降雨、积雪以及土地利用复合影响下的额尔齐斯河流域土壤侵蚀分析

张晓敏， 张东梅， 王 莉， 张 伟

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院，冰冻圈科学国家重点实验室，兰州 730000； 2.中国科学院青藏高原研究所，青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室，北京 100101；3.中国科学院大学，北京 1000409)

土壤侵蚀是全球所面临的严峻问题，在自然和人类活动影响的双重作用下，土壤侵蚀越来越显严重的趋势。近年来，由于人类活动的日益加剧，造成全球土地利用类型的变化，使土壤侵蚀总量增加了2.5%，从而使土壤流失率比成土率增加了1～2个数量级。我国是土壤侵蚀影响较为严重的国家之一，2018年水利部发布水土流失监测结果，流失总面积达273.69万km，占国土总面积的28.6%。土壤侵蚀对生态环境产生负面影响，主要表现为土壤质地降低、农业生产下降、水质恶化、栖息地破坏和土壤微环境恶劣等问题。已有研究指出，土壤侵蚀可能导致生态系统服务功能逐渐退化甚至丧失，这将会威胁流域的生态安全与人类长久生存。

降水是造成土壤水力侵蚀的最关键因素，侵蚀强度则取决于表层土壤物理性质、地形、植被和地表径流以及由它们综合产生的水文过程。在寒区，冰冻圈要素显著影响其水文过程。有研究表明，随着暖湿化对冰冻圈的影响，寒区尤其在高亚地区土壤侵蚀会越来越严重。就积雪而言，尽管降雪本身不会对土壤侵蚀产生直接影响，但春季融雪水文过程会加重土壤侵蚀，特别在融雪水比例高的流域，融雪造成的土壤侵蚀十分严重。这使得寒区，特别是高寒山区生态环境变得更为脆弱，同时也进一步加重高山地质灾害。因此，积雪的出现使土壤侵蚀过程更为复杂，人类活动导致的土地利用变化也进一步加剧这种复杂性。总体来说，充分了解冰冻圈和人类活动复合影响下的土壤侵蚀是合理治理寒区和高山区水土流失、保护生态环境、同时维护当地农牧业和民生发展的科学前提。

目前，土壤侵蚀的研究很多集中在小尺度区域，如特定研究区域的某一坡向、坡面及整个流域内，这些研究多基于确定样地的小区试验和考虑单一降水驱动。土壤侵蚀模型主要包括8类、82个水蚀模型，通用土壤流失方程(universal soil loss equation，或USLE)是研究不同土地利用类型、不同流域和不同空间位置下的土壤侵蚀。美国斯坦福大学、大自然保护协会(TNC)与世界自然基金会(WWF)联合开发了生态系统服务和权衡综合评估模型(integrated valuation of ecosystem services and trad-offs，InVEST)并受到广泛关注。其中InVEST模型中的土壤侵蚀模块是在USLE的基础上加以修正，从而提升了土壤侵蚀结果模拟的准确性。目前，该模型已被广泛使用于流域、自然保护区、省和国家等不同尺度的土壤侵蚀评估。此外，由于模型对降水和地类的参数敏感，从而用以评估气候和土地利用变化背景下造成的土壤侵蚀结果变化。

新疆的北疆地区是我国的三大积雪区之一，发源于阿尔泰山的额尔齐斯河是北疆最大的河流和我国唯一注入北冰洋的国际河流。已有研究表明，积雪融水占额尔齐斯河全部水资源的29%，其中春季融雪径流占春季径流量的比例更是高达72%。然而，由于地处我国西北边境地区，且分布有喀纳斯国家级自然保护区和阿尔泰山河源自然保护区，使该地区的人类活动相对较弱。丰富的积雪资源和较弱的人类活动为研究融雪过程对土壤侵蚀的影响提供了理想的区域。因此，本文将通过构建额尔齐斯河流域的InVEST模型，分别量化区域土壤侵蚀空间分布以及降雨、春季融雪和土地利用对土壤侵蚀的复合作用。研究结果将有助于进一步探索冰冻圈土壤侵蚀。

