評(píng)估放牧干擾對(duì)天山北坡土壤侵蝕及空間特征的影響

胡貴鋒, 王新軍, 常夢(mèng)迪, 閆立男, 韓其飛, 李菊艷, 李永康

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830052; 2.新疆土壤與植物生態(tài)過程實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830052;3.南京信息工程大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 南京 210044; 4.新疆維吾爾自治區(qū)水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 烏魯木齊 830000)

土壤侵蝕是全球最突出的土地退化問題，草地土壤侵蝕占全球80%[1]。放牧活動(dòng)作為人為干擾草地生態(tài)系統(tǒng)的主要形式之一，一方面可促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，然而另一方面過度放牧則會(huì)引起草地退化、土壤侵蝕等一系列生態(tài)環(huán)境問題[2]。我國(guó)草地主要集中在生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干旱區(qū)，人為干擾引起的危害程度深、時(shí)間長(zhǎng)。放牧活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕的影響是區(qū)域降水、地形、土壤等自然因子和放牧活動(dòng)疊加的結(jié)果，因此從放牧活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕影響的機(jī)理過程出發(fā)，定量評(píng)估放牧活動(dòng)對(duì)區(qū)域土壤侵蝕的影響，明確牧區(qū)土壤侵蝕空間特征，對(duì)干旱區(qū)草地牧場(chǎng)水土保持工作具有重要意義。

目前，關(guān)于放牧和草地土壤侵蝕研究頗多，可分為定性或定量描述牧區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)狀兩個(gè)方向[3-4]，樣點(diǎn)和區(qū)域評(píng)估兩個(gè)尺度[5-6]，利用侵蝕產(chǎn)沙試驗(yàn)等手段探明放牧干擾下的侵蝕產(chǎn)沙特征、對(duì)放牧活動(dòng)和土壤侵蝕的中間因子進(jìn)行分析(如土壤理化性質(zhì)、生物量、土壤可蝕性因子等)及利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治鋈髮哟蝃7-9]，區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古草原和青藏高原高寒草原[10-11]。已有研究多通過放牧強(qiáng)度與區(qū)域土壤侵蝕特征的相關(guān)性分析來表征放牧對(duì)土壤侵蝕的影響，僅能評(píng)估放牧疊加在自然狀態(tài)之上的土壤侵蝕特征，未從機(jī)理過程模擬放牧對(duì)土壤侵蝕的影響[12-13]，難以評(píng)估放牧對(duì)土壤侵蝕影響的程度。因此需要一種方法剝離自然條件下的土壤侵蝕，定量評(píng)估放牧活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕的影響，并闡明牧區(qū)的土壤侵蝕空間特征，為制定牧區(qū)合理放牧強(qiáng)度和水土保持工作提供理論依據(jù)。放牧活動(dòng)對(duì)植被的采食及引起土壤物理性狀的變化使草地生物量變化顯著，因此草地生物量可以作為放牧活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕影響的表征因子[14-15]。陸地生態(tài)系統(tǒng)過程模型在研究人類干擾對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能影響中普遍使用，其中Biome-BGC模型可以用來估算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、水儲(chǔ)存及通量[16-18]，已得到廣泛應(yīng)用[19-20]；落葉方程是評(píng)估牲畜對(duì)草地生物量采食量的有效經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚21]，將二者結(jié)合進(jìn)而探討放牧干擾對(duì)草地生物量影響研究已成為一種趨勢(shì)[22-23]；中國(guó)土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation，CSLE)是適用于我國(guó)土壤侵蝕評(píng)估研究的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚24-25]，生物措施因子(B)與植被覆蓋度(f)、生物量聯(lián)系緊密[9]?；谝陨侠碚?，從“放牧干擾—生物量—土壤侵蝕”機(jī)理鏈條出發(fā)定量評(píng)估放牧活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕的影響成為可能。

