北京市靈山侵蝕溝道治理與近自然修復(fù)效果研究

鞏 瀟，李 璐，趙方瑩，倪 棟

(1.北京圣海林生態(tài)環(huán)境科技股份有限公司，北京100083；2.交通運(yùn)輸部 公路科學(xué)研究所，北京100088)

靈山位于北京市五大生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)之一的門頭溝區(qū)，頂峰海拔2 303 m，是北京的第一高峰。分布在靈山海拔1 800 m以上的亞高山草甸，是北京寶貴的植被和旅游資源，對維護(hù)和改善北京市生態(tài)環(huán)境起著重要的生態(tài)屏障作用[1]。靈山亞高山草甸生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能相對單一，對環(huán)境很敏感，受氣候因素影響，植被年生長量較小，生長速度緩慢，一旦破壞恢復(fù)時間較長。特別是，靈山亞高山草甸物種組成與周圍中低山相似性低，一旦生境遭到破壞將很可能導(dǎo)致部分物種消失，對整個生態(tài)系統(tǒng)造成難以彌補(bǔ)的損失[2]。靈山亞高山草甸的物種豐富度和多樣性指數(shù)隨著海拔的升高而下降[3]，而近年來旅游開發(fā)和過度放牧是造成靈山亞高山草甸物種多樣性下降速度加快的主要原因[4]。靈山高山地區(qū)坡度大、生長季短，植被覆蓋度降低后土壤易受侵蝕，造成水土及植物種資源的嚴(yán)重流失，若目前嚴(yán)重的水土流失狀況不能得到有效控制，則植被恢復(fù)需要的穩(wěn)定立地條件就無法保障，因此迫切需要對靈山高山地區(qū)的侵蝕溝道進(jìn)行治理。考慮到單純自然生態(tài)恢復(fù)和工程方式治理存在的局限性，靈山高山地區(qū)侵蝕溝道適宜采用以遵循自然規(guī)律為前提，用人工方式促進(jìn)自然恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)坡面生態(tài)恢復(fù)的近自然生態(tài)修復(fù)方式。

開展靈山侵蝕溝道治理和植被恢復(fù)的探索與研究，不僅是維持我國亞高山草甸生態(tài)系統(tǒng)連續(xù)性和保障北京西部生態(tài)涵養(yǎng)功能的必要行動，而且是促進(jìn)區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展和社會和諧的有力保障。本研究以靈山侵蝕溝道治理為依托，建立起一套較為完整的亞高山草甸侵蝕溝道控制技術(shù)措施體系，并研究了其對侵蝕溝道的水土保持效果，以及人工促進(jìn)下草甸群落恢復(fù)的動態(tài)變化特征，希望能為同類型亞高山草甸的恢復(fù)與保護(hù)提供參考與借鑒。

1 研究區(qū)概況

靈山位于北京市門頭溝區(qū)西北部，介于N39°48′～40°04′、E115°24′～115°36′之間，屬太行山系小五臺山脈的余脈。靈山地區(qū)為溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，夏季受東南季風(fēng)影響，冬季受西伯利亞寒流控制，表現(xiàn)為夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥；年均降水量638.8 mm，其中6—8月降水量為400～500 mm，占年降水量的60%～80%；多西北風(fēng)，年平均氣溫2～7 ℃，年日照時數(shù)2 600 h，全年無霜期在160 d以下。土壤以山地棕壤、亞高山草甸土和褐土為主，一般呈微酸性，成土母質(zhì)主要有花崗巖、砂巖、礫巖、安山巖等。從山腳到山頂，植被分布依次為次生灌叢(多為荊條、繡線菊、山杏等)、落葉闊葉林、針葉林和亞高山草甸，受人為活動的干擾，幾乎沒有原生植被，主要是次生植被。

