新疆天山東段南北坡土壤侵蝕調(diào)查

王顥霖， 焦菊英,， 安韶山,， 龐國(guó)偉， 陳同德，趙春敬， 曹 雪， 劉 欣， 稅軍峰,， 曹曉萍,， 楊勤科， 郭明航,

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 3.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710127)

泛第三極是全球環(huán)境與氣候變化的敏感區(qū)和功能脆弱區(qū)，該區(qū)面臨冰川融化、荒漠化加劇、土壤侵蝕加劇等環(huán)境問題，對(duì)該區(qū)域的生態(tài)安全產(chǎn)生巨大威脅[1-3]。新疆維吾爾自治區(qū)是中國(guó)陸地面積最大的省級(jí)行政區(qū)，占中國(guó)國(guó)土總面積1/6，是泛第三極地區(qū)重要的組成部分，同時(shí)也是“一帶一路”的核心區(qū)之一，具有重要的生態(tài)地位。天山作為新疆經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)的重心，是具有發(fā)展?jié)摿颓熬暗膮^(qū)域。

天山特殊的地形地貌和干旱氣候?qū)е铝似浯嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境。隨著氣候變暖和人類活動(dòng)加劇，生態(tài)環(huán)境面臨巨大威脅，而土壤侵蝕的加劇已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一。新疆正處于人口和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)育時(shí)期，天山北坡在1996—2016年期間，人口由4.61×106人增長(zhǎng)至6.19×106人，人口自然增長(zhǎng)率127.37%，GDP由3.99×1010元增長(zhǎng)至5.40×1010元。同時(shí)，耕地、林地和建設(shè)用地所占比重較高且不斷增長(zhǎng)。草地面積比例由57.89%減少至49.60%[4]。秦埼瑞等[5]通過FLUS模型預(yù)測(cè)2050年天山山區(qū)冰雪面積減少了29.2%～38.4%，且轉(zhuǎn)換為草地和未利用用地。徐麗萍等[6]的研究表明天山北坡經(jīng)濟(jì)帶20 a間林地、 草地、鹽堿地和冰川/永久積雪向荒漠化轉(zhuǎn)化明顯，尤以草地的荒漠化轉(zhuǎn)化為重。盧剛[7]通過CSLE模型計(jì)算得到灌木林地平均土壤侵蝕模數(shù)最大1 709.8 t/(km2·a)，有林地次之，平均土壤侵蝕模數(shù)為13 89.40 t/(km2·a)，天然牧草地、人工牧草地和水澆地平均侵蝕數(shù)均較低，分別為605.2，334.7，113.7 t/(km2·a)。在天山地區(qū)人為活動(dòng)對(duì)地表植被造成干擾與破壞，農(nóng)田防護(hù)林體系不完善，地下水過度開采及灌溉設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)低，草場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理不善，草場(chǎng)退化明顯，均加劇了土壤侵蝕[8]。目前，天山區(qū)域的生態(tài)環(huán)境面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，人類活動(dòng)日益加劇，在氣候變化和人類活動(dòng)作用下，土壤侵蝕已成為該區(qū)主要環(huán)境問題之一。然而，目前缺乏關(guān)于天山東段土壤侵蝕的系統(tǒng)研究。缺乏系統(tǒng)研究。因此，本文采用實(shí)地調(diào)查和遙感解譯相結(jié)合的方式，對(duì)天山東段南北坡開展土壤侵蝕調(diào)查，深入研究該區(qū)域的土壤侵蝕特征和影響因子，并尋找潛在問題，為該區(qū)域的水土流失防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 調(diào)查區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于中國(guó)西北邊陲，自治區(qū)總面積1.66×106km2。根據(jù)第一次全國(guó)水利普查水土保持情況普查成果，新疆土壤侵蝕面積8.85×105km2，占自治區(qū)總面積53.3%。其中，水力侵蝕面積8.76×104km2，占自治區(qū)總面積5.3%，風(fēng)力侵蝕面積7.98×105km2，占自治區(qū)總面積48.1%[9]。