天山北坡中段處于亞歐大陸干旱區(qū)中部，其生態(tài)系統(tǒng)為陸地生態(tài)系統(tǒng)最脆弱組成部分之一[26]。受降水和地形影響，天山北坡土壤侵蝕情況嚴(yán)峻，且山地草原放牧活動(dòng)使得土壤侵蝕情況日益加劇[27]，因此，基于Biome-BGC模型、落葉方程及CSLE模型，從“生物量—放牧采食—生物措施因子—土壤侵蝕”機(jī)理鏈條出發(fā)，定量表征放牧干擾對(duì)土壤侵蝕的影響，闡明天山北坡放牧干擾前后土壤侵蝕空間特征，可為天山北坡牧場(chǎng)的放牧規(guī)劃和水土保持工作提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)天山北坡中段(84°83′—88°97′ E，42°92′—44°34′ N)。海拔450～5 300 m，地形以山地為主。屬中溫帶大陸性氣候，7月份均溫24.4℃，1月份均溫-18.4℃，年平均氣溫約2.6℃，蒸發(fā)量1 000～2 000 mm；年均降水量173.3 mm，6—8月降水量約占全年68%，降水量呈逐年增加趨勢(shì)。土地利用方式主要為草地和林地，土壤類型有棕鈣土、栗鈣土、黑鈣土、灰褐土、黑氈土、草氈土等。人類干擾主要為輪牧制度的草場(chǎng)放牧，海拔自低至高依次為春秋牧場(chǎng)、冬牧場(chǎng)和夏牧場(chǎng)三大季節(jié)牧場(chǎng)，主要放牧牲畜有羊、牛、馬、駱駝和驢等。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

(1) 氣象數(shù)據(jù)。從國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn/)獲取研究區(qū)內(nèi)烏魯木齊牧試站、天池站、呼圖壁站、達(dá)坂城站2019年逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于其中最高溫、最低溫和降水日值數(shù)據(jù)，利用MT-CLIM山地氣候模擬器[16-18,28]插值獲取各模擬點(diǎn)的Biome-BGC模型氣象輸入數(shù)據(jù)。

(2) 生理生態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。Biome-BGC模型模擬采用C3草地植被生理生態(tài)參數(shù)，其中針對(duì)天山北坡植被修正的參數(shù)均通過已發(fā)表文獻(xiàn)獲取[21,23,29]，其他參數(shù)均采用White等[16]針對(duì)C3草地校正的值。

(3) 樣點(diǎn)土壤理化性質(zhì)與植被特征。按照系統(tǒng)分層采樣法[9]在研究區(qū)設(shè)計(jì)84個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行土壤采樣，并測(cè)量記錄樣點(diǎn)內(nèi)植被株高、單位面積地上生物量等信息。使用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量，篩分法和比重計(jì)法測(cè)定土壤質(zhì)地[9]，數(shù)碼相機(jī)照相法獲取草地植被蓋度。

(4) 放牧數(shù)據(jù)。通過統(tǒng)計(jì)年鑒資料，遴選牧區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)放牧牲畜數(shù)量，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)羊數(shù)據(jù)作為放牧強(qiáng)度(按照全國(guó)畜牧業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)2015年《天然草地合理載畜量的計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)[30]結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況轉(zhuǎn)換)。牧區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)根據(jù)主要土地利用類型和主要從業(yè)人口類型劃分。

(5) 空間數(shù)據(jù)。基于新疆維吾爾自治區(qū)測(cè)繪局1∶10 000地形圖處理得到空間分辨率為10 m的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)；基于實(shí)地調(diào)查和遙感解譯繪制研究區(qū)季節(jié)牧場(chǎng)范圍數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

