基于樹輪地貌學(xué)方法的河北省環(huán)首都山地土壤侵蝕研究

程林++李慶辰++王艷霞++劉西漢++田海蘭

摘要：采用樹輪地貌學(xué)方法及土壤侵蝕速率時間變化分析方法，在河北省環(huán)首都山地4個代表性區(qū)域開展土壤侵蝕研究。結(jié)果顯示，調(diào)查點的土壤侵蝕強(qiáng)度均在中度侵蝕以上，以極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕為主。土壤侵蝕速率與坡度、地貌、巖性、植被狀況等環(huán)境因子及人類活動密切相關(guān)。人類活動痕跡區(qū)、陡坡區(qū)、山麓區(qū)，巖性為碎屑巖、輝綠巖、灰?guī)r、片麻巖或黃土狀土的分布區(qū)，樹木稀疏或林下植被稀疏區(qū)發(fā)生極強(qiáng)度侵蝕或劇烈侵蝕強(qiáng)度的可能性極高。對同一坡面調(diào)查點的分析顯示，土壤侵蝕對坡度和人類活動最敏感，其它依次是植被和地貌部位。對不同樹齡的調(diào)查點分析顯示，近百年來環(huán)首都山地土壤侵蝕速率增長區(qū)域明顯。為全面治理水土流失，應(yīng)綜合劃定環(huán)首都山區(qū)土壤侵蝕敏感分區(qū)，開展分區(qū)分級治理。

關(guān)鍵詞：環(huán)首都山地；土壤侵蝕；樹輪地貌學(xué)方法；環(huán)境因子

中圖分類號：S157文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2017）06-0074-05

AbstractBased on the dendrogeomorphological method and soil erosion rate temporal variation analyze method，the soil erosion rate of 4 representative distracts in Hebei mountains around Beijing were researched. The results showed that the erosion intention of research points were all above middle degree erosion. Most of the research points were very intensive erosion or violent erosion. The soil erosion rate was related to slope， geomorphology， lithology， vegetation conditions and human activity. These research points as follows were easy to occur very intensive erosion or violent erosion， such as human activity district， steep slope district， foothill district， clastic rock district， diabase district， limestone district， gneiss district or loess-like soil district and tree or undergrowth sparse areas. The results of the same slope surface showed that the soil erosion was the most sensitive to slope and human activity， then was vegetation conditions and geomorphology. The results of points with different tree ages showed that the soil erosion rates in the last hundred years had a considerable increase. For all-round management of water and soil erosion， the sensitiveness zone of soil erosion in Hebei mountains around Beijing should be comprehensively designated，and the zonal and hierarchic control should be carried out.

KeywordsHebei mountains around Beijing；Soil erosion；Dendrogeomorphological method； Environmental factor

山地坡面侵蝕為山洪、崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害提供了松散物質(zhì)來源，容易造成山區(qū)土地資源破壞、土壤肥力下降、庫塘湖泊淤積等一系列危害[1]。我國土壤侵蝕面積大、分布范圍廣、侵蝕強(qiáng)度大、侵蝕區(qū)域差異明顯、成因復(fù)雜[2]。河北為多山地區(qū)，山地以太行山、燕山為主，土壤侵蝕敏感區(qū)分布面積廣泛[3]。對河北省土壤侵蝕的研究主要以侵蝕現(xiàn)狀綜合評價[4，5]、侵蝕敏感性分析[3，6]、影響因子評價[7-12]、侵蝕速率測算[13，14]為主。其中侵蝕速率測算主要基于遙感測量和RUSLE模型法，難以全面反映地形復(fù)雜區(qū)域的土壤侵蝕特征。

河北省環(huán)首都山地主要是保定、張家口、承德等地的太行山、燕山山地，為我國地勢第二級階梯和第三級階梯的過渡帶，山勢陡峻，氣候、地質(zhì)條件復(fù)雜，是京津冀生態(tài)環(huán)境重要的支撐區(qū)。本研究基于樹輪地貌學(xué)方法，對環(huán)首都山地的部分代表性區(qū)域進(jìn)行調(diào)查，對坡面土壤侵蝕速率進(jìn)行實測，研究環(huán)首都山地土壤侵蝕特征及影響因素，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理提供理論參考。

