新疆天山東段南北坡土壤侵蝕調查

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

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 3.西北大學 城市與環境學院， 陜西 西安 710127)

泛第三極是全球環境與氣候變化的敏感區和功能脆弱區，該區面臨冰川融化、荒漠化加劇、土壤侵蝕加劇等環境問題，對該區域的生態安全產生巨大威脅[1-3]。新疆維吾爾自治區是中國陸地面積最大的省級行政區，占中國國土總面積1/6，是泛第三極地區重要的組成部分，同時也是“一帶一路”的核心區之一，具有重要的生態地位。天山作為新疆經濟、生態、社會的重心，是具有發展潛力和前景的區域。

天山特殊的地形地貌和干旱氣候導致了其脆弱的生態環境。隨著氣候變暖和人類活動加劇，生態環境面臨巨大威脅，而土壤侵蝕的加劇已成為制約經濟發展的主要因素之一。新疆正處于人口和經濟快速發育時期，天山北坡在1996—2016年期間，人口由4.61×106人增長至6.19×106人，人口自然增長率127.37%，GDP由3.99×1010元增長至5.40×1010元。同時，耕地、林地和建設用地所占比重較高且不斷增長。草地面積比例由57.89%減少至49.60%[4]。秦埼瑞等[5]通過FLUS模型預測2050年天山山區冰雪面積減少了29.2%～38.4%，且轉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濟帶20 a間林地、 草地、鹽堿地和冰川/永久積雪向荒漠化轉化明顯，尤以草地的荒漠化轉化為重。盧剛[7]通過CSLE模型計算得到灌木林地平均土壤侵蝕模數最大1 709.8 t/(km2·a)，有林地次之，平均土壤侵蝕模數為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均較低，分別為605.2，334.7，113.7 t/(km2·a)。在天山地區人為活動對地表植被造成干擾與破壞，農田防護林體系不完善，地下水過度開采及灌溉設施標準低，草場經營管理不善，草場退化明顯，均加劇了土壤侵蝕[8]。目前，天山區域的生態環境面臨嚴峻挑戰，人類活動日益加劇，在氣候變化和人類活動作用下，土壤侵蝕已成為該區主要環境問題之一。然而，目前缺乏關于天山東段土壤侵蝕的系統研究。缺乏系統研究。因此，本文采用實地調查和遙感解譯相結合的方式，對天山東段南北坡開展土壤侵蝕調查，深入研究該區域的土壤侵蝕特征和影響因子，并尋找潛在問題，為該區域的水土流失防治提供科學依據。

1 調查區概況

新疆維吾爾自治區位于中國西北邊陲，自治區總面積1.66×106km2。根據第一次全國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，占自治區總面積53.3%。其中，水力侵蝕面積8.76×104km2，占自治區總面積5.3%，風力侵蝕面積7.98×105km2，占自治區總面積48.1%[9]。

天山是世界七大山系之一，中國境內的天山山脈(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中部，西起中國與吉爾吉斯共和國邊界，東至哈密市以東星星峽戈壁，南臨中國最大的沙漠塔克拉瑪干沙漠，北部是古爾班通古特沙漠，全長約為1 700 km，占整個天山山系總長度的2/3以上，寬度一般為250～350 km[10]；中國境內的天山面積約為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7 443.8 m。天山是中國新疆最重要的水資源發源地之一，擁有冰川9 035條，冰川面積達9 225 km2，冰儲量1 011 km3[12]。天山北坡中溫帶荒漠自然地帶(簡稱天山北坡)和天山南坡暖溫帶荒漠自然地帶(簡稱天山南坡)因熱量條件和水分條件不同，形成了兩個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，日照時數長，熱量充足[8]。天山南坡平均年降水量為50～100 m，而蒸發量卻很高，年蒸發量1 200～1 800 mm[14-15]。

2 調查內容與方法

2.1 調查區域

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

2.2 調查內容

(1) 土地利用與覆蓋調查。將影像解譯、野外驗證和無人機航拍相結合，對調查單元的土地利用類型進行調查。通過影像解譯和野外驗證，記錄調查單元的土地利用類型，并利用奧維地圖進行定位照相，為建立遙感解譯標志提供依據。對調查單元進行無人機航拍，無人機型號為DJI大疆精靈 Phantom 4 Pro V2.0智能航拍無人機。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，航拍影像分辨率為10 cm。

