伊犁河谷土壤侵蚀综合分区*

2018-04-23李宏薇许尔琪张红旗

中国农业资源与区划 2018年4期

李宏薇，许尔琪，张红旗

(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重点实验室，北京 100101； 2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

土壤侵蚀易导致土地退化、生产力下降和生物多样性降低等，威胁到全球性的环境和农业[1-3]，由于其受母质、植被、地形和人类活动的联合影响，表现出明显的区域分布特征[4-5]，通过分区可以精准掌握水土流失动态[6-7]，分析侵蚀机理与过程[8]，从而在高效利用资源的基础上开展水土保持工作[9-10]。因此，土壤侵蚀的差异性分区有利于进行区域水土流失预测[11]、风险评估[12]，同时，可有助于提出具有针对性的土壤侵蚀防治方案[13]。伊犁河谷是新疆主要的农业和畜牧业基地，也是新疆土壤侵蚀最为严重的地区之一，水土流失面积达到3.7km2，占新疆水土流失面积的43%[14-15]。由于其地形地貌复杂，是我国西北黄土分布主要地区之一，土质多为粒土，在外力作用下，极易发生水土流失[16-17]。

很多学者对伊犁河谷进行了土壤侵蚀特点和分布规律的研究。朱成刚等[18]利用 EPIC模型计算了土壤可蚀性，分析了土地利用方式对土壤理化性质及土壤可蚀性特征的影响；李大龙等[19]以 USLE 为计算模型，利用 ArcGIS 空间分析功能，对伊犁河谷土壤侵蚀敏感性进行综合评价；许尔琪等[20]应用修正土壤流失方程，估算了1985～2015年伊犁河谷土壤水力侵蚀的时空变化。以往研究结果均表明，伊犁河谷已存在不同程度的土壤侵蚀，因此，科学地对伊犁河谷进行综合分区，构建因地制宜的土壤侵蚀防治方案，对伊犁河谷生态环境建设、促进伊犁地区社会经济持续发展具有重要意义。有鉴于此，文章应用风力侵蚀、水力侵蚀和冻融侵蚀的计算方法，以地貌类型、地面组成物质、土壤侵蚀强度及类型和水土保持措施方向的地域差异性等为指标，提出伊犁河谷土壤侵蚀综合分区方案，并对各分区土壤侵蚀治理方案进行探讨。

图1 伊犁河谷位置

1 研究方法

1.1 研究区概况

伊犁河谷处于42°15′N～44°55′N， 80°5′E～84°5′E之间(图1)，土地面积约5.53km2，海拔470～6 350m。位于新疆最西部，山脉和河流将其分割为伊犁谷地、巩乃斯谷地、特克斯谷地、喀什河谷丘陵和昭苏盆地等5个地域单元，在行政区划上包括伊宁市和伊宁、霍城、察布查尔、巩留、新源、尼勒克、特克斯、昭苏等8个县。全区地跨中温带大陆性气候和高山气候类型，年均降水量230～520mm，年蒸发量为1 200～1 900mm，大气相对湿度平均为65%左右，年平均气温10.4℃。该区地貌类型众多，有山地、丘陵、平原、沙漠；降水丰沛、气候适宜而且地域辽阔，使伊犁河流域土壤发育良好，土壤类型主要有灰钙土、栗钙土、黑钙土、沼泽土、草甸土和少量盐碱土，是新疆主要的粮油和畜牧业基地。

1.2 数据来源

该文所采用的数据为1979～2012年伊犁河谷气象数据(包括温度、降雨和风速数据)、NDVI数据(1981～2000年的GIMMS NDVI数据和2000～2014年的MODIS NDVI数据，两种NDVI数据已检验和校准)、DEM数据、土壤质地1： 100万数据、土壤有机质1： 100万数据、20世纪80年代末和2015年土地利用数据，所有数据最终重采样为30m进行计算。

1.3 土壤侵蚀计算方法

1.3.1 水力侵蚀

该文采用修正的土壤流失方程即RULSE[21-22]进行伊犁河谷的土壤水力侵蚀估算：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式(1)中,A为年均土壤侵蚀模数[t/(hm2·年)]； R为降雨侵蚀力因子[(MJ·mm)/(hm2·h·年)]； K为土壤可蚀性因子[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]； LS为坡度坡长因子，无量纲； C为植被覆盖与管理因子，无量纲； P为水土保持措施因子，无量纲。

