基于RUSLE模型的三江源高寒草地土壤侵蝕評價

林慧龍，鄭舒婷，王雪璐

(1.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，農(nóng)業(yè)部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.華能新能源股份有限公司，北京 100036)

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基于RUSLE模型的三江源高寒草地土壤侵蝕評價

林慧龍1*，鄭舒婷1，王雪璐2

(1.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，農(nóng)業(yè)部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.華能新能源股份有限公司，北京 100036)

探討三江源區(qū)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)土壤侵蝕問題在保障青藏高原乃至全球生態(tài)和生產(chǎn)功能方面具有重要意義。以137Cs示蹤法為基礎(chǔ)，結(jié)合RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation)模型, 以GIS反演為手段，綜合分析三江源區(qū)2001-2012年土壤侵蝕影響因子的特征和土壤侵蝕空間分布規(guī)律。結(jié)果表明，1)土壤侵蝕影響因子呈現(xiàn)空間異質(zhì)性特征，降雨侵蝕力因子年際浮動變化較大，但總體呈上升態(tài)勢；土壤可蝕性因子呈斑塊化分布特征，較高可蝕性類占到總面積的95.66%；坡度坡長因子的空間分布規(guī)律受海拔顯著影響；植被覆蓋與管理因子在研究區(qū)自西北向東南呈現(xiàn)空間異質(zhì)性特點，過度放牧是引起下墊面侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重的主要原因。2)對RUSLE模型的驗證顯示相關(guān)系數(shù)和平均均方根偏差分別為0.49和75.29%，RUSLE模型估算存在一定的高估，在沒有形成三江源區(qū)高寒草地土壤侵蝕機(jī)理模型前，應(yīng)用RUSLE模型仍然是較好的現(xiàn)實選擇之一。3)利用RUSLE模型估算的三江源2001-2012年平均侵蝕量為3.1×109t/年，侵蝕強度分級重心轉(zhuǎn)移分析表明中度侵蝕、強度和極強度侵蝕重心相對集中，侵蝕程度最高的3個地區(qū)為格爾木市唐古拉鄉(xiāng)、治多縣和興?？h。4)由土壤流失量結(jié)合市場價值法，估算出研究區(qū)2001-2012年平均有機(jī)質(zhì)經(jīng)濟(jì)損失價值為114354元/km2, 總年均經(jīng)濟(jì)損失達(dá)399億元，整個研究區(qū)受土壤侵蝕現(xiàn)象所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)額巨大。因此，創(chuàng)新發(fā)展三江源區(qū)高寒草地“分類、分級、分段、分區(qū)”的土壤侵蝕防治措施已迫在眉睫。

三江源區(qū)；高寒草地；137Cs示蹤法；RUSLE模型；土壤侵蝕評價

青藏高原地處高寒地帶，平均海拔4000 m以上，地勢復(fù)雜多變，地表以高寒草地為主，且動植物資源獨特[1]。被譽為“中華水塔”的三江源區(qū)，位于青藏高原核心區(qū)，是長江、黃河、瀾滄江三大河流的發(fā)源地，每年為下游地區(qū)提供水資源約516億m3，在水源涵養(yǎng)方面具有極其重要的生態(tài)地位[2]。因此，探討三江源區(qū)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)土壤侵蝕問題在保障青藏高原乃至全球生態(tài)和生產(chǎn)功能方面具有重要意義[3-5]。

由于過度放牧和氣候暖干化的雙重作用，導(dǎo)致青藏高原三江源區(qū)出現(xiàn)大面積退化草地。草地的退化必然導(dǎo)致土壤侵蝕，水土流失已成為源區(qū)主要的草地退化形式，對我國生態(tài)安全及區(qū)域內(nèi)牧民的生存發(fā)展構(gòu)成極大威脅。盡管土壤侵蝕類的研究工作已有不少，但鮮有針對草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤侵蝕研究，尤其與農(nóng)耕地相比，草地土壤侵蝕研究嚴(yán)重滯后[6]。目前，圍繞三江源區(qū)所展開的研究工作中，大部分是以高寒草地本身或者高寒草地退化現(xiàn)象為主體，而專注于高寒草地土壤侵蝕的研究較少?，F(xiàn)有的草地土壤侵蝕研究方法主要分為兩大類：一類是利用傳統(tǒng)測量方法分析相應(yīng)草地試驗區(qū)的土壤侵蝕情況，研究草地的水土保持能力；另一類則是結(jié)合遙感技術(shù)，套用成熟的土壤侵蝕模型計算大面積草地研究區(qū)的土壤流失量。目前土壤侵蝕的測量方法一般可分為傳統(tǒng)測量學(xué)方法和地球化學(xué)法等[7]。核素示蹤法相較于其他傳統(tǒng)測量方法具有取樣簡便、干擾少、定量準(zhǔn)確等優(yōu)勢，而得到廣泛應(yīng)用，特別是137Cs示蹤法在理論和技術(shù)上已較為成熟[8]。但土壤侵蝕的測量方法在大尺度研究上受到很大限制，無法實現(xiàn)大面積土壤侵蝕的估測。在估算模型方面，目前尚未有適用于三江源區(qū)高寒草地放牧侵蝕的機(jī)理模型[6]。相對而言，通用土壤流失模型(Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE)[9]經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，該模型應(yīng)用范圍幾乎涉及土壤侵蝕預(yù)測的各個方面，如研究流域土壤侵蝕的時空變化特征[10]、對不同坡度下的水土保持規(guī)劃的建議[11]、評估地區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險[12]、預(yù)測森林采伐和火燒對土壤流失的影響[13]、探討土壤侵蝕各因子間的關(guān)系并做敏感性評價[14-15]等。但其在三江源區(qū)高寒草地的適用性仍有待進(jìn)一步驗證。

