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东北黑土漫岗区土壤侵蚀垂直分带性研究 第21卷第6期 82005年6月 农业工程 TransactionsoftheCSAE Vo1.21 June NO.6 2005 东北黑土漫岗区土壤侵蚀垂直分带性研究 范昊明,蔡强国,崔明 (1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;2.沈阳农业大学水利学院,沈阳110161) 摘要:东北黑土漫岗区由于其独特的自然地理与人文环境特征表现出独特的侵蚀产沙特性.通过对典型黑土漫岗区土 壤侵蚀宏观遥感调查,微地貌采样调查及对该区域的实地考察,出该区土壤侵蚀随宏观地貌及微地貌垂直分带变化的 一 般特点.从黑土漫岗区土壤面蚀与沟蚀发展的一般过程出发,提出了该区土壤面蚀,沟蚀发展的一般模式.研究结果将有 助于对黑土侵蚀过程的认识,进而为该区侵蚀泥沙来源与沉积位置的确定,坡沟治理的方针以及水保配置等重大理论 与治理决策问题提供理论基础. 关键词:土壤侵蚀;地貌特征;垂直分带;黑土区 中图分类号:S157.1文献标识码:A文章编号:1002—6819(2005)06—0008—04 范昊明,蔡强国,崔明.东北黑土漫岗区土壤侵蚀垂直分带性研究EJ3.农业工 程,2005,21(6):8—11. FanHaoming,CaiQiangguo,CuiMing.Soilerosiondevelopedwiththeverticalbeltsinthege ntlehillyblacksoilregions inNortheastChinaEJ].TransactionsoftheCSAE,2005,21(6):8— 11.(inChinesewithEnglishabstract) 0引言 黑土区土壤侵蚀类型包括水力侵蚀,风力侵蚀,冻 融侵蚀和重力侵蚀.据松辽委2002年统计报告,区内现 有水土流失面积27.59×10km.,占黑土区总土地面积 的27,区内年均流失表层黑土0.3,1cm,黑土厚度 已由2O世纪50年代的平均6O,7Ocm,下降到目前的 平均20,3Ocm,有些区域已露出成土母质,丧失了农 业生产能力.黑土侵蚀造成的危害多种多样,其中最引 人关注的是由黑土侵蚀所带来的农耕地地力的减退及 由侵蚀所诱发的各种自然灾害.黑土侵蚀受控于黑土 区独特的自然地理与人文活动特征,但目前,对于黑 土侵蚀过程及侵蚀机理还知之甚少,严重地制约了对黑 土侵蚀的科学治理. 坡面侵蚀量大,河道输沙量小是黑土漫岗区侵蚀产 沙的最大特点之一.侵蚀泥沙哪里去了,是否会带来更 大的危害,目前尚无确定性回答.以往研究表明侵蚀泥 沙的输移应该与流域宏观及微地貌等自然环境关系密 切,即与侵蚀产沙区的自然地带性特点关系密切_.一. 自然地带性规律是20世纪地球科学最主要的成就之 一 ,它使人类对地表自然界的认识跃上了一个新台阶. 而土壤侵蚀无论在宏观尺度还是微观尺度上都与自然 地带的分异关系密切,黑土区的土壤侵蚀也无例外.中 国在土壤侵蚀地带性规律方面已经具有一定深度的研 究,如对全国土壤侵蚀类型的区划一,对黄土区不同地 收稿日期:2005—01—10修订日期:2005—04—29 资助项目:国家自然科学基金重点研究项目(40235056);国家自然 科学基金面上项目(40271075);中国科学院知识创新工程重要方向 项目(KZCX3一SW一422);沈阳农业大学青年科学基金资助项目 作者简介:范昊明,博士生,主要从事流域侵蚀产沙与水土保持规划 方面的研究.北京中国科学院地理科学与资源研究所,1001O1. Email:{anhaoming?@163.tom 貌部位土壤侵蚀的研究,一.,也有部分学者已经开始探 索基于不同地貌部位的垂直带侵蚀链问题一一.