靈山地區(qū)水土流失類型以水蝕為主，水土流失面積為3 686.44 hm2，占總面積的49.6%，其中山坡鱗片狀面蝕面積占總面積的47.6%，溝道高含沙洪水侵蝕面積占總面積的2%。靈山地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)背景值為2 298 t/(km2·a)(2014年調(diào)查結(jié)果)，屬于輕度侵蝕，但已接近輕度侵蝕的上限值。按照北京市水土流失三區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，靈山地區(qū)允許土壤侵蝕模數(shù)為200～1 000 t/(km2·a)。靈山亞高山草甸治理與保護(hù)的難點(diǎn)主要是：積光積溫量少，植被生長季短；可利用植被種源少；無固定水源，初期植被養(yǎng)護(hù)難度大；海拔高，基礎(chǔ)設(shè)施不足，施工材料運(yùn)輸困難等。

2 研究侵蝕溝道和對照樣地基本情況

選擇靈山海拔2 050～2 180 m的3條侵蝕溝道及其東側(cè)30 m處無侵蝕溝發(fā)育的對照樣地為研究對象。3條侵蝕溝都位于陰坡，總體地勢南高北低。其中，1#侵蝕溝溝長148 m，平均寬度3 m，比降32.9%。該侵蝕溝溝頭靠近南側(cè)分水嶺，由南向北發(fā)育約100 m后，轉(zhuǎn)向東北方向，朝坡腳處繼續(xù)下切，形成切溝，拐點(diǎn)以下30 m處侵蝕溝發(fā)育明顯。受陰坡總體坡降較大的因素影響，該侵蝕溝于2013年9月至2014年4月發(fā)生了溯源侵蝕現(xiàn)象，溯源長度約30 m。2#侵蝕溝溝長357 m，平均寬度6 m，比降29.7%。該侵蝕溝源頭靠近西側(cè)分水嶺，溝頭是分水嶺以下相鄰三處凹陷地形的交會處，目前該侵蝕溝發(fā)育較為穩(wěn)定，尚未發(fā)生溯源侵蝕現(xiàn)象。3#侵蝕溝溝長390 m，平均寬度5 m，比降27.9%。該侵蝕溝發(fā)源于對照樣地的西北方向，向南發(fā)育后與2#侵蝕溝會合，最終又與1#侵蝕溝交會。

3 侵蝕溝治理方案和修復(fù)效果研究

3.1 侵蝕溝治理方案

借鑒國內(nèi)外侵蝕溝道控制技術(shù)，結(jié)合靈山侵蝕溝道實(shí)際情況，按照“源頭修復(fù)—中段防治—末端控制”的思想(圖1)，根據(jù)溝道不同部位的立地條件，因地制宜，因害設(shè)防，采取的工程措施包括溝頭修復(fù)工程、溝道中段橫向攔擋及溝道側(cè)坡護(hù)坡工程、溝道末端控制性攔擋工程。采取傳統(tǒng)工程、土壤生物工程、植物措施相結(jié)合的方式[5]，建立亞高山草甸侵蝕溝道治理措施體系，控制侵蝕溝道溯源侵蝕發(fā)展速率，減弱橫向和縱向擴(kuò)張規(guī)模，實(shí)現(xiàn)對侵蝕溝道的控制與治理。