以137Cs示蹤法為基礎(chǔ), 結(jié)合RUSLE模型, 綜合分析土壤侵蝕影響因子的特征和土壤侵蝕空間分布規(guī)律，本研究的目標(biāo)是：1)分析2001-2012年間土壤侵蝕影響因子的空間特征；2)驗證RUSLE模型適用性；3)以RUSLE模型為計算基礎(chǔ)，分析三江源區(qū)2001-2012年侵蝕強度的空間分布規(guī)律；4)由土壤流失量結(jié)合市場價值法，估算研究區(qū)2001-2012年平均有機(jī)質(zhì)經(jīng)濟(jì)損失價值。研究結(jié)果將會為三江源草地生態(tài)系統(tǒng)的維持、預(yù)警和建立水土保持和放牧管理保護(hù)性對策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與土壤侵蝕取樣測定

1.1.1 研究區(qū)概況 三江源區(qū)位于青藏高原腹地的青海省南部，地理位置介于89°24′-102°23′ E，31°39′-36°16′ N，平均海拔4583 m，為典型的高原大陸性氣候，年均氣溫為-5.6～3.8 ℃，年均降水量262.2～772.8 mm，年蒸發(fā)量730～1700 mm。年日照時數(shù)2300～2900 h，年輻射量5500～6800 MJ/m2?？偯娣e36.28萬km2，約占青海省總面積的1/2[16]。

圖1 三江源區(qū)高程地圖及土壤采樣點分布Fig.1 The digital elevation model map of the Three-Rivers Headwaters area and soil sampling sites (showing location)

1.1.2137Cs 示蹤法樣點選布、外業(yè)采樣及內(nèi)業(yè)處理 于2014年7-8月，分別沿國道G214和位于果洛藏族自治州東北部的大武河流域進(jìn)行土壤取樣(圖1)。國道G214采樣沿樣線分布樣地共16塊，每個樣地根據(jù)實地觀測的坡度變化、植被變化取樣點2～3個，再對每個樣點取重復(fù)樣3～5個，整個樣線共計28個樣點，共取土樣120個。沿大武河兩側(cè)分布樣地共6塊，每個樣地取2～3個樣點，再對每個樣點取重復(fù)3個，12個樣點，共計45個土樣。整個三江源區(qū)合計取土壤樣點40個，土壤樣品165個(圖1)。所有樣點基本涵蓋了不同海拔、坡度坡長、植被類型分布、植被覆蓋度、氣候區(qū)等特征的地區(qū)，覆蓋了研究區(qū)的主要典型區(qū)。

選取直徑10 cm的土鉆，采集深度為0～20 cm的土壤，通過剔除雜物、風(fēng)干、研磨、過篩(孔徑2 mm)等預(yù)處理步驟后，在中國科學(xué)院蘭州近代物理研究所核結(jié)構(gòu)實驗室用γ譜儀測試土樣137Cs質(zhì)量活度和面積活度。通過比較計算取樣點核素面積濃度和該點所在地背景值之間的差異估算土壤侵蝕或沉積模數(shù)[17-18]，作為實測數(shù)據(jù)。本研究中背景值參考邵全琴等[18]對多個學(xué)者研究三江源地區(qū)的背景值測定結(jié)果的平均值，并校正至2014年，為2229.1 Bq/m2。

1.2 研究方法

1.2.1 RUSLE模型及其參數(shù)計算

1)RUSLE模型[9]：

A=f×R×K×LS×C×P

(1)