(2) 土壤侵蝕與治理調查。通過樣方法，對14個調查單元進行植被調查，記錄植被蓋度、密度、高度、胸徑、郁閉度等參數，并記錄是否有枯落物、苔蘚、礫石率等。在14個調查單元針對不同土地利用類型，按S形6點采樣，取表層土壤(0—20 cm)進行混合，并記錄采樣點的地理坐標、海拔、植被等信息。待土壤樣品風干后進行土壤理化性質和土壤可蝕性相關指標的測定。同時，對調查單元內的侵蝕類型和特征進行拍照記錄，調查和測量侵蝕溝，記錄各調查單元的經緯度坐標、海拔高度等基本信息。此外，沿調查路線對天山土壤侵蝕狀況和人類活動造成的侵蝕危害也進行了調查。

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

序號調查日期調查單元面積/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：表中各種植物學名為雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)，冷蒿(Artemisiafrigida)，長刺豬毛菜(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，其面積占調查單元總面積的89.6%。草地占單個調查單元面積55.7%～100%，其中有11個調查單元草地面積比例大于90%。

天山山脈區域降雨量差異較大，水分是影響天山南北坡草地差異的主要因素之一，北坡調查單元(1—7)的植株生長狀況均優于南坡調查單元(8—14，表1)，但整體上草地退化嚴重。調查單元內，由于光照、水分及溫度等諸多因子受坡向的影響，導致不同坡向的坡面土壤理化性質和植被構成差異較大。例如，5號調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號調查單元不同坡向地表土壤與植被狀況對比

放牧對植被造成了嚴重的破壞，影響植物生長，降低地表蓋度。動物踩踏導致表土緊實，土壤結構被破壞，儲水性能降低，且產生大量動物便道(羊道侵蝕)。在降雨情況下，動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。在灌木為主的區域，草本蓋度低，大面積土壤裸露，在降雨和徑流作用下，出現面狀侵蝕；同時，灌木對土壤的固結作用，使得徑流繞過灌木，從灌木兩側沖刷土壤。在草本為主的區域，受動物踩踏影響，降雨后形成鱗片狀侵蝕(圖3a)和羊道侵蝕(圖3b)。后續的降雨事件中，徑流對無植被保護區域的沖刷發生剝蝕、掏蝕和重力侵蝕(圖3c—3d)，在低蓋度區域出現面蝕。9號調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，土體板結破碎(圖5)，并出現降雨/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，侵蝕溝溝頭發育于坡腳；南坡侵蝕溝溝頭發育于坡面中下部和洪積扇。在侵蝕溝測量中發現，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)。南北坡侵蝕溝內礫石較多，均出現礫石堆積現象(圖7d))，部分侵蝕溝在溝底發生掏蝕(圖7e)。南坡海拔3 000 m左右的平緩草地，因動物行為有些溝頭呈現圓弧狀(圖7f)。無放牧影響的坡面，出現細溝和切溝(圖8)。

所調查的14個調查單元中有7個調查單元有林地，林地總面積0.42 km2，占調查單元總面積5.06%。林地占各調查單元面積1.9%～41.4%，其中7號調查單元，林地面積最大為0.25 km2，占整個調查單元的41.4%。整個區域林木長勢良好，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。導致林下植被稀疏的原因可能有兩點：云杉發育繁茂高大，云杉在對陽光、養分和水分的爭奪中占據絕對優勢，導致林下植被稀疏；有研究表明，云杉分泌化感物質，對多數植物種子發育具有抑制作用[16-17]。7調查單元在調查前有持續45 min的降雨發生，林地內并無徑流產生，但有大量動物留下的蹄坑，土壤顏色為黑色，土壤結構緊密，土壤中無礫石存在，土壤抗侵蝕能力強。

圖3 天山東段放牧導致的侵蝕類型

圖4 天山東段洪積扇侵蝕情況表2 天山東段侵蝕溝形態特征

分布侵蝕溝數量/條斷面數量/個統計指標侵蝕溝形態參數/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(王顥霖攝于20190627)

在開發建設項目建設過程中，對原地貌進行嚴重擾動，使植被遭到破壞，并因缺少有效的防護措施，極易發生水土流失。道路邊坡的主要防護措施為礫石覆蓋和柔性防護網，草地邊坡出現大面積剝蝕和重力侵蝕，裸露邊坡有細溝侵蝕產生(附圖6)。

