青藏高原柴達木盆地東部地區的土壤侵蝕現狀調查

曹 雪， 焦菊英， 李建軍，泓錕， 王 湘， 白雷超， 孫曉晨， 陳同德， 馬曉武

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 2.西北農林科技大學 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 3.中國科學院大學， 北京 100049)

青藏高原是中國重要的生態安全屏障和戰略資源儲備基地，也是全球氣候變化最為敏感的地帶之一[1]。受全球氣候變化和人類活動的影響，青藏高原極端高溫和降水事件頻繁發生[2]，會加劇區域土壤侵蝕[3]。地處青藏高原北部的柴達木盆地是整個青藏高原氣候變化最為敏感和顯著的地區[4]。調查分析柴達木盆地的土壤侵蝕規律和治理狀況，有利于研究氣候變化和人類活動對土壤侵蝕的影響程度，尋找針對該區具體情況的土壤侵蝕防治對策，對推動青藏高原可持續發展，促進全球生態環境保護具有重要意義。

柴達木盆地是中國4大盆地之一，擁有中國第5大沙漠——柴達木沙漠，生態環境極為脆弱，同時也是中國大型能源生產基地、鹽化工開發與大型工礦業開發加工基地。隨著工業發展步伐不斷加快，柴達木盆地農業建設得以相應發展，對環境造成的壓力也越來越大[5]。長期以來，土壤侵蝕對該區的工礦、交通、農牧業帶來的危害，嚴重制約當地的經濟和社會的發展[6]。因此，研究柴達木盆地的土壤侵蝕特征，對保護土地資源和促進經濟發展具有重要的科學價值和實踐意義。目前，對于柴達木盆地土壤侵蝕現狀的研究多集中于遙感解譯數據，有針對性的實地調查數據很少。為此，課題組分別于2019，2020年和2021年7月3次赴青海省的德令哈市、格爾木市、都蘭縣等地區開展土壤侵蝕實地調查，并結合土壤風蝕速率的估算結果，尋找防治該區土壤侵蝕的有效防治措施，為促進區域水土保持與生態文明建設提供理論依據。

1 調查區概況

根據青海省第三次遙感普查結果，柴達木盆地水土流失總面積為165 500 km2，占總土地面積的64.18%，水土流失類型主要以風蝕為主，并伴有輕微的水蝕，在高山地帶局部為凍融侵蝕。其中風力侵蝕103 200 km2，占水土流失總面積的62.36%；凍融侵蝕37 300 km2，占總面積的22.56%；水力侵蝕25 000 km2，占總面積的15.08%[7]。

研究區位于柴達木盆地東部，地理位置為95°02′—99°00′E，36°24′—37°80′N，海拔2 694～4 357 m，研究區屬于典型的高原大陸性氣候，寒冷干旱，降水稀少且多集中在夏季[8]。柴達木盆地年降水量自東南部的200 mm遞減到西北部的15 mm，年總輻射量7 000～8 000 MJ/m2，年均溫度-1.4～5.1 ℃，年蒸發量2 000～3 000 mm[9]。該區全年主導風向為西風、西北風，年平均風速3.4 m/s，最大風速23 m/s，全區各地風沙的日數為2.9～29 d，格爾木最多[10]。植被稀少，以荒漠灌木、小灌木半灌木為主要植被類型[11]。

2 調查內容與方法

2.1 調查區域

柴達木盆地東部地區人口密集，耕地、林地、建設用地在分布上具有很大的一致性。因此，本研究沿德令哈市的柯魯柯鎮、懷頭他拉鎮、尕海鎮，格爾木市的東南部地區、郭勒木德鎮、大格勒鄉，都蘭縣的宗加鎮、香日德鎮、察汗烏蘇鎮共3個縣市9個樣帶，選取了耕地、撂荒地、灌草地、沙地、防風林等多種土地利用方式，共77個樣地(如圖1所示)進行考察。

2.2 調查內容與方法

2.2.1 植被和土壤調查 本研究采用樣方法進行調查。草地和耕地樣方大小為2 m×2 m，灌木樣方為5 m×5 m，沙地樣方根據沙堆大小的不同分為10 m×10 m和20 m×20 m兩種規格。調查指標有植物種類、蓋度、株(叢)數、株高等，共調查了77個樣地。同時在77個樣地針對不同土地類型及選取的沙堆進行取樣。利用土鉆采集0—20 cm土壤樣品，并記錄采樣點的地理坐標、海拔等基本信息，將土壤樣品陰干以備后續的理化性質測定。