式中：A為年均土壤流失量[t/(km2·年)]；R為降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)/(hm2·h·年)]；K為土壤可侵蝕性因子；LS為坡長坡度因子(無量綱)；C為植被覆蓋與管理因子(無量綱)；P為水土保持措施因子(無量綱)；f為美制轉(zhuǎn)國際制常數(shù)，為224.2，用于侵蝕模數(shù)和降雨侵蝕力因子之間的單位轉(zhuǎn)換。

2)降雨侵蝕力因子[19]：

(2)

式中：Pi為每月平均降水量(mm)；P為年降水量(mm)；R的計算結(jié)果以年為單位。

根據(jù)2001-2012年間青藏高原地區(qū)的106個氣象臺站的每日實測數(shù)據(jù)，采用局部薄盤光滑樣條插值方法進(jìn)行空間插值[20]，計算基于柵格的月均、年均降水量數(shù)據(jù)。

3)土壤可蝕性因子[21-22]：

(3)

(4)

式中：SAN為土壤砂粒含量(%)；CLA為土壤粉粒含量(%)；SIL為土壤黏粒含量(%)；C為土壤有機(jī)碳含量?；A(chǔ)數(shù)據(jù)來源于1∶100萬世界土壤數(shù)據(jù)集(Harmonized World Soil Database，HWSD)。

4)坡度坡長因子[19]：

考慮到數(shù)據(jù)來源的可靠性、數(shù)據(jù)實際精度，本研究采用數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)，對研究區(qū)坡長坡度因子進(jìn)行提取[19]：

(5)

式中：LS為坡長坡度因子；I為坡長(m)；θ為坡度(°)；m為隨坡度變化的函數(shù)，當(dāng)θ<0.57°時，m=0.2；0.57°≤θ<1.72°時，m=0.3；當(dāng)1.72°≤θ<2.86°時，m=0.4；當(dāng)θ≥2.86°時，m=0.5。

5)植被覆蓋與管理因子：

(6)

首先，利用歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)來計算植被覆蓋度，NDVI來源于MODIS陸地產(chǎn)品MOD13A2(1 km分辨率植被指數(shù)16 d合成產(chǎn)品)，按照最大合成法計算獲取，植被覆蓋度的具體計算公式如下[23]：

(7)

式中：fc代表植被覆蓋度；NDVImax和NDVImin分別為NDVI最大和最小值[24-25]；C為植被覆蓋與管理因子。

6)水土保持措施因子[19]：

P=0.2+0.03S

(8)

式中：S為坡度(%)，P的取值范圍在0～1之間，0表示實施水土保持措施后不發(fā)生侵蝕，1則表示未進(jìn)行相應(yīng)水土保持措施。一般天然狀態(tài)下的林地、草地?zé)o法實施相應(yīng)的水土保持措施，故將P值取值為1[19]。

1.2.2 分析土壤侵蝕影響因子2001-2012年空間分布特征 土壤侵蝕力因子和坡度坡長因子是由土壤固有結(jié)構(gòu)和地貌決定的，因此無需考慮其時間序列上的差異。而降雨侵蝕力和植被覆蓋與管理因子在2001-2012年間隨著時間的推移而變化，是土壤侵蝕研究動態(tài)變化的關(guān)鍵因素。利用青藏高原地區(qū)的106個氣象臺站數(shù)據(jù)插值產(chǎn)生的月降雨量分布圖來計算降雨侵蝕力的降雨空間分布。土壤可蝕性K值是由數(shù)學(xué)模型圖解法得到[26]。

1.2.3 對RUSLE模型的驗證 通過對137Cs 實測侵蝕模數(shù)和相對應(yīng)的模型預(yù)測值之間的比較來評價模型的準(zhǔn)確度。用于評價預(yù)測值的誤差指標(biāo)主要是相關(guān)系數(shù)(r)和均方根偏差(root-mean-square deviation， RMSD)[27]。相關(guān)系數(shù)越高模型預(yù)測值與實測值之間的相關(guān)性越好，平均均方根偏差越小則說明模型預(yù)測值與實測值之間的差距越小[27]。

1.2.4 分析三江源區(qū)2001-2012年侵蝕強度的空間分布規(guī)律 RUSLE模型估算侵蝕量的研究時間范圍為2001-2012年。在ArcGIS 10.2軟件中載入模型參數(shù)R、LS、C、P、K，根據(jù)RUSLE模型的公式疊加計算以t/(km2·年)為單位的侵蝕模數(shù)，即計算基于柵格的土壤流失量。RUSLE模型中所采用的數(shù)據(jù)時間單位為年。根據(jù)中華人民共和國水利部[28]1997年頒布實施的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》，以侵蝕模數(shù)為劃分單位對研究區(qū)土壤侵蝕強度分為：輕微侵蝕、中度侵蝕、重度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕6類。借助計算各個土壤侵蝕強度等級的重心位置分析土壤侵蝕強度分級的分布規(guī)律。

