我國沿海不同氣候帶山溪性河流沉積物輸運特征

孫 爽，胡 克，李 琰，楊俊鵬

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院，北京 100083；2.許昌學(xué)院 城市環(huán)境學(xué)院，河南 許昌 461000)

0 引 言

1976年Li[1]的一篇文章刷新了地質(zhì)學(xué)家對小河流固有的認知，發(fā)現(xiàn)中國臺灣島小河流的年輸沙量是世界平均值的2倍，臺灣島各流域的物理和化學(xué)剝蝕速率(9 500 t·km-2·a-1)均遠高于世界(150 t·km-2·a-1)和亞洲流域的平均值。之后的一些研究發(fā)現(xiàn)，處于熱帶的新西蘭和新幾內(nèi)亞，以及處于溫帶的日本和中國北方的小河流都有著極高的入海泥沙量[2-5]。Milliman和Syvitski在1992年提出山溪性小河流概念，即流域面積<2×104km2、海拔梯度>1 000 m的河流[6]。山溪性小河流入海徑流量雖然只占據(jù)全球的10%，卻攜帶著全球45%的入海泥沙量[7]。其中位于西太平洋構(gòu)造活動帶上的島嶼(日本，中國臺灣，菲律賓，印度尼西亞，新幾內(nèi)亞和新西蘭)，火山頻繁噴發(fā)，地形陡峭，加之臺風(fēng)等極端氣候事件帶來的強降雨導(dǎo)致這些地區(qū)的河流入海泥沙量遠高于全球其他區(qū)域，入海顆粒有機碳通量是全球的17%～35%[5]。中國臺灣島和新幾內(nèi)亞島的河流年輸沙量均不低于美國聯(lián)合大陸的泥沙總量[3]。中國北方匯入遼東灣的河流中，大凌河流域面積僅是遼河的1/6，但是年均沉積物通量卻是遼河的3倍[2]。

河流沉積物供給影響著河口海岸帶地區(qū)的地貌與沉積環(huán)境[8]。20世紀90年代以來，在自然環(huán)境與人類活動共同作用下，河流入海泥沙量呈斷崖式減少，導(dǎo)致了河口三角洲平原和濕地面積減少，岸線剝蝕，陸架營養(yǎng)鹽含量降低，嚴重影響海岸帶自然生態(tài)環(huán)境[9-14]。而河口海岸帶往往由多條河流共同加積形成，尤其是高泥沙通量的山溪性小河流，但是這個瞬時大通量的山溪性小河流體系由于缺乏足夠的監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)總結(jié)，其對全球沉積環(huán)境帶來的影響往往被忽略或者低估[15]。因此本文梳理近年來山溪性河流的研究成果，并對部分河流的氣象-水文數(shù)據(jù)和黏土礦物等礦物學(xué)數(shù)據(jù)進行整理，對山溪性河流與大河流的沉積物輸運特性進行比較分析，總結(jié)了溫帶與熱帶山溪性河流的沉積物輸運特征。本研究為進一步研究山溪性河流對沉積環(huán)境的改造提供數(shù)據(jù)和理論上的支持。

