我国不同自然带的化学剥蚀过程，本文主要内容关键词为：过程论文,自然论文,化学论文,我国论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
关键词 化学剥蚀过程 地带性 溶解性物质输移 中国东部季风影响区
1 问题的提出
溶解性物质输移是地表物质迁移的重要形式，由此导致的化学剥蚀过程是地表剥蚀的重要组成部分。但除了石灰岩地区以外，化学剥蚀对地表形态的塑造不起显著的直接作用，因此常为地貌学家所忽视。但是，从地球表层学的角度看，或者从地生态学的观点看，溶解性物质的迁移均具有重要的意义。这是因为，在地球表层物质循环系统中，溶解性物质迁移属于流水物质循环系统与生物物质循环系统的耦合部分。经风化而释放的岩石中的溶解性物质，为植物提供了矿质养分；而植物残体的矿质化，又使部分营养元素回归于包括地表水、地下水和壤中水在内的广义流水循环过程。因此，化学风化和溶解性物质的输移提供了气圈、岩石圈和生物圈之间最重要的联系，这一过程的研究，对于阐明地表物质的转化、迁移、循环的内在机制，是不可缺少的。另一方面，溶解性物质的释放和迁移，是自然地理系统中各要素综合作用的结果，反过来，它也反映了特定地区自然地理各因子的特定组合与作用方式，故通过化学剥蚀过程的研究，可以更深刻地阐明不同自然带中各自然地理因子的相互作用。同时，通过化学剥蚀过程的研究，可以查明地表化学剥蚀速率，这对于流水地貌形态的演化具有重要意义。
由于问题的重要性，自从60年代以来，已有不少学者对我国河流的水化学特征进行了研究，阐述了长江、黄河、湘江等流域的水化学特征[1～3]，并对全国及东部地区的河流水化学特征的地域变化进行了讨论[4～5]。但是，在宏观的尺度上，运用定量的方法，对我国不同自然带中化学剥蚀过程所进行的系统比较研究尚未见于报道。本文以我国东部季风影响区内70余个代表性流域的有关水文站的水化学资料为基础，对此进行了初步研究。这些水文站遍布于我国的松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、珠江等7大水系。
2 影响化学剥蚀过程的地带性因子
从本质上说，化学剥蚀是一个物理化学过程，取决于地球表层物质的化学风化以及风化产物的溶解、扩散和随水流的运动。Curtis曾把影响化学风化的环境因子分为热力学因子与动力学因子两大类[6]。前者主要取决于气温，后者则主要取决于降水。由这两项因子派生出来的流域湿润程度和植被条件，也在化学风化和化学剥蚀过程中起着重要的作用。
2.1 降雨
化学风化的各个方面，如溶解、水解、水化、碳酸化、氧化作用都必须有水的参加才能进行。年降水量决定着某一地区的水循环强度，因而与化学风化及河流溶解质的输移密切相关。年降水量较大的地区，地表径流和地下径流都比较丰沛，故化学剥蚀强度也较大。我们将我国东部季风影响区内70余个代表性流域的化学剥蚀模数（即每年从每平方公里流域面积上经河流而输送下移的化学盐类的数量）与各流域的年均降水量建立相关，可得到下列经验关系：
式中，D[,c]为化学剥蚀模数，P为年均降水量。可以看到，随着年均降水量的增加，单位流域面积上溶解性物质的迁移量明显增加。相关图中的点据有较大程度的分散，说明了其他因子如岩性等也起着重要的作用。在降水量相近的情况下，化学剥蚀模数可以相差2倍或2倍以上，这主要是由于流域中岩石的可溶性相差较大的缘故。
2.2 气温
气温影响元素和化合物的可溶性，影响化学反应的速度和方向，与降雨一起决定着化学风化的强度，同时还通过影响植被类型来间接地影响化学风化的过程。随着年均温的增高，地表溶解性物质的迁移强度明显增加。
应该指出，我国气候有雨热同季的特征，即夏季高温时也正是降雨量的高峰时期。这一因素对于化学风化和化学剥蚀是十分有利的。另一方面，在空间分布上也具有雨热同步的特征，即南方气温较高，雨量丰沛；北方气温较低，雨量亦少。因此，在化学剥蚀模数随年均温而增加的关系中，也间接地包含了降雨量的增加所导致的结果。除了年均温低于5℃的几个流域之外，点据的分布相当集中。对于年均温在5℃以上的流域，D[,c]与年均温t的关系可以近似用下式来表达：
2.3 径流
已有研究表明，径流丰度是决定河流化学特征的重要因素之一。在径流强度较大的地区，反应生成物或已溶解的物质将迅速地随水流而他移，使反应得以不断进行；另一方面，径流又是溶解性物质的搬运载体，径流越丰沛，则对溶解性物质的搬运能力越强，因而化学剥蚀强度越大。事实上，化学剥蚀模数D[,C]=C[,d]·Y[,w]式中，C[,d]为河水矿化度，Y[,w]为单位流域面积上每年的产流量，即径流模数。值得注意的是，我们将所研究流域的D[,c]与Y[,w]建立联系，可以得到下式：
式中的指数并不等于1。这是由于，C[,d]本身并不是常数，而是随Y[,w]而变化。令上列二式右端相等，解之可得：
即河水矿化度与单位面积产流量成负相关，这与前人研究中得出的径流越丰沛，则河水矿化度越低的结论是一致的。
2.4 流域干湿程度
气温和降水在不同的地区往往形成不同的组合关系，决定着流域的干湿程度。流域干湿程度一方面决定着流水及地下水的作用强度，另一方面也决定着植被类型和覆盖度，因而影响着化学剥蚀过程。