但这些 研究多集中于黄土区,对于黑土区土壤侵蚀垂直分带性 方面的研究少见报道.黑土区有其独特的侵蚀产沙过 程,尤其是黑土漫岗区,目前已多被开垦为农耕地且侵 蚀强烈,对于这一区域土壤侵蚀的垂直地带性研究将有 助于我们对黑土侵蚀过程的认识,更涉及到侵蚀泥沙来 源与沉积位置的确定,坡沟治理的方针以及水保措施配 置等重大理论与治理决策问题.黑土漫岗区水土流失是 许多自然因素综合作用的结果,而不同地形类型,地形 部位,其切割程度有所不同.因素之间都有其内在联系, 它们在不断地发展和变化,同时又是互相依赖,互相制 约的.就地形条件来说,由于坡度,坡长,坡向,坡形的不 同,也就影响了雪被覆盖,融化程度,块体运动,坡水情 况等.此外,早期侵蚀地形,局部构造隆起等地区,其水 土流失的发生发展都有所差异.本文以乌裕尔河流域及 其周边黑土漫岗区为例,通过宏观地貌分异与微地貌变 化两个方面的分析,探讨黑土漫岗区土壤侵蚀垂直地带 性特征. 1黑土侵蚀宏观地貌分异特征 1.1黑土漫岗区宏观地貌侵蚀统计 表1为第二次全国土壤侵蚀遥感调查乌裕尔河流 域(位于典型黑土区)涉及县域内侵蚀强度统计结果.可 见,无论在侵蚀类型还是侵蚀强度方面,各县内均有显 着差异.分布在小兴安岭低山丘陵及漫岗区的北安,由 于其植被状态较好,侵蚀较轻,分布在三级阶地,二级阶 地的克东,克山,拜泉,依安侵蚀强度相对较大,且呈现 出由三级阶地向二级阶地逐渐过渡,侵蚀渐弱的趋势, 而分布在一级阶地上的富裕水蚀较弱,风蚀渐强.造成 这种分异的因素较多,下面从地貌变化的角度探讨分异 原因. 第6期范吴明等:东北黑土漫岗区土壤侵蚀垂直分带性研究9 1.2黑土侵蚀宏观垂直分带特征 乌裕尔河上游为小兴安岭低山丘陵区,由于这一区 域森林植被保存相对完好,水土流失尚不十分严重.三 级阶地分布在乌裕尔河上中游的克山及克山以上北安 部分地区,为岗峦起伏的堆积阶地,沿小兴安岭山前分 布,地形变化幅度较大,一般是东北高,西南低,与二级 阶地缓缓过渡,陡坎不明显,表现为堆积阶地形式.阶地 面上沟谷发育,由于流水强烈切割,地形破碎,大大改变 了阶地的原始面貌,似缓丘地形呈波状起伏,或呈弧丘 状态.三级阶地地势较高,往往是砂砾层直接裸露地面, 此层不是含水层,故缺乏水源,不利于耕作,土层极薄. 另外,由于这里地势较高,高差较大,水土流失比较严 萤. T0一河漫滩T1一一级阶地T2一二级阶地T3一三级阶地 图1乌裕尔河流域处嫩江河谷阶地示意图 Fig.1AbridgedgeneralviewofNenjiangRiver terraceinWuyurRiverBasin 乌裕尔河二级阶地在两岸呈带状分布,二级阶地陡 坎显着,多呈基座阶地,呈岗伏状和波状,除了发育上的 坳谷中有较新的沼泽外,全区看来呈大片分布,土壤直 接发育其上,但有时冲积物被侵蚀掉,也常呈基岩直接 裸露.因受新构造运动上升的影响,冲沟更为发育,常出 现"谷中谷"现象,往往将地表切割成梁谷相间的波状地 形.二级阶地上发育着肥沃的黑土,为农业生产提供了 有力的先决条件,目前已被广泛利用为农业用地,但因 成土母质质地黏重,不易渗透,因而内涝和水土流失常 交织在一起,目前存在的最大问题是水土流失严重. 乌裕尔河下游一级阶地是断续条带状分布,阶地面 基本是坦荡广阔,地面切割微弱,略有起伏,地下水较 浅.在这平坦宽广的阶地平原上,地貌变化仍然比较复 杂,并不断受现代水流和风的作用改造,其上砂丘,湖 沼,湿地密布,盐渍化现象也很普遍.由于乌裕尔河下游 水流分散,使搬运物质迅速堆积,从而形成了宽广的泛 滥三角洲地带,这种作用至今仍在不断的进行着.由于 季节性洪枯水位的变化,其沉积韵律是复杂的,沉积厚 度也较大.