1 山溪性河流沉積物輸運特征

1.1 瞬時大通量

山溪性河流水沙量具有瞬時大通量的特征[15]，極端氣候事件(洪水、臺風(fēng)等)和構(gòu)造活動發(fā)生時，河流輸沙量可以提高一個數(shù)量級[6]，而且事件發(fā)生后輸沙量、徑流量以及沉積物濃度的異常高值說明，這些河流的沉積物記錄了這些罕見瞬時極端事件(表1)。例如，1980年5月18日，美國華盛頓州斯卡梅尼亞縣境內(nèi)的圣海倫斯火山爆發(fā)后，哥倫比亞河支流Cowlitz河的輸沙量從10 Mt增加到140 Mt[6]；美國俄勒岡州西部的Alsea河強降雨發(fā)生時，洪峰流量僅在1至2天就增加到平時的30多倍[16]。中國北方大凌河1962年由于洪水，當(dāng)年輸沙量升高到多年平均值的4.9倍[17]；1994年7月13日僅爆發(fā)了1天的洪水，徑流量(12 000 m3·s-1)就超過了周圍防護堤設(shè)計限制(6 500 m3·s-1)的2倍[17]，當(dāng)年的年平均徑流量是1993年平均值的6倍[18]。中國臺灣島河流在臺風(fēng)來臨時，徑流量在一天內(nèi)可以升高2～3倍，輸沙量提高1～2個數(shù)量級[16]；地震發(fā)生后，臺灣島河流的沉積物濃度提高近20倍[16]。而大河流域大量沉積物長時間儲存在沖積平原和三角洲中，即使剝蝕速率強的時期，河口區(qū)域的沉積物通量也依然保持較低水平[19]，如黃河只有24%的沉積物能通過三門峽進入下游河段，最終入海[3]。大河流域沉積物在廣泛發(fā)育的沖積平原上再旋回、再沉積和再傳輸，最終沉積在河口區(qū)域的沉積物無法準確地反映源區(qū)物質(zhì)供應(yīng)和氣候特征[20]，相比較，山溪性河流沉積物能精確地指示極端氣候事件和構(gòu)造活動。

表1 典型山溪性河流在極端氣候和構(gòu)造活動發(fā)生前后水文數(shù)據(jù)變化特征

1.2 高有機碳通量和有機碳埋藏效率

1.2.1 高有機碳通量

碳以各種形式存儲和轉(zhuǎn)換于海洋、大氣與陸地三大系統(tǒng)中，全球超過80%的有機碳埋藏在淺海中[23]，陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量是大氣碳庫的3倍，土壤又是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳含量占比最高的部分[24]，因此河流向海洋傳輸顆粒有機碳是全球碳循環(huán)中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)[16]。在全球土壤有機碳分布圖中，寒帶溫度低，土壤有機質(zhì)分解較慢[25]，因而土壤碳儲量高[24](圖1)。而在不同氣候帶內(nèi)，山溪性河流流域內(nèi)的土壤有機碳含量均處于相對高值。地形坡度與土壤有機碳含量呈正相關(guān)[26]，位于南北美洲和太平洋島嶼上的山溪性河流流域海拔梯度高[27]，加之太平洋島嶼與南美洲部分區(qū)域廣泛分布著熱帶雨林，凈初級生產(chǎn)力最高[28]，因而這些區(qū)域的顆粒有機碳含量處于高值。在中國，熱帶山溪性河流流域初級生產(chǎn)力高，所以熱帶的山溪性河流流域內(nèi)的土壤有機碳含量高于溫帶(圖1)，臺灣島上的山溪性河流地形坡降比高，所以該區(qū)域的土壤有機碳含量最高，尤其是地形坡降比更高的蘭陽溪。

1.2.2 高有機碳埋藏效率

山溪性小河流在極端氣候條件下多以重力流的形式向海洋輸送大量沉積物[6, 29-30]，而高沉積速率提高了有機碳的埋藏效率[2]，因此成為碳匯的一個主要貢獻源[31-32]。如匯入Biscay灣的山溪性河流，Nivelle河(法國，其流域面積238 km2，最高海拔660 m)的有機碳通量(5.3 t·km-2·a-1)，高于世界第一大河Amazon河的顆粒有機碳通量(2.83 t·km-2·a-1)；Biscay灣南部的山溪性小河流的總流域面積和流量均小于大河流Garonne河，但是這些小河流向河口和海岸帶傳輸?shù)念w粒有機碳含量卻高于周圍大河流Garonne、Dordogne和Adour河一個數(shù)量級(圖2)；Biscay灣顆粒有機碳儲量的70%來自這些山溪性小河流[33]。河口區(qū)域的有機碳75%會以二氧化碳形式釋放到大氣中，而小河流傳輸來的顆粒有機碳在河口區(qū)僅停留幾周就被會輸送到Biscay灣，遠低于周圍大河流在河口區(qū)域的停滯時間[33]，大大降低了有機碳的分解。這代表了一種不同于大河流域的河流-海洋相互作用模式[20, 34]。