1 研究区概况

额尔齐斯河发源于新疆维吾尔自治区富蕴县阿尔泰山南坡，是阿勒泰地区第1大河，新疆的第2大河，我国唯一流入北冰洋的国际河流。研究区处于西风带控制区，属于典型的大陆性半干旱气候，上游是森林，降水较多；中游是平原，降水量稀少；下游是森林和沼泽覆盖区域，降水量丰富。上游主要靠积雪融水、冰川融水和降水补给;下游主要来源于积雪融水、降水和壤中水。该流域处于纬度多年冻土的南界区域，降雪占比大，每年11月至翌年3月为降雪，4月和10月为雨夹雪，5-9月为降雨。因地形影响，呈现北高南低、西高东低的走势，导致全部支流都由北向南汇入干流。流域内优势树种主要包括西伯利亚落叶松(Ledeb.)、西伯利亚云杉()和白杨(Carr)，这些物种均抗旱耐寒。该流域近年来，随着新疆经济的发展，额尔齐斯河流域所在的地区已成为北疆地区最重要的水源地之一。

图1 研究区地理位置及地形

2 数据与方法

2.1 数据来源

模型输入数据包括DEM、降水数据、NDVI、积雪覆盖数据、土壤属性数据和土地利用数据，其来源见表1。本文选取2000年、2005年、2010年和2015年的数据作为模型输入(采用Krasovsky_1940_Albers投影坐标系)。

表1 数据类型及来源

2.2 研究方法

InVEST模型中的土壤侵蚀模块(sediment delivery ratio)以修正的通用土壤流失方程(RUSLE)计算方法为基础，模型输入参数包括降水侵蚀力因子()、土壤可蚀性因子()、植被覆盖和作物管理因子()、水土保持措施因子()及地形因子()。模型输出包括逐栅格以及流域尺度的土壤侵蚀状况。

2.3 重要方程和关键参数确定

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

=××××

(1)

式中：为实际土壤侵蚀量[t/(hm·h·a)]；为降水侵蚀力因子[(MJ·mm)/(hm·h·a)]；为土壤可蚀性因子[(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)]；为地形因子(为坡长因子，为坡度因子)；为植被覆盖与作物管理因子；为水土保持措施因子。

2.3.1 降水侵蚀力() 降水侵蚀力因子是指降水造成土壤侵蚀的大小，是土壤侵蚀的主导因素。降雪量显著的地区需要考虑融雪径流侵蚀作用的影响。本文假设融雪和降雨综合影响取决于总产流，并使用Wischmeier月尺度经验公式来计算降水侵蚀力：

(2)

式中：为降水侵蚀力[(MJ·mm)/(hm·h·a)]；为4-6月融雪等价降水量(mm)和降雨量(mm)的总和，7-10月降雨量(mm)；为年降水量(mm)。

需要注意的是，额尔齐斯河流域每年的11月至翌年3月，降水主要以降雪的形式发生，降雪累积于地表并不会对土壤造成侵蚀。已有研究表明，额尔齐斯河流域的积雪消融从4月开始，到6月底结束。结合积雪覆盖面积数据，将11月到翌年3月5个月降雪累加，根据4—6月积雪消融状况分布到整个流域上得到等价月降水量。

2.3.2 土壤可蚀性() 土壤可蚀性因子是指由土壤理化性质自身差异引起土壤侵蚀量的变化，本研究采用Williams等提出的EPIC模型，公式为：

(3)

(4)

式中：为土壤可蚀性[(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)]；SAN为沙粒含量值(%)；SIL为粉粒含量值(%)；CAL为黏粒含量值(%)；为有机碳含量值(%)；0.131 7表示美制单位转换为国际单位的系数。

2.3.3 植被覆盖与作物管理因子() 植被覆盖与作物管理因子是指植被和耕作对土壤侵蚀的影响，其值介于0～1，其值越大，土壤侵蚀越严重。由于该地区的人类活动相对较弱，耕作方式也相对固定，并且该流域土地利用以林地、草地和未利用地为主，耕地占比较少(占总面积的4%左右)，与植被覆盖度关系比较密切。因此，可采用蔡崇法等估算值的方法。同时，考虑到耕地和水域的特殊性，本文根据相似区域研究调整耕地和水域的植被覆盖因子(表2)。具体公式为：

(5)

(6)

式中：为植被覆盖与作物管理因子；为植被覆盖率(%)；NDVI为归一化植被指数；NDVI为无植被覆盖区域的NDVI值；NDVI为完全被植被所覆盖的像元的NDVI值。分别取置信区间为5%和95%的NDVI值作为NDVI和NDVI。

