基于树轮地貌学方法的河北省环首都山地土壤侵蚀研究

摘要：采用树轮地貌学方法及土壤侵蚀速率时间变化分析方法，在河北省环首都山地4个代表性区域开展土壤侵蚀研究。结果显示，调查点的土壤侵蚀强度均在中度侵蚀以上，以极强度侵蚀和剧烈侵蚀为主。土壤侵蚀速率与坡度、地貌、岩性、植被状况等环境因子及人类活动密切相关。人类活动痕迹区、陡坡区、山麓区，岩性为碎屑岩、辉绿岩、灰岩、片麻岩或黄土状土的分布区，树木稀疏或林下植被稀疏区发生极强度侵蚀或剧烈侵蚀强度的可能性极高。对同一坡面调查点的分析显示，土壤侵蚀对坡度和人类活动最敏感，其它依次是植被和地貌部位。对不同树龄的调查点分析显示，近百年来环首都山地土壤侵蚀速率增长区域明显。为全面治理水土流失，应综合划定环首都山区土壤侵蚀敏感分区，开展分区分级治理。

关键词：环首都山地；土壤侵蚀；树轮地貌学方法；环境因子

中图分类号：S157文献标识号：A文章编号：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

山地坡面侵蚀为山洪、崩塌、滑坡、泥石流等灾害提供了松散物质来源，容易造成山区土地资源破坏、土壤肥力下降、库塘湖泊淤积等一系列危害[1]。我国土壤侵蚀面积大、分布范围广、侵蚀强度大、侵蚀区域差异明显、成因复杂[2]。河北为多山地区，山地以太行山、燕山为主，土壤侵蚀敏感区分布面积广泛[3]。对河北省土壤侵蚀的研究主要以侵蚀现状综合评价[4，5]、侵蚀敏感性分析[3，6]、影响因子评价[7-12]、侵蚀速率测算[13，14]为主。其中侵蚀速率测算主要基于遥感测量和RUSLE模型法，难以全面反映地形复杂区域的土壤侵蚀特征。

河北省环首都山地主要是保定、张家口、承德等地的太行山、燕山山地，为我国地势第二级阶梯和第三级阶梯的过渡带，山势陡峻，气候、地质条件复杂，是京津冀生态环境重要的支撑区。本研究基于树轮地貌学方法，对环首都山地的部分代表性区域进行调查，对坡面土壤侵蚀速率进行实测，研究环首都山地土壤侵蚀特征及影响因素，以期为区域生态环境管理提供理论参考。

1材料与方法

1.1调查区概况

调查区主要位于河北省环首都山地的涞源、兴隆、丰宁、围场四县，分别代表环首都山地的夏季L迎风坡（涞源、兴隆）和背风坡（丰宁、围场）。调查地区的基本地理特征见表1。

1.2土壤侵蚀速率调查方法

传统的土壤侵蚀调查方法包括测量学方法、遥感研究法、地球化学方法、水文学研究方法、土壤学研究方法等[15]。其中常用的地球化学方法为同位素分析法，即通过同位素（如137Cs等）分析测定核尘埃产生至今的土壤侵蚀情况。水文学观测方法基于多年水文泥沙观测资料[16]，而一般资料缺乏溶解质及推移质泥沙统计信息，计算结果在反映坡面侵蚀总量方面存在一定误差。测量学方法基于测绘和遥感设备，多以提供近年内重复监测期内的土壤侵蚀速率为主。从调查成本、耗时、数据精度等方面综合考虑，这些方法在地形复杂的小区域内应用均存在一定不足。

为更直观、精确地分析山地复杂地形小区域的坡面侵蚀，20世纪60年代以来，研究者开始采用树轮地貌学方法[17-19]，以某一暴露树根自明显暴露至今的年龄为时间尺度，以该暴露树根最下部至正常地表的距离为侵蚀厚度，进而获得该树根暴露期间的土壤侵蚀速率。该方法近来已在欧洲[17，21]、北美[18，22]和国内部分地区[23-25]得到应用。为提高调查分析过程的便捷性和数据的代表性，结合坡面树木自生长即存在不同强度的土壤侵蚀的特点，对该方法进行改进，采用全树龄调查方法。侵蚀厚度为暴露最深的树根最底部至当前地表的高度。侵蚀时长采用树木主干的年轮。参照Gartner[17]公式，全树龄法的土壤侵蚀速率计算方法见式（1）：

