降雨、積雪以及土地利用復合影響下的額爾齊斯河流域土壤侵蝕分析

張曉敏， 張東梅， 王 莉， 張 偉

(1.中國科學院西北生態環境資源研究院，冰凍圈科學國家重點實驗室，蘭州 730000； 2.中國科學院青藏高原研究所，青藏高原地球系統與資源環境國家重點實驗室，北京 100101；3.中國科學院大學，北京 1000409)

土壤侵蝕是全球所面臨的嚴峻問題，在自然和人類活動影響的雙重作用下，土壤侵蝕越來越顯嚴重的趨勢。近年來，由于人類活動的日益加劇，造成全球土地利用類型的變化，使土壤侵蝕總量增加了2.5%，從而使土壤流失率比成土率增加了1～2個數量級。我國是土壤侵蝕影響較為嚴重的國家之一，2018年水利部發布水土流失監測結果，流失總面積達273.69萬km，占國土總面積的28.6%。土壤侵蝕對生態環境產生負面影響，主要表現為土壤質地降低、農業生產下降、水質惡化、棲息地破壞和土壤微環境惡劣等問題。已有研究指出，土壤侵蝕可能導致生態系統服務功能逐漸退化甚至喪失，這將會威脅流域的生態安全與人類長久生存。

降水是造成土壤水力侵蝕的最關鍵因素，侵蝕強度則取決于表層土壤物理性質、地形、植被和地表徑流以及由它們綜合產生的水文過程。在寒區，冰凍圈要素顯著影響其水文過程。有研究表明，隨著暖濕化對冰凍圈的影響，寒區尤其在高亞地區土壤侵蝕會越來越嚴重。就積雪而言，盡管降雪本身不會對土壤侵蝕產生直接影響，但春季融雪水文過程會加重土壤侵蝕，特別在融雪水比例高的流域，融雪造成的土壤侵蝕十分嚴重。這使得寒區，特別是高寒山區生態環境變得更為脆弱，同時也進一步加重高山地質災害。因此，積雪的出現使土壤侵蝕過程更為復雜，人類活動導致的土地利用變化也進一步加劇這種復雜性?？傮w來說，充分了解冰凍圈和人類活動復合影響下的土壤侵蝕是合理治理寒區和高山區水土流失、保護生態環境、同時維護當地農牧業和民生發展的科學前提。

目前，土壤侵蝕的研究很多集中在小尺度區域，如特定研究區域的某一坡向、坡面及整個流域內，這些研究多基于確定樣地的小區試驗和考慮單一降水驅動。土壤侵蝕模型主要包括8類、82個水蝕模型，通用土壤流失方程(universal soil loss equation，或USLE)是研究不同土地利用類型、不同流域和不同空間位置下的土壤侵蝕。美國斯坦福大學、大自然保護協會(TNC)與世界自然基金會(WWF)聯合開發了生態系統服務和權衡綜合評估模型(integrated valuation of ecosystem services and trad-offs，InVEST)并受到廣泛關注。其中InVEST模型中的土壤侵蝕模塊是在USLE的基礎上加以修正，從而提升了土壤侵蝕結果模擬的準確性。目前，該模型已被廣泛使用于流域、自然保護區、省和國家等不同尺度的土壤侵蝕評估。此外，由于模型對降水和地類的參數敏感，從而用以評估氣候和土地利用變化背景下造成的土壤侵蝕結果變化。

新疆的北疆地區是我國的三大積雪區之一，發源于阿爾泰山的額爾齊斯河是北疆最大的河流和我國唯一注入北冰洋的國際河流。已有研究表明，積雪融水占額爾齊斯河全部水資源的29%，其中春季融雪徑流占春季徑流量的比例更是高達72%。然而，由于地處我國西北邊境地區，且分布有喀納斯國家級自然保護區和阿爾泰山河源自然保護區，使該地區的人類活動相對較弱。豐富的積雪資源和較弱的人類活動為研究融雪過程對土壤侵蝕的影響提供了理想的區域。因此，本文將通過構建額爾齊斯河流域的InVEST模型，分別量化區域土壤侵蝕空間分布以及降雨、春季融雪和土地利用對土壤侵蝕的復合作用。研究結果將有助于進一步探索冰凍圈土壤侵蝕。