降雨侵蚀力因子(R)是土壤水力侵蚀的主要驱动力，利用Wischmeier[23]提出的按照逐月雨量计算降雨侵蚀力因子的方法计算R值，其中P为平均年降水量(mm)，Pi为月降水量(mm)。

(2)

土壤可蚀性因子(K)的值越小表明土壤抗蚀性越强，单位为[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]。该文采用Williams等[24]提出的EPIC模型通过砂粒(SAN)、粉粒(SIL)、黏粒含量(CLA)和土壤有机碳含量C计算K值，SAN、SIL、CLA和C含量均以百分数参加计算，其中SNI=1-SAN/100。

(3)

坡度坡长因子(LS)是土壤水力侵蚀的加速因子，在已知坡度(β)、坡长(λ)的条件下，根据Williams等[24]的计算方法得到LS值，其中m为变化值。公式：

(4)

(5)

植被覆盖与管理因子(C)利用马超飞等[25]研究发现的方法利用植被覆盖度(f)计算：

(6)

水土保持措施因子(P)利用土地利用类型[26]进行分别赋值估算(表1)。

表1 不同土地利用类型的水土保持措施因子(P)取值

水田旱地林地草地居民点、建设用地水域裸岩、沙漠冰川积雪裸地P0150401001000000100

1.3.2 风力侵蚀

该文采用修订的通用风蚀方程(WREQ)计算伊犁河谷的风力侵蚀，计算公式：

(7)

Qmax=109.8(WF×EF×SCF×K′×COG)

(8)

其中，Qi+1为下风口(x+Δx处)的土壤转移量； Qi为上风口(x处)的土壤转移量； Qmax为最大转移量(kg/m)； L为地块长度(m)； Δx为上风口到下风口距离；WF为气候因子(kg/m)； EF为可蚀颗粒比重； SCF为地表结皮因子； K′为地表糙度因子； COG为植被因子。

气候因子(WF)对风蚀的影响是风速、降水和温度等因子综合作用的结果，计算公式：

(9)

式(9)中，WF为气候因子，单位为kg/m； v2为2m处的风速(m/s)；v1为2m处的临界风速(假定5m/s)；N为风速的观察次数(一般500)；Nd为试验期间天数；ρ为空气密度(kg/m3)；g为中重力加速度(m/s3)；Sw为土壤湿度(无量纲)；Sd为雪覆盖因素。

可蚀颗粒比重(EF)与沙粒(Sa)、粉粒(Si)、有机质(OM)、碳酸钙(Ca)含量(%)以及沙粒与粘粒含量的比(SaC)有关，计算公式：

EF=0.01×(29.09+0.31×Sa+0.17×Si+0.33×SaC-2.59×OM-0.95×Ca)

(10)

地表结皮因子(SCF)与粘粒(CI)和有机质(OM)含量(%)有关，其对风蚀的影响(SCF)可表述为：

SCF=1/[1+0.0066(CI)2+0.021(OM)2]

(11)

地表糙度因子(K′)分为随机糙度Crr(由于区域计算困难，该文中取0)和土垄糙度Kr，其中，Kr利用Smith-Carson方程[27]计算得到：

Kr=0.2×(Δ H)2/L

(12)

K=e(1.86Kr-2.41Kr0.934-0.127Crr)

(13)

其中，L为地势起伏参数；ΔH为距离L范围内的海拔高度差。

植被因子(COG)在一定程度上可以阻碍颗粒移动，可由植被覆盖度(SC，%)计算得到：

C=e-0.0438SC

(14)

1.3.3 冻融侵蚀

对冻融侵蚀的确定方法多以分级评价为主[28-29]，思路是从诸多影响冻融侵蚀的因子中选取最为主要的且较易获取的因子作为冻融侵蚀分级评价指标。在综合分析伊犁河谷冻融侵蚀影响因子的基础上，将气温年较差、坡度、坡向、植被和年降水量作为伊犁河谷冻融侵蚀分级评价指标。首先，确定伊犁河谷侵蚀区的范围，该文利用第一次全国水利普查水土流失情况采用的计算公式确定冻融侵蚀区海拔下界[30]，公式：