在礦產勘察項目中，對坡面進行破壞，產生大量廢渣、廢土和揚塵，未進行臨時處理。在勘察結束后，并未進行土地整地，導致大面積破壞地表裸露，廢渣廢土堆積。在各類建設項目建設過程中及結束后，產生大量堆積體(附圖7)，雖對堆積體進行壓實和礫石覆蓋，但林草措施較少，堆積體表面有細溝產生。

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果。此次調查區的年降雨侵蝕力為80～90 MJ/(hm2·h·a)[18]。調查區土壤屬于可侵蝕和較易侵蝕土壤區[19]，惡劣的自然環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，土壤侵蝕程度較小；但在坡長較長或坡度較大的坡面，徑流能量較高，對地表的沖刷更為劇烈，導致坡面出現溝蝕。南坡海拔較高，植被覆蓋度低，土壤礫石較多，風化和凍融作用導致地表破碎，為侵蝕提供了大量的物質來源(附圖8)。而人類活動對侵蝕的影響更為劇烈。不合理的礦產開發、過度放牧等人為活動對原地貌和原生態系統的破壞均加劇了土壤侵蝕。近年來，新疆經濟快速發展，天山區域大量草地轉換為耕地、林地和建設用地，嚴重破壞了植被，為降雨提供了豐富的可蝕性物質；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，動物踩踏導致表土緊實，土壤結構被破壞，儲水性能降低，使得侵蝕頻繁發生，其中重力侵蝕和面蝕致使大面積表土裸露(附圖10)，進一步加劇土壤侵蝕(附圖11)。開發建設項目加劇土壤侵蝕的現象十分顯著。建設過程中，缺少必要的臨時措施。施工結束后，對破壞的地表未進行土地整治和必要林草措施，僅在13號調查單元發現小型谷坊(附圖12)。在降雨情況下更容易發生土壤侵蝕，使得整個生態系統恢復十分困難。

5 建 議

5.1 注重草地合理利用和恢復

天然草地資源是新疆發展畜牧業最基本和主要的生產資料，擔負著全疆70%的牲畜飼養量和畜產品產量[20]。有研究表明，新疆草地牲畜普遍超載，局部地區超載率甚至超過200%[21]。應根據新疆各地區草地資源情況，科學合理地確定載畜量，總體上嚴格控制牲畜飼養頭數，嚴禁超載過牧、偷牧[22]。在草地退化嚴重區域，對不足以靠自身循環完成自我修復的草地生態系統進行人工補播，促進草地完成草地生態系統的恢復與完善[23-24]。總之，通過建立合理放牧體制和人工補播等方式，使該區草地生態系統得到修復，加速草地植被恢復，從而提高土壤抗蝕性，減少土壤侵蝕。

5.2 加強侵蝕基礎研究

現階段新疆的土壤侵蝕研究多集中于伊犁地區，且多運用遙感進行土壤侵蝕分區[25]、土壤侵蝕評價[26]、土壤侵蝕敏感性[27]等研究，對土壤侵蝕機理[28-29]的研究相對較少，這也使得土壤侵蝕防治工作缺少足夠的理論依據。加之天山區域地形地貌類型多變，氣候差異明顯，自然土壤侵蝕是水力、風力、凍融共同作用下的復雜侵蝕過程，而該區域劇烈的人為擾動(過牧和開發建設項目)也加速了土壤侵蝕，都會加大該區的土壤侵蝕防治難度。新疆的土壤侵蝕研究應關注自然條件下多營力復合侵蝕和人為擾動下的侵蝕過程和機理，以便為該區域的土壤侵蝕治理工作提供依據。

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。此次調查發現水土保持措施較少。沿線調查中，道路邊坡的防護措施主要以柔性防護網、漿砌石護坡、漿砌石排水溝等工程措施為主。現階段水土流失嚴重的原因主要是人們的水土保持意識不強，對水土流失危害的認識不足，沒有將防治水土流失與自身的生存環境聯系起來，沒有把水土保持和當地的經濟發展聯系起來。為此，提高全民防治意識，加大執法力度，對人類活動進行合理約束和規范迫在眉睫。同時，大力加強監測自動化、信息化等水土保持基礎性工作，提高水土保持工作對全疆規劃和宏觀決策的影響力。