黃土高原復(fù)方溝流域地貌年齡及地貌復(fù)原

地質(zhì)時(shí)代形成的山谷稱為古侵蝕溝，根據(jù)古代侵蝕溝的基礎(chǔ)，尤其是新世以來形成的山谷，稱為現(xiàn)代侵蝕溝。這兩者的區(qū)別是:(1)前者坡度平緩,多為15°~20°。后者坡度陡峻,多為40°~45°,或者更大。(2)除了塬面,黃土高原大部分現(xiàn)代侵蝕溝是在古代侵蝕溝的基礎(chǔ)上發(fā)育的。從橫剖面上看,前者與后者的坡線上有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),古代侵蝕溝剖面呈“”型,現(xiàn)代侵蝕溝的橫剖面多表現(xiàn)為V字型,兩者疊加后的溝谷“”型(圖1)。(3)古代侵蝕溝谷坡的上覆黃土層,傾斜度與谷坡傾角接近,或表現(xiàn)為兩者的傾角變化趨勢(shì)一致之特征。但在現(xiàn)代侵蝕溝的谷坡上,上層黃土超覆于下伏黃土層之上,其傾角不隨地形起伏而變化。現(xiàn)代侵蝕溝的發(fā)育引起黃土正地貌的萎縮和負(fù)地貌的擴(kuò)張,是歷史時(shí)期地貌演變的主導(dǎo)因素,如果能較為準(zhǔn)確地確定每一條現(xiàn)代侵蝕溝的地貌年齡,就能得出比較令人信服的黃土正地貌萎縮和負(fù)地貌擴(kuò)張速度。因此,研究現(xiàn)代侵蝕溝的地貌年齡是歷史地貌演變研究中至為重要的環(huán)節(jié)。此前歷史地貌研究中,確定地貌年齡的方法,主要利用旁證信息——如古墓葬、古城址等人類活動(dòng)遺跡。通過考古發(fā)掘及歷史文獻(xiàn)考證,來確定與之相關(guān)溝谷的地貌年齡。這是一種行之有效的方法,其不足之處在于,只能得出相關(guān)溝谷現(xiàn)代侵蝕溝初始發(fā)育年代的上限,卻不能給出相對(duì)準(zhǔn)確的地貌年齡。另外,在研究?jī)?nèi)容上,主要局限在溝頭的演進(jìn)速度和溝道的下切速率,缺乏完整流域地貌演變的研究。本文通過復(fù)原研究一個(gè)完整流域——方家溝流域,試圖在方法和內(nèi)容上都有所突破。雖然這只是一個(gè)樣本,但若干個(gè)樣本流域地貌的復(fù)原研究,就能總結(jié)出歷史時(shí)期黃土高原地貌的演變規(guī)律,從而為黃土高原水土流失的綜合治理提出相對(duì)準(zhǔn)確的具有參考價(jià)值的量的指標(biāo)。1侵蝕溝測(cè)試方家溝位于甘肅省鎮(zhèn)原縣南川鄉(xiāng)東南,涇河一級(jí)支流洪河流域中游西南岸,大致呈西南-東北走向(圖2)。流域內(nèi)年降水量約543mm1,屬暖溫帶半濕潤(rùn)易旱氣候區(qū)。溝內(nèi)無長(zhǎng)流水,有雨時(shí)溝谷內(nèi)有流水或山洪,無雨時(shí)為干溝。屬?zèng)_刷型溝谷。溝谷底部基本無堆積物,泥沙輸移比接近12。除了洪河西南岸階地上的溝段外,溝谷底部均未下切至基巖,侵蝕活動(dòng)基本發(fā)生在黃土層和紅土層內(nèi),且主要表現(xiàn)為水力侵蝕。今天的植被類型是典型的農(nóng)耕植被區(qū),緩坡已開墾為梯田,陡坡還是自然荒坡,林木稀少,只在農(nóng)莊周圍有樹木環(huán)繞,天然林草植被覆蓋度在10%~20%之間。幾年前實(shí)地勘察時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)時(shí)的封山育林政策已見成效,草被得到了較好恢復(fù),粗略估計(jì)封山區(qū)天然草被覆蓋率已達(dá)40%左右。但成活的樹木不多,不是因?yàn)榄h(huán)境不適合生長(zhǎng)樹木,而是破壞嚴(yán)重。地表土熟化為十分松散、孔隙發(fā)育的自然土壤,人行其上有踩在棉花上的感覺。這種土壤,只要有種子和適量雨水,天然植被會(huì)逐步得到恢復(fù),但需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。