天山北坡中段地區(qū)土壤侵蝕敏感性評價及影響因素分析

許世賢王新軍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆土壤與植物生態(tài)過程實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

土壤侵蝕是當(dāng)前全世界面臨最嚴(yán)重的土地退化問題，占所有退化土地的84%[1]，對生態(tài)環(huán)境及人類生產(chǎn)活動造成了很大的負(fù)面影響[2]。根據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球遭受土壤侵蝕影響的土地占比在30%以上，每年因土壤侵蝕造成具有生產(chǎn)力的土壤流失達(dá)到250億t以上[3]。土壤侵蝕敏感區(qū)是水土保持工作重點(diǎn)防范區(qū)域，因此，土壤侵蝕敏感區(qū)的識別成為區(qū)域水土保持與環(huán)境治理工作的重要環(huán)節(jié)[4]。土壤侵蝕敏感性受降雨、植被覆蓋、地形、土壤屬性等因素復(fù)合影響[5]，難以動態(tài)監(jiān)測，而土壤侵蝕敏感性評價基于土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)合地理信息與遙感技術(shù)，目前已成為動態(tài)評估區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險發(fā)生概率的重要手段[6]，在全球各地得到驗(yàn)證使用[7-9]。因此，準(zhǔn)確評估土壤侵蝕敏感性與識別土壤侵蝕關(guān)鍵因子對區(qū)域環(huán)境治理具有重要意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對土壤侵蝕敏感性評價做了大量研究[7-9]，土壤侵蝕敏感性評估體系趨于成熟，但土壤侵蝕因子的分級體系的確定大多基于先驗(yàn)知識與經(jīng)驗(yàn)判斷，面對不同地區(qū)之間自然環(huán)境差異顯著的情況時，分級體系的外推將導(dǎo)致結(jié)論的可靠性下降，因此，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境實(shí)際選取適應(yīng)的土壤侵蝕敏感性指標(biāo)用于識別區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險區(qū)。如，馬方正等針對漢江中上游流域[10]、張景華等針對貴州喀斯特地貌區(qū)[11]、張恩偉針對滇池流域分析區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕敏感性[12]，但針對干旱區(qū)山地草原的研究尚不多見。天山北坡中段地區(qū)地處干旱半干旱區(qū)，土地覆被類型主要為草地，為區(qū)域典型水蝕區(qū)，受土壤侵蝕影響嚴(yán)重[13]。

因此，本文選取天山北坡中段地區(qū)作為研究靶區(qū)，采用中國土壤流失方程(CSLE)與地理探測器方法，結(jié)合天山北坡自然環(huán)境實(shí)際，對天山北坡中段地區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行分析：分析天山北坡中段地區(qū)土壤侵蝕敏感性分區(qū)空間特征；分析土壤侵蝕強(qiáng)度與土壤侵蝕敏感性的關(guān)系；識別土壤侵蝕空間分異關(guān)鍵影響因子。為天山北坡水土保持工作提供理論基礎(chǔ)及技術(shù)支持。

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，地理位置為E84°50′～88°58′，N42°55′～44°22′，東西寬334km，南北長161km，總面積約28010km2。海拔472～5251m。研究區(qū)海拔自高到低可劃分為高寒草甸草原(Alpine meadow grassland，AMG)、中山草甸草原(Middle mountain meadow grassland，MMG)、低山草甸草原(Lower mountain meadow grassland，LMG)[14]。屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫約4.1℃，多年平均降雨量452.03mm，降雨主要集中在5—8月，約占全年降雨量的67%；年蒸發(fā)量1000～2000mm。土壤類型主要為灰褐土、黑氈土、草氈土、棕鈣土、栗鈣土、黑鈣土。植被類型主要為草本和喬木，草地覆蓋占80%以上。植被覆蓋度在山區(qū)較高，平原區(qū)較低，在陰坡較高，陽坡較低。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，獲取研究區(qū)及周邊區(qū)域達(dá)坂城站、沙灣站、呼圖壁站、烏魯木齊站等19個氣象站點(diǎn)2000—2019年逐日降雨量觀測數(shù)據(jù)。

1.2.2 空間數(shù)據(jù)

從地理空間數(shù)據(jù)云獲取ASTER GDEM 30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)；基于實(shí)地調(diào)查和遙感解譯繪制研究區(qū)各海拔梯度草原范圍。

1.2.3 遙感數(shù)據(jù)

