旅游干扰下的天山北坡水蚀经济损失评估<br/>——以西白杨沟流域山地景区为例

旅游干扰下的天山北坡水蚀经济损失评估
——以西白杨沟流域山地景区为例

2021-05-24桂海月王新军常梦迪闫立男马克李菊艳贾宏涛

农业资源与环境学报 2021年3期

桂海月，王新军*，常梦迪，闫立男，马克，李菊艳，贾宏涛

（1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆土壤与植物生态过程实验室，乌鲁木齐 830052；3.新疆维吾尔自治区水土保持与生态环境监测总站，乌鲁木齐 830011）

旅游作为人为干扰自然的重要形式之一，其在给旅游目的地带来经济文化繁荣的同时，也会对生态环境产生负向性干预，使得区域水蚀态势日益严峻，给社会经济的可持续发展带来明显的负面效应，已引起世界各国的广泛关注[1]。全球受水蚀影响的土地面积已达1.09×109hm2，其中7.51×106hm2的土地遭受严重侵蚀[2]，平均每年造成3.37×107t 农产品及8.0×109美元的损失[3]。水蚀表征在降雨、地表径流等外营力作用下，土壤发生解体、运输及沉积的过程，是生态退化的主体表现[4-5]。土壤与植被作为构成生态环境最基本的因子，对人为干扰响应较为敏感，可直接反映旅游干扰下的水蚀及其造成的生态环境效应与经济损失[6]。我国已有22%的旅游区因开展旅游活动导致生态环境退化、水蚀加剧[7]。因此，定量估算旅游干扰下水蚀经济损失对区域经济可持续发展具有重要意义。

目前，已有诸多国内外学者采用生态系统关键参数表征旅游干扰对生态环境的影响，研究对象多以旅游活动直接干扰的土壤、植被为主，内容主要侧重旅游干扰对植被群落特征、土壤理化性质的影响研究[8-9]。而“旅游-植被-土壤性质”关系链的研究主要涉及旅游干扰对植物群落与土壤理化性质、草地植被和土壤的生态化学计量特征、植物多样性与土壤生化特征等方面[6，10-11]，鲜有关注不同旅游干扰强度下因土壤理化性质改变及群落特征破坏所引发的水蚀经济损失评估研究。此外，诸多水蚀经济损失研究表明，土壤、植被与水蚀经济损失之间具有复杂的相互作用，且不同旅游干扰强度下的土壤理化性质与植被群落特征的改变将影响区域水蚀强度和经济损失变化[12-13]。因此，定量分析土壤理化性质、植被群落特征以及水蚀经济损失变化是实现区域经济可持续发展的关键。

西白杨沟流域位于新疆天山北坡山地区，属干旱区生态脆弱带，具有流域单元完整，降水强度大、频率高，水蚀显著的特征，是天山北坡受水蚀及旅游干扰的典型区域。近年来，西白杨沟流域山地旅游开发加剧，旅游干扰使得土壤结构改变、植被盖度降低，引起了土壤可蚀性及生物措施因子的动态变化，因此旅游干扰将是天山北坡水土流失的重要研究方向之一[14]。鉴于此，本研究以西白杨沟流域山地景区为例，基于样地调查数据，结合中国土壤流失方程（Chinese soil loss equation，CSLE）与水蚀经济损失评估模型，定量估算不同旅游干扰强度下水蚀经济损失，探讨旅游干扰对土壤理化性质和植被的影响特征，揭示旅游干扰下景区水蚀强度及经济损失变化规律，以期为天山北坡山地景区旅游开发、生态环境保护以及水土资源的可持续利用提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西白杨沟流域（图1）位于新疆维吾尔自治区天山北坡中麓——乌鲁木齐县甘沟乡内，距乌鲁木齐市区约75 km，地理坐标为87°03′～87°14′E、43°21′～43°27′N。流域面积约72.04 km2，地处中山区与低山区的过渡带，地势总体呈西南高、东北低，海拔约1 918～3 800 m，地面自然坡降为3.2%～5.1%[14]。流域属温带大陆性气候，多年平均降雨量为452 mm，降雨主要集中于5—9月，占全年降水量的75.59%，且水流易在短期内集中并冲蚀地表，造成大面积的水蚀，水蚀强度以轻度为主[14-15]。受地形、气候影响，植被具有典型山地垂直分布特征，海拔1 600～2 800 m主要以乔木、灌木为主，1 600 m 以下以多年生禾本科杂草为主[16]，群落优势种为草地早熟禾（Poa pratensis）、针茅（Stipacapillata）、细果苔草（Carex stenocarpa），伴生种有天山羽衣草（Alchemilla tianschanica）、大萼委陵菜（Potentilla conferta）、阿尔泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、草原勿忘草（Myosotis suaveolens）等[17]。

