新疆草地生態系統土壤保持服務評估與風險管理

中圖分類號：S154.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0435（2025）07-2333-12

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2025.07.027

引用格式：，等．新疆草地生態系統土壤保持服務評估與風險管理[J].草地學報，2025，33（7）：2333一 2344 TAWen-yan，LIUYa-li，ZHANGJing，etal.Soil Conservation Service AssessmentandRisk Managementof Grass landEcosystem in Xinjiang[J].Acta Agrestia Sinica，2O25，33（7） ：2333-2344

Soil Conservation Service Assessment and Risk Management of Grassland Ecosystem in Xinjiang

TA Wen-yan，LIU Ya-li， ZHANG Jing，LI Yao-ming，MAIMAITIYIMING Gu-linuer， JI Bao-ming* （School ofGrassand Science，Beijing Forestry University，Beijing lOoo83，China）

Abstract：Xinjiang isanimportant ecological barrer area and thecore region of the\"BeltandRoad Initiative\"in China.The soil conservation service of grassland is crucial for preventing soil erosion，water loss and desertification.Based on data of grassland types，precipitation，soil texture，etc.，the Revised Universal Soil Loss Equation（RUSLE）was used to evaluate the spatial and temporal distribution pattern of soil conservation of Xinjiang grassland from l980 to 2O2Oand to identify its hotspots.The influencing factors were analyzed by the Geodetector method，and the risk levels were analyzed by supply and demand risk system. Our results showed that：The soil conservation service of grassands showed an increasing trend from 198O to 2O2O，with alpine meadows， mountain meadows and temperate steppe having a stronger soil conservation capacity. The hot spots were mainly concentrated in northern Xinjiang，while the cold spots are in the Junggar Basin and southern Xinjiang.The spatial heterogeneity ofsoil conservation service is mainly afected by natural factors such as slope and precipitation. The risk level of soil conservation supply and demand in most areas was safe，and the vulnerable areas were mainly distributed in temperate desert grassands in southern and northern Xinjiang.Based on these results，the management measures to maintain and enhance the soil conservation service of grassland to reduce soil erosion and desertification and to build the ecological security barrier in the northwest were discussed.

Key words：Xinjiang grassand ecosystem service;Soil conservation service;Soil erosion;Supply and demand risk

新疆草地面積占全國草地面積的 14.58% ，約占全疆面積的 1/3 ，其資源豐富，類型多樣，具有重要的生態功能和社會、經濟、文化價值1，是我國西北地區的生態安全屏障，也是中亞荒漠帶向我國東部地區蔓延的重要防御帶。新疆草地滿足了全疆約 70% 的放牧需求2，對維持畜牧業發展和牧民生計具有重要意義。然而，在氣候變暖和極端氣候事件頻發的背景下，新疆的冰川萎縮、積雪面積減少、氣象干旱加劇，導致植被生物量減少、沙漠綠洲面積縮小和水土流失增加[3]。上世紀80年代至21世紀初，大面積開墾和過度放牧，新疆 80% 以上的天然草地都出現了不同程度的退化，其中 60% 的草地退化較為嚴重，了新疆土壤退化和沙漠化[4-6]。合理的草地生態系統管理措施能夠有效抵御新疆沙漠擴張[，其中草地土壤保持服務能夠有效防止水土流失、土壤侵蝕和沙漠化。因此，準確評估新疆草地的土壤保持服務，有助于指導和規劃水土保持區，對新疆生態安全具有重要意義。

