2. 是山坡壶穴还是蹄窝？

暴雨流成因的山坡壶穴在基岩裸露、光秃秃的山上尤其常见， 例如，在美国加州的东南部、犹他州、内华达州、亞利桑那州的山上，这类暴雨流成因的壶穴比比皆是。

典型的暴雨流成因的壶穴可见于北京西山的峰口鞍（115.9992° E, 39.9258° N）、牛角岭（116.9638° E, 39.9638° N）和石佛岭（116.0075° E, 39.9747° N）等处的基岩路面上，其中峰口鞍的侏罗系粉砂岩山坡路面上有暴雨壶穴120多个， 最大直径达30 cm，深度达33 cm，壶穴之间的距离无规律性。牛角岭有410多个大小不等的暴雨壶穴，分布不均匀，间距变化很大（图4）， 基岩为钙质或泥质胶结的粉砂岩或含砾砂岩。石佛岭的暴雨流壶穴目前发现的只有几十个，由于基岩为相对致密、孔隙度小的奥陶纪石灰岩， 暴雨流壶穴普遍较浅（˂6 cm）。

图4. 北京西山（王平镇韭菜园村）牛角岭的山坡壶穴，由无数次暴雨重复冲刷而成，却被人误认为“京西古道”上骡马驴的蹄窝。

Fig. 4. Typical storm-induced potholes observed at Niujiaoling, Western Hills, Beijing, which were erroneously interpreted by Dechen Su (2016) as hoof holes.

 

可惜，北京西山的暴雨流壶穴被误认为骡马驴的蹄窝， 并以此想象出下列情形：明清两朝，数百年间，年复一年、运货驮煤的马骡驴，蹄子下钉了铁掌，日夜不断地穿行往来，把古道上的坚硬的基岩路面踩磨得锃光瓦亮，留下了永久的痕迹——串串蹄窝（(北京市门头沟区文化文物局， 2001；陈保亚等， 2016； 苏德辰， 2016)。牛角岭所在王平镇韭菜园村还把“蹄窝”围起来开发成“京西古道”的旅游景区。

经实地考察发现，北京西山的暴雨壶穴具有如下特点：

（1）    无论壶穴大小与形态，以及内中有水无水，但皆有岩砾、沙粒（图4a-c），正是暴雨流冲动这些岩砾与沙粒不断研磨着坑内的石面，久而久之才形成山坡壶穴。

（2）    雨后坑内积水，水-岩发生化学反应，使孔隙度较高的沉积岩发生风化蚀变（呈红黄色， 图4a-b），岩石发生软化，使其更容易被研磨刻蚀，形成洼坑。

（3）    北京西山的石坡上有许多比骆驼、驴蹄、马蹄小很多的冲刷坑，其直径还不到硬币大小，这些凹坑不可能是骆驼、骡、马、驴的蹄子踩出来的（图4d）。

（4）    冲刷坑主要沿暴雨流容易集中的低洼沟槽部位分布（图4a），冲刷坑具非对称性，即进水处缓、出水处陡，指示水流方向至上而下，这是暴雨流壶穴的普遍特征。若是蹄窝，马帮有去有回，双向行走，骡马踩出来的就不会有这样的非对称性。

（5）    还有的壶穴具有明显涡旋形状。受地势影响，流水从一侧进入冲刷坑，涡流裹挟着沙砾研磨坑壁，逐渐形成涡旋形状的壶穴，这样的坑是骡马驴踩不出来的。

（6）    冲刷坑内只见横向圆圈刻痕，却不见纵向刻痕。横向圆圈刻痕是流水冲击岩砾刻画沉积岩而成。若是由马踩驴踢，纵向刻痕必不可少。

（7）    许多凹坑出现在陡坡上（图4e）或紧贴山岩陡壁的地方， 那些地方明显是骡马驴不可能常去的地方。

（8）    没有任何凹坑具马蹄形状（图4）。暴雨流冲刷形成的山坡壶穴的形状受岩石层理与多组构造节理定向的控制，形状多变，可以呈菱形，三角形, 哑铃形等。事实上，冲刷坑起源之地总是出现在岩石层面与两组共轭或多组节理交汇处，那里是薄弱地段，容易形成初始的洼坑，然后岩砾与砂粒被暴雨流水冲入，进行磨蚀，坑越来越大，坑壁越来越光滑。