本文基于多種模型方法(Biome-BGC模型、落葉方程、CSLE模型等)，分析放牧干擾對(duì)土壤侵蝕及其空間特征的影響。

1.3.1 Biome-BGC模型 Biome-BGC模型[16-18]是用來估算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、水儲(chǔ)存及通量的基于過程的生態(tài)系統(tǒng)模型。可通過輸入研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)、生理生態(tài)參數(shù)和站點(diǎn)參數(shù)，模擬總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)、凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)和凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE)等。氣象數(shù)據(jù)：日最高和最低溫度、日平均溫度、日降雨量、日平均水汽壓差、日平均短波輻射通量密度和晝長(zhǎng)；生理生態(tài)參數(shù)：物候、根/冠比和比葉面積等；站點(diǎn)參數(shù)：緯度、高程、土壤質(zhì)地等?；贐iome-BGC 4.2版本模型(NTSG：http:∥www.ntsg.umt.edu/project/biome-bgc.php)，設(shè)置草地類型為 C3草地，輸入各樣點(diǎn)的氣象、生理生態(tài)參數(shù)和站點(diǎn)數(shù)據(jù)，模擬各樣點(diǎn)草地NPP。以0.45轉(zhuǎn)化比[31]，將NPP(gC/m2)和生物量(g/m2)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

1.3.2 落葉方程 由于Biome-BGC模型僅能估算自然狀態(tài)下生物量，無法模擬放牧干擾對(duì)生物量的影響，因此引入落葉方程[21]。落葉方程由 Seligman等建立，可通過輸入放牧強(qiáng)度、初始生物量、放牧效率等參數(shù)，得出牲畜采食的生物量。采用落葉方程模擬放牧干擾對(duì)生物量的影響，公式為：

Dr=GeSr(Cleaf-(Cleaf)U) (0

(1)

式中:Dr為落葉速率[kg/(hm2·d)]；Ge為牲畜放牧效率[hm2/(d·羊)]；Sr為放牧強(qiáng)度[羊/(d·hm2)]；Cleaf為初始生物量；(Cleaf)U為牲畜無法采食的生物量(kg/hm2)；Dx為牲畜飽和消費(fèi)速率(kgC/m2)。

1.3.3 生物量-植被覆蓋度模型構(gòu)建 基于2019年夏季天山北坡牧場(chǎng)84個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)3個(gè)重復(fù)樣方，獲取的實(shí)測(cè)生物量(BI)、植被覆蓋度(f)、牧草平均株高(H)數(shù)據(jù)，按照“BI=f×H”的模型理論，利用SPSS軟件將f×H得到的“植被體積(X)”和“BI”進(jìn)行模型回歸，模型R2達(dá)到0.702 3，n=186，公式如下：

BI=11.238X0.395

(2)

f=BI2.53/5635.9 (BI>188,f=100%;BI=0,f=0)

(3)

式中:BI為生物量(g/m2)；X為樣方內(nèi)植被體積；f為植被覆蓋度(%)。

將式(2)中株高H取平均值得到式(3)，計(jì)算得出放牧干擾前后植被覆蓋度for和fgr。

1.3.4 CSLE模型 CSLE模型是劉寶元參考USLE模型提出適用于我國(guó)的土壤流失評(píng)價(jià)模型[32]，公式為：

A=R·K·L·S·B·E·T

(4)

式中:A為單位面積年均土壤流失量[t/(hm2·a)];R為降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)/(hm2·h·a)];K為土壤可蝕性因子[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)];L為坡長(zhǎng)因子;S為坡度因子;B為生物措施因子;E為工程措施因子;T為耕作措施因子。其中L,S,B,E,T因子為無量綱,B,E,T因子值介于0～1。