草地生態系統能夠直接或間接地為人類生存和發展提供必要的生產和生活資料，包括物質基礎和環境條件等[8]。草地生態系統的服務包括物質供給、調節服務和文化服務，其中土壤保持作為草地生態系統服務中一項重要的調節服務9，日益受到重視，尤其是土壤退化和荒漠化地區。早在1995年，Pimentel等1o強調了土壤侵蝕作為全球最突出的土地退化問題，威脅到土壤的可持續發展，尤其草地土壤侵蝕更是占據了全球土壤侵蝕總量的80% ，對人類的生產生活產生了深遠影響[11-12]。在新疆地區，降水引發的土壤侵蝕問題尤為嚴峻，其中李小華等13發現伊犁地區由于降水量較大且土質多為黃土，遭遇水蝕時往往會出現成片塌陷的情況；李娜等[14研究結果表明西白楊溝流域的水蝕現象極為嚴重；常夢迪等[15]也發現，天山北坡山區受季節性強降水的影響，水力侵蝕尤為強烈。這些水力侵蝕主要分布在北疆伊犁州、天山南北坡地帶和阿勒泰山南坡的中低山區和丘陵區16，給當地的生態環境和經濟發展帶來了負面影響。近年來，許多學者也針對我國不同地區的土壤保持服務開展了系列研究，主要集中在青藏高原、黃土高原和生態脆弱區[17-22]，采用多種技術手段，包括遙感監測[17]、實驗觀測[18]、模型模擬[19-21]等，并綜合考慮影響因素，定量評估和預測土壤保持服務[23]。相比較于耕地，草地在防治水土流失方面效果更好[24]，有研究指出減少草地土壤侵蝕的同時有助于重建土壤微生物群落以提升其固碳功能[25]。影響草地土壤保持服務的驅動因素包括植被覆蓋、風速、降水、人為干擾等，其中土壤保持服務隨植被覆蓋度的增加呈非線性增長趨勢[26]，但隨著風速的增加而降低[18]降水是水力侵蝕最直接的誘發因素[2]，隨著年降水量的增加而降低?？傮w來說，惡劣的自然環境和不適宜的人為干擾將降低草地的土壤保持能力[28]。然而，由于草地分布廣泛且多樣性高，現有研究在時間和空間格局上都較為零星[29-31]，大都未考慮新疆不同草地類型之間土壤保持的差異，缺乏長時間、整體性的綜合研究，難以有效指導新疆草地生態系統管理和資源配置。

因此，本研究以新疆草地為研究對象，使用RUSLE模型評估其不同草地類型1980年至2020年土壤保持服務的時空格局特征，考慮降水、放牧等自然和人為因素的影響[32-33]，識別土壤保持服務的冷熱區和驅動因子，在供需風險評估的基礎上獲得草地土壤保持的風險等級，有針對性地提出草地土壤保持服務的可持續管理策略和建議，為新疆草地生態環境保護提供科學依據。

研究區域及方法

1.1 研究區域概況

新疆位于亞歐大陸腹地 （73^°40^′～96^°18^′F ，34^°25^′～48^°10^′N） ，是我國面積最大的省級行政區，也是我國西北部重要邊陲。新疆為典型的溫帶、暖溫帶大陸性氣候，全年干旱少雨，多年平均降水量約 150mm ，晝夜溫差大，具有豐富的光熱資源。新疆地形地貌復雜，天山橫貫中部，將其分為了南北兩疆，并形成“三山夾兩盆\"的地勢，而其獨特的地貌條件造就了新疆復雜多樣的草地類型，既有水平地帶性荒漠草原，又有呈垂直帶分布的各類山地草甸（圖1）。

新疆草地類型分為高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠、山地草甸、低地草甸、溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原、溫性草原化荒漠、溫性荒漠以及沼澤等11大類，其中面積最大的是溫性荒漠類，占草地總面積的 37.482% ，其次為低地草甸類（ 13.086%） 和溫性荒漠草原類 （9.440%） ，高寒荒漠類和沼澤占比極低。

注：底圖基于自然資源部標準地圖制作，審圖號為GS（2024）0650號，對底圖邊界無修改

Note：Thismap is based on the standard map of the Ministry of NaturalResources，and the review number isGS（2O24）O65O，and there is no modification to the boundary of the base map

1. 2 數據來源與預處理

本研究使用的數據主要包括草地類型、降水、土壤質地、數字高程（DEM）和其他數據（表1）。數據的空間分辨率均重采樣至 1km ，投影為Albers_Conic_Equal_Area。

