北京市靈山侵蝕溝道治理與近自然修復效果研究

鞏 瀟，李 璐，趙方瑩，倪 棟

(1.北京圣海林生態環境科技股份有限公司，北京100083；2.交通運輸部 公路科學研究所，北京100088)

靈山位于北京市五大生態涵養區之一的門頭溝區，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，對維護和改善北京市生態環境起著重要的生態屏障作用[1]。靈山亞高山草甸生態系統的結構和功能相對單一，對環境很敏感，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致部分物種消失，對整個生態系統造成難以彌補的損失[2]。靈山亞高山草甸的物種豐富度和多樣性指數隨著海拔的升高而下降[3]，而近年來旅游開發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重流失，若目前嚴重的水土流失狀況不能得到有效控制，則植被恢復需要的穩定立地條件就無法保障，因此迫切需要對靈山高山地區的侵蝕溝道進行治理。考慮到單純自然生態恢復和工程方式治理存在的局限性，靈山高山地區侵蝕溝道適宜采用以遵循自然規律為前提，用人工方式促進自然恢復，實現坡面生態恢復的近自然生態修復方式。

開展靈山侵蝕溝道治理和植被恢復的探索與研究，不僅是維持我國亞高山草甸生態系統連續性和保障北京西部生態涵養功能的必要行動，而且是促進區域社會、經濟健康發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，以及人工促進下草甸群落恢復的動態變化特征，希望能為同類型亞高山草甸的恢復與保護提供參考與借鑒。

1 研究區概況

靈山位于北京市門頭溝區西北部，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。靈山地區為溫帶半濕潤季風氣候區，夏季受東南季風影響，冬季受西伯利亞寒流控制，表現為夏季高溫多雨，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，年平均氣溫2～7 ℃，年日照時數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%。靈山地區土壤侵蝕模數背景值為2 298 t/(km2·a)(2014年調查結果)，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劃分標準，靈山地區允許土壤侵蝕模數為200～1 000 t/(km2·a)。靈山亞高山草甸治理與保護的難點主要是：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，初期植被養護難度大；海拔高，基礎設施不足，施工材料運輸困難等。

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30 m處無侵蝕溝發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分水嶺，由南向北發育約100 m后，轉向東北方向，朝坡腳處繼續下切，形成切溝，拐點以下30 m處侵蝕溝發育明顯。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月發生了溯源侵蝕現象，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，目前該侵蝕溝發育較為穩定，尚未發生溯源侵蝕現象。3#侵蝕溝溝長390 m，平均寬度5 m，比降27.9%。該侵蝕溝發源于對照樣地的西北方向，向南發育后與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效果研究

3.1 侵蝕溝治理方案

借鑒國內外侵蝕溝道控制技術，結合靈山侵蝕溝道實際情況，按照“源頭修復—中段防治—末端控制”的思想(圖1)，根據溝道不同部位的立地條件，因地制宜，因害設防，采取的工程措施包括溝頭修復工程、溝道中段橫向攔擋及溝道側坡護坡工程、溝道末端控制性攔擋工程。采取傳統工程、土壤生物工程、植物措施相結合的方式[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展速率，減弱橫向和縱向擴張規模，實現對侵蝕溝道的控制與治理。

圖1 侵蝕溝道治理技術措施體系

(1)源頭修復。減少人畜擾動破壞，提高溝頭區域地表植被覆蓋，增強雨水入滲。

(2)中段防治。1#侵蝕溝比降較大，為重點治理段。首先，將降低溝道比降和加強侵蝕溝內的落淤作為首要目標，逐步降低侵蝕強度，為后續植被恢復提供穩定環境；其次，為促進溝道內的植被恢復和方便治理措施布設，本著減少二次破壞范圍的原則，對部分側坡陡坎進行放坡處理，一方面控制侵蝕溝橫向發育，另一方面營造適宜草甸植被生長的地形條件；再次，以靈山鄉土植物種為主要目標物種，通過人工促進與自然恢復相結合的方法，實現侵蝕溝內的植被恢復和水土流失控制。對于2#、3#侵蝕溝，根據各段溝寬和溝壁坡度情況，選擇在侵蝕溝斷面擴大處設置橫向攔擋，實現降低溝段比降和侵蝕強度的目的，此外對溝道進行局部放坡處理，通過自然恢復與人工促進相結合的方式恢復溝道內植被。

