布哈河流域不同時間尺度下土壤侵蝕對氣候變化的響應(yīng)特征

胡雅丹 ，張 飛，范宣梅，郁文龍

1. 成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059

2. 中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061

土壤侵蝕是現(xiàn)今全球主要的環(huán)境問題之一，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力降低、河流徑流輸沙甚至全球氣候變化都有著重要的影響（李占斌等，2008）。我國土壤侵蝕形勢嚴峻，輕度以上土壤侵蝕面積約為482.53萬km2（趙曉麗等，2002）。土壤侵蝕受氣候條件、地表環(huán)境以及土壤自身性質(zhì)的綜合影響（魏寧和魏霞，2016）。其中，土壤侵蝕與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系頗有爭議。在地質(zhì)時期尺度的研究中，前人重點討論了強土壤侵蝕期與氣候期的對應(yīng)關(guān)系，研究結(jié)果基本分為三種截然不同的觀點：（1）強土壤侵蝕期與濕潤氣候期相對應(yīng)；（2）強土壤侵蝕發(fā)生在干旱氣候與濕潤氣候的過渡時期；（3）強土壤侵蝕期與干旱氣候期對應(yīng)（景可和李鳳新，1993；景可和焦菊英，2011）。在現(xiàn)代氣候研究中，學(xué)者們普遍認為全球氣候趨向溫暖化發(fā)展，近年來論證氣候變化對土壤侵蝕的影響引起了廣泛關(guān)注。其中，通過研究氣候變化對侵蝕環(huán)境的改變進而討論氣候?qū)ν寥狼治g的重要作用是較為普遍的研究方法之一。例如：氣候變暖導(dǎo)致冰川退縮、凍土退化等融化過程使得地表徑流增加；溫度升高導(dǎo)致凍土強度降低進而加大災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險等（陳同德等，2020）。雖已有一些研究認為全球氣候暖化會促進土壤侵蝕的加?。▽O本國等，2008；Lu et al，2010；Zhang et al，2020），但未來氣候進一步暖化是否會加劇土壤侵蝕仍存在著不確定性。因此，對相關(guān)研究展開進一步的探討不僅有助于深入理解氣候變化與土壤侵蝕的相互作用機制，更對未來氣候持續(xù)變暖背景下應(yīng)對侵蝕變化具有重要的現(xiàn)實意義。

河流懸浮物是研究土壤侵蝕的常用工具。氣候變化通過調(diào)節(jié)地表水循環(huán)影響河流系統(tǒng)，進而管理沉積物的輸送效率（Zhao et al，2017；Yang et al，2018）。河流泥沙研究對于有效應(yīng)對水土流失及防護，促進生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。據(jù)野外考察發(fā)現(xiàn)，在雅魯藏布江流域及黃土高原關(guān)鍵帶存在河水在雨季前期變渾濁的異?，F(xiàn)象，其產(chǎn)生原因及控制機理尚無定論。本文以該異?，F(xiàn)象為出發(fā)點，基于水文氣象數(shù)據(jù)探討高原地區(qū)地表侵蝕的響應(yīng)機制。

地處季風(fēng)交匯地帶的青海湖流域是維系青藏高原東北部生態(tài)安全的重要區(qū)域，因其特殊的地理位置及氣候特征更是被視為氣候變化的“指示器”。學(xué)者們在各領(lǐng)域開展了青海湖流域土壤侵蝕的相關(guān)研究，如沙占江等（2012）和張娟（2012）基于遙感和GIS對布哈河流域的土壤侵蝕進行了定性半定量評價研究，認為該流域以輕度及中度侵蝕為主；Jin et al（2011）和Zhang et al（2013）利用水化學(xué)數(shù)據(jù)討論了青海湖流域的地表風(fēng)化與侵蝕過程。然而，現(xiàn)有研究大多集中于流域的侵蝕強度評價或氣候?qū)竟?jié)性風(fēng)化、侵蝕的整體性影響，鮮少討論該區(qū)特有的強烈的季節(jié)性凍融作用在地表侵蝕中的貢獻。本文選取青海湖流域最大河流布哈河為研究對象，以徑流量、懸浮物濃度、氣溫及降雨的逐日監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析該流域在不同時間尺度下受氣候影響的侵蝕行為的變化特征，以期補充現(xiàn)有關(guān)于土壤侵蝕對氣候變化響應(yīng)機制研究的不足。