式中，Era为土壤侵蚀速率，单位为mm/a；Ex为侵蚀厚度，单位为mm；P为树龄，单位为a。

依据该方法，选择自然植被分布或人类活动影响较小的调查区，调查点选择有树根暴露的地点。使用生长锥在树木主干距地面1.3 m处钻取宽约5 mm的树轮样品，通过晾晒、打磨、年轮测算获得树龄值。使用卷尺量算该树木所在地点的侵蚀厚度。此外，记录树木的GPS位置、坡度、岩性、地貌、植被等信息。计算调查点土壤侵蚀速率，并根据《土壤侵蚀分类分级》[26]标准划定不同调查点的土壤侵蚀强度。

1.3土壤侵蚀速率时间变化分析方法

利用调查点树木的主干树龄分析不同年代的土壤侵蚀特征。将所有调查点划分为不同的组，计算并比较每个树龄组的平均侵蚀速率。计算方法见式（2）：

式中，Era为某一树龄组的平均侵蚀速率，（Ex ）i为该组调查点的侵蚀厚度，（P）i为该组调查点的树龄。通过对不同树龄组的对比，可以反映不同时段以来的土壤侵蚀速率变化特征。

2结果与分析

2.1调查点土壤侵蚀总体特征

调查共获取样品82个，各调查区的调查点数量及其侵蚀强度分析结果见表2。调查点侵蚀速率介于2.86～38.71 mm/a，侵蚀强度均在中度以上，以极强度侵蚀和剧烈侵蚀为主。迎风坡山区（兴隆、涞源）调查点的侵蚀强度多高于背风坡（丰宁、围场），其中涞源调查点的侵蚀强度最高。

2.2土壤侵蚀与环境因子的关系

2.2.1土壤侵蚀与坡度的关系自然坡面的土壤侵蚀速率与调查点坡度呈现为较好的相关性。如图1所示，坡度45°时，侵蚀速率随坡度变大表现为类指数关系。受人类活动影响的调查点，其侵蚀速率均较高，和坡度变化无相关性。

2.2.2土壤侵蚀与植被的关系坡面土壤侵蚀速率和当地土地覆被特征相关，其中受乔木密度影响尤为显著。如图2所示，三种不同树木密度区的平均侵蚀速率分别为孤树18.32 mm/a，稀树12.55 mm/a，树丛9.58 mm/a，树木密度低值区出现强度级别以上土壤侵蚀的可能性更高。此外，林下植被特征对坡面的保护作用显著，裸地的土壤侵蚀速率明显高于灌丛和草地。

2.2.3土壤侵蚀与地貌的关系土壤侵蚀速率与调查点地貌部位的相关性见图3，山麓、山腰及山顶的平均侵蚀速率为17.27、11.19 mm/a及12.79 mm/a。其中山麓地区碎屑物质丰富，降水汇集所导致的地下或地表水流速较高，所以出现强烈级别以上土壤侵蚀的可能性更高。山顶地区水分相对较少，土壤侵蚀主要以风化剥落为主，除个别外土壤侵蚀速率相对较低。

2.2.4土壤侵蚀与岩性的关系土壤侵蚀与基岩岩性的相关性见图4。其中基岩为角砾岩（含断层角砾岩、凝灰质角砾岩）的调查点平均侵蚀速率达18.05 mm/a，且大多数调查点的侵蚀速率高于10 mm/a。基岩为辉绿岩、灰岩的调查点侵蚀速率均高于10 mm/a。基岩为片麻岩或土质为黄土状土（主要为冲积黄土）的调查点侵蚀速率多高于10 mm/a，少数调查点侵蚀速率高于30 mm/a。

2.3土壤侵蚀对环境的敏感程度分析

为了考察土壤侵蚀速率对环境响应的特点，将同一山体（基岩岩性多相同）的调查点编为一组，调查点数量超过3的组为有效组，共有15个有效组。若土壤侵蚀速率与因子之间呈现如上述章节所示的相关关系，则定义为敏感。据此，各有效组土壤侵g速率对环境的敏感程度见表3。由表3可知，在同一山体环境下，调查点土壤侵蚀速率对坡度变化最敏感，其次为植被、地貌、人类活动。

此外，有效组内共有三组中调查点附近有人类活动痕迹（山路），这三组均对人类活动敏感。且有人类活动痕迹的调查点，其土壤侵蚀速率远高于组内其他调查点。可见土壤侵蚀速率变化对人类活动同样非常敏感。

2.4近百年来土壤侵蚀速率的变化特征

根据调查点的树轮特征对调查点进行分组，树龄小于70年的，每10年分为一组；树龄大于70年的，分为70～89、90～119、120年及以上组。根据式（2），计算每组的平均侵蚀速率，结果见图5。树龄39年以内调查点的平均侵蚀速率在15.83～17.57 mm/a，树龄40～69年以内调查点的侵蚀速率为11.51～12.19 mm/a，树龄70年以上调查点的侵蚀速率为7.20～8.18 mm/a。由此可见，20世纪50年代以来，土壤侵蚀强度愈加严重，尤其是80年代以来，平均土壤侵蚀速率显著增加。

