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地理學中的人與自然:坡地及風化岩屑的生態

98/08/11 瀏覽次數 16108
地表形態與地形作用

地球近似球狀,表面細部又極不規則。「近似球狀」是來自重力之下各種擾動長期擴散累積的結果,「極不規則」則是源於各種傳輸作用的貢獻。這些促成物質和能量循環的傳輸作用,在時序上往往具有碎形特性,把地球內外的物質和能量不停搬進搬出,並把地表當作一再翻造的濾波器。一方面,地表形態持續調整它上面質能傳輸的規模和頻率,另一方面,質能傳輸也反過來不斷改造地表形態這一個濾波器,終於使地形作用和地表形態互相適應,構成耗散質能的超循環系統。

把這一種系統稱為超循環系統,是因為每一批被某種地形作用耗損、改造之後的地表材料和形態,都會無可避免成為參與、催促或阻止另一種地形作用的材料和形態。正是這種環環相扣的生化代謝特性,才使得「整個地球是一個生命體」的說法在科學上有了具體的根據。

然而,地形學就像其他的自然地理學分支一樣,有非常強烈的現象學性格!甚麼是地形?或者更直接地問,甚麼是坡地?對於許多人來說,直接指出一塊坡地,就像直接指認一棵樹一樣簡單。但是樹是確切的東西,而坡地不是。生物學者在指認、定義一棵枝幹複雜的榕樹時,不會感到任何困難。但是,對於坡度到底要大於多少度才可稱為坡地,地形學者卻沒有統一的答案。

根本原因在於坡度並非純粹的基本物性參數,不像質量、原子數或 DNA 大分子編碼一般。坡度是一個會隨丈量尺度改變而改變的導出量,並且對不同的地表材料有不同的環境效應。再看地形作用,更是非常強烈的人擇產物,我們用土壤侵蝕的經驗方程式來描寫的水土流失現象,在螞蟻看來或許應該使用土石流方程式來描寫才適當。

坡地發育模式

坡地是一種地形,坡度則是與地形和地形作用相關的參數,因為坡度規範了重力作用下地表材料的運動潛勢。想知道某種地表材料的內摩擦角,只要把它放在斜面上,逐漸加大斜面的傾角,直到它開始滑動,這時的角度就是材料的內摩擦角。當然,不可忘記尺度效應的存在。

坡地地形是地形學的核心課題,20 世紀早期雷曼創作出第1個數理模式,也就是費雪—雷曼模式。現代地形學通常都從坡地材料的風化和崩塌開始講起,並且以坡地水文和輸砂來建構第1個模式範例,討論地形學的基本觀念。

卡森與柯克比(Carson and Kirkby)改良了費雪—雷曼模式,並且討論了3種坡腳條件下的崖面發育過程。他們認為:

(1)坡腳堆積肇因於崖面崩塌下來的風化岩屑都堆放在坡腳形成崖堆坡,並阻止被覆蓋地區進一步的風化和侵蝕,使崖面崩塌趨緩,且在崖堆坡下埋藏一個逐漸向上發育的岩石凸坡。

(2)坡腳移除的成因應是崖面崩塌下來的風化岩屑剛好被坡腳搬運作用移除,搬運作用完全沒有剩餘一點挖蝕岩體的能力,於是崖下發育出一個坡度和崖堆坡近似,卻只是薄層風化岩屑覆蓋的岩幕坡。

(3)至於坡腳挖蝕,則可能是崖面崩塌下來的風化岩屑不但完全被移除,搬運作用還有剩餘能量挖蝕坡腳岩體,進一步引發崩塌,使得整個崖面幾乎保持原樣,平行後退,只在坡腳留下暫時性的大塊落石。

地形系統是複雜的。從環境觀測中可以發現,在坡腳堆積和坡腳挖蝕兩種極端的例子間,有無限多種可能的坡腳侵蝕情況。柯克比早在 1971 年就推導出不同地形作用下一系列地形剖面的本徵態,指出地形系統總是朝向本徵態發育,而這形態和系統的始初條件無關,只和給定的地形作用和邊界條件相關。

關於第四紀的研究證實,地表環境一直處於變遷中,我們當前所處的冰後暖期,只是巨大「冰室效應」中最末期的一段稍暖時代,迄今也只維持近萬年的時間。當然,柯克比的數學模式並沒有停在不實際的固定假設條件下。

