来源:黄河网 发布时间:2004-03-22 19:41 浏览次数:次
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(中国科学院 水利部 水土保持研究所,西北农林科技大学 水土保持研究所) 摘要:人类活动对黄土高原土壤侵蚀的影响程度始终是黄土高原土壤侵蚀和黄河泥沙变化研究中的热门问题。人类活动对黄土高原土壤侵蚀影响研究主要可以分为地质地貌学法,土地利用变化法,气候演变 法和水土保持措施法等四类,地质地貌学方法又包括黄河下游冲积扇沉积模式、地貌循环理论、侵蚀的自然脉动、沟谷侵 蚀速率、侵蚀期与堆积期轮回等方法。不同研究方法对人类活动的影响评价存在明显异同。通过对现有研究方法、结果和 观点的整理与讨论,认为应该提取和组织高时空分辨率的自然与人类活动要素,恢复地史与历史时期侵蚀面貌,探讨人类 活动与水土流失变化的过程与机制,评价和预测人类活动对土壤侵蚀的影响。 关键词:人为影响;黄土高原;土壤侵蚀;综述 人类活动对区域环境有深刻影响[1],在黄土高原土壤侵蚀和黄河泥沙变化研究中,人类活动始终是热门问题之一。客观评价人类活动对黄土高原土壤侵蚀的作用方式与程度,对科学认识黄土高 原演化与黄河泥沙演变、制定合理可行的治理目标和措施等研究和实践工作均有较大参考价值。作者整理和总结了不同研究者的代表性学术观点,并就其研究方法、结论和不足等作以简单讨论。 1 自然与人类活动对侵蚀的影响 要研究人类活动对土壤侵蚀的影响,首先要区分有无人类活动的侵蚀状况。由自然因素引起的地表侵蚀过程为自然侵蚀,自然侵蚀又叫正常侵蚀、地质侵蚀等[2,3],可以认为是地貌自然演化过程。自然侵蚀强度和总量的确定有助于定量描述人类活动的影响,为此提出自然侵蚀量[4,5]和土壤侵蚀自然背景值[6]等概念,作为评价人为因素的基础。由于自然侵蚀随着气候和地质等因素不断变化,侵蚀速 率会增加,有研究者又提出自然加速侵蚀[7~9],自然侵蚀量为自然侵蚀基数和自然加速侵蚀 量二者之和,不同自然侵蚀基数或背景值的确定对描述人为因素影响程度作用很大。 随着人类生产和活动范围与规模扩大而引起的土壤侵蚀面积和强度增加现象为人为加速 侵蚀,是目前土壤侵蚀研究的主体。但各家对人为加速侵蚀的看法存在差异,有的认为凡因人为破坏生态平衡引起的侵蚀均是人为加速侵蚀[2,3],与自然侵蚀对应,为侵蚀的另一阶段;有的认为现代侵蚀是自然侵蚀与人为加速侵蚀的叠加[7~10],本文侧重对侵蚀量的分割,按照该观点分析。 2 不同研究方法与观点 采用不同的研究方法进行研究,对黄土高原土壤侵蚀的人类活动影响问题会产生不同的认识与评价,而这些研究结果可以形成不同观点。 按照研究所依据的原理,研究方法一般可以分为地质地貌学法,土地利用变化法,气候演变法和水土保持措施法等四类。地质地貌学方法根据黄河下游冲积扇沉积模式、黄土高原地貌演化、侵蚀的自然脉动、沟谷发育和黄土地层年代学等地貌演化过程分析,研究土壤侵蚀量和侵蚀强度的变化, 从而推算自然侵蚀与加速侵蚀,评价人类活动的影响程度。气候演变法根据气温与降水等变化,结合由之 引起的地表植被变化与土壤发育过程,评价人为因素的作用强度。土地利用变化法着重强调农牧结构调整 和地表植被破坏等的作用,根据不同土地利用类型的侵蚀强度确定人为活动的影响程度。水土保持措施法 根据可以减少土壤进入河道的水利和水土保持措施减沙量评价人为作用,与之对应的水文法实际也是评价水土保持措施效益。现将不同代表方法及其观点和结论粗略总结如下。 