三江源区土壤侵蚀变化及驱动因素分析

曹巍，刘璐璐，吴丹

(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室，北京 100101；2.成都大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610106；3.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042)

三江源区地处青藏高原腹地，是长江、黄河、澜沧江三大河流的发源地，是我国青藏高原生态安全屏障的重要组成部分，具有重要的生态战略地位。该地区海拔高，气候寒冷，自然环境恶劣，生态系统极其脆弱，在全球气候变化和人类不合理活动的双重影响下，该地区生态状况持续退化，出现一系列生态问题，生态安全受到严重威胁。水土流失加剧是较为突出的问题之一，它会造成土地资源退化、土壤养分流失、江河污染、河道淤积从而加剧洪涝灾害等危害，严重威胁着人类的生存和发展。为遏制三江源区生态系统持续退化的态势，国家于2004年批准了《青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划(2005-2012年)》(以下简称“三江源一期工程”)，投资75亿元开展生态工程建设，加强对三江源地区的生态保护。工程设定了6大规划目标，其中针对水土流失治理的目标是“工程实施后减少水土流失1139.48万m3”。经过8年的时间，三江源一期工程已于2013年实施完毕，工程实施后三江源区的水土流失问题是否得到了解决？生态工程是否发挥了积极作用？生态工程是否需要延续？为了回答这些问题，亟须通过科学的手段对生态工程实施后的效果进行评估。

区域土壤侵蚀研究采用的传统方法有区域观测法、观测点代表法、站点资料函数推广法、泥沙输移比转换法等[1]。近30年来，土壤侵蚀模型的研究在土壤侵蚀研究中占据主导地位，始终是土壤侵蚀研究的前沿领域。20世纪50年代美国农业部、Purdue大学和其他部门基于大量小区观测资料和人工模拟降水实验资料合作建立了通用土壤流失方程(universal soil loss equation, USLE)[2]。1997年，美国农业部自然资源保护局国家土壤侵蚀实验室构建了修正通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation, RUSLE)[3]，对USLE方程中各因子的测算方法进行了改进。刘宝元等[4]在USLE的基础上，建立了中国土壤流失预报方程(CSLE)。USLE、RUSLE以及CSLE模型均为基于经验方程的土壤侵蚀估算模型，同时一些考虑土壤侵蚀过程的物理模型也相继推出，如美国的WEPP(Water Erosion Prediction Project)[5]、欧洲的EUROSEM(European Soil Erosion Model)[6]、荷兰的LISEM(Limburg Soil Erosion Model)[7]等。在众多模型中，RUSLE模型由于结构简单、参数易于获取，同时考虑了影响土壤侵蚀的多个因素，在世界范围内得到了广泛应用[8-15]。在三江源区的土壤侵蚀研究方面，吴万贞等[16-18]、陈琼等[19]、祁永刚等[20]、刘敏超等[21]开展过大量工作，但关于生态工程对三江源区土壤侵蚀变化的影响研究较少。本研究选择RUSLE模型，通过模型模拟与GIS空间分析相结合的方法，对三江源一期工程实施前、后全区以及各流域的土壤侵蚀状况进行定量模拟，分析生态工程实施前、后土壤侵蚀变化特征和原因，客观评估生态工程实施的效果，可为生态工程的滚动实施和长期规划，以及三江源区水土流失防治工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

青海三江源区位于北纬31°39′-36°12′，东经89°45′-102°23′，行政区域涉及玉树、果洛、海南、黄南4个藏族自治州的16个县和格尔木市的唐古拉乡，总面积36.3万km2，草地约占65%，水体与湿地约占8.5%，森林约占4.7%，农田约占0.3%(图1)。三江源区以山地地貌为主，山脉绵延、地势高耸、地形复杂，海拔在3335～6564 m之间。该地区气候属青藏高原气候系统，为典型的高原大陆性气候，表现为冷热两季交替、干湿两季分明，年平均气温为-5.6～3.8 ℃，其中最热月(7月)平均气温为6.4～13.2 ℃，最冷月(1月)为-6.6～-13.8 ℃。年平均降水量约262.2～772.8 mm，其中6-9月降水量约占全年降水量的75%。年蒸发量在730～1700 mm之间，年日照时数2300～2900 h，年太阳辐射量5500～6800 MJ·m-2。

