基于樹輪地貌學方法的河北省環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：采用樹輪地貌學方法及土壤侵蝕速率時間變化分析方法，在河北省環首都山地4個代表性區域開展土壤侵蝕研究。結果顯示，調查點的土壤侵蝕強度均在中度侵蝕以上，以極強度侵蝕和劇烈侵蝕為主。土壤侵蝕速率與坡度、地貌、巖性、植被狀況等環境因子及人類活動密切相關。人類活動痕跡區、陡坡區、山麓區，巖性為碎屑巖、輝綠巖、灰巖、片麻巖或黃土狀土的分布區，樹木稀疏或林下植被稀疏區發生極強度侵蝕或劇烈侵蝕強度的可能性極高。對同一坡面調查點的分析顯示，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。對不同樹齡的調查點分析顯示，近百年來環首都山地土壤侵蝕速率增長區域明顯。為全面治理水土流失，應綜合劃定環首都山區土壤侵蝕敏感分區，開展分區分級治理。

關鍵詞：環首都山地；土壤侵蝕；樹輪地貌學方法；環境因子

中圖分類號：S157文獻標識號：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、泥石流等災害提供了松散物質來源，容易造成山區土地資源破壞、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、侵蝕強度大、侵蝕區域差異明顯、成因復雜[2]。河北為多山地區，山地以太行山、燕山為主，土壤侵蝕敏感區分布面積廣泛[3]。對河北省土壤侵蝕的研究主要以侵蝕現狀綜合評價[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雜區域的土壤侵蝕特征。

河北省環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、地質條件復雜，是京津冀生態環境重要的支撐區。本研究基于樹輪地貌學方法，對環首都山地的部分代表性區域進行調查，對坡面土壤侵蝕速率進行實測，研究環首都山地土壤侵蝕特征及影響因素，以期為區域生態環境管理提供理論參考。

1材料與方法

1.1調查區概況

調查區主要位于河北省環首都山地的淶源、興隆、豐寧、圍場四縣，分別代表環首都山地的夏季風迎風坡（淶源、興隆）和背風坡（豐寧、圍場）。調查地區的基本地理特征見表1。

1.2土壤侵蝕速率調查方法

傳統的土壤侵蝕調查方法包括測量學方法、遙感研究法、地球化學方法、水文學研究方法、土壤學研究方法等[15]。其中常用的地球化學方法為同位素分析法，即通過同位素（如137Cs等）分析測定核塵埃產生至今的土壤侵蝕情況。水文學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及推移質泥沙統計信息，計算結果在反映坡面侵蝕總量方面存在一定誤差。測量學方法基于測繪和遙感設備，多以提供近年內重復監測期內的土壤侵蝕速率為主。從調查成本、耗時、數據精度等方面綜合考慮，這些方法在地形復雜的小區域內應用均存在一定不足。

為更直觀、精確地分析山地復雜地形小區域的坡面侵蝕，20世紀60年代以來，研究者開始采用樹輪地貌學方法[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]和國內部分地區[23-25]得到應用。為提高調查分析過程的便捷性和數據的代表性，結合坡面樹木自生長即存在不同強度的土壤侵蝕的特點，對該方法進行改進，采用全樹齡調查方法。侵蝕厚度為暴露最深的樹根最底部至當前地表的高度。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。

依據該方法，選擇自然植被分布或人類活動影響較小的調查區，調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。計算調查點土壤侵蝕速率，并根據《土壤侵蝕分類分級》[26]標準劃定不同調查點的土壤侵蝕強度。

1.3土壤侵蝕速率時間變化分析方法

利用調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為該組調查點的侵蝕厚度，（P）i為該組調查點的樹齡。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結果與分析

2.1調查點土壤侵蝕總體特征

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

2.2土壤侵蝕與環境因子的關系

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

2.2.2土壤侵蝕與植被的關系坡面土壤侵蝕速率和當地土地覆被特征相關，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，樹木密度低值區出現強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系土壤侵蝕速率與調查點地貌部位的相關性見圖3，山麓、山腰及山頂的平均侵蝕速率為17.27、11.19 mm/a及12.79 mm/a。其中山麓地區碎屑物質豐富，降水匯集所導致的地下或地表水流速較高，所以出現強烈級別以上土壤侵蝕的可能性更高。山頂地區水分相對較少，土壤侵蝕主要以風化剝落為主，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系土壤侵蝕與基巖巖性的相關性見圖4。其中基巖為角礫巖（含斷層角礫巖、凝灰質角礫巖）的調查點平均侵蝕速率達18.05 mm/a，且大多數調查點的侵蝕速率高于10 mm/a?；鶐r為輝綠巖、灰巖的調查點侵蝕速率均高于10 mm/a。基巖為片麻巖或土質為黃土狀土（主要為沖積黃土）的調查點侵蝕速率多高于10 mm/a，少數調查點侵蝕速率高于30 mm/a。

2.3土壤侵蝕對環境的敏感程度分析

為了考察土壤侵蝕速率對環境響應的特點，將同一山體（基巖巖性多相同）的調查點編為一組，調查點數量超過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如上述章節所示的相關關系，則定義為敏感。據此，各有效組土壤侵蝕速率對環境的敏感程度見表3。由表3可知，在同一山體環境下，調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，有效組內共有三組中調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查點，其土壤侵蝕速率遠高于組內其他調查點?？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

根據調查點的樹輪特征對調查點進行分組，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。根據式（2），計算每組的平均侵蝕速率，結果見圖5。樹齡39年以內調查點的平均侵蝕速率在15.83～17.57 mm/a，樹齡40～69年以內調查點的侵蝕速率為11.51～12.19 mm/a，樹齡70年以上調查點的侵蝕速率為7.20～8.18 mm/a。由此可見，20世紀50年代以來，土壤侵蝕強度愈加嚴重，尤其是80年代以來，平均土壤侵蝕速率顯著增加。

3討論與結論

（1）通過研究調查點土壤侵蝕速率的規律性特征可以發現，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性。土壤侵蝕速率與調查區土地覆被特征相關，孤樹、稀樹分布區或林下植被稀疏區土壤侵蝕速率普遍較高。此外，地貌為山麓的區域，或基巖巖性為角礫巖、輝綠巖、灰巖、片麻巖及黃土狀土分布區也有可能出現較嚴重的土壤侵蝕。

（2）調查樣品的分組分析結果顯示，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現，近百年來土壤侵蝕速率呈現逐漸增加的趨勢。尤其是20世紀80年代以來，平均土壤侵蝕速率顯著增加。

（4）河北省環首都山區是京津冀地區重要的生態環境保障區，是京津冀協同發展的重要生態屏障。為全面治理水土流失，有必要結合調查分析結果，綜合劃定環首都山區土壤侵蝕敏感分區，開展分區分級治理，嚴格禁止高敏感區開發，在裸地地區、山麓地區、碎屑巖及黃土狀土等土壤侵蝕高敏感性分布區開展森林或地表灌草植被修復與維護，建設水土保持工程，推進生態移民。

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