1.2.5 基于有機(jī)質(zhì)土壤侵蝕損失的定量評價方法 所謂市場價值法就是根據(jù)土壤侵蝕過程中隨土壤遷移所損失的養(yǎng)分，結(jié)合相應(yīng)的市場流通價格，對侵蝕現(xiàn)象所造成的經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行評估。土壤中的有機(jī)質(zhì)含量直接影響著土壤生產(chǎn)力及其所產(chǎn)生的價值。價值估算中，參與計算的土壤侵蝕量并不是絕對的侵蝕估算結(jié)果，而是相對的在凈侵蝕量基礎(chǔ)上減去土壤允許侵蝕量的差值，即排除了土壤本身養(yǎng)分再生能力的恢復(fù)量的相對土壤侵蝕量[29]。一般的草地、林地土壤允許侵蝕量為500 t/(km2·年)[30]。結(jié)合1∶100萬世界土壤數(shù)據(jù)集中土壤有機(jī)碳百分含量，可以計算隨相對土壤流失量流失的土壤有機(jī)碳量。土壤有機(jī)質(zhì)的土壤侵蝕經(jīng)濟(jì)損失計算公式如下：

N=1.724(T-T0)×OC×P

(9)

式中：N為隨相對土壤流失產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失(元)；1.724為有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)；T為絕對土壤流失量；T0為允許土壤侵蝕量；OC為土壤有機(jī)碳含量；P為有機(jī)質(zhì)市場平均價格(500元/t)[31]。所有計算均在ArcGIS 10.2軟件下技術(shù)實現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

圖2 2001-2012年降水侵蝕力(R)和年降水量動態(tài)Fig.2 The dynamics of the rainfall erosion force (R) and annual rainfall amounts from 2001 to 2012

2.1 土壤侵蝕影響因子2001-2012年空間分布特征

2.1.1 降雨侵蝕力因子 2001-2012年間，隨著年降水的起伏變化降雨侵蝕力也表現(xiàn)出相對較大的波動。其中，12年平均降水量為506 mm，波動范圍在±300 mm之間。與降水量變化趨勢相同，2006年的降水侵蝕力(R)均值最低，為385.8 (MJ·mm)/(hm2·h·年)，最高值為2009年的920.4 (MJ·mm)/(hm2·h·年)，雖然各個年份之間的降水侵蝕力(R)均值變化較大，但總體上呈現(xiàn)出上升趨勢(圖2)。

2.1.2 土壤可蝕性因子 土壤可蝕性因子是反映土壤顆粒在機(jī)械破壞作用下發(fā)生分散運移的敏感性指標(biāo)，揭示了土壤特性與侵蝕之間的關(guān)系。

K值總體分布呈現(xiàn)明顯的斑塊化分布特征(圖3)。研究區(qū)的土壤可蝕性因子K值均值為0.2589。低可蝕性K值僅占整個研究區(qū)面積的0.39%，較高和高可蝕性K值面積共占95.66%，除個別細(xì)碎的斑塊外，絕大部分區(qū)域都屬于高可蝕性(表1)。

2.1.3 坡度坡長因子 研究區(qū)坡度坡長因子的空間分布特征與海拔分布具有顯著的一致性(圖4)。坡度坡長因子的平均值為4.14，大于15的高坡度坡長因子集中分布在研究區(qū)中南部的玉樹市、囊謙縣、雜多縣和東部的興?？h、瑪沁縣、甘德縣、久治縣(圖4)。

2.1.4 植被覆蓋與管理因子 植被覆蓋與管理因子在研究區(qū)自西北向東南呈現(xiàn)空間異質(zhì)性特點，植被覆蓋與管理因子C值接近于1的植被稀疏區(qū)主要分布在興?！s多線西側(cè)(圖5)，2008年的植被生長狀況最差，包括大面積的中部地區(qū)植被覆蓋與管理因子值都較高，平均值高達(dá)0.46，與之相對應(yīng)2003年生長狀況最好，植被覆蓋與管理因子均值僅為0.20。

圖3 三江源區(qū)土壤可蝕性因子K值分布Fig.3 Spatial distribution of K value of soil erodibility in Three-Rivers Headwaters area

代碼Code可蝕性分級ClassificationK值Kvalue面積Area(km2)占總面積Ratio(%)代碼Code可蝕性分級ClassificationK值Kvalue面積Area(km2)占總面積Ratio(%)1低可蝕性Low<0.0913850.394較高可蝕性Medium-high0.25～0.3032132191.612較低可蝕性Ratherlow0.09～0.2069311.985高可蝕性High>0.30142024.053中等可蝕性Medium0.20～0.2568911.96