1 研究區(qū)概況

青海湖流域位于青藏高原東北部（97°50′ ― 101°20′E，36°15′ ― 38°20′N），地處我國西北干旱區(qū)、西南高寒區(qū)和東部季風(fēng)區(qū)的交匯區(qū)域（方健梅等，2020），對全球氣候和環(huán)境變化尤為敏感。流域分別被日月山、青海南山、天峻山、大通山脈所環(huán)繞，形成一地勢以西北高、東南低為特征的內(nèi)陸湖盆地，平均海拔約為4000 m，流域面積約29661 km2（楊雄丹等，2020）。區(qū)內(nèi)青海湖是我國最大的內(nèi)陸咸水湖，其形成受晚新生代新構(gòu)造活動的影響。湖區(qū)北部大通山為北北西（NNW）走向，基巖裸露（Zhang et al，2013）。據(jù)統(tǒng)計，入湖河流約數(shù)十條，其中布哈河是青海湖流域內(nèi)長度及流域面積均最大的河流（圖1）（周一飛等，2017）。

圖1 布哈河流域區(qū)域概況圖Fig. 1 The map of study area

布哈河起源于疏勒南山，自西北向東南流入青海湖。河流全長約286 km，源頭海拔、河口海拔分別為4513 m、3195 m，流域面積為14337 km2，約占青海湖流域總面積的1/2。區(qū)內(nèi)出露二疊紀海相灰?guī)r和砂巖、志留紀砂巖和片巖，以丘陵地形為主（Zhang et al，2013）。流域內(nèi)主要發(fā)育的土壤類型包括草氈土、栗鈣土、泥炭沼澤土、鈣質(zhì)石質(zhì)土等，植被類型多為高寒草原、高寒草甸（張超等，2017）。布哈河流域?qū)儆诟咴敫珊禋夂?，夏季短暫，冬季漫長，春季多風(fēng)沙。流域內(nèi)年平均氣溫為-2.25℃，日平均溫度在- 27.5 — 16.5℃波動，多年平均降水量（1957 —2015年）為386 mm，平均蒸發(fā)量（1991 — 2015年）為977 mm。降水主要集中在5 — 9月，約占全年90%以上（彭紅明等，2015），使得地表徑流大多集中在該時期。該區(qū)域氣候變化表現(xiàn)為雨熱同季，月降雨量峰值及最高月平均氣溫多出現(xiàn)在7 — 8月（圖2）。然而，在冷季（11月—次年3月），低溫導(dǎo)致地表凍結(jié)，此時降雨主要以降雪形式發(fā)生。

圖2 布哈河2008 — 2015年月平均降雨量及月平均氣溫變化Fig. 2 Monthly average variations in precipitation and temperature in Buha River from 2008 to 2015

2 數(shù)據(jù)與方法

本文選用布哈河水文站在2008 — 2015年逐日監(jiān)測的水文氣象數(shù)據(jù)，包括河流懸浮物濃度（SSC）、河水流量（discharge）、降雨量及氣溫。其中，11月至次年3月的河流懸浮物濃度（SSC）均缺失，是由于在該季節(jié)內(nèi)，極低的氣溫導(dǎo)致地面處于凍結(jié)狀態(tài)，河流懸浮物濃度極低，故而未監(jiān)測。

本文以2008 — 2015年的逐日數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用逐日懸浮物濃度與河水流量的乘積得到懸浮物通量（SSF = SSC×discharge），進而通過單位換算后得到在日、月、年時間尺度下該流域的侵蝕通量。

3 結(jié)果與分析

3.1 月、日尺度下土壤侵蝕對氣候的響應(yīng)

基于布哈水文站逐日監(jiān)測的水文數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了布哈河2008 — 2015年月、日侵蝕通量以及徑流量（圖3 、 4）。結(jié)果表明：布哈河徑流量年內(nèi)分配不均，日均流量從最小值1.14×105m3· d-1（2012年2月20日）增加至4.76×107m3· d-1（2012年8月14日）；月徑流總量從2月的3.41×106m3（2012年）增加至8月的最高值6.22×108m3（2012年）。與流量變化趨勢相似，布哈河流域侵蝕通量年內(nèi)差異明顯。日均侵蝕通量的最大值與最小值相差6個數(shù)量級，從0.23 t · d-1（2011年4月9日）增加至63638.78 t · d-1（2014年8月4日）。同樣，月侵蝕通量從4月的0.10×103t（2012年）增加至8月的3.79×105t（2012年），二者相差4個數(shù)量級。

圖3 布哈河2008 — 2015年侵蝕通量、徑流量及降雨量的日變化Fig. 3 Daily variations of SSF, water discharge, and precipitation in Buha River from 2008 to 2015