目前为大家所采用的表征气候干燥程度的指标已经不少，由于我们更为关注以流域为基本功能单元的地表物质迁移过程，故这里提出流域干燥指标I[,d]的概念，它定义为某一流域多年平均实际蒸发量E[,a]与多年平均降水量P之比。由水量平衡方程可知：
式中H[,r]为径流深，△S为流域地表水和地下水的蓄变量。若考虑闭合流域的多年平均状况，则蓄变量△S可视为零。故
依据水文资料可以由多年平均降水量和径流量计算出某一流域的干燥指标I[,d]值。
我们将我国不同自然带的70余条河流的化学剥蚀模数D[,c]与流域干燥指标I[,d]的关系点绘成相关图，二者呈明显的负相关。仔细观察后可以发现，所有点据可以用斜率不同的两条直线来表示，即：
也就是说，当D[,c]＜0.5时，随着干燥程度的增加，化学剥蚀模数迅速减小；当D[,c]＞0.5时，随着干燥程度的增加，化学剥蚀模数减小的速率要慢得多。
2.5 植被因子
植物在化学风化中起着决定性的作用，并通过化学风化为化学剥蚀和搬运提供了物质来源。由于腐殖酸和有机质的持水能力以及树木的阴蔽作用，增加了土壤湿度，而水是化学风化中不可缺少的因子。由于根系的呼吸作用，土壤空气中二氧化碳含量增加，从而增加了碳酸含量，降低了PH值，这又会加强某些化学反应。植物根系还会分泌和产生其他酸类物质，可以溶解某些矿物，对岩石起着强烈的破坏作用。在有植被作用的土壤中，微生物活动十分活跃，可以吸收空气中的二氧化碳并将其转化为碳酸，或吸收硫化物中的硫将其转化为硫酸，从而使岩石进一步遭到破坏。此外，植被保护地表免受侵蚀，因而控制着风化物的产生过程与他移过程之间的平衡，从而为加强化学风化提供必要的条件。
从地生态系统的观点看，植物中的营养元素循环也是溶解性物质迁移的一个组成部分。植物从土壤中吸收由化学风化释放的营养元素，积累于体内，当植物残体分解时，这些元素又回归于土壤。其中一部分可被植物再度吸收，另一部分则被水淋失，或者通过地表径流直接进入河流，或者通过地下水最终被补给到河流中去，参加流水中的溶解性物质循环。显然这一过程在植物繁茂的湿润热带和亚热带环境下的化学剥蚀中起着十分重要的作用。
对于我国植被分布与化学剥蚀的关系，在后文中还将作进一步的讨论。
2.6 喀斯特溶蚀率与气温及降雨的关系
随着年均降雨量P或年均温t的增加，喀斯特溶蚀率K[,r]也增加，根据文献[7]和[8]中的数据建立两者的相关关系，其关系可以用下列二式来表达：
上述二式与式(1)和式(2)在变化趋势上是完全一致的。式中K[,r]的单位为mm/a，即平均每年因喀斯特作用而蚀去的石灰岩的厚度。
3 我国东部季风影响区化学剥蚀强度的纬度分布规律
化学剥蚀速率与地带性因子如气候、植被等有着密切的关系。由于我国气候具有明显的纬度地带性，不同气候带中的化学剥蚀速率的分布应该有一定的规律性。我们将我国东部季风影响区内不同气候带70余个流域的化学剥蚀模数对于各流域的重心的纬度点绘作图，点据虽比较分散，但仍有一定的趋势。按纬度范围分级，求出各范围中流域的化学剥蚀模数平均值，然后对于各纬度范围的中值点绘作图（图1），则点据较为集中。从图中可以看到，处于热带亚热带湿润气候的华南及华中地区，为化学剥蚀模数的高值区。由此向北，化学剥蚀模数迅速减小，约在北纬45℃左右达到最小值。再往北去，到了东北，气候变为半湿润（局部为湿润），化学剥蚀模数则略呈回升的趋势。
图1 我国东部季风影响区的化学剥蚀模数D[,C]随纬度Φ的变化
Fig.1 Latiudinal variation in the chemical denudational rate D[,c]in the monsoon-influenced eastern China为半湿润（局部为湿润），化学剥蚀模数则略呈回升的趋势。
4 化学剥蚀强度的纬度变化的内在机理
化学剥蚀模数空间变化曲线的内在机理可以用不同自然带中各项自然地理因子的特定组合与作用方式来解释。为此，我们将我国东部季风影响区的年均温t、年均降水量P、流域干燥指标I[,d]和全国各省区森林覆盖率V[,c]随纬度的变化分别点绘于图2中。其中，年均温、年降水量以及流域干燥指标是根据70余个代表性流域的资料对于流域重心纬度点绘的，森林覆盖率曲线则是将各省区的森林覆盖率对于相应省区的重心纬度点绘而成。为了便于比较，我们又将上图中的4条曲线套绘于图3中，以便更加清楚地表现出各项地带性因子的地域组合关系。
从图2中可以看到，4个因子的组合在不同的自然带中有不同的方式。华南热带、南亚热带湿润区和华中、华东亚热带湿润区以高t值、高P值、低I[,d]值和高V[,c]值为特征，即气温较高，降雨丰沛，气候湿润，植被茂密，故径流丰富，水循环强度大，化学风化和生物风化都很强，因而化学剥蚀强度最大。往北去，进入半湿润带，t值、P值和V[,c]值降低，而I[,d]值升高，故化学剥蚀强度有所减弱。到了华北温带半干旱区，气温进一步降低，降雨大为减少，流域干燥指标I[,d]值达到最高点，而森林覆盖率V[,c]达到最低点，故植被作用很弱，化学风化程度低，被淋溶的元素在土壤下层发生淀积，不能有效地移动，兼之径流深迅速减小，水循环强度甚弱，故化学剥蚀强度达到最低值。再往北去，到了东北温带、寒温带半湿润区（局部可为湿润气候），降雨略有增加，气温的进一步降低则减弱了蒸发作用，故流域干燥程度减弱，森林覆盖率增加。这使得化学风化加强，水循环强度亦有增加，故化学剥蚀率略呈回升的趋势。