圖1 侵蝕溝道治理技術(shù)措施體系

(1)源頭修復(fù)。減少人畜擾動破壞，提高溝頭區(qū)域地表植被覆蓋，增強(qiáng)雨水入滲。

(2)中段防治。1#侵蝕溝比降較大，為重點(diǎn)治理段。首先，將降低溝道比降和加強(qiáng)侵蝕溝內(nèi)的落淤作為首要目標(biāo)，逐步降低侵蝕強(qiáng)度，為后續(xù)植被恢復(fù)提供穩(wěn)定環(huán)境；其次，為促進(jìn)溝道內(nèi)的植被恢復(fù)和方便治理措施布設(shè)，本著減少二次破壞范圍的原則，對部分側(cè)坡陡坎進(jìn)行放坡處理，一方面控制侵蝕溝橫向發(fā)育，另一方面營造適宜草甸植被生長的地形條件；再次，以靈山鄉(xiāng)土植物種為主要目標(biāo)物種，通過人工促進(jìn)與自然恢復(fù)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)侵蝕溝內(nèi)的植被恢復(fù)和水土流失控制。對于2#、3#侵蝕溝，根據(jù)各段溝寬和溝壁坡度情況，選擇在侵蝕溝斷面擴(kuò)大處設(shè)置橫向攔擋，實(shí)現(xiàn)降低溝段比降和侵蝕強(qiáng)度的目的，此外對溝道進(jìn)行局部放坡處理，通過自然恢復(fù)與人工促進(jìn)相結(jié)合的方式恢復(fù)溝道內(nèi)植被。

(3)末端控制。末端控制是中段防治的延續(xù)，由于侵蝕溝道末端比降較中間溝道比降大，遇到侵蝕溝內(nèi)有明顯徑流匯集時，勢必會加大徑流沖刷強(qiáng)度，因此布設(shè)末端防治措施時應(yīng)充分考慮對侵蝕溝內(nèi)徑流的消能與分散作用，同時結(jié)合侵蝕溝下游的天然林內(nèi)地表植被和枯落物的地表攔蓄功能，阻止侵蝕溝繼續(xù)向下發(fā)展。

3.2 侵蝕溝道監(jiān)測

2014年實(shí)施治理方案后，2015、2016年進(jìn)行了連續(xù)兩年的侵蝕溝道監(jiān)測調(diào)查，調(diào)查方式如下：

(1)溝頭溯源侵蝕調(diào)查。在溝頭設(shè)置3個侵蝕控制點(diǎn)，并選取3個侵蝕測量點(diǎn)，利用皮尺量測各侵蝕點(diǎn)與對應(yīng)控制點(diǎn)之間的距離，取平均距離作為溝頭溯源量的量化指標(biāo)。

(2)溝道橫向擴(kuò)張調(diào)查。溝道中段雙向設(shè)置控制點(diǎn)，利用皮尺量測控制點(diǎn)與溝緣之間的距離，通過觀測不同年份的距離變化，量化侵蝕溝道橫向擴(kuò)張量。

(3)末端擴(kuò)張調(diào)查。在侵蝕溝道末端設(shè)置3個侵蝕控制點(diǎn)，并選取3個侵蝕測量點(diǎn)，利用皮尺量測各測量點(diǎn)與對應(yīng)控制點(diǎn)之間的距離，取平均距離作為末端控制的量化指標(biāo)。

3.3 植物群落近自然修復(fù)特征研究

以2014年調(diào)查結(jié)果作為侵蝕溝道植物群落背景值，通過2014—2016年連續(xù)3年的植物群落調(diào)查，分析群落物種組成、物種優(yōu)勢度、群落結(jié)構(gòu)及多樣性等方面的變化情況，并與對照樣地進(jìn)行比較，研究侵蝕溝道群落演替特征，為靈山地區(qū)草甸資源的保護(hù)與管理提供科學(xué)指導(dǎo)。

4 結(jié)果與討論

4.1 侵蝕溝道與對照樣地擴(kuò)張比較

經(jīng)過治理，1#～3#侵蝕溝道的溯源侵蝕速率、橫向擴(kuò)張速率和末端擴(kuò)張速率都有所降低。對照樣地沒有采取治理措施，2014—2016年發(fā)生侵蝕，并逐漸加劇形成侵蝕溝。

圖2為1#～3#侵蝕溝道和對照樣地溝道溯源侵蝕速率測量結(jié)果。治理后3條侵蝕溝溝頭部位溯源侵蝕速率均有所下降，與2015年相比，2016年1#侵蝕溝溯源侵蝕速率降低了40.0%，2#侵蝕溝降低了21.4%，3#侵蝕溝降低了20.0%。對照樣地溝道在未采取治理措施情況下溯源侵蝕速率也有所下降，但降低幅度較小，2016年溯源侵蝕速率僅比2015年降低了4.6%。