天山是世界七大山系之一，中國(guó)境內(nèi)的天山山脈(73.79—95.97°E，39.47—45.38°N )位于天山山系的東部(即為本文所指天山)，呈東西走向橫亙于新疆維吾爾自治區(qū)中部，西起中國(guó)與吉爾吉斯共和國(guó)邊界，東至哈密市以東星星峽戈壁，南臨中國(guó)最大的沙漠塔克拉瑪干沙漠，北部是古爾班通古特沙漠，全長(zhǎng)約為1 700 km，占整個(gè)天山山系總長(zhǎng)度的2/3以上，寬度一般為250～350 km[10]；中國(guó)境內(nèi)的天山面積約為5.70×105km2，占新疆面積的34.5%[11]；天山山脊平均海拔高度為4 000 m，最高峰托木爾峰，海拔達(dá)7 443.8 m。天山是中國(guó)新疆最重要的水資源發(fā)源地之一，擁有冰川9 035條，冰川面積達(dá)9 225 km2，冰儲(chǔ)量1 011 km3[12]。天山北坡中溫帶荒漠自然地帶(簡(jiǎn)稱天山北坡)和天山南坡暖溫帶荒漠自然地帶(簡(jiǎn)稱天山南坡)因熱量條件和水分條件不同，形成了兩個(gè)截然不同的自然地帶[13]。天山北坡多年平均降水量為452.02 mm，降水量在年內(nèi)主要集中在5—9月，占全年降水量的75.59%，其中尤其以5—8月的降水量為最集中，占全年降水量的66.59% 。多年平均氣溫1.14 ℃，晝夜溫差大，寒暑變化劇烈，日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，熱量充足[8]。天山南坡平均年降水量為50～100 m，而蒸發(fā)量卻很高，年蒸發(fā)量1 200～1 800 mm[14-15]。

2 調(diào)查內(nèi)容與方法

2.1 調(diào)查區(qū)域

本次調(diào)查考慮到海拔高度對(duì)水熱條件的影響，分別在天山北坡和南坡各選擇了7個(gè)調(diào)查單元，由烏魯木齊市東北部開始，東北—西南向布設(shè)樣線，以10 km左右的間距選擇了14個(gè)面積約為0.218～1.112 km2的調(diào)查單元(圖1)，海拔高度最低為856 m，最高為3 453 m。調(diào)查單元基本信息如表1所示。

2.2 調(diào)查內(nèi)容

(1) 土地利用與覆蓋調(diào)查。將影像解譯、野外驗(yàn)證和無人機(jī)航拍相結(jié)合，對(duì)調(diào)查單元的土地利用類型進(jìn)行調(diào)查。通過影像解譯和野外驗(yàn)證，記錄調(diào)查單元的土地利用類型，并利用奧維地圖進(jìn)行定位照相，為建立遙感解譯標(biāo)志提供依據(jù)。對(duì)調(diào)查單元進(jìn)行無人機(jī)航拍，無人機(jī)型號(hào)為DJI大疆精靈 Phantom 4 Pro V2.0智能航拍無人機(jī)。考慮到不同地貌地形等因素的影響，航拍高度控制在200 m以內(nèi)，航拍影像分辨率為10 cm。

(2) 土壤侵蝕與治理調(diào)查。通過樣方法，對(duì)14個(gè)調(diào)查單元進(jìn)行植被調(diào)查，記錄植被蓋度、密度、高度、胸徑、郁閉度等參數(shù)，并記錄是否有枯落物、苔蘚、礫石率等。在14個(gè)調(diào)查單元針對(duì)不同土地利用類型，按S形6點(diǎn)采樣，取表層土壤(0—20 cm)進(jìn)行混合，并記錄采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)、海拔、植被等信息。待土壤樣品風(fēng)干后進(jìn)行土壤理化性質(zhì)和土壤可蝕性相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。同時(shí)，對(duì)調(diào)查單元內(nèi)的侵蝕類型和特征進(jìn)行拍照記錄，調(diào)查和測(cè)量侵蝕溝，記錄各調(diào)查單元的經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔高度等基本信息。此外，沿調(diào)查路線對(duì)天山土壤侵蝕狀況和人類活動(dòng)造成的侵蝕危害也進(jìn)行了調(diào)查。

