黄土高原复方沟流域地貌年龄及地貌复原

黄土高原复方沟流域地貌年龄及地貌复原

地质时代形成的山谷称为古侵蚀沟，根据古代侵蚀沟的基础，尤其是新世以来形成的山谷，称为现代侵蚀沟。这两者的区别是:(1)前者坡度平缓,多为15°~20°。后者坡度陡峻,多为40°~45°,或者更大。(2)除了塬面,黄土高原大部分现代侵蚀沟是在古代侵蚀沟的基础上发育的。从横剖面上看,前者与后者的坡线上有明显的转折点,古代侵蚀沟剖面呈“”型,现代侵蚀沟的横剖面多表现为V字型,两者叠加后的沟谷“”型(图1)。(3)古代侵蚀沟谷坡的上覆黄土层,倾斜度与谷坡倾角接近,或表现为两者的倾角变化趋势一致之特征。但在现代侵蚀沟的谷坡上,上层黄土超覆于下伏黄土层之上,其倾角不随地形起伏而变化。现代侵蚀沟的发育引起黄土正地貌的萎缩和负地貌的扩张,是历史时期地貌演变的主导因素,如果能较为准确地确定每一条现代侵蚀沟的地貌年龄,就能得出比较令人信服的黄土正地貌萎缩和负地貌扩张速度。因此,研究现代侵蚀沟的地貌年龄是历史地貌演变研究中至为重要的环节。此前历史地貌研究中,确定地貌年龄的方法,主要利用旁证信息——如古墓葬、古城址等人类活动遗迹。通过考古发掘及历史文献考证,来确定与之相关沟谷的地貌年龄。这是一种行之有效的方法,其不足之处在于,只能得出相关沟谷现代侵蚀沟初始发育年代的上限,却不能给出相对准确的地貌年龄。另外,在研究内容上,主要局限在沟头的演进速度和沟道的下切速率,缺乏完整流域地貌演变的研究。本文通过复原研究一个完整流域——方家沟流域,试图在方法和内容上都有所突破。虽然这只是一个样本,但若干个样本流域地貌的复原研究,就能总结出历史时期黄土高原地貌的演变规律,从而为黄土高原水土流失的综合治理提出相对准确的具有参考价值的量的指标。1侵蚀沟测试方家沟位于甘肃省镇原县南川乡东南,泾河一级支流洪河流域中游西南岸,大致呈西南-东北走向(图2)。流域内年降水量约543mm1,属暖温带半湿润易旱气候区。沟内无长流水,有雨时沟谷内有流水或山洪,无雨时为干沟。属冲刷型沟谷。沟谷底部基本无堆积物,泥沙输移比接近12。除了洪河西南岸阶地上的沟段外,沟谷底部均未下切至基岩,侵蚀活动基本发生在黄土层和红土层内,且主要表现为水力侵蚀。今天的植被类型是典型的农耕植被区,缓坡已开垦为梯田,陡坡还是自然荒坡,林木稀少,只在农庄周围有树木环绕,天然林草植被覆盖度在10%~20%之间。几年前实地勘察时发现,当时的封山育林政策已见成效,草被得到了较好恢复,粗略估计封山区天然草被覆盖率已达40%左右。但成活的树木不多,不是因为环境不适合生长树木,而是破坏严重。地表土熟化为十分松散、孔隙发育的自然土壤,人行其上有踩在棉花上的感觉。这种土壤,只要有种子和适量雨水,天然植被会逐步得到恢复,但需要花费较长时间。如果使用科学方法去加速植被恢复进程,则一定能达到目的。有研究认为,方家沟流域所在地曾是西周“大原”的一部分。但实地考察结果表明,V型沟谷沿线以上山坡上出露的地层剖面,明显体现出古代侵蚀沟之特点,——马兰黄土或全新世黄土与山坡保持同样的倾角。因此,即使在人类历史早期,这里还是高原沟壑地貌,塬、梁峁、沟谷三种地貌均有。古代侵蚀沟底部出露的黄土地层剖面则显示,V型侵蚀沟谷沿线以下是现代侵蚀沟。它的发育,不仅使流域内地势起伏更大,而且延伸至塬面的沟头,已影响了其南部的原成家塬(图2)。在镇原县南川乡1∶10000地形图上,使用方格法量算得到其流域面积为4.875km2。现代侵蚀沟主干沟深度约50~90m,长度约3920m。