新疆天山东段南北坡土壤侵蚀调查

王颢霖， 焦菊英,， 安韶山,， 庞国伟， 陈同德，赵春敬， 曹 雪， 刘 欣， 税军峰,， 曹晓萍,， 杨勤科， 郭明航,

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西 杨凌 712100；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100； 3.西北大学 城市与环境学院， 陕西 西安 710127)

泛第三极是全球环境与气候变化的敏感区和功能脆弱区，该区面临冰川融化、荒漠化加剧、土壤侵蚀加剧等环境问题，对该区域的生态安全产生巨大威胁[1-3]。新疆维吾尔自治区是中国陆地面积最大的省级行政区，占中国国土总面积1/6，是泛第三极地区重要的组成部分，同时也是“一带一路”的核心区之一，具有重要的生态地位。天山作为新疆经济、生态、社会的重心，是具有发展潜力和前景的区域。

天山特殊的地形地貌和干旱气候导致了其脆弱的生态环境。随着气候变暖和人类活动加剧，生态环境面临巨大威胁，而土壤侵蚀的加剧已成为制约经济发展的主要因素之一。新疆正处于人口和经济快速发育时期，天山北坡在1996—2016年期间，人口由4.61×106人增长至6.19×106人，人口自然增长率127.37%，GDP由3.99×1010元增长至5.40×1010元。同时，耕地、林地和建设用地所占比重较高且不断增长。草地面积比例由57.89%减少至49.60%[4]。秦埼瑞等[5]通过FLUS模型预测2050年天山山区冰雪面积减少了29.2%～38.4%，且转换为草地和未利用用地。徐丽萍等[6]的研究表明天山北坡经济带20 a间林地、 草地、盐碱地和冰川/永久积雪向荒漠化转化明显，尤以草地的荒漠化转化为重。卢刚[7]通过CSLE模型计算得到灌木林地平均土壤侵蚀模数最大1 709.8 t/(km2·a)，有林地次之，平均土壤侵蚀模数为13 89.40 t/(km2·a)，天然牧草地、人工牧草地和水浇地平均侵蚀数均较低，分别为605.2，334.7，113.7 t/(km2·a)。在天山地区人为活动对地表植被造成干扰与破坏，农田防护林体系不完善，地下水过度开采及灌溉设施标准低，草场经营管理不善，草场退化明显，均加剧了土壤侵蚀[8]。目前，天山区域的生态环境面临严峻挑战，人类活动日益加剧，在气候变化和人类活动作用下，土壤侵蚀已成为该区主要环境问题之一。然而，目前缺乏关于天山东段土壤侵蚀的系统研究。缺乏系统研究。因此，本文采用实地调查和遥感解译相结合的方式，对天山东段南北坡开展土壤侵蚀调查，深入研究该区域的土壤侵蚀特征和影响因子，并寻找潜在问题，为该区域的水土流失防治提供科学依据。

1 调查区概况

新疆维吾尔自治区位于中国西北边陲，自治区总面积1.66×106km2。根据第一次全国水利普查水土保持情况普查成果，新疆土壤侵蚀面积8.85×105km2，占自治区总面积53.3%。其中，水力侵蚀面积8.76×104km2，占自治区总面积5.3%，风力侵蚀面积7.98×105km2，占自治区总面积48.1%[9]。

天山是世界七大山系之一，中国境内的天山山脉(73.79—95.97°E，39.47—45.38°N )位于天山山系的东部(即为本文所指天山)，呈东西走向横亘于新疆维吾尔自治区中部，西起中国与吉尔吉斯共和国边界，东至哈密市以东星星峡戈壁，南临中国最大的沙漠塔克拉玛干沙漠，北部是古尔班通古特沙漠，全长约为1 700 km，占整个天山山系总长度的2/3以上，宽度一般为250～350 km[10]；中国境内的天山面积约为5.70×105km2，占新疆面积的34.5%[11]；天山山脊平均海拔高度为4 000 m，最高峰托木尔峰，海拔达7 443.8 m。天山是中国新疆最重要的水资源发源地之一，拥有冰川9 035条，冰川面积达9 225 km2，冰储量1 011 km3[12]。天山北坡中温带荒漠自然地带(简称天山北坡)和天山南坡暖温带荒漠自然地带(简称天山南坡)因热量条件和水分条件不同，形成了两个截然不同的自然地带[13]。天山北坡多年平均降水量为452.02 mm，降水量在年内主要集中在5—9月，占全年降水量的75.59%，其中尤其以5—8月的降水量为最集中，占全年降水量的66.59% 。多年平均气温1.14 ℃，昼夜温差大，寒暑变化剧烈，日照时数长，热量充足[8]。天山南坡平均年降水量为50～100 m，而蒸发量却很高，年蒸发量1 200～1 800 mm[14-15]。

