東北黑土區(qū)凍融侵蝕研究進展與展望

張科利，劉宏遠

我國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一。由于復雜的地理環(huán)境和人類活動特點，水土流失在強度和機制方面都存在顯著的區(qū)域差異性。在不同類型區(qū)域，水土流失的主導因子也不同。在東部地區(qū)，降水徑流是土壤侵蝕發(fā)生的主導因子;在北部和西北地區(qū)，風力作用在土壤侵蝕中影響顯著。上述兩者均已受到學者的廣泛關注并積累大量成果。在青藏高原和東北地區(qū)，凍融交替變化改變土壤侵蝕發(fā)生機制和過程，對土壤侵蝕影響劇烈;但是相關研究仍不足以支撐相關理論體系的建立和實際工程應用，因此在我國開展凍融侵蝕研究十分必要。作為獨立的自然地理單元，東北黑土區(qū)是我國最主要的商品糧基地，明確該區(qū)域的水土流失機制對國家的糧食安全和社會穩(wěn)定有著重要作用。東北黑土區(qū)地貌以漫崗丘陵為主，坡緩而長，氣候低溫濕潤，冬季積雪深厚。土壤質(zhì)地黏重、富含有機質(zhì)，河流水文受春季融雪徑流影響嚴重。區(qū)域內(nèi)部地廣人稀、耕地面積大，農(nóng)作物相對單一。土壤侵蝕過程則表現(xiàn)為多營力耦合、多過程重疊和受凍融交替過程影響顯著等特點。因此，在東北黑土區(qū)開展凍融侵蝕研究對黑土資源的保護和洪澇災害的防治具有重要的理論指導意義和實際應用價值。本文通過回顧已有研究，分析總結了凍融交替對土壤侵蝕的影響，指出了今后開展凍融侵蝕研究應該關注的重點方向。

1 凍融作用影響機制

土壤凍融作用指發(fā)生在高寒地區(qū)由于溫度變化，引起土壤中水分發(fā)生相變、體積發(fā)生變化，導致土體膨脹或收縮，造成土壤結構破壞和性狀改變的過程。凍融侵蝕指因凍融作用的存在而導致土壤侵蝕過程改變和水土流失程度的增加。嚴格地講，用凍融侵蝕稱謂凍融作用對土壤侵蝕的影響并不恰當，因為凍融作用并不能直接導致土壤顆粒搬運和移動，必須在降雨打擊、徑流沖刷、大風吹揚或重力作用時方可體現(xiàn)。關于凍融侵蝕，需要指出的是真正因凍融循環(huán)導致土壤發(fā)生位移所造成的水土流失量很小。凍融循環(huán)對水土流失量的貢獻主要體現(xiàn)在改變土壤性質(zhì)和阻滯入滲方面。凍融循環(huán)通過破壞土壤團聚體、改變土壤容重和黏結性，增大土壤可蝕性，通過阻滯入滲增加地表徑流，加劇了融雪或降雨徑流造成的水土流失。由于凍融循環(huán)直接導致的土粒移動量很小，而通過改變土壤性質(zhì)和入滲通量而間接導致土壤流失量更大，將凍融侵蝕改成為凍融作用更為恰切。與水蝕區(qū)和風蝕區(qū)對應的凍融侵蝕區(qū)指該區(qū)域內(nèi)凍融作用影響顯著。凍融作用通過影響土壤理化性質(zhì)、坡面水分運移規(guī)律來影響坡面侵蝕過程和水土流失強度。同時，凍融交替作用對我國東北地區(qū)春季發(fā)生的融雪洪澇災害也有明顯的加劇作用。