來源于美國國家航空航天局的分布式檔案中心(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)的2000—2019年MOD13Q1 250m 16d h24v04植被指數(shù)合成產(chǎn)品。Landsat系列影像來源于美國地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)2000—2019年，空間分辨率30m，時間分辨率16d。

1.2.4 土壤數(shù)據(jù)

用于計算土壤可蝕性因子，以土壤類型、地形特征為分層原則，共設(shè)置84個按系統(tǒng)分層采樣法布設(shè)的采樣點(diǎn)，土壤質(zhì)地采用篩分法和比重計法測定[15]。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤敏感性評價

土壤侵蝕敏感性評估用于綜合判斷天山北坡中段地區(qū)在各土壤侵蝕影響因子的綜合作用下的空間變異特征[4]，反映了所有影響因子的復(fù)合影響機(jī)制。天山北坡中段地區(qū)為典型干旱區(qū)山地草原生態(tài)系統(tǒng)[16]，植被覆蓋狀況良好、溝谷密度較低、地形起伏較大，無耕作及工程措施。因此，土壤侵蝕敏感性評價以CSLE模型為理論依據(jù)[17]，選取降雨侵蝕力、生物措施、坡度坡長、土壤可蝕性作為評價指標(biāo)因子。將降雨、植被、土壤屬性、地形4種自然因素進(jìn)行分級及賦值。運(yùn)用空間疊加功能將各影響因子敏感性影響空間分布圖相乘，土壤侵蝕敏感性公式結(jié)構(gòu)表述：

(1)

式中，SSj為第j個柵格單元上的土壤侵蝕敏感性指數(shù)；Si為i元素土壤侵蝕敏感性指數(shù)值。采用自然間斷法將敏感性指數(shù)值分為5個區(qū)間。將5個區(qū)間分別定義為不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感、極敏感。

1.3.2 土壤侵蝕因子的計算

1.3.2.1 土壤侵蝕模數(shù)

土壤侵蝕模數(shù)使用CSLE模型計算，并將土壤侵蝕模數(shù)按中國水利部《土壤侵蝕分類標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)進(jìn)行分級統(tǒng)計，分為微度(0～2t·hm-2·a-1)、輕度(2～25t·hm-2·a-1)、中度(25～50t·hm-2·a-1)、強(qiáng)烈(50～80t·hm-2·a-1)、極強(qiáng)烈(80～150t·hm-2·a-1)、劇烈(>150t·hm-2·a-1)6類。CSLE模型的結(jié)構(gòu)可表述：

A=R×K×L×S×B×E×T

(2)

式中，A為土壤侵蝕模數(shù)，t·hm-2·a-1；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h·hm-2·MJ·mm-1；LS為坡度坡長因子，無量綱；B為生物措施因子，無量綱；ET為工程及耕作措施因子，無量綱。

1.3.2.2 降雨侵蝕力

降雨侵蝕力的計算采用章文波提出的日雨量計算模型[18,19]。模型結(jié)構(gòu)：

(3)

式中，RI為第I個15d的降雨侵蝕力值，MJ·mm·hm-2·h-1；PK為15d中第K天的日雨量大于12mm的降雨量(當(dāng)日降雨量小于12mm時不為侵蝕性降雨，不納入降雨侵蝕力的計算)；α和β為模型參數(shù)，需要使用站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定公式：

α=21.586×β-7.1891

(4)

(5)

式中，Pd12為侵蝕性降雨的日平均降雨量；Py12為侵蝕性降雨的年平均降雨量。

1.3.2.3 生物措施因子

生物措施因子的計算采用蔡崇法提出的利用植被覆蓋度的計算模型[20]。模型結(jié)構(gòu)：

FGVC=0

0

FGVC>78.3%

(6)

式中，F(xiàn)GVC表示單位面積內(nèi)的植被覆蓋度。

植被覆蓋度基于MODIS NDVI與LANDSAT NDVI時空融合[21]后的NDVI數(shù)據(jù)，采用像元二分模型計算[22]，模型結(jié)構(gòu)可表述：

(7)

式中，NDVIs為純凈土壤像元的NDVI值；NDVIv表示純凈植被像元的NDVI值。

1.3.2.4 坡度坡長因子

本研究選取G.R.Foster等提出的坡長因子計算模型[23]，該模型結(jié)構(gòu)可表述：

(8)

(9)

