青藏高原柴達木盆地東部地區(qū)的土壤侵蝕現(xiàn)狀調(diào)查

曹 雪， 焦菊英， 李建軍，泓錕， 王 湘， 白雷超， 孫曉晨， 陳同德， 馬曉武

(1.中國科學(xué)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 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 3.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

青藏高原是中國重要的生態(tài)安全屏障和戰(zhàn)略資源儲備基地，也是全球氣候變化最為敏感的地帶之一[1]。受全球氣候變化和人類活動的影響，青藏高原極端高溫和降水事件頻繁發(fā)生[2]，會加劇區(qū)域土壤侵蝕[3]。地處青藏高原北部的柴達木盆地是整個青藏高原氣候變化最為敏感和顯著的地區(qū)[4]。調(diào)查分析柴達木盆地的土壤侵蝕規(guī)律和治理狀況，有利于研究氣候變化和人類活動對土壤侵蝕的影響程度，尋找針對該區(qū)具體情況的土壤侵蝕防治對策，對推動青藏高原可持續(xù)發(fā)展，促進全球生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

柴達木盆地是中國4大盆地之一，擁有中國第5大沙漠——柴達木沙漠，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，同時也是中國大型能源生產(chǎn)基地、鹽化工開發(fā)與大型工礦業(yè)開發(fā)加工基地。隨著工業(yè)發(fā)展步伐不斷加快，柴達木盆地農(nóng)業(yè)建設(shè)得以相應(yīng)發(fā)展，對環(huán)境造成的壓力也越來越大[5]。長期以來，土壤侵蝕對該區(qū)的工礦、交通、農(nóng)牧業(yè)帶來的危害，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟和社會的發(fā)展[6]。因此，研究柴達木盆地的土壤侵蝕特征，對保護土地資源和促進經(jīng)濟發(fā)展具有重要的科學(xué)價值和實踐意義。目前，對于柴達木盆地土壤侵蝕現(xiàn)狀的研究多集中于遙感解譯數(shù)據(jù)，有針對性的實地調(diào)查數(shù)據(jù)很少。為此，課題組分別于2019，2020年和2021年7月3次赴青海省的德令哈市、格爾木市、都蘭縣等地區(qū)開展土壤侵蝕實地調(diào)查，并結(jié)合土壤風(fēng)蝕速率的估算結(jié)果，尋找防治該區(qū)土壤侵蝕的有效防治措施，為促進區(qū)域水土保持與生態(tài)文明建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 調(diào)查區(qū)概況

根據(jù)青海省第三次遙感普查結(jié)果，柴達木盆地水土流失總面積為165 500 km2，占總土地面積的64.18%，水土流失類型主要以風(fēng)蝕為主，并伴有輕微的水蝕，在高山地帶局部為凍融侵蝕。其中風(fēng)力侵蝕103 200 km2，占水土流失總面積的62.36%；凍融侵蝕37 300 km2，占總面積的22.56%；水力侵蝕25 000 km2，占總面積的15.08%[7]。

研究區(qū)位于柴達木盆地東部，地理位置為95°02′—99°00′E，36°24′—37°80′N，海拔2 694～4 357 m，研究區(qū)屬于典型的高原大陸性氣候，寒冷干旱，降水稀少且多集中在夏季[8]。柴達木盆地年降水量自東南部的200 mm遞減到西北部的15 mm，年總輻射量7 000～8 000 MJ/m2，年均溫度-1.4～5.1 ℃，年蒸發(fā)量2 000～3 000 mm[9]。該區(qū)全年主導(dǎo)風(fēng)向為西風(fēng)、西北風(fēng)，年平均風(fēng)速3.4 m/s，最大風(fēng)速23 m/s，全區(qū)各地風(fēng)沙的日數(shù)為2.9～29 d，格爾木最多[10]。植被稀少，以荒漠灌木、小灌木半灌木為主要植被類型[11]。

2 調(diào)查內(nèi)容與方法

2.1 調(diào)查區(qū)域

柴達木盆地東部地區(qū)人口密集，耕地、林地、建設(shè)用地在分布上具有很大的一致性。因此，本研究沿德令哈市的柯魯柯鎮(zhèn)、懷頭他拉鎮(zhèn)、尕海鎮(zhèn)，格爾木市的東南部地區(qū)、郭勒木德鎮(zhèn)、大格勒鄉(xiāng)，都蘭縣的宗加鎮(zhèn)、香日德鎮(zhèn)、察汗烏蘇鎮(zhèn)共3個縣市9個樣帶，選取了耕地、撂荒地、灌草地、沙地、防風(fēng)林等多種土地利用方式，共77個樣地(如圖1所示)進行考察。