如果使用科學(xué)方法去加速植被恢復(fù)進(jìn)程,則一定能達(dá)到目的。有研究認(rèn)為,方家溝流域所在地曾是西周“大原”的一部分。但實(shí)地考察結(jié)果表明,V型溝谷沿線以上山坡上出露的地層剖面,明顯體現(xiàn)出古代侵蝕溝之特點(diǎn),——馬蘭黃土或全新世黃土與山坡保持同樣的傾角。因此,即使在人類歷史早期,這里還是高原溝壑地貌,塬、梁峁、溝谷三種地貌均有。古代侵蝕溝底部出露的黃土地層剖面則顯示,V型侵蝕溝谷沿線以下是現(xiàn)代侵蝕溝。它的發(fā)育,不僅使流域內(nèi)地勢(shì)起伏更大,而且延伸至塬面的溝頭,已影響了其南部的原成家塬(圖2)。在鎮(zhèn)原縣南川鄉(xiāng)1∶10000地形圖上,使用方格法量算得到其流域面積為4.875km2。現(xiàn)代侵蝕溝主干溝深度約50~90m,長(zhǎng)度約3920m。溝底海拔1140~1290m,主干溝縱比降約為4.28%。2數(shù)據(jù)來源與研究方法2.1侵蝕總量的測(cè)算與計(jì)算結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦翁攸c(diǎn),在南川鄉(xiāng)地形圖上測(cè)得方家溝V型溝長(zhǎng)度、深度、上口寬。主干溝上口寬度的測(cè)量,從V型谷的最窄處谷沿線計(jì)量,其余部分計(jì)入了分枝溝。鑒于溝道有一定彎度,主干溝道的長(zhǎng)度分四段測(cè)量。V型谷侵蝕量的測(cè)算,均將其按三棱體對(duì)待或者折合處理為三棱體形狀,再采用三棱柱、三棱臺(tái)、三棱錐的體積計(jì)算公式:V棱柱=S×H,V棱錐=13S×H?V棱臺(tái)=13H×(S+S′+S×S′?????√),(1)V棱柱=S×Η,V棱錐=13S×Η?V棱臺(tái)=13Η×(S+S′+S×S′),(1)式中:S為底面積,H是高。實(shí)測(cè)中,對(duì)于形狀典型的V型谷直接測(cè)算,對(duì)于不規(guī)則的溝谷,截補(bǔ)處理之后,再按三棱體進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算。V型谷谷沿線以上溝間地的山坡坡面上其它明顯下陷,但又非V型谷地形如滑坡等,測(cè)算過程中未計(jì)入V型谷而是計(jì)入了其它形式的侵蝕量之內(nèi),但在地貌復(fù)原圖上,仍使用了與處理V型谷相同的方法進(jìn)行復(fù)原。基于測(cè)量數(shù)據(jù),方家溝流域1500多年來V型谷的侵蝕總量Tv=∑i,j,k=1n(Ai+Bj+Ck),AiΤv=∑i,j,k=1n(Ai+Bj+Ck),Ai:三棱柱體積,Bj:三棱臺(tái)體積,Ck:三棱錐體積。V型谷的年均侵蝕量Tv年均=Tvt?tΤv年均=Τvt?t:侵蝕活動(dòng)持續(xù)年代。根據(jù)20多年來洪河流域的年均侵蝕模數(shù)值,計(jì)算出方家溝全流域的年均侵蝕量T平均。方家溝流域內(nèi)除V型谷以外的其他區(qū)域的年均侵蝕量τ年均=T年均-Tv年均,多年侵蝕總量τ=τ平均×t,t:侵蝕活動(dòng)持續(xù)年代。2.2初始發(fā)育年代的確定現(xiàn)代侵蝕溝地貌年齡的研究方法是,利用古墓葬遺址推測(cè)出溝谷初始發(fā)育的年代上限,再利用黃土高原現(xiàn)代侵蝕溝地貌年齡計(jì)算公式計(jì)算出其初始發(fā)育年代,將兩種方法得出的結(jié)果對(duì)比分析,得出最后結(jié)論。根據(jù)現(xiàn)代侵蝕溝的地貌年齡,洪河流域20多年來的侵蝕模數(shù)值,和1∶10000地形圖上測(cè)得方家溝流域現(xiàn)代侵蝕溝的空腔體積等數(shù)據(jù),復(fù)原整個(gè)流域的歷史地貌。3現(xiàn)代侵蝕溝的形成時(shí)間3.1考古發(fā)現(xiàn)3.1.1墓葬形制和年代方家溝溝口東西兩岸,存在一個(gè)大型古墓群,時(shí)間從戰(zhàn)國(guó)秦漢一直延續(xù)到魏晉南北朝。