2.1 地质地貌学方法 2.1.1 黄河下游冲积扇沉积模式 景可,陈永宗,叶青超等根据黄河下游不同时期发育的冲积扇沉积模式[7~10],初步推算出全新世中期(距今6000年~3000年)、全新世晚期(公元前1020年~1194年)、1194年~1855年、1919年~ 1949年、1949年以来不同时段黄土高原年平均自然侵蚀量分别为9.75、11.6、13.3、16.8、163亿吨/年,并以11.6亿吨作为现代侵蚀过程中自然侵蚀的基数和全新世晚期较全新世中期的增幅7.9%作为自然加速 侵蚀率,计算出1194年~1855年、1919年~1949年。1949年以来不同时段人为加速侵蚀率分别为6.7、18.4和25%,而现代侵蚀过程中,自然侵蚀约占总侵蚀量22.33亿吨的51.9%,占主导地位。 吴祥定,李元芳[6]则认为秦至西汉时期(距今2000余年)为黄河中游土壤侵蚀背景值的年代,并根据黄河冲积扇的堆积量和古黄河口泥沙淤积量两种途径估计在历史上人类活动较小情况下,黄河中游土壤侵蚀背景值为每年6.5~10亿吨,较景可等人的研究结果偏小。 2.1.2 地貌循环理论 地貌循环理论(the theory of geomorphological cycle)是戴维斯(w.n.davis)1899年提出的[10],理论认为,在地貌营力作用下,平坦地面抬升过程中依次经历幼年、壮年和老年的发育阶段,不同阶段地势起伏变化、经历时间不同,该理论把时间和过程带入地貌学。美国理论地貌学家斯特拉勒 (a.n.strahler)提出的高程分析法将戴维斯地貌循环理论定量化。利用以上理论和方法基础上研究土壤侵蚀 分为两支:一 ①徐建华,艾南山[11,12,14,15]等提出产沙函数并建立水土流失因素定量分析数学模型,可以用于描述人类活动对土壤侵蚀的影响,并对甘肃省境内祖厉河、渭河流域两个时段人类活动贡献进行了分析。樊胜岳,徐建华等通过建立弹性公式,提出水土流失系统中人文因素定量分析通用数学模型,并利用该结果对甘肃平凉市纸坊沟流域水土保持效益评估,认为人文因子的贡献率为89.2%,而雨强和降雨径流减少的贡献率为10.8%,人文因素是流域内输沙量减少的主要原因。 ②陆中臣,励强,袁宝印等[4,5,13]研究认为丘陵沟壑区从地质时期以来(3 1万年,侵蚀早期阶段),侵蚀模数逐渐增加,从350 t·km-2·a-1增加到距今7.万年侵蚀中期阶段的6 665t·km-2·a-1,至今为10 146t·km-2·a-1;黄土高原沟壑区自然侵蚀从地质时期以来(9万年前)存在自然侵蚀,侵蚀模数从7万年前的350t·km-2·a-1,增加至目前的1 990t·km-2·a-1。在计算1万年至今的产沙侵蚀过程线用到河网密度或侵蚀模数图,如果从8000或6000年人类活动开始计,侵蚀模数可用人口数量推算。并 通过建立临界侵蚀方程,求出黄土丘陵沟壑区和高原沟壑区加速侵蚀比例均为30%,前者临 界分值为30%和70%,后者为39%和61%。该研究结果认为黄土高原地貌演化仍处于初期和中期,自然侵蚀占绝对优势 ,治理成效较为有限。 2.1.3 侵蚀的自然脉动 洪业汤等认为[16,17],在黄土区植被遭受破坏前沟谷系统已经形成和发展,黄河携带大量泥沙是一种自然环境地质现象,与太阳黑子活动周期密切相关,不是人类活动破坏的结果。黄河巨量泥沙的成因是天然的,各种人类活动,都未从根本上改变侵蚀产沙受太阳活动制约的物理属性,从30年代到70年代,根据水利水保措施拦蓄泥沙量对黄土高原产沙量复原后,发现各年代陕县黄河输沙量一直稳定在17亿吨左右,建国前后保持稳定。人类活动影响“出乎意料小”是由于其引起的侵蚀绝对 量相对于自然侵蚀很小,并且影响是通过改变黄土物理化学性状与存在条件产生的。 