圖1 柴達木盆地全部調查采樣點分布

2.2.2 土壤侵蝕調查 水力侵蝕調查過程主要對侵蝕溝類型、發育部位及土地利用方式進行調查。風力侵蝕調查工作主要包括填寫《全國水利普查風蝕野外調查表》(以下簡稱《風蝕調查表》)和測量植物沙堆。《風蝕調查表》包括基本情況、地表粗糙度、地表覆被狀況3部分。植物沙堆測量主要對其長、寬、高、走向4項指標進行測量。根據沙堆實際尺寸，圓形沙堆寬、高測量1組，長條形大沙堆的寬、高測量3～6組，共25個樣地。同時，還對耕地防護林帶、耕地田壟的高度和寬度進行了測量。此外，在對侵蝕溝和沙堆的調查中還采用無人機對研究區進行了航拍。無人機具體型號為DJI大疆精靈Phantom 4 Pro V2.0智能航拍無人機，航拍影像分辨率為10 cm。對于侵蝕溝的拍攝，考慮到不同地形地貌等因素的影響，航拍高度控制在200 m以內。對于沙堆的拍攝，考慮到后期提取精度問題，航拍高度控制在60 m以內。

2.2.3 土壤風蝕速率計算 本文采用第一次全國水利普查風蝕模型計算方法，分為耕地、草(灌)地和沙地3種風力侵蝕模型[12]，其中林地歸入灌草地進行計算。基于調查填寫的《風蝕調查表》，使用張學君等利用可變滲透量水文模型(variable infiltration capacity，簡稱VIC)模擬的青藏高原地區土壤濕度(ftp:∥hydro.igsnrr.ac.cn/pub /VIC _ outputs /soil _ moisture _layer1)[13]，以及德令哈站、格爾木站、諾木洪站和都蘭站等風蝕區主要氣象站獲得的長期風向風速觀測數據，最終通過計算得到土壤風蝕速率。

同時，沿調查路線對當地的防風固沙措施類型與特征進行初步判定，并記錄其地理坐標、海拔高度、損毀情況等基本信息。

3 不同利用類型土地的土壤侵蝕特征

柴達木盆地屬土壤侵蝕區劃的三北戈壁沙漠及沙地風沙區，主要侵蝕類型為風力侵蝕，在全區均有分布。凍融侵蝕主要分布在盆地的東北部和南部邊緣高山地帶。水力侵蝕主要分布在盆地的東部，集中分布在德令哈市、烏蘭縣、天峻縣等地[6]。區域內侵蝕特征差異大，且隨著全球氣候變化，柴達木盆地氣候趨向暖濕化發展，增溫顯著，降雨量持續增加[14]，顯著加劇了水土流失，使沙漠化面積不斷擴大。

調查發現，在植物生長季，耕地沒有明顯的風蝕現象，水土保持效果顯著。其主要原因在于耕地具有土地平坦、作物長勢較好，覆蓋度高等優勢。耕地植被的平均高度可達98 cm，相比于其他土地利用類型較高(灌草地平均高48 cm，沙地平均高42 cm)；另外，耕地的植被覆蓋度(10%～95%，平均蓋度54%)遠高于其他土地利用類型(撂荒地25%，灌草地25%，沙地17%，林地25%。見圖2)。撂荒地的風蝕的防控作用主要與撂荒時間有很大的關系。初始撂荒時，地表裸露，植被稀疏，抵抗風蝕能力較弱。隨著撂荒年限的增加，植被不斷生長，并逐漸向草地發展，抵抗風蝕的能力也逐漸增強；灌草地的植物種類多樣，多為多年生植物，且全年植被覆蓋度變化不大，多有礫石覆蓋，抵抗風蝕能力較強。林地多為防風固沙的楊樹林。楊樹幼林地多采用了滴灌和覆膜技術，以保障楊樹幼苗的生長，其固沙能力有限。而成熟的楊樹林結構良好，林下有灌木、禾草等植被，加之枯落物蓋度達90%，固沙能力強。沙地風沙活動最為強烈。

圖2 柴達木盆地不同土地利用類型的植被特征

利用第一次全國水利普查風蝕模型計算得到土壤風蝕速率(見表1)。計算結果表明柴達木盆地不同土地利用類型的土壤風蝕速率呈現：沙地〔118.67 t/(hm2·a)〕>耕地〔62.78 t/(hm2·a〕>撂荒地〔36.03 t/(hm2·a)〕>灌草地〔1.36 t/(hm2·a)〕。耕地土壤侵蝕速率較高主要是因為模型在計算時考慮到耕地作物在秋季收割后地表無植被覆蓋，外加冬春季風蝕侵蝕強烈，使得耕地的土壤侵蝕速率較高，建議耕地作物收獲后免耕留茬到次年播種時，以防止冬春季的風力侵蝕。