凍融作用重疊在水蝕過程之上，共同影響著區(qū)域水土流失強度，凍融作用可以間接地加劇了水土流失程度。反過來，水蝕結果又會影響凍融作用的程度。凍融作用對土壤侵蝕的影響表現(xiàn)為:1)土壤凍融交替發(fā)生改變土壤性質(zhì)，進而影響降雨過程中的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，最后影響水土流失程度;2)解凍層深度變化，直接影響融雪徑流和降雨徑流的入滲而影響產(chǎn)流產(chǎn)沙過程;3)凍融交替變化，改變坡面細溝和切溝侵蝕過程，加劇侵蝕強度;4)不同土地利用對凍融交替過程響應的差異性，導致水土流失空間異質(zhì)性加劇;5)不同下墊面土壤對全球氣候變化響應的差異導致區(qū)域水土流失格局變化。而水蝕過程對凍融作用的反饋影響表現(xiàn)為:1)水土流失導致土壤表層腐殖質(zhì)層變薄和土壤有機質(zhì)含量減少，土壤性質(zhì)的變化導致土壤對凍融交替過程的響應改變;2)水土流失導致土壤剖面水分運移變化，進而對凍融交替過程的響應改變;3)水土流失導致坡面土壤再分配，進而對凍融交替過程的響應改變。

2 凍融侵蝕研究進展及存在的主要問題

凍融作用改變土壤性質(zhì)和坡面滲透特性從而影響土壤侵蝕，凍融侵蝕研究在國外開展較早，自20世紀60年代開始就有學者開展關于凍融對土壤孔隙［1］、團聚體［2］和滲透性［3］等方面影響的研究。關于凍融侵蝕的直接研究開始于70年代，Wischmeier等［4］強調(diào)位于凍結層之上的解凍層侵蝕潛力巨大，融雪和低強度降雨也能夠造成劇烈的水土流失，凍融期的土壤侵蝕可達全年土壤侵蝕量的90%。此后眾多學者開展了相關研究取得顯著成果［5-6］。國內(nèi)凍融侵蝕相關研究開展較晚，80年代開始相關工作時主要以引進凍融侵蝕概念和土壤侵蝕類型分類為主［7-8］，90 年代是凍融侵蝕研究的過渡期［9-11］。進入21世紀以來國內(nèi)凍融侵蝕研究快速發(fā)展，在凍融侵蝕的分布、影響因素和作用機制等方面取得很多成果［12-14］。國內(nèi)外現(xiàn)有關于凍融作用和凍融侵蝕的研究工作主要集中在凍融作用對土壤理化性質(zhì)的影響、凍融作用對土壤水分溫度的影響和凍融作用對土壤侵蝕過程及強度的影響等方面，且多數(shù)研究采用室內(nèi)模擬實驗的方法。

2.1 凍融作用對土壤物理性質(zhì)的影響

齊吉琳等［15］和 Chamberlain 等［16］提出細粒土經(jīng)過凍融循環(huán)后，土壤容重增大，孔隙比減小。劉佳等［17］提出隨凍融循環(huán)次數(shù)的累積，黑土容重減小，孔隙比增大，且變化幅度越來越小直至趨于穩(wěn)定。Viklander［18］、楊成松等［19］和溫美麗等［20］發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)使本來疏松的土壤變得相對緊實，而使本來緊實的土壤變得相對疏松，即疏松土和緊實土經(jīng)過若干凍融循環(huán)后趨向一個穩(wěn)定的干容重，這一穩(wěn)定值與土壤的種類有關，而與土壤的初始干容重無關。很多研究發(fā)現(xiàn)凍融導致土壤團聚體穩(wěn)定性降低［21-23］。而 Richardson［24］和 Lehrsch［25］發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過少量的凍融循環(huán)后，土壤團聚體穩(wěn)定性增加。Mostaghimi等［26］、王風等［27］和 Wang 等［28］實驗發(fā)現(xiàn)在中等含水量條件下凍融循環(huán)可增大團聚體穩(wěn)定性，而過高或過低含水量條件下凍融均導致團聚體穩(wěn)定性降低。羅小剛等［29］、汪仁和等［30］和楊平等［31］實驗發(fā)現(xiàn)凍融后黏性原狀土的力學性質(zhì)會發(fā)生很大改變，無側限抗壓強度、直剪強度和三軸剪切強度降低、靈敏度降低，而在相同條件下砂土的性質(zhì)變化卻不大。范昊明等［32］認為凍融作用通過改變土壤的容重、滲透性、含水量等性質(zhì)，可進而影響土壤可蝕性。

