張 攀，姚文藝，劉國(guó)彬，肖培青

（1.黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土流失過(guò)程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；2.中國(guó)科學(xué)院 教育部 水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西 楊凌 712100）

1 研究背景

黃河中游鄂爾多斯高原砒砂巖區(qū)水蝕、風(fēng)蝕、凍融侵蝕交錯(cuò)發(fā)生，多類(lèi)侵蝕過(guò)程共同構(gòu)成了復(fù)雜的土壤侵蝕系統(tǒng)，屬典型的多相侵蝕區(qū)，也是黃河粗泥沙集中來(lái)源的核心區(qū)[1-2]，其區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)達(dá)30 000～40 000 t/（km2·a），雖然其面積僅占黃河流域的2%，但產(chǎn)生的粗泥沙占黃河下游淤積量的25%，對(duì)黃河的防洪安全構(gòu)成了極大威脅[3-4]。

砒砂巖是由砂巖、砂頁(yè)巖和泥巖所構(gòu)成的一種軟弱基巖，其成巖程度低，抗蝕性極低[5-7]。加之這一地區(qū)受水力-風(fēng)力-凍融的交錯(cuò)驅(qū)動(dòng)，侵蝕營(yíng)力類(lèi)型及組合季節(jié)周期性交錯(cuò)特征突出，冬春季凍融、風(fēng)化嚴(yán)重，夏秋季暴雨洪水多發(fā)，導(dǎo)致高強(qiáng)度的侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程[8-9]，形成了砒砂巖區(qū)“遇水成泥、遇風(fēng)成沙”的獨(dú)特自然現(xiàn)象。

水蝕-風(fēng)蝕-凍融侵蝕是自然界水、風(fēng)、溫度綜合作用的結(jié)果，在時(shí)空分布、能量供給、物質(zhì)來(lái)源等方面相互耦合，形成了與單一的水蝕或風(fēng)蝕發(fā)生機(jī)理完全不同的泥沙侵蝕、搬運(yùn)、沉積過(guò)程[10]。砒砂巖區(qū)的土壤侵蝕是以水蝕為主風(fēng)蝕、凍融交錯(cuò)的多過(guò)程侵蝕模式[11-13]。然而，以往受研究手段和觀測(cè)方法的限制，忽視了其侵蝕系統(tǒng)的完整性，對(duì)該地區(qū)土壤侵蝕機(jī)理的研究多以單一水蝕或風(fēng)水兩相侵蝕為主[14-17]，對(duì)水力、風(fēng)力、凍融三相疊加侵蝕的作用機(jī)理尚不清楚，而這正是有效治理砒砂巖區(qū)侵蝕的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

為此，本文將水力-風(fēng)力-凍融作為一個(gè)交錯(cuò)循環(huán)系統(tǒng)，以時(shí)間序列為軸研究三種侵蝕動(dòng)力的相互作用關(guān)系、時(shí)間交錯(cuò)過(guò)程和疊加效應(yīng)，以期揭示多動(dòng)力交錯(cuò)對(duì)砒砂巖區(qū)土壤侵蝕的作用機(jī)理，深化認(rèn)識(shí)多動(dòng)力交錯(cuò)作用下復(fù)合土壤侵蝕過(guò)程。

2 研究區(qū)概況與觀測(cè)方法

2.1 研究區(qū)概況以皇甫川支流納林川右岸的二級(jí)支溝二老虎溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)。二老虎溝流域位于鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)境內(nèi)，流域面積 3.23 km2，地理坐標(biāo)東經(jīng) 110°36′2.74″，北緯 39°47′38.79″（圖1）。所在區(qū)域地貌形態(tài)呈黃土丘陵溝壑，上覆黃土或浮土，屬典型的蓋土砒砂巖區(qū)，坡頂覆土厚度多為2 m以上。溝壑密度達(dá)7 km/km2，植被覆蓋度很低，基巖出露面積在30%以上（圖2）。研究區(qū)屬典型的大陸性半干旱氣候，年溫差較大，年平均氣溫7.3℃，封凍期為11月—翌年3月，凍土深度約1.5 m。多年平均降水量約350 mm，雨水集中在7—9月，且多為暴雨。大風(fēng)天氣較多，全年平均風(fēng)速2.2 m/s，最大風(fēng)力可達(dá)8級(jí)，大風(fēng)集中在4—5月和10—11月。