圖2 2015—2016年侵蝕溝道和對照樣地溝道溯源侵蝕速率

侵蝕溝道和對照樣地溝道橫向擴(kuò)張速率如圖3所示。相比2015年監(jiān)測結(jié)果，2016年1#侵蝕溝橫向擴(kuò)張速率未發(fā)生改善，2#侵蝕溝橫向擴(kuò)張速率降低了14.0%，3#侵蝕溝橫向擴(kuò)張速率降低了12.3%。由于未采取任何防護(hù)措施，因此2016年對照樣地溝道橫向擴(kuò)張速率加快，相比2015年增加了13.3%。

圖3 2015—2016年侵蝕溝道和對照樣地溝道橫向擴(kuò)張速率

圖4為1#～3#侵蝕溝道和對照樣地溝道末端擴(kuò)張速率比較。3條侵蝕溝道的末端擴(kuò)張速率在治理后都有所下降。相比2015年監(jiān)測結(jié)果，2016年1#侵蝕溝末端擴(kuò)張速率降低了26.7%，2#侵蝕溝降低了22.1%，3#侵蝕溝降低了37.5%。對照樣地溝道未采取治理措施，末端擴(kuò)張速率繼續(xù)增大，2016年末端擴(kuò)張速率比2015年增加了4.6%。

圖4 2015—2016年侵蝕溝道和對照樣地溝道末端擴(kuò)張速率

實(shí)施侵蝕溝道治理后，1#～3#侵蝕溝道2015、2016年攔截泥沙總量分別為147.7、88.9 m3。相比2014年，2015、2016年土壤侵蝕模數(shù)下降幅度分別為53.26%、39.76%。可見，實(shí)施溝道治理措施能有效控制土壤侵蝕、提高保土效益，治理后項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕模數(shù)已經(jīng)達(dá)到了北京市水土流失控制要求。

4.2 侵蝕溝道近自然修復(fù)草甸植被組成特征變化

通過有針對性地布設(shè)侵蝕溝防治和植被恢復(fù)措施，取得了較好的泥沙攔擋和植被恢復(fù)效果。侵蝕溝攔擋部位淤積泥沙厚度平均值達(dá)到了0.4 m，同時淤積物中含有一定數(shù)量的植物種子，也為侵蝕溝道植被恢復(fù)創(chuàng)造了有利條件，進(jìn)一步提高了治理效果。植物措施方面，采取了原位修復(fù)方法，選用的植被為本地種，適應(yīng)性強(qiáng)，在2015—2016年的調(diào)查中原位修復(fù)區(qū)域植被覆蓋度、物種豐富度均較高，其主要物種組成和物種生活型統(tǒng)計結(jié)果見表1。

在2014年侵蝕溝道調(diào)查中共調(diào)查到19種植物，隸屬于14個科。其中，菊科4種，薔薇科、紫草科各2種，其他11科各1種。從植物生活型來看，二年生和多年生草本植物15種，一年生草本植物4種。其中：車前與小紅菊的相對頻度較高，分別為13.2%和12.1%；其次為薹草、蒲公英、地榆、鈍萼附地菜和硬質(zhì)早熟禾，相對頻度分別為10.0%、9.5%、9.5%、8.4%和7.9%；再次為藁本和胭脂花，相對頻度分別為5.3%、4.7%。2014年治理前侵蝕溝道內(nèi)的優(yōu)勢種按照其相對頻度排序?yàn)椋很嚽?小紅菊>薹草>蒲公英=地榆>鈍萼附地菜>硬質(zhì)早熟禾>藁本>胭脂花>秦艽>白毛委陵菜>華北馬先蒿=中華風(fēng)毛菊>風(fēng)毛菊>萹蓄>藍(lán)花棘豆=長筒濱紫草=翠雀>多星韭。