據(jù)路姓村民說,僅他自己就挖出過十幾座古墓。現(xiàn)在能找到證據(jù)的遺址有7座,其中6座位于西岸,1座位于東岸(圖2)。1號(hào)和2號(hào)墓位于海拔1220m處,出土的繩紋陶器,明顯具有戰(zhàn)國(guó)秦和漢代早期特點(diǎn)。陶罐外口徑10.5cm,內(nèi)口徑8cm,腹外徑20cm,底外徑10cm,細(xì)繩紋外表。陶釜外口徑17cm,圓底粗繩紋(圖3)。當(dāng)為戰(zhàn)國(guó)秦漢墓葬。3號(hào)4號(hào)墓位于N35°36.614′,E107°11.570′,海拔1181m處。3號(hào)墓墓地出露的明坑,距離現(xiàn)代侵蝕溝邊緣1m左右。4號(hào)墓穴現(xiàn)在是村民柴禾窯,距離溝邊5m左右。均為單磚券頂,依據(jù)磚的形制判斷(圖3),當(dāng)為魏晉南北朝時(shí)期墓葬。5號(hào)6號(hào)墓位于海拔1175m處,比洪河南岸一級(jí)階地后緣約高出20m。是修公路時(shí)被挖出的,墓穴中棺木痕跡宛然(圖4)。據(jù)村民回憶,出土的陶器均為繩紋。當(dāng)為漢墓。與3號(hào)和4號(hào)墓處于同一高度的溝東岸是一個(gè)滑坡,滑坡舌已經(jīng)被流水侵蝕殆盡,未找到墓葬。但7號(hào)漢墓位于溝口東岸,海拔1185m,其位置與5號(hào)6號(hào)漢墓互相呼應(yīng)。說明方家溝溝口一帶的古墓群,不僅僅分布在其西岸,東岸也有分布。古墓群的存在,說明最遲至漢末甚至魏晉時(shí)期,方家溝溝口還是當(dāng)?shù)氐哪乖釁^(qū),不會(huì)存在今天的V型侵蝕溝。特別是臨近溝谷邊緣位置、因溝谷侵蝕導(dǎo)致墓室出露的魏晉南北朝時(shí)期3、4號(hào)墓,更能說明問題。3.1.2現(xiàn)代侵蝕溝初始發(fā)育時(shí)間t在方家溝溝掌臺(tái)地上,有一處墓葬,封土中包含的陶器碎片、墓地附近的古廟等諸多證據(jù),都證明這是魏晉南北朝時(shí)期墓葬。進(jìn)一步考證認(rèn)為,是赫連勃勃第四子酒泉公赫連倫之墓。赫連倫死亡時(shí)間應(yīng)在赫連勃勃真興六年(424AD)十二月至七年(425AD)六月之間3,埋葬時(shí)間距今1583a。墓冢位于方家溝溝掌盆地正中央的溝梁上,周圍深溝環(huán)繞,僅西南方位有一座寬度不大的“土橋”與村莊相連。“土橋”上存在一個(gè)寬約80m、深約3~4m的壕,壕內(nèi)為原生黃土,沒有封土中所包含的文化遺存,且明顯存在挖掘痕跡。推斷是因封土需要,此處包含文化遺存的地層被搬遷了。墓冢頂部高出現(xiàn)在溝底約127m,以墓冢基部為準(zhǔn),墓地兩側(cè)的溝已深達(dá)85~90m,溝坡的平均坡度大約為40°~45°(圖1)。與其周圍山腳下存在大量農(nóng)莊和廢棄窯洞相比,這里除了放牧和植樹造林,其他人類活動(dòng)很少。這一方面與自然條件有關(guān):溝梁四周全部為4~15m的斷崖,交通不便;另一方面與當(dāng)?shù)厝朔Q此墓為“黑臉天子墳”,對(duì)其有敬畏感有關(guān)。可是,為什么赫連倫墓卻被選擇在這樣一個(gè)深溝環(huán)繞的干旱的溝梁上?只有一種可能,即425AD前后,這里不存在現(xiàn)代侵蝕溝。另外,據(jù)當(dāng)?shù)孛耖g傳說,墓冢所在地原名“方家溝坪”。按照當(dāng)?shù)氐囊话闱闆r,只有具備足夠的平坦地面,方可稱之為“坪”。可現(xiàn)在除了一塊坡度較大高臺(tái)地外,其余為深度80~90m、坡度40°~45°的V型谷,哪里有“坪”可言?結(jié)合溝口漢墓群的分布情況,筆者認(rèn)為,至少在425AD以前,方家溝是低丘寬谷地貌,現(xiàn)代侵蝕溝初始發(fā)育時(shí)間不能早于425AD。