圖1 二老虎溝小流域位置示意圖

圖2 二老虎溝小流域概覽

2.2 試驗(yàn)觀測(cè)方法由于研究區(qū)缺乏長(zhǎng)系列觀測(cè)資料，因此根據(jù)其侵蝕環(huán)境條件，選擇具有代表性的位置布設(shè)水文、氣象、地溫、土壤等監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，定期采集水力、風(fēng)力、凍融、土壤水分等關(guān)鍵參數(shù)。布置的監(jiān)測(cè)設(shè)備包括：在二老虎溝小流域坡頂布設(shè)氣象因子采集系統(tǒng)一套，集成自計(jì)式雨量計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向測(cè)定儀、氣溫濕度傳感器等，實(shí)時(shí)獲取降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度等基本環(huán)境參數(shù)，觀測(cè)年限為2016年1月至2018年12月，每隔5 min采集一次風(fēng)速風(fēng)向；在典型陽(yáng)坡坡面中部埋設(shè)EM50全自動(dòng)地溫、水分采集系統(tǒng)兩套，配置5通道地溫、水分傳感器，根據(jù)該區(qū)域多年凍土平均厚度統(tǒng)計(jì)，測(cè)點(diǎn)沿土層縱向埋深分別為：10、20、30、40和50 cm，以實(shí)時(shí)獲取5個(gè)土層剖面土壤未凍結(jié)-凍結(jié)-解凍的連續(xù)溫度變化過(guò)程，觀測(cè)年限為2018年11月至2019年6月?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析，辨識(shí)年內(nèi)水力、風(fēng)力、凍融、土壤水分變化的時(shí)空分異規(guī)律。

3 侵蝕動(dòng)力年內(nèi)變化特征

3.1 降水分布特征選取2016—2018年的降水量資料，分析影響流域水蝕的降水因子變化特征。從年際間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，年均降水量約449.6 mm。與鄂爾多斯地區(qū)皇甫川流域1996—2015年平均降雨量349.5 mm相比，2016年為典型的豐水年，年降雨量達(dá)741.6 mm；2017年為枯水年，年降雨量163.1 mm；2018年為平水年，年降雨量443.7 mm，豐水年可達(dá)枯水年降雨量的4～5倍?？梢?jiàn)研究區(qū)域降水量年際之間變化劇烈，豐、平、枯水年交替頻繁，差異明顯。

從降水量分布的年內(nèi)變化特征（圖3）來(lái)看，研究區(qū)降水年內(nèi)分布不均，峰值出現(xiàn)在7—8月，這兩個(gè)月最大降水量可達(dá)413.8 mm，平均降水量153.6 mm，占全年總降水量的64%；9月之后降水明顯減弱，冬季幾乎沒(méi)有降水，說(shuō)明該地區(qū)水力侵蝕主要發(fā)生于6—9月。

圖3 二老虎溝小流域降水量年內(nèi)分布

3.2 風(fēng)力分布特征研究區(qū)風(fēng)速的分布特征如圖4所示?？煽闯?，全年平均風(fēng)速1.8 m/s，在不同季節(jié)，風(fēng)力變化明顯，每年的春季3—5月是平均風(fēng)速較大的時(shí)期，其峰值出現(xiàn)在4月，平均風(fēng)速2.4 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)15～16 m/s。此時(shí)隨著春季氣溫逐漸回升，地表凍土開(kāi)始融化，且降雨稀少，植被尚未長(zhǎng)成，是風(fēng)力侵蝕的主要作用時(shí)段。5月之后風(fēng)速逐漸降低，8月達(dá)到最小值1.34 m/s。同時(shí)在每年的11—12月，風(fēng)速也有小幅上升，此時(shí)地表尚有枯萎植被覆蓋，且土壤處于上凍期，風(fēng)力侵蝕不占主導(dǎo)地位。

