中國阿爾泰山流域侵蝕速率及其控制因素

吳孟韓，姜禹彤，關 雪，逄立臣，呂紅華，鄭祥民

（華東師范大學地理科學學院，上海 200241）

0 引言

河流侵蝕是塑造活動造山帶地形的主要方式之一［1-5］。在活動造山帶背景下，構造、氣候等多種因素會影響河流侵蝕。構造活動會導致基巖抬升、增大造山帶的地勢起伏，增強河流動能，進而增強侵蝕。構造活動也可以通過影響造山帶氣候，從而間接影響地表侵蝕、改變河流輸沙量［6-10］。氣候是促進山地河流侵蝕的另一個重要因素［11-14］。一方面，氣候可以通過調整河流輸沙量與徑流量的比值來調節河流侵蝕的強弱［15-16］。另一方面，強烈區域侵蝕造成的均衡反彈引起地表隆起，亦能導致侵蝕速率的增加［17-19］。因此，地形是構造、氣候等內外地質營力共同作用的結果，辨析和區分這些因素對地貌演化的貢獻是地貌學及相關領域研究中極具挑戰性的一個科學問題［1，11］。河流侵蝕（如河流下切）在時間尺度和空間尺度上都是一個不斷變化的過程。因此，流域侵蝕速率可能取決于研究的空間尺度和時間尺度［4，20］。量化不同時空尺度下的侵蝕速率有助于理解活動造山帶地形演化及其控制因素，也有助于理解活動造山帶的地貌演化與構造、氣候和地表侵蝕之間的相互作用關系［21-23］。

阿爾泰山是中亞干旱區的一個重要造山帶。前人通過磷灰石裂變徑跡（AFT）分析，揭示了阿爾泰山中生代以來的隆升剝露歷史［24-25］。宋高等［24］基于AFT分析，約束阿爾泰山南緣30～20 Ma以來的剝蝕速率為約0.07～0.11 mm·a-1。在阿爾泰山青河—富蘊地區，低溫熱年代學分析揭示該地區經歷兩個隆升剝露階段：28～18 Ma快速冷卻階段，剝露速率為0.16～0.20 mm·a-1；8 Ma以來快速冷卻階段，剝露速率為0.22～0.30 mm·a-1［25］。但相比較而言，目前對于阿爾泰山山地流域河流侵蝕的研究還相對不足。基于此，本文選擇哈巴河、布爾津河、克蘭河、卓路特河、庫依爾特斯河、青格里河、布爾根河、烏倫古河等8個流域作為研究對象（圖1），以揭示研究區內流域侵蝕速率的空間特征。流域侵蝕速率主要基于分布在流域出山口的水文站記錄的水文數據［26］，通過河流輸沙量法進行估算。論文首先估算了研究流域的總輸沙量（包括懸移質輸沙量、推移質輸沙量和溶解質輸沙量）。進一步結合巖石平均密度和水文站上游流域的面積，進而計算得到各流域的年代際平均侵蝕速率。最后，通過對侵蝕速率與氣候、地形、巖性、構造和植被等因素進行皮爾遜相關性分析，揭示了影響流域侵蝕的主要因素。結合前人通過低溫年代學研究獲得的百萬年尺度剝蝕速率，本文也探討了阿爾泰山侵蝕速率的時間模式及其地貌學意義。

圖1 阿爾泰山地形與地質圖Fig.1 Topography and geology of the Altai Mountain（based on 1∶1 500 000 geological map and digital elevation model）

1 研究區概況

1.1 地質背景

阿爾泰山位于亞洲中部［圖1（a）］，平均海拔大于2 000 m。在早古生代至中古生代俯沖和增生之后，阿爾泰造山帶最終形成［27］。山地及山麓地區主要發育NW—SE走向的額爾齊斯斷裂、富蘊斷裂等大型走滑斷裂［圖1（b）］。裂變徑跡分析結果表明，阿爾泰山地區的斷裂構造在新生代再次復活［28］。阿爾泰山地主要出露由玢巖、細砂巖、花崗巖、片巖等組成的寒武系地層和由石英片巖組成的泥盆系地層，缺乏中生代和新生代地層。對阿爾泰山花崗巖體的地球化學特征、侵位年齡的研究表明，花崗巖體主要在460～370 Ma侵位于島弧環境中［28］。新生代地層主要出露在阿爾泰山山麓，特別是在準噶爾盆地北緣額爾齊斯河和烏倫古河沿岸出露較多［29］，這些地層產狀水平，未經歷顯著的構造變形［29］。出露的新生代地層主要包括五個巖性單元，自下往上分別是鐵爾斯哈巴河組、索索泉組、哈拉瑪蓋組、可可買登組、丁山鹽池組［30-31］。第四系主要為河流相沉積，出露于額爾齊斯河和烏倫古河沿岸［圖1（b）］。