1.2 数据获取与处理

1.2.1 样区布设与样品采集

在确保样地的坡度、土壤质地、植被类型等特征基本一致的前提下，于2018 年7 月28—30 日（旅游旺季及植被生长旺盛期）进行样区布设及样品采集。旅游干扰强度根据蒙古包附近地表踩踏痕迹、裸露程度进行分区，可直观反映旅游干扰强度大小。为定量研究旅游干扰对水蚀的影响，设置4 个样区（图1）[18]：重度干扰（Severe disturbance，SD），游客极多，踩踏痕迹明显，地表裸露程度高，植被覆盖度为6.87%，水蚀严重；中度干扰（Moderate disturbance，MD），较多游客到达，踩踏痕迹较为明显，地表裸露程度较高，植被覆盖度为50.90%；轻度干扰（Light disturbance，LD），偶有游客到达，有踩踏痕迹，地表裸露程度较低，植被覆盖度为77.07%；1个对照组（No disturbance，ND），几乎无游客到达，少有踩踏痕迹，地表无踩踏，植被覆盖度为89.80%。每个样区设置3个样地，每个样地连续设置5 个1 m×1 m 的样方，共计60 个样方，记录各样方内植被覆盖度。每个样地内均采用五点混交法采集0～20 cm 表层土壤，用环刀（100 cm3）取样测定容重，装入自封袋，带回实验室，土样分为两份，一份用于测定含水量，另一份去除植被根系及石砾后烘干、研磨、过筛，用于测定土壤理化性质。

图1 研究区位置及样区布设Figure 1 Location of the study area and layout of sample area

收集2016—2018 年天山北坡乌鲁木齐县农业用水价格、水库建设投资费用、主要肥料类型及单价、小麦单产及价格、2017—2019年《中国县域统计年鉴》[19]等资料，并辅以问卷调查形式确定不同干扰强度下旅游频次。降雨侵蚀力选取距研究区约8.69 km 的乌鲁木齐牧试站点1981—2018 年日降水数据（https：//data.cma.cn）进行计算。

1.2.2 植被盖度、土壤理化性质的测定

采用数码照相法测定研究区内样地的植被覆盖度[20]；采用碱解扩散法测定碱解氮；碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷；火焰光度法测定速效钾；重铬酸钾氧化容量法测定土壤有机质；环刀法测定土壤容重；铝盒烘干称质量法测定土壤含水量；Microtrac Bluewave S350 激光粒度仪测定土壤组分；湿法测定土壤粒径的体积分数[21]。每个样品重复测定3 次，结果取平均值。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤理化性质、植被覆盖度数据分析

利用Excel 2016 和SPSS 20 软件对数据进行处理分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著性差异法（LSD）比较不同旅游干扰强度处理间的差异显著性，用Pearson 相关系数分析土壤理化性质、植被覆盖度与水蚀经济损失相关性。

1.3.2 土壤水蚀量估算方法

基于样地调查，本研究采用Liu 等[22]参考美国通用土壤流失方程（Universal soil loss equation，USLE）针对中国实际提出的适用于全国范围的CSLE 模型，定量估算ND、LD、MD、SD的年均土壤侵蚀量：

式中：A为土壤侵蚀模数，t·hm-2·a-1；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1，采用章文波等[23]估算方法，取近30 年均值344.47 MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1；L为坡长因子，采用Foster等[24]提出的参数，取均值2.43；S为坡度因子，采用McCool 等[25]缓坡坡度法，取均值1.97；B为生物措施因子；E为工程措施因子；T为耕作措施因子，根据谷歌高分辨率影像解译与实地调查情况，确定研究区内无相关工程措施和耕作措施，故赋值为1[18]。

（1）土壤可蚀性因子K指土壤具有抵御雨滴打击、径流冲刷的能力，其计算公式[26]为：

式中：fsand为砂粒（2～0.05 mm）含量,%；fclay为黏粒（＜0.002 mm）含量，%；fsilt为粉砂粒（0.05～0.002 mm）含量，%；C为有机碳含量，%；f′sand=1-fsand/100。