1.2 数据来源

本研究使用的数据主要包括降水、NDVI(normalized difference vegetation index)、高程以及土壤数据等。降水数据来源于国家气象信息中心的1997-2012年逐日降雨量观测数据和空间分辨率为0.25°×0.25°逐日降水量网格数据，主要用于降雨侵蚀力的计算。本研究按照国家气象信息中心关于降雨数据特征值的定义，对降雪、露水等信息进行了剔除；然后采用ANUSPLINE方法对逐日观测数据进行空间插值，得到空间分辨率为1 km的降水量网格数据；最后将插值结果与0.25°的逐日降水网格数据进行空间配准，以0.25°的逐日降水网格数据为基准，采取总量控制法，对1 km的降水量数据进行纠正，得到最终使用的1 km降水量网格数据。NDVI数据来源于1997-2000年的AVHRR-NDVI和2000-2012年MODIS-NDVI。由于NOAA/AVHRR和MODIS数据由不同的卫星传感器观测得到，它们的辐照强度具有一定差异。为了消除二者的差异，本研究利用AVHRR-NDVI和MODIS-NDVI在2000年的同时期数据，对相同时空位置的栅格点进行线性拟合，将两套数据进行归一化处理。高程数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站提供的SRTM3 V4.1 DEM数据，空间分辨率为90 m。土壤数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心的1∶100万中国土壤数据库。

图1 三江源区位置及其生态系统类型Fig.1 The location and ecosystem types of the Three-River Headwaters Region

1.3 研究方法

1.3.1土壤侵蚀估算 本研究采用RUSLE模型模拟三江源区土壤侵蚀量，公式[3]如下：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中:A为土壤侵蚀模数(t·hm-2·yr-1)；R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm·hm-2·h-1·yr-1)；K为土壤可蚀性因子(t·h·hm-4·MJ-1·mm-1)；L为坡长因子，无量纲；S为坡度因子，无量纲；C为土地覆盖和管理因子，取值范围为0～1，无量纲；P为水土保持措施因子，取值范围为0～1，无量纲。

(1)降雨侵蚀力因子(R)

降水是引起土壤侵蚀的动力因子。Wischmeier[22]提出以次降水总动能E与30 min最大雨强I30的乘积EI30作为衡量次降水侵蚀能力大小的指标，但次降水过程资料获取难度较大，资料的整理计算较为烦琐，因此许多研究将日、月或年降水量与降雨侵蚀力建立了相关关系[23]，设计出许多简易的降雨侵蚀力计算方法。本研究采用章文波等[24]提出的基于日降水量估算半月降雨侵蚀力的方法计算R因子，该方法已成功应用于我国其他多个地区。由于计算土地覆盖和管理因子的NDVI数据时间分辨率为16 d，为了保持各因子时间步长的一致，本研究将原方法中的时间步长由半月改为16 d，每年共23期。公式如下：

(2)

式中:M为16 d内的降雨侵蚀力(MJ·mm·hm-2·h-1·yr-1)；Dj表示16 d内第j天的侵蚀性日雨量(要求日雨量大于等于12 mm，否则以0计算，阈值12 mm与中国侵蚀性降水标准一致)；α、β是模型待定参数，Pd12表示日雨量12 mm以上(包括等于12 mm)的日平均雨量；Py12表示日雨量12 mm以上(包括12 mm)的年平均雨量。

(2)土壤可蚀性因子(K)

土壤可蚀性因子采用诺谟图[25]模型计算，数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心的1∶100万中国土壤数据库，计算公式如下：

(3)

式中:K为土壤可蚀性值(t·h·hm-4·MJ-1·mm-1)；OM为土壤有机质含量百分比(%)；M为土壤颗粒级配参数，为美国粒径分级制中(粉粒+极细砂)与(100-黏粒)百分比之积；S为土壤结构系数；P为渗透等级；Ratio为美国制单位转换为国际制单位的转换系数，取值为0.1317。