2.3.4 水土保持因子() 水土保持因子指采取过相关措施后的土壤流失量与没有采取相关措施的土壤流失量的比值。取值范围在0～1，0表示土壤不会被侵蚀，1表示此区域没有采取任何保护措施时，土壤易被侵蚀，地形与坡度的大小是主要影响因素。本文参考InVEST模型手册以及相似区域研究结果，并结合当地土地利用数据来确定相应的土地利用类型的值(表2)。

表2 植被覆盖与作物管理因子C及水土保持因子P

3 结果与分析

3.1 2000-2015年土地利用变化

从土地利用转移矩阵(表3)显示，草地是流域内最主要的土地利用类型，约占流域面积的48%，其次是林地和未利用地，分别约占10%和35%。该时段内此流域土地利用未发生大的变化，总转移面积占流域总面积的4.19%。不同土地利用类型间发生一定程度的转出和转入变化，耕地面积增加1 505.90 km，主要来自草地和未利用地的流失；水域面积增加99.18 km，主要来自未利用地；城乡、工矿和居民用地面积增加91.88 km；未利用地面积减少1 398.28 km，主要转化为耕地；林地和草地面积分别减少25.64，273.05 km。

表3 2000-2015年额尔齐斯河流域土地利用类型转移矩阵 单位：km2

3.2 降雨、积雪和土地利用变化对土壤侵蚀的影响

3.2.1 降雨对土壤侵蚀的影响 通过InVEST模型计算可以得到2000—2015年降雨对土壤侵蚀影响的空间分布(图2)，2000—2015年土壤侵蚀空间分布呈现带状和点状分布，主要集中在高海拔区域。如只考虑降雨不考虑土地利用变化，土壤侵蚀量在这4个时期呈现出先升高后降低的趋势(表5)。2000年和2005年的月降水量相较于其他年份更为充沛，导致降水侵蚀力因子较高，进而导致这2年的土壤侵蚀量高于其他年份。从一定程度上讲，额尔齐斯河流域所呈现的干旱、降雨少的特征，是该流域整体土壤侵蚀相对较小的一个原因。此外，研究区域内草地和林地利用类型占总面积的60%左右，植被覆盖度较高，也有效降低了流域的土壤侵蚀。

注：根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)[27]，将土壤侵蚀分为6个不同的等级，微度侵蚀≤5 t/(hm2·a)、轻度侵蚀(5，25] t/(hm2·a)、中度侵蚀(25，50] t/(hm2·a)、强烈侵蚀(50，80] t/(hm2·a)、极强烈侵蚀(80，150] t/(hm2·a)和剧烈侵蚀>150 t/(hm2·a)。图2 降雨对土壤侵蚀的影响

3.2.2 降雨、融雪和土地利用对土壤侵蚀的复合影响 为厘清降雨、融雪和土地利用变化的复合影响，以2000年降雨对土壤的侵蚀为基准，建立了3个土壤侵蚀情景(表4)：(1)降雨和土地利用变化对土壤侵蚀的复合影响；(2)降雨和融雪对土壤侵蚀的复合影响；(3)降雨、融雪和土地利用变化对土壤侵蚀的复合影响。

表4 土壤侵蚀情景

情景(1)的土壤侵蚀见图3a。与图2相比，空间分布基本无变化，但考虑2000年以后3个时期1.67%，2.02%和4.19%的土地利用变化的复合影响使得整个流域的土壤侵蚀量分别增加了3.49%，3.02%和3.31%(表5)，其变化幅度不同主要取决于不同土地利用类型之间的转化面积。2005—2015年草地、林地和未利用地面积减少，耕地面积增加，因此加剧了整个流域的土壤侵蚀。实际上，此流域作为新疆最重要的畜牧业基地之一，长期以来一直以草原畜牧业为主，除了天然草地上极少数有围栏放牧外，基本上没有正规的轮牧，这种草地利用方式在时空上存在不平衡现象，高海拔地区草地利用较少，而低海拔地区又存在过度放牧，导致天然草地退化和荒漠化，且林地面积呈现下降趋势，这些土地利用变化加剧了土壤侵蚀。