2 调查内容与方法

2.1 调查区域

本次调查考虑到海拔高度对水热条件的影响，分别在天山北坡和南坡各选择了7个调查单元，由乌鲁木齐市东北部开始，东北—西南向布设样线，以10 km左右的间距选择了14个面积约为0.218～1.112 km2的调查单元(图1)，海拔高度最低为856 m，最高为3 453 m。调查单元基本信息如表1所示。

2.2 调查内容

(1) 土地利用与覆盖调查。将影像解译、野外验证和无人机航拍相结合，对调查单元的土地利用类型进行调查。通过影像解译和野外验证，记录调查单元的土地利用类型，并利用奥维地图进行定位照相，为建立遥感解译标志提供依据。对调查单元进行无人机航拍，无人机型号为DJI大疆精灵 Phantom 4 Pro V2.0智能航拍无人机。考虑到不同地貌地形等因素的影响，航拍高度控制在200 m以内，航拍影像分辨率为10 cm。

(2) 土壤侵蚀与治理调查。通过样方法，对14个调查单元进行植被调查，记录植被盖度、密度、高度、胸径、郁闭度等参数，并记录是否有枯落物、苔藓、砾石率等。在14个调查单元针对不同土地利用类型，按S形6点采样，取表层土壤(0—20 cm)进行混合，并记录采样点的地理坐标、海拔、植被等信息。待土壤样品风干后进行土壤理化性质和土壤可蚀性相关指标的测定。同时，对调查单元内的侵蚀类型和特征进行拍照记录，调查和测量侵蚀沟，记录各调查单元的经纬度坐标、海拔高度等基本信息。此外，沿调查路线对天山土壤侵蚀状况和人类活动造成的侵蚀危害也进行了调查。

图1 天山东段南北麓土壤侵蚀调查路线和调查单元分布位置表1 天山东段南北麓土壤侵蚀调查单元基本信息

序号调查日期调查单元面积/km2海拔高度/m土地利用类型砾石覆盖度/%植被盖度/%植株高度/cm主要植物1201906250.369856～973草地、灌草1245 9～45冷蒿、长刺猪毛菜、白羊草2201906251.0881 149～1 316灌草、草地4045 1～56锦鸡儿、猪毛刺、羊草3201906260.2901 450～1 541草地、灌草4525 8～41骆驼刺、冷蒿、草原苔草4201906260.2181 623～1 763草地、草灌2248 8～140长芒草、白羊草、锦鸡儿5201906260.4411 663～1 871草地、草灌4037 2～140冷蒿、草原苔草、锦鸡儿6201906280.6472 003～2 321草地、灌木4055 5～152锦鸡儿、黄刺玫、草原苔草7201906280.5922 130～2 468草地、林地1053 5～2 000雪岭云杉、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、甘青铁线莲、羊草11201906300.9702 196～2 593草灌、灌草3028 5～80羊草、草原苔草、锦鸡儿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：表中各种植物学名为雪岭云杉(Piceaschrenkiana)，冷蒿(Artemisiafrigida)，长刺猪毛菜(Alsolapaulsenii.)，白羊草(Bothriochloaischaemum)，锦鸡儿(Caraganasinica)，骆驼刺 (Alhagisparsifolia)，羊草 (Eulaliopsisbinata)，甘青铁线莲(Clematistangutica)，草原苔草(Carexliparocarpos)，长芒草(Stipabungeana)，金露梅(Potentillafruticosa)，黄刺玫(Rosaxanthina)，委陵菜(Potentillachinensis)。

3 土壤侵蚀特征

所有的调查单元中，草地均为主要的土地利用类型，草地总面积7.48 km2，其面积占调查单元总面积的89.6%。草地占单个调查单元面积55.7%～100%，其中有11个调查单元草地面积比例大于90%。