2.2 凍融作用對土壤水分溫度的影響

Chamberlain［33］表示解凍后土壤比之前更加不穩(wěn)定，因為土壤在解凍時會立即吸收融水，導致土壤結構強度降低。Formanek等［34］發(fā)現(xiàn)美國華盛頓的帕盧斯淤泥壤土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后抗蝕性接近最低值，越冬后土壤容重下降、導水率升高，并將土壤抗蝕性的降低歸因于凍融循環(huán)對土壤結構造成的破壞性影響。Mauro［35］對阿爾卑斯山地區(qū)凍土活動層進行了研究，分析了300 cm深處地溫的變化過程;Gómez等［36］研究了西班牙東南部內(nèi)華達山脈Corral del Veleta小飛地10 cm、50 cm深處地溫變化;吳青柏等［37］利用青藏高原活動層監(jiān)測數(shù)據(jù)，從青藏高原凍土及水熱過程出發(fā)討論了凍土水熱過程與寒區(qū)生態(tài)環(huán)境的關系;潘衛(wèi)東等［38］應用青藏鐵路多年凍土地區(qū)典型地段測溫孔資料，證實多年來由于氣候轉(zhuǎn)暖，已經(jīng)使凍土層上部(20 m以上)的地溫明顯上升，影響深度已經(jīng)波及到了40 m;王紹令等［39］根據(jù)4個凍土長期定位觀測場地溫資料分析地溫狀況及凍土變化趨勢。戴竟波等［40］通過分析實驗數(shù)據(jù)，探究了大興安嶺北部多年凍土區(qū)雪蓋對地溫的影響;顧鐘煒等［41］在大興安嶺阿木爾地區(qū)的多年凍土特征及其變化研究中發(fā)現(xiàn)，在多年凍土的退化中，季節(jié)解凍深度至少增加了約30 cm，消融區(qū)范圍也在不斷擴大。景國臣等［42］通過野外實驗證明，凍融作用會使土壤水分發(fā)生上移。本文第一作者等［43］基于東北黑土區(qū)不同下墊面條件下土壤溫度和水分實測資料，分析了凍融交替過程和凍結層消退過程。這方面工作多為針對凍土的大尺度研究，針對土壤凍融作用野外實測資料仍然不足，特別是針對不同土壤剖面的觀測數(shù)據(jù)更少。

2.3 凍融作用對土壤侵蝕過程及強度的影響

Zuzel等［5］通過野外監(jiān)測發(fā)現(xiàn)冬季幾乎所有的融雪和降雨都形成徑流，在觀測到的侵蝕事件中，86%與融雪徑流和凍融作用有關。McCool等［44］研究了美國西北小麥區(qū)溝蝕與凍融作用的關系發(fā)現(xiàn)，因土壤凍結形成的不透水層，可強化融雪水導致細溝和切溝侵蝕發(fā)生的概率。Formanek等［34］指出，凍土層開始解凍時土壤可蝕性最大，隨后會逐漸減小。McCool等［45］和 Kirby 等［6］將土壤根據(jù)凍或融的狀態(tài)分為不同類型，并發(fā)現(xiàn)正融土的土壤可蝕性最高，可高于相應土壤夏季土壤可蝕性約一個數(shù)量級甚至更高。Ferrick等［46］通過室內(nèi)實驗，定量地研究了凍融作用對細溝形成和坡面侵蝕的影響。Van Klaveren等［47］研究了不同水分張力條件下凍融對土壤可蝕性和臨界剪切力的影響，發(fā)現(xiàn)凍融條件下，土壤細溝可蝕性與土壤水分張力有關，初始含水量越大則經(jīng)過凍融后土壤細溝可蝕性越高。Sharratt等［48］實驗表明，冬季土壤凍結深度和凍土的解凍深度，都會影響到入滲、地表徑流及土壤侵蝕。范昊明等［49］研究表明，解凍深度愈小，坡面產(chǎn)流愈早，侵蝕量愈大。在修訂版通用流失方程RUSLE中，通過修訂土壤可蝕性K值和降雨侵蝕力R值來體現(xiàn)凍融作用的影響［50］。劉淑珍及其團隊長期關注青藏高原的凍融侵蝕問題，在凍融侵蝕基本概念、分類分區(qū)方面做出了貢獻［51］。劉佳等［52］和周麗麗等［53］實驗發(fā)現(xiàn)，東北黑土坡面侵蝕強度受土壤含水量、降雨強度和解凍深度等因子的綜合影響。Ban等［54］通過室內(nèi)模擬實驗對比研究了凍結狀態(tài)與解凍狀態(tài)2種條件下細溝流速差異，發(fā)現(xiàn)凍結狀態(tài)下細溝水流流速顯著高于解凍狀態(tài)的水流流速，且這種差異與沖刷水槽坡度呈正相關。Ban等［55］實驗了凍融對坡面徑流含沙量的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷凍融循環(huán)后徑流含沙量增大。