情景(2)的土壤侵蚀见图3b。结果表明，占年降水量30.49%，23.10%，38.46%和35.26%积雪的春季融水使土壤侵蚀量陡增249.00%，88.00%，843.00%和566.00%，年平均侵蚀量较单一降雨侵蚀增加了2 008.03万t，融雪降雨情景下侵蚀量是单一降雨侵蚀的4.2倍(表5)。由此说明，积雪在春季融化引起的融水径流会严重加剧流域土壤侵蚀。从图3b可以看出，流域内侵蚀量高值区主要分布在高海拔地区，这是由于该区域降雨和春季积雪融水量本身较低海拔区域高，融雪期内较低的植被覆盖度和较大的地形起伏度进一步增加了土壤遭受侵蚀的可能性。

情景(3)的土壤侵蚀见图3c，与图3b相比，空间分布基本无变化，但进一步考虑土地利用的变化下，2000年后3个时期土壤侵蚀量在此基础上又分别增加2.99%，2.16%和3.50%(表5)。研究区内微度和轻度侵蚀区为主，分布广泛；中度、强度、极强度和剧烈侵蚀区域占比较少，主要分布在起伏度较高的高海拔区，这表明地形地貌对土壤侵蚀强度的变化有着重要影响。

图3 降雨、融雪和土地利用变化对土壤侵蚀的复合影响

降雨、融雪和土地利用变化对土壤侵蚀复合影响的程度，特别是融雪对季节性土壤侵蚀影响的放大程度主要取决于春季降雨量。流域内4个时间段的年降雨分别为165.30，178.90，153.40，151.80 mm，相对于2000年，后3个时期的降雨变化分别为8.23%，-7.20%和-8.17%。同期的积雪为63.60，50.10，94.10，81.60 mm，相对于2000年的变化为-21.26%，47.96%和28.30%。对于复合影响起到关键作用的融雪期(4—6月)降雨则分别为87.00，91.90，62.70，54.7 mm。占年降水量30.49%，23.10%，38.46%和35.26%的积雪使土壤侵蚀量分别增加249.00%，88.00%，843.00%和566.00%。需要注意的是，这4个时期融雪期，2000年4—6月的降雨分别为17.80，26.20，42.90 mm，融雪量和降雨量总和分别为81.40，32.70，44.20 mm；2005年4—6月的降雨分别为17.70，45.50，28.70 mm，融雪量和降雨量总和分别为62.70，47.10，32.90 mm；2010年4—6月的降雨分别为14.10，26.30，22.20 mm，融雪量和降雨量总和分别为87.00，38.30，31.50 mm；2015年4—6月的降雨分别为15.40，15.50，23.80 mm，融雪量和降雨量总和分别为86.60，21.00，28.50 mm。由此可以看出，融雪对侵蚀的放大作用取决于当月的积雪消融量和降雨量大小，两者的和越大造成的侵蚀越大。以2000年为基准，2005—2015年降水量对土壤侵蚀的作用大于土地利用变化(表5)，因此，此区域土壤侵蚀主要是由降水造成的，气候变化对土壤侵蚀有负面影响，同时日益增加的人类活动导致的土地利用改变进一步加剧了土壤侵蚀。

表5 降雨、融雪和土地利用变化对土壤侵蚀的影响

4 讨 论

本研究中，流域的上游土壤侵蚀强度大，该区域海拔较高，地形起伏较大，积雪厚且存留时间久，再加上土壤自身理化性质的影响以及大面积的未利用地没有采取水土保持措施，导致该区域土壤侵蚀量高。积雪和融雪过程主要影响土壤侵蚀的驱动因素，即降水和产汇流机制。额尔齐斯河流域所处区域纬度较高，冬季积雪较厚并且持留时间长，11月至翌年3月属于积雪积累期，基本不造成土壤流失。春季积雪融化，早春融雪期表层土壤比底层消融早且形成渗透性极弱的不透水层，融水容易集流并具有很强的冲刷能力。因此，寒区降雪导致的侵蚀滞后会带来的更大侵蚀风险。在降雨径流与融雪径流的双重作用下,形成较大的土壤侵蚀。因此，积雪融水和降雨的复合影响极大加剧了高寒地区的土壤侵蚀。此外，融雪期内植被覆盖度通常相对较低，进一步增加了土壤遭受侵蚀的可能性。需要注意的是，在冬季积雪大面积分布的地区，融雪径流及其产生的土壤侵蚀量占有相当大的比例，融雪侵蚀机理研究仍然相对比较欠缺。本文采用等价降雨的处理方法，应该通过野外实地融雪径流泥沙过程观测进一步完善，进而为融雪侵蚀的过程及机理研究、融雪侵蚀预报及水土保持措施的科学布设提供理论依据。