天山山脉区域降雨量差异较大，水分是影响天山南北坡草地差异的主要因素之一，北坡调查单元(1—7)的植株生长状况均优于南坡调查单元(8—14，表1)，但整体上草地退化严重。调查单元内，由于光照、水分及温度等诸多因子受坡向的影响，导致不同坡向的坡面土壤理化性质和植被构成差异较大。例如，5号调查单元阳坡土壤近似黄土，砾石较多(70%覆盖度)，植被多为金露梅、锦鸡儿等灌木植物，伴有少量苔草和羊草，总盖度35%(图2a)，而阴坡土壤为栗色土，砾石较少或无砾石，植被多为苔草、羊草等草本植物，总盖度80%(图2b)。

图2 5号调查单元不同坡向地表土壤与植被状况对比

放牧对植被造成了严重的破坏，影响植物生长，降低地表盖度。动物踩踏导致表土紧实，土壤结构被破坏，储水性能降低，且产生大量动物便道(羊道侵蚀)。在降雨情况下，动物便道加快径流形成，并提供径流流通路径，为土壤侵蚀提供了有利条件。在灌木为主的区域，草本盖度低，大面积土壤裸露，在降雨和径流作用下，出现面状侵蚀；同时，灌木对土壤的固结作用，使得径流绕过灌木，从灌木两侧冲刷土壤。在草本为主的区域，受动物踩踏影响，降雨后形成鳞片状侵蚀(图3a)和羊道侵蚀(图3b)。后续的降雨事件中，径流对无植被保护区域的冲刷发生剥蚀、掏蚀和重力侵蚀(图3c—3d)，在低盖度区域出现面蚀。9号调查单元具有大面积山前洪积扇，植被覆盖度良好，但洪积扇上出现大面积面蚀和塌陷(图4a—4b)。南坡海拔3 000 m左右，冻融作用明显，土体板结破碎(图5)，并出现降雨/融雪造成的大面积面蚀(图6)。

受放牧影响的坡面因鳞片状侵蚀和羊道侵蚀的存在，坡面侵蚀沟较少(图7a)，但径流痕迹明显。北坡侵蚀沟多存在于沟底，侵蚀沟沟头发育于坡脚；南坡侵蚀沟沟头发育于坡面中下部和洪积扇。在侵蚀沟测量中发现，南北坡侵蚀沟横断面均为梯形(图7b—7c)，但北坡侵蚀沟更深，南坡侵蚀沟更宽(表2)。南北坡侵蚀沟内砾石较多，均出现砾石堆积现象(图7d))，部分侵蚀沟在沟底发生掏蚀(图7e)。南坡海拔3 000 m左右的平缓草地，因动物行为有些沟头呈现圆弧状(图7f)。无放牧影响的坡面，出现细沟和切沟(图8)。

所调查的14个调查单元中有7个调查单元有林地，林地总面积0.42 km2，占调查单元总面积5.06%。林地占各调查单元面积1.9%～41.4%，其中7号调查单元，林地面积最大为0.25 km2，占整个调查单元的41.4%。整个区域林木长势良好，郁闭度30%，胸径66.7 cm，高度20 m，林下植被盖度仅10%，但枯落物丰富。导致林下植被稀疏的原因可能有两点：云杉发育繁茂高大，云杉在对阳光、养分和水分的争夺中占据绝对优势，导致林下植被稀疏；有研究表明，云杉分泌化感物质，对多数植物种子发育具有抑制作用[16-17]。7调查单元在调查前有持续45 min的降雨发生，林地内并无径流产生，但有大量动物留下的蹄坑，土壤颜色为黑色，土壤结构紧密，土壤中无砾石存在，土壤抗侵蚀能力强。

图3 天山东段放牧导致的侵蚀类型

图4 天山东段洪积扇侵蚀情况表2 天山东段侵蚀沟形态特征

分布侵蚀沟数量/条断面数量/个统计指标侵蚀沟形态参数/cm上宽度下宽度深度平均值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

图5 天山东段冻融侵蚀(焦菊英摄于20190628) 图6 天山东段面蚀(焦菊英摄于20190628)

图7 天山东段侵蚀沟情况

图8 天山东段自然沟蚀(王颢霖摄于20190627)

在开发建设项目建设过程中，对原地貌进行严重扰动，使植被遭到破坏，并因缺少有效的防护措施，极易发生水土流失。道路边坡的主要防护措施为砾石覆盖和柔性防护网，草地边坡出现大面积剥蚀和重力侵蚀，裸露边坡有细沟侵蚀产生(附图6)。