1.3 研究方法

1.3.1土壤保持量的計算采用廣泛使用的修正土壤流失方程RUSLE估算草地土壤保持量[36]，通過潛在土壤侵蝕量減去實際土壤侵蝕量來估算草地土壤保持量。其公式如下：

A_r=R×K×LS×C×P

式中， SC 為土壤保持量 （t?hm^-2?a^-1） A_p 為潛在土壤侵蝕量 （t?hm^-2?a^-1） ， A_r 為實際土壤侵蝕量（204號 （t?hm^-2?a^-1） 。 R 為降雨侵蝕力因子， K 為土壤可蝕性因子， LS 為坡長坡度因子， c 為植被覆蓋因子， P 為水土保持措施因子，分別計算各因子。

（1）降雨侵蝕力因子 （R ）

降雨侵蝕力因子是指由降雨引起土壤潛在侵蝕能力的大小。根據研究區域的實際情況，本研究采用逐年雨量估算侵蝕力，其計算公式如下：

表1數據來源

Table1 Data source

R=αP^β

式中 Ω，R 為年平均降雨侵蝕力 （MJ?mm?hm^-2?h^-1?a^-1） P 為年降水量（ ：mm） ； α，β 為模型參數，根據章文波等[7的文獻分別取值0.0534和1.6548。

（2）土壤可蝕性因子 （K）

土壤可蝕性因子是指降雨侵蝕力所引起的土壤流失，反映了土壤自身對于侵蝕的抵抗能力，其大小主要取決于土壤本身的理化性質。本研究采用Williams等[38]提出的EPIC模型來計算 K ，同時參考相關地區研究結果對土壤可蝕性因子進行校正[31，39-40]，公式如下：

K_EPIC={0.2+0.3exp[-0.0256SAN

K=（0.51575K_EPlC-0.01383）×0.1317

SNI=1-SAN/100

式中， K_EPIC 為修正前的土壤可蝕性因子； K 為修正后的土壤可蝕性因子 （t?h?MJ^-1?mm^-1） ;SAN為砂粒含量 （%） ；SIL為粉粒含量 （%） ;CLA為粘粒含量 （%）：（ 為有機碳含量 （%） 。

（3）坡長坡度因子（ .LS ））

坡長坡度因子考慮了區域的坡長和坡度，采用劉寶元等[41提出的方法計算，公式如下：

式中， L 為坡長因子； S 為坡度因子； γ 為坡長； θ 為坡度。

（4）植被覆蓋因子（ C）

植被覆蓋因子是指在同等地形條件下，有植被覆蓋的土地和裸地的土壤流失量之比。由于數據的可獲取性和對植被覆蓋因子計算過程中參數的修正，本研究采用Li等34計算的植被覆蓋因子數據集，選取與目標年份相鄰的年份數據來進行近似計算。

（5）水土保持因子 （P）

水土保持因子是指采取特定措施的土壤流失量與未采取措施的土壤流失量之比。取值范圍為0～1，0 表示通過保持措施后無王壤侵蝕，1表示無任何水土保持措施。根據文獻資料等[42-44]，一般天然狀態下的林地、草地無法進行相應的水土保持措施，將 P 賦值為1。

1.3.2冷熱點分析使用冷熱點分析方法來識別具有統計顯著性的高值（熱點）和低值（冷點）的空間聚類，草地土壤保持量的熱點和冷點是新疆地區顯著的高值和低值地域，分別代表草地土壤保持功能強和弱的地帶。計算公式參考趙筱青等45的文獻，使用1980—2020年新疆草地土壤保持多年均值數據，利用Arcgis1O.8軟件中的熱點分析（Getis-Ord Gi^* 完成。

1.3.3影響因素分析地理探測器是一種基于空間分異性探測和因子分析的統計學方法[46-47]，通過比較不同區域或不同因子水平下地理要素的空間分布特征，揭示其背后的驅動因子和交互作用關系?？赏ㄟ^q值來量化影響程度，取值范圍為 0～1 值越大說明影響因子的解釋力越強。本研究共選取6個自然因素（降水、高程、坡度、草地類型、植被覆蓋度、土壤類型）和3個人為因素（放牧強度指數、人類足跡、國內生產總值）。部分因子采用自然斷點法進行離散化處理，分為9級。通過Arcgis10.8軟件統一創建 5km×5km 漁網分別提取各因子2000年、2010年和2020年的柵格數據，采用R4.3.3軟件中的GD包（geodetector包）對單因子探測和交互探測兩個模塊進行定量分析。