沟底海拔1140~1290m,主干沟纵比降约为4.28%。2数据来源与研究方法2.1侵蚀总量的测算与计算结合当地的地形特点,在南川乡地形图上测得方家沟V型沟长度、深度、上口宽。主干沟上口宽度的测量,从V型谷的最窄处谷沿线计量,其余部分计入了分枝沟。鉴于沟道有一定弯度,主干沟道的长度分四段测量。V型谷侵蚀量的测算,均将其按三棱体对待或者折合处理为三棱体形状,再采用三棱柱、三棱台、三棱锥的体积计算公式:V棱柱=S×H,V棱锥=13S×H‚V棱台=13H×(S+S′+S×S′−−−−−√),(1)V棱柱=S×Η,V棱锥=13S×Η‚V棱台=13Η×(S+S′+S×S′),(1)式中:S为底面积,H是高。实测中,对于形状典型的V型谷直接测算,对于不规则的沟谷,截补处理之后,再按三棱体进行测量、计算。V型谷谷沿线以上沟间地的山坡坡面上其它明显下陷,但又非V型谷地形如滑坡等,测算过程中未计入V型谷而是计入了其它形式的侵蚀量之内,但在地貌复原图上,仍使用了与处理V型谷相同的方法进行复原。基于测量数据,方家沟流域1500多年来V型谷的侵蚀总量Tv=∑i,j,k=1n(Ai+Bj+Ck),AiΤv=∑i,j,k=1n(Ai+Bj+Ck),Ai:三棱柱体积,Bj:三棱台体积,Ck:三棱锥体积。V型谷的年均侵蚀量Tv年均=Tvt‚tΤv年均=Τvt‚t:侵蚀活动持续年代。根据20多年来洪河流域的年均侵蚀模数值,计算出方家沟全流域的年均侵蚀量T平均。方家沟流域内除V型谷以外的其他区域的年均侵蚀量τ年均=T年均-Tv年均,多年侵蚀总量τ=τ平均×t,t:侵蚀活动持续年代。2.2初始发育年代的确定现代侵蚀沟地貌年龄的研究方法是,利用古墓葬遗址推测出沟谷初始发育的年代上限,再利用黄土高原现代侵蚀沟地貌年龄计算公式计算出其初始发育年代,将两种方法得出的结果对比分析,得出最后结论。根据现代侵蚀沟的地貌年龄,洪河流域20多年来的侵蚀模数值,和1∶10000地形图上测得方家沟流域现代侵蚀沟的空腔体积等数据,复原整个流域的历史地貌。3现代侵蚀沟的形成时间3.1考古发现3.1.1墓葬形制和年代方家沟沟口东西两岸,存在一个大型古墓群,时间从战国秦汉一直延续到魏晋南北朝。据路姓村民说,仅他自己就挖出过十几座古墓。现在能找到证据的遗址有7座,其中6座位于西岸,1座位于东岸(图2)。1号和2号墓位于海拔1220m处,出土的绳纹陶器,明显具有战国秦和汉代早期特点。陶罐外口径10.5cm,内口径8cm,腹外径20cm,底外径10cm,细绳纹外表。陶釜外口径17cm,圆底粗绳纹(图3)。当为战国秦汉墓葬。3号4号墓位于N35°36.614′,E107°11.570′,海拔1181m处。3号墓墓地出露的明坑,距离现代侵蚀沟边缘1m左右。4号墓穴现在是村民柴禾窑,距离沟边5m左右。均为单砖券顶,依据砖的形制判断(图3),当为魏晋南北朝时期墓葬。5号6号墓位于海拔1175m处,比洪河南岸一级阶地后缘约高出20m。是修公路时被挖出的,墓穴中棺木痕迹宛然(图4)。据村民回忆,出土的陶器均为绳纹。当为汉墓。与3号和4号墓处于同一高度的沟东岸是一个滑坡,滑坡舌已经被流水侵蚀殆尽,未找到墓葬。但7号汉墓位于沟口东岸,海拔1185m,其位置与5号6号汉墓互相呼应。说明方家沟沟口一带的古墓群,不仅仅分布在其西岸,东岸也有分布。古墓群的存在,说明最迟至汉末甚至魏晋时期,方家沟沟口还是当地的墓葬区,不会存在今天的V型侵蚀沟。特别是临近沟谷边缘位置、因沟谷侵蚀导致墓室出露的魏晋南北朝时期3、4号墓,更能说明问题。