圖4 三江源區(qū)坡度坡長因子空間分布Fig.4 Spatial distribution of slope and slope length factor in Three-Rivers Headwaters area

2.2 對RUSLE模型的驗證

通過對137Cs采樣點的實測數(shù)據(jù)和與之對應(yīng)的RUSLE模型估算的侵蝕模數(shù)對比，來評價RUSLE模型的適用性，計算結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)(r)和均方根偏差(root-mean-square deviation， RMSD)分別為0.49和4894 t/(km2·年)。如圖6顯示，實測和RUSLE估算的模數(shù)大部分樣點數(shù)據(jù)都分布在1∶1線的右下方，說明實測137Cs計算的侵蝕模數(shù)總體要小于RUSLE模型估算的侵蝕模數(shù)，RUSLE模型估算存在一定的高估。但是，在沒有形成三江源區(qū)高寒草地土壤侵蝕機(jī)理模型前，RUSLE模型仍然是較好的現(xiàn)實選擇之一。

圖5 2001-2012年植被覆蓋與管理因子分布圖Fig.5 Spatial distribution of vegetation cover and management factor from 2001 to 2012 in Three-Rivers Headwaters area

2.3 三江源區(qū)2001-2012年侵蝕強度的空間分布特征

圖6 RUSLE模型預(yù)測和實測的土壤侵蝕模數(shù)比較Fig.6 Predicted soil erosion modulus by RUSLE model versus observed soil erosion modulus by 137Cs tracing technique compared in this study

利用RUSLE模型估算的三江源2001-2012年平均侵蝕量為3.1×109t/年，年均侵蝕模數(shù)平均值為8946 t/(km2·年)。通過統(tǒng)計各個侵蝕強度面積及其所占總面積之比的數(shù)據(jù)(表2)，占比例最大的一類為輕度侵蝕，接近總體面積的30%，略高于輕微侵蝕的24.24%，這兩類侵蝕程度較輕的侵蝕強度類型之和占到了總面積的一半以上。中度侵蝕、強度侵蝕和極強度侵蝕面積的累積之和占研究區(qū)總面積的30%，劇烈侵蝕級別占總面積的16.15%(表2)。

微度侵蝕重心位于研究區(qū)的東南角(97°22′39″ E，34°4′56″ N)，最靠近研究區(qū)的東部邊界；輕度侵蝕重心緯度稍偏南，在6類侵蝕強度分級中的重心最靠近南部。中度侵蝕(94°16′45″ E，34°25′50″ N)、強度(94°6′26″ E，34°25′19″ N)和極強度侵蝕(94°6′27″ E，34°23′48″ N)重心相對集中，重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)差沒有超過0.5°；劇烈侵蝕強度重心(94°15′43″ E，34°15′51″ N)分布于研究區(qū)的東北部、中南部和西南部3個區(qū)域(圖7)。

位于三江源區(qū)西北部的治多縣平均侵蝕模數(shù)為11434.5 t/(km2·年)，屬于土壤侵蝕強度的極強度侵蝕級別。除此之外，格爾木的唐古拉鄉(xiāng)和興?？h的平均侵蝕模數(shù)都高于15000 t/(km2·年)，屬劇烈侵蝕，分別占總侵蝕面積的13.01%和3.45%。位于研究區(qū)中南部且相連的囊謙縣和雜多縣分別占總侵蝕面積的3.42%和4.39%，盡管所占面積比例較小，但劇烈侵蝕面積占總面積比例偏大且平均侵蝕模數(shù)都大于10000 t/(km2·年)。玉樹市、瑪多、同德、曲麻萊及瑪沁縣的平均侵蝕模數(shù)介于5000～8000 t/(km2·年)之間，屬強度侵蝕，總面積之和占到研究區(qū)侵蝕面積的30.5%。以占總侵蝕面積10.02%的玉樹市來說，其平均侵蝕模數(shù)為7239 t/(km2·年)，環(huán)境特征類似于地理位置就近的囊謙縣和雜多縣。其余的7個縣級地區(qū)的侵蝕強度都屬于中度侵蝕以下，侵蝕強度面積比均以微度和輕度侵蝕為主(圖8)。

表2 基于RUSLE的土壤侵蝕強度分級面積Table 2 Soil erosion intensity classification area based on RUSLE model

圖7 基于RUSLE模型的三江源區(qū)土壤侵蝕強度等級空間重心轉(zhuǎn)移圖Fig.7 Space shift chart of soil erosion intensity level in Three-Rivers Headwaters area based on RUSLE model