(3)坡度因子(S)

当坡度较小时(坡度小于等于18%)，采用修正的通用土壤流失方程中坡度因子计算公式[3]；当坡度较大时(坡度大于18%)，采用Liu等[26]改进后的计算公式。公式如下：

(4)

式中:S为坡度因子；θ为坡度，单位为%。

(4)坡长因子(L)

采用通用修正的通用土壤流失方程中坡长因子计算公式[3]，公式如下：

(5)

式中:L为坡长因子；θ为坡度，单位为弧度,λ为坡长(m)；β及m为基于坡度计算出的中间参数。

(5)覆盖和管理因子(C)

由于植被覆盖度与C因子之间存在较好的相关性，本研究采用蔡崇法等[27]建立的植被覆盖度与C因子的关系来计算C值，公式如下：

(6)

式中:C为覆盖和管理因子；f为植被覆盖度，单位为%。

植被覆盖度基于植被指数NDVI数据计算得到，公式如下：

(7)

式中:NDVIsoil为纯裸土像元的 NDVI值；NDVImax为纯植被像元的NDVI值。由于大部分植被覆盖类型是不同植被类型的混合体，所以不能采用固定的NDVIsoil和NDVImax值，通常根据NDVI的频率统计表，计算NDVI的频率累积值，累积频率为2%的NDVI值为NDVIsoil，累积频率为98%的NDVI值为NDVImax。

(6)水土保持措施因子(P)

水土保持措施因子被定义为采取水土保持措施后土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值，它反映了作物管理措施对土壤流失量的影响，其值在0～1之间。本研究结合前人研究成果[8-15]，根据三江源区土地利用数据为各类型P因子赋值，林地和草地取1，水体与沼泽取0，居民地与建设用地取0，旱地取0.4，沙地与盐碱地取1。

1.3.2土壤侵蚀强度分类分级 依据国家水利行业标准《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190-2007)，土壤侵蚀依据其强度一般分为6个不同等级级别，每个级别代表不同的土壤侵蚀严重程度，具体分级为：<10 t·hm-2·yr-1为微度侵蚀；10～25 t·hm-2·yr-1为轻度侵蚀；25～50 t·hm-2·yr-1为中度侵蚀；50～80 t·hm-2·yr-1为强烈侵蚀；80～150 t·hm-2·yr-1为极强烈侵蚀；>150 t·hm-2·yr-1为剧烈侵蚀。

1.3.3土壤侵蚀变化的生态工程与气候变化贡献率分析 本研究通过模型变量控制法，将工程实施前、后的气象因子设为恒定不变的常量(多年平均值)，而植被覆盖度用真实值，重新模拟三江源区1997-2012年的土壤侵蚀量，对比工程实施前、后的多年平均土壤侵蚀量，得到土壤侵蚀变化量。由于气候要素不变，可以认为此类估算量的变化与气候变化无关，主要反映生态工程的影响。而真实气候状况下的变化量反映了气候变化和生态工程的综合影响。因此，对比平均气温状况和真实气候状况下工程实施前、后的土壤侵蚀量，可以厘定出生态工程和气候变化对土壤侵蚀变化的贡献率。具体公式如下：

(8)

式中：Cproject是生态工程的贡献率;Cclimate是气候变化的贡献率;GA_l、GA_p是平均气温状况下工程实施后和实施前的土壤侵蚀量;GR_l、GR_p是真实气候状况下工程实施后和实施前的土壤侵蚀量。

1.4 结果验证

本研究通过搜集称多县生态系统综合监测站以及德念沟(扎西科)工程监测点2个地面监测点的土壤侵蚀实测资料(2006-2009年)，与土壤侵蚀模拟结果进行对比，二者的R2系数达到0.63(图2a)；同时，本研究搜集到三江源地区沱沱河、吉迈以及直门达3个水文站1996-2004年5-10月的逐日输沙量数据，然后从模型模拟结果中提取各水文站控制流域范围内同时段的土壤流失量，最后将输沙量与水土流失量建立相关关系，二者的R2系数达到0.892(图2b)。从两方面验证结果来看，本研究土壤侵蚀模拟结果的精度达到了后续评估应用的要求。