圖1 天山東段南北麓土壤侵蝕調(diào)查路線和調(diào)查單元分布位置表1 天山東段南北麓土壤侵蝕調(diào)查單元基本信息

序號(hào)調(diào)查日期調(diào)查單元面積/km2海拔高度/m土地利用類型礫石覆蓋度/%植被蓋度/%植株高度/cm主要植物1201906250.369856～973草地、灌草1245 9～45冷蒿、長(zhǎng)刺豬毛菜、白羊草2201906251.0881 149～1 316灌草、草地4045 1～56錦雞兒、豬毛刺、羊草3201906260.2901 450～1 541草地、灌草4525 8～41駱駝刺、冷蒿、草原苔草4201906260.2181 623～1 763草地、草灌2248 8～140長(zhǎng)芒草、白羊草、錦雞兒5201906260.4411 663～1 871草地、草灌4037 2～140冷蒿、草原苔草、錦雞兒6201906280.6472 003～2 321草地、灌木4055 5～152錦雞兒、黃刺玫、草原苔草7201906280.5922 130～2 468草地、林地1053 5～2 000雪嶺云杉、草原苔草、金露梅8201906280.2122 113～2 322草地、草灌4045 2～45草原苔草、冷蒿、金露梅9201906290.7422 934～3 416草地273 1～17草原苔草、羊草10201906290.6182 624～2 994草地4341 2～30草原苔草、甘青鐵線蓮、羊草11201906300.9702 196～2 593草灌、灌草3028 5～80羊草、草原苔草、錦雞兒12201906300.9873 081～3 420草地3620 3～5委陵菜、羊草、草原苔草13201906301.1123 216～3 324草地2770 1～10草原苔草、羊草、委陵菜14201906300.8583 233～3 453草地1570 2～15草原苔草、羊草

注：表中各種植物學(xué)名為雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)，冷蒿(Artemisiafrigida)，長(zhǎng)刺豬毛菜(Alsolapaulsenii.)，白羊草(Bothriochloaischaemum)，錦雞兒(Caraganasinica)，駱駝刺 (Alhagisparsifolia)，羊草 (Eulaliopsisbinata)，甘青鐵線蓮(Clematistangutica)，草原苔草(Carexliparocarpos)，長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)，金露梅(Potentillafruticosa)，黃刺玫(Rosaxanthina)，委陵菜(Potentillachinensis)。

3 土壤侵蝕特征

所有的調(diào)查單元中，草地均為主要的土地利用類型，草地總面積7.48 km2，其面積占調(diào)查單元總面積的89.6%。草地占單個(gè)調(diào)查單元面積55.7%～100%，其中有11個(gè)調(diào)查單元草地面積比例大于90%。

天山山脈區(qū)域降雨量差異較大，水分是影響天山南北坡草地差異的主要因素之一，北坡調(diào)查單元(1—7)的植株生長(zhǎng)狀況均優(yōu)于南坡調(diào)查單元(8—14，表1)，但整體上草地退化嚴(yán)重。調(diào)查單元內(nèi)，由于光照、水分及溫度等諸多因子受坡向的影響，導(dǎo)致不同坡向的坡面土壤理化性質(zhì)和植被構(gòu)成差異較大。例如，5號(hào)調(diào)查單元陽坡土壤近似黃土，礫石較多(70%覆蓋度)，植被多為金露梅、錦雞兒等灌木植物，伴有少量苔草和羊草，總蓋度35%(圖2a)，而陰坡土壤為栗色土，礫石較少或無礫石，植被多為苔草、羊草等草本植物，總蓋度80%(圖2b)。