2.4 存在的主要問題

近幾十年來，國內(nèi)外學者針對凍融作用和凍融侵蝕開展了大量工作，取得許多有價值的研究成果，并為后來進一步研究奠定了基礎，但仍然存在許多問題:1)就方法而言，室內(nèi)模擬遠多于野外原位監(jiān)測實驗，實驗條件設計與田間有很大差異，如何將模擬實驗研究結果應用于田間條件，仍需大量工作;2)缺乏將凍融作用與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程相融合的研究和實驗，目前還很難定量評價凍融作用的侵蝕貢獻;3)就我國東北黑土區(qū)而言，目前相關研究積累更少，過程與機制不明，已有研究工作也基本上沒有考慮不同下墊面對凍融交替過程響應程度的差異，更未見凍融作用與水蝕過程耦合機制方面的研究報道。目前關于凍融侵蝕研究，主要進展集中于成因和分級分類等方面，多為間接分析，缺少原位監(jiān)測數(shù)據(jù)。關于凍融作用對水土流失的影響機制研究仍然薄弱，目前還很難進行定量評價，在流域尺度上對凍融作用的影響研究更為罕見。

3 東北黑土區(qū)凍融侵蝕研究方向及急需解決的關鍵問題

受氣候條件控制，東北黑土區(qū)土壤凍融交替現(xiàn)象普遍發(fā)生。一方面，凍融交替發(fā)生改變土壤原有性狀，而凍結層的存在會影響坡面水分運移規(guī)律，進而改變土壤侵蝕過程、機制和水土流失強度;另一方面，東北黑土區(qū)地形以漫崗漫坡為主，平均坡度小，平均坡長大，導致該地區(qū)土壤侵蝕泥沙輸移比小，大量泥沙在坡腳或流域底部沉積，造成流域內(nèi)部強烈的土壤空間再分配，使土壤的空間異質(zhì)性增大，導致空間上土壤對凍融交替的響應發(fā)生變化。因此，東北黑土區(qū)凍融作用與水蝕過程互為條件、因果耦合、彼此促進，形成了東北黑土區(qū)獨特的土壤凍融侵蝕過程和水土流失特點。根據(jù)以上分析可圍繞以下4方面開展東北黑土區(qū)凍融侵蝕研究。