降雨侵蝕力因子(R)：利用日雨量模型[33]，計(jì)算近18 a年均降雨侵蝕力，采用Kriging插值法得到降雨侵蝕力圖(圖1A)；土壤可侵蝕性因子(K)：考慮放牧對(duì)土壤滲透性和土壤結(jié)構(gòu)的影響，采用修正諾謨法[34]估算樣點(diǎn)土壤可蝕性值，使用Kriging插值法結(jié)合土壤類型空間分布圖得到土壤可蝕性圖(圖1B)；坡長(zhǎng)坡度因子(LS)：采用分段坡度坡長(zhǎng)因子公式[35]，結(jié)合劉寶元[36-37]、McCool[38]等的研究成果計(jì)算得出坡度坡長(zhǎng)因子圖(圖1C)。研究區(qū)內(nèi)主要為天然草場(chǎng)放牧，無相關(guān)工程措施和耕作措施，因此工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)賦值為1。生物措施因子(B)：使用蔡崇法等[39]的方法，基于式(5)得出的放牧干擾前后植被覆蓋度估算放牧干擾前后B值，使用Kriging插值法得到放牧干擾前后生物措施因子(圖1D、E)，公式如下：

(5)

式中:B為生物措施因子;f為植被覆蓋度(%)。

基于CSLE模型理論，利用柵格計(jì)算器得出天山北坡季節(jié)牧場(chǎng)土壤侵蝕模數(shù)(圖1F，G)和土壤侵蝕強(qiáng)度圖(圖1H，I)。

圖1 天山北坡牧場(chǎng)CSLE因子空間特征

2 結(jié)果與分析

2.1 Biome-BGC模型驗(yàn)證

將Biome-BGC模型模擬草地生物量值與實(shí)測(cè)草地生物量值進(jìn)行對(duì)比，R2，RMSE分別為0.85，6.169 [gC/(m2·a)]，表明Biome-BGC模型能夠較好模擬天山北坡草地生物量(圖2)。

圖2 生物量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

2.2 天山北坡牧場(chǎng)放牧干擾前后土壤侵蝕空間特征

2.2.1 天山北坡牧場(chǎng)放牧強(qiáng)度空間特征 2019年天山北坡牧場(chǎng)平均放牧強(qiáng)度8.11羊/hm2；季節(jié)牧場(chǎng)放牧強(qiáng)度冬牧場(chǎng)>夏牧場(chǎng)>春秋牧場(chǎng)；縣域放牧強(qiáng)度昌吉市>阜康市>沙灣縣>呼圖壁縣>達(dá)坂城區(qū)>烏魯木齊縣>瑪納斯縣；縣域中沙灣縣、呼圖壁縣、昌吉市及阜康市超過縣域平均放牧強(qiáng)度(表1)。

表1 天山北坡牧場(chǎng)2019年放牧強(qiáng)度 羊/hm2

2.2.2 放牧干擾前后生物量空間特征 天山北坡牧場(chǎng)放牧干擾前和干擾后的生物量空間特征，在季節(jié)牧場(chǎng)未發(fā)生改變，均呈現(xiàn)出春秋牧場(chǎng)>夏牧場(chǎng)>冬牧場(chǎng)的特征。此特征可能由季節(jié)牧場(chǎng)的海拔和降水共同導(dǎo)致：一方面，季節(jié)牧場(chǎng)海拔自高至低依次為夏牧場(chǎng)、冬牧場(chǎng)、春秋牧場(chǎng)，低海拔牧場(chǎng)可為草地植被生長(zhǎng)提供更充足的熱量條件，因此春秋牧場(chǎng)生物量最大；另一方面中山帶以下降水量隨海拔升高而增加[23]，降水量上夏牧場(chǎng)大于冬牧場(chǎng)，因此在水分和溫度雙重作用下，夏牧場(chǎng)和冬牧場(chǎng)生物量接近。天山北坡牧場(chǎng)放牧干擾前和干擾后的生物量空間特征，在縣域發(fā)生改變，但變幅較小，放牧干擾前呈現(xiàn)出沙灣縣>達(dá)坂城區(qū)>瑪納斯縣>阜康市>烏魯木齊縣>呼圖壁縣>昌吉市的特征，而放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)樯碁晨h>達(dá)坂城區(qū)>瑪納斯縣>呼圖壁縣>烏魯木齊縣>阜康市>昌吉市的特征，主要變化為阜康市放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)榈陀诤魣D壁縣 (圖3)。