1 研究區概況

額爾齊斯河發源于新疆維吾爾自治區富蘊縣阿爾泰山南坡，是阿勒泰地區第1大河，新疆的第2大河，我國唯一流入北冰洋的國際河流。研究區處于西風帶控制區，屬于典型的大陸性半干旱氣候，上游是森林，降水較多；中游是平原，降水量稀少；下游是森林和沼澤覆蓋區域，降水量豐富。上游主要靠積雪融水、冰川融水和降水補給;下游主要來源于積雪融水、降水和壤中水。該流域處于緯度多年凍土的南界區域，降雪占比大，每年11月至翌年3月為降雪，4月和10月為雨夾雪，5-9月為降雨。因地形影響，呈現北高南低、西高東低的走勢，導致全部支流都由北向南匯入干流。流域內優勢樹種主要包括西伯利亞落葉松(Ledeb.)、西伯利亞云杉()和白楊(Carr)，這些物種均抗旱耐寒。該流域近年來，隨著新疆經濟的發展，額爾齊斯河流域所在的地區已成為北疆地區最重要的水源地之一。

圖1 研究區地理位置及地形

2 數據與方法

2.1 數據來源

模型輸入數據包括DEM、降水數據、NDVI、積雪覆蓋數據、土壤屬性數據和土地利用數據，其來源見表1。本文選取2000年、2005年、2010年和2015年的數據作為模型輸入(采用Krasovsky_1940_Albers投影坐標系)。

表1 數據類型及來源

2.2 研究方法

InVEST模型中的土壤侵蝕模塊(sediment delivery ratio)以修正的通用土壤流失方程(RUSLE)計算方法為基礎，模型輸入參數包括降水侵蝕力因子()、土壤可蝕性因子()、植被覆蓋和作物管理因子()、水土保持措施因子()及地形因子()。模型輸出包括逐柵格以及流域尺度的土壤侵蝕狀況。

2.3 重要方程和關鍵參數確定

通用土壤流失方程USLE(universal soil loss equation)，最初由Wischmeier等在20世紀60年代提出，后來進行了修正，修正通用土壤流失方程RUSLE的形式：

=××××

(1)

式中：為實際土壤侵蝕量[t/(hm·h·a)]；為降水侵蝕力因子[(MJ·mm)/(hm·h·a)]；為土壤可蝕性因子[(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)]；為地形因子(為坡長因子，為坡度因子)；為植被覆蓋與作物管理因子；為水土保持措施因子。

2.3.1 降水侵蝕力() 降水侵蝕力因子是指降水造成土壤侵蝕的大小，是土壤侵蝕的主導因素。降雪量顯著的地區需要考慮融雪徑流侵蝕作用的影響。本文假設融雪和降雨綜合影響取決于總產流，并使用Wischmeier月尺度經驗公式來計算降水侵蝕力：

(2)

式中：為降水侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h·a)]；為4-6月融雪等價降水量(mm)和降雨量(mm)的總和，7-10月降雨量(mm)；為年降水量(mm)。

需要注意的是，額爾齊斯河流域每年的11月至翌年3月，降水主要以降雪的形式發生，降雪累積于地表并不會對土壤造成侵蝕。已有研究表明，額爾齊斯河流域的積雪消融從4月開始，到6月底結束。結合積雪覆蓋面積數據，將11月到翌年3月5個月降雪累加，根據4—6月積雪消融狀況分布到整個流域上得到等價月降水量。

2.3.2 土壤可蝕性() 土壤可蝕性因子是指由土壤理化性質自身差異引起土壤侵蝕量的變化，本研究采用Williams等提出的EPIC模型，公式為：

(3)

(4)

式中：為土壤可蝕性[(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)]；SAN為沙粒含量值(%)；SIL為粉粒含量值(%)；CAL為黏粒含量值(%)；為有機碳含量值(%)；0.131 7表示美制單位轉換為國際單位的系數。

2.3.3 植被覆蓋與作物管理因子() 植被覆蓋與作物管理因子是指植被和耕作對土壤侵蝕的影響，其值介于0～1，其值越大，土壤侵蝕越嚴重。由于該地區的人類活動相對較弱，耕作方式也相對固定，并且該流域土地利用以林地、草地和未利用地為主，耕地占比較少(占總面積的4%左右)，與植被覆蓋度關系比較密切。因此，可采用蔡崇法等估算值的方法。同時，考慮到耕地和水域的特殊性，本文根據相似區域研究調整耕地和水域的植被覆蓋因子(表2)。具體公式為：

(5)

(6)