拜 20 世紀後半電腦發展之賜,學者開始用電腦來研究非線性又無解析解的數學模式,以求準確描述複雜的環境系統。於此,柯克比又引進了非固定不動的板塊條件,在一場紀念他的導師邱里榮退的研討會上,柯克比報告了遠離平衡的動態坡地發育模式,為後來斷層崖面的研究開了窗口。只是,在他的雛形理論中,仍無法準確描寫地表沉積動力實況,這一缺憾只能待以後顆粒流方面的研究來補足。

另一個重要的研究課題是放寬單調岩體的假設。過去幾十年,工程地質學和岩石力學在坡地穩定性預判和護坡工程上有很大的進步,豐富了地形學內涵。中國的岩石力學專家對岩體力學和岩石水力學的研究,特別是對地表岩體裂隙的碎形研究,已經到了野外實證的水平,在工程應用上成就非凡。可惜學者尚無法把它有效引入複雜的地形系統裡。

岩體的物理化學性質多變,在崖面風化與後退的過程中,崖面下的緩坡地上的沉積物和流水的物理化學性質也會跟著變化,進而改變了緩坡上生物棲息的環境。而緩坡發育也回過頭來影響崖面應力分布,從而影響岩體裂隙的發展,以及地下水文的演變。

在崖面下的緩坡,風化岩屑和相伴的植被發育會改造它的侵蝕生態,從而在緩坡上自組織形成有序且不規則的溝蝕系統。宋約翰曾經提出一個水文地形觀察的心得,他說,從大河向上游追到分歧多端的小河,再從小河分入蝕溝,如此不斷回溯,到達坡地上每一滴水和每一粒砂石被掏出的小蝕洞,會看到一個穿透土體與岩體的立體輸水輸砂碎形網。從岩體表面和岩體裂隙的各種物理化學性質的碎形特性,到地表與植被和土壤共演出來的立體輸水輸砂碎形網,整個坡地或地表就是地景生態發育的結果。

宋約翰不但以碎形觀點重新分析地形系統,更從生態動力學觀點研究植被、地表材料、水文和土壤侵蝕之間的空間交互作用。在描述半乾燥環境植被和侵蝕之間的交互作用時,他把侵蝕作用視為一種代謝水砂的生命體,與植被形成競爭掠食水砂的生物。於是,建立起一個古典的生態動力學數學模式,描述植被和土壤侵蝕的空間競爭,這一理論為分析西班牙坡地劣化提供了極具創意的觀點。

坡地發育實例

首先以倫敦南郊的黃楊丘為例。這一帶白堊岩構成的山丘就是著名的北丘區,它的南邊就是威爾德盆地,是美國地形學者戴維斯講學英國時的田野考察區域的一部分。戴維斯為此寫下一篇論文,討論英格蘭東南的河流網路與河道襲奪,並且以他稱為地理循環的地形循環理論加以解釋。

黃楊丘曾被視為晚壯時期的坡地,從坡頂到坡腳展現出凸坡、直坡和凹坡序列,應和著戴維斯的地形理論。但是,善於懷疑宏觀理論的英國地形學者,對環繞威爾德盆地的北丘區和南丘區一帶坡地,進行仔細的地形和土壤研究,確認所謂的凹坡不過就是幾段被地表材料內摩擦角決定的直坡所連接而成的,凸坡則是土體不規則潛移擴散的產物。

黃楊丘的局部坡剖面形態,可以由上坡潛移和下坡侵蝕的本徵態模式來描述,但是等高線上的凸凹變化卻不是柯克比本徵態模式所能夠掌握的。在年降水只有 700 公釐的溫濕的英格蘭東南,溝蝕並不發達。柯林卻注意到那些使得等高線彎曲的坡地溝谷,並且以布朗運動解釋等高線的性質,借統計熱力學中的擴散模式來討論土體隨機擴散對於坡地形態的影響。

柯林不但推廣了擴散模式在地形學中的應用,更把坡地地形學的焦點從坡形轉向土體或風化岩屑,加上邱里對於地形面到底是地表面或是岩石面的質疑,啟發了 1960 年代以後地形學的發展。薄層風化岩屑覆蓋的英格蘭坡地,就在熱心研究土體擾動的地形學者觀點之下,擺脫了戴維斯的理論,回頭轉向達爾文對於蚯蚓引發土壤侵蝕的博物學傳統觀點。