1.2 河流、氣候和植被

中國境內的阿爾泰山主要發育兩個水系，即額爾齊斯河和烏倫古河。額爾齊斯河包括哈巴河、布爾津河、庫依爾特斯河等支流，烏倫古河的支流有青格里河、布爾根河。這些支流均由北向南流經阿爾泰山。在本文選擇的8個流域中，烏倫古河流域面積最大，為18 923 km2，卓路特河流域面積最小，為262 km2，其余6條河流的流域面積在1 000～10 000 km2之間（表1）。

表1 基于水文資料的阿爾泰山8個山地流域侵蝕速率估算Table 1 Estimated basin-wide erosion rates of eight drainage basins in the Altai Mountains derived from hydrological data

阿爾泰山屬于典型的溫帶大陸性氣候，冬季漫長而寒冷，并伴有一定降雪；夏季短暫而溫暖。受西風環流和北冰洋冷氣團的影響，阿爾泰山地區的降水空間分布不均，并隨海拔和地形的變化而變化。一般來說，山麓降水量小于山區［32］（圖2）。河水補給主要依賴冰川融雪和大氣降水，具有明顯的季節性變化特征［33-35］。中國境內的阿爾泰山平均氣溫3～9℃（圖3），極端最高氣溫39.8℃（福海水文站1965年7月24日觀測值），極端最低氣溫-49.8℃（富蘊水文站1969年1月26日觀測值）。阿爾泰山山地植被為山地草原針葉林區，山麓地區則為溫帶荒漠區。阿爾泰山地區主要的植被類型有高山草甸、高山草原、溫帶草木和灌木荒漠等［36］。

圖2 阿爾泰山降水空間分布Fig.2 Spatial distribution of precipitation in the Altai Mountains（The data is downloaded from China Meteorological Data Network，covers the period of 1964—2011 and has a spatial resolution of 0.5°×0.5°）

圖3 阿爾泰山氣溫空間分布Fig.3 Spatial distribution of air temperature in the Altai Mountains（The data is downloaded from China Meteorological Data Network，covers the period of 1964—2011 and has a spatial resolution of 0.5°×0.5°）

2 研究方法

2.1 山地流域侵蝕速率的估算

本文利用1964—2011年《中華人民共和國水文年鑒》的水文數據估算河流總輸沙量（包括懸移質輸沙量、推移質輸沙量和溶解質輸沙量）［26］，并進一步根據流域面積等估算流域平均侵蝕速率。

水文數據來源于山前的8個水文站［圖1（b）］，分別記錄了8條河流的懸移質輸沙量（表1）［26］，但未測量推移質輸沙量。前人研究表明，可以基于推移質輸沙量與懸移質輸沙量的比值（推懸比）對推移質輸沙量進行估算［6，37-39］。劉光文［40］認為中國山區河流推懸比約為15%～30%。Pan等［6］、Guan等［41］認為祁連山地區及天山地區河流的推懸比約為15%。綜合考慮，本文采用15%的推懸比來估算各河流的推移質輸沙量（表1）。

溶解固體（K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-）代表了水中大部分的溶解質，因此溶解質輸沙量可大致等于溶解固體的總量［6，42-43］。Zhu等［44］在阿爾泰地區的部分河道和水體進行過水化學測量（表2）。基于得到的水化學數據［44］，本文估算了相應河流的溶解質輸沙量，并發現流域年徑流量與溶解質輸沙量之間呈線性關系。本文基于圖4所示的部分流域年徑流量與溶解質輸沙量的線性關系，估算了阿爾泰山其他山地流域的溶解質輸沙量（表1）。