式中：為植被覆蓋與作物管理因子；為植被覆蓋率(%)；NDVI為歸一化植被指數；NDVI為無植被覆蓋區域的NDVI值；NDVI為完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值。分別取置信區間為5%和95%的NDVI值作為NDVI和NDVI。

2.3.4 水土保持因子() 水土保持因子指采取過相關措施后的土壤流失量與沒有采取相關措施的土壤流失量的比值。取值范圍在0～1，0表示土壤不會被侵蝕，1表示此區域沒有采取任何保護措施時，土壤易被侵蝕，地形與坡度的大小是主要影響因素。本文參考InVEST模型手冊以及相似區域研究結果，并結合當地土地利用數據來確定相應的土地利用類型的值(表2)。

表2 植被覆蓋與作物管理因子C及水土保持因子P

3 結果與分析

3.1 2000-2015年土地利用變化

從土地利用轉移矩陣(表3)顯示，草地是流域內最主要的土地利用類型，約占流域面積的48%，其次是林地和未利用地，分別約占10%和35%。該時段內此流域土地利用未發生大的變化，總轉移面積占流域總面積的4.19%。不同土地利用類型間發生一定程度的轉出和轉入變化，耕地面積增加1 505.90 km，主要來自草地和未利用地的流失；水域面積增加99.18 km，主要來自未利用地；城鄉、工礦和居民用地面積增加91.88 km；未利用地面積減少1 398.28 km，主要轉化為耕地；林地和草地面積分別減少25.64，273.05 km。

表3 2000-2015年額爾齊斯河流域土地利用類型轉移矩陣 單位：km2

3.2 降雨、積雪和土地利用變化對土壤侵蝕的影響

3.2.1 降雨對土壤侵蝕的影響 通過InVEST模型計算可以得到2000—2015年降雨對土壤侵蝕影響的空間分布(圖2)，2000—2015年土壤侵蝕空間分布呈現帶狀和點狀分布，主要集中在高海拔區域。如只考慮降雨不考慮土地利用變化，土壤侵蝕量在這4個時期呈現出先升高后降低的趨勢(表5)。2000年和2005年的月降水量相較于其他年份更為充沛，導致降水侵蝕力因子較高，進而導致這2年的土壤侵蝕量高于其他年份。從一定程度上講，額爾齊斯河流域所呈現的干旱、降雨少的特征，是該流域整體土壤侵蝕相對較小的一個原因。此外，研究區域內草地和林地利用類型占總面積的60%左右，植被覆蓋度較高，也有效降低了流域的土壤侵蝕。

注：根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)[27]，將土壤侵蝕分為6個不同的等級，微度侵蝕≤5 t/(hm2·a)、輕度侵蝕(5，25] t/(hm2·a)、中度侵蝕(25，50] t/(hm2·a)、強烈侵蝕(50，80] t/(hm2·a)、極強烈侵蝕(80，150] t/(hm2·a)和劇烈侵蝕>150 t/(hm2·a)。圖2 降雨對土壤侵蝕的影響

3.2.2 降雨、融雪和土地利用對土壤侵蝕的復合影響 為厘清降雨、融雪和土地利用變化的復合影響，以2000年降雨對土壤的侵蝕為基準，建立了3個土壤侵蝕情景(表4)：(1)降雨和土地利用變化對土壤侵蝕的復合影響；(2)降雨和融雪對土壤侵蝕的復合影響；(3)降雨、融雪和土地利用變化對土壤侵蝕的復合影響。

表4 土壤侵蝕情景

情景(1)的土壤侵蝕見圖3a。與圖2相比，空間分布基本無變化，但考慮2000年以后3個時期1.67%，2.02%和4.19%的土地利用變化的復合影響使得整個流域的土壤侵蝕量分別增加了3.49%，3.02%和3.31%(表5)，其變化幅度不同主要取決于不同土地利用類型之間的轉化面積。2005—2015年草地、林地和未利用地面積減少，耕地面積增加，因此加劇了整個流域的土壤侵蝕。實際上，此流域作為新疆最重要的畜牧業基地之一，長期以來一直以草原畜牧業為主，除了天然草地上極少數有圍欄放牧外，基本上沒有正規的輪牧，這種草地利用方式在時空上存在不平衡現象，高海拔地區草地利用較少，而低海拔地區又存在過度放牧，導致天然草地退化和荒漠化，且林地面積呈現下降趨勢，這些土地利用變化加劇了土壤侵蝕。

