评估放牧干扰对天山北坡土壤侵蚀及空间特征的影响

胡贵锋, 王新军, 常梦迪, 闫立男, 韩其飞, 李菊艳, 李永康

(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.南京信息工程大学 地理科学学院, 南京 210044; 4.新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站, 乌鲁木齐 830000)

土壤侵蚀是全球最突出的土地退化问题，草地土壤侵蚀占全球80%[1]。放牧活动作为人为干扰草地生态系统的主要形式之一，一方面可促进区域经济发展，然而另一方面过度放牧则会引起草地退化、土壤侵蚀等一系列生态环境问题[2]。我国草地主要集中在生态环境脆弱的干旱半干旱区，人为干扰引起的危害程度深、时间长。放牧活动对土壤侵蚀的影响是区域降水、地形、土壤等自然因子和放牧活动叠加的结果，因此从放牧活动对土壤侵蚀影响的机理过程出发，定量评估放牧活动对区域土壤侵蚀的影响，明确牧区土壤侵蚀空间特征，对干旱区草地牧场水土保持工作具有重要意义。

目前，关于放牧和草地土壤侵蚀研究颇多，可分为定性或定量描述牧区土壤侵蚀现状两个方向[3-4]，样点和区域评估两个尺度[5-6]，利用侵蚀产沙试验等手段探明放牧干扰下的侵蚀产沙特征、对放牧活动和土壤侵蚀的中间因子进行分析(如土壤理化性质、生物量、土壤可蚀性因子等)及利用经验模型分析三大层次[7-9]，区域主要集中在内蒙古草原和青藏高原高寒草原[10-11]。已有研究多通过放牧强度与区域土壤侵蚀特征的相关性分析来表征放牧对土壤侵蚀的影响，仅能评估放牧叠加在自然状态之上的土壤侵蚀特征，未从机理过程模拟放牧对土壤侵蚀的影响[12-13]，难以评估放牧对土壤侵蚀影响的程度。因此需要一种方法剥离自然条件下的土壤侵蚀，定量评估放牧活动对土壤侵蚀的影响，并阐明牧区的土壤侵蚀空间特征，为制定牧区合理放牧强度和水土保持工作提供理论依据。放牧活动对植被的采食及引起土壤物理性状的变化使草地生物量变化显著，因此草地生物量可以作为放牧活动对土壤侵蚀影响的表征因子[14-15]。陆地生态系统过程模型在研究人类干扰对生态系统结构与功能影响中普遍使用，其中Biome-BGC模型可以用来估算陆地生态系统碳、氮、水储存及通量[16-18]，已得到广泛应用[19-20]；落叶方程是评估牲畜对草地生物量采食量的有效经验模型[21]，将二者结合进而探讨放牧干扰对草地生物量影响研究已成为一种趋势[22-23]；中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation，CSLE)是适用于我国土壤侵蚀评估研究的经验模型[24-25]，生物措施因子(B)与植被覆盖度(f)、生物量联系紧密[9]。基于以上理论，从“放牧干扰—生物量—土壤侵蚀”机理链条出发定量评估放牧活动对土壤侵蚀的影响成为可能。

天山北坡中段处于亚欧大陆干旱区中部，其生态系统为陆地生态系统最脆弱组成部分之一[26]。受降水和地形影响，天山北坡土壤侵蚀情况严峻，且山地草原放牧活动使得土壤侵蚀情况日益加剧[27]，因此，基于Biome-BGC模型、落叶方程及CSLE模型，从“生物量—放牧采食—生物措施因子—土壤侵蚀”机理链条出发，定量表征放牧干扰对土壤侵蚀的影响，阐明天山北坡放牧干扰前后土壤侵蚀空间特征，可为天山北坡牧场的放牧规划和水土保持工作提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆维吾尔自治区天山北坡中段(84°83′—88°97′ E，42°92′—44°34′ N)。海拔450～5 300 m，地形以山地为主。属中温带大陆性气候，7月份均温24.4℃，1月份均温-18.4℃，年平均气温约2.6℃，蒸发量1 000～2 000 mm；年均降水量173.3 mm，6—8月降水量约占全年68%，降水量呈逐年增加趋势。土地利用方式主要为草地和林地，土壤类型有棕钙土、栗钙土、黑钙土、灰褐土、黑毡土、草毡土等。人类干扰主要为轮牧制度的草场放牧，海拔自低至高依次为春秋牧场、冬牧场和夏牧场三大季节牧场，主要放牧牲畜有羊、牛、马、骆驼和驴等。