圖4 溶解質輸沙量與年徑流量對數散點圖（數據見表2）Fig.4 Log scatter diagram of mean annual runoff and estimated solute load（The data is shown in Table 2）

表2 阿爾泰山水化學站離子數據及估算的溶解質輸沙量Table 2 Ion data of hydrochemical stations and solute load in the Altai Mountains

基于8個流域的年懸移質輸沙量、推移質輸沙量和溶解質輸沙量，即可得到流域年總輸沙量，是所選擇的水文站點上游流域多年總輸沙量（即侵蝕量）的平均值（表1）。流域的平均侵蝕速率（R）計算公式［6］為

其中：S為年平均總輸沙量（104t）；A為站點上游流域面積（km2）；ρ為基巖密度（g·cm-3），通常假設基巖密度為2.65 g·cm-3。

2.2 山地流域侵蝕影響因素的提取

為揭示影響阿爾泰山山地流域侵蝕的主要因素，本文選取氣候、地形、巖性、構造和植被等潛在因素［45-49］，將之與流域侵蝕速率進行皮爾遜相關分析。

為探討氣候是否為控制山地流域侵蝕的主要因素，前人選擇流量、年徑流量、徑流變異系數、平均降水量和平均溫度等作為表征氣候的主要變量［45，49］。本 文 亦選 以上氣 候因 子進行 相關 分 析（表3），徑流深度、徑流記錄在水文資料中（表4），降水和氣溫數據來源于中國氣象數據服務中心（2015年），數據空間分辨率為0.5°×0.5°。根據水文資料的記錄時間區間，降水和氣溫數據的時間跨度也為1964—2011年。通 過使 用ESRI ArcGIS 10.6的“Geostatistical Analyst”工具中對下載的數據處理，然后使用克里金插值法得到各流域的平均降水和平均溫度（圖2～3，表4）。

表4 阿爾泰山8個山地流域的氣候與地形因子Table 4 Climatic and topographic factors of eight mountain catchment basins in the Altai Mountains

參考前人的研究［5，17，50］，本文采用最大高程、平均高程、地形起伏度、局部高差、流域面積和坡度等地形因子分析流域的地形特征。數字高程數據（DEM）來源于地理空間數據云中的ASTER GDEM 30 m分辨率數字高程數據，表3所示的地形參數均使用ESRI ArcGIS 10.6的“Spatial Analyst”工具于數字高程數據中提取。

表3 可能影響流域侵蝕的氣候與地形因子［6，45］Table 3 Climatic and topographic factors that may affect catchment basin erosion［6，45］

流域植被條件用歸一化植被指數（NDVI）進行表征。NDVI綜合反映某一區域的植被類型及形式［51］，NDVI與植被分布密度呈線性相關，NDVI值越大，植被覆蓋度越高［52］。因此，盡管NDVI只是間接測量植被，但其數值也可以用來指示地表植被狀況［53-54］。NDVI通過測量近紅外（NIR，植被反射）和紅光（RED，植被吸收）之間的差異量化植被，計算方法［55］為

NDVI由2000—2011年的MODIS數據計算，MODIS數據由美國國家航空航天局（NASA）網站獲得，使用ESRI ArcGIS 10.6的“Spatial Analyst”，MODIS數據的分辨率為250 m。

由于缺少阿爾泰山變形速率的空間分布資料，本文采用累積地震矩［8，45］評價區域構造活動，并進一步探討構造對流域侵蝕的影響。流域內地震產生的標量地震矩M0之和為該流域的累積地震矩（lgM0）［8，45］，累積地震矩一般用于估計地震引起的累積應變。標量地震矩M0值由震級Ms≥3.0的地震數據計算［56-58］。

考慮到本文所用水文數據年份為1964—2011年，計算累積地震矩（lgM0）所用地震資料的時間跨度選擇1900—2011年，地震數據來自美國地質勘探局（USGS）。利用ESRI ArcGIS 10.6的“Spatial An?alyst”工具，采用反距離加權插值法對8個分析流域的累積地震矩（lgM0）進行空間分析。