圖4 布哈河2008—2015年月侵蝕通量與月徑流量變化Fig. 4 Monthly variations of SSF and water yield in Buha River from 2008 to 2015

在2008 — 2015年，布哈河流域日均徑流量、侵蝕通量與日降雨量均保持良好的對應(yīng)關(guān)系。該流域約90%的降雨集中出現(xiàn)在5 — 9月，其中7 — 8月占比達49.2%。同樣地，徑流量與侵蝕通量在5月開始增加，在7 — 8月達到峰值，繼而下降。降雨的集中分配導(dǎo)致地表徑流明顯的年內(nèi)差異。在雨季，強烈的暴雨更會導(dǎo)致徑流量的激增，出現(xiàn)洪水事件，瞬時強降雨及連續(xù)的地表徑流均會造成不同程度的土壤侵蝕，因此可將地表徑流視為大氣降雨的良好體現(xiàn)（張飛等，2016）。日均徑流量及侵蝕通量的擬合結(jié)果顯示二者呈現(xiàn)良好的指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2處于0.63 — 0.81（表1），可見降雨是半干旱布哈河流域土壤侵蝕的主要控制因素。

表1 布哈河日侵蝕通量與氣溫、日均徑流量的擬合關(guān)系Tab. 1 The relationship of daily SSF vs. air temperature and water discharge in Buha River from 2008 to 2015

然而，與降雨作為流域侵蝕主要控制因素不同的是，雖然氣溫變化趨勢與侵蝕通量、徑流量相似，在7、8月份達到峰值（圖2），但據(jù)氣溫與侵蝕通量擬合結(jié)果，二者并未形成良好的相關(guān)關(guān)系，R2除2012年稍高外，其他年份均指示其為土壤侵蝕的弱相關(guān)因素（表1）。但是，土壤侵蝕對氣候變化的季節(jié)性響應(yīng)使氣溫具有不可忽視的地位，尤其是在春季解凍期。

3.2 土壤侵蝕對氣候變化的季節(jié)響應(yīng)

3.2.1 徑流量、懸浮物通量、氣溫及降雨的季節(jié)性變化特征

圖2統(tǒng)計了布哈河流域2008—2015年月平均氣溫及降雨量。結(jié)果表明：在研究期間，月平均氣溫在-16.5 — 10.3℃波動變化；年平均降雨量為436 mm，月平均降雨量從12月的0.3 mm增加至7月的111.0 mm。布哈河流域降雨具有年內(nèi)集中分配的特點，季節(jié)間差異明顯，降雨大多集中在雨季（6月中旬至9月），降雨量為309 mm，占全年的71%；其次為雨季前期（4月至6月中旬）和雨季后期（10月），雨量分別為101 mm和16 mm，占比分別為23%和4%；冬季降雨量為全年最低（10 mm），僅占比2%，且該時期降雨主要以降雪形式發(fā)生。

在2008 — 2015年，布哈河流域年內(nèi)徑流量與侵蝕通量均存在明顯的季節(jié)性差異，表現(xiàn)為：雨季（6月中旬至9月）＞雨季前期（4月至6月中旬）＞雨季后期（10月）＞冬季（11月至次年3月）（圖5）。雨季徑流量占全年徑流量的77%，大徑流量及集中降雨（包括瞬時強降雨）導(dǎo)致約93%的懸浮物被輸送。在其他季節(jié)，徑流量較低，輸送沉積物能力相對較弱，雨季后期表現(xiàn)最為明顯。在雨季后期，徑流量占全年徑流量的7.9%，僅有0.6%的懸浮物被輸送。

圖5 布哈河2008 — 2015年侵蝕通量與徑流量各季節(jié)所占比重Fig. 5 Contribution of SSF and water discharge in each season to annual SSF and water yield in Buha River from 2008 to 2015

布哈河流域的氣候變化具有明顯季節(jié)性差異特征，即降雨峰值及高溫集中出現(xiàn)在雨季，徑流以及懸浮沉積物通量亦是如此，高侵蝕量與高徑流量相對應(yīng)，在雨季達到峰值，而在冬季降到最低值。

3.2.2 春季解凍期土壤侵蝕變化特征

懸浮物濃度與徑流量（SSC — Q）的關(guān)系曲線包含懸浮物濃度與徑流量隨時間變化曲線、懸浮物濃度隨徑流量變化曲線兩種形式，用于指示懸浮物輸送過程以及懸浮物運移機制，是研究河流懸浮物輸移的常用手段（Gao and Pasternack，2007）。Williams（1989）將懸浮物濃度與徑流量的比值（SSC / Q）作為判別曲線類別的指標。據(jù)此，圖6總結(jié)了月平均懸浮物濃度與徑流（SSC — Q）的關(guān)系（因冬季SSC數(shù)據(jù)未監(jiān)測，故圖6未標注該季節(jié)月平均數(shù)據(jù)），結(jié)果表明：布哈河流域在2008 — 2015年，月平均懸浮物濃度與月平均流量整體表現(xiàn)為順時針滯后關(guān)系（clockwise loop）。