式中，Li為第i個柵格的坡長因子值；m表示坡長指數(shù)；根據(jù)坡度θ大小選取，λin和λout分別表示柵格前后的坡長。

坡度因子被定義為實(shí)際坡度與5.14°的土壤侵蝕量的比值，計算公式：

(10)

式中，S表示坡度因子；θ表示坡度大小。

1.3.2.5 土壤可蝕性因子

本文采用適用于土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚Z莫方程計算土壤可蝕性因子K[24]，修正諾莫方程公式：

K=[2.1×10-4M1.14(12-OM)+3.25(2-S)+2.5(P-3)]÷100

(11)

M=N1(100-N2)

(12)

M=N1(N3+N4)

(13)

式中，N1、N2、N3、N4分別為土壤粒徑范圍為0.002～0.1mm、<0.002mm、0.002～0.05mm、0.05～2mm的質(zhì)量百分比；OM表示土壤有機(jī)質(zhì)含量百分比；P為滲透等級；S為土壤結(jié)構(gòu)等級。

1.3.3 影響因素分析方法

地理探測器是一種探測空間分異，評估影響因素與某種地理要素之間關(guān)系的空間統(tǒng)計模型[25]，將影響因素對結(jié)果的影響程度定量化為q值，其值的大小范圍為0～1，值越大，代表因子對土壤侵蝕的空間分異的驅(qū)動能力越強(qiáng)。本研究選取分異及因子探測器與交互作用探測器在區(qū)域尺度上探明土壤類型、降雨、地形、植被覆蓋對土壤侵蝕的影響。因子探測器的模型結(jié)構(gòu)可表述：

(14)

式中，q為因子解釋力；L為各影響因子的分層個數(shù)；Nh與N分別為h層與全域的單元數(shù)；σ2h與σ2表示h層與全域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)的方差。

交互作用探測器用于評估2個影響因子之間的交互作用是否會增強(qiáng)或減弱對土壤侵蝕的影響力。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕敏感性分級

選取2000—2019年近20a的降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形、生物措施作為評價指標(biāo)，基于前人研究[5,13-16]結(jié)合天山北坡中段區(qū)域?qū)嶋H，確定各因子敏感性分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 天山北坡中段土壤侵蝕敏感性分級指標(biāo)

天山北坡中段地區(qū)土壤侵蝕敏感性在空間分布上呈現(xiàn)東部高西部低的特征，分布面積最大的是輕度敏感區(qū)和不敏感區(qū)，面積占比分別為28.99%和26.96%，主要分布在沙灣市、呼圖壁縣、瑪納斯縣、昌吉市區(qū)域內(nèi)；中度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)所占面積比例分別為21.53%和16.94%，主要分布在阜康市、達(dá)坂城區(qū)、米東區(qū)區(qū)域內(nèi)；極敏感區(qū)面積占比為5.56%，主要分布在達(dá)坂城東部、烏魯木齊縣南部范圍內(nèi)。主要原因?yàn)闁|部山區(qū)范圍為迎風(fēng)坡，降雨量較大且地形起伏較大。從不同海拔梯度草原類型尺度看，輕度敏感區(qū)占AMG與MMG區(qū)域面積最大，比例分別為35.62%與30.79%；不敏感區(qū)占LMG區(qū)域面積最大，占比為40.24%，見圖2。

圖2 天山北坡中段地區(qū)土壤侵蝕敏感性分區(qū)

2.2 土壤侵蝕強(qiáng)度與土壤侵蝕敏感性關(guān)系

根據(jù)李月臣等學(xué)者的方法[26]，分析土壤侵蝕強(qiáng)度和土壤侵蝕敏感性兩者的相互對應(yīng)關(guān)系用于評估土壤侵蝕敏感性分區(qū)結(jié)果的可信程度。從表2可知，土壤侵蝕敏感性與土壤侵蝕強(qiáng)度具有很好的對應(yīng)關(guān)系，隨著敏感性程度的增加，區(qū)域內(nèi)平均土壤侵蝕模數(shù)也隨之增加。其中，微度侵蝕和輕度侵蝕占敏感區(qū)的面積比例從不敏感到極敏感依次降低，侵蝕等級和敏感程度正相關(guān)關(guān)系明顯，微度侵蝕和輕度侵蝕占極敏感區(qū)面積的比例分別為4.43%和2.10%；中度侵蝕有28.47%和27.07%發(fā)生在土壤侵蝕的輕度敏感和中度敏感區(qū)；強(qiáng)烈侵蝕有26.64%和27.46%發(fā)生在土壤侵蝕的輕度和中度敏感區(qū)；極強(qiáng)烈侵蝕有28.59%和27.22%發(fā)生在土壤侵蝕的中度敏感和高度敏感區(qū)；劇烈侵蝕有26.18%發(fā)生在土壤侵蝕的極敏感區(qū)，所占比例最大，且面積占比從極敏感區(qū)到不敏感區(qū)依次下降，僅有2.77%發(fā)生在不敏感區(qū)。盡管土壤侵蝕敏感性僅代表區(qū)域發(fā)生土壤侵蝕風(fēng)險的概率，不表示土壤侵蝕一定會發(fā)生。不敏感及輕度敏感區(qū)發(fā)生強(qiáng)度以上土壤侵蝕的原因可能是受到人類活動干擾，因此，只要采取一定的水土保持措施，土壤侵蝕的惡化將被有效緩解。