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)16個(gè)風(fēng)向在2016—2018年的出現(xiàn)頻率（圖5）可以看出，研究區(qū)在各方向風(fēng)力均有分布，主要盛行東風(fēng)和東北風(fēng)，其次是北風(fēng)和南風(fēng)。由于二老虎溝溝道為南北走向，且流域面積不大，風(fēng)向和溝道走向基本上垂直（圖5），使得侵蝕物質(zhì)易于堆積于侵蝕溝道中，為水流輸沙提供了物質(zhì)條件。由此可以看出，年內(nèi)降雨量分布與風(fēng)速分布是不同步的，這就使得水蝕、風(fēng)蝕交錯(cuò)發(fā)生，形成了砒砂巖區(qū)不同階段的侵蝕高峰期。

圖4 二老虎溝小流域風(fēng)力年內(nèi)分布

圖5 二老虎溝小流域風(fēng)向分布

3.3 凍融侵蝕力分布特征凍融侵蝕是高寒地區(qū)由于溫度變化，導(dǎo)致土體或巖石的水分發(fā)生由液態(tài)到固態(tài)的相變，從而引起體積的差異性膨脹，造成土體或巖石機(jī)械破壞并在水力、重力等作用下被搬運(yùn)、堆積的過(guò)程[18]。凍融侵蝕發(fā)生的基本條件是溫度和水分這兩個(gè)因素，目前比較公認(rèn)的影響參數(shù)是土壤溫度、水分和凍融循環(huán)次數(shù)。

圖6 二老虎溝小流域土壤剖面水分、地溫變化

圖6為二老虎溝小流域土壤剖面水分、溫度變化過(guò)程，統(tǒng)計(jì)了從2018年11月至2019年4月的土壤未凍結(jié)-凍結(jié)-解凍的連續(xù)水分、地溫變化過(guò)程。土壤的凍融期為12月初至次年的3月底，持續(xù)時(shí)間約為4個(gè)月。整個(gè)過(guò)程可以劃分為三個(gè)階段，即上凍期、封凍期和解凍期。上凍期從12月初持續(xù)至12月下旬，從不同土層的溫度變化情況看，表層土體溫度最低，從而最先凍結(jié)，土層越深溫度相對(duì)越高，凍結(jié)時(shí)間相對(duì)越晚，地下50 cm處的深層土體較地下10 cm處的表層土體上凍時(shí)間滯后約20 d；封凍期從12月下旬持續(xù)至次年的3月中旬，表層土體的平均溫度為-5.0℃，最低溫度為-7.2℃，深層土體的平均溫度為-2.8℃，最低溫度為-3.7℃；解凍期從3月中旬持續(xù)至3月底，解凍過(guò)程與上凍過(guò)程相反，表層土體最先解凍，深層土體最后解凍，深層土體較表層土體的解凍時(shí)間滯后約15 d。

從與土體凍融過(guò)程相對(duì)應(yīng)的土壤水分變化情況來(lái)看，上凍期和解凍期的土壤水分含量相對(duì)較高，表層土壤的體積含水率約為0.19 m3/m3，深層土壤約為0.31 m3/m3；封凍期的土壤水分含量較低，表層土壤的體積含水率約為0.13 m3/m3，深層土壤約為0.26 m3/m3。此期間的土壤水分含量處于全年中的較低水平。