1.2 数据获取

(1) 气象数据。从国家气象科学数据中心(http:∥data.cma.cn/)获取研究区内乌鲁木齐牧试站、天池站、呼图壁站、达坂城站2019年逐日气象观测数据，基于其中最高温、最低温和降水日值数据，利用MT-CLIM山地气候模拟器[16-18,28]插值获取各模拟点的Biome-BGC模型气象输入数据。

(2) 生理生态参数数据。Biome-BGC模型模拟采用C3草地植被生理生态参数，其中针对天山北坡植被修正的参数均通过已发表文献获取[21,23,29]，其他参数均采用White等[16]针对C3草地校正的值。

(3) 样点土壤理化性质与植被特征。按照系统分层采样法[9]在研究区设计84个样点进行土壤采样，并测量记录样点内植被株高、单位面积地上生物量等信息。使用油浴加热重铬酸钾氧化容量法测定土壤有机质含量，筛分法和比重计法测定土壤质地[9]，数码相机照相法获取草地植被盖度。

(4) 放牧数据。通过统计年鉴资料，遴选牧区乡镇放牧牲畜数量，转化为标准羊数据作为放牧强度(按照全国畜牧业标准化技术委员会2015年《天然草地合理载畜量的计算》标准[30]结合研究区实际情况转换)。牧区乡镇根据主要土地利用类型和主要从业人口类型划分。

(5) 空间数据。基于新疆维吾尔自治区测绘局1∶10 000地形图处理得到空间分辨率为10 m的数字高程模型数据(DEM)；基于实地调查和遥感解译绘制研究区季节牧场范围数据。

1.3 研究方法

本文基于多种模型方法(Biome-BGC模型、落叶方程、CSLE模型等)，分析放牧干扰对土壤侵蚀及其空间特征的影响。

1.3.1 Biome-BGC模型 Biome-BGC模型[16-18]是用来估算陆地生态系统碳、氮、水储存及通量的基于过程的生态系统模型。可通过输入研究区气象数据、生理生态参数和站点参数，模拟总初级生产力(GPP)、净初级生产力(NPP)和净生态系统碳交换量(NEE)等。气象数据：日最高和最低温度、日平均温度、日降雨量、日平均水汽压差、日平均短波辐射通量密度和昼长；生理生态参数：物候、根/冠比和比叶面积等；站点参数：纬度、高程、土壤质地等。基于Biome-BGC 4.2版本模型(NTSG：http:∥www.ntsg.umt.edu/project/biome-bgc.php)，设置草地类型为 C3草地，输入各样点的气象、生理生态参数和站点数据，模拟各样点草地NPP。以0.45转化比[31]，将NPP(gC/m2)和生物量(g/m2)进行转化。

1.3.2 落叶方程 由于Biome-BGC模型仅能估算自然状态下生物量，无法模拟放牧干扰对生物量的影响，因此引入落叶方程[21]。落叶方程由 Seligman等建立，可通过输入放牧强度、初始生物量、放牧效率等参数，得出牲畜采食的生物量。采用落叶方程模拟放牧干扰对生物量的影响，公式为：

Dr=GeSr(Cleaf-(Cleaf)U) (0

(1)

式中:Dr为落叶速率[kg/(hm2·d)]；Ge为牲畜放牧效率[hm2/(d·羊)]；Sr为放牧强度[羊/(d·hm2)]；Cleaf为初始生物量；(Cleaf)U为牲畜无法采食的生物量(kg/hm2)；Dx为牲畜饱和消费速率(kgC/m2)。