1材料與方法

1.1調(diào)查區(qū)概況

調(diào)查區(qū)主要位于河北省環(huán)首都山地的淶源、興隆、豐寧、圍場四縣，分別代表環(huán)首都山地的夏季風(fēng)迎風(fēng)坡（淶源、興?。┖捅筹L(fēng)坡（豐寧、圍場）。調(diào)查地區(qū)的基本地理特征見表1。

1.2土壤侵蝕速率調(diào)查方法

傳統(tǒng)的土壤侵蝕調(diào)查方法包括測量學(xué)方法、遙感研究法、地球化學(xué)方法、水文學(xué)研究方法、土壤學(xué)研究方法等[15]。其中常用的地球化學(xué)方法為同位素分析法，即通過同位素（如137Cs等）分析測定核塵埃產(chǎn)生至今的土壤侵蝕情況。水文學(xué)觀測方法基于多年水文泥沙觀測資料[16]，而一般資料缺乏溶解質(zhì)及推移質(zhì)泥沙統(tǒng)計信息，計算結(jié)果在反映坡面侵蝕總量方面存在一定誤差。測量學(xué)方法基于測繪和遙感設(shè)備，多以提供近年內(nèi)重復(fù)監(jiān)測期內(nèi)的土壤侵蝕速率為主。從調(diào)查成本、耗時、數(shù)據(jù)精度等方面綜合考慮，這些方法在地形復(fù)雜的小區(qū)域內(nèi)應(yīng)用均存在一定不足。

為更直觀、精確地分析山地復(fù)雜地形小區(qū)域的坡面侵蝕，20世紀(jì)60年代以來，研究者開始采用樹輪地貌學(xué)方法[17-19]，以某一暴露樹根自明顯暴露至今的年齡為時間尺度，以該暴露樹根最下部至正常地表的距離為侵蝕厚度，進(jìn)而獲得該樹根暴露期間的土壤侵蝕速率。該方法近來已在歐洲[17，21]、北美[18，22]和國內(nèi)部分地區(qū)[23-25]得到應(yīng)用。為提高調(diào)查分析過程的便捷性和數(shù)據(jù)的代表性，結(jié)合坡面樹木自生長即存在不同強(qiáng)度的土壤侵蝕的特點，對該方法進(jìn)行改進(jìn)，采用全樹齡調(diào)查方法。侵蝕厚度為暴露最深的樹根最底部至當(dāng)前地表的高度。侵蝕時長采用樹木主干的年輪。參照Gartner[17]公式，全樹齡法的土壤侵蝕速率計算方法見式（1）：

式中，Era為土壤侵蝕速率，單位為mm/a；Ex為侵蝕厚度，單位為mm；P為樹齡，單位為a。

依據(jù)該方法，選擇自然植被分布或人類活動影響較小的調(diào)查區(qū)，調(diào)查點選擇有樹根暴露的地點。使用生長錐在樹木主干距地面1.3 m處鉆取寬約5 mm的樹輪樣品，通過晾曬、打磨、年輪測算獲得樹齡值。使用卷尺量算該樹木所在地點的侵蝕厚度。此外，記錄樹木的GPS位置、坡度、巖性、地貌、植被等信息。計算調(diào)查點土壤侵蝕速率，并根據(jù)《土壤侵蝕分類分級》[26]標(biāo)準(zhǔn)劃定不同調(diào)查點的土壤侵蝕強(qiáng)度。

1.3土壤侵蝕速率時間變化分析方法

利用調(diào)查點樹木的主干樹齡分析不同年代的土壤侵蝕特征。將所有調(diào)查點劃分為不同的組，計算并比較每個樹齡組的平均侵蝕速率。計算方法見式（2）：

式中，Era為某一樹齡組的平均侵蝕速率，（Ex ）i為該組調(diào)查點的侵蝕厚度，（P）i為該組調(diào)查點的樹齡。通過對不同樹齡組的對比，可以反映不同時段以來的土壤侵蝕速率變化特征。