3.1.2现代侵蚀沟初始发育时间t在方家沟沟掌台地上,有一处墓葬,封土中包含的陶器碎片、墓地附近的古庙等诸多证据,都证明这是魏晋南北朝时期墓葬。进一步考证认为,是赫连勃勃第四子酒泉公赫连伦之墓。赫连伦死亡时间应在赫连勃勃真兴六年(424AD)十二月至七年(425AD)六月之间3,埋葬时间距今1583a。墓冢位于方家沟沟掌盆地正中央的沟梁上,周围深沟环绕,仅西南方位有一座宽度不大的“土桥”与村庄相连。“土桥”上存在一个宽约80m、深约3~4m的壕,壕内为原生黄土,没有封土中所包含的文化遗存,且明显存在挖掘痕迹。推断是因封土需要,此处包含文化遗存的地层被搬迁了。墓冢顶部高出现在沟底约127m,以墓冢基部为准,墓地两侧的沟已深达85~90m,沟坡的平均坡度大约为40°~45°(图1)。与其周围山脚下存在大量农庄和废弃窑洞相比,这里除了放牧和植树造林,其他人类活动很少。这一方面与自然条件有关:沟梁四周全部为4~15m的断崖,交通不便;另一方面与当地人称此墓为“黑脸天子坟”,对其有敬畏感有关。可是,为什么赫连伦墓却被选择在这样一个深沟环绕的干旱的沟梁上?只有一种可能,即425AD前后,这里不存在现代侵蚀沟。另外,据当地民间传说,墓冢所在地原名“方家沟坪”。按照当地的一般情况,只有具备足够的平坦地面,方可称之为“坪”。可现在除了一块坡度较大高台地外,其余为深度80~90m、坡度40°~45°的V型谷,哪里有“坪”可言?结合沟口汉墓群的分布情况,笔者认为,至少在425AD以前,方家沟是低丘宽谷地貌,现代侵蚀沟初始发育时间不能早于425AD。以425AD为时间上限,以2008AD为下限,则方家沟现代侵蚀沟年龄为1583a,沟头延伸速度为2.218m/a。3.2公式43.2.1现代侵蚀沟干法沟道生长特征由于考古结果,只能确定一个时间上限。为了能确定其现代侵蚀沟确切的初始发育年代,再运用现代侵蚀沟地貌年龄计算公式来计算:n⋅TnQS=1−γn1−γ,γ=1(1+α)(1+β),(2)n⋅ΤnQS=1-γn1-γ,γ=1(1+α)(1+β),(2)式中:n:现代侵蚀沟发育年龄(a),Tn:现代侵蚀沟主干沟道空腔体积(m3),Q:现代侵蚀沟平均深度(cm或m3/km2),S:现代侵蚀沟主干沟道上口面积(m2),α现代侵蚀沟主干沟道纵向发展比数,β:横向发展比数。依据1∶10000地形图,将方家沟相关数据计算统计如下:表1甘肃省镇原县南川乡方家沟现代侵蚀沟主干沟道相关数据5α,β近似相等。利用考古结果所得沟头年均前进距离计算:α=l/L=2.218/3920=5.658×10-4,式中:l是沟头年均前进距离,L是主干沟道总长度。则其现代侵蚀沟地貌年龄为(1129±553a)。即形成于唐僖宗乾符六年(879AD)。沟头平均前进速度约为3.472m/a。利用侵蚀模数来计算:α=Em·S1·(Tv·Pd)-1=34348.5×1.68·(5.41×107×1.3)-1=8.205×10-4式中:Em:侵蚀模数,Pd:黄土干密度6。则方家沟现代侵蚀沟地貌年龄为(779±382a),即形成于南宋理宗绍定二年(1229AD)。3.2.2流域地表遗迹将两个计算结果对比,利用侵蚀模数计算的数值明显偏小,而利用考古数据计算的结果与考古结果更接近一些。原因是侵蚀模数值偏大,所计算的沟道纵向发展比数就偏大。方家沟流域的侵蚀模数,采用了洪河流域侵蚀模数,后者来源于庆阳市水土保持局对杨闾水文站20多年来泥沙实测资料的分析计算。应用至方家沟流域虽会有误差存在,但方家沟基本处于洪河流域中游,各项自然指标比较接近洪河流域平均值。