(15)

式(15)中，H为冻融侵蚀区下界的海拔(m);X为经度(°E);Y为纬度(°N)。在此界限之上的区域，年平均气温在0℃以下，即1年中有6个月以上的时间地表处于冻结或冻融交替的状态，冻融侵蚀是该区域主要的土壤侵蚀类型。

温度周期性变化主导冻融作用，是冻融侵蚀的首要影响因子，温差越大，冻融侵蚀程度越大。地形对冻融侵蚀有两方面的影响，一方面是坡度决定着侵蚀产物的输送量和被输送的距离；另一方面是坡向影响着侵蚀程度，坡向不同，温差不同，从而冻融程度以及风化作用不同，阳坡侵蚀强烈。植被可以提高土壤稳定性，保护地表土壤，减小土壤温差，进而降低冻融侵蚀程度。降水既增加了土壤中的水分，导致结冰水体对土壤破坏力增大，也加速了侵蚀产物的运移[30-32]。因此，该文选用气温年较差、坡度、坡向、植被和年降水量作为伊犁河谷冻融侵蚀分级评价指标。

1.4 分区方法

在依据伊犁河谷的地貌类型(如山地、台地、丘陵、平原等)、地面组成物质(如黄士、红土、裸岩、沙漠、戈壁等)、土壤侵蚀类型(水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀)及其强度、水土保持措施方向的地域差异性等指标，且尽量利用分水线、等雨线、等高线、天然植被分界线，适当照顾行政区界和流域界线的情况下，利用4点原则进行综合分区：

(1)相似性原则。水土保持区划侧重水土保持功能和经济发展方向相似，分区应做到区内差异性最小，区间则差异性最大，侧重水土流失影响因素的相似性、水土保持措施的相似性和经济发展方向的相似。

表2 伊犁河谷土壤侵蚀类型分布统计

侵蚀类型侵蚀程度侵蚀面积(万hm2)水力侵蚀水力侵蚀微度376691水力侵蚀轻度59497水力侵蚀中度13604水力侵蚀强度6263水力侵蚀极强度3366水力侵蚀剧烈0328风力侵蚀风力侵蚀中度2697冻融侵蚀冻融侵蚀微度67895冻融侵蚀轻度18038冻融侵蚀中度2769

(2)主导因子和综合因素相结合的原则。要考虑自然和社会经济因素的各个方面，抓住主导因子，进行区划，主要考虑地貌类型、降水、植被、土壤侵蚀模数、土壤类型、经济行为等因子，以地貌、侵蚀、土地利用等3个因子为主。

(3)综合性原则。即必须充分考虑各种可能的影响因素，且应按照一定的数量方法分区，力求做到区内差异性最小、区间差异性最大。

(4)空间连续原则。在空间分布上，保证各区的地域必须连片。

2 结果与分析

2.1 土壤侵蚀概况

根据土壤侵蚀类型分布情况(图2，表2)，可以看出伊犁河谷以水力侵蚀为主，冻融侵蚀次之，风力侵蚀面积最小，皆为中度侵蚀类型，仅占研究区总面积的0.49%，集中分布在霍城县西南部图开沙漠区域。伊犁河谷水力侵蚀总面积达到459.75万hm2，占研究区总面积的83.42%，以微度和轻度水力侵蚀为主，其余等级侵蚀零星分布于各地区。其中微度水力侵蚀在各县(市)均有大面积分布，轻度水力侵蚀在伊宁县大面积分布，在尼勒克县的西北部有小面积的中度和强度水力侵蚀分布。冻融侵蚀面积为88.702万hm2，面积比重为16.1%，集中分布于南部、中部和北部天山山区的高寒区域；以微度侵蚀为主，最高侵蚀等级为中度，面积仅占冻融侵蚀面积的3.12%。其中昭苏县和特克斯县南部冻融侵蚀面积较大，是重点防治区域。