圖8 基于RUSLE的三江源區(qū)土壤侵蝕強度分級空間分布(A)及各縣區(qū)(鄉(xiāng))土壤侵蝕強度等級面積統(tǒng)計(B)Fig.8 Space distribute of soil erosion intensity classification based on RUSLE model (A) and soil erosion intensity level area statistics of counties or township (B) in Three-Rivers Headwaters area Ⅰ:治多縣 Zhiduo County； Ⅱ：興?？h Xinghai County; Ⅲ:曲麻萊縣 Qumalai County; Ⅳ:同德縣 Tongde County; Ⅴ:瑪多縣Maduo County; Ⅵ:澤庫縣 Zeku County; Ⅶ:瑪沁縣 Maqin County; Ⅷ:唐古拉鄉(xiāng) Tanggula Township ;Ⅸ:河南縣 Henan Count;Ⅹ:稱多縣 Chengduo County; Ⅺ:甘德縣 Gande County; Ⅻ:達(dá)日縣 Dari County;ⅩⅢ:久治縣 Jiuzhi County; ⅩⅣ:雜多縣Zaduo County; ⅩⅤ:玉樹市 Yushu City; ⅩⅥ:班瑪縣 Banma County; ⅩⅦ:囊謙縣 Nangqian County.

2.4 基于有機(jī)質(zhì)的土壤侵蝕損失的定量結(jié)果

基于RUSLE模型估算的土壤侵蝕量計算的平均經(jīng)濟(jì)損失為114354元/km2，研究區(qū)多年年均經(jīng)濟(jì)損失達(dá)399億元。這僅為由有機(jī)質(zhì)一項土壤養(yǎng)分所引起的經(jīng)濟(jì)損失，尚未包括土壤其他養(yǎng)分、植被生產(chǎn)力、水源涵養(yǎng)等其他生態(tài)價值方面的損失以及近些年來發(fā)展迅速的畜牧業(yè)和旅游業(yè)所蘊含的直接或潛在價值。

3 討論

3.1 創(chuàng)立適宜于三江源區(qū)高寒草地土壤侵蝕模型亟待開展

盡管RUSLE模型已被認(rèn)可為最廣泛適用的土壤侵蝕模型，但其最初作為農(nóng)業(yè)耕作方式管理的工具，計算流域的產(chǎn)沙量。模型最早的建立和驗證數(shù)據(jù)都來自于美國東部地區(qū)。其主要技術(shù)特征有其特有的針對性，特別是模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、模型的結(jié)構(gòu)和模型內(nèi)的函數(shù)參數(shù)等方面。通過實測137Cs侵蝕數(shù)據(jù)對RUSLE模型的適用性評價結(jié)果表明，模型的精確度并不高。這其中一個重要的因素是RUSLE模型僅考慮了水蝕動力的固有參數(shù)，成為了該模型推廣應(yīng)用于三江源這類多侵蝕動力環(huán)境的技術(shù)缺陷。

三江源區(qū)地處高寒地帶，其生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性及資源的利用方式不同于傳統(tǒng)農(nóng)耕區(qū)，土地利用類型主要以放牧為主，影響因素復(fù)雜，亦非水蝕、風(fēng)蝕可以完全概括。盡管基于高寒草地的下墊面土壤具有相對較高的抗侵蝕性，但仍存在以下兩種憂患：一方面草地植被對地表土壤、徑流、泥沙等物質(zhì)的運移過程具有重要的截滯作用，可以有效地降低土壤侵蝕所帶來的生態(tài)風(fēng)險[32]。相對林地而言，草地在預(yù)防土壤侵蝕方面具有生長速率更快且地表覆蓋度更大的優(yōu)勢；相對耕地而言，草地植被具有更加完整的時間和空間覆蓋度[33]。高寒草地植被一旦遭到破壞，土壤侵蝕和草地退化兩種現(xiàn)象相互作用形成高寒草地生態(tài)系統(tǒng)退化的惡性循環(huán)[34]，后果嚴(yán)重，恢復(fù)難度大；另一方面，在高寒草地生態(tài)系統(tǒng)中，草地除受到一般自然環(huán)境因子的影響外，還受到放牧家畜采食、踐踏的影響。家畜的踐踏行為對高寒草甸土壤質(zhì)地有著重要影響，環(huán)境因子與放牧因子疊加后，土-草-畜互相影響，互相制約，使得侵蝕機(jī)理更加錯綜復(fù)雜[35]。使得土壤侵蝕類型有其自身特點。因此，結(jié)合江河源區(qū)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)自身特點，綜合分析由于放牧而導(dǎo)致土壤侵蝕的影響因素對于揭示高寒草地土壤侵蝕機(jī)理，探索草地退化機(jī)理及建立草地恢復(fù)機(jī)制有著重要意義[6,36]。創(chuàng)立適宜于三江源區(qū)高寒草地土壤侵蝕模型亟待開展，以期為揭示放牧對高寒草甸土壤侵蝕的作用機(jī)理提供依據(jù)。本研究提出將樣地清查、遙感分析和模型模擬方法的綜合運用將是解決這一問題的根本途徑。