1.3.3 生物量-植被覆盖度模型构建 基于2019年夏季天山北坡牧场84个样点，每个样点3个重复样方，获取的实测生物量(BI)、植被覆盖度(f)、牧草平均株高(H)数据，按照“BI=f×H”的模型理论，利用SPSS软件将f×H得到的“植被体积(X)”和“BI”进行模型回归，模型R2达到0.702 3，n=186，公式如下：

BI=11.238X0.395

(2)

f=BI2.53/5635.9 (BI>188,f=100%;BI=0,f=0)

(3)

式中:BI为生物量(g/m2)；X为样方内植被体积；f为植被覆盖度(%)。

将式(2)中株高H取平均值得到式(3)，计算得出放牧干扰前后植被覆盖度for和fgr。

1.3.4 CSLE模型 CSLE模型是刘宝元参考USLE模型提出适用于我国的土壤流失评价模型[32]，公式为：

A=R·K·L·S·B·E·T

(4)

式中:A为单位面积年均土壤流失量[t/(hm2·a)];R为降雨侵蚀力因子[(MJ·mm)/(hm2·h·a)];K为土壤可蚀性因子[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)];L为坡长因子;S为坡度因子;B为生物措施因子;E为工程措施因子;T为耕作措施因子。其中L,S,B,E,T因子为无量纲,B,E,T因子值介于0～1。

降雨侵蚀力因子(R)：利用日雨量模型[33]，计算近18 a年均降雨侵蚀力，采用Kriging插值法得到降雨侵蚀力图(图1A)；土壤可侵蚀性因子(K)：考虑放牧对土壤渗透性和土壤结构的影响，采用修正诺谟法[34]估算样点土壤可蚀性值，使用Kriging插值法结合土壤类型空间分布图得到土壤可蚀性图(图1B)；坡长坡度因子(LS)：采用分段坡度坡长因子公式[35]，结合刘宝元[36-37]、McCool[38]等的研究成果计算得出坡度坡长因子图(图1C)。研究区内主要为天然草场放牧，无相关工程措施和耕作措施，因此工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)赋值为1。生物措施因子(B)：使用蔡崇法等[39]的方法，基于式(5)得出的放牧干扰前后植被覆盖度估算放牧干扰前后B值，使用Kriging插值法得到放牧干扰前后生物措施因子(图1D、E)，公式如下：

(5)

式中:B为生物措施因子;f为植被覆盖度(%)。

基于CSLE模型理论，利用栅格计算器得出天山北坡季节牧场土壤侵蚀模数(图1F，G)和土壤侵蚀强度图(图1H，I)。

图1 天山北坡牧场CSLE因子空间特征

2 结果与分析

2.1 Biome-BGC模型验证

将Biome-BGC模型模拟草地生物量值与实测草地生物量值进行对比，R2，RMSE分别为0.85，6.169 [gC/(m2·a)]，表明Biome-BGC模型能够较好模拟天山北坡草地生物量(图2)。

图2 生物量实测值与模拟值对比

2.2 天山北坡牧场放牧干扰前后土壤侵蚀空间特征

2.2.1 天山北坡牧场放牧强度空间特征 2019年天山北坡牧场平均放牧强度8.11羊/hm2；季节牧场放牧强度冬牧场>夏牧场>春秋牧场；县域放牧强度昌吉市>阜康市>沙湾县>呼图壁县>达坂城区>乌鲁木齐县>玛纳斯县；县域中沙湾县、呼图壁县、昌吉市及阜康市超过县域平均放牧强度(表1)。

表1 天山北坡牧场2019年放牧强度 羊/hm2

2.2.2 放牧干扰前后生物量空间特征 天山北坡牧场放牧干扰前和干扰后的生物量空间特征，在季节牧场未发生改变，均呈现出春秋牧场>夏牧场>冬牧场的特征。此特征可能由季节牧场的海拔和降水共同导致：一方面，季节牧场海拔自高至低依次为夏牧场、冬牧场、春秋牧场，低海拔牧场可为草地植被生长提供更充足的热量条件，因此春秋牧场生物量最大；另一方面中山带以下降水量随海拔升高而增加[23]，降水量上夏牧场大于冬牧场，因此在水分和温度双重作用下，夏牧场和冬牧场生物量接近。天山北坡牧场放牧干扰前和干扰后的生物量空间特征，在县域发生改变，但变幅较小，放牧干扰前呈现出沙湾县>达坂城区>玛纳斯县>阜康市>乌鲁木齐县>呼图壁县>昌吉市的特征，而放牧干扰后转变为沙湾县>达坂城区>玛纳斯县>呼图壁县>乌鲁木齐县>阜康市>昌吉市的特征，主要变化为阜康市放牧干扰后转变为低于呼图壁县 (图3)。