對不同土地利用類型的土壤水力侵蝕特征進行調查后發現，侵蝕溝多出現于山前洪積扇和山坡上的灌草地(圖3)。比較洪積扇的侵蝕溝與山坡上的侵蝕溝后發現，洪積扇的侵蝕溝寬深比高于山坡上的侵蝕溝。這是由于洪積扇區域的集水面積比山坡上的更大，來水量更大，而山坡的坡度比洪積扇大，水流向下切蝕的能量更大，而向兩側侵蝕的能量更小。

表1 柴達木盆地東部不同利用類型土地的年平均土壤侵蝕速率

圖3 柴達木盆地不同利用類型土地的侵蝕溝特征

4 植物沙堆的攔沙作用

柴達木盆地風力侵蝕強烈，植被稀疏，當有植被出現的時候，沙物質會在植物基部堆積形成植物沙堆。植物沙堆對于防風固沙和保持生態環境的穩定具有十分重要的作用[15]。其中以德令哈市和都蘭縣的植物沙堆體積多較小，但種類多(見圖4)，主要有唐古特白刺(Nitrariatangutorum)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、駝絨藜(Krascheninnikoviaceratoides)、合頭草(Sympegmaregelii)、紅砂(Reaumuriasoongarica)、豬毛菜(Salsolacollina)等。格爾木市、都蘭縣宗加鎮一帶的植物沙堆形態較大(見圖5)。沙堆的植物主要有膜果麻黃(Ephedraprzewalskii)、柴達木沙拐棗(Calligonumzaidamense)、駝絨藜(Krascheninnikoviaceratoides)、梭梭(Haloxylonammodendron)等。

圖4 柴達木盆地植物沙堆無人機影像

不同枝系構型的植物形成的沙堆形態存在差異，膜果麻黃、沙拐棗和駝絨藜周圍普遍發育成順風向延伸的風影沙堆，而合頭草和駝絨藜沙堆多為半橢球型沙堆(圖5)。風影沙堆的平均長寬比(2.29 m)是半橢球型沙堆(1.17 m)的兩倍，且差異顯著(p<0.05)。除駝絨藜外，其他4種植物沙堆的長度、寬度和高度之間的相關系數在0.608～0.94之間(p<0.05)，說明灌叢沙堆演化過程中，沙堆的長度，寬度和高度三者之間協同變化(表2)。同時沙堆的形態特征與其植物的冠形也存在明顯的關系。除了沙堆和植物的高度以外，膜果麻黃、沙拐棗、合頭草和沙蒿沙堆的其他指標與植物的長度、寬度密切相關(r>0.612，p<0.05)。通過對5種典型灌叢沙堆(膜果麻黃、柴達木沙拐棗、駝絨藜、合頭草和沙蒿沙堆)阻沙能力(以沙堆體積來表示)對比發現，膜果麻黃沙堆的體積與其他4種沙堆體積差異顯著(p<0.05)。從沙堆體積平均值來看，呈現：膜果麻黃>柴達木沙拐棗>合頭草>駝絨藜>沙蒿(表2)，可為今后防沙治沙工程的植被選擇提供理論依據。綜上所述，柴達木盆地的植物沙堆分布廣泛，種類多，建議加強植物與沙堆的相互作用的研究，以期為干旱半干旱荒漠區植被資源保護及沙化土地治理提供參考。

圖5 柴達木盆地不同植物沙堆特征

表2 柴達木盆地5種植物沙堆的形態參數指標(平均值±標準差)

5 存在的問題與建議

5.1 耕地灌溉系統管理不善會造成土壤侵蝕

在柴達木盆地的德令哈市，黑石水庫東干渠貫穿南北，支渠、毛渠向四周延伸，形成灌溉網，對當地農業發展起著強有力的支撐作用[16]。但是，在調查過程中發現，由于德令哈市的耕地長期以來采用大水漫灌，跑冒滴漏水的現象較為嚴重，導致在支渠附近出現了多處地面塌陷。在德令哈市柯魯柯鎮，修建的渡槽渠灌體系雖然解決了耕地的灌溉問題，但由于耕地灌溉系統不夠完善造成了一定程度的土壤侵蝕，形成了明顯的侵蝕溝(圖6)。

圖6 柴達木盆地耕地灌溉系統管理不善導致的侵蝕現象

柯魯柯鎮侵蝕溝平均深度約為1.79 m，平均寬度約為0.93 m，最大深度為1.92 m，最大寬度為3.10 m，并伴隨側壁掏蝕、崩塌等現象，長此以往損壞面積會逐漸擴大，并向四周擴散，危害當地農業的發展。建議對耕地渠灌系統定期檢修，減少水的跑漏和發生灌溉侵蝕。應在該區發展節水農業，盡量避免大水漫灌。