概括来说,平原上的地形微域变化,大致是由 湖沼,浅凹地,平原,岗平地砂丘,砂岗等不同的微地貌 进行了不同的组合.这一区域的土壤水蚀微弱,有一定 的风蚀作用,农业生产主要的问题是易受洪水威胁,造 成内涝. 2黑土侵蚀微地貌分异特征 2.1面蚀垂直分带特征 黑土区古代侵蚀地形的发育程度(侵蚀谷的密度和 切割深度)决定了面蚀作用总的分布特征.乌裕尔河流 域从地貌类型看,自上游向下游依次为缓坡低山丘陵, 坡状台地,冲积低平原.不同地貌类型区内面蚀程度亦 不相同,流域上游为小兴安岭低山区,虽然区内海拔高, 坡度大,但由于植被保存良好,面蚀并不严重.流域下游 冲积平原区,古代侵蚀谷密度小,谷间高地一般比较宽 平,因此,岗顶面蚀作用微弱,或呈侵蚀不显露状态,土 层保存相对较厚.严重的面蚀主要发生在流域中游的漫 岗耕作区,虽然这一区域坡面坡度也不大(一般3, 5.),但由于长期的耕作及耕作方式不合理,造成面蚀显 着,成为侵蚀明显带. 漫岗区坡形变化亦不十分明显,主要是直线坡和凸 形坡,也有一些弱变化的复式坡和不明显的凹坡,因此, 总的来看坡耕地面蚀强度的分布基本符合于面蚀作用 的一般分布规律,即从坡顶向下,面蚀随坡面径流厚度, 流速和挟带泥沙量的增大而逐渐增强,至一定距离后, 由于水流挟沙量太大,损耗了径流冲刷力而使面蚀反而 减弱,及至坡脚则代之以堆积.对坡面采样分析验证黑 土区这一坡面侵蚀过程发现,坡耕地黑土厚度从岗顶至 坡脚的一般变化趋势是先减少后增加,中间略有变化, 黑土厚度同表层易被侵蚀的细颗粒土壤基本成正相关, 而与不易被侵蚀的粗颗粒土壤成负相关,即黑土层越 厚,细颗粒土壤所占比重越大,表现出了坡耕地面蚀的 岗顶弱侵蚀,坡中强烈侵蚀与细颗粒侵蚀泥沙坡脚堆积 的过程(图2).但对于开垦历史较久的耕地,由于岗顶 长期受溅蚀作用影响而无土壤加积其上,土层也会逐渐 变薄.从黑土漫岗地坡脚及岗间低湿草甸较细颗粒及较 厚黑土层可以初步判断,坡面侵蚀黑土多堆积于此.黑 土漫岗坡地面蚀(溅蚀)一沉积过程自上而下可分为互 相过渡的几个带,即岗顶溅蚀带,面蚀加强带,面蚀强烈 带,面蚀减缓带和坡下沉积带,对于复式坡,还会出现坡 10农业工程 间沉积带(图3).至于各带的宽度和排列关系都受坡 度,坡长及坡形的影响.一般说来,坡度加大,各带界线 下移,反之则上移.坡长直接影响各带的宽度,与各带过 渡的明显程度成正比.坡形的影响是通过坡度的变化起 作用的,但坡形变化影响各带的移动是不均匀的,尤其 复式坡常使某些带重复出现,同时也使侵蚀与堆积重复 出现. \ 求 图2黑土漫岗区坡面土壤颗粒组成与黑土厚度变化 Fig.2Soilhorizonthicknessandparticlesize characteristicfromupslopetOdownslope inthegentlehillyregionofblacksoil (1),直线坡(2)一凹形坡(3)一凸形坡(4)一复式坡 S一岗顶溅蚀带a一面蚀加强带b一面蚀强烈带 c一面蚀减缓带d一坡间沉积带D一坡下沉积带 图3黑土漫岗区坡地面蚀(溅蚀)一沉积垂直分带示意图 Fig.3Abridgedgeneralviewofthesheet(splash) erosion—sedimentdepositionverticalbelts intheGentleHillyRegionofBlackSoil 2.2沟蚀垂直分带特征 在具备沟蚀发育的自然前提下,人为作用往往是主 导因素,这是由于人类的活动对自然平衡的破坏,如大 面积的森林采伐,坡地开垦,顺坡耕作及不合理的道路 布置等,促使坡面径流集中加剧沟蚀作用.黑土区沟蚀 是面蚀进一步发展的结果,所以它往往伴随着加速面蚀 的出现而产生,但沟蚀和面蚀并不存在一条十分严格的 界限,由散漫的坡面径流转为线状径流是个逐步演绎过 程.