北京市不同治理區(qū)水土流失的環(huán)境效應(yīng)分析

和繼軍,曹溫慶,蔡強國

（1.首都師范大學初等教育學院,北京100048;2.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西楊陵712100;3.中國科學院地理科學與資源研究所,中國科學院陸地水循環(huán)與地表過程重點實驗室,北京 100101）

人類活動是影響區(qū)域水土流失的重要因素,其中人類主要通過改變土地利用結(jié)構(gòu)及地表覆蓋情況而直接或間接對水土流失的發(fā)生強度產(chǎn)生影響。土地利用結(jié)構(gòu)的變化將導致地表植被覆蓋度的增加或減少,從而產(chǎn)生對土壤侵蝕發(fā)生強度的作用。在一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),經(jīng)濟發(fā)展,城市擴張,使得耕地面積持續(xù)減少,山區(qū)陡坡開荒現(xiàn)象嚴重,導致大量森林植被遭到破壞,植被覆蓋度降低,生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力降低,由此引發(fā)的以水土流失為主的生態(tài)問題日益加重。

北京市作為中國經(jīng)濟最為發(fā)達和人口密度最為稠密的地區(qū)之一,水土資源異常緊張。其中人均水資源占有量為350 m3,不足世界人均水資源量的1/25和全國人均水資源量的1/6[1],加之水土流失引起的地表水體的污染[2-3],使得北京市水資源形勢更加緊張。針對上述問題,北京市提出了以水資源保護為重點的水土流失綜合治理模式,即根據(jù)地形、地表水體的范圍及人類活動等特點,從區(qū)域尺度依次分為重點預防保護區(qū)、重點監(jiān)督區(qū)和重點治理區(qū)進行分區(qū)治理,以實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的明顯改善及水資源的可持續(xù)利用。因此,本文旨在研究不同治理區(qū)水土流失的綜合治理及其環(huán)境效應(yīng),并對治理區(qū)之間的差異性及主要影響因素進行分析,以期為北方土石山區(qū)類似區(qū)的治理提供一定的理論參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

北京市位于北方土石山區(qū)下游,地處山地與平原的過渡地帶,東北、北、西三面群山環(huán)繞,東南部是平緩地向渤海傾斜的平原,山地與平原之間過渡急劇,界線清晰。其中,山區(qū)面積10 418 km2,占全市面積的62%,多為石質(zhì)山區(qū),坡度在25°以上的陡坡面積占山區(qū)面積的46.65%,其中大于35°的面積占山區(qū)面積的17.43%,高山至丘陵的地形變化急驟,落差大,河谷縱坡大;同時北京地區(qū)年降雨量的空間分布,季節(jié)分配極不均勻,全年75%～80%以上的降雨集中在6-9月,因此,在特定地貌地形特征、降雨特征以及山區(qū)森林植被屢遭人為破壞的影響下,土壤蓄水能力降低,水土流失嚴重,至2001年,已綜合治理水土流失面積2 551 km2,全市年均土壤侵蝕模數(shù)1 600 t/km2,年侵蝕量864.55萬t[1]。

北京市山區(qū)現(xiàn)有10個徑流場,106個徑流小區(qū),14個小流域溝道控制站,分別分布在北京市北部山區(qū)和西部山區(qū)。其中北部山區(qū)8個徑流場,分別位于潮白河流域、溫榆河流域、媯水河流域和薊云河流域;西部山區(qū)3個徑流場,分別位于永定河流域和拒馬河流域。14個小流域溝道控制站分別位于北部山區(qū)和西部山區(qū),其中,北部山區(qū)9個小流域溝道控制斷面,西部山區(qū)5個。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究中所用的降雨、徑流、泥沙及污染物數(shù)據(jù)主要來自于2001-2006年北京山區(qū)水土流失監(jiān)測站和北京市水土保持公報,部分降雨數(shù)據(jù)來自于北京市及周邊氣象站和已發(fā)表的學術(shù)論文,其他相關(guān)數(shù)據(jù)來自北京市各個區(qū)縣志。