在矿产勘察项目中，对坡面进行破坏，产生大量废渣、废土和扬尘，未进行临时处理。在勘察结束后，并未进行土地整地，导致大面积破坏地表裸露，废渣废土堆积。在各类建设项目建设过程中及结束后，产生大量堆积体(附图7)，虽对堆积体进行压实和砾石覆盖，但林草措施较少，堆积体表面有细沟产生。

4 土壤侵蚀影响因素

天山东段土壤侵蚀是自然和人为因素共同作用的结果。此次调查区的年降雨侵蚀力为80～90 MJ/(hm2·h·a)[18]。调查区土壤属于可侵蚀和较易侵蚀土壤区[19]，恶劣的自然环境为土壤侵蚀提供了有利条件。天山北坡自然条件良好，降雨充裕，植被盖度较好，土壤侵蚀程度较小；但在坡长较长或坡度较大的坡面，径流能量较高，对地表的冲刷更为剧烈，导致坡面出现沟蚀。南坡海拔较高，植被覆盖度低，土壤砾石较多，风化和冻融作用导致地表破碎，为侵蚀提供了大量的物质来源(附图8)。而人类活动对侵蚀的影响更为剧烈。不合理的矿产开发、过度放牧等人为活动对原地貌和原生态系统的破坏均加剧了土壤侵蚀。近年来，新疆经济快速发展，天山区域大量草地转换为耕地、林地和建设用地，严重破坏了植被，为降雨提供了丰富的可蚀性物质；草地面积的减少，放牧需求的增加和过度放牧(附图9)是影响草地退化和土壤侵蚀的直接原因。与此同时，动物踩踏导致表土紧实，土壤结构被破坏，储水性能降低，使得侵蚀频繁发生，其中重力侵蚀和面蚀致使大面积表土裸露(附图10)，进一步加剧土壤侵蚀(附图11)。开发建设项目加剧土壤侵蚀的现象十分显著。建设过程中，缺少必要的临时措施。施工结束后，对破坏的地表未进行土地整治和必要林草措施，仅在13号调查单元发现小型谷坊(附图12)。在降雨情况下更容易发生土壤侵蚀，使得整个生态系统恢复十分困难。

5 建 议

5.1 注重草地合理利用和恢复

天然草地资源是新疆发展畜牧业最基本和主要的生产资料，担负着全疆70%的牲畜饲养量和畜产品产量[20]。有研究表明，新疆草地牲畜普遍超载，局部地区超载率甚至超过200%[21]。应根据新疆各地区草地资源情况，科学合理地确定载畜量，总体上严格控制牲畜饲养头数，严禁超载过牧、偷牧[22]。在草地退化严重区域，对不足以靠自身循环完成自我修复的草地生态系统进行人工补播，促进草地完成草地生态系统的恢复与完善[23-24]。总之，通过建立合理放牧体制和人工补播等方式，使该区草地生态系统得到修复，加速草地植被恢复，从而提高土壤抗蚀性，减少土壤侵蚀。

5.2 加强侵蚀基础研究

现阶段新疆的土壤侵蚀研究多集中于伊犁地区，且多运用遥感进行土壤侵蚀分区[25]、土壤侵蚀评价[26]、土壤侵蚀敏感性[27]等研究，对土壤侵蚀机理[28-29]的研究相对较少，这也使得土壤侵蚀防治工作缺少足够的理论依据。加之天山区域地形地貌类型多变，气候差异明显，自然土壤侵蚀是水力、风力、冻融共同作用下的复杂侵蚀过程，而该区域剧烈的人为扰动(过牧和开发建设项目)也加速了土壤侵蚀，都会加大该区的土壤侵蚀防治难度。新疆的土壤侵蚀研究应关注自然条件下多营力复合侵蚀和人为扰动下的侵蚀过程和机理，以便为该区域的土壤侵蚀治理工作提供依据。

5.3 加大水土保持工作力度

新疆的水土保持工作起步较晚，且新疆面积广阔，自然情况差异性较大，水土保持工作开展难度大。此次调查发现水土保持措施较少。沿线调查中，道路边坡的防护措施主要以柔性防护网、浆砌石护坡、浆砌石排水沟等工程措施为主。现阶段水土流失严重的原因主要是人们的水土保持意识不强，对水土流失危害的认识不足，没有将防治水土流失与自身的生存环境联系起来，没有把水土保持和当地的经济发展联系起来。为此，提高全民防治意识，加大执法力度，对人类活动进行合理约束和规范迫在眉睫。同时，大力加强监测自动化、信息化等水土保持基础性工作，提高水土保持工作对全疆规划和宏观决策的影响力。