（2）生物措施因子B表征地表覆被拦截、减弱雨滴对土壤侵蚀作用的能力。本研究采用蔡崇法等[27]根据生物措施因子B与植被覆盖度FC 的关系式进行B值的估算，其值介于0～1之间。公式如下：

式中：FC为植被覆盖度，%。

1.3.3 水蚀经济损失评估体系

水蚀经济损失评估体系的建立是西白杨沟流域山地景区水蚀经济损失评估的前提，本研究借鉴目前较为成熟的水蚀经济损失评估方法[28-30]及山岳型旅游地自然、文化等特征，构建山岳型旅游地水蚀经济损失评估模型，具体指标参数详见表1。

2 结果与分析

2.1 旅游干扰对土壤理化性质、植被覆盖度的影响

除土壤容重外，各样区含水量、土壤饱和含水量及孔隙度随旅游干扰强度增加而降低（表2），主要由于人为踩踏造成土壤板结，容重增大，土壤渗透与拦蓄能力下降。除土壤容重外，ND的土壤含水量、饱和含水量及孔隙度显著高于SD（P＜0.05），而LD、MD 差异不显著（P＞0.05），与ND 相比，SD 土壤含水量、饱和含水量及土壤孔隙度的降幅分别为51.67%、32.23%、13.30%。

由表2 可知，土壤碱解氮含量为188.10～234.13 mg·kg-1，有效磷含量为131.88～227.91 mg·kg-1，速效钾含量为133.33～449.81 mg·kg-1，土壤有机质含量为104.49～206.84 g·kg-1，整体上表现为土壤碱解氮、有效磷及有机质含量均随干扰强度增加呈下降趋势，而速效钾含量整体却趋于增加趋势。其原因可能为土

壤碱解氮、有效磷主要存在于土壤表层，且与有机质含量密切相关，旅游干扰致使枯枝落叶层破坏，植物归还量减少，土壤有机质含量下降，土壤碱解氮、有效磷含量随之降低，而土壤速效钾含量升高则可能与旅游踩踏造成土壤板结、速效钾淋失量减少有关。

与ND 相比，LD、MD、SD 植被覆盖度降幅分别为14.18%、43.32%、92.35%，呈现随干扰强度增加植被覆盖度显著降低趋势（P＜0.05，表2）。由于7—9 月为植物生长旺盛期及旅游旺季，大量游客聚集景区，踩踏、磨损等不当行为使得景区草本植被群落结构破坏严重，地表裸露程度扩大，植被活性与再生机能下降，造成植被覆盖度明显下降。

表2 旅游干扰对土壤理化性质、植被覆盖度的影响Table 2 Impact of tourism disturbance on soil physical and chemical properties and vegetation coverage

2.2 旅游干扰对水力侵蚀量的影响

降雨侵蚀力、坡度及坡长因子由景区降雨量和地形决定，无需考虑其在不同旅游干扰强度下的差异；而土壤可蚀性与生物措施因子随着旅游干扰强度的加重而变化，是旅游干扰土壤侵蚀研究动态变化的关键因素。随着干扰强度的增加，土壤可蚀性K值、生物措施B值显著增加，土壤侵蚀量呈显著增长趋势（P＜0.05）。土壤可蚀性K值为0.01～0.03 t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1；生物措施因子B值为0～0.99；年均土壤侵蚀模数A值为0～43.96 t·hm-2·a-1（图2），与LD 相比，MD、SD 年均土壤侵蚀模数增幅分别为79.31%、204.79%。可见土壤、植被作为景区生态环境的重要组成部分，承担着旅游干扰的压力，即表现为干扰强度增加，土层结构破坏加深，植被覆盖度下降，地表植被拦蓄保墒功能削弱，地面径流扩大，土壤侵蚀程度加剧。

图2 不同旅游干扰强度下土壤可蚀性因子K值、生物措施因子B值及土壤侵蚀模数关系Figure 2 Relationship between soil erodibility factor K value，biological measure factor B value and soil erosion modulus under different tourism disturbance intensity