除土壤溫度、水分外，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)凍融過(guò)程中土體結(jié)構(gòu)的破壞程度有著重要影響。圖7為上凍期土壤剖面凍融循環(huán)次數(shù)，可以看出，凍融循環(huán)過(guò)程多發(fā)生于表層10 cm的土體，深層土體溫度波動(dòng)較小，基本不發(fā)生凍融循環(huán)。上凍期表層土體凍融循環(huán)次數(shù)約為5次，且完成一個(gè)凍融循環(huán)的持續(xù)時(shí)間差異較大，從24 h到6 d不等。圖8為解凍期土壤剖面凍融循環(huán)次數(shù)，可看出，春季解凍期隨著溫度上升，表層土體的凍融循環(huán)次數(shù)較上凍期頻繁，約為10次，且完成一次凍融循環(huán)的持續(xù)時(shí)間相對(duì)均勻，基本維持在24 h左右。說(shuō)明春季解凍期是凍融循環(huán)的多發(fā)期，加之這一時(shí)期的土壤水分含量相對(duì)較高，易于對(duì)土體結(jié)構(gòu)形成凍融侵蝕破壞。

圖7 上凍期土壤剖面凍融循環(huán)次數(shù)

圖8 解凍期土壤剖面凍融循環(huán)次數(shù)

圖9 復(fù)合侵蝕動(dòng)力年內(nèi)交錯(cuò)特征及疊加效應(yīng)

4 復(fù)合侵蝕動(dòng)力交錯(cuò)特征及疊加效應(yīng)分析

根據(jù)以上對(duì)水力、風(fēng)力、凍融作用因子年尺度變化過(guò)程的統(tǒng)計(jì)，對(duì)三種驅(qū)動(dòng)力作用過(guò)程進(jìn)行疊加，以辨識(shí)高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的分布特征及動(dòng)力交錯(cuò)模式。采用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的層次分析法（AHP），統(tǒng)計(jì)降雨量年內(nèi)變化規(guī)律，得到水力作用過(guò)程曲線(xiàn)；統(tǒng)計(jì)風(fēng)速年內(nèi)變化規(guī)律，得到風(fēng)力作用過(guò)程曲線(xiàn)；統(tǒng)計(jì)年內(nèi)土壤溫差（0℃上下）與土壤含水量的乘積，加上凍融循環(huán)次數(shù)，得到凍融作用過(guò)程曲線(xiàn)。

凍融作用由于影響因子較多，且目前尚無(wú)統(tǒng)一的凍融侵蝕計(jì)算方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算較為困難，本文采用在第3次全國(guó)土壤侵蝕調(diào)查中對(duì)凍融侵蝕指標(biāo)的賦值標(biāo)準(zhǔn)[19]，將土溫與水分乘積與凍融循環(huán)次數(shù)按照1∶1的權(quán)重賦值。其中，凍融循環(huán)次數(shù)根據(jù)3.3節(jié)的分析結(jié)果，上凍期（11月）與解凍期（3月）的賦值按1∶2的比例分配，將土溫與水分乘積與凍融循環(huán)次數(shù)疊加后得到凍融作用過(guò)程曲線(xiàn)（圖 9（a））。

由于以上水力、風(fēng)力、凍融作用因子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果的量綱不同，因此要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，歸一化方法采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化，轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

式中：max為樣本數(shù)據(jù)的最大值；min為樣本數(shù)據(jù)的最小值。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的三種動(dòng)力值進(jìn)行疊加，將疊加后的數(shù)值作為交錯(cuò)驅(qū)動(dòng)效應(yīng)表征參數(shù)，得到水力、風(fēng)力、凍融交錯(cuò)后的作用過(guò)程曲線(xiàn)。取疊加后的平均值為基準(zhǔn)值，該曲線(xiàn)位于基準(zhǔn)值以上的部分即為高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)期（圖9（b））。根據(jù)高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)期作用時(shí)段及分布特征，發(fā)現(xiàn)高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)期內(nèi)的水力、風(fēng)力、凍融作用過(guò)程具有三個(gè)峰期，且基本上是雙類(lèi)或多類(lèi)侵蝕疊加耦合造成的，分別為風(fēng)凍交錯(cuò)、風(fēng)水交錯(cuò)和風(fēng)水凍交錯(cuò)，據(jù)此可以認(rèn)為砒砂巖區(qū)復(fù)合侵蝕存在著三個(gè)典型動(dòng)力組合模式。其中，高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)期Ⅰ發(fā)生于每年的2月上旬至3月中下旬，表現(xiàn)為風(fēng)蝕、凍融交錯(cuò)作用；高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)期Ⅱ發(fā)生于每年的6月中上旬至8月中下旬，表現(xiàn)為以水蝕為主的風(fēng)水交錯(cuò)侵蝕作用；高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)期Ⅲ發(fā)生于每年的10月中旬至11月中下旬，表現(xiàn)為水蝕、風(fēng)蝕、凍融交錯(cuò)侵蝕作用。