图2 我国东部季风影响区自然地理因子的纬度变化
a.年均温t随纬度φ的变化；b.年均降水量P随纬度φ的变化；c.流域干燥指标I[,d]随纬度φ的变化；d.森林覆盖率V[,c]随纬度φ的变化。
Fig.2 Latitudinal variations in the physico-geographical factorsin the monsoon-influenced eastern China
a.mean annual air temperature t-latitudeφ;b mean annual Precipitation P-Iatituedφ;c.drainage basin dryness I[,d]-latitudeφ;d.forestcover Vc-latiudeφ.
图3 我国东部季风影响区的年均温t、年均降水量P、流域干燥指标I[,d]和森林覆盖率V[,c]的地域组合关系
Fig.3 Areal combinations of the factors t,P.I[,d] and V[,c] in the monsoon-influenced eastern China
5 非地带性因子的作用
从本质上说，化学剥蚀强度取决于某一地区的化学剥蚀力与表层物质的可溶蚀性的对比关系。前者受到气候因子的支配，具有强烈的地带性；后者则取决于岩石自身的性质，特别是可溶性岩石的分布，因而具有非地带性。与化学剥蚀力有关的某些因子如地形等，也是非地带性的。随着经济建设的发展，人类活动对地表化学剥蚀过程的干预大大加剧，这也是一种非地带性因子。上文中关于化学剥蚀过程的讨论，实际上只涉及到化学剥蚀力的影响因子及空间变化。
一般而言，地带性因子是在宏观空间尺度上起作用，因而决定了我国化学剥蚀力的分布，并进而决定了化学剥蚀强度的宏观分布格局；非地带性因子则是在中等尺度或小尺度空间范围内起作用，使同一气候带的流域具有不同的可溶蚀性，因而造成局部点据的离散，但并不能从根本上改变上述宏观分布格局。
为了揭示岩性的差异所造成的影响，我们选择了我国华中、华南和西南亚热带和热带湿润区，将一些流域面积在10000km[2]以上的流域的溶解质输移率对于流域面积点绘作图，并以不同符号区分石灰岩广泛分布的流域和石灰岩分布较少的流域（图4）。结果表明，上述两种流域的点据各自成为一条直线，代表石灰岩流域的直线位于代表非石灰岩流域直线的上方，即在流域面积相同时，石灰岩流域的化学剥蚀量要大得多。
张立成等[3]在对湘江水系水化学特征的研究中将湘江水系的河水矿化学度分布图与流域母岩分布图进行了比较，认为湿热的气候、活跃的生物地球化学因素是形成流域水化学条件共性的制约因素，而地质与岩性则是影响该水系河水矿化度差异的主要因素，其中碳酸盐岩的分布起着控制作用。图4中的结果与他的结论是一致的。换言之，如果考虑同一气候带，则岩性的差异将是化学剥蚀率局地差异或中，小尺度空间变化的主要控制因子。虽然就平均而言，在北纬30°以南具有我国最高的化学剥蚀强度（图1），但在这一气候带中，如果流域中不出现碳酸盐岩类，则化学剥蚀率要比碳酸盐岩类占优势的流域低出很多，如广东、福建、浙江一些流域即是如此。因此，我们在研究中等空间尺度上特别是同一流域中的化学剥蚀过程时，一定要充分重视岩性因子的作用。
随着人类活动的加剧，对化学剥蚀过程的影响也日益明显。人类活动一方面通过排放“三废”，使化学物质直接进入流水，增加了水文断面上所观测到的化学盐类迁移量，另一方面通过酸雨等形式，增强了地表水和地下水的侵蚀性，使溶蚀强度增大。至于化石燃料燃烧所造成的大气中二氧化碳浓度的增加和全球增温的趋势，更将对地表化学剥蚀造成深远的影响，这一方面的研究是急待开展的。
图4溶解质输移率Q[,c]与流域面积A的关系
Fig.4 Dissolued matter transfer rate Q[,c] varying with drainage basin area A
6 结论
(1)在宏观尺度上，气温、降雨、流域干湿程度和植被是决定化学剥蚀强度的主要因子。随着气温增高，降雨增多，流域干燥程度降低和森林覆盖率增高，化学剥蚀强度也增大。岩性因素则决定了同一气候带内化学剥蚀强度的差异。
(2)化学剥蚀过程具有明显的地带性。我国东部季风影响区化学剥蚀模数的纬度变化曲线已由本研究给出，该曲线表明，我国化学剥蚀模数在华南、华中热带、亚热带湿润地区最高，暖温带半湿润区次之，华北暖温带半干旱区最小，到了东北寒温带半湿润区，又有所回升。这种地带性变化特征，可以用不同自然带中气温、降雨、流域干燥程度和森林覆盖状况4项因子的不同组合方式来解释。
CHEMICAL DENUDATIONAL PROCESSES IN DIFFERENT NATURAL ZONES OF THEMONSOON-INFLUENCED EASTERN CHINA
Xu Jiongxin
(Institute of Geography,Academia Sinica and the State Planning Commission,Beijing 100101)