2.3 皮爾遜相關分析

前人研究利用皮爾遜相關分析揭示影響流域侵蝕的主要因素［6，8，46，49］，本文同樣采用該方法對以上提取的潛在影響因子和流域侵蝕速率進行相關分析。皮爾遜相關系數（r）可以衡量兩個變量之間的線性相關程度，它是一個無量綱的值，取值范圍為?1～1。r值為正表示兩個變量之間呈正相關，r值為負表示負相關。相關系數r的絕對值越接近1，兩個變量之間的相關程度越高；相關系數r的絕對值越接近0，兩變量的相關性越弱。假設兩個變量x和y，它們之間的皮爾遜相關系數定義為協方差與標準差的比值，計算方法為

式中：E為協方差；std為標準差。按照Champagnac等［12］的標準，本文將相關性的質量做如下所定義：|r|≥0.7為“高度相關”；0.5≤|r|<0.7為“相關”；0.3≤|r|<0.5為“一般相關”；0<|r|<0.3為“弱相關”；|r|=0為“無相關”。相關分析在0.05和0.01置信水平下進行顯著性檢驗［49］。

3 結果

本文分析的阿爾泰山8個山地流域的懸移質輸沙量、推移質輸沙量、溶解質輸沙量和總輸沙量計算結果如表1所示。布爾津河山地流域的總輸沙量最大，為6.2×105t。卓路特河流域的總輸沙量最小，為2.41×104t。進一步根據流域總輸沙量估算山地流域年代際侵蝕速率（圖5，表1），其中烏倫古河流域侵蝕速率最小，為0.01 mm·a-1；克蘭河流域侵蝕速率最大，為0.05 mm·a-1。分析得到的8個山地流域侵蝕速率盡管存在差異，但處于一個數量級。整體來看，阿爾泰山平均年際流域侵蝕速率為

0.03 mm·a-1。

地形坡度分析結果見圖6，累積地震矩和NDVI的結果分別如圖7和圖8所示。坡度分析結果表明，庫依爾特斯河流域坡度最高，烏倫古河流域坡度最低（圖6）。累積地震矩的結果表明，庫依爾特斯河、烏倫古河、青格里河流域累積地震矩值較其余5個流域高（圖7）。各流域的歸一化植被指數表明，從南到北植被覆蓋率逐漸增加，植被最茂盛的地方在海拔相對較高的區域（圖8）。

圖7 1900—2011年阿爾泰山8個山地流域的累積地震矩Fig.7 Cumulative seismic moment map of eight mountain catchment basins in the Altai Mountains during 1900—2011（The seismic data is downloaded from USGS and obtained by inverse distance weighted interpolation method）

圖8 阿爾泰山8個山地流域的歸一化植被指數（NDVI）分布Fig.8 Spatial distribution of NDVI of eight mountain catchment basins in the Altai Mountains（NDVI is calculated based on MODIS data during 2000—2011 with the resolution of 250 m，and MODIS data is obtained from the National Aeronautics and Space Administration website）

皮爾遜相關分析結果如表5所示，可以看到流域侵蝕速率與各潛在的影響因素間的相關性不同。例如，侵蝕速率與徑流深度呈正相關關系（r=0.59），侵蝕速率與累積地震矩負相關（r=-0.27）。此外，流域侵蝕速率與植被呈負相關關系（r=-0.82）；NDVI較高的區域，侵蝕速率較低。

4 討論

4.1 年際流域侵蝕速率的潛在不確定性

本文利用實測的懸移質含量計算得到流域懸移質輸沙量（表1）。考慮到懸移質輸沙量在總輸沙量中占主要比例［6，40］，因此，本文由此估算的流域總輸沙量以及最終得到的侵蝕速率具有合理性，但仍存在三個方面的不確定性。首先，本文所涉及的8個水文站的監測時間不連續（表1）。如果在未進行監測的時段發生一些極端事件（如洪水、泥石流等），這些過程對侵蝕速率的影響可能將被忽略。在這種情況下，山地流域年代際侵蝕速率可能會被低估。其次，本文假定分析的8個山地流域的推移質輸沙量與懸移質輸沙量比值為15%［59-60］，該假設可能會給總輸沙量的估算帶來一定不確定性。最后，基于部分阿爾泰地區水化學站點流量與溶解質輸沙量之間的線性關系（表2、圖4），通過流量估算阿爾泰山其余分析流域的溶解質輸沙量（表1）。雖然溶解質輸沙量在總輸沙量中所占比值一般較小［6，37］，但本文的處理方式也可能會導致最后估算的流域侵蝕速率存在不確定性。

