蝕營(yíng)力是冰川融水形成的地表徑流作用的結(jié)果，對(duì)于凍融侵蝕由于其凍融環(huán)境條件要求比較苛刻，凍融效果明顯的區(qū)域主要集中在環(huán)境氣候變化敏感的區(qū)域及部分溫差變化較大的山腰地帶。基于高原區(qū)地形地貌復(fù)雜性，造就了其環(huán)境氣候條件的敏感。對(duì)于地質(zhì)侵蝕由于其經(jīng)歷的時(shí)間漫長(zhǎng)且發(fā)生的各種侵蝕不斷對(duì)地形地貌進(jìn)行改造，造就了當(dāng)今青藏高原地形地貌的總體雛形。雖然高原區(qū)地形地貌主要影響因素是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，構(gòu)造作用在塑造地形地貌上起控制性作用[9]，但由于地質(zhì)侵蝕作用時(shí)間漫長(zhǎng)使得高原區(qū)地形地貌趨向于復(fù)雜的方向發(fā)展。隨著近代間冰期的因素抑或是人為對(duì)環(huán)境的影響，使得冰川融化加劇，冰川進(jìn)退地質(zhì)活動(dòng)明顯增強(qiáng)，其融化形成的地表徑流侵蝕活動(dòng)能力加強(qiáng)。冰川由于復(fù)雜氣候等因素融化形成的水流不規(guī)則流淌（圖1），冰川融水終年對(duì)地表不斷地進(jìn)行下切侵蝕，致使諸多山體邊坡曾現(xiàn)出區(qū)域性不規(guī)則的徑流路線相互交織。邊坡被沖溝分割成不規(guī)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(qū)地殼不斷抬升使地表被迫侵蝕，所以高原區(qū)沖溝廣泛發(fā)育。

隨著地殼不斷抬升地質(zhì)侵蝕、地表徑流不間斷作用，造就了高原區(qū)山地多由坡度較陡的山地組成。由于坡度對(duì)積雪覆蓋的影響較大[10]，且土壤對(duì)水流的敏感性大于對(duì)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(wěn)成塊狀整體向下運(yùn)移，對(duì)地表的磨蝕程度較大?；七^(guò)程產(chǎn)生的冰磧土向坡腳運(yùn)移，地質(zhì)歷史時(shí)期已經(jīng)形成的冰磧土顆粒也會(huì)進(jìn)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(shì)能，對(duì)巖石侵蝕作用明顯，對(duì)于水土的運(yùn)移能力也得到增強(qiáng)。土壤對(duì)水流的敏感性則主要表現(xiàn)在與土壤顆粒、組成成分有關(guān)，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)高壓區(qū)地表顆粒普遍較小，使得侵蝕作用的產(chǎn)生變得容易。

冰川大面積分布隨著季節(jié)更替，冰川融化形成的大面積徑流使得山地水土流失嚴(yán)重，匯聚的水流對(duì)地表進(jìn)行侵蝕形成了沖溝，因其徑流可以說(shuō)是無(wú)規(guī)則的流淌。如此反復(fù)形成的沖溝廣泛分布，由于地質(zhì)運(yùn)動(dòng)地表抬升使得沖溝充分發(fā)育，經(jīng)過(guò)終年各種侵蝕營(yíng)力作用形成了溝壑廣泛分布（圖2）。當(dāng)然，這也是地質(zhì)侵蝕的基礎(chǔ)之上形成的地形地貌。且各個(gè)山地形成的沖溝不是獨(dú)立存在的，彼此相連構(gòu)成了山地與山地之間的水系，徑流隨著地形流淌又構(gòu)成了山地與平原區(qū)水系（圖2～3）。