1.3 水土流失不同治理區(qū)劃分

北京市在水土流失綜合治理實施和監(jiān)測過程中,首先根據(jù)不同地區(qū)地貌特征、植被狀況、社會經(jīng)濟特點,并結(jié)合北京市土壤侵蝕強度遙感調(diào)查的基礎(chǔ)上,依次把整個治理區(qū)劃分為重點預防保護區(qū)、重點監(jiān)督區(qū)和重點治理區(qū)三個區(qū)域,并根據(jù)不同防治區(qū)的實際情況采用相應(yīng)合適的水土保持措施,進行分區(qū)治理。目前,北京市水土流失重點防治區(qū)的總面積16 807 km2,其中重點預防保護區(qū)為9 549 km2,重點監(jiān)督區(qū)為2 862 km2,重點治理區(qū)為4 396 km2(表1);北京市土壤侵蝕遙感調(diào)查結(jié)果顯示,目前北京市的土壤侵蝕強度基本在中度侵蝕強度以下,侵蝕總面積為4 089 km2,與北京市水土流失重點治理區(qū)的面積一致,此區(qū)是人類活動最頻繁的地區(qū),是治理的重中之重。

表1 北京市水土流失重點防治區(qū)劃分面積統(tǒng)計 km2

重點預防保護區(qū)主要分布在遠山和深山區(qū)或地勢平坦的平原地區(qū),水土流失較輕,林草覆蓋度較大,但存在潛在水土流失危險區(qū)域,采取的措施是重點保護好現(xiàn)有植被和水利水保設(shè)施,防止亂砍濫伐、陡坡開荒和生產(chǎn)建設(shè)挖砂采石堵塞河系水網(wǎng)等人為造成水土流失的發(fā)生,同時對局部地區(qū)做好土地復墾、植被恢復以及水資源保護;重點監(jiān)督區(qū)主要分布在人口集中的城市中心區(qū)和村鎮(zhèn)區(qū),此區(qū)資源開發(fā)和基本建設(shè)活動較集中和頻繁,原始地貌損壞程度較大,易造成嚴重的水土流失,采用的主要措施是加強水土保持方案管理和水土保持監(jiān)督執(zhí)法工作;重點治理區(qū)主要分布在土地利用以坡耕地為主的山區(qū),是水土流失發(fā)生的主要策源地,對當?shù)睾拖掠蔚乃帘３汁h(huán)境危害較大,主要通過合理配置水土保持工程措施和生物措施,有計劃地開展以小流域為單元的水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同治理區(qū)水土流失效應(yīng)分析

從北京市不同水土流失治理區(qū)2002-2006年的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果(圖1和圖2)可知,年與年相比,重點預防保護區(qū)和重點監(jiān)督區(qū)間的年徑流強度遠高于重點治理區(qū)。其中,重點預防保護區(qū)的年徑流強度在年際之間呈交替變化,在多年平均尺度上趨于穩(wěn)定,重點監(jiān)督區(qū)和重點治理區(qū)的年徑流強度值在年際間盡管相差較大,但變化趨勢基本相同;三大治理區(qū)年際之間土壤流失強度的大小順序依次是重點治理區(qū)＞重點監(jiān)督區(qū)＞重點預防保護區(qū)。其中,2002-2003年兩個年度內(nèi)重點預防保護區(qū)和重點監(jiān)督區(qū)年與年相比土壤流失強度相差不大,2004-2006年三個年度內(nèi)重點治理區(qū)和重點監(jiān)督區(qū)年與年相比土壤流失強度差異較小,年際之間變化趨勢一致,并遠高于重點預防保護區(qū)。整體而言,重點治理區(qū)和重點監(jiān)督區(qū)土壤流失強度年際之間差別較大,重點預防保護區(qū)土壤流失強度年際之間差異較小,總體變化趨勢穩(wěn)定。

