1.水土流失控制效应

北京市山区水土流失重点治理区2002—2006年的监测资料统计分析结果如图4-16所示。从图4-16 (a)可以看出，三大水土流失重点防治区内年际之间年径流强度是重点预防保护区和重点监督区远远高于重点治理区，重点预防保护区和重点监督区年际之间呈交替变化趋势，而重点监督区和重点治理区年际之间的径流强度尽管相差较大，但变化趋势趋于相同；图4-16 (b)反映出三区内年际之间年土壤流失强度是重点预防保护区的年土壤流失强度最小，其次是重点监督区，再者是重点治理区，且2002年和2003年两年内重点预防保护区和重点监督区的年土壤流失强度相差不大，2004—2006年三年内重点治理区和重点监督区的年土壤流失强度差异较小，并远远大于重点预防保护区，同时重点治理区和重点监督区两区内的年土壤流失强度年际之间的变化趋势基本一致，且年际之间变异性较大。重点预防保护区内年土壤流失强度年际之间相差较小，变化比较稳定，而年径流强度虽然年际之间变化较大，但总体变化趋势稳定。

图4-16　北京市水土流失重点防治区年径流强度及土壤流失强度

北京市水土流失重点防治区之间的年土壤流失强度存在明显差异的主要原因是各个重点防治区内土地利用方式、地貌特征以及人类活动影响程度不同造成的。大量研究表明，通过调整土地利用方式、增加植被覆盖、减少人类破坏、保护原始地表形态可以把水土流失控制在自然侵蚀过程以内 (郭晓敏等，2002；曹世雄等，2006；赵护兵等，2006)。重点预防保护区内主要位于远山深山区或平原区，其中深山区森林植被覆盖度高、人类活动少，地表原始状况保存率高，抗侵蚀力强，加上此区是北京市重要的水源地涵养区，严禁陡坡开荒及乱砍滥伐，而平原地区地势平坦，是泥沙的主要沉积区，因此，尽管年际之间的径流量差异很大，但水土流失强度小而稳定；重点监督区是人类主要生活区域，人口密度大，资源开发、基础建设活动频繁，对原始地面破坏程度大，同时大量的建筑、资源开发的废弃物很容易被径流带走，形成严重的水土流失；重点治理区主要位于山区人口相对集中的村镇周围，是北京市坡耕地的主要分布区，地面植被覆盖度低，加上陡坡开荒及不合理的耕作方式，导致土壤结构差、抗蚀能力降低，在汛期易形成严重的水土流失。通过上述分析可以看出，水土流失重点预防保护区由于森林植被保存率高，植被覆盖度大，水土流失强度很小，基本处于北方土石山区年允许土壤流失量范围200t/(km2·a)以内。这说明减少人类活动，充分发挥生态环境自身的恢复能力，提高植被覆盖度可以起到有效抑制水土流失强度的作用。植被是陆地生态的主体，是控制或加速土壤侵蚀的最敏感的因素，各个地带如保持生态平衡，以森林植被为主，土壤侵蚀属自然侵蚀，进展轻微，同时，植被覆盖面积大，生存时间长，可以在较大范围内长期起作用，所以改善植被是水土流失治理的根本措施(蒋定生，1997；唐克丽，2004)。

图4-16 (a)还反映出，不同年份重点监督区的径流强度明显大于重点治理区的径流强度，这主要是由于下垫面的性质不同。重点治理区位于山区，尽管坡度较大，但是土壤疏松有利于降雨入渗，加上水土保持措施拦蓄作用，径流强度大大降低，而重点监督区主要分布在中心城区以及村镇，地面硬化程度高，不利用降雨入渗，同时地表摩擦力小，加强了径流的形成，因此，重点监督区的径流强度明显大于重点治理区。对北京市城区与郊区的径流特征的研究同样也证明了这一点，表4-14明显反映出，在降雨量相差不大的条件下，北京市中心区的径流总量和地表径流量都要远远大于郊区，地下径流则小于郊区。