以425AD為時(shí)間上限,以2008AD為下限,則方家溝現(xiàn)代侵蝕溝年齡為1583a,溝頭延伸速度為2.218m/a。3.2公式43.2.1現(xiàn)代侵蝕溝干法溝道生長(zhǎng)特征由于考古結(jié)果,只能確定一個(gè)時(shí)間上限。為了能確定其現(xiàn)代侵蝕溝確切的初始發(fā)育年代,再運(yùn)用現(xiàn)代侵蝕溝地貌年齡計(jì)算公式來計(jì)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:現(xiàn)代侵蝕溝發(fā)育年齡(a),Tn:現(xiàn)代侵蝕溝主干溝道空腔體積(m3),Q:現(xiàn)代侵蝕溝平均深度(cm或m3/km2),S:現(xiàn)代侵蝕溝主干溝道上口面積(m2),α現(xiàn)代侵蝕溝主干溝道縱向發(fā)展比數(shù),β:橫向發(fā)展比數(shù)。依據(jù)1∶10000地形圖,將方家溝相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)如下:表1甘肅省鎮(zhèn)原縣南川鄉(xiāng)方家溝現(xiàn)代侵蝕溝主干溝道相關(guān)數(shù)據(jù)5α,β近似相等。利用考古結(jié)果所得溝頭年均前進(jìn)距離計(jì)算:α=l/L=2.218/3920=5.658×10-4,式中:l是溝頭年均前進(jìn)距離,L是主干溝道總長(zhǎng)度。則其現(xiàn)代侵蝕溝地貌年齡為(1129±553a)。即形成于唐僖宗乾符六年(879AD)。溝頭平均前進(jìn)速度約為3.472m/a。利用侵蝕模數(shù)來計(jì)算:α=Em·S1·(Tv·Pd)-1=34348.5×1.68·(5.41×107×1.3)-1=8.205×10-4式中:Em:侵蝕模數(shù),Pd:黃土干密度6。則方家溝現(xiàn)代侵蝕溝地貌年齡為(779±382a),即形成于南宋理宗紹定二年(1229AD)。3.2.2流域地表遺跡將兩個(gè)計(jì)算結(jié)果對(duì)比,利用侵蝕模數(shù)計(jì)算的數(shù)值明顯偏小,而利用考古數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果與考古結(jié)果更接近一些。原因是侵蝕模數(shù)值偏大,所計(jì)算的溝道縱向發(fā)展比數(shù)就偏大。方家溝流域的侵蝕模數(shù),采用了洪河流域侵蝕模數(shù),后者來源于慶陽市水土保持局對(duì)楊閭水文站20多年來泥沙實(shí)測(cè)資料的分析計(jì)算。應(yīng)用至方家溝流域雖會(huì)有誤差存在,但方家溝基本處于洪河流域中游,各項(xiàng)自然指標(biāo)比較接近洪河流域平均值。因此,偏差并不大。研究發(fā)現(xiàn),進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后,涇河流域最大30d降水量比基準(zhǔn)期增加了3.5mm,但水土保持治理削減最大洪水量是降水洪水量的2倍多,減少洪沙量也比降水增加洪沙量大3倍多。洪河流域自70年代以來,農(nóng)田基本建設(shè)搞得好,大量水平梯田的建設(shè),導(dǎo)致流域侵蝕模數(shù)比自然狀態(tài)侵蝕模數(shù)值偏小。盡管如此,還是要比歷史時(shí)期大出很多。用此數(shù)據(jù)計(jì)算的地貌年齡比以考古結(jié)果計(jì)算的結(jié)果偏小350a,正好支持了歷史時(shí)期水土流失日趨嚴(yán)重的這一結(jié)論。以隴東黃土高原地區(qū)的15個(gè)小流域?qū)τ?jì)算公式驗(yàn)證,結(jié)果表明,公式計(jì)算結(jié)果也不能給出一個(gè)絕對(duì)準(zhǔn)確的年份,其浮動(dòng)范圍達(dá)49.1%,所以本文將方家溝流域的地貌復(fù)原時(shí)間定在了唐代初期。