2.2.3 放牧干擾前后生物措施因子空間特征 天山北坡牧場(chǎng)放牧干擾前和干擾后的生物措施因子空間特征，在季節(jié)牧場(chǎng)未發(fā)生改變，均呈冬牧場(chǎng)>夏牧場(chǎng)>春秋牧場(chǎng)的格局；在縣域發(fā)生改變，但變幅較小，放牧干擾前呈現(xiàn)出昌吉市>阜康市>烏魯木齊縣>呼圖壁縣>達(dá)坂城區(qū)>沙灣縣>瑪納斯縣的特征，而放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)椴?阜康市>烏魯木齊縣>達(dá)坂城區(qū)>呼圖壁縣>沙灣縣>瑪納斯縣的特征，主要變化為呼圖壁縣放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)榈陀谶_(dá)坂城區(qū)(表2)。

注：1沙灣縣；2瑪納斯縣；3呼圖壁縣；4昌吉市；5烏魯木齊縣；6阜康市；7達(dá)坂城區(qū)；A夏牧場(chǎng)；B冬牧場(chǎng)；C春秋牧場(chǎng)；T天山北坡。下同。

表2 天山北坡牧場(chǎng)放牧干擾前后生物措施因子B值

2.2.4 放牧干擾前后土壤侵蝕空間特征 天山北坡牧場(chǎng)放牧干擾前和干擾后的土壤侵蝕模數(shù)空間特征，在季節(jié)牧場(chǎng)未發(fā)生改變，均呈夏牧場(chǎng)>冬牧場(chǎng)>春秋牧場(chǎng)特征；在縣域發(fā)生改變，但變幅較小，放牧干擾前呈烏魯木齊縣>昌吉市>阜康市>達(dá)坂城區(qū)>呼圖壁縣>瑪納斯縣>沙灣縣特征，而放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)闉豸斈君R縣>阜康市>達(dá)坂城區(qū)>昌吉市>呼圖壁縣>瑪納斯縣>沙灣縣特征，主要變化為昌吉市放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)榈陀诟房凳泻瓦_(dá)坂城區(qū)(圖4)。

圖4 天山北坡牧場(chǎng)放牧干擾前后土壤侵蝕模數(shù)及增幅空間特征

2.3 放牧干擾對(duì)天山北坡牧場(chǎng)土壤侵蝕影響特征

2.3.1 放牧干擾對(duì)生物量影響特征 以落葉速率(Dr)定量表征放牧干擾對(duì)草地生物量的采食量。2019年天山北坡牧場(chǎng)生物量在放牧干擾下平均減少4.75 [gC/(m2·a)]；季節(jié)牧場(chǎng)放牧干擾引起的生物量減少量，呈現(xiàn)出冬牧場(chǎng)9.09 [gC/(m2·a)]>夏牧場(chǎng)5.31 [gC/(m2·a)]>春秋牧場(chǎng)3.51 [gC/(m2·a)]的特征；縣域放牧干擾引起的生物量減少量，呈現(xiàn)出昌吉市7.66 [gC/(m2·a)]>阜康市5.68 [gC/(m2·a)]>沙灣縣5.53 [gC/(m2·a)]>呼圖壁縣5.28 [gC/(m2·a)]>達(dá)坂城區(qū)4.56 [gC/(m2·a)]>烏魯木齊縣3.39 [gC/(m2·a)]>瑪納斯縣1.00 [gC/(m2·a)] 的特征(圖3)。將放牧強(qiáng)度和Dr進(jìn)行相關(guān)分析，天山北坡牧場(chǎng)采食生物量隨放牧強(qiáng)度增大而增大，相關(guān)系數(shù)高(r=0.96)，表明隨放牧強(qiáng)度增大，天山北坡牧場(chǎng)生物量呈線性降低(圖5)。