表4-14　北京中心区和郊区径流特征对比　单位：mm

注 数据来源：李文玲，2005。

三大防治区内年径流强度、年土壤流失强度年际之间的差异主要是由不同年份的降雨特征不同造成的 (表4-15)。从表4-15中可以看到2002—2005年各年产流降雨量和最大降雨量年际之间差异很大，同时空间分布差别也很大。由于水土流失重点预防保护区森林植被覆盖度高，降雨特征的年际差异对其影响比较小，从图4-16 (b)可知，年径流强度虽然年际之间波动较大，但总体趋势稳定，相对于年径流强度，年土壤流失强度的年际之间差异很小，说明林草植被可以有效抑制水土流失发生的强度，且对泥沙的拦截作用好于对径流的拦蓄作用，许多研究也表明水土保持措施拦沙的效果要好于拦水的效果(陈光等，2006；朱钟麟等，2006；朱青等，2008)。水土流失重点监督区和水土流失重点由于植被覆盖度低、人类活动频繁、坡耕地分布广泛等原因，其年土壤流失强度受降雨特征的年际变化而变化的影响明显，图4-16 (b)结合表4-15可以看出，由于2004—2006年的产流降雨量和最大降雨量都大于2002年和2003年的，导致水土流失重点治理区和重点监督区后三年的土壤流失强度明显大于前两年的土壤流失强度。其中2003年重点治理区土壤流失强度过大主要是由局部地区降雨量和最大降雨量过大以及地貌特征不同造成的，由于重点治理区主要分布在山区，特别是密云、延庆、平谷等县区，坡度一般较大，坡耕地分布广泛，而从表4-15中可以看出，密云县的石匣、延庆县的上辛庄、平谷县的挂甲峪等监测点2003年的产流降雨量和最大降雨量均明显大于其他监测点的监测数据，而研究表明，北方地区的年土壤流失量往往决定于几场暴雨(蔡强国，1998；方海燕等，2008)。

表4-15　北京市山区水土流失监测点不同年份降雨　单位：mm

2.污染物流失控制效应

面源污染的产生和迁移与降雨—产流—下垫面条件密切相关，降雨特征及形成的地表和地下径流是面源污染物产生的主要动力，而随着产生的水土流失不但是一种重要的面源污染，同时，也是其他类型面源污染物进入水体的载体和重要途径(苏保林，2006；杨爱民，2008)。从图4-17～图4-19并结合图4-16 (a)可以看出，北京市三大水土流失重点防治区内年磷流失强度、年氮流失强度和年CODMn流失强度的年际变化趋势基本和年径流强度的年际之间的变化趋势一致，即径流量强度大的年份污染物的流失强度也大，有力证明了污染物的流失强度与产流强度的正相关关系。径流产生的直接影响因素是降雨，特别是大暴雨条件下，地表径流增加大，雨水和径流对地面的冲刷作用明显加强，径流与表土的混合更加充分，养分交换过程较充分，随径流水流失的氮、磷等营养元素的流失量也相应显著增加 (Abdul，et al.，2003；黄满湘等，2003；高超等，2005)。由于污染物的监测数据主要来源于地表径流中的污染物和悬浮物，因此，三大重点防治区的污染物的流失强度的年际变化趋势与土壤的流失强度年际变化情况差异很大[图4-16 (b)]。

图4-17　北京市水土流失重点防治区年总磷流失强度

图4-18　北京市水土流失重点防治区年总氮流失强度(www.daowen.com)