图2 土壤侵蚀模数验证结果Fig.2 The verification results of soil erosion modulus

2 结果与分析

三江源生态工程的实施期为2005-2012年，为避免与单独年份进行对比出现的偶然性，本研究选择工程实施前(1997-2004年)和实施后(2005-2012年)各8年土壤侵蚀模数和土壤侵蚀量进行评估。

2.1 工程前后三江源区土壤侵蚀变化分析

2.1.1三江源区土壤侵蚀变化特征 工程实施前8年，全区多年平均年土壤侵蚀量为3.0亿t·yr-1，土壤侵蚀模数为10.7 t·hm-2；工程实施后8年，全区多年平均年土壤侵蚀量为3.2亿t·yr-1，土壤侵蚀模数为11.4 t·hm-2，较工程实施前增加了6.5%，但在工程实施后期(2008-2012年)，土壤侵蚀的年际变化量较小，较为稳定(图3a、b、d)。

图3 工程实施前、后三江源区土壤侵蚀模数及其变化Fig.3 Soil erosion modulus and its change before and after the implementation of ecological project in the Three-River Headwaters Region a.1997-2004年平均土壤侵蚀模数空间分布 Distribution of soil average erosion modulus during 1997 to 2004; b.2005-2012年平均土壤侵蚀模数空间分布 Distribution of soil average erosion modulus during 2005 to 2012; c.土壤侵蚀模数变化空间分布Distribution of the change of soil erosion modulus; d.土壤侵蚀量年际变化 Inter-annual variation of soil loss amount.

尽管土壤侵蚀模数整体有所上升，从空间分布上看，全区仍有45.0%的地区土壤侵蚀模数有所下降，主要集中在西部的治多、中南部的杂多以及东南部的班玛等地区，平均降幅为15.5%；土壤侵蚀增加地区主要集中在中部的玛多、称多以及东部的河南、玛沁、同德等地区，平均增幅约为46.8%(图3c)。

从土壤侵蚀强度等级方面来看，三江源区主要以微度和轻度侵蚀为主，局部地区出现中度及以上的侵蚀强度。工程实施前，微度侵蚀区占三江源区面积的56.06%，轻度侵蚀区约占33.54%，中度侵蚀区约占6.66%，强度及以上侵蚀区约占3.73%；工程实施后，微度侵蚀区的面积有所下降，其他侵蚀等级区的面积均有所上升。从土壤侵蚀强度变化转移矩阵来看(表1)，工程实施后8年，全区约8.35%的地区土壤侵蚀强度等级有所上调，主要是由微度转为轻度侵蚀，面积占比约为4.38%，主要集中在中部的称多、玛多，南部的囊谦、玉树以及东部的河南、同德、泽库、玛沁等地，其次是轻度转为中度侵蚀，面积占比约2.56%，中度及以上等级上调的面积占比约为1.41%；另一方面，工程实施后8年，全区约4.32%的地区土壤侵蚀强度等级有所下降，主要是由轻度转为微度侵蚀，面积占比约为1.80%，其次是中度转为轻度侵蚀，面积占比约为1.35%，中度以上等级下降的面积占比约为1.17%。

2.1.2长江、黄河、澜沧江流域土壤侵蚀变化特征 长江、黄河、澜沧江三大流域的土壤侵蚀在工程实施前、后呈截然不同的变化特征。工程实施前，长江、黄河以及澜沧江流域的多年平均年土壤侵蚀量分别为1.28、0.58和0.62亿t·yr-1，多年平均土壤侵蚀模数分别为9.95、6.71和22.3 t·hm-2。工程实施后，长江流域土壤侵蚀变化不大，与工程实施前基本持衡，变幅为1.5%，但流域内约63%的地区土壤侵蚀模数有所下降，平均降幅为-14.5%，土壤侵蚀上升区仅占流域的34%，平均升幅约为31.3%；黄河流域土壤侵蚀量和土壤侵蚀模数较工程实施前均有大幅增加，平均增幅约为47.1%，流域内超过90%的区域土壤侵蚀模数呈上升趋势；澜沧江流域土壤侵蚀量和土壤侵蚀模数则较工程实施前均有所下降，平均降幅约为9.8%，土壤侵蚀下降的地区约占流域面积的56.2%，平均降幅约为-23.4%，土壤侵蚀上升区约占流域面积的43.8%，平均增幅约为44.2%。