（1）單因子探測單因子探測是衡量單個因子對土壤保持服務空間分異的影響，具體計算公式如下：

式中， q 為影響因素對土壤保持的解釋力； h 為變量的類別或分區； N_h 為子區域的樣本單元數量； N 為整個區域的樣本單元數量； L 為子區域的數量； σ_h² 為整個區域單個變量的方差； σ² 為子區域的方差。

（2）交互探測交互探測是衡量不同因子之間交互作用對土壤保持空間分異的解釋力（表2）。

表2交互因子類型

Table2Types of interaction factors

1.3.4供需風險評估體系通過對生態系統服務功能的供需評估，是解決生態系統服務功能空間不匹配的重要前提[48]。生態系統服務供需比（ESDR）可以將生態系統服務供給與人類需求聯系起來，從而反映研究區特定生態系統服務類型的實際狀況[49]。采用生態系統服務供需比（ESDR）來表征土壤保持服務供給與需求的關系。根據前人提出的風險框架及研究結果[50-51]，需求量為土壤實際侵蝕量（Ar），供給量為土壤保持量（SC），供需比計算公式如下：

式中， ESDR 表示供需比； S 表示供給量； D 表示需求量； S_max 表示評價區域內供給量的最大值；D_max 表示評價區域內需求量的最大值。通過供需比、供需比趨勢和供給趨勢來構建研究區土壤保持供需風險評估等級（表3）。

2 結果與分析

2.1新疆草地土壤保持服務各因子空間分布

降水侵蝕力因子從西北向東南方向逐漸減小，高侵蝕地區主要集中在新疆西北部邊界和天山山脈周邊，草地類型主要為高寒草甸和山地草甸（圖2a-e）；土壤可蝕性因子沿準噶爾盆地向外逐漸增大（圖2f；坡長坡度因子主要在山區附近較高，包括阿爾泰山脈、天山山脈和昆侖山山脈附近，主要以山地草甸和溫性草甸為主（圖 2g ；植被覆蓋因子與降水侵蝕力因子變化趨勢相反（圖2h-k）。

2.2新疆草地土壤保持服務的時空格局

1980至2020年新疆草地土壤保持量自東南向西北逐漸增加（圖3），2020年北疆草地土壤保持量高于南疆草地，其占全疆總量的 72.619% ，尤其是伊犁河谷，單位面積土壤保持量達到了 104.569t?hm^-2 。土壤保持服務最弱的地區也分布在北疆草地，占全疆面積的 28.369% ，主要草地類型為溫性荒漠類草地，而南疆最弱的地區為低地草甸類草地，占南疆草地面積的 42.417% 。1980年至2020年，新疆草地的土壤保持量呈波動上升趨勢，2020年的單位面積土壤保持量為 30.197t?hm^-2 ，較1980年增加了3.668t?hm^-2 ，2020年草地土壤保持總量達 1.749×10⁹ ，其中高寒草甸、山地草甸和溫性草原的貢獻最大，分別占土壤保持總量的 29.428%，25.561% 和 15.634% （表4）。近四十年來，所有草地類型的土壤保持量普遍呈現增長趨勢，尤其是沼澤、高寒草原以及溫性草原化荒漠，與1980年相比，2020年單位面積土壤保持量分別增加了 45.725%，42.000% 和 29.845%

基于新疆草地土壤保持量多年均值的冷熱點分析發現，新疆草地的土壤保持量在空間上存在顯著差異，熱點區大多數分布在北疆草地，主要在阿爾泰山脈、天山山脈附近，零星分布在南疆的西北部邊界；而冷點區多集中在準噶爾盆地和南疆的大部分草地（圖4）。從草地類型上看，熱點區主要集中在高寒草甸、山地草甸和溫性草原類，而冷點區主要集中在荒漠類草地和低地草甸。