再以臺灣的高山坡地情況說明上述理論。玉山主峰到南峰沿線的山稜,陡峭的崖面顯露狀似規則但又混亂的岩體裂隙,坡度最高可以超過 70 度,間或穿插幾乎向上延伸到稜線的岩屑蝕溝,而下方主要是坡度介於 30 到 40 度的岩幕或崖堆,表面是犬牙交錯的高山草甸和碎石坡。森林則出現在較低的位置,標誌著土水充足且不容易受到崩塌摧毀的高山邊坡位置。

臺灣高山崖面在坡長和坡度上都比預期小,主因就是岩體裂隙導致的不穩定。就如生物基因庫一樣,一旦某種地形單元是不穩定的,它在地景中出現的機會就會減少,且容易被穩定的地形取代。地形在空間上展示的規模頻率分布,往往就是特定地形作用的發生規模頻率與地形長期交互作用的本徵態。

在玉山山塊的某一個角落,可以觀察到大面積薄層風化岩屑覆蓋的岩幕,以及相對短小的崖面。雖然在林線以下風化岩屑厚度在局部地區有向下增加的趨勢,但在絕大多數非溝谷的情況下,風化岩屑卻大約是均厚的,標誌著崖面、岩幕及溝谷侵蝕之間的動態平衡。

在這些維持動態平衡的大量風化岩屑坡地上,臺灣原生喬木的根系也扮演著重要的角色。樹根不但盤鎖風化岩屑,更與菌類共生,深入岩體裂隙,使岩體、土體和植被共構成一張大地質能流竄的緩衝器,並以坡地底下巨大的庫存地下水來穩定河流生態。

這些曾經遍布全臺坡地數千年的古木群,已歷經幾十次的大地震、數百次的大颱風,以及不計其數的閃電大火和傳染病,卻在兩、三百年之間就從大部分的臺灣坡地上消失。如今,它們的生存仍然持續受到不當政經操作的破壞。至於與古木根系共生並由其支持的風化岩屑生態,更是很少受人關注,以致在一次又一次的天災人禍之後,成為怪手去之而後快的碎屑。

特定環境條件組合下決定的特定厚度的風化岩屑覆蓋,似乎是台灣坡地大部分的實況,而它在局部空間上展示的變化,極可能保有沉積物搬運和生態的資訊,值得研究。整體看來,臺灣坡地無所不在的溝蝕和土石流應該被整合到費雪—雷曼模式中,並在崖堆坡或岩幕坡之下附加一段水力堆積坡。張石角的「簡確山坡地建築環境評估系統」,已進一步把這一段水力堆積坡分為土石堆和土沙堆兩種,並考慮材料帶來的地形和災害作用的不同。

在石門水庫上游義興發電站的右岸坡地群的觀察中,發現每一塊坡地都有鮮明的特徵,例如每一塊坡地都和它的坡腳條件相適應,而該條件是由上游組織而來的沉積物搬運作用所決定。中義興壩下頭右岸被主流攻擊的崖坡也有相同情形。

我們的知識與工藝水平規範了我們觀看坡地的視野和方法,而我們觀看的坡地往往正是人類透過物質能量循環直接或間接介入其生態的坡地。當前坡地研究旨在了解質能循環,找尋防災、減災之道,更企圖建立永續性的土地使用和生活方式,這是我們社會當前的重大議題。

但是,不要忘記了環境史及風化岩屑自然史的複雜性,以及它們對於臺灣坡地的影響力。石門水庫上游義興電廠右岸的坡地嚴重受到人為影響,有著非常複雜的環境史。在此,坡地地形和風化岩屑既是生態運作的基礎,也是環境變遷的記錄者。

如何培養能力來閱讀大自然這種「地書」?數學、物理、化學和生物學都是必修功課,相關學科還有岩石與地質學、大氣與氣候學、生物地理與生態學、岩石與土壤力學等。最後,地形學者還必須了解人類使用土地的歷史,才能準確解釋當代地形。對於已經有了基本數學和地球科學知識的讀者,卡林和柯克比合著的經典課本應該是很好的開始。
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