2.1.4 沟谷侵蚀速率 白占国以洛川黄土塬区为例,通过碳14测定分析了不同时间段的沟谷侵蚀速率[18],在33~25、25~14、14~1和1万年以来,侵蚀模数分别为945.24、672.1、541.73和2 535.8 t·km-2·a-1,沟谷溯源率分别为0.18,0.12、0.05 66和0.504米/年,1万年以前年均土壤侵蚀量存在下降趋势,没有自然加速侵蚀存在。但是1万年以来的侵蚀速率较以前明显增加,40年以来的沟谷溯源侵蚀速率达到0.25米/年,溯源侵蚀为以往平均的4倍多到接近40倍。 2.1.5 侵蚀期与堆积期轮回 戴英生认为黄土高原第四纪地质历史时期经历了三个侵蚀堆积旋回[19],近一 万年来进入第四个,前三个周期分别经历了10万年,50万年和3万年,在每个旋回中还存在 若干小的侵蚀堆积更替。赵景波,朱显谟等[20]根据黄土高原古地理演变、黄土地层年代学和侵蚀期与堆积期的资料分析,得出黄土高原出现之前为红土盆地,250万年来的黄土高原物质运动可分3个阶段: 第 一阶段出现在250~140万年之间,为高原物质内部侵蚀循环期;第二阶段出现在140~0.4万年之间,为高原物质自然侵蚀外流期 ;第三阶段出现在4千年以来,为高原物质加速侵蚀外流期。 2.2 土地利用变化和森林破坏 谭其骧[2l]认为汉末至隋的六百年间黄河下游河患极少是黄土高原的土地利用由农变牧、植被得以恢复所致,说明人类活动的作用极大。史念海,朱士光[22,23]认为中全新世以来,人类活动破坏森林植被,目前侵蚀完全是人为破坏的结果,尤其是明清以来最为严重。马雪芹[20]研究认为明清两代黄河流域农业开发的深度和广度超过了它以前的任何时代,自然环境的变迁也远较前代剧烈,对后世产生了深远的影响。自然环境遭到严重的破坏主要表现在森林植被破坏、水土流失严重等方面。王尚义对历史时期 黄河下游决、溢、徙及湖泊湮塞历史事实研究证明黄土高原移民开荒、移民屯垦、森林植被 缩小的时期也是黄河下游改道频繁、湖泊淤积较快的时期,尤其是宋元以后,以上两者均为 高峰时期[24]。谭其骧,史念海等的观点后来从不同角度得以深化和发展,分别以唐克丽,张维邦和贾绍凤等为代表。 ①唐克丽,张科利,郑粉莉等认为土地开垦是黄土高原人为加速侵蚀的主要原因[26~29],耕地侵蚀量是同样条件下林地自然侵蚀量的几百至几千倍。近3000年来,人口增加一倍,侵蚀量增加一倍(1820年以前),近期增加更快,如1820~1949年间,增加56.7倍,人为加速侵蚀占主导 地位。 ②张维邦[30]通过研究历史时期黄土高原大部分地区为森林景观和森林草原景观,认为近两三千年黄土高原草原消失的原因是人为破坏,而最彻底的破坏是毁林开荒轮荒轮垦。 ③贾绍凤根据水土保持规律和有无人类对植被影响进行对比[31],认为安塞县 自然侵蚀占总侵蚀的9.5%,最不乐观占到16.67%,有利时仅占2.03%,说明加速侵蚀的作用明显占主导地位。 2.3 气候演变法 竺可桢[32]研究认为晚更新世末气候开始转暖,至中全新世达到最暖,距今5000年时平均气温较现在高2摄氏度,以后逐渐变冷。唐克丽等参照陕北、晋西北等地的黑垆土研究确定[3],6000~3000年b.f.时期正是植被丰茂、温湿的成壤期,不可能发生强烈的侵蚀,土壤侵蚀主要发生在干旱与湿润变化的交替时段。刘东生,安芷生,孙东怀等认为构造抬升和气候因素在黄土高原侵蚀和沟谷发育中起重要作用[33,34];依据第四纪气候变化序列提出干冷与温湿交替即黄土沉积与成壤交替,侵蚀发生在降雨相对增加的成壤期。