2.2.3 放牧干扰前后生物措施因子空间特征 天山北坡牧场放牧干扰前和干扰后的生物措施因子空间特征，在季节牧场未发生改变，均呈冬牧场>夏牧场>春秋牧场的格局；在县域发生改变，但变幅较小，放牧干扰前呈现出昌吉市>阜康市>乌鲁木齐县>呼图壁县>达坂城区>沙湾县>玛纳斯县的特征，而放牧干扰后转变为昌吉市>阜康市>乌鲁木齐县>达坂城区>呼图壁县>沙湾县>玛纳斯县的特征，主要变化为呼图壁县放牧干扰后转变为低于达坂城区(表2)。

注：1沙湾县；2玛纳斯县；3呼图壁县；4昌吉市；5乌鲁木齐县；6阜康市；7达坂城区；A夏牧场；B冬牧场；C春秋牧场；T天山北坡。下同。

表2 天山北坡牧场放牧干扰前后生物措施因子B值

2.2.4 放牧干扰前后土壤侵蚀空间特征 天山北坡牧场放牧干扰前和干扰后的土壤侵蚀模数空间特征，在季节牧场未发生改变，均呈夏牧场>冬牧场>春秋牧场特征；在县域发生改变，但变幅较小，放牧干扰前呈乌鲁木齐县>昌吉市>阜康市>达坂城区>呼图壁县>玛纳斯县>沙湾县特征，而放牧干扰后转变为乌鲁木齐县>阜康市>达坂城区>昌吉市>呼图壁县>玛纳斯县>沙湾县特征，主要变化为昌吉市放牧干扰后转变为低于阜康市和达坂城区(图4)。

图4 天山北坡牧场放牧干扰前后土壤侵蚀模数及增幅空间特征

2.3 放牧干扰对天山北坡牧场土壤侵蚀影响特征

2.3.1 放牧干扰对生物量影响特征 以落叶速率(Dr)定量表征放牧干扰对草地生物量的采食量。2019年天山北坡牧场生物量在放牧干扰下平均减少4.75 [gC/(m2·a)]；季节牧场放牧干扰引起的生物量减少量，呈现出冬牧场9.09 [gC/(m2·a)]>夏牧场5.31 [gC/(m2·a)]>春秋牧场3.51 [gC/(m2·a)]的特征；县域放牧干扰引起的生物量减少量，呈现出昌吉市7.66 [gC/(m2·a)]>阜康市5.68 [gC/(m2·a)]>沙湾县5.53 [gC/(m2·a)]>呼图壁县5.28 [gC/(m2·a)]>达坂城区4.56 [gC/(m2·a)]>乌鲁木齐县3.39 [gC/(m2·a)]>玛纳斯县1.00 [gC/(m2·a)] 的特征(图3)。将放牧强度和Dr进行相关分析，天山北坡牧场采食生物量随放牧强度增大而增大，相关系数高(r=0.96)，表明随放牧强度增大，天山北坡牧场生物量呈线性降低(图5)。

图5 天山北坡牧场放牧强度对落叶速率影响特征

2.3.2 放牧干扰对生物措施因子影响特征 使用生物措施因子B值增量定量表征放牧干扰对生物措施因子的影响。2019年天山北坡牧场生物措施因子在放牧干扰下平均增加0.05；季节牧场放牧干扰引起的生物措施因子增加量，呈现出春秋牧场0.383>冬牧场0.038>夏牧场0.035特征；县域放牧干扰引起的生物措施因子增加量，呈现出达坂城区0.073>乌鲁木齐县0.072>阜康市0.070>昌吉市0.045>沙湾县0.038>呼图壁县0.028>玛纳斯县0.009特征(表2)。将放牧强度和B值增量进行相关分析，可以看出B增量整体随放牧强度增大而增大，季节牧场放牧强度和B值增量间相关性冬牧场>夏牧场>春秋牧场，表明放牧干扰是冬牧场和夏牧场生物措施因子值增大的主要影响因素，而对春秋牧场生物措施因子影响小(图6)。