表1 工程实施前、后三江源区土壤侵蚀强度等级变换面积比例Table 1 Area ratio of soil erosion intensity change before and after the implementation ofecological project in the Three-River Headwaters Region (%)

在土壤侵蚀强度等级变化方面，长江流域各类侵蚀等级区的总面积变化不大，与工程实施前基本持衡；黄河流域15.9%的地区土壤侵蚀强度等级有所上升，主要是由微度转为轻度侵蚀，其次是轻度转为中度侵蚀，而土壤侵蚀强度有所下降的地区仅占黄河流域面积的0.3%，整体来看，黄河流域除微度侵蚀区外，其他侵蚀等级区的面积均有所增加，中度侵蚀区、强度及以上侵蚀区的面积增幅尤为明显；澜沧江流域的土壤侵蚀强度等级明显高于长江和黄河流域，工程实施后，8.8%的地区土壤侵蚀强度等级有所上升，主要是由微度转为轻度侵蚀以及由轻度转为中度侵蚀，12.6%的地区土壤侵蚀强度等级有所下降，主要是由中度转为轻度侵蚀，其次是轻度转为微度侵蚀，整体来看，工程实施后，澜沧江流域微度和强度侵蚀区面积有所下降，而轻度和中度侵蚀区面积有所上升。

2.2 工程前后三江源区土壤侵蚀变化驱动因子分析

2.2.1降雨侵蚀力变化分析 三江源区东部和南部地区降雨侵蚀力较大，中部和西部地区相对较小，该空间分布特征与三江源区降水空间分布特征基本一致。工程实施前8年，多年平均年降雨侵蚀力为1061 MJ·mm·hm-2·h-1·yr-1，工程实施后8年，增加至1263 MJ·mm·hm-2·h-1·yr-1，增幅达到19%，全区超过85%的区域降雨侵蚀力有所增加，且增加量自西向东呈递增态势(图4)。在三大流域中，长江流域的年降雨侵蚀力最小，工程实施前8年，长江流域多年平均年降雨侵蚀力为945 MJ·mm·hm-2·h-1·yr-1，工程实施后8年有所上升，升幅约为15%，自西向东逐渐变大。黄河流域工程实施前8年的多年平均年降雨侵蚀力为1034 MJ·mm·hm-2·h-1·yr-1，工程实施后8年大幅上升，升幅约为43%，自西向东逐渐递增。澜沧江流域由于降水充沛，其平均降雨侵蚀力在3大流域中最高，工程实施前8年，澜沧江流域多年平均年降雨侵蚀力为1593 MJ·mm·hm-2·h-1·yr-1，工程实施后8年略有下降，降幅为2.2%，下降较明显的地区主要集中在流域的西南部。

总体而言，三江源区降雨侵蚀力以上升为主，这主要与该地区近年来降水量不断增加密切相关。另一方面，三江源生态保护工程实施以来，开展了大范围的人工增雨工程，2005-2011年期间共增加降水量388.48亿m3，作业范围是以黄河源区为主的55万km2范围，这也是黄河流域降雨侵蚀力大幅上升的主要原因之一。降雨侵蚀力的上升，使得形成土壤侵蚀的外营力作用加强，土壤侵蚀加剧的可能性显著提升。