1.3 有限的人類活動干擾

1.3.1 水 庫

全球16%的沉積物受到人類活動的干擾[35]，大壩水庫的建設(shè)是近幾十年來大河流入海泥沙量大幅度減少的主要因素[11, 14, 36-37]，至今為止，緬甸的伊洛瓦底江和薩爾溫江是亞洲僅存的兩條未被大壩調(diào)控的自由河流[38]。水庫影響輸沙量最著名的例子就是科羅拉多河(流域面積6.37×105km2)，其流經(jīng)科羅拉多大峽谷時，沉積物通量為135 Mt，而傳輸?shù)郊永Ｄ醽喓车某练e物少于0.1 Mt[3]。而小河流受到人類活動的改造遠低于大河流域[30]，主要是由于小流域水壩建設(shè)較少，沉積物被水壩截留的效率也較低[39]。浙閩沿岸山溪性河流的水庫都建設(shè)在上中游，但是下游沉積物物源分析時發(fā)現(xiàn)大量來自上中游的沉積物，加之水庫等人類活動對徑流量的調(diào)控能力低于氣候帶來的影響[40]，所以大壩水庫對浙閩沿岸山溪性河流的影響要低于季節(jié)性降雨帶來的影響[41]。

1.3.2 土地利用和采礦

土地利用和采礦對小河流域的調(diào)控能力強烈，而這些因素帶來的影響很少同時出現(xiàn)在大河流域中[16]，主要由于大河流域充足的湖盆、沖積平原和水庫削弱了上述事件帶來的影響，而小河流域自身調(diào)控能力較弱[41-42]。如中國臺灣島的蘭陽溪，1958年以后，流域內(nèi)建設(shè)公路規(guī)模提高，河流年輸沙量從2.6 Mt增加到21 Mt，1975—1980年期間，蘭陽溪上游大幅度開墾農(nóng)田，輸沙量又增加了80倍[2]；新幾內(nèi)亞的Fly河(流域面積7.6×104km2，海拔梯度高于4 000 m)在1980年代開設(shè)采礦業(yè)務(wù)，輸沙量從80 t增長到115 Mt[4]；印度尼西亞、菲律賓和馬來西亞近幾十年由于砍伐森林，河流沉積物通量增加了4～20倍[5]。近50年來，中國北方干旱-半干旱氣候區(qū)降雨持續(xù)減少[43]，徑流量減少，植被變化以及水庫的建設(shè)對沉積物傳輸?shù)挠绊懢薮骩11, 43-44]，而南方處于熱帶氣候區(qū)，降雨和徑流量持續(xù)增加[45]，大型水庫以及南水北調(diào)工程、土地利用變化等是河流沉積物通量變化的主要因素[36, 43, 46]。即使中國南北方河流處于不同的氣候帶，但是大多數(shù)河流都面臨著輸沙量減少的現(xiàn)狀[14, 47]，因此很有必要收集整理中國北方溫帶和南方熱帶-亞熱帶山溪性河流的沉積物通量等氣象水文數(shù)據(jù)以及黏土礦物等礦物學(xué)數(shù)據(jù)，分析不同氣候帶河流沉積物的輸運特征，為東亞陸架邊緣海海-陸相互作用提供更豐富的資料[15]。

2 中國北方溫帶山溪性河流沉積物輸運特征

以杭州灣為界，中國北方地殼沉降，有利于河流充填淤積，多發(fā)育泥沙質(zhì)海岸，由北到南形成了遼河三角洲、灤河三角洲、海河三角洲、新老黃河三角洲和長江三角洲[48]，同時發(fā)育了一系列山溪性河流，如復(fù)州河、大洋河、大清河、大凌河、小凌河、六股河和灤河(圖3)，在這些山溪性河流中，大凌河與灤河年輸沙量最高(表2)。大凌河沉積物濃度遠高于世界平均值，在中國僅低于黃河[47]，在匯入遼東灣眾多大-中-小河流中，大凌河入海泥沙量最高(表2)[49]，已有研究發(fā)現(xiàn)大凌河是遼河三角洲主要物源之一[50-52]。