圖2 5號(hào)調(diào)查單元不同坡向地表土壤與植被狀況對(duì)比

放牧對(duì)植被造成了嚴(yán)重的破壞，影響植物生長(zhǎng)，降低地表蓋度。動(dòng)物踩踏導(dǎo)致表土緊實(shí)，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，儲(chǔ)水性能降低，且產(chǎn)生大量動(dòng)物便道(羊道侵蝕)。在降雨情況下，動(dòng)物便道加快徑流形成，并提供徑流流通路徑，為土壤侵蝕提供了有利條件。在灌木為主的區(qū)域，草本蓋度低，大面積土壤裸露，在降雨和徑流作用下，出現(xiàn)面狀侵蝕；同時(shí)，灌木對(duì)土壤的固結(jié)作用，使得徑流繞過灌木，從灌木兩側(cè)沖刷土壤。在草本為主的區(qū)域，受動(dòng)物踩踏影響，降雨后形成鱗片狀侵蝕(圖3a)和羊道侵蝕(圖3b)。后續(xù)的降雨事件中，徑流對(duì)無植被保護(hù)區(qū)域的沖刷發(fā)生剝蝕、掏蝕和重力侵蝕(圖3c—3d)，在低蓋度區(qū)域出現(xiàn)面蝕。9號(hào)調(diào)查單元具有大面積山前洪積扇，植被覆蓋度良好，但洪積扇上出現(xiàn)大面積面蝕和塌陷(圖4a—4b)。南坡海拔3 000 m左右，凍融作用明顯，土體板結(jié)破碎(圖5)，并出現(xiàn)降雨/融雪造成的大面積面蝕(圖6)。

受放牧影響的坡面因鱗片狀侵蝕和羊道侵蝕的存在，坡面侵蝕溝較少(圖7a)，但徑流痕跡明顯。北坡侵蝕溝多存在于溝底，侵蝕溝溝頭發(fā)育于坡腳；南坡侵蝕溝溝頭發(fā)育于坡面中下部和洪積扇。在侵蝕溝測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，南北坡侵蝕溝橫斷面均為梯形(圖7b—7c)，但北坡侵蝕溝更深，南坡侵蝕溝更寬(表2)。南北坡侵蝕溝內(nèi)礫石較多，均出現(xiàn)礫石堆積現(xiàn)象(圖7d))，部分侵蝕溝在溝底發(fā)生掏蝕(圖7e)。南坡海拔3 000 m左右的平緩草地，因動(dòng)物行為有些溝頭呈現(xiàn)圓弧狀(圖7f)。無放牧影響的坡面，出現(xiàn)細(xì)溝和切溝(圖8)。

所調(diào)查的14個(gè)調(diào)查單元中有7個(gè)調(diào)查單元有林地，林地總面積0.42 km2，占調(diào)查單元總面積5.06%。林地占各調(diào)查單元面積1.9%～41.4%，其中7號(hào)調(diào)查單元，林地面積最大為0.25 km2，占整個(gè)調(diào)查單元的41.4%。整個(gè)區(qū)域林木長(zhǎng)勢(shì)良好，郁閉度30%，胸徑66.7 cm，高度20 m，林下植被蓋度僅10%，但枯落物豐富。導(dǎo)致林下植被稀疏的原因可能有兩點(diǎn)：云杉發(fā)育繁茂高大，云杉在對(duì)陽光、養(yǎng)分和水分的爭(zhēng)奪中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致林下植被稀疏；有研究表明，云杉分泌化感物質(zhì)，對(duì)多數(shù)植物種子發(fā)育具有抑制作用[16-17]。7調(diào)查單元在調(diào)查前有持續(xù)45 min的降雨發(fā)生，林地內(nèi)并無徑流產(chǎn)生，但有大量動(dòng)物留下的蹄坑，土壤顏色為黑色，土壤結(jié)構(gòu)緊密，土壤中無礫石存在，土壤抗侵蝕能力強(qiáng)。