北京市水土流失不同防治區(qū)間的年土壤流失強度存在明顯差異的主要原因是由土地利用方式、地貌特征以及人類活動影響程度不同造成的。大量研究表明,通過調(diào)整土地利用方式、增加植被覆蓋、減少人類破環(huán)、保護原始地表形態(tài)可以顯著抑制水土流失的發(fā)生強度[4-5]。重點預防保護區(qū)內(nèi)主要位于遠山深山區(qū)或平原區(qū),其中深山區(qū)森林植被覆蓋度高、人類活動少,地表原始狀況保存率高,抗侵蝕力強,并且該區(qū)是北京市重要的水源地涵養(yǎng)區(qū),嚴禁陡坡開荒及亂砍濫伐,而平原地區(qū)地勢平坦,是泥沙的主要沉積區(qū),因此盡管年徑流量較大,但水土流失并不嚴重,遠低于1997年中華人民共和國水利部發(fā)布的北方土石山區(qū)允許土壤流失量200 t/(km2?a);重點監(jiān)督區(qū)是人類主要生活區(qū)域,資源開發(fā)、基礎(chǔ)建設(shè)活動頻繁,對原始地面破壞程度大,大量的建筑、資源開發(fā)的廢棄物很容易被徑流帶走,在徑流量強度較大時容易形成嚴重的水土流失,大部分年份的土壤流失強度高于200 t/(km2?a);重點治理區(qū)主要位于山區(qū)人口相對集中的村鎮(zhèn)周圍,是北京市坡耕地的主要分布區(qū),地面植被覆蓋度低,加上陡坡開荒及不合理的耕作方式,導致土壤結(jié)構(gòu)差、抗蝕能力降低,在汛期易形成嚴重的水土流失,2003-2006年的土壤流失強度均在250 t/(km2?a)以上,明顯高于土壤允許流失強度200 t/(km2?a)(圖1和圖2)。

圖1 水土流失不同防治區(qū)年徑流強度

圖2 水土流失不同防治區(qū)年土壤流失強度

通過上述分析說明,減少人類活動,充分發(fā)揮生態(tài)環(huán)境自身的恢復能力,提高植被覆蓋度可以起到有效抑制水土流失強度的作用,且植被生長時間越長,覆蓋度越高,就越可以在較大范圍內(nèi)長期起到作用,所以恢復植被是水土流失治理的根本措施[6]。另一方面也受到降雨特征的時空差異的影響(表2),2004-2006年的產(chǎn)流降雨量和最大降雨量都均大于2002年和2003年的,導致水土流失重點治理區(qū)和重點監(jiān)督區(qū)后三年的土壤流失強度明顯大于前兩年的土壤流失強度。其中2003年重點治理區(qū)土壤流失強度過大主要是由局部地區(qū)年降雨量和最大降雨量過大造成的,由于重點治理區(qū)主要分布在山區(qū),特別是密云、延慶、平谷等縣區(qū),而從表2中可以看出,密云縣的石匣、延慶縣的上辛莊、平谷縣的掛甲峪等監(jiān)測點2003年的產(chǎn)流降雨量和最大降雨量均明顯大于其它監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù),而研究表明,北方地區(qū)的年土壤流失量往往決定于幾場暴雨[7]。

重點預防保護區(qū)和監(jiān)督區(qū)的徑流強度明顯大于重點治理區(qū)的主要原因同樣受下墊面條件和降雨特征的時空差異兩方面影響。重點治理區(qū)位于山區(qū),盡管坡度較大,但是土壤疏松有利于降雨入滲,加上水土保持措施攔蓄作用,徑流強度大大降低;重點預防保護區(qū)盡管植被覆蓋度高,但研究表明植被措施對徑流的攔蓄效果相對較低[8],加上地面粗糙度較小,使得該區(qū)域年徑流強度相對較高;而重點監(jiān)督區(qū)主要分布在中心城區(qū)以及村鎮(zhèn),地面硬化程度高,不利用降雨入滲,同時地表摩擦力小,加強了徑流的形成,因此重點監(jiān)督區(qū)的徑流強度明顯變大。對北京市城區(qū)與郊區(qū)的徑流特征的研究也證明了這一點,從表3可以明顯看出,在降雨量相差不大的條件下,北京市中心區(qū)的徑流總量和地表徑流量都要遠遠大于郊區(qū),地下徑流則小于郊區(qū)。另一方面是由于降雨特征的時空差異造成的,從表2可以看出在相同年份里不同監(jiān)測點的汛期降雨量和最大降雨量差異性明顯,在年際之間同一監(jiān)測點的汛期降雨量和最大降雨量同樣變異性很大。