情景(2)的土壤侵蝕見圖3b。結果表明，占年降水量30.49%，23.10%，38.46%和35.26%積雪的春季融水使土壤侵蝕量陡增249.00%，88.00%，843.00%和566.00%，年平均侵蝕量較單一降雨侵蝕增加了2 008.03萬t，融雪降雨情景下侵蝕量是單一降雨侵蝕的4.2倍(表5)。由此說明，積雪在春季融化引起的融水徑流會嚴重加劇流域土壤侵蝕。從圖3b可以看出，流域內侵蝕量高值區主要分布在高海拔地區，這是由于該區域降雨和春季積雪融水量本身較低海拔區域高，融雪期內較低的植被覆蓋度和較大的地形起伏度進一步增加了土壤遭受侵蝕的可能性。

情景(3)的土壤侵蝕見圖3c，與圖3b相比，空間分布基本無變化，但進一步考慮土地利用的變化下，2000年后3個時期土壤侵蝕量在此基礎上又分別增加2.99%，2.16%和3.50%(表5)。研究區內微度和輕度侵蝕區為主，分布廣泛；中度、強度、極強度和劇烈侵蝕區域占比較少，主要分布在起伏度較高的高海拔區，這表明地形地貌對土壤侵蝕強度的變化有著重要影響。

圖3 降雨、融雪和土地利用變化對土壤侵蝕的復合影響

降雨、融雪和土地利用變化對土壤侵蝕復合影響的程度，特別是融雪對季節性土壤侵蝕影響的放大程度主要取決于春季降雨量。流域內4個時間段的年降雨分別為165.30，178.90，153.40，151.80 mm，相對于2000年，后3個時期的降雨變化分別為8.23%，-7.20%和-8.17%。同期的積雪為63.60，50.10，94.10，81.60 mm，相對于2000年的變化為-21.26%，47.96%和28.30%。對于復合影響起到關鍵作用的融雪期(4—6月)降雨則分別為87.00，91.90，62.70，54.7 mm。占年降水量30.49%，23.10%，38.46%和35.26%的積雪使土壤侵蝕量分別增加249.00%，88.00%，843.00%和566.00%。需要注意的是，這4個時期融雪期，2000年4—6月的降雨分別為17.80，26.20，42.90 mm，融雪量和降雨量總和分別為81.40，32.70，44.20 mm；2005年4—6月的降雨分別為17.70，45.50，28.70 mm，融雪量和降雨量總和分別為62.70，47.10，32.90 mm；2010年4—6月的降雨分別為14.10，26.30，22.20 mm，融雪量和降雨量總和分別為87.00，38.30，31.50 mm；2015年4—6月的降雨分別為15.40，15.50，23.80 mm，融雪量和降雨量總和分別為86.60，21.00，28.50 mm。由此可以看出，融雪對侵蝕的放大作用取決于當月的積雪消融量和降雨量大小，兩者的和越大造成的侵蝕越大。以2000年為基準，2005—2015年降水量對土壤侵蝕的作用大于土地利用變化(表5)，因此，此區域土壤侵蝕主要是由降水造成的，氣候變化對土壤侵蝕有負面影響，同時日益增加的人類活動導致的土地利用改變進一步加劇了土壤侵蝕。

表5 降雨、融雪和土地利用變化對土壤侵蝕的影響

4 討 論

本研究中，流域的上游土壤侵蝕強度大，該區域海拔較高，地形起伏較大，積雪厚且存留時間久，再加上土壤自身理化性質的影響以及大面積的未利用地沒有采取水土保持措施，導致該區域土壤侵蝕量高。積雪和融雪過程主要影響土壤侵蝕的驅動因素，即降水和產匯流機制。額爾齊斯河流域所處區域緯度較高，冬季積雪較厚并且持留時間長，11月至翌年3月屬于積雪積累期，基本不造成土壤流失。春季積雪融化，早春融雪期表層土壤比底層消融早且形成滲透性極弱的不透水層，融水容易集流并具有很強的沖刷能力。因此，寒區降雪導致的侵蝕滯后會帶來的更大侵蝕風險。在降雨徑流與融雪徑流的雙重作用下,形成較大的土壤侵蝕。因此，積雪融水和降雨的復合影響極大加劇了高寒地區的土壤侵蝕。此外，融雪期內植被覆蓋度通常相對較低，進一步增加了土壤遭受侵蝕的可能性。需要注意的是，在冬季積雪大面積分布的地區，融雪徑流及其產生的土壤侵蝕量占有相當大的比例，融雪侵蝕機理研究仍然相對比較欠缺。本文采用等價降雨的處理方法，應該通過野外實地融雪徑流泥沙過程觀測進一步完善，進而為融雪侵蝕的過程及機理研究、融雪侵蝕預報及水土保持措施的科學布設提供理論依據。