图4-19　北京市水土流失重点防治区年CODMn流失强度

从图4-17～图4-19还可以看出，水土流失重点防治区之间的年污染物流失强度差异也较明显，年际之间的流失强度由大到小的顺序依次为重点治理区＞重点监督区＞重点预防保护区，其中重点治理区和重点监督区的年污染物流失强度的年际之间的变化趋势相似，而重点预防保护区的污染物流失强度年际之间变化比较小，基本稳定在一个较小的波动范围内，受径流和降雨的影响较小。分析原因主要是由于三大水土流失防治区的土地利用方式的差异造成的。重点预防保护区是北京市主要的水源涵养区，森林植被覆盖高，可以对径流泥沙起到拦蓄、过滤的作用，加上原始地面扰动较小，可以明显降低径流对地表的冲刷作用，避免表层土壤而径流的充分混合，可以显著降低径流中的养分含量，从而起到有效抑制污染物流失的作用，因此，各种污染物的流失强度最小。许多研究表明通过提高植物覆盖度、改善土壤质地、增加土壤团粒结构、提高土壤有机质含量、增加土壤微生物种类和数量、改善土壤水分条件等功能，对化肥、农药、重金属等污染物的植物吸收、微生物降解、化学降解等迁移途径具有显著的正向促进作用，可减少污染源系统的污染物通量(Gustafson，et al.，2000；杨爱民等，2007)。水土流失重点治理区坡耕地面积分布广，植被覆盖度低，加之耕地中大量的施肥使土壤中氮磷的背景含量大，以及频繁耕作导致的表层土壤疏松，有利于土壤和径流的充分混合，最终导致各种污染物流失强度最大。胥彦玲等(2005)等对陕西黑河流域的研究也表明，植被覆盖率低，坡耕地所占面积比例大和耕地大量施肥是造成严重侵蚀性面源污染的主要原因。重点监督区的各种污染物的流失强度大的原因则主要是由建筑、矿场松散的废弃物以及生活垃圾在径流冲刷、混合条件下形成的。通过对比图4-17和图4-18还可以看出，水土流失三大防治区内年总氮流失强度分别显著高于年总磷流失强度，分析原因除了耕地氮肥使用量大于磷肥使用量外，还与氮和磷随径流的流失规律有关。研究表明，氮的流失是以溶解态为主，磷的流失则是以与泥沙结合态磷为主 (黄满湘等，2003；黄云凤等，2004)，而本研究中的各种污染物流失强度主要是测定地表径流以及悬浮物中污染物含量得到的，因此导致各个水土流失防治区内的年总氮流失强度明显大于年总磷流失强度。

3.典型区植被的生态效应

为了进一步分析植被覆盖度、地形对水土流失强度以及伴随的污染物流失强度，选择了延庆县上辛庄4个不同植被覆盖度、坡度的径流小区，利用2003—2004年两年的监测数据对植被覆盖、坡度与水土流失之间的效应关系进行了分析。其中坡度有两种，代表无植被覆盖的坡耕地的坡度为8°，其他三个径流小区的植被覆盖度分别为5%、30%和70%，坡度均为20°。

图4-20 (a)结合表4-16可以看出，在2004年的产流降雨量和最大降雨量都明显大于2003年的条件下，除坡耕地径流小区两年内的地表径流强度相差悬殊外，有植被覆盖的小区的径流强度相差很小。同时，尽管有植被覆盖的小区的坡度远远大于坡耕地的小区，但径流强度显著小于坡耕地的径流强度，说明植被措施可以有效地控制径流强度，并削弱坡度对径流强度的作用程度。图4-20 (a)还反映出，在植被覆盖度5%时，地表径流强度已经明显降低，说明在降雨情况下，较低的植被覆盖就能明显减低径流与侵蚀强度(Gross，et al.，1991)。不同植被覆盖度下的土壤流失强度与不同植被覆盖的径流强度有相似的变化规律 [图4-20 (b)]，但在植被覆盖度小于30%时，土壤流失强度随着覆盖度的增加几乎呈线性降低，当植被覆盖度超过30%时，土壤侵蚀强度已经降低到很低，说明30%植被覆盖度可能是本研究区控制土壤侵蚀发生强度的临界值，当一个区域的植被覆盖度达到或超过这个数值时，就可以有效的抑制水土流失的发生。从图4-20 (b)还能明显看出，当植被覆盖度达到70%时，土壤流失强度已经很小几乎为零。其他区域的相关研究也证明了上述现象，对黄土高原植树种草控制侵蚀减少产沙量的研究表明，黄土高原上侵蚀率随树林覆盖率增加几乎是直线减少，40%的植树种草面积比可使土壤侵蚀率减少62%，54%的植树种草面积比可使土壤侵蚀率减少80%，而当树林覆盖率大于60%时，侵蚀率几乎降低到零 (李敏等，1991；Wang，et al.，1999)；对西南紫色土区的研究同样表明，当植被覆盖度超过75%时，不论何种地形，土壤侵蚀均极为轻微(卢玉东等，2005)。