表3 伊犁河谷水土保持分区

一级区二级区名称ⅠⅠ1霍城—伊宁天山山地Ⅰ2尼勒克天山山地ⅡⅡ1霍城伊犁河冲积台地Ⅱ2科古尔琴山冲积洪积台地Ⅱ3喀什河冲积台地ⅢⅢ1伊犁河冲积平原Ⅲ2巩乃斯河平原ⅣⅣ1察布查尔天山山地Ⅳ2昭苏—特克斯天山山地ⅤⅤ1特克斯河中游台地Ⅴ2特克斯河下游平原ⅥⅥ1新源—巩留天山山地Ⅵ2特克斯天山山地Ⅵ3昭苏天山山地

2.2 分区情况

伊犁水土保持分区：将伊犁河谷划分为6个一级区， 14个二级区，其中一级区主要参考大地构造类型和土壤侵蚀状况，包括Ⅰ(北部天山山区)， Ⅱ(伊犁河丘陵区)， Ⅲ(伊犁河谷地)， Ⅳ(中部天山山区)， Ⅴ(昭苏—特克斯盆地)和Ⅵ(南部天山山区)；二级区，则主要依据土地侵蚀类型和限制因子，并结合行政边界和次级地貌类型区进行划分。详见表3，图3。

图2 伊犁河谷土壤侵蚀空间分布图3 伊犁水土保持分区分布

(1)北部天山山区(Ⅰ)：包含2个水土保持二级区， Ⅰ1行政区划包括霍城县和伊宁县北部，主要土壤侵蚀类型包括有西北部的冻融侵蚀和东南部的水力侵蚀，冻融侵蚀以微度、轻度为主；水力侵蚀分布有轻度，中度和强度类型，以微度和轻度类型为主。Ⅰ2主要位于尼勒克县大部分地区和新源县北部，主要土壤侵蚀类型为冻融侵蚀，分布于该区的北部和东部，冻融侵蚀以微度、轻度为主，轻度冻融侵蚀有较高的比重，其余区域主要是微度水力侵蚀类型。

(2)伊犁河丘陵区(Ⅱ)：包含3个水土保持二级区， Ⅱ1集中分布在霍城县中部，以冲积台地为主要地貌类型，土壤侵蚀类型以轻度和中度水力侵蚀为主，侵蚀力较大的灰钙土广泛分布，同时植被覆盖度较低。Ⅱ2行政区划为伊宁县中部，以轻度和中度水力侵蚀为主。Ⅱ3为喀什河的中游流域，位于尼勒克县的西南部，分布有一定范围的轻度和中度水力侵蚀。

(3)伊犁河谷地(Ⅲ)：包含2个水土保持二级区， Ⅲ1属于伊犁河上游的冲积平原区，行政区划包括霍城县、伊宁县南部、伊宁市全部和察布查尔锡伯自治县北部，西侧分布有图开沙漠，为风力侵蚀分布区域，东南侧有一定的轻度水力侵蚀分布，其余区域则以微度水力侵蚀为主。Ⅲ2为巩乃斯河的冲积平原区，分布在巩留县、尼勒克县和新源县的部分区域，除西南部有少量的轻度水力侵蚀分布，其余区域以微度水力侵蚀为主。

(4)中部天山山区(Ⅳ)：包含2个水土保持二级区， Ⅳ1位于察布查尔锡伯自治县南部的中部天山山区，分布有广泛的中度和轻度水力侵蚀，并有少部分的轻度冻融侵蚀。Ⅳ2的行政范围包括昭苏县和特克斯县的北部，在北部分布有少量冻融侵蚀，其他区域均为微度水力侵蚀。

(5)昭苏—特克斯盆地(Ⅴ)：包含2个水土保持二级区， Ⅴ1行政范围包括巩留县中南部和特克斯县北部，土壤侵蚀类型主要是轻度水力侵蚀和局部的强度水力侵蚀，主要分布在该区的北部和西部，其余区域为微度水力侵蚀。Ⅴ2为特克斯下游的冲积平原区，位于昭苏县的中部，水土保持情况较好，轻度及以上土壤侵蚀零星分布，广泛分布微度水力侵蚀。

(6)南部天山山区(Ⅵ)：包含3个水土保持二级区， Ⅵ1为新源县和巩留县的南部天山山区，微度冻融侵蚀主要分布在该区的南部，北部则为微度水力侵蚀，零星分布有中度和强度水力侵蚀。Ⅵ2位于特克斯县南部山区，主要土壤侵蚀类型为冻融侵蚀，以微度为主，局部为轻度，同时，还分布有局部的轻度、中度和强度水力侵蚀。Ⅵ3分布在昭苏县的南部天山区域，主要侵蚀类型是冻融侵蚀，水力侵蚀在局部较为严重。