戴英生[19]引用浦庆余资料,距今9000~3000年为暖温期,气温较现在高2~3摄氏度,黄土堆积较为强烈,而后为干寒期,土壤侵蚀加剧。 张胜利,王轶睿[35]对80年代黄河中游来沙减少的原因分析认为,降雨量减少和强度减小影响约70%,综合治理约30%。尹国康统计分析表明[36],面积为13万平方公里的多沙粗沙区,70年代、80年代年水量较50、60年代减少了12.6亿m3和24.4亿m3,气候原因分别占39.1%和42.5%;同期减沙70年、80年代分别约为3亿吨和7.3亿吨,气候原因分别占68.5%和48.9%。 2.4 水利工程和水土保持措施 陈永宗根据黄土高原输移比接近1的特点[37],假设如果地区没有拦沙措施,三门峡站的输沙量代表流域实际产沙量,有了拦沙措施后,产沙量应该为三门峡输沙量和流域内拦沙量之和。1949年以前基本没有拦沙措施,1950(尤其是1958)年后增加大量水库,截至1979年,陕甘宁晋四省水库拦沙约50亿吨,打坝淤地拦沙70.7~106.1亿吨,利用浑水灌溉减沙3亿吨,合计123.7~159.1亿吨,即1958年到1979年每年拦沙5.89~7.58亿吨,加上1959~1979年三门峡输沙16.34亿吨,实际产沙21~23亿吨,较以前增加31%~45%,新增泥沙包括自然侵蚀增沙和人类活动破坏加剧产沙,自然侵蚀加强约占原 产沙的8%,人为活动破坏增加约占原产沙的23%~35%。张胜利等研究认为80年代黄河中游来沙减少由于降雨量和强度减弱影响约70%,综合治 理约30%[35]。徐建华对黄河流域的现状与未来泥沙评估研究中认为黄河流域近20 年通过水利水保措施年拦沙5.52亿吨[38]。 3 讨论 以上观点和研究结果分别代表了某种研究思路,有助于客观认识和评价黄土高原的自然侵蚀和加速侵蚀。这些研究结果中存在异同。这一方面反映出该研究吸引了大量研究者的关注,同时也说明该问题尚需进行进一步研究。 以下简单讨论若干观点和方法的争鸣。 3.1 不同方法与结论的差异 ①人类活动对黄土高原土壤侵蚀的影响程度,地质地貌学方法研究结果差异较大。洪业汤[16,17]认为其影响“出乎意料小”;景可和陆中臣等认为自然侵蚀占主体[4,5,13],前者认为自1855年以来,人为加速侵蚀已经接近并超过自然加速侵蚀,比例约为25%,后者表明人类活动对黄土丘陵沟壑和高原沟壑区的影响比例约为30%[7~10];吴祥定,李元芳等结果侧重人类活动占优势,如果以年侵蚀量为6.5~10亿吨位自然侵蚀基数[6],参考目前侵蚀量研究结果(22亿吨 左右),人类活动的影响要占到66%~78%。徐建华,艾南山等侧重讨论水土流失治理过程中人类活动的主体作用(比例近90%)[11,12,14,15]。 土地利用变化法研究结果普遍认为人类活动是引起黄土高原土壤侵蚀加剧的主导因素[21~31];气候演变法强调气候波动的作用,较多考虑自然过程,如植被自然变迁,黄土堆积与土壤形成,暖湿期降水增加等,但黄河泥沙和多沙粗沙区泥沙变化中自然因素影响仍占主导(70%左右)的研究结果[35,36],又是气候观点的佐证;水土保持措施法认为人类治理对土壤侵蚀的作用很大。 ②应用地质地貌学方法的研究者在侵蚀发生与变化时间、侵蚀量和侵蚀强度等结论尚存在较大差异。如陆中臣等认为7.万年侵蚀模数为6 665 t·km-2·a-1[ 4,5,13],而景可等研究认为6000~3000年前为3 000t·km-2·a-1[ 7~10],白占国研究认为14~1万年中侵蚀模数为541.7t·km-2·a-1[18]。在自然侵蚀基础值的确定上,景可等认为是6000~3000年前[7~10],而同样方法的吴祥定等认为是秦至西汉时期(距今2000余年)[6],白占国和赵景波则认为加速侵蚀分别始于一万年和4000年[18,20]。 ③应用地理学方法的研究结果在主导原因、研究方法和结论上也存在异同。土地利用变化和森林破坏观点中唐克丽等认为土地开垦是黄土高原人为加速侵蚀的主要原因,人为加速侵蚀量绝对占优势[26~29];张维邦认为最彻底的破坏是毁林开荒轮荒轮垦,轮荒轮垦制度难以使植被得以恢复,与单纯开 垦利用土地存在差异[30];贾绍凤更多假设了黄土高原原世植被较好,根据水土保持规律和有无人类对植被影响进行对比分析[31],这三种研究结果接近,认为加速侵蚀占绝对主导地位。气候波动研究认为气候环境影响土壤侵蚀,不但影响古代侵蚀,而且影响现代侵蚀,其影响幅度为70%左右[3,36]。水利工程和水土保持措施观点研究者对近30年黄河水沙变化的影响研究表明措施对土壤侵蚀、尤其是黄河泥沙的影响在30% 左右[37,38]。 3.2 若干观点和方法的争鸣 ①对景可,陈永宗,叶青超等应用黄河下游冲积扇沉积模式研究的结果,唐克丽等以土壤侵蚀与生态环境演变关系的研究[3],根据竺可桢对近5000年气候变化研究,以及在陕北、晋西北等地的黑垆土研究确定,6000~3000年正是植被丰茂、温湿的成壤期,不可能发生强烈的侵蚀,因而距今 6000~3000年的侵蚀基础值存在争议。甘枝茂[10]根据中全新世华北平原的黄土堆积厚度、全新世早、中期部分冲积扇物质的重分布、中晚期冲积扇物质来源构成等方面研究,认为距今6000年~3000年自然侵蚀量分别为9.5亿吨/年值得继续深入研究。 ②徐建华,艾南山等的研究存在缺陷,赵建新认为[39],该模型的正确应用尚需进一步确定人类活动的可定义观测量,而贾绍凤在肯定赵建新的基础上,对公式的正确推导和应用发出质疑[40]。 ③景可针对文献[13]的方法和结论对黄土高原的侵蚀及地貌发育问题讨论认为[41],黄土高原古地形是多样的,并非其所说的准平原,而且黄土高原是堆积-侵蚀地貌,第四纪以来绝大部分堆积大于侵蚀,引用把内力看作静止的侵蚀循环学说不够恰当,而且预测的结论也存在问题。而甘枝茂认为[10],研究区堆积侵蚀过程并存,应用建立在常态侵蚀环境下地貌循环理论不够妥当。 ④戴英生根据3000年黄河中游气候变化探讨黄土高原的水土流失问题[19],认为先秦时期(西周后期到战国末年)为干寒期,雨量偏少,古代黄土高原有无茂密森林有待证实,反对史念海的观点。笔者认为对地理学研究者来说,黄土高原的历史植被状况及其演化基本对其研究结论有决定意义。 ⑤赵淑贞,任伯平[42,43]对东汉以后黄河是否长期安流的探讨认为,黄河在东汉以后至唐800余年并非长期安流,认为“长期安流”与河道治理暂时稳定、虽无改道但决溢频繁和记载资料缺失有关,有关少数民族内迁、改农归牧恢复了自然植被,使水土流失减轻的论点不能成立。应该正确估计植被破坏与恢复的实际情况,不能以每个历史时期黄河决溢次数多少作为证据,来判断该时期洪水和泥沙的多寡在做这种类比时忽略了两个历史时期的河道泄洪能力应在条件相当的情况下才有可比性;不能把土地利用方式同产流产沙之间的关系简单化、绝对化,洪水径流是降水与下垫面相互作用的产物,而植被并非下垫面中唯一起作用的因素。谭其骧所说的安流时期[43],正好同竺可桢等研究的干冷期(东汉 魏晋南北朝,公元初-ad600)吻合[19,32,33],对植被发育更为不利。 3.3 差异产生的原因分析 黄土高原土壤侵蚀受地质、降水、植被与人类活动等多种因素的影响,而且这些作用在时间和空间上是变化的,通过不同方法取得相左甚至完全相悖的结果并非异常,尤其是评价更为复杂的人类活动影响更是如此。