表2 天山北坡中段土壤侵蝕強(qiáng)度與敏感性關(guān)系

2.3 土壤侵蝕影響因素分析

2.3.1 天山北坡全域探測分析

將土壤侵蝕模數(shù)空間分布圖與驅(qū)動因子年降雨量、土壤可蝕性、坡度、坡長、植被覆蓋度空間分布圖重采樣至1km，按自然間斷分級法對驅(qū)動因子分級，并提取其柵格值，用于驅(qū)動地理探測器模型。地理探測器結(jié)果可得，見表3，不同影響因子對區(qū)域土壤侵蝕的空間分布差異的驅(qū)動能力存在不同，其影響能力的大小排序?yàn)橹脖桓采w度>坡度>坡長>降雨>土壤屬性。植被覆蓋度對土壤侵蝕的影響程度最大，q值達(dá)到0.239，說明植被覆蓋度對土壤侵蝕的空間分布差異的影響力最強(qiáng)；土壤屬性對土壤侵蝕的影響程度最小，q值為0.018，說明土壤屬性對土壤侵蝕空間分布差異的影響力弱。

表3 天山北坡中段全域土壤侵蝕因子探測器結(jié)果

結(jié)合天山北坡中段地區(qū)土壤侵蝕分布格局與地理探測器結(jié)果可知，由于天山北坡地區(qū)土地覆被類型主要為草地，植被覆蓋情況相對較好，植被對土壤侵蝕的緩解能力較強(qiáng)、區(qū)域內(nèi)海拔差異大、地形較為復(fù)雜。因此，可以判定植被覆蓋度與地形因子(坡度、坡長)成為影響天山北坡中段地區(qū)土壤侵蝕空間分異的主控因子。而天山北坡地區(qū)位于干旱半干旱區(qū)，年降雨量相對較少，區(qū)域內(nèi)無明顯空間分異，因此從天山北坡中段全域尺度看，降雨量對土壤侵蝕的空間分布格局的解釋能力相對較弱。

交互作用探測器主要分析2種不同的影響因子之間的交互作用的類別，判斷交互作用對土壤侵蝕的作用為增強(qiáng)、減弱或者相互獨(dú)立[25]。交互作用探測器結(jié)果如表4所示，天山北坡地區(qū)土壤侵蝕影響因子的交互作用大多為非線性增強(qiáng)，僅坡度與坡長兩因子之間的交互作用為雙因子增強(qiáng)。其中，植被覆蓋度與坡度、植被覆蓋度與坡長的雙因子交互作用對土壤侵蝕空間分異的驅(qū)動作用最大，q值分別為0.579和0.380；降雨與土壤屬性雙因子交互作用對土壤侵蝕空間分異的驅(qū)動作用最小，q值僅為0.105。說明了在天山北坡中段地區(qū)，植被覆蓋度空間分異較大的地區(qū)往往土壤侵蝕的空間分異程度也較大。