2.3 旅游干扰对水蚀经济损失影响

2.3.1 旅游干扰对场内经济损失影响

LD 场内各项经济损失均表现为土壤养分损失（7.7×103元·hm-2·a-1）＞植被多样性损失（3.8×103元·hm-2·a-1）＞水源涵养损失（5.0×102元·hm-2·a-1）＞土地废弃损失（76 元·hm-2·a-1）＞土壤流失损失（38 元·hm-2·a-1）＞作物减产损失（32 元·hm-2·a-1）（图3a）。其中，土壤养分损失约为植被多样性损失的2.03 倍，占据场内经济损失的主导地位，占比达62.97%（图4a）。表明LD 场内经济损失最直接表现为土壤中碱解氮、有效磷、速效钾及有机质等营养元素的流失，土地生产力下降，旅游资源的可持续发展受到威胁。MD、SD 植被多样性损失均高于土壤养分损失，分别达1.17×104、2.49×104元·hm-2·a-1，约占场内经济损失的48.57%、57.75%（图3a）。

整体而言，场内经济损失中以土壤养分损失与植被多样性损失为主，其中土壤养分由LD 的7.7×103元·hm-2·a-1增至SD 的1.64×104元·hm-2·a-1，增加113%；植被多样性损失由LD的3.8×103元·hm-2·a-1增至SD 的2.49×104元·hm-2·a-1，增幅达555.26%。干扰强度为轻度时，土壤养分损失高于植被多样性损失，居首位；干扰强度为中度、重度时，土壤养分损失则低于植被多样性损失，反映了旅游干扰强度达到中度干扰以上时，植被多样性损失最高。

2.3.2 旅游干扰对场外经济损失影响

场外经济损失中，LD、MD、SD泥沙滞留损失均高于泥沙淤积损失（图3b），约占场外经济损失的56.91%（图4b）。与场内经济损失相比，场外经济损失虽远低于场内经济损失（图3c），但场外经济损失对社会影响更大。由于泥沙淤积与滞留不仅引起河床抬高，降低河道泄洪与拦蓄功能，更使得河道综合利用效益降低，威胁下游工农业生产和人民生命财产安全，且水土流失过程中的泥沙属于非点源污染物，携带着大量有毒有害物质，进入水体后，给受纳水体带来污染，造成水环境破坏。

图3 不同旅游干扰强度下场内经济损失、场外经济损失及水蚀经济总损失Figure 3 On-site economic loss，off-site economic loss and total water erosion economic loss under different tourism disturbance intensity

图4 不同旅游干扰强度下场内经济损失、场外经济损失及水蚀经济总损失中各项损失指标占比Figure 4 Proportion of various loss in on-site economic loss，offsite economic loss and total water erosion economic loss under different tourism disturbance

场外经济损失中泥沙滞留损失由LD 的58 元·hm-2·a-1增至SD 的206 元·hm-2·a-1，增加255.17%；泥沙淤积损失由LD 的44 元·hm-2·a-1增至SD 的156 元·hm-2·a-1，增幅为254.55%。地表覆土遭遇水蚀后滞留与淤积在河道中的土壤侵蚀量分别为30%、24%，严重堵塞地面径流通道，削弱排水性能，且恢复费用法相较于影子工程法，其评估结果为最低价值，故而造成泥沙滞留损失高于淤积损失。

2.3.3 旅游干扰对水蚀经济总损失影响

LD 水蚀经济总损失以土壤养分损失占据首位，高达62.45%；MD、SD 土壤养分损失占比低于植被多样性，分别降至44.58%、37.67%（图4c）。可能是由于土壤性质在旅游干扰初期表现出明显的影响效应，但干扰达到一定强度后，影响效应增加较小。表现为土壤养分随着干扰强度的增加而减少，植被群落间形成激烈的养分竞争，造成植被覆盖度显著降低，众多无法适应旅游干扰的物种消失，植物多样性大幅减少，进而导致植被多样性损失高于土壤养分损失。

场内经济损失由LD 的1.22×104元·hm-2·a-1增至SD 的4.31×104元·hm-2·a-1，增幅为253.28%；场外经济损失由LD 的102 元·hm-2·a-1增至SD 的361 元·hm-2·a-1，增幅为253.92%；水蚀经济总损失由LD 的1.23×104元·hm-2·a-1增至SD 的4.34×104元·hm-2·a-1，增幅为252.85%（图3c），场内经济损失、场外经济损失及水蚀经济总损失均随干扰强度的增加呈上升趋势，表明干扰强度增加，土壤、植被自身的抗干扰和恢复能力降低，生态环境破坏，水蚀程度扩大，水蚀负效益增加显著。