3.1 不同下墊面類型土壤凍融交替變化規(guī)律

鑒于農(nóng)耕地的重要性和水土流失的劇烈程度，優(yōu)先考慮將農(nóng)耕地作為研究對象，東北黑土區(qū)農(nóng)耕地坡面在不同地形部位上侵蝕程度顯著不同。從坡頂?shù)狡履_，侵蝕強度先由弱變強，再由強變?nèi)?，直到最后發(fā)生沉積。土壤侵蝕強度的空間變化加劇了下墊面條件的空間異質(zhì)性，導致不同地形部位土壤凍融循環(huán)變化及其對土壤侵蝕的影響也存在空間差異;因此，在東北黑土區(qū)開展凍融侵蝕評價時，需要在分析已有研究結果和開展野外調(diào)查基礎上，根據(jù)土壤侵蝕造成的土壤空間再分配狀況，將東北黑土區(qū)的土壤概化為不同類型，例如發(fā)生型、母質(zhì)型、堆積型和退化型等。發(fā)生型指土壤原始剖面遭受弱度侵蝕，土壤發(fā)生層尚在，土壤剖面較完整。母質(zhì)型指土壤原始剖面遭受強度侵蝕，土壤母質(zhì)出露。堆積型指在原始剖面上發(fā)生堆積，表土性狀改變，侵蝕在堆積層中發(fā)生。退化型指原始土壤剖面中的腐殖質(zhì)層遭受侵蝕并幾乎流失殆盡，土壤有機質(zhì)含量顯著減少。針對上述不同下墊面類型，開展主要類型剖面上土壤溫度和土壤水分動態(tài)變化過程的連續(xù)監(jiān)測。通過分析土壤溫度和水分的動態(tài)變化規(guī)律，總結每年凍融交替循環(huán)變化規(guī)律;建立東北黑土區(qū)土壤凍結或解凍深度與氣溫、土壤水分等因子關系，并探討土壤解凍深度空間變異特征和時間變化規(guī)律。

3.2 凍融影響作用評價的因子量化

凍融交替對土壤性狀的影響已被證明，但凍融作用對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響評價還需要進一步量化。由于東北黑土區(qū)土壤空間異質(zhì)性大，即使在相同的氣象條件下，凍融交替作用的影響效果也存在差異。針對概化出的主要下墊面類型，采集剖面不同深度處的原狀土樣，根據(jù)不同下墊面類型上觀測的凍融循環(huán)變化規(guī)律，設定模擬實驗中溫度變化條件，在實驗室開展不同凍融交替情景下土壤性狀的變化特征的模擬研究，建立土壤性狀變化響應與土壤質(zhì)地、水分、結構、有機質(zhì)含量等指標間的定量關系。通過與未受凍融循環(huán)影響的土壤比較，應用已有的土壤性狀與入滲、產(chǎn)流以及土壤分離之間的定量關系式就可以估算由于存在凍融交替循環(huán)而增加的土壤流失量。需要說明的是，到目前為止不同研究者在世界各地開展的凍融循環(huán)模擬研究不少，其優(yōu)點是實驗條件具體明確，并便于控制和重復。不足是許多實驗設計，比如溫度變化范圍和凍融循環(huán)次數(shù)等設定缺乏足夠的實測數(shù)據(jù)支撐。另一方面，凍融作用對土壤性質(zhì)、乃至產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響都有一個范圍，并非隨著凍融循環(huán)的持續(xù)進行，土壤性質(zhì)會無限制地改變。因此，今后在開展凍融侵蝕研究時，加強野外實測，為模擬實驗開展提供依據(jù)。同時，也應該關注農(nóng)地春耕對凍融影響的抑制作用，如果經(jīng)過春耕后，土壤性質(zhì)在多年水平上保持一致，那就說明凍融作用對夏季水蝕作用不大，其影響主要表現(xiàn)在春季融雪徑流引起的水土流失。也就是說，對凍融作用的影響時段應該明確，否則，東北地區(qū)的農(nóng)耕地已經(jīng)經(jīng)過了千萬次的凍融交替循環(huán)，按照室內(nèi)模擬結果，土壤性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。但實際上，除了水土流失嚴重的情況，土壤性質(zhì)的改變沒有那么顯著。