2.2 調(diào)查內(nèi)容與方法

2.2.1 植被和土壤調(diào)查 本研究采用樣方法進行調(diào)查。草地和耕地樣方大小為2 m×2 m，灌木樣方為5 m×5 m，沙地樣方根據(jù)沙堆大小的不同分為10 m×10 m和20 m×20 m兩種規(guī)格。調(diào)查指標(biāo)有植物種類、蓋度、株(叢)數(shù)、株高等，共調(diào)查了77個樣地。同時在77個樣地針對不同土地類型及選取的沙堆進行取樣。利用土鉆采集0—20 cm土壤樣品，并記錄采樣點的地理坐標(biāo)、海拔等基本信息，將土壤樣品陰干以備后續(xù)的理化性質(zhì)測定。

圖1 柴達木盆地全部調(diào)查采樣點分布

2.2.2 土壤侵蝕調(diào)查 水力侵蝕調(diào)查過程主要對侵蝕溝類型、發(fā)育部位及土地利用方式進行調(diào)查。風(fēng)力侵蝕調(diào)查工作主要包括填寫《全國水利普查風(fēng)蝕野外調(diào)查表》(以下簡稱《風(fēng)蝕調(diào)查表》)和測量植物沙堆。《風(fēng)蝕調(diào)查表》包括基本情況、地表粗糙度、地表覆被狀況3部分。植物沙堆測量主要對其長、寬、高、走向4項指標(biāo)進行測量。根據(jù)沙堆實際尺寸，圓形沙堆寬、高測量1組，長條形大沙堆的寬、高測量3～6組，共25個樣地。同時，還對耕地防護林帶、耕地田壟的高度和寬度進行了測量。此外，在對侵蝕溝和沙堆的調(diào)查中還采用無人機對研究區(qū)進行了航拍。無人機具體型號為DJI大疆精靈Phantom 4 Pro V2.0智能航拍無人機，航拍影像分辨率為10 cm。對于侵蝕溝的拍攝，考慮到不同地形地貌等因素的影響，航拍高度控制在200 m以內(nèi)。對于沙堆的拍攝，考慮到后期提取精度問題，航拍高度控制在60 m以內(nèi)。

2.2.3 土壤風(fēng)蝕速率計算 本文采用第一次全國水利普查風(fēng)蝕模型計算方法，分為耕地、草(灌)地和沙地3種風(fēng)力侵蝕模型[12]，其中林地歸入灌草地進行計算。基于調(diào)查填寫的《風(fēng)蝕調(diào)查表》，使用張學(xué)君等利用可變滲透量水文模型(variable infiltration capacity，簡稱VIC)模擬的青藏高原地區(qū)土壤濕度(ftp:∥hydro.igsnrr.ac.cn/pub /VIC _ outputs /soil _ moisture _layer1)[13]，以及德令哈站、格爾木站、諾木洪站和都蘭站等風(fēng)蝕區(qū)主要氣象站獲得的長期風(fēng)向風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，最終通過計算得到土壤風(fēng)蝕速率。

同時，沿調(diào)查路線對當(dāng)?shù)氐姆里L(fēng)固沙措施類型與特征進行初步判定，并記錄其地理坐標(biāo)、海拔高度、損毀情況等基本信息。