圖5 天山北坡牧場(chǎng)放牧強(qiáng)度對(duì)落葉速率影響特征

2.3.2 放牧干擾對(duì)生物措施因子影響特征 使用生物措施因子B值增量定量表征放牧干擾對(duì)生物措施因子的影響。2019年天山北坡牧場(chǎng)生物措施因子在放牧干擾下平均增加0.05；季節(jié)牧場(chǎng)放牧干擾引起的生物措施因子增加量，呈現(xiàn)出春秋牧場(chǎng)0.383>冬牧場(chǎng)0.038>夏牧場(chǎng)0.035特征；縣域放牧干擾引起的生物措施因子增加量，呈現(xiàn)出達(dá)坂城區(qū)0.073>烏魯木齊縣0.072>阜康市0.070>昌吉市0.045>沙灣縣0.038>呼圖壁縣0.028>瑪納斯縣0.009特征(表2)。將放牧強(qiáng)度和B值增量進(jìn)行相關(guān)分析，可以看出B增量整體隨放牧強(qiáng)度增大而增大，季節(jié)牧場(chǎng)放牧強(qiáng)度和B值增量間相關(guān)性冬牧場(chǎng)>夏牧場(chǎng)>春秋牧場(chǎng)，表明放牧干擾是冬牧場(chǎng)和夏牧場(chǎng)生物措施因子值增大的主要影響因素，而對(duì)春秋牧場(chǎng)生物措施因子影響小(圖6)。

圖6 天山北坡牧場(chǎng)放牧強(qiáng)度對(duì)生物措施因子影響特征

2.3.3 放牧干擾對(duì)土壤侵蝕影響特征 2019年天山北坡牧場(chǎng)土壤侵蝕強(qiáng)度在放牧干擾下，總體呈現(xiàn)出從微度、輕度、中度、強(qiáng)烈向極強(qiáng)烈和劇烈轉(zhuǎn)移趨勢(shì)，其中極強(qiáng)烈增加2.57%，劇烈增加1.4%(圖1H，I)。

以放牧干擾下土壤侵蝕模數(shù)的增幅定量表征放牧干擾對(duì)土壤侵蝕的影響。2019年天山北坡牧場(chǎng)土壤侵蝕模數(shù)在放牧干擾下平均增幅為13.5%；季節(jié)牧場(chǎng)放牧干擾引起的土壤侵蝕模數(shù)增幅，呈現(xiàn)出春秋牧場(chǎng)20.65%>夏牧場(chǎng)15.57%>冬牧場(chǎng)15.46%特征；縣域放牧干擾引起的土壤侵蝕模數(shù)增幅，呈現(xiàn)出沙灣縣31.93%>阜康市24.24%>達(dá)坂城區(qū)22.04%>烏魯木齊縣7.56%>瑪納斯縣5.34%>昌吉市5.30%>呼圖壁縣4.37%特征(圖4)。

利用放牧干擾下的土壤侵蝕模數(shù)增幅和放牧強(qiáng)度間關(guān)系，區(qū)分季節(jié)牧場(chǎng)土壤侵蝕的主要影響因素為“自然條件”或“放牧干擾”。春秋牧場(chǎng)土壤侵蝕模數(shù)增幅隨放牧強(qiáng)度增大而增大，r為0.66，而夏牧場(chǎng)和冬牧場(chǎng)隨著放牧強(qiáng)度的增大土壤侵蝕模數(shù)增幅不明顯，r為-0.07，表明放牧干擾是春秋牧場(chǎng)土壤侵蝕模數(shù)增大的主要原因，而對(duì)夏牧場(chǎng)和冬牧場(chǎng)影響不顯著(圖7)。