黑土区谷坡上的侵蚀沟与谷底特别是主谷谷底侵蚀 沟的发展具有不同的发展前景,一般谷坡现代侵蚀沟多 以冲沟阶段告终,这是受集水面积所限的必然结果.然 而谷底的侵蚀沟由于集水面积十分广大,一旦获得经常 性水流或切穿地下含水层则有可能直接发展成为河流, 如克山县东大沟目前已具有了河流特征.在黑土区现代 侵蚀地形发展的一般规律中,存在着许多特殊性,若条 件适宜,如坡度陡,坡面组成物质松散及集水区很大或 特殊降水等情况下,则沟蚀的初期阶段可以非常短暂, 如对鹤山农场部分侵蚀沟的监测显示,2002年10月至 2003年9月间,沟头前进了7.7,29.2m,发展迅速.另 外,黑土区侵蚀沟发展到浅沟,切沟以上阶段时,溯源侵 蚀与冻融侵蚀作用非常明显.黑土区多数侵蚀沟沟坡很 陡,呈V字形或矩形,沟坡下部地带的土体含水量较 大,冰晶体排列方向与沟壁平行,融化的水流在冻融界 面难于下渗,融化的土体常以薄片状脱离未融土体而剥 落.在壁立状的沟坡上,常发生土体塌落现象,因为,在 融化过程中,土体水平冻胀力呈跳跃式的衰减,这种衰 减形式出现在融冻界面上时,就会使已融土体处于不稳 定状态.当融化土体沉降较强时,大块的土体塌落即可 能发生,并堆积在沟底.雨季水力侵蚀把沟底的堆积土 体冲走,使沟道重新恢复矩形或陡边坡状态,如此往复 直至侵蚀沟趋于稳定. 图4黑土漫岗区坡地侵蚀一沉积作用垂直分带示意图 Fig.4Abridgedgeneralviewoferosion—sedimentdeposition verticalbeltsintheGentleHillyregionofBlackSoil 从对现代侵蚀沟的形成因素和发育过程的分析,总 结出典型黑土漫岗区现代侵蚀沟的空间分布规律有以 下几点:(1)区域分布上,侵蚀沟在流域中游堆积台地发 育强烈,这是由于综合自然条件及人为影响不同.这一 区域降水以暴雨形式居多,黑土及其母质透水性差,耕 作历史较久;(2)沟蚀主要出现在古代侵蚀谷的底部河 谷坡上,这是因为切割于原始堆积面的古代侵蚀谷为后 期侵蚀复活提供了汇水面积和一定坡度的坡面,冲沟以 前的各类型侵蚀沟主要出现在谷坡上,冲沟以后的侵蚀 沟则主要出现在谷底,形成套沟,而冲沟则可以在不同 情况下出现;(3)古代侵蚀谷水路系统中的自然汇水线 以及谷坡凹地的集水线是现代侵蚀沟发育的有利部位; (4)对于坡耕地侵蚀沟的出现主要决定于坡度和人为作 用.侵蚀沟主要出现于坡耕地的中,下部,这是受坡地面 蚀规律所决定的.人为作用主要表现在顺坡垄和顺坡道 路甚至顺坡林带的影响上.这一区域内相当数量的侵蚀 沟都是顺垄而生,顺路而生的;(5)不同类型的侵蚀沟在 空间分布上是互相联系的,不同类型的侵蚀沟代表着不 同的发育阶段,而在同一个侵蚀沟体系中也可以包括不 同发育阶段的侵蚀沟类型.如果把面蚀和沟蚀统一起 来,可以总结出黑土漫岗区坡地剥蚀作用分带的基本模 式(图4). 3结论 本文从宏观地貌和微地貌变化两个角度出发,分析 了地貌垂直分带变化与黑土侵蚀之间的关系. 从宏观地貌分带来看,黑土面蚀虽然是一种普遍存 在的现象,但面蚀的危害在二,三级阶地表现更为明显. 第6期范吴明等:东北黑土漫岗区土壤侵蚀垂直分带性研究 黑土漫岗区沟谷地貌也主要分布在二级和三级阶地上, 而且,沟谷的发育多与面蚀的发育紧密相关.黑土漫岗 区面蚀,沟蚀在二,三级阶地发育强烈既与该区地形条 件关系密切,更与其大部分土地被开垦为农用地,且对 农用地的使用,管理缺乏科学性关系密切.从水土流失 类型与强度分带来看,乌裕尔河自上游到下游,水蚀先 渐强后渐弱,风蚀渐强.这种侵蚀类型与强度的分带变 化,既与区域综合自然条件关系密切,又受到人类活动 的影响. 黑土漫岗区微地貌土壤侵蚀同样具有明显的垂直 分带特征.