气候变化主要体现在降雨量和融雪量的大小以及空间分布的差异性，从而直接影响土壤侵蚀，而土地利用的变化则通过影响土壤自身属性，进而影响土壤侵蚀。从土地利用的变化来看，林地和草地减少，耕地增加，加剧土壤侵蚀。因此，为了减少该地区水土流失，应落实退耕还林还草政策，防止土地由林地、草地向耕地转化。从降水的变化来看，降水增加，尤其是强降雨和春季融雪量的增加，使得土壤侵蚀加剧，导致土壤侵蚀量呈现波动变化。新疆的北部地区气候干燥，湿度下降，自然植被均呈现出逐渐退化演替的状况，进一步加剧了土壤侵蚀。在土壤侵蚀的防治工作中，林、草地对减少土壤侵蚀量起到决定性的作用。植被对沉积物和径流侵蚀产生一定的抵抗和控制作用，同时地表植被增加对土壤侵蚀的阻力，以此减少水土流失。因此，在目前的治理基础上需要人工建植、合理放牧等方式扩大植被的覆盖面积，提高该地区的水土保持生态效率。高寒区的土壤侵蚀有其特殊性，需要针对性的保护措施。通过有效的土地利用管理加强自然资源的保护是一种有效措施。尤其在我国西北地区，加强林草地保护，构建生态安全屏障，减少人为干扰，恢复退化植被，促进植被天然更新，巩固退耕还林还草，提高植被覆盖度，禁止陡坡开垦和种植等，可以提高土壤保持能力，对减少土壤侵蚀具有重大作用。

研究区位于气候条件恶劣、海拔较高、人迹罕至的偏远高山地区，气象台站监测密度稀缺，即使近几年已加强气象要素的观测但仍缺乏长期的记录，对于降水侵蚀力计算所需的降水数据，尤其是较小区域的数据明显不足。各个国家和地区建立的降水侵蚀力方程往往存在着区域局限性，许多未进行公式建立地区的土壤侵蚀估算存在着很大的不确定性。由于融雪侵蚀机理的复杂性，使得融雪侵蚀力的计算存在很多问题，目前还没有一个通用的经验公式。本研究中采用广泛使用的月尺度和年尺度降水数据与降水侵蚀力的经验公式来估算降水侵蚀力，同时假设融雪侵蚀和降雨侵蚀过程一样，使得融雪侵蚀以及总的土壤侵蚀估算结果存在很大的不确定性。模型参数的取值主要参考相关文献，应该进一步对值研究，使模拟结果更接近实测数据。该模型以土地利用类型为输入参数，忽略了空间位置分布的差异性，对同一种土地利用类型赋相同值，从而导致模拟结果与实际情况产生偏差。

5 结 论

(1)额尔齐斯河流域土地利用类型以林地、草地和未利用地为主，2000—2015年土地利用格局发生明显改变，耕地面积增加，草地、林地和未利用地面积减少。

(2)2000—2015年土壤侵蚀量呈现先升高后降低的趋势，并且空间分布基本一致，呈现带状和点状分布，侵蚀强度高值区域主要集中在高海拔地区。

(3)与单一降雨变化土壤侵蚀量(基准)相比，2005—2015年土地利用变化和降雨的复合影响使整个流域土壤侵蚀量相对于分别增加了3.49%，3.02%，3.31%。2000—2015年占年降水量30.49%，23.10%，38.46%，35.26%的春季积雪融水，使流域土壤侵蚀量陡增249.00%，88.00%，843.00%，566.00%。

总体上，春季融雪过程是造成额尔齐斯河流域土壤侵蚀量显著增加的重要因素，人类社会经济活动导致的土地利用变化会进一步加剧对土壤侵蚀的影响。

致谢：感谢中国科学院西北生态环境资源研究院王晓明研究员和中国科学院青藏高原研究所张凡研究员对论文提出的宝贵意见。