2結(jié)果與分析

2.1調(diào)查點土壤侵蝕總體特征

調(diào)查共獲取樣品82個，各調(diào)查區(qū)的調(diào)查點數(shù)量及其侵蝕強(qiáng)度分析結(jié)果見表2。調(diào)查點侵蝕速率介于2.86～38.71 mm/a，侵蝕強(qiáng)度均在中度以上，以極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕為主。迎風(fēng)坡山區(qū)（興隆、淶源）調(diào)查點的侵蝕強(qiáng)度多高于背風(fēng)坡（豐寧、圍場），其中淶源調(diào)查點的侵蝕強(qiáng)度最高。

2.2土壤侵蝕與環(huán)境因子的關(guān)系

2.2.1土壤侵蝕與坡度的關(guān)系自然坡面的土壤侵蝕速率與調(diào)查點坡度呈現(xiàn)為較好的相關(guān)性。如圖1所示，坡度<45°時，侵蝕速率與坡度基本呈線性關(guān)系。坡度>45°時，侵蝕速率隨坡度變大表現(xiàn)為類指數(shù)關(guān)系。受人類活動影響的調(diào)查點，其侵蝕速率均較高，和坡度變化無相關(guān)性。

2.2.2土壤侵蝕與植被的關(guān)系坡面土壤侵蝕速率和當(dāng)?shù)赝恋馗脖惶卣飨嚓P(guān)，其中受喬木密度影響尤為顯著。如圖2所示，三種不同樹木密度區(qū)的平均侵蝕速率分別為孤樹18.32 mm/a，稀樹12.55 mm/a，樹叢9.58 mm/a，樹木密度低值區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)度級別以上土壤侵蝕的可能性更高。此外，林下植被特征對坡面的保護(hù)作用顯著，裸地的土壤侵蝕速率明顯高于灌叢和草地。

2.2.3土壤侵蝕與地貌的關(guān)系土壤侵蝕速率與調(diào)查點地貌部位的相關(guān)性見圖3，山麓、山腰及山頂?shù)钠骄治g速率為17.27、11.19 mm/a及12.79 mm/a。其中山麓地區(qū)碎屑物質(zhì)豐富，降水匯集所導(dǎo)致的地下或地表水流速較高，所以出現(xiàn)強(qiáng)烈級別以上土壤侵蝕的可能性更高。山頂?shù)貐^(qū)水分相對較少，土壤侵蝕主要以風(fēng)化剝落為主，除個別外土壤侵蝕速率相對較低。

2.2.4土壤侵蝕與巖性的關(guān)系土壤侵蝕與基巖巖性的相關(guān)性見圖4。其中基巖為角礫巖（含斷層角礫巖、凝灰質(zhì)角礫巖）的調(diào)查點平均侵蝕速率達(dá)18.05 mm/a，且大多數(shù)調(diào)查點的侵蝕速率高于10 mm/a。基巖為輝綠巖、灰?guī)r的調(diào)查點侵蝕速率均高于10 mm/a?；鶐r為片麻巖或土質(zhì)為黃土狀土（主要為沖積黃土）的調(diào)查點侵蝕速率多高于10 mm/a，少數(shù)調(diào)查點侵蝕速率高于30 mm/a。

2.3土壤侵蝕對環(huán)境的敏感程度分析

為了考察土壤侵蝕速率對環(huán)境響應(yīng)的特點，將同一山體（基巖巖性多相同）的調(diào)查點編為一組，調(diào)查點數(shù)量超過3的組為有效組，共有15個有效組。若土壤侵蝕速率與因子之間呈現(xiàn)如上述章節(jié)所示的相關(guān)關(guān)系，則定義為敏感。據(jù)此，各有效組土壤侵蝕速率對環(huán)境的敏感程度見表3。由表3可知，在同一山體環(huán)境下，調(diào)查點土壤侵蝕速率對坡度變化最敏感，其次為植被、地貌、人類活動。