3.2 “分類、分級、分段、分區(qū)”的土壤侵蝕防治措施

在三江源區(qū)草地土壤侵蝕所帶來的危害不僅僅表現(xiàn)于一般的土壤結(jié)構(gòu)變化，而是對草地植被群落健康的損害、對草地生態(tài)系統(tǒng)演化的擾動。進(jìn)一步導(dǎo)致草地生產(chǎn)力下降從而制約畜牧業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展，尤其是經(jīng)濟(jì)落后的三江源區(qū)，這無疑對其草地農(nóng)業(yè)的發(fā)展制造了更大的瓶頸和挑戰(zhàn)。樊江文等[37]研究表明：1988-2005年三江源地區(qū)的草地平均載畜量超載1.5倍，尤其是冬春草場超載2倍以上，是近些年來草地不斷退化的最主要原因。草地退化所帶來的直接后果是草叢-地境界面生產(chǎn)層的裸露，而草原相對于草甸的覆蓋度劣勢，使得其對的外界干擾更加敏感，從而導(dǎo)致包括土壤流失在內(nèi)的一系列生態(tài)惡化現(xiàn)象。因此，三江源草地生態(tài)系統(tǒng)中的草原類型下墊面的較高侵蝕程度，主要是由于過度放牧引起的。未來的防治土壤流失政策建議中，應(yīng)該加強以科學(xué)規(guī)劃草原放牧為主，防止以過牧超載為誘因的土壤侵蝕現(xiàn)象的加劇，維護(hù)整個草地生態(tài)系統(tǒng)平衡穩(wěn)健的發(fā)展。該研究對今后在三江源開展科學(xué)研究的工作人員提供了較準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，同時為當(dāng)?shù)卣块T提供了針對唐古拉鄉(xiāng)、曲麻萊縣和治多縣等17個地區(qū)的“分類、分級、分段、分區(qū)”速效的政策實施參考。

本研究結(jié)果表明，研究區(qū)土壤侵蝕程度由高到低，即行政區(qū)水土保持工作優(yōu)先級排序為：治多縣>曲麻萊縣>唐古拉鄉(xiāng)>瑪多縣>興海縣>同德縣>稱多縣>囊謙縣>瑪沁縣>玉樹市>雜多縣>澤庫縣>河南縣>達(dá)日縣>甘德縣>班瑪縣>久治縣(圖9)。因此，應(yīng)制定相應(yīng)的“分類、分級、分段、分區(qū)”的土壤侵蝕防治措施。正在擬建的青海三江源國家公園[38]，該項目正是順應(yīng)了這一思路，以功能區(qū)劃分(嚴(yán)格保護(hù)區(qū)、生態(tài)修復(fù)區(qū)、生態(tài)利用區(qū)、生態(tài)旅游區(qū)等)的科學(xué)管理方式，通過較小范圍的適度開發(fā)，實現(xiàn)大范圍的保護(hù)戰(zhàn)略思路，以期實現(xiàn)三江源生態(tài)環(huán)境保護(hù)和提高社會生產(chǎn)的雙贏目標(biāo)。

圖9 基于RUSLE模型的三江源區(qū)各縣區(qū)(鄉(xiāng)、市)土壤侵蝕程度Fig.9 Soil erosion degree of counties or township based on RUSLE model in Three-Rivers Headwaters area

加大對侵蝕大縣在資源開發(fā)、生產(chǎn)布局和生態(tài)保護(hù)等方面的監(jiān)管力度。即加大對以格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)、曲麻萊縣和治多縣(圖9)的監(jiān)管力度。結(jié)合土壤侵蝕參數(shù)分析，在眾多的影響因素中，侵蝕動力型因子(如降水、風(fēng)速和凍融)屬于絕對的客觀條件，是人力所不能及的。地表植被是僅有的土壤侵蝕保護(hù)因子，且通過適當(dāng)人為干預(yù)，可以改善植被的生長。同時，堅持嚴(yán)格執(zhí)行生態(tài)保護(hù)政策，通過適當(dāng)?shù)男麄鹘逃ぷ魈岣呷竦乃帘３重?zé)任意識，是行政區(qū)劃管理中重要輔助管理手段。