4.2 影響阿爾泰山山地流域侵蝕的主控因素

盡管目前難以準確量化氣候、地形、巖性、構造和植被等因素對于山地流域侵蝕的影響，但這些因素與侵蝕速率間的相關性分析有助于揭示影響山地流域侵蝕的主控因子［6，8，46，48-49］。皮爾遜相關分析是開展這一工作的有效方法［48］。

額爾齊斯河與烏倫古河均起源于阿爾泰山的冰川與冰緣區，河流補給主要依賴冰川融水。氣溫與年徑流量之間較強的正相關關系（r=0.62）表明（表5），氣溫的變化直接影響冰川融水，從而導致徑流變化。此外，輸沙量與氣溫（r=0.31）、年徑流量（r=0.83）相關性較高，表明氣溫和流域年徑流量對侵蝕作用產生重要影響。相似的正相關關系也在徑流深度與山地流域侵蝕速率（r=0.59）之間觀察得到。這表明，氣候因素對阿爾泰山山地流域侵蝕過程產生了重要影響。這一認識與前人在美國華盛頓喀斯喀特［11］、喜馬拉雅［61］等地區的觀測結果一致。侵蝕速率和大氣降水之間無顯著相關性（r=-0.12）進一步表明（表5），氣候因素中可能氣溫才是影響阿爾泰山山地流域侵蝕的重要因素之一。

表5 流域侵蝕速率與潛在影響因子的皮爾遜相關系數Table 5 Pearson correlation coefficient between watershed erosion rate and potential impact factors

地形是影響山地流域侵蝕的另一潛在因素［12］。一般來說，流域經歷強烈構造活動會使山地流域地形陡峭、風化加強，進而增強流域侵蝕［50］。本文的相關分析表明，侵蝕速率與平均高程（r=0.47）、平均坡度（r=0.59）之間存在正相關關系，但與最大高程（r=-0.41）、流域面積（r=-0.81）和地形起伏度（r=-0.37）呈負相關關系（表5）。這表明，平均坡度和平均高程等地形因子對阿爾泰山山地流域侵蝕起到了積極作用。

不同類型的巖石由于成巖環境、礦物成分、結構等方面的差異，對風化和侵蝕作用的抵抗能力不同［62］。諸如石英巖、石英砂巖等巖性的抗風化能力強，不易遭受侵蝕；而如粗粒花崗巖、片麻巖、頁巖和片巖等巖石相對容易被風化、侵蝕，抗侵蝕能力相對要弱［63］。地質圖顯示［圖1（b）］，本文分析的阿爾泰山8個山地流域的地層中，哈巴河與布爾津河流域地層中含有震旦—寒武系白云巖、灰巖等可溶性巖類，這可能是導致哈巴河與布爾津河流域中溶解質輸沙量占比較高、流域侵蝕速率較大的原因之一。

構造是影響活動造山帶地表侵蝕另一個潛在因子。由于阿爾泰山山地范圍構造活動速率數據不足，本文通過地震矩分析來探討構造因子對阿爾泰山山地流域侵蝕的可能貢獻。皮爾遜相關分析結果顯示，阿爾泰山山地流域侵蝕速率與累積地震矩呈負相關關系（r=-0.27）。例如，庫依爾特斯河流域的侵蝕速率較小（0.03 mm·a-1，圖5），但指示地震活動性的累積地震矩較高（圖7）。克蘭河流域的累積地震矩較低（圖7），但山地流域侵蝕速率較大（0.05 mm·a-1，圖5）。天山地區也得到山地流域侵蝕速率與累積地震矩呈負相關關系這一結果［41］。但臺灣造山帶流域侵蝕結果［45］與阿爾泰山山地流域和天山北部流域的不同［42］，可能是由于氣候環境（特別是降水強度）存在差異。與臺灣造山帶受東亞夏季風控制不同，北天山和阿爾泰山位于亞洲內陸，其半干旱氣候導致地表徑流有限等不利于沉積物向集水盆地外運移［8，64］。地形起伏度是流域內點的最大高程和最小高程之差，可以反映山地流域潛在的侵蝕強度［6］。構造活動會改變造山帶地形起伏狀態。局部高差、最大高程等地形因素可作為構造活動的指標。相關分析（表5）表明，阿爾泰山流域侵蝕速率與最大高程（r=-0.41）和地形起伏度（r=-0.37）呈負相關關系。綜合以上結果，初步認為構造可能不是控制阿爾泰山山地流域現代侵蝕的主要因素。