表4 天山北坡中段全域土壤侵蝕交互作用探測器結(jié)果

2.3.2 不同海拔梯度草原的探測分析

為深入探討天山北坡中段地區(qū)山地草原土壤侵蝕影響因素的空間分異特征，將天山北坡中段地區(qū)劃為3個不同海拔梯度的草原類型(AMG、MMG、LMG)，采用地理探測器模型判斷其土壤侵蝕驅(qū)動因子的特征。結(jié)果如表5所示，從驅(qū)動能力排序變化來看，AMG和MMG與全域的排序較為一致，植被覆蓋度與地形因子是影響區(qū)域土壤侵蝕空間分異的主控因子，而影響LMG土壤侵蝕空間分異的主控因子為地形因子與降雨。從驅(qū)動能力值看，AMG區(qū)域自然因子驅(qū)動力值相較于全域更高的僅有坡長，其他因子均更低；MMG區(qū)域所有因子驅(qū)動力值均較全域探測結(jié)果更低；LMG區(qū)域因子驅(qū)動力值較全域更低的有植被覆蓋度，其余因子均更高。結(jié)合各因子驅(qū)動力排序和驅(qū)動力值的變化可以看出，AMG和MMG區(qū)域因其海拔較高、地形起伏程度較大、植被覆蓋狀況較好，因此植被覆蓋度與地形因子成為影響土壤侵蝕空間分異的主控因子，而LMG區(qū)域地勢較為平坦、植被覆蓋狀況較差，因此降雨與地形因子成為影響土壤侵蝕空間分異的主控因子。

表5 天山北坡中段各海拔梯度草原土壤侵蝕因子探測器結(jié)果

3 討論

土壤侵蝕敏感性分級是對土壤侵蝕風(fēng)險區(qū)的劃分，分區(qū)的精確程度對分級標(biāo)準(zhǔn)的劃分依賴程度較高，但目前分級標(biāo)準(zhǔn)的劃定存在一定的主觀因素，因此土壤侵蝕敏感性分區(qū)的最終結(jié)果與實(shí)際可能存在一定的偏差。天山北坡地區(qū)土壤侵蝕敏感性分區(qū)與土壤侵蝕現(xiàn)狀總體分布規(guī)律一致，但部分區(qū)域內(nèi)空間分布規(guī)律并不完全一致，這可能是由于人類不合理的活動干擾導(dǎo)致。因此，在土壤侵蝕高風(fēng)險區(qū)，加強(qiáng)水土保持治理力度、規(guī)范不合理的人類活動、加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)工作將是土壤侵蝕防治工作的重點(diǎn)。

本研究通過使用地理探測器對土壤侵蝕和降雨、植被覆蓋度、土壤屬性、地形因子進(jìn)行分析，分析天山北坡全域和不同海拔梯度的草原自然因子對土壤侵蝕空間分異的驅(qū)動能力。植被覆蓋度與地形因子是影響天山北坡中段地區(qū)土壤侵蝕空間分異的主控因子，與姚昆等在岷江上游地區(qū)得出的結(jié)論一致[27]，由于地理探測器模型對數(shù)據(jù)量的限制，其輸入模型的重采樣數(shù)據(jù)在一定程度上忽略了空間尺度效應(yīng)帶來的影響，可能會導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)一定程度的誤差[28]。第六次國際氣候耦合模式CMIP6研究結(jié)果顯示，未來全球氣候變化大背景下，干旱區(qū)氣候整體將朝著暖濕化方向發(fā)展，且降雨與干旱極端天氣的發(fā)生頻率上升，因此，氣候變化與土壤侵蝕相結(jié)合將成為干旱區(qū)山地草原水土保持研究的重點(diǎn)方向。

4 結(jié)論

本文基于土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c地理探測器，構(gòu)建天山北坡中段區(qū)域土壤侵蝕敏感性分級體系，評價土壤侵蝕敏感性，分析影響土壤侵蝕空間分異的主控因子，結(jié)果顯示，天山北坡中段地區(qū)土壤侵蝕敏感性分區(qū)面積占比由大到小排序?yàn)檩p度敏感區(qū)(28.99%)>不敏感區(qū)(26.96%)>中度敏感區(qū)(21.53%)>高度敏感區(qū)(16.94%)>極敏感區(qū)(5.56%)。土壤侵蝕敏感性分區(qū)與土壤侵蝕強(qiáng)度的相互對應(yīng)關(guān)系較好。在天山北坡中段全域上，各驅(qū)動因子對土壤侵蝕空間分異的貢獻(xiàn)程度從大到小排序?yàn)橹脖桓采w度(0.239)>坡度(0.149)>坡長(0.063)>降雨(0.047)>土壤屬性(0.018)；交互作用探測器結(jié)果顯示，植被覆蓋度與坡度雙因子交互作用對土壤侵蝕空間分異的驅(qū)動作用最大，q值為0.579；在不同海拔梯度草原上，AMG和MMG區(qū)域，植被覆蓋度與地形因子為影響土壤侵蝕空間分異的主控因子；LMG區(qū)域，降雨與地形因子為影響土壤侵蝕空間分異的主控因子。