5.2 地下水位升高導致土壤次生鹽漬化

德令哈市尕海鎮和格爾木市等地區均出現大面積撂荒地，伴隨著嚴重的土壤鹽堿化問題(圖7)。撂荒地主要是因為地下水位上升而引起的。德令哈市尕海地區內地下水位上升與近幾年來該區降雨量、巴音河流量的變化、人類活動等有著密切的關系。長期以來的大水漫灌及退耕還林后農灌設施跑漏是引起地下水位上升的重要原因，并伴隨著土壤鹽漬化現象[16]。同時格爾木市地下水位的升降主要受格爾木河滲漏情況的影響，取決于徑流量、水庫、洪水等因素的影響。有研究發現，40 a來格爾木市的地下水位總體上處于上升趨勢，造成大面積土壤次生鹽漬化，對綠洲農業生態環境產生了極大威脅[17]。建議調整灌溉模式，結合排水，并加強土壤鹽漬化治理，保障該區珍貴耕地資源的可持續發展。

圖7 柴達木盆地地下水上升導致的耕地撂荒

5.3 枸杞沙田管理不到位

截止2020年，柴達木盆地種植枸杞面積已經超過3.00×104hm2[18]，實現了將沙地治理和農業發展完美結合起來提高生態和生產雙效益的目標。調查過程中發現在格爾木市郭勒木德鎮南部，大面積的沙化土地已被新農地產下屬的綠沙種植科技公司種植了黑枸杞和紅枸杞(圖8a)，其總面積可達233 hm2。但同時也發現有大量的枸杞田處在棄荒狀態(圖8b—8c)，可能因為當地的降雨不能滿足枸杞生長對水分的需求，也不能保障灌溉補給[19]。目前，柴達木盆地枸杞產業存在配套設施較差，經營管理水平較低，產業加工鏈短和品牌培養滯后等問題，嚴重影響其后期銷售，并降低了農戶對枸杞種植的熱情[20]。建議加強枸杞種植規劃、沙田保育和產業鏈建設，將防沙治沙與產業開發相結合，并與當地農牧民脫貧致富相結合。

圖8 柴達木盆地管理不到位的枸杞田

5.4 水土保持措施維護不到位

國家在柴達木盆地已實施了各種生態修復工程和防風治沙工程。截止2019年底，柴達木盆地省級水土流失重點治理區〔德令哈市、都蘭縣，格爾木市(唐古拉山鎮除外)〕已建成水保喬木林、灌木林、枸杞林封育等水土保持工程。與2018年相比，該區水土流失治理面積減少了79.39 km2[21]。同時，該區也實施了防沙治沙工程。在大格勒鄉到諾木洪縣城的道路兩旁，長達23 km的沙地正在開發，已經新植了楊樹幼苗，以利于后期道路內側沙地的開墾。但該區需要加強防護林建設。由于新植楊樹幼苗的防風固沙能力較弱，需要將灌溉、排水和施肥措施有機結合，并加強防護。同時在調查中發現，察汗烏蘇鎮的防沙治沙意識強，北邊大片的沙壟地目前已經被大規模的編織袋方格狀沙障保護著。該措施就地取材，以沙治沙，配合種植楊樹和檸條，形成防沙體系，可有效達到防沙目的。但是，該鎮大部分沙袋已破損，防風固沙效益減弱(圖9)。建議在防沙治沙關鍵地區，定期重新鋪設沙袋沙障，以保障區內沙地表蝕積面的穩定，促進植被恢復，并要積極開發使用期限更長久的無污染防沙新材料新技術。

圖9 柴達木盆地防風固沙工程——沙袋沙障

5.5 水土保持資金投入不足，應加強水土保持監測與研究

柴達木盆地水土保持監督工作自2004年開始啟動，起步較晚。同時，由于該區水土流失面積大，范圍廣，治理經費短缺，水土流失仍然非常嚴重。由于該區水土保持基礎工作相對滯后，水土保持措施少，土壤侵蝕觀測和調查數據匱乏，難以準確把握土壤侵蝕現狀。建議進一步加強該區土壤侵蝕基礎數據庫建設和理論研究，在系統分析評價區域水土流失狀況、劃分水力侵蝕、風力侵蝕、凍融侵蝕等類型區的基礎上，制定水土保持目標和確定措施布局，最大限度地提高水土流失防治水平和綜合效益。并要加強技術支撐，利用無人機、實地監測等多種方式對生態脆弱區、生產建設項目區等重點區域實現精準監測，建立并完善柴達木盆地水土流失監測和水土保持數據庫，為有關該區的科學研究提供數據支撐，為中國西部水土資源安全和經濟社會的可持續發展提供安全保障。