图6 天山北坡牧场放牧强度对生物措施因子影响特征

2.3.3 放牧干扰对土壤侵蚀影响特征 2019年天山北坡牧场土壤侵蚀强度在放牧干扰下，总体呈现出从微度、轻度、中度、强烈向极强烈和剧烈转移趋势，其中极强烈增加2.57%，剧烈增加1.4%(图1H，I)。

以放牧干扰下土壤侵蚀模数的增幅定量表征放牧干扰对土壤侵蚀的影响。2019年天山北坡牧场土壤侵蚀模数在放牧干扰下平均增幅为13.5%；季节牧场放牧干扰引起的土壤侵蚀模数增幅，呈现出春秋牧场20.65%>夏牧场15.57%>冬牧场15.46%特征；县域放牧干扰引起的土壤侵蚀模数增幅，呈现出沙湾县31.93%>阜康市24.24%>达坂城区22.04%>乌鲁木齐县7.56%>玛纳斯县5.34%>昌吉市5.30%>呼图壁县4.37%特征(图4)。

利用放牧干扰下的土壤侵蚀模数增幅和放牧强度间关系，区分季节牧场土壤侵蚀的主要影响因素为“自然条件”或“放牧干扰”。春秋牧场土壤侵蚀模数增幅随放牧强度增大而增大，r为0.66，而夏牧场和冬牧场随着放牧强度的增大土壤侵蚀模数增幅不明显，r为-0.07，表明放牧干扰是春秋牧场土壤侵蚀模数增大的主要原因，而对夏牧场和冬牧场影响不显著(图7)。

图7 天山北坡牧场放牧强度对土壤侵蚀模数影响特征

利用放牧干扰前和干扰后的土壤侵蚀模数及土壤侵蚀模数增幅3个因子间的组合特征，区分县域土壤侵蚀的主要影响因素为“自然条件”或“放牧干扰”。放牧干扰前土壤侵蚀模数高于平均值表明其自然状态下土壤侵蚀就较为严峻，低于平均值表明其自然状态下较少存在土壤侵蚀；土壤侵蚀模数增幅高于平均值，表明放牧干扰引起的土壤侵蚀增加量相对于自然状态下的土壤侵蚀量依然较大，因此表明放牧干扰对土壤侵蚀有明显影响，而低于平均值表明放牧干扰引起的土壤侵蚀增加量相对于自然状态下的土壤侵蚀量较小，因此放牧干扰对其土壤侵蚀影响不显著。综上可得，沙湾县组合特征为“低低高”，表明其土壤侵蚀主要受放牧干扰影响；玛纳斯县和呼图壁县组合特征为“低低低”，表明其土壤侵蚀受二者影响均较小；昌吉市和乌鲁木齐县组合特征为“高高低”，表明其土壤侵蚀主要受自然条件影响；阜康市和达坂城区组合特征为“高高高”，表明放牧干扰加剧了自然条件下的土壤侵蚀(图8)。

图8 天山北坡牧场县域土壤侵蚀特征

3 讨 论

3.1 不确定性分析

模拟点的Biome-BGC模型气象数据是基于站点数据利用MT-CLIM插值所得，由于气象站点稀疏及与模拟点海拔相差较大，导致插值获取的模拟点的气象数据与真实值间存在偏差[23]；Biome-BGC模型生理生态参数中仅物候、根冠比和比叶面积校正至研究区值，其余采用C3草地模型参数，与研究区真实参数尚有差异；后续研究可从获取精确气象数据、生理生态参数本地校正来提高Biome-BGC模型模拟精度。