2.2.2植被覆盖度变化分析 1997-2012年，三江源区平均植被覆盖度呈波动上升趋势，变化速率为0.39%·yr-1。工程实施前8年，多年平均植被覆盖度为42.4%，工程实施后上升至46.2%。全区74.0%的地区植被覆盖度有所上升，主要集中在中西部和东北部地区，增加比例自西北向东南递减；植被覆盖度下降的地区主要集中在中南部和东部，面积约占三江源区的26.0%(图5)。从变化的幅度来看，植被覆盖度增幅明显高于降幅，增幅超过10%的地区约占三江源区面积的25.0%，降幅超过5%的地区面积占比不足8.0%。在三大流域中，长江流域由于分布着大量荒漠生态系统，植被覆盖状况是三大流域中最差的。工程实施前8年，长江流域多年平均植被覆盖度为37.0%，工程实施后8年，流域内90%的地区年均植被覆盖度有所提升，平均提升3.8%，主要集中在流域的中西部。黄河流域的植被状况明显好于长江流域，工程实施前8年，多年平均植被覆盖度为57.2%，工程实施后8年，植被覆盖度有所增加，平均提升4.2%；澜沧江流域的平均植被覆盖状况与黄河流域较为接近，工程实施前8年多年平均植被覆盖度为58.9%，工程实施后8年57.0%的地区植被覆盖度有所上升，而约40%的地区植被覆盖度有所下降，但总体上与工程实施前基本持衡(表2)。

图4 工程实施前、后三江源区多年平均年降雨侵蚀力及其变化Fig.4 Annual average rainfall erosivity and its change before and after the implementation of ecological project in the Three-River Headwaters Region a.1997-2004年降雨侵蚀力空间分布Distribution of annual average rainfall erosivity during 1997 to 2004; b. 2005-2012年降雨侵蚀力空间分布Distribution of annual average rainfall erosivity during 2005 to 2012; c. 降雨侵蚀力变化空间分布Distribution of the change of annual rainfall erosivity; d.降雨侵蚀力年际变化Inter-annual variation of the rainfall erosivity.

上述结果表明，三江源区的植被覆盖状况在工程实施后有了明显的好转，一方面是由于工程实施后的8年期间，三江源地区气候趋向暖湿为主，降水增加，气温升高，冰川融水增多，有利于生态系统的恢复；另一方面，三江源生态保护工程实施以来，开展了大量的生态修复工作，截至2012年，累计完成退牧还草631.22万hm2，封山育林42.34万hm2，治理黑土滩18.46万hm2，治理沙漠化土地4.41万hm2，草原鼠害防治面积785.41万hm2，这些重大工程的实施使得三江源区草地退化趋势有所遏制，森林面积、郁闭度、蓄积量有所增加，草地退化态势基本遏制，区域内生态系统状况得到较明显改善，有利于全区土壤侵蚀的防治，减少水土流失。

2.2.3土壤侵蚀变化与驱动因子的空间叠加分析 为了研究降雨侵蚀力和植被覆盖度两大因子对土壤侵蚀状况的影响作用，本研究对土壤侵蚀模数、降雨侵蚀力、植被覆盖度三者在工程实施前、后的变化进行了逐栅格空间叠加分析。表3为经过空间叠加分析后，降雨侵蚀力、植被覆盖度两大驱动因子4种主要变化组合下的土壤侵蚀变化情况(4种组合约占全区面积的92%，其他8%的区域为土壤侵蚀变化较小区域，本研究不做讨论)。结果表明：

图5 工程实施前、后三江源区多年平均植被覆盖度及其变化Fig.5 Annual average vegetation coverage and its change before and after the implementation of ecological project in the Three-River Headwaters Region a.1997-2004年植被覆盖度空间分布Distribution of annual average vegetation coverage during 1997 to 2004; b.2005-2012年植被覆盖度空间分布Distribution of annual average vegetation coverage during 2005 to 2012; c. 植被覆盖度变化量空间分布Distribution of the change of annual vegetation coverage; d. 植被覆盖度年际变化Inter-annual variation of the vegetation coverage.