考慮到考古方法只能證明其形成于425AD之后,并不能確定溝口侵蝕具體的開始年份,因此,公式計(jì)算結(jié)果更合理一些。4土地恢復(fù)和恢復(fù)4.1支毛溝現(xiàn)代侵蝕溝的發(fā)育和分布自唐僖宗乾符六年(879AD)前后,方家溝溝口附近的現(xiàn)代侵蝕溝開始發(fā)育,裂點(diǎn)以平均3.472m/a的速度沿著主干溝道向上游延伸。隨著溯源侵蝕進(jìn)一步發(fā)展,形成若干個(gè)新的裂點(diǎn)。新裂點(diǎn)的不斷產(chǎn)生,使現(xiàn)代侵蝕溝深度不斷增加,造成嚴(yán)重的下切侵蝕。同時(shí),這些新裂點(diǎn)也在持續(xù)向流域上游延伸,形成新的溯源侵蝕。直到今天,這種侵蝕活動(dòng)還在繼續(xù)。正是這種持續(xù)進(jìn)行的侵蝕活動(dòng),主導(dǎo)了流域的地貌演變。對(duì)于流域支毛溝的現(xiàn)代侵蝕溝來說,部分與主干溝道現(xiàn)代侵蝕溝的發(fā)育有因果關(guān)系,即主干溝道下切侵蝕所造成的侵蝕基準(zhǔn)面下降,對(duì)其形成和發(fā)育產(chǎn)生了一定影響。但是,還有一些支毛溝的形成,更多是受坡面徑流的影響,主干溝道的發(fā)育對(duì)其影響不大。主干溝兩岸山坡坡度都比較大,即使侵蝕基準(zhǔn)面不下降,只要有坡面匯流,就會(huì)形成溝狀侵蝕。實(shí)地考察時(shí)也發(fā)現(xiàn),一部分支毛溝的現(xiàn)代侵蝕還與人類活動(dòng)有關(guān)。方家溝溝掌附近的支毛溝溝頭的上方,或者是村莊,或者是廢棄的窯洞(圖2)。但從方家溝流域廢棄窯洞分布看,幾乎全部坐落在主干溝道現(xiàn)代侵蝕溝谷沿線以上的地勢(shì)較為平坦的臺(tái)地上,因此,這些支毛溝現(xiàn)代侵蝕溝的形成和發(fā)育時(shí)間,可能不會(huì)早于主干溝道。至于面狀侵蝕,與主干溝道現(xiàn)代侵蝕溝的形成和發(fā)育完全無關(guān),自地質(zhì)時(shí)期就存在,只是在不同時(shí)期有所不同而已。但從后文得出的數(shù)據(jù)看,它對(duì)流域地貌大勢(shì)的影響不是很大。因此,方家溝流域的現(xiàn)代地貌,可以大致看作是唐中期以后,經(jīng)過1200多年時(shí)間,才從低丘寬谷地貌演變而成。已有的研究認(rèn)為,一直到全新世中期,隴東黃土高原“土壤并沒有受到明顯侵蝕而發(fā)育完整”。本文結(jié)論很好地支持了這個(gè)觀點(diǎn)。今天站在墓冢頂部遠(yuǎn)眺溝口,還可以看出平坦河谷的痕跡。溝口附近川道狹窄,寬約200m,越往上游地勢(shì)越開闊,到溝掌附近,是一個(gè)直徑約1200m的掌地。歷史時(shí)期,這種掌地主要是當(dāng)?shù)氐纳钌a(chǎn)場(chǎng)所。筆者在隴東盆地考察時(shí),發(fā)現(xiàn)許多先秦時(shí)期的聚落遺址,就分布在掌地上。現(xiàn)在,除了環(huán)縣還有面積較大的掌地存在,其他地方均為現(xiàn)代侵蝕溝破壞,情形正如方家溝一樣。4.2恢復(fù)土地4.2.1地形地貌還原利用侵蝕模數(shù)值計(jì)算出唐僖宗乾符六年(879AD)以來方家溝流域的侵蝕總量,利用現(xiàn)代侵蝕溝空腔體積測(cè)算數(shù)值(表2),可將方家溝流域地貌復(fù)原至唐初。復(fù)原地貌時(shí),把V型谷的侵蝕物回填入V型谷內(nèi)。但利用近數(shù)十年來的侵蝕模數(shù)所計(jì)算的流域侵蝕總量會(huì)偏大,不能用其復(fù)原面狀侵蝕情況。即使這個(gè)偏大的數(shù)值,平均分布在流域內(nèi)除現(xiàn)代侵蝕溝以外的地面,發(fā)現(xiàn)過去的1129a間,地面平均被侵蝕了1.308m,無法在地形圖上表示。所以,地貌復(fù)原圖只體現(xiàn)現(xiàn)代侵蝕溝的變化。4.2.2地貌方面的缺陷方家溝主干溝溝頭平