3 不同利用類型土地的土壤侵蝕特征

柴達木盆地屬土壤侵蝕區(qū)劃的三北戈壁沙漠及沙地風(fēng)沙區(qū)，主要侵蝕類型為風(fēng)力侵蝕，在全區(qū)均有分布。凍融侵蝕主要分布在盆地的東北部和南部邊緣高山地帶。水力侵蝕主要分布在盆地的東部，集中分布在德令哈市、烏蘭縣、天峻縣等地[6]。區(qū)域內(nèi)侵蝕特征差異大，且隨著全球氣候變化，柴達木盆地氣候趨向暖濕化發(fā)展，增溫顯著，降雨量持續(xù)增加[14]，顯著加劇了水土流失，使沙漠化面積不斷擴大。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在植物生長季，耕地沒有明顯的風(fēng)蝕現(xiàn)象，水土保持效果顯著。其主要原因在于耕地具有土地平坦、作物長勢較好，覆蓋度高等優(yōu)勢。耕地植被的平均高度可達98 cm，相比于其他土地利用類型較高(灌草地平均高48 cm，沙地平均高42 cm)；另外，耕地的植被覆蓋度(10%～95%，平均蓋度54%)遠高于其他土地利用類型(撂荒地25%，灌草地25%，沙地17%，林地25%。見圖2)。撂荒地的風(fēng)蝕的防控作用主要與撂荒時間有很大的關(guān)系。初始撂荒時，地表裸露，植被稀疏，抵抗風(fēng)蝕能力較弱。隨著撂荒年限的增加，植被不斷生長，并逐漸向草地發(fā)展，抵抗風(fēng)蝕的能力也逐漸增強；灌草地的植物種類多樣，多為多年生植物，且全年植被覆蓋度變化不大，多有礫石覆蓋，抵抗風(fēng)蝕能力較強。林地多為防風(fēng)固沙的楊樹林。楊樹幼林地多采用了滴灌和覆膜技術(shù)，以保障楊樹幼苗的生長，其固沙能力有限。而成熟的楊樹林結(jié)構(gòu)良好，林下有灌木、禾草等植被，加之枯落物蓋度達90%，固沙能力強。沙地風(fēng)沙活動最為強烈。

圖2 柴達木盆地不同土地利用類型的植被特征

利用第一次全國水利普查風(fēng)蝕模型計算得到土壤風(fēng)蝕速率(見表1)。計算結(jié)果表明柴達木盆地不同土地利用類型的土壤風(fēng)蝕速率呈現(xiàn)：沙地〔118.67 t/(hm2·a)〕>耕地〔62.78 t/(hm2·a〕>撂荒地〔36.03 t/(hm2·a)〕>灌草地〔1.36 t/(hm2·a)〕。耕地土壤侵蝕速率較高主要是因為模型在計算時考慮到耕地作物在秋季收割后地表無植被覆蓋，外加冬春季風(fēng)蝕侵蝕強烈，使得耕地的土壤侵蝕速率較高，建議耕地作物收獲后免耕留茬到次年播種時，以防止冬春季的風(fēng)力侵蝕。

對不同土地利用類型的土壤水力侵蝕特征進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，侵蝕溝多出現(xiàn)于山前洪積扇和山坡上的灌草地(圖3)。比較洪積扇的侵蝕溝與山坡上的侵蝕溝后發(fā)現(xiàn)，洪積扇的侵蝕溝寬深比高于山坡上的侵蝕溝。這是由于洪積扇區(qū)域的集水面積比山坡上的更大，來水量更大，而山坡的坡度比洪積扇大，水流向下切蝕的能量更大，而向兩側(cè)侵蝕的能量更小。

表1 柴達木盆地東部不同利用類型土地的年平均土壤侵蝕速率

圖3 柴達木盆地不同利用類型土地的侵蝕溝特征

4 植物沙堆的攔沙作用

柴達木盆地風(fēng)力侵蝕強烈，植被稀疏，當(dāng)有植被出現(xiàn)的時候，沙物質(zhì)會在植物基部堆積形成植物沙堆。植物沙堆對于防風(fēng)固沙和保持生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定具有十分重要的作用[15]。其中以德令哈市和都蘭縣的植物沙堆體積多較小，但種類多(見圖4)，主要有唐古特白刺(Nitrariatangutorum)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、駝絨藜(Krascheninnikoviaceratoides)、合頭草(Sympegmaregelii)、紅砂(Reaumuriasoongarica)、豬毛菜(Salsolacollina)等。格爾木市、都蘭縣宗加鎮(zhèn)一帶的植物沙堆形態(tài)較大(見圖5)。沙堆的植物主要有膜果麻黃(Ephedraprzewalskii)、柴達木沙拐棗(Calligonumzaidamense)、駝絨藜(Krascheninnikoviaceratoides)、梭梭(Haloxylonammodendron)等。