3.3 凍融作用的水土流失響應

凍融隔水層的存在和土壤性狀變化都會影響土壤入滲和坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，以及區(qū)域侵蝕強度。但已有研究以模擬實驗居多，缺乏原位實驗。即使設置原位實驗，側重點也多為土壤性質(zhì)變化，很少涉及對產(chǎn)流產(chǎn)沙的觀測實驗。盡管有學者將凍融循環(huán)模擬和人工模擬降雨實驗結合，開展了凍融循環(huán)與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的相關實驗;但由于實驗尺度和凍融效果與田間存在很大差異，實驗結果不能代表田間坡面的真實情況。因此，已有研究未能真正建立起凍融影響與水土流失之間的定量關系。在今后研究中，應該加強利用野外徑流小區(qū)來研究凍融作用的影響，通過分析小區(qū)觀測資料、模擬實驗結果，以及凍融交替影響下不同下墊面土樣的分離實驗結果，比較有無凍融發(fā)生條件下，土壤入滲率、土壤分離速率和土壤可蝕性值的差異，揭示東北黑土區(qū)凍融作用對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響規(guī)律，建立適合黑土區(qū)土壤分離速率和土壤可蝕性值估算公式，為黑土區(qū)土壤侵蝕預報模型的建立和應用提供理論支撐。如何從小區(qū)觀測資料中剝離凍融作用的貢獻率是解決問題的關鍵，同時也是難點。不解決這個難點，對凍融交替循環(huán)的侵蝕響應的模擬研究很難準確地評價凍融交替循環(huán)對坡面侵蝕的真正貢獻。

3.4 凍融作用對流域尺度上土壤侵蝕的貢獻

由于東北黑土區(qū)地形相對平緩，但坡長相對較長，土壤侵蝕導致的土壤再分配現(xiàn)象普遍存在，即大量侵蝕土壤并不能直接進入河流系統(tǒng)，而是在坡面中下部沉積。即使在坡面尺度上評價了凍融交替循環(huán)的影響，也不能用于準確計算凍融作用對河流泥沙的影響。因此，需要基于坡面徑流小區(qū)和小流域徑流泥沙觀測數(shù)據(jù)、以及土地利用和土壤分布資料，研究凍融交替循環(huán)對小流域徑流泥沙規(guī)律影響;建立小流域徑流泥沙與降雨侵蝕力、坡度坡長等因子的關系，并通過與無凍融作用影響地區(qū)徑流泥沙與降雨侵蝕力、坡度坡長等因子關系的比較，剝離出凍融侵蝕或凍融作用對小流域侵蝕產(chǎn)沙的貢獻率。由于凍融交替循環(huán)對流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響主要體現(xiàn)在每年最初的幾場降雨，可以考慮將每年最初2場產(chǎn)流的徑流泥沙資料作為一組，分別分析雨—水—沙之間的定量關系。將每年去掉前2場產(chǎn)流降雨的其他場次的徑流泥沙資料作為一組，分別分析雨—水—沙之間的定量關系。通過分析2組數(shù)據(jù)間定量關系的差異，來確定凍融交替循環(huán)對小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響以及侵蝕貢獻大小。

4 結論與展望

凍融侵蝕是土壤侵蝕研究中的難點，數(shù)十年來大量學者通過不懈努力取得了顯著成果;然而由于凍融作用和凍融侵蝕影響因素多、過程機制復雜，現(xiàn)有研究仍不足以明確凍融侵蝕過程機制和進行準確預報，且存在著研究工作中以模擬實驗居多，針對凍融交替循環(huán)方面的原位監(jiān)測資料匱乏，仍沒有利用現(xiàn)有小區(qū)觀測資料來評價凍融對產(chǎn)流產(chǎn)沙貢獻率的方法等問題。鑒于東北黑土區(qū)凍融侵蝕與水蝕耦合作用的獨特性，考慮凍融交替對東北黑土區(qū)坡面及小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的重要影響，未來研究應注重田間條件下凍融交替循環(huán)規(guī)律及影響因素;量化凍融循環(huán)對坡面及小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙貢獻及其合理的評價方法等方面，為凍融區(qū)土壤侵蝕模型的建立和完善提供理論依據(jù)，為區(qū)域水土保持工作的開展和水土保持措施的規(guī)劃提供技術支撐。

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