2.1 水文特征

大凌河和灤河同處于暖溫帶大陸季風(fēng)區(qū)，年平均降水量接近，高于黃河流域平均降水(表2和圖4)。1962年和1994年發(fā)生的大洪水事件，導(dǎo)致灤河和大凌河的輸沙量在當(dāng)年激增(圖4)，灤河三角洲河口沙壩當(dāng)年快速增長[55]；而黃河流域在1960—1996年之間，近河口處的水沙量(利津水文站)均處于相對平穩(wěn)狀態(tài)(圖4)，表明山溪性河流相對大河，其沉積物通量對洪水事件更加敏感，沉積物可以更詳細地記錄上述事件，尤其是極端氣候事件。20世紀80年代以來，大壩水庫等對各河流的調(diào)控效果顯著[11, 14, 56]，1998年發(fā)生的全流域性大洪水事件，雖然導(dǎo)致黃河水沙量大幅度波動，但是山溪性河流灤河和大凌河的水沙量相對平穩(wěn)(圖4)，說明山溪性河流相對大河，其沉積物通量對人類活動更加敏感。對比大凌河和灤河發(fā)現(xiàn)，1962年和1994年的洪水事件發(fā)生時，大凌河的水沙量變化幅度高于灤河(圖4)。大凌河流域面積只有灤河的一半，地形坡度遠高于灤河流域(表2)，提高了其沉積物的剝蝕與傳輸能力，所以即使灤河流域徑流量更大，泥沙量還是低于大凌河(圖4)，說明流域面積越小、地形越陡峭的山溪性河流，如大凌河對極端氣候事件更加敏感。

2.2 礦物學(xué)特征

遼河、大凌河與灤河均起源于燕山山脈[54, 57]，均位于暖溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)(表2)，所以這幾條河流的黏土礦物和重礦物組成相似[57]，其中黏土礦物主要以蒙脫石和伊利石為主(圖3)[49, 57-58]。遼河與大凌河共同加積形成了遼河三角洲，兩條河流黏土礦物中的蒙脫石/伊利石比值可以清晰地剝離兩條河流的沉積物貢獻[52, 54]。灤河黏土礦物中，蒙脫石含量較高，明顯區(qū)別于周圍的海河與黃河[59]。蒙脫石隨溫度與降水增加會轉(zhuǎn)化為高嶺石[53, 60]，而北方溫帶大陸季風(fēng)氣候限制蒙脫石的轉(zhuǎn)化，進而出現(xiàn)了黃河以北部分河流蒙脫石含量高于黃河以南河流的現(xiàn)象(圖3)。對比遼河、大凌河、灤河與黃河發(fā)現(xiàn)，暖濕的灤河和黃河沉積物中高嶺石含量高于大凌河與遼河，然而在遼河與大凌河河口的黏土礦物中，遼河的高嶺石含量反而高于大凌河，說明遼河沉積物在廣闊的沖積平原上經(jīng)歷再風(fēng)化過程，加速蒙脫石向高嶺石的轉(zhuǎn)化。遼河表層沉積物更高的伊利石結(jié)晶度也證實其經(jīng)歷了更充分的風(fēng)化作用[54]。所以，山溪性河流灤河與大凌河口區(qū)域的沉積物更能準確地指示物源區(qū)的物質(zhì)和古氣候特征。

表2 中國沿海南北方山溪性河流與大河流流域的地質(zhì)、水文、氣象與氣候數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 中國南方熱帶山溪性河流沉積物輸運特點

以杭州灣為界，中國南方地殼大多處于上升狀態(tài)，所以多發(fā)育基巖海岸(圖3)[48]，也使得南方形成了許多典型的山溪性河流，如浙閩沿岸中小型河流，錢塘江、靈江、甌江、閩江、木蘭溪、九龍江等(表2)；臺灣島發(fā)育的一系列山溪性小河流更是吸引了國內(nèi)外廣泛關(guān)注，也獲得了一系列山溪性小河流沉積物源-匯特性成果[15, 63]。