图6 三江源区土壤侵蚀模数、降雨侵蚀力以及植被覆盖度变化的空间叠加Fig.6 Spatial overlay of the soil erosion modulus,rainfall erosivity and vegetation coverage in the Three-River Headwaters Region Ⅰ：R增加，FVC下降，A上升区 The region of R increase，FVC decrease，A increase；Ⅱ：R下降，FVC增加，A下降区 The region of R decrease，FVC increase，A decrease；Ⅲ：R增加，FVC增加，A上升区 The region of R increase，FVC increase，A increase；Ⅳ：R增加，FVC增加，A下降区 The region of R increase，FVC increase，A decrease。R 表示降雨侵蚀力 R presents rainfall erosivity；FVC表示植被覆盖度 FVC presents vegetation coverage；A表示侵蚀模数 A presents erosion modulus.

表3 三江源区土壤侵蚀模数、降雨侵蚀力以及植被覆盖度变化的空间叠加分析结果Table 3 Spatial overlay analysis results of the soil erosion modulus, rainfall erosivity andvegetation coverage in the Three-River Headwaters Region (%)

(1)三江源区15.4%的区域在降雨侵蚀力上升、植被覆盖度下降时，土壤侵蚀模数明显增加，主要集中在河南县、同德县、玛沁县等东部地区以及玉树县等中南部地区。降雨侵蚀力的上升导致产生土壤侵蚀的外营力增加，植被覆盖度的下降使得植被对土壤的保护作用减弱，二者的共同作用使得土壤侵蚀呈上升态势，在此种情况下，土壤侵蚀增加最为明显，平均增幅为53.3%。

(2)9.5%的区域在降雨侵蚀力下降、植被覆盖度上升时，土壤侵蚀模数明显下降，主要集中在治多县西北部以及杂多县东南部。由于降雨侵蚀力和植被覆盖度两个因子的变化恰好与情况Ⅰ相反，土壤侵蚀明显下降，平均降幅为-23.4%。

(3)37.6%的区域在降雨侵蚀力和植被覆盖度同时上升时，土壤侵蚀模数明显上升。两个因子同时上升对土壤侵蚀变化产生相反的作用，前者使得土壤侵蚀模数有增强的可能，而后者对土壤侵蚀具有抑制作用。从最终土壤侵蚀变化的结果来看，土壤侵蚀最终表现为上升态势，这可能与2个因子的变化幅度有关，前者的平均增幅为42.9%,明显高于后者的7.6%，因此前者对土壤侵蚀变化占主导作用。尽管植被覆盖度的增幅相对较小，但与组合Ⅰ相比，组合Ⅲ中降雨侵蚀力升幅更高，而土壤侵蚀增幅却更小，表明植被覆盖度的小幅提升仍然发挥了保持土壤的作用，有效抑制了部分土壤侵蚀的发生。

(4)29.2%的区域同样是在降雨侵蚀力和植被覆盖度同时上升的情况下，土壤侵蚀模数出现下降。尽管驱动因子的变化趋势与组合Ⅲ一致，但与组合Ⅲ相比，组合Ⅳ中降雨侵蚀力的增幅大幅下降，则外营力的增强态势有所减弱，而植被覆盖度的增幅有所上升，则植被对土壤的保护作用有所增强，此消彼长之后，植被对土壤的保护作用占据主导地位，使得土壤侵蚀的变化呈下降态势。另一方面，从二者变幅的绝对量来看，植被覆盖度的增幅不足10%，且略低于降雨侵蚀力的增幅，但土壤侵蚀仍然有所下降，这表明相对于降雨侵蚀力而言，土壤侵蚀对植被覆盖度的变化更加敏感。

总体来看，三江源区土壤侵蚀模数的增加主要源于降雨侵蚀力的大幅增加(组合Ⅰ和组合Ⅲ，占全区53%)，部分区域土壤侵蚀模数的下降，主要得益于区域内植被覆盖度的大幅提升(组合Ⅱ和组合Ⅳ，占全区38.7%)。

2.3 三江源区土壤侵蚀变化的气候与工程贡献率分析

图7 平均气温状况下三江源区工程实施前、后土壤侵蚀量Fig.7 The soil loss amount before and after the project under the average climate pattern