（9）    凹坑的深度与基岩路面的坡度成正比，即地形较陡的地方，壶穴普遍较深（最深者约33 cm）， 坡度较缓的路段，则壶穴较浅，一般介于1~10 cm之间。这种的现象正好说明北京西山的凹坑是暴雨流冲刷而成的，因为下暴雨时，水流的速度随地面坡度增加而增加。水流急，砾石与砂粒对山坡壶穴的底部与穴壁磨蚀就快。

 

陈保亚等（2016）与苏德辰(2016)等提出北京西山基岩路面那些形态各异、深达30多cm的凹坑是打了铁掌的骡马驴日复一日、年复一年的踩出来的。据学者邱仲麟（2016）估计，北京每人每年使用煤约250 公斤。据韩光辉（1996）的《北京历史人口地理》与高寿仙（2014）的《北京人口史》， 明朝崇禎年间，北京人口约有 70 万。李自成进京与清兵入关的战争使得北京人口降至15 万多，顺治四年（1647）京城人口恢复到54 万左右。康熙二十年（1681）时，城内人口约为64 万，乾隆四十六年（1781），京城人口约近78 万。此后，城居人口没有大幅增加。光绪八年，城内人口仍与乾隆四十六年差不多。即使按80 万计，则每年用煤约20 万吨（比苏德辰说的32万吨要少很多）。驴的负载能力不高， 每次能运约100 kg，行走速度不快，每年运输20 万吨煤则需要约2万头驴。马的价格比驴骡高很多，当时的马多用于军事和邮驿，取其挽乘之功和快速之长，不太会用于干驮煤这样的粗话（乾隆28年，50 kg煤才卖50文钱），否则成本太高。骡的耐力比马强，负载力比驴强， 每次可以驮100-150 kg。 自清朝定都北京到民国初，从西山向北京运煤却主要靠骆驼。乾隆年间的周广业在《过夏杂录》和光绪年间的孙宝瑄（1874-1924）在日记中都写过：“京师运煤，多用骆驼”。“一驼可负四百斤（200 kg），伏地装货，捆载毕，牵之即起，则力能胜任；不能即起，则所任太重，当为减去”。华学澜在《庚子日记》十二月十六日记道：“早，酌升出城，卸煤十四骆驼，共五千六百十斤”。同月十九日华学澜再次写道：“早，卸煤三骆驼，共净煤一千一百八十五斤”。可见，每驼驮煤约四百斤（200 kg）。 1886年，一匹骆驼售价40~50两白银（福岛安正， 1886），当时一个六品官员（正局级）年薪才45两银子。当时，北京运煤的商号以钱粮胡同的鸿顺和观音寺的大德生两家最大，后者有690匹骆驼（邱仲麟， 2016）。大家知道，骆驼蹄子是肉掌， 无法往上打铁掌。 为了防止骆驼磨破肉掌，人们给它们蹄子套上了特制的“皮布娃”（皮鞋）， 这也与陈保亚等（2016）与苏德辰(2016)等人的铁掌在坚硬岩石上踩出蹄窝假说向悖。