圖4 柴達木盆地植物沙堆無人機影像

不同枝系構(gòu)型的植物形成的沙堆形態(tài)存在差異，膜果麻黃、沙拐棗和駝絨藜周圍普遍發(fā)育成順風(fēng)向延伸的風(fēng)影沙堆，而合頭草和駝絨藜沙堆多為半橢球型沙堆(圖5)。風(fēng)影沙堆的平均長寬比(2.29 m)是半橢球型沙堆(1.17 m)的兩倍，且差異顯著(p<0.05)。除駝絨藜外，其他4種植物沙堆的長度、寬度和高度之間的相關(guān)系數(shù)在0.608～0.94之間(p<0.05)，說明灌叢沙堆演化過程中，沙堆的長度，寬度和高度三者之間協(xié)同變化(表2)。同時沙堆的形態(tài)特征與其植物的冠形也存在明顯的關(guān)系。除了沙堆和植物的高度以外，膜果麻黃、沙拐棗、合頭草和沙蒿沙堆的其他指標(biāo)與植物的長度、寬度密切相關(guān)(r>0.612，p<0.05)。通過對5種典型灌叢沙堆(膜果麻黃、柴達木沙拐棗、駝絨藜、合頭草和沙蒿沙堆)阻沙能力(以沙堆體積來表示)對比發(fā)現(xiàn)，膜果麻黃沙堆的體積與其他4種沙堆體積差異顯著(p<0.05)。從沙堆體積平均值來看，呈現(xiàn)：膜果麻黃>柴達木沙拐棗>合頭草>駝絨藜>沙蒿(表2)，可為今后防沙治沙工程的植被選擇提供理論依據(jù)。綜上所述，柴達木盆地的植物沙堆分布廣泛，種類多，建議加強植物與沙堆的相互作用的研究，以期為干旱半干旱荒漠區(qū)植被資源保護及沙化土地治理提供參考。

圖5 柴達木盆地不同植物沙堆特征

表2 柴達木盆地5種植物沙堆的形態(tài)參數(shù)指標(biāo)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

5 存在的問題與建議

5.1 耕地灌溉系統(tǒng)管理不善會造成土壤侵蝕

在柴達木盆地的德令哈市，黑石水庫東干渠貫穿南北，支渠、毛渠向四周延伸，形成灌溉網(wǎng)，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展起著強有力的支撐作用[16]。但是，在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，由于德令哈市的耕地長期以來采用大水漫灌，跑冒滴漏水的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，導(dǎo)致在支渠附近出現(xiàn)了多處地面塌陷。在德令哈市柯魯柯鎮(zhèn)，修建的渡槽渠灌體系雖然解決了耕地的灌溉問題，但由于耕地灌溉系統(tǒng)不夠完善造成了一定程度的土壤侵蝕，形成了明顯的侵蝕溝(圖6)。

圖6 柴達木盆地耕地灌溉系統(tǒng)管理不善導(dǎo)致的侵蝕現(xiàn)象

柯魯柯鎮(zhèn)侵蝕溝平均深度約為1.79 m，平均寬度約為0.93 m，最大深度為1.92 m，最大寬度為3.10 m，并伴隨側(cè)壁掏蝕、崩塌等現(xiàn)象，長此以往損壞面積會逐漸擴大，并向四周擴散，危害當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。建議對耕地渠灌系統(tǒng)定期檢修，減少水的跑漏和發(fā)生灌溉侵蝕。應(yīng)在該區(qū)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，盡量避免大水漫灌。

5.2 地下水位升高導(dǎo)致土壤次生鹽漬化

德令哈市尕海鎮(zhèn)和格爾木市等地區(qū)均出現(xiàn)大面積撂荒地，伴隨著嚴(yán)重的土壤鹽堿化問題(圖7)。撂荒地主要是因為地下水位上升而引起的。德令哈市尕海地區(qū)內(nèi)地下水位上升與近幾年來該區(qū)降雨量、巴音河流量的變化、人類活動等有著密切的關(guān)系。長期以來的大水漫灌及退耕還林后農(nóng)灌設(shè)施跑漏是引起地下水位上升的重要原因，并伴隨著土壤鹽漬化現(xiàn)象[16]。同時格爾木市地下水位的升降主要受格爾木河滲漏情況的影響，取決于徑流量、水庫、洪水等因素的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，40 a來格爾木市的地下水位總體上處于上升趨勢，造成大面積土壤次生鹽漬化，對綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了極大威脅[17]。建議調(diào)整灌溉模式，結(jié)合排水，并加強土壤鹽漬化治理，保障該區(qū)珍貴耕地資源的可持續(xù)發(fā)展。