因此,偏差并不大。研究发现,进入20世纪80年代以后,泾河流域最大30d降水量比基准期增加了3.5mm,但水土保持治理削减最大洪水量是降水洪水量的2倍多,减少洪沙量也比降水增加洪沙量大3倍多。洪河流域自70年代以来,农田基本建设搞得好,大量水平梯田的建设,导致流域侵蚀模数比自然状态侵蚀模数值偏小。尽管如此,还是要比历史时期大出很多。用此数据计算的地貌年龄比以考古结果计算的结果偏小350a,正好支持了历史时期水土流失日趋严重的这一结论。以陇东黄土高原地区的15个小流域对计算公式验证,结果表明,公式计算结果也不能给出一个绝对准确的年份,其浮动范围达49.1%,所以本文将方家沟流域的地貌复原时间定在了唐代初期。考虑到考古方法只能证明其形成于425AD之后,并不能确定沟口侵蚀具体的开始年份,因此,公式计算结果更合理一些。4土地恢复和恢复4.1支毛沟现代侵蚀沟的发育和分布自唐僖宗乾符六年(879AD)前后,方家沟沟口附近的现代侵蚀沟开始发育,裂点以平均3.472m/a的速度沿着主干沟道向上游延伸。随着溯源侵蚀进一步发展,形成若干个新的裂点。新裂点的不断产生,使现代侵蚀沟深度不断增加,造成严重的下切侵蚀。同时,这些新裂点也在持续向流域上游延伸,形成新的溯源侵蚀。直到今天,这种侵蚀活动还在继续。正是这种持续进行的侵蚀活动,主导了流域的地貌演变。对于流域支毛沟的现代侵蚀沟来说,部分与主干沟道现代侵蚀沟的发育有因果关系,即主干沟道下切侵蚀所造成的侵蚀基准面下降,对其形成和发育产生了一定影响。但是,还有一些支毛沟的形成,更多是受坡面径流的影响,主干沟道的发育对其影响不大。主干沟两岸山坡坡度都比较大,即使侵蚀基准面不下降,只要有坡面汇流,就会形成沟状侵蚀。实地考察时也发现,一部分支毛沟的现代侵蚀还与人类活动有关。方家沟沟掌附近的支毛沟沟头的上方,或者是村庄,或者是废弃的窑洞(图2)。但从方家沟流域废弃窑洞分布看,几乎全部坐落在主干沟道现代侵蚀沟谷沿线以上的地势较为平坦的台地上,因此,这些支毛沟现代侵蚀沟的形成和发育时间,可能不会早于主干沟道。至于面状侵蚀,与主干沟道现代侵蚀沟的形成和发育完全无关,自地质时期就存在,只是在不同时期有所不同而已。但从后文得出的数据看,它对流域地貌大势的影响不是很大。因此,方家沟流域的现代地貌,可以大致看作是唐中期以后,经过1200多年时间,才从低丘宽谷地貌演变而成。已有的研究认为,一直到全新世中期,陇东黄土高原“土壤并没有受到明显侵蚀而发育完整”。本文结论很好地支持了这个观点。今天站在墓冢顶部远眺沟口,还可以看出平坦河谷的痕迹。沟口附近川道狭窄,宽约200m,越往上游地势越开阔,到沟掌附近,是一个直径约1200m的掌地。历史时期,这种掌地主要是当地的生活生产场所。笔者在陇东盆地考察时,发现许多先秦时期的聚落遗址,就分布在掌地上。现在,除了环县还有面积较大的掌地存在,其他地方均为现代侵蚀沟破坏,情形正如方家沟一样。4.2恢复土地4.2.1地形地貌还原利用侵蚀模数值计算出唐僖宗乾符六年(879AD)以来方家沟流域的侵蚀总量,利用现代侵蚀沟空腔体积测算数值(表2),可将方家沟流域地貌复原至唐初。复原地貌时,把V型谷的侵蚀物回填入V型谷内。但利用近数十年来的侵蚀模数所计算的流域侵蚀总量会偏大,不能用其复原面状侵蚀情况。即使这个偏大的数值,平均分布在流域内除现代侵蚀沟以外的地面,发现过去的1129a间,地面平均被侵蚀了1.308m,无法在地形图上表示。所以,地貌复原图只体现现代侵蚀沟的变化。4.2.2地貌方面的缺陷方家沟主干沟沟头平