高原地形受板塊俯沖影響不斷上升，被動(dòng)受侵蝕風(fēng)化作用，造成地表巖石不斷加速風(fēng)化直至露出基巖。冰川融水入滲經(jīng)過(guò)冰劈作用使得基巖破碎，由冰劈作用破碎的基巖物質(zhì)往下運(yùn)移時(shí)，其中一部分碎裂的基巖由于風(fēng)化作用、冰川的反復(fù)進(jìn)退以及反復(fù)凍融作用變成細(xì)小顆粒，隨地表徑流不斷向平原地帶運(yùn)移（圖2）。向下運(yùn)移過(guò)程中經(jīng)過(guò)平原等海拔較低區(qū)域時(shí)，由于氣候影響巖石會(huì)進(jìn)行一個(gè)反復(fù)凍融的過(guò)程加劇了巖石的風(fēng)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(qū)域凍融效果越明顯，所以風(fēng)化程度越高的區(qū)域主要集中在山腰地帶，以及由于地形影響溫差較大的區(qū)域?；鶐r的破碎對(duì)于受地形、氣候影響明顯的區(qū)域也可以說(shuō)是冰劈作用及反復(fù)凍融共同作用的結(jié)果[12]。如此反復(fù)不斷地產(chǎn)生細(xì)小顆粒向平原堆積，長(zhǎng)此以往造成平原區(qū)土地沙化。風(fēng)化的細(xì)小顆粒隨水流流失，使得山地難以形成有利于植被生長(zhǎng)的腐蝕殖，這也為生態(tài)治理過(guò)程中的突出水土流失問(wèn)題形成了惡性循環(huán)。

3 河槽流等侵蝕營(yíng)力對(duì)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(qiáng)的勢(shì)能與動(dòng)能，所以在山地坡腳處總是產(chǎn)生下蝕作用，使得地表河流也總是在坡腳處產(chǎn)生（圖4）。在夏季冰川大面積融化造成河水漫溢，由于地質(zhì)侵蝕及其往期各種侵蝕營(yíng)力的作用，沉積的砂土堆積在平原區(qū)。在河水漫溢時(shí)大量的砂石通過(guò)水流被搬運(yùn)流失，在侵蝕營(yíng)力小的區(qū)域地帶沉積，不斷地對(duì)地表進(jìn)行改造造成了平原區(qū)復(fù)雜的地形，在工程建設(shè)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(dòng)所需的環(huán)境條件帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

由于凍融及風(fēng)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(yùn)移匯聚，并隨著河槽流及地面流水進(jìn)行運(yùn)移。在高原區(qū)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(qū)進(jìn)行漫溢，逐漸形成區(qū)域水系，因此水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)就是河流及其組成的水系。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及水流側(cè)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(shuō)明該地區(qū)水流作用強(qiáng)烈，水流源源不斷地把冰磧土及風(fēng)化土進(jìn)行運(yùn)移。冰磧土也在水流過(guò)程中不斷地進(jìn)行磨蝕，成為細(xì)小顆粒被運(yùn)走。表明構(gòu)造活動(dòng)對(duì)于流域地形地貌發(fā)育具有強(qiáng)烈的控制作用，構(gòu)造活動(dòng)是造成河流縱剖面發(fā)生改變的最主要因素，而局部河段同時(shí)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(fù)凍融產(chǎn)生的冰磧土隨徑流運(yùn)移至平緩地帶，冰磧土經(jīng)過(guò)運(yùn)移一部分變成細(xì)小顆粒，與風(fēng)化作用形成的小顆粒土一起被運(yùn)移至平緩地帶，長(zhǎng)此以往造成砂土的集中使得平緩區(qū)域部分地區(qū)土地沙化。風(fēng)對(duì)于細(xì)小顆粒也具有較強(qiáng)的搬運(yùn)能力，細(xì)小顆粒隨風(fēng)運(yùn)移至遇到山谷等在底部沉積，隨徑流也會(huì)搬運(yùn)至平緩地帶。在夏季由于冰川融水增多，使得對(duì)山地的侵蝕增強(qiáng)，在河流流域水土攜帶能力也會(huì)增強(qiáng)[13]，且夏季為水土流失高峰期。高原區(qū)陽(yáng)光充足堆積在平原區(qū)的砂土含水率流失嚴(yán)重，使得巖土砂粒黏聚力下降，易引起揚(yáng)塵、沙塵暴等環(huán)境問(wèn)題。