2.3 分区治理方案

2.3.1 天山山区治理方案

天山山区涉及的范围包括Ⅰ(北部天山山区)、 Ⅳ(中部天山山区)和Ⅵ(南部天山山区)，分为3个一级区、 7个二级区。该区域以水力侵蚀和冻融侵蚀为主，水力侵蚀的主要限制因子是坡度坡长因子、植被覆盖度和降雨侵蚀力，主要进行冻融侵蚀治理和植被恢复。其中Ⅵ2(特克斯天山山地)和Ⅵ3(昭苏天山山地)冻融侵蚀面积较大，是冻融侵蚀的重点治理区域； Ⅰ1(霍城—伊宁天山山地)和Ⅳ1(察布查尔天山山地)中海拔范围的草地覆盖度低，土壤侵蚀量较大，是水力侵蚀的重点治理区域； Ⅰ2(尼勒克天山山地)、Ⅳ2(昭苏—特克斯天山山地)和Ⅵ1(新源—巩留天山山地)虽然存在轻微度冻融侵蚀和水力侵蚀，但是植被覆盖度高，水土保持状况良好，是冻融侵蚀和水力侵蚀的重点预防保护区。

表4 天山山区各个分区侵蚀类型及其治理方案

一级分区二级分区主要侵蚀类型治理方案北部天山山区霍城—伊宁天山山地水力侵蚀。采取工程措施和生物措施进行治理。①浆砌石谷坊+生物谷坊。生物谷坊桩料选红柳[33]。②中海拔区域：上坡段种植红枣、葡萄等经济作物，配套工程有水平沟和滴灌；在坡面背阴面，主要选择榆树和杨树等树种种植水保林，配套工程措施有水平沟和渠道灌溉。③低海拔区域：主要是撒播草籽[34]尼勒克天山山地冻融侵蚀、水力侵蚀。在山坡上挖掘鱼鳞坑种植人工沙棘林，并在林间飞播多年生牧草紫花苜蓿，增加地表植被覆盖中部天山山区察布查尔天山山地水力侵蚀，生态经济型治理模式。高海拔上沿等高线营造水土保持林(变色柳、金枝柳等)；修筑山坡截流沟；中海拔经济林选择苹果、野生核桃、杂交榛等；在经济林带间套种牧草(白三叶草和紫花苜蓿)[35]昭苏—特克斯天山山地冻融侵蚀、水力侵蚀。生物预防保护模式[36]。加强对天然植被的保护，严禁乱砍滥伐，杜绝过度放牧，避免草场的退化和沙化南部天山山区新源—巩留天山山地冻融侵蚀、水力侵蚀。山坡截流沟+柠条生物篱[37⁃38]。在局部地形陡峭地区，修筑山坡截流，单行密集种植柠条，在柠条带间补种牧草，形成灌草结合的人工草地特克斯天山山地冻融侵蚀。生态旅游型治理模式[39⁃40]。分为旅游景观和水土保持景观两大功能区。A．旅游景观功能区。①严格控制工程项目的水土流失，索道、住宿房屋、游玩设施等。②合理设计游客游览路线。③科学调节旅游生态环境容量，保护当地环境。B．水土保持景观功能区。①山顶种植水土保持林，②山腰等高种植经济林带，建设拦水沟埂，可将拦蓄水用于生产。经济林的树种可选苹果、核桃、杂交榛等，开发采摘园。③山脚种植紫花苜蓿，昭苏天山山地冻融侵蚀。①山坡截流沟工程。在该区的高寒荒漠地带修建山坡截流沟，截短坡长，阻截径流，减免径流冲刷。②在该区冰川和高寒荒漠种植伊犁心叶驼绒藜。增加植被覆盖，对冻融侵蚀易发生的路坡、沟壁、渠坡、河床等处进行植被恢复工作。③加强对滑坡、泥石流多发区的预防措施。④采取封育措施。减少人为活动对冻融侵蚀地区的影响，同时加快植被的恢复速度。⑤加强冻融侵蚀区水土流失监测，建立冻融侵蚀数据库，对冻融侵蚀的预防、保护和治理提供科学依据

