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(duì)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(duì)單一，對(duì)環(huán)境很敏感，受氣候因素影響，植被年生長(zhǎng)量較小，生長(zhǎng)速度緩慢，一旦破壞恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。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(duì)整個(gè)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(lái)旅游開發(fā)和過(guò)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(zhǎng)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(wú)法保障，因此迫切需要對(duì)靈山高山地區(qū)的侵蝕溝道進(jìn)行治理?？紤]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(guó)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(dòng)，而且是促進(jìn)區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展和社會(huì)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(duì)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(dòng)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(tái)山脈的余脈。靈山地區(qū)為溫帶半濕潤(rùn)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(shí)數(shù)2 600 h，全年無(wú)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(dòng)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(zhǎng)季短；可利用植被種源少；無(wú)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(duì)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(wú)侵蝕溝發(fā)育的對(duì)照樣地為研究對(duì)象。3條侵蝕溝都位于陰坡，總體地勢(shì)南高北低。其中，1#侵蝕溝溝長(zhǎng)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(zhǎng)度約30 m。2#侵蝕溝溝長(zhǎng)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(huì)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(zhǎng)390 m，平均寬度5 m，比降27.9%。該侵蝕溝發(fā)源于對(duì)照樣地的西北方向，向南發(fā)育后與2#侵蝕溝會(huì)合，最終又與1#侵蝕溝交會(huì)。

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(guó)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(duì)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(dòng)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(duì)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(yíng)造適宜草甸植被生長(zhǎng)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(guò)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(duì)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(duì)溝道進(jìn)行局部放坡處理，通過(guò)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(shí)，勢(shì)必會(huì)加大徑流沖刷強(qiáng)度，因此布設(shè)末端防治措施時(shí)應(yīng)充分考慮對(duì)侵蝕溝內(nèi)徑流的消能與分散作用，同時(shí)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(cè)

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(cè)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(gè)侵蝕控制點(diǎn)，并選取3個(gè)侵蝕測(cè)量點(diǎn)，利用皮尺量測(cè)各侵蝕點(diǎn)與對(duì)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(cè)控制點(diǎn)與溝緣之間的距離，通過(guò)觀測(cè)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(gè)侵蝕控制點(diǎn)，并選取3個(gè)侵蝕測(cè)量點(diǎn)，利用皮尺量測(cè)各測(cè)量點(diǎn)與對(duì)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(guò)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(shì)度、群落結(jié)構(gòu)及多樣性等方面的變化情況，并與對(duì)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(duì)照樣地?cái)U(kuò)張比較

經(jīng)過(guò)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(duì)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(duì)照樣地溝道溯源侵蝕速率測(cè)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(duì)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(duì)照樣地溝道溯源侵蝕速率

侵蝕溝道和對(duì)照樣地溝道橫向擴(kuò)張速率如圖3所示。相比2015年監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)照樣地溝道橫向擴(kuò)張速率

圖4為1#～3#侵蝕溝道和對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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%?？梢?，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(guò)有針對(duì)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(shí)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(jì)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(gè)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(lái)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(duì)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(duì)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(duì)頻度分別為5.3%、4.7%。2014年治理前侵蝕溝道內(nèi)的優(yōu)勢(shì)種按照其相對(duì)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(zhǎng)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(gè)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(lái)看，二年生和多年生草本植物21種，一年生草本植物4種?；鸾q草、薹草、地榆和藁本的相對(duì)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(duì)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(shì)種按照其相對(duì)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(zhǎng)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(gè)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(lái)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(gè)物種相對(duì)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(duì)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(duì)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(shì)種按照其相對(duì)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(guò)連續(xù)3年的治理，侵蝕溝道內(nèi)物種數(shù)量呈上升趨勢(shì)，由2014年的19種增加到2016年的27種，說(shuō)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(zhǎng)，說(shuō)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(guò)對(duì)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(guò)3年的治理，溝道內(nèi)物種數(shù)量呈上升趨勢(shì)，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(zhǎng)，侵蝕溝道內(nèi)植被朝著正向演替的方向發(fā)展。