Key words:Chemical denudational process;Zonality;Dissolved matter transfer;Monsoon-influenced eastern China
ABSTRACT
Based on the data of dissolved matter measurement collected from morethan 70 gaging stations in the rivers of the monsoon-influenced easternChina,this paper deals with the chemical denudational processes,including the effect of zonal factors such as temperature,precipitation,vegetation and the drainage basin dryness upon the chemical denudational rate,and the zonal differentiation in the chemical denudation in the mon-soon-influenced dastern China.As a result,a cruve has been established,which shows the latitudinal variation of the chemical denudational rate in thisregion.
It is suggesten that,at the macro-scale,temperature,precipitation,drainage basin dryness and vegetation are the main factors controlling the chemical denudational intensity.With the increase of temperature,forest cover and a decrease of drainage basin dryness,the chemical denudational trate increases.On the other hand,ata moderate and a small space scale,the rock types determine the differences in the cherical denudational rate under the same chmatic conditons.
An obvious zonality in the chemical denudational processes in the monsoom-influenced eastern China has benen indicated by this study.The chemical denudational rate is the highest in the tropical and subtropical humid areas in the southern and centralChina,and it becomes lower in the warm temperate sub-humid areas.In thenorth China warm temperate semi-aridareas,it declines to the lowest value,when going further northeastward,it increases again in the northease China cool temperate sub-humid areas.The foregoing zonal variation can be explained by the different combinations of temperature,precipitation,drainage basin dryness and vegetationindifferent natural zones ridareas,it declines to the lowest value,when going further northeastward，it increases again in the northease China cool temperate sub-humid areas.The foregoing zonal variation can be explained by the different combinations of temperature,precipitation,drainage basin dryness and vegetationin different natural zones.
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