圖3 天山東段放牧導(dǎo)致的侵蝕類型

圖4 天山東段洪積扇侵蝕情況表2 天山東段侵蝕溝形態(tài)特征

分布侵蝕溝數(shù)量/條斷面數(shù)量/個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)侵蝕溝形態(tài)參數(shù)/cm上寬度下寬度深度平均值274 181 151 北坡334最大值860 620 450 最小值70 65 20 平均值413 178 64 南坡123最大值1 050 597 147 最小值138 81 16

圖5 天山東段凍融侵蝕(焦菊英攝于20190628) 圖6 天山東段面蝕(焦菊英攝于20190628)

圖7 天山東段侵蝕溝情況

圖8 天山東段自然溝蝕(王顥霖?cái)z于20190627)

在開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)過程中，對(duì)原地貌進(jìn)行嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，使植被遭到破壞，并因缺少有效的防護(hù)措施，極易發(fā)生水土流失。道路邊坡的主要防護(hù)措施為礫石覆蓋和柔性防護(hù)網(wǎng)，草地邊坡出現(xiàn)大面積剝蝕和重力侵蝕，裸露邊坡有細(xì)溝侵蝕產(chǎn)生(附圖6)。

在礦產(chǎn)勘察項(xiàng)目中，對(duì)坡面進(jìn)行破壞，產(chǎn)生大量廢渣、廢土和揚(yáng)塵，未進(jìn)行臨時(shí)處理。在勘察結(jié)束后，并未進(jìn)行土地整地，導(dǎo)致大面積破壞地表裸露，廢渣廢土堆積。在各類建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)過程中及結(jié)束后，產(chǎn)生大量堆積體(附圖7)，雖對(duì)堆積體進(jìn)行壓實(shí)和礫石覆蓋，但林草措施較少，堆積體表面有細(xì)溝產(chǎn)生。

4 土壤侵蝕影響因素

天山東段土壤侵蝕是自然和人為因素共同作用的結(jié)果。此次調(diào)查區(qū)的年降雨侵蝕力為80～90 MJ/(hm2·h·a)[18]。調(diào)查區(qū)土壤屬于可侵蝕和較易侵蝕土壤區(qū)[19]，惡劣的自然環(huán)境為土壤侵蝕提供了有利條件。天山北坡自然條件良好，降雨充裕，植被蓋度較好，土壤侵蝕程度較?。坏谄麻L(zhǎng)較長(zhǎng)或坡度較大的坡面，徑流能量較高，對(duì)地表的沖刷更為劇烈，導(dǎo)致坡面出現(xiàn)溝蝕。南坡海拔較高，植被覆蓋度低，土壤礫石較多，風(fēng)化和凍融作用導(dǎo)致地表破碎，為侵蝕提供了大量的物質(zhì)來源(附圖8)。而人類活動(dòng)對(duì)侵蝕的影響更為劇烈。不合理的礦產(chǎn)開發(fā)、過度放牧等人為活動(dòng)對(duì)原地貌和原生態(tài)系統(tǒng)的破壞均加劇了土壤侵蝕。近年來，新疆經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，天山區(qū)域大量草地轉(zhuǎn)換為耕地、林地和建設(shè)用地，嚴(yán)重破壞了植被，為降雨提供了豐富的可蝕性物質(zhì)；草地面積的減少，放牧需求的增加和過度放牧(附圖9)是影響草地退化和土壤侵蝕的直接原因。與此同時(shí)，動(dòng)物踩踏導(dǎo)致表土緊實(shí)，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，儲(chǔ)水性能降低，使得侵蝕頻繁發(fā)生，其中重力侵蝕和面蝕致使大面積表土裸露(附圖10)，進(jìn)一步加劇土壤侵蝕(附圖11)。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目加劇土壤侵蝕的現(xiàn)象十分顯著。建設(shè)過程中，缺少必要的臨時(shí)措施。施工結(jié)束后，對(duì)破壞的地表未進(jìn)行土地整治和必要林草措施，僅在13號(hào)調(diào)查單元發(fā)現(xiàn)小型谷坊(附圖12)。在降雨情況下更容易發(fā)生土壤侵蝕，使得整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)十分困難。