在2015年調(diào)查中共發(fā)現(xiàn)25種植物，隸屬于15個科。其中，菊科物種數(shù)量最多，有5種，薔薇科、蓼科、毛茛科、紫草科和禾本科各有2種，其他科各1種。從植物生活型來看，二年生和多年生草本植物21種，一年生草本植物4種。火絨草、薹草、地榆和藁本的相對頻度較高，分別為10.1%、9.5%、8.8%和8.8%；其次為小紅菊、翠雀、秦艽、蒲公英、車前、硬質(zhì)早熟禾、藍(lán)花棘豆、鈍萼附地菜、拳參和鵝觀草，相對頻度分別為6.8%、5.4%、5.4%、5.4%、4.7%、4.7%、4.1%、4.1%、4.1%和4.1%。治理第一年侵蝕溝道內(nèi)的優(yōu)勢種按照其相對頻度排序?yàn)椋夯鸾q草>薹草>地榆=藁本>小紅菊>翠雀=秦艽=蒲公英>車前=硬質(zhì)早熟禾>藍(lán)花棘豆=鈍萼附地菜=拳參=鵝觀草>風(fēng)毛菊>白毛委陵菜=胭脂花>花錨=鈴鈴香青=萹蓄>長筒濱紫草=耬斗菜=瞿麥=華北藍(lán)盆花=華北馬先蒿。

表1 2014—2016年侵蝕溝主要物種組成

在2016年調(diào)查中共出現(xiàn)27種植物，隸屬于16個科。其中，菊科5種，薔薇科4種，蓼科3種，豆科、禾本科各2種，其他科各1種。從植物生活型來看，二年生和多年生草本植物24種，一年生草本植物3種。2016年調(diào)查到的27個物種相對頻度同樣具有較為明顯的分化現(xiàn)象：車前、白毛委陵菜、小紅菊、蒲公英、秦艽和野罌粟的相對頻度較高，分別為10.8%、9.3%、7.8%、7.8%、7.5%和6.0%；地榆、藁本、鈍萼附地菜次之，相對頻度分別為4.9%、4.5%、4.1%。治理第二年侵蝕溝道內(nèi)的優(yōu)勢種按照其相對頻度排序?yàn)椋很嚽?白毛委陵菜>小紅菊=蒲公英>秦艽>野罌粟>地榆>藁本>鈍萼附地菜>薹草>胭脂花=雪白委陵菜=華北藍(lán)盆花>龍芽草>藍(lán)花棘豆>火絨草=鈴鈴香青>風(fēng)毛菊=米口袋>華北馬先蒿=珠芽蓼=萹蓄=硬質(zhì)早熟禾>翠雀=藜蘆>拳參=鵝觀草。

經(jīng)過連續(xù)3年的治理，侵蝕溝道內(nèi)物種數(shù)量呈上升趨勢，由2014年的19種增加到2016年的27種，說明治理工程的實(shí)施有效促進(jìn)了侵蝕溝道內(nèi)植被的恢復(fù)。另外，多年生草本植物數(shù)量逐年增長，說明侵蝕溝道內(nèi)植被已開始朝著正向演替的方向發(fā)展。

5 結(jié) 論

通過對靈山高山地區(qū)實(shí)施侵蝕溝道治理與近自然修復(fù)，有效降低了侵蝕溝的溯源侵蝕速率、橫向擴(kuò)張速率和末端擴(kuò)張速率，土壤侵蝕模數(shù)由2014年的2 298 t/(km2·a)降至2016年的647 t/(km2·a)，達(dá)到了北京市水土流失控制要求。經(jīng)過3年的治理，溝道內(nèi)物種數(shù)量呈上升趨勢，由2014年的19種增加到2016年的27種，治理工程的實(shí)施有效促進(jìn)了侵蝕溝道內(nèi)植被數(shù)量的恢復(fù)，2015年開始多年生草本植物數(shù)量逐年增長，侵蝕溝道內(nèi)植被朝著正向演替的方向發(fā)展。