按照土壤侵蚀变化的生态工程与气候变化贡献率厘定方法，本研究模拟了平均气候条件三江源区1997-2012年各年的土壤侵蚀量(图7)。模拟结果表明，工程实施后，平均气候条件下多年平均年土壤侵蚀量较工程实施前减少了1600万t·yr-1，但在真实气候状况下，工程实施后的土壤侵蚀量较工程实施前增加了2000万t·yr-1，按照公式(8)计算得到生态工程对土壤侵蚀变化的贡献率为-80%，气候变化的贡献率为180%，也即生态工程实施后由于植被好转从而减少土壤侵蚀的贡献率达到80%，而气候变化带来的降水增强从而加剧土壤侵蚀的贡献率达到180%，主要由于2000年起三江源地区因强降水的影响导致年降水量呈现显著增加趋势，且降水量以中等强度以上的降水为主[28]，导致降雨侵蚀力上升。

因此，尽管三江源一期生态工程要减少土壤侵蚀1139.48万m3的目标并未实现，但可以发现，如果没有生态工程的实施，那么土壤侵蚀增加量要远高于目前的2000万t·yr-1。工程实施后，生态系统宏观状况的改善对于遏制土壤侵蚀的加剧依然发挥出重要作用。

3 讨论与结论

在气候变化及生态工程的共同作用下，三江源区土壤侵蚀量仍有所上升，未实现生态工程关于减少土壤侵蚀的目标。人工增雨作业在促进植被生长、提升植被覆盖度的同时，也造成了降雨侵蚀力的明显提高；植被覆盖度的提升在遏制水土流失方面发挥了巨大作用，但由于三江源区严酷的生态环境，该区植被根系层浅，固土能力弱，土壤生成能力差，土壤侵蚀和草地退化相互作用形成恶性循环[29]，因此对于水土保持意义重大的植被根系土壤层及群落结构的恢复却极其缓慢[30]；同时，放牧超载现象依然存在[31-32]，牲畜的过度践踏与啃食对高寒草甸土壤质地有着重要影响，使得侵蚀机理更加错综复杂[33]。建议今后科学部署人工增雨工程，加强减畜减压工程力度，科学规划草原放牧，在提高草地覆盖度及产草量的同时，注重群落结构的恢复。基于土壤侵蚀及各项驱动因素的空间异质特性，按照研究中空间叠加分析后所划定的4种组合区域，针对性地开展土壤侵蚀防治措施：Ⅰ类组合类型区域，由于该区为三江源区的主要放牧区，应加大减畜工程力度，科学规划草原放牧，促进植被的恢复，同时加强人工增雨的空间针对性；Ⅱ类组合类型区域已基本实现良性循环，应加大生态保护的监管力度，继续巩固成果；Ⅲ类组合类型区域，应注重群落结构的恢复，增强植被根系的固土能力；Ⅳ类组合类型区域也已实现土壤侵蚀的基本遏制，在进一步提升植被长势的同时，应注重恢复群落结构，增加优良物种多样性。三江源区土壤侵蚀防治工作任重道远，应按照长期管护、巩固成果的需求，建立生态保护和建设的长期机制，在防治土壤侵蚀的同时，维护三江源区整体生态系统平衡稳健的发展。

本研究通过对生态保护工程实施前后三江源区土壤侵蚀变化及其驱动因素进行分析，得到如下结论。

(1)生态保护和建设一期工程实施后，三江源区土壤侵蚀增加的趋势尚未得到遏制，增幅为6.5%，但局部地区土壤侵蚀状况有所好转，约占总面积的45%，平均降幅为15.5%；长江流域土壤侵蚀量基本持衡；黄河流域土壤侵蚀量增加明显，增幅超过45%；澜沧江流域土壤侵蚀量有所下降，降幅为9.8%。

(2)近年来全区降水量的持续增加是导致三江源区土壤侵蚀量增加的主要原因，工程实施后全区多年平均年降雨侵蚀力较工程实施前增加了19%，加剧土壤侵蚀的贡献率达到180%。其中，黄河源区的降雨侵蚀力增加最为明显。

(3)植被恢复对土壤侵蚀变化的贡献率为-80%，即削弱了80%的土壤侵蚀，得益于工程实施后，三江源区植被恢复，74%的地区植被覆盖度有所上升，平均提升3.8%。

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