表2 北京市山區(qū)水土流失監(jiān)測點不同年份降雨 mm

表3 北京中心區(qū)和郊區(qū)徑流特征對比[9] mm

2.2 不同治理區(qū)污染物流失效應(yīng)分析

面源污染的產(chǎn)生和遷移與降雨-產(chǎn)流-下墊面條件密切相關(guān),降雨特征及形成的地表和地下徑流是面源污染物產(chǎn)生的主要動力,而隨之產(chǎn)生的水土流失不僅是一種重要的面源污染,而且也是其它類型面源污染物進入水體的載體和重要途徑[10-11]。從三大水土流失防治區(qū)年磷流失強度、年氮流失強度和年CODMn流失強度(圖3)的年際變化趨勢可以看出,基本與年徑流強度(圖1)的年際之間的變化趨勢一致,即徑流量強度大的年份污染物的流失強度也大,說明污染物的流失強度主要受產(chǎn)流強度的影響。在降雨條件下,特別是大暴雨,地表徑流迅速增加,對地面的沖刷作用明顯加強,并與表土充分混合,使得養(yǎng)分交換過程也較充分,最終致使隨徑流流失的氮、磷等營養(yǎng)元素的流失量也顯著增加[12-13]。由于污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要來源于地表徑流中的污染物和懸浮物,因此,三大重點防治區(qū)污染物的流失強度的年際變化趨勢與土壤的流失強度年際變化情況差異較大(見圖2)。

從圖3還可以看出,不同水土流失治理區(qū)間的年污染物流失強度差異較大,年與年及年際之間的流失強度由大到小依次為重點治理區(qū)＞重點監(jiān)督區(qū)＞重點預防保護區(qū)。其中,重點治理區(qū)和重點監(jiān)督區(qū)年污染物流失強度年際間的變化趨勢相似,而重點預防保護區(qū)的污染物流失強度年際之間變化較小,基本在一個穩(wěn)定范圍內(nèi)波動,受徑流影響較小,與年土壤流失強度的年際變化趨勢一致。造成上述差異的原因主要與不同水土流失治理區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)有關(guān)。重點預防保護區(qū)植被覆蓋高,對徑流泥沙的攔蓄、過濾的作用強,加上原始地面擾動較小,可以明顯降低徑流對地表的沖刷,避免表層土壤與徑流充分混合,降低徑流中的養(yǎng)分含量,從而可以有效抑制污染物的流失。許多研究表明,通過提高植物覆蓋度可以顯著改善土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),從而對化肥、農(nóng)藥、重金屬等污染物的植物吸收、微生物降解、化學降解等遷移途徑具有顯著的正向促進作用,可減少污染源系統(tǒng)的污染物通量[14]。重點治理區(qū)坡耕地分布廣,植被覆蓋度低,加之耕地中大量實施氮肥磷肥及頻繁耕作導致的表層土壤疏松,有利于土壤和徑流的充分混合,最終導致各種污染物流失強度最大,這不僅造成土壤養(yǎng)分的大量流失,一旦進入水體還會嚴重影響到水質(zhì)。對陜西省黑河流域的研究表明,植被覆蓋率低,坡耕地所占面積比例大和耕地大量施肥是造成嚴重侵蝕性面源污染的主要原因[15]。而重點監(jiān)督區(qū)的各種污染物的流失強度大則主要是由建筑、礦場松散的廢棄物以及生活垃圾在徑流沖刷、混合條件下形成的。通過對比不同治理區(qū)年與年氮磷流失強度(圖3)發(fā)現(xiàn),總氮流失強度明顯高于總磷流失強度,分析原因除了耕地氮肥使用量大于磷肥使用量外,還與氮磷元素隨徑流的流失規(guī)律有關(guān)。研究表明,氮的流失是以溶解態(tài)為主,磷的流失則是以與泥沙結(jié)合態(tài)磷為主[16],而本研究中的各種污染物流失強度測定主要以地表徑流以及懸浮物中污染物含量為基礎(chǔ),因此導致不同治理區(qū)內(nèi)的年總氮流失強度大于年總磷流失強度。