2.3草地土壤保持服務的影響因素

除2000年的國內生產總值外，其他因素顯著影響草地土壤保持服務 （Plt;0.001） 。自然因素對草地土壤保持服務的影響均大于人為因素，坡度、降水、草地類型、土壤類型因子的解釋力較大（ 0.264），尤其是坡度和降水因子。在人為因素中，放牧強度對草地土壤保持的影響最大。各因素的q值隨著年份的變化呈現波動狀態，值得注意的是植被覆蓋度因子的解釋力降低。2020年各因素的解釋力從大到小分別是坡度、降水、土壤類型、草地類型、高程、植被覆蓋度、放牧強度指數和人類足跡、國內生產總值（圖5）。

不同影響因素之間存在交互作用，因此進一步分析了雙因子交互作用對新疆草地土壤保持服務的影響，結果顯示雙因子交互作用后的q值均大于單因子的q值，作用類型為雙因子增強和非線性增強，不存在獨立關系和減弱作用（圖6）。坡度和其他因素的交互作用對新疆草地土壤保持有較強的解釋力，其中坡度與自然因素的交互作用解釋力大于與人為因素的交互作用，尤其是和降水的交互作用，2000年、2010年和2020年的q值分別為0.831，0.836和0.828，并且是為數不多的非線性增加。除坡度外，降水與高程、草地類型、土壤類型的交互作用對草地土壤保持的解釋力也較高 （qgt;0.445） ，均為雙因子增加。此外，人為因素之間的雙因子交互作用對草地土壤保持的解釋力都非常低 ?qlt;0.114） ，但和自然因素交互作用后的解釋力有較大增加。

2.4新疆草地土壤保持供需風險時空變化特征

新疆草地生態系統1980至2020年土壤保持供需風險等級為脆弱（V級）和安全（V級），除2000一2010年外，其余3個時期供需風險等級為安全的占比逐漸增加，分別為 59.696% ， 65.996% 和 66.140% 。整體趨勢向好發展，2010一2020年大都表現為低風險（圖7）。2010—2020年草地土壤保持供需風險為脆弱的地區主要集中在南疆和伊犁河谷、吐哈盆地的小部分草地，主要為溫性荒漠類草地。

3討論

3.1新疆草地土壤保持服務的空間格局變化機制

本研究結果顯示，新疆草地近40年來的土壤保持量呈波動增加趨勢。新疆“三山夾兩盆”的獨特地形條件，使得草地土壤保持服務具有較強的空間異質性，整體呈現北高南低的格局，其熱點區域和結果與已有的研究基本吻合[52-53]。在時間序列上，草地土壤保持服務的變化趨勢與前人研究結果一致[31，54-55]。具體而言，高寒草甸、山地草甸和溫性草原的土壤保持能力最為突出，這與其較高的年降水量和植被覆蓋度緊密相關。土壤保持的年際波動主要由降水量的年際變化所驅動[56]，新疆草地植被的生長主要受水熱條件制約，近幾十年氣候整體呈暖濕化趨勢，有利于植被生長，通過改變地表粗糙度、地表水分環境等來減弱土壤侵蝕動力強度，從而增強土壤保持能力[57-58]。由于北疆的阿爾泰山脈、天山山脈及周邊草地海拔較高，當地的氣候濕潤，降水量遠高于南疆草地。同時，北疆地區積雪融水，水熱條件更有利于植被的生長；而南疆氣候干燥、降水稀少、植被稀疏。因此，南北疆草地土壤保持服務存在明顯的區域差異。

注：PRE為降水，DEM為高程，SLOPE為坡度，GT為草地類型， FVC為植被覆蓋度，ST為土壤類型，GRZ為放牧強度指數，HFP為 人類足跡，GDP為國內生產總值。下同