最后分析阿爾泰山植被條件（基于歸一化植被指數NDVI進行評估）和流域侵蝕之間的關系。Starke等［65］指出，在氣候干旱（降水<100 mm·a-1）和植被稀疏（植被覆蓋<20%）的地區，NDVI與侵蝕速率的相關關系表現為弱相關或中度負相關。皮爾遜相關分析結果表明，額爾齊斯河支流的山地流域侵蝕速率和NDVI呈負相關關系（r=-0.82），與新疆天山地區山地流域研究得到的結論相同［41］。地表植被能增加地表粗糙度，減小地表徑流，從而能夠抑制地表侵蝕、降低地表侵蝕速率［65］。

4.3 阿爾泰山侵蝕速率的地貌意義

探究山地流域侵蝕速率的時間變化特征對理解研究活動造山帶地貌演化具有重要意義。前人通過低溫熱年代學研究獲得了阿爾泰山部分地區的隆升剝露速率［24-25］。宋高等［24］基于磷灰石裂變徑跡分析，得到阿爾泰山南緣30～20 Ma以來的剝蝕速率為約0.07～0.11 mm·a-1。在阿爾泰山青河—富蘊地區，低溫熱年代學分析得到28～18 Ma以來的剝露速率為0.16～0.20 mm·a-1，8 Ma以來的剝露速率為0.22～0.30 mm·a-1［25］。本文分析得到的阿爾泰山8個山地流域的平均年代際侵蝕速率為約0.03 mm·a-1。綜合來看，阿爾泰山地區晚新生代的剝蝕速率與年代際山地流域侵蝕速率都偏小，且不同時間尺度的侵蝕速率似乎差異不大。偏低的流域侵蝕速率也被報道于祁連山和北天山［6，41］。初步認為，中亞地區新生代持續干旱化的氣候［30］可能制約了阿爾泰山的山地侵蝕，從而使得山地流域侵蝕速率偏低。崔之久等［35］曾對阿爾泰山哈納斯河流域及其周邊地區的冰川地貌等研究后發現，阿爾泰山第四紀冰川作用強烈。這是否意味著阿爾泰山山地流域在第四紀具有較大的侵蝕速率？抑或在整體偏干旱的氣候背景下，冰川作用并沒有導致偏大的山地流域侵蝕速率？回答這些問題，需要開展進一步研究，特別是基于河沙10Be濃度估算山地流域侵蝕速率，或者基于河流階地研究揭示晚第四紀河流下切速率。

5 結論

量化不同時空尺度山地流域侵蝕速率是理解活動造山帶地貌演化的關鍵。本文分析了阿爾泰山地區山地流域侵蝕速率的時空格局，結合前人研究結果探討了阿爾泰山造山帶的地貌演化。利用1964—2011年的水文數據，估算了哈巴河、布爾津河、克蘭河、卓路特河、庫依爾特斯河、青格里河、布爾根河、烏倫古河共8個流域的總輸沙量，然后結合基巖密度和水文站上游流域的面積，估算每個分析流域的侵蝕速率。阿爾泰山8個流域的年代際平均侵蝕速率為0.03 mm·a-1。流域侵蝕速率與氣候、地形、植被、構造等因子之間的皮爾遜相關分析結果表明，地形、氣候可能是影響阿爾泰山流域侵蝕的主要因子。基于低溫熱年代學研究得到的百萬年尺度山地剝蝕速率（0.07～0.3 mm·a-1）與基于水文資料得到的年代際山地流域侵蝕速率（0.03 mm·a-1）均偏低的現象說明，中亞地區晚新生代持續干旱的氣候條件可能制約了阿爾泰山的地表侵蝕。