圖7 天山北坡牧場(chǎng)放牧強(qiáng)度對(duì)土壤侵蝕模數(shù)影響特征

利用放牧干擾前和干擾后的土壤侵蝕模數(shù)及土壤侵蝕模數(shù)增幅3個(gè)因子間的組合特征，區(qū)分縣域土壤侵蝕的主要影響因素為“自然條件”或“放牧干擾”。放牧干擾前土壤侵蝕模數(shù)高于平均值表明其自然狀態(tài)下土壤侵蝕就較為嚴(yán)峻，低于平均值表明其自然狀態(tài)下較少存在土壤侵蝕；土壤侵蝕模數(shù)增幅高于平均值，表明放牧干擾引起的土壤侵蝕增加量相對(duì)于自然狀態(tài)下的土壤侵蝕量依然較大，因此表明放牧干擾對(duì)土壤侵蝕有明顯影響，而低于平均值表明放牧干擾引起的土壤侵蝕增加量相對(duì)于自然狀態(tài)下的土壤侵蝕量較小，因此放牧干擾對(duì)其土壤侵蝕影響不顯著。綜上可得，沙灣縣組合特征為“低低高”，表明其土壤侵蝕主要受放牧干擾影響；瑪納斯縣和呼圖壁縣組合特征為“低低低”，表明其土壤侵蝕受二者影響均較小；昌吉市和烏魯木齊縣組合特征為“高高低”，表明其土壤侵蝕主要受自然條件影響；阜康市和達(dá)坂城區(qū)組合特征為“高高高”，表明放牧干擾加劇了自然條件下的土壤侵蝕(圖8)。

圖8 天山北坡牧場(chǎng)縣域土壤侵蝕特征

3 討 論

3.1 不確定性分析

模擬點(diǎn)的Biome-BGC模型氣象數(shù)據(jù)是基于站點(diǎn)數(shù)據(jù)利用MT-CLIM插值所得，由于氣象站點(diǎn)稀疏及與模擬點(diǎn)海拔相差較大，導(dǎo)致插值獲取的模擬點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)與真實(shí)值間存在偏差[23]；Biome-BGC模型生理生態(tài)參數(shù)中僅物候、根冠比和比葉面積校正至研究區(qū)值，其余采用C3草地模型參數(shù)，與研究區(qū)真實(shí)參數(shù)尚有差異；后續(xù)研究可從獲取精確氣象數(shù)據(jù)、生理生態(tài)參數(shù)本地校正來提高Biome-BGC模型模擬精度。

落葉方程假設(shè)草地在垂直和水平方向上均勻，草地物種可食性均一，可能會(huì)高估動(dòng)物采食量[40]。由于缺少樣方內(nèi)各植被物種高度數(shù)據(jù)，構(gòu)建“生物量—植被覆蓋度模型”時(shí)，采取了樣方內(nèi)平均高度，未分物種構(gòu)建模型，因此一定程度上降低了模型精度。放牧踐踏作用對(duì)土壤侵蝕的影響尚有爭(zhēng)論，林慧龍等學(xué)者認(rèn)為放牧干擾會(huì)降低土壤可蝕性因子，從而加劇土壤侵蝕[8]，也有學(xué)者認(rèn)為放牧踐踏主要為影響土壤養(yǎng)分、水分進(jìn)而影響生物量[15]，后續(xù)研究應(yīng)結(jié)合踐踏等因素探討放牧干擾對(duì)土壤侵蝕的影響。

3.2 放牧干擾對(duì)生物量及土壤侵蝕的影響

利用Biome-BGC模型模擬天山北坡牧場(chǎng)平均生物量為69.18 [gC/(m2·a)]，受放牧干擾影響降低至63.87 [gC/(m2·a)]；天山北坡牧場(chǎng)平均生物量呈現(xiàn)出春秋牧場(chǎng)>冬牧場(chǎng)和夏牧場(chǎng)趨勢(shì)。此結(jié)果和周德成等[23]結(jié)果相一致。