落叶方程假设草地在垂直和水平方向上均匀，草地物种可食性均一，可能会高估动物采食量[40]。由于缺少样方内各植被物种高度数据，构建“生物量—植被覆盖度模型”时，采取了样方内平均高度，未分物种构建模型，因此一定程度上降低了模型精度。放牧践踏作用对土壤侵蚀的影响尚有争论，林慧龙等学者认为放牧干扰会降低土壤可蚀性因子，从而加剧土壤侵蚀[8]，也有学者认为放牧践踏主要为影响土壤养分、水分进而影响生物量[15]，后续研究应结合践踏等因素探讨放牧干扰对土壤侵蚀的影响。

3.2 放牧干扰对生物量及土壤侵蚀的影响

利用Biome-BGC模型模拟天山北坡牧场平均生物量为69.18 [gC/(m2·a)]，受放牧干扰影响降低至63.87 [gC/(m2·a)]；天山北坡牧场平均生物量呈现出春秋牧场>冬牧场和夏牧场趋势。此结果和周德成等[23]结果相一致。

天然放牧草地较少存在工程措施和耕作措施，因此生物措施因子为CSLE模型中主要受人为干扰影响的因子[41]，是放牧干扰对土壤侵蚀影响的核心链接点。当前生物措施因子值通常利用植被覆盖度推算得到，如本研究采用蔡崇法等利用植被覆盖度计算生物措施因子值公式计算[39]，其无法直接从放牧干扰影响的生物量因素得出生物措施因子值，而是经过植被覆盖度的多级转换所得，因此建立适用于草地的“生物量—生物措施因子”模型对牧区土壤侵蚀研究至关重要。

天山北坡牧场平均土壤侵蚀模数为41.25 t/(hm2·a)，土壤侵蚀强度整体以微度为主，但极强烈以上占比高，极强烈和剧烈主要出现在夏牧场和乌鲁木齐县、昌吉市、阜康市，均为高海拔地势陡峭和东部降水量高区域，这与已有研究吻合[9]。“放牧干扰”主要影响春秋牧场及沙湾县土壤侵蚀，应制定合理放牧强度，控制放牧干扰对土壤侵蚀的影响；夏牧场、冬牧场及县域中乌鲁木齐县和昌吉市土壤侵蚀主要由“自然条件”导致，应着力减轻自然条件下的土壤侵蚀，并禁牧以杜绝土壤侵蚀的加剧。

4 结 论

(1) Biome-BGC模型能够较好模拟天山北坡牧场生物量，模拟值和实测值间R2达0.85，RMSE为6.169 gC/(m2·a)。2019年天山北坡牧场平均放牧强度为8.11 羊/hm2；县域放牧强度：昌吉市>阜康市>沙湾县>呼图壁县>达坂城区>乌鲁木齐县>玛纳斯县。

(2) 2019年天山北坡牧场在放牧干扰下，生物量降低、生物措施因子值增大、土壤侵蚀模数升高。放牧干扰前和放牧干扰后三者的空间特征在季节牧场均未发生改变，而在县域均发生改变。其中土壤侵蚀模数的空间特征在季节牧场均为夏牧场>冬牧场>春秋牧场；而在县域干扰前为乌鲁木齐县>昌吉市>阜康市>达坂城区>呼图壁县>玛纳斯县>沙湾县，干扰后转变为乌鲁木齐县>阜康市>达坂城区>昌吉市>呼图壁县>玛纳斯县>沙湾县。

(3) 2019年天山北坡牧场在放牧干扰下，土壤侵蚀模数平均增幅为13.5%，季节牧场增幅：春秋牧场20.65%>夏牧场15.57%>冬牧场15.46%；县域增幅：沙湾县31.93%>阜康市24.24%>达坂城区22.04%>乌鲁木齐县7.56%>玛纳斯县5.34%>昌吉市5.30%>呼图壁县4.37%。2019年天山北坡春秋牧场及沙湾县土壤侵蚀的主要原因为放牧干扰，夏牧场、冬牧场及乌鲁木齐县、昌吉市土壤侵蚀的主要原因为自然条件。