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

3.2 侵蝕溝道監測

2014年實施治理方案后，2015、2016年進行了連續兩年的侵蝕溝道監測調查，調查方式如下：

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

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

(3)末端擴張調查。在侵蝕溝道末端設置3個侵蝕控制點，并選取3個侵蝕測量點，利用皮尺量測各測量點與對應控制點之間的距離，取平均距離作為末端控制的量化指標。

3.3 植物群落近自然修復特征研究

以2014年調查結果作為侵蝕溝道植物群落背景值，通過2014—2016年連續3年的植物群落調查，分析群落物種組成、物種優勢度、群落結構及多樣性等方面的變化情況，并與對照樣地進行比較，研究侵蝕溝道群落演替特征，為靈山地區草甸資源的保護與管理提供科學指導。

4 結果與討論

4.1 侵蝕溝道與對照樣地擴張比較

經過治理，1#～3#侵蝕溝道的溯源侵蝕速率、橫向擴張速率和末端擴張速率都有所降低。對照樣地沒有采取治理措施，2014—2016年發生侵蝕，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張速率如圖3所示。相比2015年監測結果，2016年1#侵蝕溝橫向擴張速率未發生改善，2#侵蝕溝橫向擴張速率降低了14.0%，3#侵蝕溝橫向擴張速率降低了12.3%。由于未采取任何防護措施，因此2016年對照樣地溝道橫向擴張速率加快，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張速率

圖4為1#～3#侵蝕溝道和對照樣地溝道末端擴張速率比較。3條侵蝕溝道的末端擴張速率在治理后都有所下降。相比2015年監測結果，2016年1#侵蝕溝末端擴張速率降低了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，末端擴張速率繼續增大，2016年末端擴張速率比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張速率

實施侵蝕溝道治理后，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年土壤侵蝕模數下降幅度分別為53.26%、39.76%。可見，實施溝道治理措施能有效控制土壤侵蝕、提高保土效益，治理后項目區土壤侵蝕模數已經達到了北京市水土流失控制要求。

4.2 侵蝕溝道近自然修復草甸植被組成特征變化

通過有針對性地布設侵蝕溝防治和植被恢復措施，取得了較好的泥沙攔擋和植被恢復效果。侵蝕溝攔擋部位淤積泥沙厚度平均值達到了0.4 m，同時淤積物中含有一定數量的植物種子，也為侵蝕溝道植被恢復創造了有利條件，進一步提高了治理效果。植物措施方面，采取了原位修復方法，選用的植被為本地種，適應性強，在2015—2016年的調查中原位修復區域植被覆蓋度、物種豐富度均較高，其主要物種組成和物種生活型統計結果見表1。

在2014年侵蝕溝道調查中共調查到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的優勢種按照其相對頻度排序為：車前>小紅菊>薹草>蒲公英=地榆>鈍萼附地菜>硬質早熟禾>藁本>胭脂花>秦艽>白毛委陵菜>華北馬先蒿=中華風毛菊>風毛菊>萹蓄>藍花棘豆=長筒濱紫草=翠雀>多星韭。

在2015年調查中共發現25種植物，隸屬于15個科。其中，菊科物種數量最多，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、硬質早熟禾、藍花棘豆、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的優勢種按照其相對頻度排序為：火絨草>薹草>地榆=藁本>小紅菊>翠雀=秦艽=蒲公英>車前=硬質早熟禾>藍花棘豆=鈍萼附地菜=拳參=鵝觀草>風毛菊>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年調查中共出現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年調查到的27個物種相對頻度同樣具有較為明顯的分化現象：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的優勢種按照其相對頻度排序為：車前>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=華北藍盆花>龍芽草>藍花棘豆>火絨草=鈴鈴香青>風毛菊=米口袋>華北馬先蒿=珠芽蓼=萹蓄=硬質早熟禾>翠雀=藜蘆>拳參=鵝觀草。

經過連續3年的治理，侵蝕溝道內物種數量呈上升趨勢，由2014年的19種增加到2016年的27種，說明治理工程的實施有效促進了侵蝕溝道內植被的恢復。另外，多年生草本植物數量逐年增長，說明侵蝕溝道內植被已開始朝著正向演替的方向發展。

5 結 論

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