復(fù)合侵蝕動(dòng)力作用關(guān)系復(fù)雜，目前對(duì)各侵蝕動(dòng)力的作用比例和侵蝕效應(yīng)研究較少。根據(jù)王隨繼[20]的研究結(jié)果，砒砂巖區(qū)的凍融侵蝕量可以達(dá)到溝道產(chǎn)沙量的1/2，最大可達(dá)流域侵蝕量的1/3左右。趙國(guó)際[12]認(rèn)為砒砂巖區(qū)的風(fēng)力侵蝕主要發(fā)生在冬春季，年風(fēng)化速度為1.5～3.6 mm，提供的風(fēng)化物質(zhì)達(dá)2250～5292 t/（km2·a）。而本文是從侵蝕動(dòng)力的角度對(duì)砒砂巖區(qū)動(dòng)力作用模式和特征進(jìn)行的分析，未結(jié)合不同侵蝕模式下的侵蝕量進(jìn)行定量分析，因此尚無(wú)法判斷各動(dòng)力因子的作用比例。今后還有不少問(wèn)題需要進(jìn)一步探索，例如不同侵蝕動(dòng)力過(guò)程的定量描述，不同侵蝕動(dòng)力組合模式的作用機(jī)制，以及不同侵蝕動(dòng)力耦合下的侵蝕效應(yīng)及其模擬等。

5 結(jié)論

（1）砒砂巖區(qū)土壤侵蝕營(yíng)力在時(shí)間上存在著相互交錯(cuò)與疊加的復(fù)雜關(guān)系。水力侵蝕高峰期發(fā)生于6—9月，風(fēng)力侵蝕高峰期為3—5月，凍融期為12月初至次年的3月底。其中凍融過(guò)程具有上凍期、封凍期和解凍期三個(gè)階段，上凍期表層土體最先凍結(jié)，解凍期表層土體最先解凍，深層土體最后解凍，封凍期的土壤水分含量處于全年中的較低水平，春季解凍期是凍融循環(huán)的多發(fā)期，加之這一時(shí)期的土壤水分含量相對(duì)較高，易于對(duì)土體結(jié)構(gòu)形成凍融侵蝕破壞。

（2）砒砂巖區(qū)復(fù)合侵蝕作用基本上是雙類(lèi)侵蝕疊加耦合造成的，分別為風(fēng)凍交錯(cuò)、風(fēng)水交錯(cuò)和風(fēng)水凍交錯(cuò)三個(gè)典型動(dòng)力組合模式。砒砂巖區(qū)年內(nèi)存在三個(gè)高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)期，即每年的2月上旬至3月中下旬為高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)期Ⅰ，表現(xiàn)為風(fēng)蝕、凍融交錯(cuò)作用（風(fēng)凍交錯(cuò)）；每年的6月中上旬至8月中下旬為高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)期Ⅱ，表現(xiàn)為以水蝕為主的風(fēng)水交錯(cuò)侵蝕作用（風(fēng)水交錯(cuò)）；每年的10月中旬至11月中下旬為高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)期Ⅲ，表現(xiàn)為水蝕、風(fēng)蝕、凍融交錯(cuò)侵蝕作用（風(fēng)水凍交錯(cuò)）。