Note：PREisprecipitation，DEM iselevation，SLOPEisslope，GT isgrassland type，FVC isvegetationcoverage，ST issoil type，GRZ isgrazing intensity index，HFPis human footprint，GDPis gross domestic product. Same asbelow

從草地土壤保持機制來看，自然因子是影響新疆土壤保持的主要因素，尤其是坡度和降水，這也與前人的研究結果相似[19.28.59]。不同類型的土地利用對土壤保護和侵蝕的敏感性不同[60]，意味著不同草地類型對土壤保持服務的貢獻也各不相同。從區域尺度來看，降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度坡長因子在一定時間內可以認為相對穩定，反而是放牧強度這類人為因子對土壤保持的影響更立竿見影。例如，新疆低地草甸的植被覆蓋良好，但人類活動頻繁，放牧降低了植被覆蓋并影響植物群落結構，造成土壤的水土保持能力下降[61-62]，本研究結果也發現低地草甸土壤保持量較低，屬于土壤保持的冷點區。此外，雙因子交互作用結果表明，土壤保持的空間異質性并非受單一因子的影響，而是多種因素相互作用的結果。自然因素和人為因素交互后解釋力顯著增加，表明自然因素的多樣性和人為因素的復雜性共同促使土壤保持機制變得更加錯綜復雜。

考慮到新疆草地類型的多樣性，以及草地服務功能之間的關聯性，今后還可量化不同草地類型所提供的各項服務功能，關注各服務功能之間的協同權衡關系，制定符合生態系統規律的草地管理政策，從耦合的角度科學全面的指導草地生態系統管理，以促進新疆草地生態系統的健康發展和長期穩定。

3.2新疆草地保護的建議

空間管理意味著不同的空間區域采取不同的調控措施[63]，基于新疆草地土壤保持服務空間異質性和供需風險評估的結果，我們提出了三大管理區域以實施分區保護與管理。首先是生態功能保育區，主要涵蓋阿爾泰山脈、天山山脈及南疆的西北部，這些區域主要以高寒草甸、山地草甸和溫性草原為主，占全疆草地面積的21. 74% ，貢獻了全疆土壤保持總量的 70.623% ，是新疆草地生態系統土壤保持服務的主要供給區，如果遭到破壞，將極大加劇新疆土壤侵蝕。因此，該區的管理方向是以保育為主，只允許適度放牧利用，維持草畜平衡和可持續發展[64]。其次是生態功能管控區，主要包括南疆草地、塔里木流域附近和準噶爾盆地，草地類型為溫性荒漠類和低地草甸類草地。該區域的土壤保持量不高，但面積較大，應采取保護優先，當地的開發利用活動需盡量不損害土壤保持服務。

可考慮在過渡帶通過建立人工草地來增加植被覆蓋，利用植被來攔截降水，保護土壤表面免受水蝕，減少降水的沖擊力，進而降低土壤飛濺和侵蝕風險[65]。最后是供需風險調控區，主要涉及東疆草地、吐哈盆地周邊，為溫性荒漠草原和溫性草原化荒漠類草地，該區土壤保持供給與土壤侵蝕需求之間存在明顯的不平衡，是非常脆弱的區域。因此，該區應禁正非保護性采伐和超載放牧，通過人工干預和自然恢復相結合的策略，推動生態系統的恢復和重建。

考慮到土壤保持服務受多種因素綜合影響，特別是坡度和降水的交互作用，建議在坡度陡峭的地區加強對降水的監測和預警，防止水土流失。在今后的草地生態保護工作中，可依據土壤保持的機制和分區，因地制宜，采取有針對性的防治措施來提高研究區的土壤保持能力。

4結論

近四十年間新疆草地土壤保持能力穩步提升，處于低風險水平，具有空間差異性。因此，在不同氣候條件、植被類型、人為干擾的影響下，本文探討了針對新疆草地土壤保持能力分類施策的管理策略。這不僅是對現有草地管理實踐的補充和完善，更是對未來草地生態系統可持續發展的一種探索，旨在促進對新疆草地資源的長期保護與合理利用，實現草地生態系統整體效益的最大化。

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（責任編輯 彭露茜）