所有研究者都认为黄土高原的土壤侵蚀作为地貌演化过程的一部分,地壳抬生起到了最基础的作用,除个别研究理论需要完善外[41],产生分歧的根本原因是影响因素的时间与空间分辨率较低、研究范围较小或研究区典型性不够。 时间分辨率对揭示地貌演化阶段及其相应的气候、地质和生物等因素有重要意义,分辨率越高,对土壤侵蚀变化的影响因素认识就越清楚,更容易判别自然和人为的影响程度,甚至可以对不同时间段中各因素的影响进行评价。空间分辨率直接决定选择研究区的代表性,较高的空间分辨率,对于通过地形变化研究侵蚀过程,进而结合地史与历史事件认识区分自然与人为因素的贡献程度。采 用不同的时间、空间分辨率,可能对某些问题产生不同,甚至完全相反的认识。 ①影响因素的时间与空间分辨率既决定了地质地貌演化、气候变化、植被与土壤形成与演化等自然过程,也决定了各因素的空间分布格局,还决定了对人口数量变化与分布,土地利用、工程建设等人类活动过程、形式、范围和强度等评价的精度与可信度,从而可以更客观地进行侵蚀的自然特征与 人为影响程度的分析、评价与预测。目前研究的时间与空间分辨率较低,对其中某些侵蚀过 程缺乏足够客观认识,也一定程度影响了对人类活动的估计,如对人类活动评价起始时间的确定、冲积物总量与来源的 确定与历史时期黄土高原植被的演变特征等。因此应该利用地质学、考古学、生物学、地球 物理学、地球化学及历史地理学等手段,提取高分辨率自然与人类活动要素,从而更好认识和研究人类活动与水土流失 变化的历史原貌、过程与机制。 笔者以为应通过土壤侵蚀标定敏感指标选定,确定黄土高原地貌演化的地质阶段划分和历史时期侵蚀阶段划分,客观描述地质运动基础上气候变化、植被变迁和人类活动等作用范围、强度与时间;建立较完整的黄河(含古黄河)沉积物厚度-时间-范围关系,结合人类活动强度判别人为影响程度。 ②研究范围较小或研究区典型性不够直接导致研究结果不同。如白占国选择洛川塬,陆中臣等选择安塞黄土丘陵沟壑区等进行研究,而实际上,黄土高原的地貌类型及其侵蚀特征差异很大,景可已经指出[41],黄土高原古地形的多样性和堆积-侵蚀地貌的多样性,任何以点代面的研究总会存在不足。因此,目前应该采用遥感与地理信息系统手段,提取与组织大量不同黄土厚度、地貌类型和侵蚀特征的地表信息,结合上述较高分辨率的历史和地史信息,在模拟、评价和预测黄土高原不同地区人为影响强度对土壤侵蚀的影响区域差异基础上,促进对黄土高原的整体情况的认识。 4 结语 人类活动对黄土高原土壤侵蚀的影响研究是人地关系与环境演变研究中的重点与热点之一,科学评价人类活动不仅对黄土高原生态环境演变过程、人为作用机理、环境建设目标的制定与措施选择等有重要的理论与实践意义,也对黄河水沙变化规律、黄河流域灾害防治和黄河治理方略的制定有很大参考价值。现有研究表明,对黄土高原土壤侵蚀与环境演变的人类活动影响问题仍存在不同认识和 观点,有些观点之间的差异还很大。从研究方法与结果的争鸣等,笔者认为除个别研究理论 需要完善外,产生分歧的根本原因是影响因素的时间与空间分辨率较低、研究范围较小或研究区典型性不够。应该提取 和组织高时空分辨率的自然与人类活动要素,在科学确定黄土高原侵蚀变化阶段基础上,根据黄土高原侵蚀演化的区域差异,结合不同阶段的自然与人类活动特征,恢复地史与历史时期侵蚀面貌,分阶段、分区域地探讨人类活动与水土流失变化的过程与机制,评价和预测人类活动对土壤侵蚀的影响, 更好指导目前以通过退耕还林(草)等措施恢复黄土高原植被的生态环境建设实践。 参考文献: 收稿日期:2002-04-26 | |
| 稿件来源:《泥沙研究》2003年第5期 | |