4 引發(fā)高原區(qū)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題相關(guān)因素

4.1 水土流失問(wèn)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(qū)更容易水土流失。

（2）大孔隙度和土壤容重會(huì)影響地表徑流，草地表現(xiàn)出最大的地表徑流和土壤流失，而高原區(qū)以農(nóng)牧為主，因此傾向于改善土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，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(tài)系統(tǒng)脆弱、抗干擾能力差，氣候變化以及人類的活動(dòng)進(jìn)一步加劇了其脆弱性[17]，使得水土流失導(dǎo)致環(huán)境變差。

（4）礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用也會(huì)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、地形地貌景觀破壞、水土污染等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，廢棄的土壤也會(huì)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(duì)于水土流水問(wèn)題，可以從相關(guān)方式減少土壤流失，如建立水土資源防線[19-20]也可以通過(guò)人為方式改變地形地貌，從而改變某一區(qū)域水土流失嚴(yán)重問(wèn)題。

4.2 土地沙化問(wèn)題

在日夜溫差、季節(jié)溫差較大的高原，砂土集中的平原地帶，經(jīng)過(guò)陽(yáng)光的暴曬，細(xì)小顆粒經(jīng)過(guò)風(fēng)吹極易形成揚(yáng)塵，造成環(huán)境污染。土地沙化會(huì)造成土地荒蕪，荒地會(huì)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(huì)在地表流水以及風(fēng)的作用下向四周蔓延，使得環(huán)境地質(zhì)條件向著惡性循環(huán)方向發(fā)展。高寒地區(qū)生態(tài)脆弱，氣候變化、人類活動(dòng)同樣會(huì)使土地沙化加劇。綜上所述，生態(tài)環(huán)境破壞所造成的土地沙化問(wèn)題較為嚴(yán)峻，而環(huán)境破壞最主要的直接原因在于水土流失嚴(yán)重，所以探討水土流失與徑流的關(guān)系是很有必要的。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）青藏高原地形地貌總體上大趨勢(shì)是有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用及地質(zhì)侵蝕產(chǎn)生的，但在局部上的地形地貌由冰川融水產(chǎn)生的地表徑流決定的，水土之間存在耦合作用地表徑流對(duì)地表改造可以說(shuō)是侵蝕營(yíng)力中最有侵蝕能力的因素。

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

（3）探討地形地貌與水土流失的關(guān)系，或可通過(guò)改變地形地貌使得地表徑流能夠避開(kāi)人類活動(dòng)的區(qū)域，如改變河道流向。通過(guò)充分了解地表徑流、地形地貌與水土流失之間的關(guān)系，使得人類對(duì)于人居環(huán)境有一定的選擇能力，促進(jìn)人與自然環(huán)境和諧相處。

（4）高原地區(qū)水土流失的源頭是基巖的冰劈作用產(chǎn)生的碎石土，地表的沉積土是地質(zhì)歷史各時(shí)期沉積的結(jié)果。土地利用類型、人類活動(dòng)因素、礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用等，都是促進(jìn)生態(tài)環(huán)境變得惡劣的一些因素，最主要的是水土流失問(wèn)題。

（5）地表徑流與地形地貌標(biāo)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(tài)，也能引起水土流失;水土流失反過(guò)來(lái)又可以改變地形地貌從而改變徑流流向。這為環(huán)境治理帶來(lái)很大的困難，個(gè)人認(rèn)為治理的最主要因素是進(jìn)行治砂、排水，對(duì)需要進(jìn)行環(huán)境治理及工程建設(shè)的區(qū)域進(jìn)行排水工程、邊坡治理。

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