驼蹄

元朝的熊梦祥《析津志》记录说：“城中内外经济之人（商家），每至九月间买牛装车，往西山窑头载取煤炭，往来于此”。“冬月，则冰坚水固，车牛直抵窑前；及春则冰解，浑河水泛则难行矣。往年官设抽税，日发煤数百（车），往来如织”（北京图书馆善本组《析津志辑佚》，北京古籍出版社1983年版）。当时的析津府即后来的北京。上述记载似乎反映元朝时北京主要用牛车运煤，而不是苏德辰（2016）所说的用骡马驴背荆筐驮煤，后者的运输效率明显小于前者。此外， 北京的用煤也并不是全都来源于西山。清朝的漕运非常发达，从山东或唐山沿水路用船往北京运煤也是常有的事。乾隆、嘉庆年间，“商贾辐輳，炭窑时有增置。而漕运数千艘，连檣北上，载煤动数百万石，由是矿业大兴” （邱仲麟， 2016）。道光三十年（1850），华长卿(1805-1881)有诗为证：“秋熟丰年稼，如云颂大田。羊牛来夕矣，妇稚乐欣然。远景绿千里，晚霞红半天。琉璃河畔水，乱泊载煤船”。光绪十三年(1887年) 闰四月，史梦兰（1813-1898）自唐山河头登舟西行，赴定州访王灏，途中作《东西淀舟行杂咏》：“新河潮汐接芦台，早晚煤船次第开。不是家家养乌鬼，纷然指道黑猪来。”诗註表明“煤船为黑猪”。据《房山县志（民国）， 卷2， 交通、路政》，1909年，房山到青水港74 km长的运煤索道建成，最多一年运煤18万吨。京汉铁路于1906年以及西直门到门头沟的铁路于1909建成通车，从此用火车向北京运煤， 效率大增。

持蹄窝说的人认为，北京西山的这些凹坑位于基岩路面上，后者高出永定河河道40~230 m，“ 京西古道不受河水冲蚀”，“河水根本不可能经过的（西山）峰口鞍、牛角岭和石佛岭三个（准）垭口位置， 这些位置不存在河流的冲刷作用，也不存在长时间大量雨水的冲刷作用。流水冲刷形成壶穴的条件在京西古道上根本不存在”（苏德辰， 2016）。他们坚持认为：在降雨量较小的北京地区，壶穴只有在永定河与大石河的河道上才能形成（例如， 延庆县大庄科乡的白龙潭， 就是河道上流水冲刷出来的壶穴，吕洪波等， 2010; 章雨旭和刘恋，2011）。吕洪波等也（2008）强调， “壶穴是光滑的圆形、碗状或圆柱形的凹坑（通常情况下这些坑的深度大于直径），是由涡流或水流携带石头或粗沉积物研磨基岩河床形成的，在强急流或瀑布下方容易形成”。从澳大利亚大红山的实例分析看来， 上述的认识明显是不全面的，暴雨形成的水流照样可以在基岩山坡上形成壶穴。同理， 过去人们以为是第四纪冰川或差异性溶蚀作用形成的山脊壶穴（韩同林等， 2000， 2001；章雨旭， 2005； 章雨旭和刘恋，2011）, 也可能是暴雨流成因的。可见，不要以为壶穴必须是在水很深的河道里才能形成， 而忽略暴雨流对山坡的冲刷与携带岩块对基岩的磨蚀与溶蚀作用。有的人从“壶穴”的“壶”字联想到茶壶或水壶的形状，以为任何地方的壶穴都必须具有“口小、肚大、底平”的特点。其实不然，壶穴在不同环境形成的形态具有多样性，而且壶穴发展有个过程，先开始是浅盘子、然后深盘子、碗、桶的形状。壶穴的直径向下能否变大，主要取决于向下的岩性是否更软或更硬。若有软岩，则变大。

图5. 1949年来北京地区年降雨量的情况。平均值为601.2 mm/年， 最大值达1406 mm/年。

Fig. 6. Variation of annual rainfall in the region of Beijing (1949-2016) with an average value of 601.2 mm/year and the maximum of 1406 mm/year (1959).