圖6 布哈河2008 — 2015年月平均SSC與月平均流量的關(guān)系Fig. 6 Monthly SSC — Q hysteresis loops during the study period

在研究期間，日平均懸浮物濃度在最小值0.001 kg · m-3與最大值2.810 kg · m-3之間波動。從季節(jié)上來講，SSC在雨季前期開始增加，由于降雨的集中分配使得SSC在雨季達到峰值，在雨季過后SSC呈下降趨勢，直至最低值。上述SSC隨季節(jié)變化的結(jié)果在SSC — Q的滯后曲線中整體表現(xiàn)為順時針滯后關(guān)系，在該關(guān)系曲線中，SSC雨季前期處于上升段（rising limb），SSC雨季后期則處在峰值過后的下降段（falling limb），即在相同徑流量下，雨季前期河流中懸浮物濃度高于雨季后期。

這樣的SSC — Q順時針滯后關(guān)系可歸因于可用沉積物的耗竭及徑流變化兩個方面（Gao and Pasternack，2007）。本文借鑒季節(jié)性的“儲存—釋放”過程（Fang et al，2008；Sun et al，2016）解釋這一現(xiàn)象。布哈河流域?qū)俑咴敫珊禋夂?，存在季?jié)性凍土及強烈的凍融循環(huán)。在寒冷季節(jié)（11月至次年3月），氣溫低于0℃，此時土層凍結(jié)，土顆粒間水分由液相變?yōu)楣滔啵╖hang et al，2016），孔隙間充滿冰晶體，導(dǎo)致土壤發(fā)生擠脹作用致使土壤結(jié)構(gòu)變得松散（景國臣等，2008），沉積物均處于“儲存”階段。在春末夏初季節(jié)，即雨季前期，氣溫逐漸升高且晝夜在0℃上下波動變化，土層經(jīng)歷頻繁的“晝?nèi)谝箖觥边^程，反復(fù)的凍融循環(huán)破壞了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤的可蝕性（Bryan，2000；陳超，2019），進而在融水、重力等外營力作用下被搬運至河道中，使得河流中SSC升高。隨后，雨季來臨，強降雨及大徑流事件導(dǎo)致大量沉積物在雨季被輸送。雨季過后，可用沉積物被耗盡，導(dǎo)致雨季后期可用沉積物減少。因此，相同徑流下，雨季前期相較雨季后期存在額外的沉積物累積。青藏高原河流在4 — 6月解凍期間變得渾濁正是這一現(xiàn)象的外部體現(xiàn)（孫輝等，2008）。此外，布哈河流域春季相對較高的懸浮物通量亦受春季降塵及植被季節(jié)性變化的影響（Jin et al，2011）。

布哈河流域在春季解凍期河流懸浮物濃度的變化反映了在季節(jié)尺度下，土壤侵蝕對氣候的響應(yīng)特征。同樣地，在高緯度、高海拔地區(qū)，季節(jié)性凍土在春季解凍期因經(jīng)歷反復(fù)的凍融循環(huán)將會產(chǎn)生額外的沉積物累積并得到釋放，進而加劇該時期的地表侵蝕。

4 結(jié)論

通過分析布哈河流域的懸浮物濃度、徑流量、氣溫及降雨量的逐日監(jiān)測數(shù)據(jù)，進而探討在不同時間尺度（日、月、季節(jié)尺度）下土壤侵蝕對氣候變化的響應(yīng)特征。結(jié)果表明：降雨是該流域土壤侵蝕的主要控制因素，凍融作用在春季解凍期的土壤侵蝕過程中發(fā)揮重要作用。此外，以布哈河為例，通過分析該流域土壤侵蝕的季節(jié)性變化認為：在高緯度、高海拔的季節(jié)性凍融區(qū)，在春季解凍期因土層經(jīng)歷反復(fù)的凍融循環(huán)產(chǎn)生額外的沉積物累積導(dǎo)致該時期的地表侵蝕加劇。該過程對深刻認識在未來全球氣候持續(xù)變暖的情況下，作為全球第三極的青藏高原的侵蝕變化響應(yīng)機制提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。