表5 伊犁河谷丘陵地区各个分区侵蚀类型及其治理方案

2.3.2 伊犁河谷丘陵地区治理方案

伊犁河谷丘陵地区涉及的范围包括Ⅱ(伊犁河丘陵区)、Ⅲ(伊犁河谷地)和Ⅴ(昭苏—特克斯盆地)，分为3个一级区， 7个二级区。该区域以水力侵蚀为主，主要限制因子是坡度坡长因子、植被覆盖度和降雨侵蚀力，仅伊犁河冲积平原存在风力侵蚀。Ⅲ2(巩乃斯河平原)和Ⅴ2(特克斯河下游平原)水土保持情况较好，是预防保护区域，其他分区均存在由于不同限制因子导致的水土流失，其中Ⅱ1(霍城伊犁河冲积台地)、Ⅱ2(科古尔琴山冲积洪积台地)、Ⅱ3(喀什河冲积台地)需要进行重点防范和控制。该区域治理方案主要以工程措施和人工植被恢复结合为主进行治理，工程措施包括水平沟、鱼鳞坑、等高种植、截流沟等，植被恢复主要选择适合研究区域生长的驼绒黎、苜蓿、新疆杨、小叶白蜡、沙棘和红柳等。

3 结论

该文运用水力、风力和冻融侵蚀计算方法，对伊犁河谷进行水土流失评价和水土保持综合分区。研究结果表明：

(1)伊犁河谷以水力侵蚀为主，冻融侵蚀次之，风力侵蚀面积最小。水力侵蚀达到研究区总面积的83.42%，以微度和轻度水力侵蚀为主，其中微度水力侵蚀在各县(市)均有大面积分布。冻融侵蚀面积比重为16.1%，集中分布于南部、中部和北部天山山区的高寒区域，其中昭苏县和特克斯县南部冻融侵蚀面积较大，是重点治理区域。风力侵蚀皆为中度侵蚀类型，仅占研究区总面积的0.49%，集中分布在霍城县西南部图开沙漠区域。

(2)伊犁河谷水土保持划分为6个一级区， 14个二级区。一级区主要体现了大地构造类型和土壤侵蚀状况，包括Ⅰ(北部天山山区)、 Ⅱ(伊犁河丘陵区)、 Ⅲ(伊犁河谷地)、 Ⅳ(中部天山山区)、 Ⅴ(昭苏—特克斯盆地)和Ⅵ(南部天山山区)；二级区则主要体现土地侵蚀类型、限制因子、行政边界和次级地貌类型区等的特点。

(3)伊犁河谷的侵蚀分区治理： ①高寒区域包括Ⅰ(北部天山山区)、 Ⅳ(中部天山山区)和Ⅵ(南部天山山区)等3个一级区，共有7个二级区，以水力侵蚀和冻融侵蚀为主。Ⅵ2(特克斯天山山地)和Ⅵ3(昭苏天山山地)是冻融侵蚀重点治理区，治理措施以工程措施和植被恢复为主； Ⅰ1(霍城—伊宁天山山地)和Ⅳ1(察布查尔天山山地)是水力侵蚀重点治理区，主要进行人工经济林与草地种植； Ⅰ2(尼勒克天山山地)、Ⅳ2(昭苏—特克斯天山山地)和Ⅵ1(新源—巩留天山山地)是土壤侵蚀防治区，重点采取封育措施对天然植被进行保护。河谷丘陵区包括Ⅱ(伊犁河丘陵区)、Ⅲ(伊犁河谷地)和Ⅴ(昭苏—特克斯盆地)等3个一级区，共有7个二级区，以水力侵蚀为主，仅伊犁河冲积平原存在风力侵蚀。Ⅲ2(巩乃斯河平原)和Ⅴ2(特克斯河下游平原)水土保持情况较好，以预防和保护为主，主要是对天然植被的保护；其他分区均存在不同程度的水土流失，包括Ⅱ1(霍城伊犁河冲积台地)、Ⅱ2(科古尔琴山冲积洪积台地)、Ⅱ3(喀什河冲积台地)，主要采取工程措施与生物措施结合的方式进行治理。

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