 

持蹄窝说的人刻意强调：“京西地区的气候属于典型的大陆性季风气候，年平均降水量仅数百毫米”、“北京西山处于长年干旱的北方、又位于山脊上的牛角岭根本不具备形成壶穴的河流条件”， 所以，山坡上的洼坑肯定就是骡马驴的 “蹄窝” （苏德辰， 2016）。可见，他错在以为壶穴只有在河床上才能形成。图5表示1949年以来北京地区年降雨量的情况， 平均值为601.2 mm/年， 最大值达1406 mm/年（中国气象灾害大典：北京卷》， 温克刚, 谢璞， 2005）。澳大利亚大红山地区的年平均降雨量仅为307.7 mm，比北京地区少近一倍。尽管如此，在数以千年计的时段里，一次又一次的暴雨还是在大红山光滑的山坡上迅速汇聚，顺坡冲刷， 形成一系列壶穴（图1-3）。

大凡对气象知识有所了解的人都知道，中国的大暴雨常发生在北方而不是南方，原因是：印度洋蒸腾出的水汽，被夏季风从孟加拉湾或南海方向，带入中国大陆。湿润的季风一旦在中国北方碰到强劲的冷空气，就会在短时间形成大量降水，就好像毛巾里的水被一双有力的手拧出来一样。这就是为什么我们在中国的夏季云图上经常看到西南———东北走向的白色的云雨线上，有几个凝结的“云团”，它们是冷暖空气纠结的中心，也是暴雨的母巢，它们常位于中国的北方。例如，1963年8月4日，华北降大暴雨，河北邢台市内丘县獐么乡的最大日雨量为950 mm。当时报纸报道，中央调动八个师保卫天津，以防海河决口淹没城镇。同年8月8日，北京降大暴雨，朝阳区来广营的最大日雨量为464 mm， 240平方公里被淹。1972年7月27日，北京降大暴雨，怀柔区怀北镇枣树林的最大日雨量为479.2 mm。2012年7月21日，北京降大暴雨，房山区河北镇最大日雨量为460 mm，暴雨造成洪灾，冲垮了很多道路、桥梁、田埂、农庄、房屋， 造成79人死亡，房屋倒塌10660间，160.2万人受灾，经济损失116.4亿元。这些降雨量还不是华北最大的。1975年8月5日至7日，华北大暴雨，河南省中部漯河、驻马店、南阳和平顶山之间的淮河上游地区总雨量超过1000 mm的面积达到1460平方公里。暴雨中心在河南省沁阳县林庄，3天总雨量达到1605 mm， 其中最大的日降雨量为1054 mm。1977年8月1日到2日，在陕西内蒙古交界的毛乌素沙漠里，降水更高达1400 mm。这样的日降雨量超过常受台风影响的广州与海口，广州同类数据的记录不过是320 mm，海口是333 mm。长江流域各地，超过300 mm也是“百年一遇”的级别。

史书上有关北京西山地区暴雨成灾的记录比比皆是，现仅举几例。据《钦定大清会典事例（光绪）》【〔清〕崑冈等修，台北：启文出版社，1963），卷 951，〈工 部‧薪炭‧开采煤窑〉】记载，“由于地表土石裸露，经大雨冲刷，往往形成泥石流，漫溢至煤路及山涧中，为煤炭运输带来困扰，众煤商共议抽取路稅以供修路之用”（邱仲麟， 2016）。据门头沟《煤行公议碑记》：“门头沟，僻在山陬，宅幽而势阻，凡煤窰处所，尽在山峦起伏之中，驼载往来，崎岖不易。每当大雨时行，山水冲刷，乱石壅塞，涧道泉流，不平治之，跬步亦甚难耳”。同治十一年（1872）《重修西山大路碑》记载：“西山一带仰赖乌金（煤炭）以资生理，而京师炊爨之用，犹不可缺。道路忽尔梗塞（暴雨造成的塌方与泥石流阻塞交通），各行生计攸关」。“同治十年（1871），暴雨成灾，冲毁道路，各商号不得不捐资修路，参加者有三家店的煤厂 14 家，琉璃渠村煤厂 3 家”。 房山县运煤的山道也常被水冲毁。如该县西北的大安山，距离县城上百里，山中“无地不煤”，居民种谷不足，则仰食于采煤。可是，大安山之煤，运出报门 20 里，皆“崎岖陡绝，运煤者以为苦”；再进入报门 10 里，若遇山洪暴发，“无所逃命”。光绪十四年（1888） 大雨成灾，“土随水去，五谷不登”。由此可见， 苏德辰（2016）拿华北的平均年降雨量否定北京西山的暴雨冲刷能力以及山坡壶穴的暴雨流成因是不可行的。