圖7 柴達木盆地地下水上升導(dǎo)致的耕地撂荒

5.3 枸杞沙田管理不到位

截止2020年，柴達木盆地種植枸杞面積已經(jīng)超過3.00×104hm2[18]，實現(xiàn)了將沙地治理和農(nóng)業(yè)發(fā)展完美結(jié)合起來提高生態(tài)和生產(chǎn)雙效益的目標(biāo)。調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)在格爾木市郭勒木德鎮(zhèn)南部，大面積的沙化土地已被新農(nóng)地產(chǎn)下屬的綠沙種植科技公司種植了黑枸杞和紅枸杞(圖8a)，其總面積可達233 hm2。但同時也發(fā)現(xiàn)有大量的枸杞田處在棄荒狀態(tài)(圖8b—8c)，可能因為當(dāng)?shù)氐慕涤瓴荒軡M足枸杞生長對水分的需求，也不能保障灌溉補給[19]。目前，柴達木盆地枸杞產(chǎn)業(yè)存在配套設(shè)施較差，經(jīng)營管理水平較低，產(chǎn)業(yè)加工鏈短和品牌培養(yǎng)滯后等問題，嚴(yán)重影響其后期銷售，并降低了農(nóng)戶對枸杞種植的熱情[20]。建議加強枸杞種植規(guī)劃、沙田保育和產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，將防沙治沙與產(chǎn)業(yè)開發(fā)相結(jié)合，并與當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民脫貧致富相結(jié)合。

圖8 柴達木盆地管理不到位的枸杞田

5.4 水土保持措施維護不到位

國家在柴達木盆地已實施了各種生態(tài)修復(fù)工程和防風(fēng)治沙工程。截止2019年底，柴達木盆地省級水土流失重點治理區(qū)〔德令哈市、都蘭縣，格爾木市(唐古拉山鎮(zhèn)除外)〕已建成水保喬木林、灌木林、枸杞林封育等水土保持工程。與2018年相比，該區(qū)水土流失治理面積減少了79.39 km2[21]。同時，該區(qū)也實施了防沙治沙工程。在大格勒鄉(xiāng)到諾木洪縣城的道路兩旁，長達23 km的沙地正在開發(fā)，已經(jīng)新植了楊樹幼苗，以利于后期道路內(nèi)側(cè)沙地的開墾。但該區(qū)需要加強防護林建設(shè)。由于新植楊樹幼苗的防風(fēng)固沙能力較弱，需要將灌溉、排水和施肥措施有機結(jié)合，并加強防護。同時在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，察汗烏蘇鎮(zhèn)的防沙治沙意識強，北邊大片的沙壟地目前已經(jīng)被大規(guī)模的編織袋方格狀沙障保護著。該措施就地取材，以沙治沙，配合種植楊樹和檸條，形成防沙體系，可有效達到防沙目的。但是，該鎮(zhèn)大部分沙袋已破損，防風(fēng)固沙效益減弱(圖9)。建議在防沙治沙關(guān)鍵地區(qū)，定期重新鋪設(shè)沙袋沙障，以保障區(qū)內(nèi)沙地表蝕積面的穩(wěn)定，促進植被恢復(fù)，并要積極開發(fā)使用期限更長久的無污染防沙新材料新技術(shù)。

圖9 柴達木盆地防風(fēng)固沙工程——沙袋沙障

5.5 水土保持資金投入不足，應(yīng)加強水土保持監(jiān)測與研究

柴達木盆地水土保持監(jiān)督工作自2004年開始啟動，起步較晚。同時，由于該區(qū)水土流失面積大，范圍廣，治理經(jīng)費短缺，水土流失仍然非常嚴(yán)重。由于該區(qū)水土保持基礎(chǔ)工作相對滯后，水土保持措施少，土壤侵蝕觀測和調(diào)查數(shù)據(jù)匱乏，難以準(zhǔn)確把握土壤侵蝕現(xiàn)狀。建議進一步加強該區(qū)土壤侵蝕基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)和理論研究，在系統(tǒng)分析評價區(qū)域水土流失狀況、劃分水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、凍融侵蝕等類型區(qū)的基礎(chǔ)上，制定水土保持目標(biāo)和確定措施布局，最大限度地提高水土流失防治水平和綜合效益。并要加強技術(shù)支撐，利用無人機、實地監(jiān)測等多種方式對生態(tài)脆弱區(qū)、生產(chǎn)建設(shè)項目區(qū)等重點區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測，建立并完善柴達木盆地水土流失監(jiān)測和水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫，為有關(guān)該區(qū)的科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支撐，為中國西部水土資源安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展提供安全保障。