3.1 水文特征

中國臺灣島的山溪性小河流因其高頻的構(gòu)造活動和多發(fā)的臺風(fēng)事件，成為世界上物理剝蝕最強和沉積物產(chǎn)能最高的區(qū)域，世界前10條高輸沙量河流中有7條來自中國臺灣[6, 20]。臺灣島河流入海泥沙量季節(jié)性差異在臺風(fēng)等極端氣候事件發(fā)生時會被放大，沉積物濃度最高可飆升20倍[2]；海南島山溪性小河流在臺風(fēng)發(fā)生期間水體氫氧同位素特征也會發(fā)生改變[64-65]；浙閩沿岸小河流由于季節(jié)性降雨來源不同，鍶釹同位素出現(xiàn)季節(jié)性變化[41]；中國北方的山溪性小河流在洪水等極端氣候事件發(fā)生時，入海水沙量也會提高幾倍(圖2)。相較于大河流域沉積物風(fēng)化多受亞洲季風(fēng)的影響，山溪性小河流沉積物更詳細地記錄了各種極端氣候事件，展示了另一種河海交互以及風(fēng)化與輸運機制[20, 41]。

3.2 礦物學(xué)特征

中國臺灣島的山溪性小河流域面積小，地形陡峭，不似大河流域發(fā)育大型沖積平原和三角洲，因此沉積物沉積在河口前幾乎不會經(jīng)歷再風(fēng)化、再旋回和再沉積過程[20]，所以沉積物中的重礦物可以很好地指示物源而不受到化學(xué)風(fēng)化和水動力條件的影響[66]。臺灣島處于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，溫度和降水很高(表2)，但是其硅酸鹽的化學(xué)風(fēng)化很弱，反而物理剝蝕強烈[20]，加之其廣泛出露第三紀沉積巖，黏土礦物最終表現(xiàn)為富含伊利石和綠泥石，不含蒙脫石(圖3)。臺灣東部河流，如蘭陽溪和雙溪，坡度較陡，臺風(fēng)頻發(fā)，沉積物受到強烈的機械剝蝕；而西部的濁水溪，流域面積稍大，坡度較平緩，臺風(fēng)發(fā)生頻率低于東側(cè)，河流沉積物有較充足時間發(fā)生化學(xué)風(fēng)化作用，所以東部物理風(fēng)化較強，西部化學(xué)風(fēng)化較強[67]。因此，臺灣島的山溪性小河流沉積物可以精確地指示物源沉積環(huán)境。

浙閩沿岸山溪性河流均處于構(gòu)造穩(wěn)定帶，沉積物中的重礦物多為不穩(wěn)定種類，如磷灰石、輝石和角閃石，并且結(jié)構(gòu)上呈棱形或者半棱形，說明即使在構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)域的山溪性河流也不像大河流域沉積物在沉積前經(jīng)歷多次沉積旋回[41]。浙閩河流流域廣泛分布基性火成巖，在風(fēng)化作用下易于形成綠泥石、高嶺石和蒙脫石，加之該區(qū)域為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，所以其化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)物高嶺石含量明顯高于其他河流[53, 68]。因此，構(gòu)造穩(wěn)定帶的山溪性河流，其黏土礦物也可以精確地指示物源與古氣候特征。

4 結(jié) 論

(1)山溪性河流流域面積小，地形坡度高，沉積物傳輸快，加之這些流域表層土壤的有機碳含量較高，快速沉積又提高了有機碳的埋藏效率，使得山溪性河流成為全球主要的碳匯之一。在中國所有的沿海山溪性河流中，位于熱帶地區(qū)的流域的初級生產(chǎn)力高；而且臺灣地區(qū)的河流，地形坡降比最高，所以臺灣島上的山溪性小河流域土壤有機碳含量最高，尤其是蘭陽溪。

(2)在中國，無論溫帶還是熱帶，山溪性河流均具有瞬時大通量特征，尤其是構(gòu)造活動和極端氣候事件發(fā)生后，如地震、洪水和臺風(fēng)；而且流域面積越小、地形越陡峭，對極端氣候事件越敏感。無論山溪性河流流域內(nèi)構(gòu)造活動是否強烈，位于不同氣候帶的山溪性河流沉積物的礦物學(xué)特征均可以精細地記錄物源區(qū)的物質(zhì)特征，而構(gòu)造穩(wěn)定和流域坡降比較低的流域，沉積物對古氣候的記錄更全面。

(3)相比大河流域，山溪性河流對人類活動更加敏感，如土地利用變化；但是現(xiàn)有的人類活動多集中在大河流域，所以山溪性河流受到人類活動的干擾有限。

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