3讨论与结论

（1）通过研究调查点土壤侵蚀速率的规律性特征可以发现，坡度、地貌、岩性、植被等因子均是影响土壤侵蚀的重要因素。坡面侵蚀速率与坡度有良好的相关性。土壤侵蚀速率与调查区土地覆被特征相关，孤树、稀树分布区或林下植被稀疏区土壤侵蚀速率普遍较高。此外，地貌为山麓的区域，或基岩岩性为角砾岩、辉绿岩、灰岩、片麻岩及黄土状土分布区也有可能出现较严重的土壤侵蚀。

（2）调查样品的分组分析结果显示，同一山体或坡面（即基岩岩性相同或相似），土壤对坡度和人类活动最为敏感，其他依次为植被和地貌部位。

（3）通过分析近百年来土壤侵蚀速率变化特征可以发现，近百年来土壤侵蚀速率呈现逐渐增加的趋势。尤其是20世纪80年代以来，平均土壤侵蚀速率显著增加。

（4）河北省环首都山区是京津冀地区重要的生态环境保障区，是京津冀协同发展的重要生态屏障。为全面治理水土流失，有必要结合调查分析结果，综合划定环首都山区土壤侵蚀敏感分区，开展分区分级治理，严格禁止高敏感区开发，在裸地地区、山麓地区、碎屑岩及黄土状土等土壤侵蚀高敏感性分布区开展森林或地表灌草植被修复与维护，建设水土保持工程，推进生态移民。

参考文献：

[1]王占礼. 中国土壤侵蚀影响因素及其危害分析[J]. 山西水土保持科技， 2000 （2）： 14-16.

[2]郑粉莉， 王占礼， 杨勤科. 我国土壤侵蚀科学研究回顾和展望[J]. 自然杂志， 2008， 30（1）：12-16.

[3]张东云. 河北省土壤侵蚀敏感性分级及其区划研究[D]. 石家庄：河北师范大学， 2005.

[4]于宗周， 郭桂兰. 河北省水土流失现状与水土保持法的落实[J]. 河北林果研究， 2003， 18（1）：7-12.

[5]岳树堂， 申万明， 乔光建. 河北省土壤侵蚀类型及时空分布特征分析[J]. 南水北调与水利科技， 2010， 8（3）：83-87.

[6]王娇， 程维明， 祁生林，等. 基于USLE和GIS的水土流失敏感性空间分析――以河北太行山区为例[J]. 地理研究， 2014， 33（4）：614-624.

[7]葛京凤， 黄志英， 梁彦庆，等. 河北太行山区土地利用/覆被变化及其环境效应[J]. 地理与地理信息科学， 2005， 21（2）：62-65.

[8]王茜， 王卫， 吕昌河. 基于GIS和RS的土地利用与土壤侵蚀关系研究――以冀北地区为例[J]. 中国水土保持科学， 2006， 4（6）：37-41.

[9]井明月. 开荒种植板栗与水土流失――关于2012年兴隆县“7.21”水灾调查分析[J]. 中小企业管理与科技旬刊， 2014（14）：203.

[10]李大伟， 赵文廷， 尹海魁，等. 涞源县土壤侵蚀与地形分布特征研究[J]. 土壤通报， 2016，47（3）：705-712.

[11]顾新庆， 张金香. 太行山片麻岩低山区水土流失规律研究[J]. 林业科技开发， 2005， 19（4）：29-32.

[12]朱子龙. 太行山石灰岩坡地水土及养分流失规律研究[D]. 保定：河北农业大学， 2015.

[13]乔彦肖. 冀西北地区 （坝下） 土壤侵蚀卫星遥感应用研究[J]. 河北省科学院学报， 2000， 17（3）： 175-181.

[14]白晓松. 基于RUSLE的北方山区土壤侵蚀定量研究与生态适宜性评价[D].保定： 河北农业大学， 2010.

[15]南秋菊， 华珞. 国内外土壤侵蚀研究进展[J]. 首都师范大学学报（自然科学版）， 2003， 24（2）： 86-95.

[16]焦菊英，景可，李林育，等.应用输沙量推演流域侵蚀量的方法探讨[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]_美，周运超.喀斯特地区树根解剖特征与土壤侵蚀[J]. 林业科学， 2012， 48（3）： 132-135.

[24]孙丽萍，王小丹.基于根系解剖结构的金沙江干热河谷土壤侵蚀速率估算[J].地理科学，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]中华人民共和国水利部.SL 190―2007.土壤侵蚀分类分级标准[S].