2.4 土壤理化性质、植被覆盖度与旅游干扰水蚀经济损失的关系

水蚀经济损失与土壤容重呈极显著正相关（P＜0.01），与土壤含水量、孔隙度、饱和含水量、土壤有机质及植被覆盖度呈极显著负相关（P＜0.01），与土壤碱解氮、有效磷呈显著负相关（P＜0.05，表3）。

表3 土壤理化性质、植被覆盖度与水蚀经济损失之间相关性分析Table 3 Correlation analysis between soil physical and chemical properties，vegetation coverage and water erosion economic loss

选取土壤容重、含水量、孔隙度、饱和含水量、土壤有机质及植被覆盖度与水蚀经济损失进行多元线性回归，得y=1.16×105-4.01×104x1-1.70×104x2+1.07×104x3-4.20×104x4-1.28×104x8-4.98×104x9（R2=0.97），结果表明土壤容重、含水量、孔隙度、饱和含水量、土壤有机质及植被覆盖度中，植被覆盖度变化对旅游干扰水蚀经济损失响应最为敏感，植被覆盖度每减少1%，水蚀经济损失增加4.98×104元。

3 讨论

植被、土壤作为旅游引起生态环境变化的重要指标，其影响效应主要取决于干扰强度和影响范围[7]。山地旅游在其开发过程中，可对植物群落、土壤性状产生不可避免的负面影响，本研究发现，随着游客踩踏程度的加重，土壤理化性质与植被覆盖度受到的影响增大，由此产生的土壤侵蚀量也随之增加，这一结果与许中旗等[34]的研究结论一致。此外，景区土壤侵蚀量还受地形坡度、排水条件、气候等自然因子的影响[35]，但主导因子仍为干扰强度。天山北坡属国家级水土流失重点区，其特殊的地形、气候条件决定了生态环境的脆弱性。随着区域旅游经济的迅猛发展，生态环境面临严峻的挑战，水土资源环境成为制约其经济社会发展的重要因素[36]。西白杨沟流域作为天山北坡水蚀典型区，旅游干扰所造成的危害除土壤侵蚀加剧外，还表现为对景区植被群落健康的损害、对植被生态系统的扰动，进而导致景区生态环境质量下降。土壤理化性质与植被覆盖度对旅游干扰水蚀经济损失响应较为敏感，其中植被覆盖度对其响应敏感度更高，进一步印证了朱明勇等[13]的研究成果。本研究样地设置主要集中于蒙古包附近0～50 m 范围内，尽管旅游干扰所占面积与整个流域相比较小，但游客对于土壤、植被的踩踏必然会对整个流域产生影响，造成本地植被消失、外来物种入侵、土壤板结等不良影响[37]。

单位面积水蚀经济损失与旅游干扰强度、土壤侵蚀量具有显著相关性。本研究通过定量分析发现，干扰强度高于轻度时，以植被多样性损失为主，其次为土壤养分损失，这与周涛等[12]、朱明勇等[13]研究结果相异，其原因可能在于土壤侵蚀指标的界定、参数的选取、评估方法与结果表达的差异以及人为干扰下土壤侵蚀危害性更高等因素所致[5，13]。此外，景区游客成为旅游资源受益者的同时，还需承担旅游干扰造成的经济损失，依据水土保持生态补偿政策与“谁污染谁付费”的环境经济学原理，ND、LD、MD、SD区游客承担损失费用分别为0、21.03、17.74、26.05 元·人-1。中度干扰下游客承担费用低于轻度、重度干扰，可见中度干扰更有利于景区经济的发展，这证实了孙飞达等[11]的研究结果。

本研究虽已开展了旅游干扰下土壤、植被等的水蚀经济损失评估，但缺乏对降雨、地形因子与水蚀经济损失关联性研究，且骑马作为景区旅游中一种常见的娱乐项目，多在旅游景点集中使用，骑马项目的开展使得景区土壤、植被遭受毁坏与践踏，地表裸露程度进一步扩大，水蚀现象严峻。Cole 等[38]与王庆锁等[39]认为马匹践踏与游客踩踏对土壤、植被破坏程度不一，所造成的水蚀情况相异，产生的水蚀经济损失也存在差异。因而马匹践踏对景区水土、植被等造成的影响需进一步探讨。