圖 3 水土流失不同治理區(qū)年總磷、總氮、CODMn流失強度

3 結(jié)論

降雨、地貌特征、植被覆蓋是影響區(qū)域水土流失發(fā)生強度的主要因素。而通過調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu),提高地面植被覆蓋度可以有效控制降雨及地貌因素對水土流失的影響程度。研究表明,重點預防保護區(qū)的年徑流強度在年際之間呈交替變化,總體趨勢比較穩(wěn)定,說明增加植被覆蓋度可以顯著提高對徑流的調(diào)控能力,重點監(jiān)督區(qū)和重點治理區(qū)的年徑流強度值在年際間盡管相差較大,但變化趨勢基本相同,受降雨影響明顯。重點預防保護區(qū)和重點監(jiān)督區(qū)間的年徑流強度遠高于重點治理區(qū),這主要是由于地面植被覆度、人為破壞和硬化程度以及地形坡度的差異性造成的。土壤流失強度的大小順序依次是重點治理區(qū)＞重點監(jiān)督區(qū)＞重點預防保護區(qū)。其中,2002-2003年兩個年度內(nèi)重點預防保護區(qū)和重點監(jiān)督區(qū)年與年相比土壤流失強度相差不大,2004-2006年三個年度內(nèi)重點治理區(qū)和重點監(jiān)督區(qū)年與年相比土壤流失強度差異較小,年際之間變化趨勢一致,并遠高于重點預防保護區(qū)。

徑流及泥沙是土壤污染物流失的主要動力和載體,水土流失的強度直接影響到污染物的流失強度,研究表明,總磷、總氮及CODMn的流失強度與徑流及土壤流失強度的變化趨勢基本一致,且重點預防保護區(qū)＜重點監(jiān)督區(qū)＜重點治理區(qū)。其中,重點治理區(qū)和重點監(jiān)督區(qū)年污染物流失強度年際間的變化趨勢相似,而重點預防保護區(qū)的污染物流失強度年際間變化不大,受徑流影響較小,與土壤流失強度的年際變化趨勢一致。

[1]陳家琦,王浩,楊小柳.水資源學[M].北京:科學出版社,2002:25-26.

[2]杜桂森,孟繁艷,李學東,等.密云水庫水質(zhì)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].環(huán)境科學,1999,20(2):110-112.

[3]于秀玲.非點源污染對密云水庫水質(zhì)的影響[C]//中國環(huán)境科學研究院環(huán)境科學論文集(1980-1990).北京:中國環(huán)境科學出版社,1990:27-31.

[4]曹世雄,陳莉,高旺盛.黃土丘陵區(qū)路面種草對水土保持的影響及成本效益分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2006,22(8):73-76.

[5]Fu B J,Chen L D,Ma K M,et al.The relationship between land use and soil conditions in the hilly area of the Loess Plateau in northern Shaanxi,China[J].Catena,2000,39:69-78.

[6]唐克麗.中國水土保持[M].北京:科學出版社,2004:60-61.

[7]Fang H Y,Cai Q G,Chen H,et al.Temporal changes in suspended sediment transport in a gullied loess basion:the lower Chabagou Creek on the Loss Plateau in China[J].Earth Surface Processes and Landforms,2008.(DOI:10.1002/esp.1649)

[8]朱鐘麟,卿明福,劉定輝,等.蓑草根系特征及蓑草經(jīng)濟植物埂的水土保持功能[J].土壤學報,2006,43(1):164-167.

[9]李文玲,田耀武,鄭根寶.城市森林水流失率與水土流失率的探討[J].水土保持通報,2005,25(2):57-59.

[10]蘇保林,王建平,賈海峰,等.密云水庫流域非點源污染識別[J].清華大學學報:自然科學版,2006,46(3):360-365.

[11]楊愛民,王浩,孟莉.水土保持對水資源量與水質(zhì)的影響研究[J].中國水土保持科學,2008,6(1):72-76.

[12]Abdul G,Jensen J R,Borgagaard O K,et al.Runoff and losses of soil and nutrients from small watersheds under shifting eultivation in the Chittagong Hill Tract of Bangladed[J].Jounal of Hydrology,2003,279:293-309.

[13]高超,朱繼業(yè),朱建國,等.極端降水事件對農(nóng)業(yè)非點源污染物遷移的影響[J].地理學報,2005,60(6):991-997.

[14]Gustafson A,Fleischer S,Joelsson A.A catchment-oriented and cost-effective policy for water protection[J].Ecological Engineering,2000,14(4):419-427.

[15]胥彥玲,李懷恩,賈海娟,等.陜西省黑河流域水土流失型非點源污染估算[J].水土保持通報,2005,25(5):78-80.

[16]黃滿湘,章申,張國梁,等.北京地區(qū)農(nóng)田氮素養(yǎng)分隨地表徑流流失機理[J].地理學報,2003,58(1):147-154.