天然放牧草地較少存在工程措施和耕作措施，因此生物措施因子為CSLE模型中主要受人為干擾影響的因子[41]，是放牧干擾對(duì)土壤侵蝕影響的核心鏈接點(diǎn)。當(dāng)前生物措施因子值通常利用植被覆蓋度推算得到，如本研究采用蔡崇法等利用植被覆蓋度計(jì)算生物措施因子值公式計(jì)算[39]，其無法直接從放牧干擾影響的生物量因素得出生物措施因子值，而是經(jīng)過植被覆蓋度的多級(jí)轉(zhuǎn)換所得，因此建立適用于草地的“生物量—生物措施因子”模型對(duì)牧區(qū)土壤侵蝕研究至關(guān)重要。

天山北坡牧場(chǎng)平均土壤侵蝕模數(shù)為41.25 t/(hm2·a)，土壤侵蝕強(qiáng)度整體以微度為主，但極強(qiáng)烈以上占比高，極強(qiáng)烈和劇烈主要出現(xiàn)在夏牧場(chǎng)和烏魯木齊縣、昌吉市、阜康市，均為高海拔地勢(shì)陡峭和東部降水量高區(qū)域，這與已有研究吻合[9]?！胺拍粮蓴_”主要影響春秋牧場(chǎng)及沙灣縣土壤侵蝕，應(yīng)制定合理放牧強(qiáng)度，控制放牧干擾對(duì)土壤侵蝕的影響；夏牧場(chǎng)、冬牧場(chǎng)及縣域中烏魯木齊縣和昌吉市土壤侵蝕主要由“自然條件”導(dǎo)致，應(yīng)著力減輕自然條件下的土壤侵蝕，并禁牧以杜絕土壤侵蝕的加劇。

4 結(jié) 論

(1) Biome-BGC模型能夠較好模擬天山北坡牧場(chǎng)生物量，模擬值和實(shí)測(cè)值間R2達(dá)0.85，RMSE為6.169 gC/(m2·a)。2019年天山北坡牧場(chǎng)平均放牧強(qiáng)度為8.11 羊/hm2；縣域放牧強(qiáng)度：昌吉市>阜康市>沙灣縣>呼圖壁縣>達(dá)坂城區(qū)>烏魯木齊縣>瑪納斯縣。

(2) 2019年天山北坡牧場(chǎng)在放牧干擾下，生物量降低、生物措施因子值增大、土壤侵蝕模數(shù)升高。放牧干擾前和放牧干擾后三者的空間特征在季節(jié)牧場(chǎng)均未發(fā)生改變，而在縣域均發(fā)生改變。其中土壤侵蝕模數(shù)的空間特征在季節(jié)牧場(chǎng)均為夏牧場(chǎng)>冬牧場(chǎng)>春秋牧場(chǎng)；而在縣域干擾前為烏魯木齊縣>昌吉市>阜康市>達(dá)坂城區(qū)>呼圖壁縣>瑪納斯縣>沙灣縣，干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)闉豸斈君R縣>阜康市>達(dá)坂城區(qū)>昌吉市>呼圖壁縣>瑪納斯縣>沙灣縣。

(3) 2019年天山北坡牧場(chǎng)在放牧干擾下，土壤侵蝕模數(shù)平均增幅為13.5%，季節(jié)牧場(chǎng)增幅：春秋牧場(chǎng)20.65%>夏牧場(chǎng)15.57%>冬牧場(chǎng)15.46%；縣域增幅：沙灣縣31.93%>阜康市24.24%>達(dá)坂城區(qū)22.04%>烏魯木齊縣7.56%>瑪納斯縣5.34%>昌吉市5.30%>呼圖壁縣4.37%。2019年天山北坡春秋牧場(chǎng)及沙灣縣土壤侵蝕的主要原因?yàn)榉拍粮蓴_，夏牧場(chǎng)、冬牧場(chǎng)及烏魯木齊縣、昌吉市土壤侵蝕的主要原因?yàn)樽匀粭l件。