此外，有效組內(nèi)共有三組中調(diào)查點附近有人類活動痕跡（山路），這三組均對人類活動敏感。且有人類活動痕跡的調(diào)查點，其土壤侵蝕速率遠(yuǎn)高于組內(nèi)其他調(diào)查點?？梢娡寥狼治g速率變化對人類活動同樣非常敏感。

2.4近百年來土壤侵蝕速率的變化特征

根據(jù)調(diào)查點的樹輪特征對調(diào)查點進(jìn)行分組，樹齡小于70年的，每10年分為一組；樹齡大于70年的，分為70～89、90～119、120年及以上組。根據(jù)式（2），計算每組的平均侵蝕速率，結(jié)果見圖5。樹齡39年以內(nèi)調(diào)查點的平均侵蝕速率在15.83～17.57 mm/a，樹齡40～69年以內(nèi)調(diào)查點的侵蝕速率為11.51～12.19 mm/a，樹齡70年以上調(diào)查點的侵蝕速率為7.20～8.18 mm/a。由此可見，20世紀(jì)50年代以來，土壤侵蝕強(qiáng)度愈加嚴(yán)重，尤其是80年代以來，平均土壤侵蝕速率顯著增加。

3討論與結(jié)論

（1）通過研究調(diào)查點土壤侵蝕速率的規(guī)律性特征可以發(fā)現(xiàn)，坡度、地貌、巖性、植被等因子均是影響土壤侵蝕的重要因素。坡面侵蝕速率與坡度有良好的相關(guān)性。土壤侵蝕速率與調(diào)查區(qū)土地覆被特征相關(guān)，孤樹、稀樹分布區(qū)或林下植被稀疏區(qū)土壤侵蝕速率普遍較高。此外，地貌為山麓的區(qū)域，或基巖巖性為角礫巖、輝綠巖、灰?guī)r、片麻巖及黃土狀土分布區(qū)也有可能出現(xiàn)較嚴(yán)重的土壤侵蝕。

（2）調(diào)查樣品的分組分析結(jié)果顯示，同一山體或坡面（即基巖巖性相同或相似），土壤對坡度和人類活動最為敏感，其他依次為植被和地貌部位。

（3）通過分析近百年來土壤侵蝕速率變化特征可以發(fā)現(xiàn)，近百年來土壤侵蝕速率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。尤其是20世紀(jì)80年代以來，平均土壤侵蝕速率顯著增加。

（4）河北省環(huán)首都山區(qū)是京津冀地區(qū)重要的生態(tài)環(huán)境保障區(qū)，是京津冀協(xié)同發(fā)展的重要生態(tài)屏障。為全面治理水土流失，有必要結(jié)合調(diào)查分析結(jié)果，綜合劃定環(huán)首都山區(qū)土壤侵蝕敏感分區(qū)，開展分區(qū)分級治理，嚴(yán)格禁止高敏感區(qū)開發(fā)，在裸地地區(qū)、山麓地區(qū)、碎屑巖及黃土狀土等土壤侵蝕高敏感性分布區(qū)開展森林或地表灌草植被修復(fù)與維護(hù)，建設(shè)水土保持工程，推進(jìn)生態(tài)移民。

參考文獻(xiàn)：

[1]王占禮. 中國土壤侵蝕影響因素及其危害分析[J]. 山西水土保持科技， 2000 （2）： 14-16.

[2]鄭粉莉， 王占禮， 楊勤科. 我國土壤侵蝕科學(xué)研究回顧和展望[J]. 自然雜志， 2008， 30（1）：12-16.

[3]張東云. 河北省土壤侵蝕敏感性分級及其區(qū)劃研究[D]. 石家莊：河北師范大學(xué)， 2005.

[4]于宗周， 郭桂蘭. 河北省水土流失現(xiàn)狀與水土保持法的落實[J]. 河北林果研究， 2003， 18（1）：7-12.

[5]岳樹堂， 申萬明， 喬光建. 河北省土壤侵蝕類型及時空分布特征分析[J]. 南水北調(diào)與水利科技， 2010， 8（3）：83-87.