在天然的坚硬岩石上踩出深达30-35 mm的蹄窝的必要条件是：数以万计的骡马驴在几百年间总按着固定的位置点反复不断地踩。 然而， 这是不可能的。大凡骑过马的人就知道，马不傻，它们专捡松软的草地或土上走（赛马场上都是用泥巴铺道给马跑的），不喜欢走在坚硬的石头上，特别躲避路面上的凹坑（视屏：Puddle monster， http://www.youtube.com/watch?v=Tipl_qaiktE； Some horses think that a puddle is going swallow them up， http://www.youtube.com/watch?v=nUOUHCXD8bw； Driving horse youngster afraid of puddle，http://www.youtube.com/watch?v=eXeSofg7IlU）。有关马行为与心理学的研究书籍（e.g., Cabell-Self, 1974；Skipper, 2007; Wendt, 2011）写道：马最惧怕踩进较深（≥5-10 cm）的洼坑或水坑，特别是比蹄子大不了多少的坑（直径15-20 厘米），以防扭伤蹄腕或折断腿骨 （If a horse stepped into a deep enough pothole or “gulche” there was the possibility that the animal could be crippled. A broken ankle or leg was often fatal for a horse）。 加拿大1937年的报纸 The St. John’s Evening Telegram 就曾专门讨论过这个问题， 那时候马还是乡村人主要的交通与运输工具，马不小心踩进洼坑，造成马伤与人伤的事时有发生。

一切动物都有保护自己免受环境伤害的意识与行为，马惧怕踩进坑里，也是由马的身体结构决定的。马是自然界中被捕食的动物，它的两只眼睛长在头的两侧，看东西立体感很差，虽然其视野可以达到330°，但马的两眼视线重叠的部分只有30°。相反，那些捕食动物，例如老虎与人，两只眼睛都长在前面，两只眼睛的视野彼此重叠，可帮助大脑判断物体的远近，为目标的准确定位带来很大的帮助。而骡马驴这类动物几乎只用一只眼睛看事物，而不是同时使用双眼來看同一件事物。因此，有时候骑马的人会发现马在行进过程中，会被同一事物惊吓两次， 因为它的另一只眼睛是第一次看見了那件事物。所以，持蹄窝论的人，想象骡马驴常年不断往10-35 cm 深、还经常灌满浑水的狭坑里踩，有些一厢情愿了。本人曾提议牵几匹马到北京西山王平镇韭菜园村的牛角岭的山坡上做个试验，看马是否愿意踩进10-35 cm深、注满浑水的凹坑， 可惜由于蹄窝论者的胆怯而没有成行。

笔者也曾在网上寻找磨坊里石头铺面上的“蹄窝”， 因为驴拉着磨，沿着磨道、围绕着磨轴、拉着沉重的磨石，不断地转圈。 日复一日，年复一年，磨道单位面积上的总蹄踩量应该不低任何朝代京西古道单位面积上的总蹄踩量， 最有可能被踩出深深的蹄窝来。可惜，我没有发现任何一间磨坊里的石头铺面上出现北京西山那样的“蹄窝”。

持蹄窝说的人将蹄窝翻译成英文“Stepping holes”（苏德辰， 2016）。大家知道，Stepping stone，就是铺台阶的条石。Stepping holes，就有些行走于空洞上面腾云驾雾的意思，这大概就是即使到强大的google里用“Stepping hole”作关键词也搜索不到任何内容的原因吧。Stepping into holes 或Stepping in holes倒是正确的英语。 

 

图6. 意大利古城庞贝（a~b）与罗马的古车辙痕， 却无拉车骡马的蹄坑。

Fig. 6. No hoof holes observed on historical traffic routes with cart-ruts. (a-b) Pompeii and (c) Rome in Italy.