氣候變化主要體現在降雨量和融雪量的大小以及空間分布的差異性，從而直接影響土壤侵蝕，而土地利用的變化則通過影響土壤自身屬性，進而影響土壤侵蝕。從土地利用的變化來看，林地和草地減少，耕地增加，加劇土壤侵蝕。因此，為了減少該地區水土流失，應落實退耕還林還草政策，防止土地由林地、草地向耕地轉化。從降水的變化來看，降水增加，尤其是強降雨和春季融雪量的增加，使得土壤侵蝕加劇，導致土壤侵蝕量呈現波動變化。新疆的北部地區氣候干燥，濕度下降，自然植被均呈現出逐漸退化演替的狀況，進一步加劇了土壤侵蝕。在土壤侵蝕的防治工作中，林、草地對減少土壤侵蝕量起到決定性的作用。植被對沉積物和徑流侵蝕產生一定的抵抗和控制作用，同時地表植被增加對土壤侵蝕的阻力，以此減少水土流失。因此，在目前的治理基礎上需要人工建植、合理放牧等方式擴大植被的覆蓋面積，提高該地區的水土保持生態效率。高寒區的土壤侵蝕有其特殊性，需要針對性的保護措施。通過有效的土地利用管理加強自然資源的保護是一種有效措施。尤其在我國西北地區，加強林草地保護，構建生態安全屏障，減少人為干擾，恢復退化植被，促進植被天然更新，鞏固退耕還林還草，提高植被覆蓋度，禁止陡坡開墾和種植等，可以提高土壤保持能力，對減少土壤侵蝕具有重大作用。

研究區位于氣候條件惡劣、海拔較高、人跡罕至的偏遠高山地區，氣象臺站監測密度稀缺，即使近幾年已加強氣象要素的觀測但仍缺乏長期的記錄，對于降水侵蝕力計算所需的降水數據，尤其是較小區域的數據明顯不足。各個國家和地區建立的降水侵蝕力方程往往存在著區域局限性，許多未進行公式建立地區的土壤侵蝕估算存在著很大的不確定性。由于融雪侵蝕機理的復雜性，使得融雪侵蝕力的計算存在很多問題，目前還沒有一個通用的經驗公式。本研究中采用廣泛使用的月尺度和年尺度降水數據與降水侵蝕力的經驗公式來估算降水侵蝕力，同時假設融雪侵蝕和降雨侵蝕過程一樣，使得融雪侵蝕以及總的土壤侵蝕估算結果存在很大的不確定性。模型參數的取值主要參考相關文獻，應該進一步對值研究，使模擬結果更接近實測數據。該模型以土地利用類型為輸入參數，忽略了空間位置分布的差異性，對同一種土地利用類型賦相同值，從而導致模擬結果與實際情況產生偏差。

5 結 論

(1)額爾齊斯河流域土地利用類型以林地、草地和未利用地為主，2000—2015年土地利用格局發生明顯改變，耕地面積增加，草地、林地和未利用地面積減少。

(2)2000—2015年土壤侵蝕量呈現先升高后降低的趨勢，并且空間分布基本一致，呈現帶狀和點狀分布，侵蝕強度高值區域主要集中在高海拔地區。

(3)與單一降雨變化土壤侵蝕量(基準)相比，2005—2015年土地利用變化和降雨的復合影響使整個流域土壤侵蝕量相對于分別增加了3.49%，3.02%，3.31%。2000—2015年占年降水量30.49%，23.10%，38.46%，35.26%的春季積雪融水，使流域土壤侵蝕量陡增249.00%，88.00%，843.00%，566.00%。

總體上，春季融雪過程是造成額爾齊斯河流域土壤侵蝕量顯著增加的重要因素，人類社會經濟活動導致的土地利用變化會進一步加劇對土壤侵蝕的影響。

致謝：感謝中國科學院西北生態環境資源研究院王曉明研究員和中國科學院青藏高原研究所張凡研究員對論文提出的寶貴意見。