5 建 議

5.1 注重草地合理利用和恢復(fù)

天然草地資源是新疆發(fā)展畜牧業(yè)最基本和主要的生產(chǎn)資料，擔(dān)負(fù)著全疆70%的牲畜飼養(yǎng)量和畜產(chǎn)品產(chǎn)量[20]。有研究表明，新疆草地牲畜普遍超載，局部地區(qū)超載率甚至超過200%[21]。應(yīng)根據(jù)新疆各地區(qū)草地資源情況，科學(xué)合理地確定載畜量，總體上嚴(yán)格控制牲畜飼養(yǎng)頭數(shù)，嚴(yán)禁超載過牧、偷牧[22]。在草地退化嚴(yán)重區(qū)域，對(duì)不足以靠自身循環(huán)完成自我修復(fù)的草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行人工補(bǔ)播，促進(jìn)草地完成草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與完善[23-24]。總之，通過建立合理放牧體制和人工補(bǔ)播等方式，使該區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)得到修復(fù)，加速草地植被恢復(fù)，從而提高土壤抗蝕性，減少土壤侵蝕。

5.2 加強(qiáng)侵蝕基礎(chǔ)研究

現(xiàn)階段新疆的土壤侵蝕研究多集中于伊犁地區(qū)，且多運(yùn)用遙感進(jìn)行土壤侵蝕分區(qū)[25]、土壤侵蝕評(píng)價(jià)[26]、土壤侵蝕敏感性[27]等研究，對(duì)土壤侵蝕機(jī)理[28-29]的研究相對(duì)較少，這也使得土壤侵蝕防治工作缺少足夠的理論依據(jù)。加之天山區(qū)域地形地貌類型多變，氣候差異明顯，自然土壤侵蝕是水力、風(fēng)力、凍融共同作用下的復(fù)雜侵蝕過程，而該區(qū)域劇烈的人為擾動(dòng)(過牧和開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目)也加速了土壤侵蝕，都會(huì)加大該區(qū)的土壤侵蝕防治難度。新疆的土壤侵蝕研究應(yīng)關(guān)注自然條件下多營(yíng)力復(fù)合侵蝕和人為擾動(dòng)下的侵蝕過程和機(jī)理，以便為該區(qū)域的土壤侵蝕治理工作提供依據(jù)。

5.3 加大水土保持工作力度

新疆的水土保持工作起步較晚，且新疆面積廣闊，自然情況差異性較大，水土保持工作開展難度大。此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)水土保持措施較少。沿線調(diào)查中，道路邊坡的防護(hù)措施主要以柔性防護(hù)網(wǎng)、漿砌石護(hù)坡、漿砌石排水溝等工程措施為主?，F(xiàn)階段水土流失嚴(yán)重的原因主要是人們的水土保持意識(shí)不強(qiáng)，對(duì)水土流失危害的認(rèn)識(shí)不足，沒有將防治水土流失與自身的生存環(huán)境聯(lián)系起來，沒有把水土保持和當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)系起來。為此，提高全民防治意識(shí)，加大執(zhí)法力度，對(duì)人類活動(dòng)進(jìn)行合理約束和規(guī)范迫在眉睫。同時(shí)，大力加強(qiáng)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、信息化等水土保持基礎(chǔ)性工作，提高水土保持工作對(duì)全疆規(guī)劃和宏觀決策的影響力。