 

蹄窝论者还用河北省井陉县境秦皇古道东天门关与北京西南卢沟桥石板上的车辙痕的照片，作为北京西山石坡上零星分布的凹坑是骡马驴蹄坑而非山坡壶穴的证据。但是，蹄窝论者不能回答的关键问题是：古道上为什么没有留下拉车的骡马的蹄坑？钢铁浇注的车轮或包了铁皮的车轮几百年在古道石头路面上不断地进行机械研磨，当然可以留下沟槽，路面石头因为载重车的圆车轮的接触点上的压强要比骡马驴的蹄子下面的压强高很多倍。更重要的是，千骡万马不可能来来往往总踩于同一点，它们的蹄点在行车路面上形成车辙的时间尺度（几十年、几百年）里几乎是均匀分布的，这就是有车辙沟痕的古道上却没有出现蹄坑的原因。

有趣的是，骡马驴在坚硬的天然的石面上留下蹄窝（Hoof holes）或（Hoof prints）这样的事，只在中国大陆有所报道（苏德辰， 2016； 中央电视台摄制的《茶马古道》视频）， 并作为京西古道或茶马古道的实物证据。然而，这样的石头蹄窝在欧美以及世界其他地方的古道上却从未报道过 (e.g., Conti and Saliba, 2012；Hughes, 1999; Mottershead et al., 2008; Sagona, 2004; Schneider, 2001; Weston, 2010) ，是这些国家的地质学家有眼不识“蹄窝”，还是他们不把山坡上暴雨流成因的壶穴当成蹄窝？综上所述，结论是不难得出的。可以说，那些被某些人毫无根据地说成北京西山的京西古道、云南的茶马古道、连接湖南与广东二省的湘粤古道上所谓的蹄窝皆是暴雨流形成的山坡壶穴。

 

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Rainstorm-induced erosion as a mechanism for the formation of hillside potholes

 

Shaocheng Ji

Département des Génies Civil, Géologique et des Mines, École Polytechnique de Montréal, Montréal, Québec, H3C 3A7, Canada

E-mail : [email protected]

 

Abstract

Rainstorm after rainstorm over hundreds or thousands of years has sent water plummeting down the resistant rock, wearing it away to form grooves, chains of potholes and plunge pools. The potholes, which vary in shape and size, are drilled into the bed rock on the slopes of stony mountain where rapidly flowing water has enough potential energy to carry pebbles, granules and sands to erode deflation hollows through abrasion and corrosion.  An typical example of potholes formed and enlarged during the occasional heavy rains is demonstrated in the Ayers Rock (Uluru, Australia). Unfortunately, rainstorm-originated potholes in the region of the Western Hills (Beijing, China) was erroneously interpreted by Dechen Su (2016) as hoof holes formed during the Ming and Qing Dynasties (1368~1912 AD). His interpretation inevitably involves a speculation that thousands of horses have stepped into the same but progressively deepening holes during several hundreds years. However, the fact that, by nature, horses instinctively avoid stepping in deep (≥5-10 cm) or muddy-water-filled potholes as to prevent any possible injury to their ankles of legs, makes Denchen Su’s hypothesis impossible. Furthermore, the absence of hoof holes on the historical traffic routes with cart-ruts (e.g., China, France, Italy, Malta, and Switzerland) consistently indicates that his hypothesis, no matter how highly original it may be, is baseless. The finding presented here has enormous implications for improving the understanding of the rates of bedrock erosion and pothole formation in mountainous regions. 

Key words：Hillside pothole; Rrainstorm; Ayers Rock; Western Hills in Beijing; Hoof hole