中度侵蝕區(qū)減畜減壓。通過科學(xué)的計算和長遠(yuǎn)的規(guī)劃來降低中度侵蝕區(qū)的生產(chǎn)壓力，減畜減壓是最直接有效的草地恢復(fù)及保護(hù)方法。對于該區(qū)的自我恢復(fù)和調(diào)節(jié)提供改善條件，從提高地表植被抗侵蝕力的角度來防止土壤流失。

在輕度侵蝕區(qū)實現(xiàn)從粗獷的擴(kuò)張型畜牧業(yè)向集約質(zhì)量型畜牧業(yè)的轉(zhuǎn)型。積極發(fā)展高科技畜牧業(yè)，提高草地資源利用率，在實施減畜減壓的同時保障當(dāng)?shù)啬撩竦慕?jīng)濟(jì)收益，實現(xiàn)從粗獷的擴(kuò)張型畜牧業(yè)向集約質(zhì)量型畜牧業(yè)的轉(zhuǎn)變。通過草地管理和放牧畜牧業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型來發(fā)揮草食家畜的作用，構(gòu)建人居-草地-家畜和諧共存的放牧單元[39]，從而恢復(fù)草地優(yōu)良物種生物多樣性，發(fā)展綠色高效的多種經(jīng)濟(jì)，使草原生態(tài)系統(tǒng)生生不息[40]。在積極發(fā)展高科技畜牧業(yè)，提高草地資源利用率的同時，充分利用和合理開發(fā)三江源畜牧業(yè)以外的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，例如草地旅游業(yè)，為土壤侵蝕的后期治理工作提供經(jīng)濟(jì)支持，進(jìn)一步促進(jìn)完善生態(tài)補償機(jī)制。

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Soil erosion assessment based on the RUSLE model in the Three-Rivers Headwaters area, Qinghai-Tibetan Plateau, China

LIN Hui-Long1*, ZHENG Shu-Ting1, WANG Xue-Lu2

1.StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,MinistryofAgricultureKeyLaboratoryofGrassandAnimalHusbandryInnovation,CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China； 2.HuanengRenewablesCorporationLimited,Beijing100036,China

Investigating soil erosion in the Three-Rivers Headwaters area is of great significance for the protection of the ecology, production, and function of the alpine meadow ecosystem on the Qinghai-Tibetan Plateau. In this study, we conducted a comprehensive analysis of soil erosion, its spatial characteristics, and the factors affecting it in the Three-Rivers Headwaters area. For these analyses, we used a137Cs tracing technique, GIS (Geographic Information System), and the RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation) model. The results showed that: 1) soil erosion factors showed spatial heterogeneity. Rainfall-related erosion showed drastic inter-annual changes, but generally increased from 2001 to 2012. Soil erodibility varied spatially, and soils with a high erodibility index accounted for 95.66% of the total area. The spatial distribution of slope and slope length were significantly influenced by the altitude. The vegetation cover and management factors showed spatial heterogeneity from the northwest to the southeast of the study area, and overgrazing was the main cause of serious underlying surface erosion. 2) In the validated RUSLE model, the correlation coefficient was 0.49 and the average root mean square error (ARMSE) was 75.29%. Although the RUSLE model tended to overestimate soil erosion, it was still one of the best choices to simulate alpine meadow soil erosion in the Three-Rivers Headwaters area. 3) The total average erosion volume estimated by the RUSLE model (2001-2012) was 3.1×109t/yr. Analyses of the erosion intensity classifications revealed the areas of moderate, strong, and extremely strong erosion. The three areas with the highest degrees of erosion were Tanggula township, and Zhiduo and Xinghai counties. 4) Taking into account the amounts of soil loss and market values, the estimated average economic loss of organic matter was 114354 RMB/km2in the study area from 2001 to 2012, the total annual economic loss was 39.9 billion, and economic losses caused by soil erosion were substantial across the whole study area. Therefore, it is very important to develop “classification, grade, segment, partition” soil erosion prevention and control procedures for the Three-Rivers Headwaters area of the alpine grassland on the Qinghai-Tibetan Plateau.

the Three-Rivers Headwaters area； Alpine grassland；137Cs tracing technique； Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE)； soil erosion assessment

10.11686/cyxb2016371

2016-10-08；改回日期：2016-12-15

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0501906)和國家自然科學(xué)基金面上項目(31172250)資助。

林慧龍(1965-)，男，遼寧沈陽人，教授。

*通信作者Corresponding author. E-mail：linhuilong@lzu.edu.cn

http://cyxb.lzu.edu.cn

林慧龍, 鄭舒婷, 王雪璐. 基于RUSLE模型的三江源高寒草地土壤侵蝕評價. 草業(yè)學(xué)報, 2017, 26(7): 11-22.

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