表4-16　延庆县不同年份降雨基本特征

地表径流及侵蚀产沙是土壤中的磷、氮及CODMn的流失的载体和重要途径(苏保林等，2006；杨爱民等，2008)，土壤营养元素流失的主要影响因素是通过影响径流产沙而起作用的。水土保持措施，特别是生物措施，通过提高植物覆盖度、改善土壤质地、增加土壤团粒结构、提高土壤有机质含量、增加土壤微生物种类和数量、改善土壤水分条件等功能，对化肥、农药、重金属等污染物的植物吸收、微生物降解、化学降解等迁移途径具有显著的正向促进作用，可减少污染源系统的污染物通量 (杨爱民等，2007)。许多研究也证明提高植被覆盖可以有效控制面源污染，改善地表水质。李俊然等的研究结果表明，以林地和草地为主的小流域地表水质明显优于以耕地为主的小流域，且随着耕地比例的升高，面源污染有逐渐增大趋势 (李俊然等，2000)；Gustafson等 (2000)的试验表明冬季种植作物或覆盖作物可以使本年内硝态氮流失量下降75%，在后续几年内硝态氮流失量也大约降低50%；黄满湘等 (2003)对官厅水库农田地表径流污染物的流失研究表明，作物覆盖可以显著减少径流磷流失。

图4-20　典型区径流产沙及污染物流失强度

[注：图(c)2003年监测数据；图(d)2004年监测数据]

图4-20 (c)和图4-20 (d)是北京市典型区不同植被覆盖度和不同坡度小区，2003年与2004年的各种污染物流失强度分析结果。两图结合图4-20 (a)可以看到，各年份内植被覆盖度小区的各种污染物的流失强度随植被覆盖度的变化规律与径流强度随植被覆盖度的变化规律基本一致，说明土壤中的污染物的流失主要是通过径流来实现的。各种污染物的流失强度随着植被覆盖的增加而降低，当植被覆盖度超过30%时，各种污染物的流失强度随植被覆盖度增加而减小程度增强，植被覆盖达到70%时，各种污染物的流失强度已经降低到很低的水平。图4-20 (c)和图4-20 (d)还反映出植被覆盖度的提高可以削弱坡度对土壤污染物流失强度的影响(有植被覆盖的小区坡度为20°，坡耕地的坡度为8°，但植被覆盖的小区的污染物流失强度明显小于坡耕地的污染物流失强度)。同时，通过对比图4-20 (c)和图4-20 (d)发现，在2004年降雨明显大于2003年的情况下 (表4-16)，坡耕地监测小区内2004年的CODMn的流失强度和总氮的流失强度明显大于2003年CODMn和总氮流失强度，而坡耕地两年内总磷的流失强度差异不大的原因可能是由于土壤中磷含量背景值较低造成的。其他不同植被覆盖小区之间两年内的各种污染物流失强度差异很小，证明植被覆盖可以大大削弱降雨径流对污染物的影响作用，对污染物流失的调节功能显著，而坡耕地的存在则加剧了土壤养分的流失(胥彦玲等，2005)。图4-20 (c)和图4-20 (d)还分别反映出各年内各种污染物之间的流失强度差异也很大，分析原因可能是植被措施对其的控制效果的差异以及土壤中的含量不同引起的，如前苏联对森林净化径流作用研究结果表明，在农田集水区下部的对磷肥的残余物的滞留效果为38%～80%，对氨的化合物的滞留作用为22%～78% (王昭艳等，2003)。

4.小结

降雨、地貌特征、植被覆盖是影响区域水土流失发生强度的主要因素。而通过调整土地利用结构，提高地面植被覆盖度可以有效控制降雨及地貌因素对水土流失的影响程度。研究表明，由于重点保护区植被覆盖度高，受人类活动影响小，其土壤流失强度受降雨年际变化的影响程度较小，而重点治理区和重点监督区受其影响明显；对于径流强度，重点保护区和重点监督区随降雨年际之间变化较大，重点治理区相对较为稳定，主要是由于该区坡面大量工程措施对径流的拦蓄能力加强。径流及泥沙是土壤污染物流失的主要动力和载体，水土流失的强度直接影响到污染物的流失强度，研究表明，总磷、总氮及CODMn的流失强度与径流及土壤流失强度的变化趋势基本一致，且重点预防保护区＞重点监督区＞重点治理区。

对北京市典型径流小区的监测资料分析表明，植被覆盖度的提高可以明显抑制径流、泥沙和各种污染物的流失强度，且可削弱坡度等地貌因子对水土流失的影响程度。污染物的流失强度随植被覆盖度的变化规律与径流泥沙流失强度随植被覆盖度的变化规律一致，通过植被措施降低水土流失强度是有效控制污染物流失的关键。同时，植被对水土流失的控制作用随尺度的增大有减弱的趋势。