[6]王嬌， 程維明， 祁生林，等. 基于USLE和GIS的水土流失敏感性空間分析——以河北太行山區(qū)為例[J]. 地理研究， 2014， 33（4）：614-624.

[7]葛京鳳， 黃志英， 梁彥慶，等. 河北太行山區(qū)土地利用/覆被變化及其環(huán)境效應(yīng)[J]. 地理與地理信息科學(xué)， 2005， 21（2）：62-65.

[8]王茜， 王衛(wèi)， 呂昌河. 基于GIS和RS的土地利用與土壤侵蝕關(guān)系研究——以冀北地區(qū)為例[J]. 中國水土保持科學(xué)， 2006， 4（6）：37-41.

[9]井明月. 開荒種植板栗與水土流失——關(guān)于2012年興隆縣“7.21”水災(zāi)調(diào)查分析[J]. 中小企業(yè)管理與科技旬刊， 2014（14）：203.

[10]李大偉， 趙文廷， 尹?？? 淶源縣土壤侵蝕與地形分布特征研究[J]. 土壤通報， 2016，47（3）：705-712.

[11]顧新慶， 張金香. 太行山片麻巖低山區(qū)水土流失規(guī)律研究[J]. 林業(yè)科技開發(fā)， 2005， 19（4）：29-32.

[12]朱子龍. 太行山石灰?guī)r坡地水土及養(yǎng)分流失規(guī)律研究[D]. 保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2015.

[13]喬彥肖. 冀西北地區(qū) （壩下） 土壤侵蝕衛(wèi)星遙感應(yīng)用研究[J]. 河北省科學(xué)院學(xué)報， 2000， 17（3）： 175-181.

[14]白曉松. 基于RUSLE的北方山區(qū)土壤侵蝕定量研究與生態(tài)適宜性評價[D].保定： 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2010.

[15]南秋菊， 華珞. 國內(nèi)外土壤侵蝕研究進(jìn)展[J]. 首都師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2003， 24（2）： 86-95.

[16]焦菊英，景可，李林育，等.應(yīng)用輸沙量推演流域侵蝕量的方法探討[J].泥沙研究，2008（4）：1-7.

[17]Gartner H. Tree roots—methodological review and new development in dating and quantifying erosive processes [J]. Geomorphology， 2007， 86（3）： 243-251.

[18]LaMarche V C Jr.Origin and geologic significance of buttress roots of bristlecone pines， White Mountains， California[J]. US Geological Survey Professional Paper， 1963， 475： C148-C149.

[19]Eardley A J， Viavant W. Rates of Denudation as Measured by Bristlecone Pines， Ceder Breaks， Utah[M]. Utah， Geological and Mineralogical Survey， 1967.

[20]Vandekerckhove L， Muys B， Poesen J， et al. A method for dendrochronological assessment of medium-term gully erosion rates [J]. Catena， 2001， 45（2）： 123-161.

[21]Pérez-Rodríguez R， Marques M J， Bienes R. Use of dendrochronological method in Pinus halepensis to estimate the soil erosion in the South East of Madrid （Spain）[J]. Science of the Total Environment， 2007， 378（1）： 156-160.

[22]Carrara P E， Carroll T R. The determination of erosion rates from exposed tree roots in the piceance basin， colorado[J]. Earth Surface Processes， 1979， 4（4）：307-317.

[23]羅美，周運超.喀斯特地區(qū)樹根解剖特征與土壤侵蝕[J]. 林業(yè)科學(xué)， 2012， 48（3）： 132-135.

[24]孫麗萍，王小丹.基于根系解剖結(jié)構(gòu)的金沙江干熱河谷土壤侵蝕速率估算[J].地理科學(xué)，2012，32（4）： 492-498.

[25]Zhou F F， Gou X H， Zhang J Z， et al. Application of Picea wilsonii roots to determine erosion rates in eastern Qilian Mountains， Northwest China [J]. Trees， 2013， 27（2）：371-378.

[26]中華人民共和國水利部.SL 190—2007.土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)[S].