通过对黑土层厚度与土壤颗粒组成从岗顶至 坡下的对应关系分析,显示出坡耕地面蚀的岗顶弱侵 蚀,坡中强烈侵蚀与细颗粒侵蚀泥沙坡脚堆积的过程. 而这种微地貌的垂直分带特征,也会因复式坡的出现而 使侵蚀一堆积过程在一个坡面体系中重复出现.黑土漫 岗区开垦历史较久的岗顶,因为长期受溅蚀作用,又没 有土壤加积作用,黑土层较薄,开垦历史较短的岗顶耕 地黑土层相对较厚.对现代侵蚀沟的调查发现,侵蚀沟 多分布于二,三级阶地古代侵蚀谷的谷底,谷坡等处.侵 蚀沟的发育与分布又受到人类活动的影响,不同的土地 利用,顺坡垄,道路等都会影响到侵蚀沟的形成与发展. 本文通过对黑土漫岗区土壤面蚀与沟道侵蚀发展一般 过程的调查,总结出了黑土漫岗区坡面侵蚀与沟道侵蚀 发展的一般模式.研究将有助于对黑土侵蚀过程的 认识,并为黑土侵蚀的治理提供理论依据. 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Soilerosiondevelopedwiththeverticalbeltsinthegentle hillyblacksoilregionsinNortheastChina FanHaoming,,CaiQiangguo,CuiMing (1.InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch.ChineseAcademyof Sciences.Beijing 100101China;2.CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgricultureUniversity.Shenyan g11O161China) Abstract:Thereareuniquesoilerosionandsedimentyieldcharacteristicsinthegentlehillybla cksoilregionsof theNortheastChinaforitsuniquephysiogeographicconditionandhumanisticcommunity.A ccordingtothesoil erosioninvestigation,whichwasconductedbyusingremotesensing,thefieldsamplingandthepractical investigations,theuniversallawsofsoilerosiondevelopedwiththemacroscopicandmicroscopicverticalbelts havebeensummarizedfortheGentleHillyBlackSoilRegionsofChina.Thebasicmodelsofsheeterosionand gullyerosiontakingplaceonslopehavebeengeneralizedforthisregion.Thisresearchresultsarehelpfulto improvetheunderstandingofthesoilerosionprocess,andthesedimentsourceanddepositionplacecanbedefined too.Accordingly,theresearchresults,furthermore.providethetheoreticalbasisfortheappropriatecollocation ofsoilandwaterconservationmeasures. Keywords:soilerosion;landformcharacteristics;verticalbeltsofsoilerosion;blacksoilregions