胡貴鋒, 王新軍, 常夢迪, 閆立男, 韓其飛, 李菊艷, 李永康

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830052; 2.新疆土壤與植物生態(tài)過程實驗室, 烏魯木齊 830052;3.南京信息工程大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 南京 210044; 4.新疆維吾爾自治區(qū)水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站, 烏魯木齊 830000)

土壤侵蝕是全球最突出的土地退化問題，草地土壤侵蝕占全球80%[1]。放牧活動作為人為干擾草地生態(tài)系統(tǒng)的主要形式之一，一方面可促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，然而另一方面過度放牧則會引起草地退化、土壤侵蝕等一系列生態(tài)環(huán)境問題[2]。我國草地主要集中在生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干旱區(qū)，人為干擾引起的危害程度深、時間長。放牧活動對土壤侵蝕的影響是區(qū)域降水、地形、土壤等自然因子和放牧活動疊加的結(jié)果，因此從放牧活動對土壤侵蝕影響的機(jī)理過程出發(fā)，定量評估放牧活動對區(qū)域土壤侵蝕的影響，明確牧區(qū)土壤侵蝕空間特征，對干旱區(qū)草地牧場水土保持工作具有重要意義。

目前，關(guān)于放牧和草地土壤侵蝕研究頗多，可分為定性或定量描述牧區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)狀兩個方向[3-4]，樣點和區(qū)域評估兩個尺度[5-6]，利用侵蝕產(chǎn)沙試驗等手段探明放牧干擾下的侵蝕產(chǎn)沙特征、對放牧活動和土壤侵蝕的中間因子進(jìn)行分析(如土壤理化性質(zhì)、生物量、土壤可蝕性因子等)及利用經(jīng)驗?zāi)Ｐ头治鋈髮哟蝃7-9]，區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古草原和青藏高原高寒草原[10-11]。已有研究多通過放牧強(qiáng)度與區(qū)域土壤侵蝕特征的相關(guān)性分析來表征放牧對土壤侵蝕的影響，僅能評估放牧疊加在自然狀態(tài)之上的土壤侵蝕特征，未從機(jī)理過程模擬放牧對土壤侵蝕的影響[12-13]，難以評估放牧對土壤侵蝕影響的程度。因此需要一種方法剝離自然條件下的土壤侵蝕，定量評估放牧活動對土壤侵蝕的影響，并闡明牧區(qū)的土壤侵蝕空間特征，為制定牧區(qū)合理放牧強(qiáng)度和水土保持工作提供理論依據(jù)。放牧活動對植被的采食及引起土壤物理性狀的變化使草地生物量變化顯著，因此草地生物量可以作為放牧活動對土壤侵蝕影響的表征因子[14-15]。陸地生態(tài)系統(tǒng)過程模型在研究人類干擾對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能影響中普遍使用，其中Biome-BGC模型可以用來估算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、水儲存及通量[16-18]，已得到廣泛應(yīng)用[19-20]；落葉方程是評估牲畜對草地生物量采食量的有效經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚21]，將二者結(jié)合進(jìn)而探討放牧干擾對草地生物量影響研究已成為一種趨勢[22-23]；中國土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation，CSLE)是適用于我國土壤侵蝕評估研究的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚24-25]，生物措施因子(B)與植被覆蓋度(f)、生物量聯(lián)系緊密[9]?；谝陨侠碚摚瑥摹胺拍粮蓴_—生物量—土壤侵蝕”機(jī)理鏈條出發(fā)定量評估放牧活動對土壤侵蝕的影響成為可能。

天山北坡中段處于亞歐大陸干旱區(qū)中部，其生態(tài)系統(tǒng)為陸地生態(tài)系統(tǒng)最脆弱組成部分之一[26]。受降水和地形影響，天山北坡土壤侵蝕情況嚴(yán)峻，且山地草原放牧活動使得土壤侵蝕情況日益加劇[27]，因此，基于Biome-BGC模型、落葉方程及CSLE模型，從“生物量—放牧采食—生物措施因子—土壤侵蝕”機(jī)理鏈條出發(fā)，定量表征放牧干擾對土壤侵蝕的影響，闡明天山北坡放牧干擾前后土壤侵蝕空間特征，可為天山北坡牧場的放牧規(guī)劃和水土保持工作提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)天山北坡中段(84°83′—88°97′ E，42°92′—44°34′ N)。海拔450～5 300 m，地形以山地為主。屬中溫帶大陸性氣候，7月份均溫24.4℃，1月份均溫-18.4℃，年平均氣溫約2.6℃，蒸發(fā)量1 000～2 000 mm；年均降水量173.3 mm，6—8月降水量約占全年68%，降水量呈逐年增加趨勢。土地利用方式主要為草地和林地，土壤類型有棕鈣土、栗鈣土、黑鈣土、灰褐土、黑氈土、草氈土等。人類干擾主要為輪牧制度的草場放牧，海拔自低至高依次為春秋牧場、冬牧場和夏牧場三大季節(jié)牧場，主要放牧牲畜有羊、牛、馬、駱駝和驢等。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

(1) 氣象數(shù)據(jù)。從國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn/)獲取研究區(qū)內(nèi)烏魯木齊牧試站、天池站、呼圖壁站、達(dá)坂城站2019年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，基于其中最高溫、最低溫和降水日值數(shù)據(jù)，利用MT-CLIM山地氣候模擬器[16-18,28]插值獲取各模擬點的Biome-BGC模型氣象輸入數(shù)據(jù)。

(2) 生理生態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。Biome-BGC模型模擬采用C3草地植被生理生態(tài)參數(shù)，其中針對天山北坡植被修正的參數(shù)均通過已發(fā)表文獻(xiàn)獲取[21,23,29]，其他參數(shù)均采用White等[16]針對C3草地校正的值。

(3) 樣點土壤理化性質(zhì)與植被特征。按照系統(tǒng)分層采樣法[9]在研究區(qū)設(shè)計84個樣點進(jìn)行土壤采樣，并測量記錄樣點內(nèi)植被株高、單位面積地上生物量等信息。使用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，篩分法和比重計法測定土壤質(zhì)地[9]，數(shù)碼相機(jī)照相法獲取草地植被蓋度。

(4) 放牧數(shù)據(jù)。通過統(tǒng)計年鑒資料，遴選牧區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)放牧牲畜數(shù)量，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)羊數(shù)據(jù)作為放牧強(qiáng)度(按照全國畜牧業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會2015年《天然草地合理載畜量的計算》標(biāo)準(zhǔn)[30]結(jié)合研究區(qū)實際情況轉(zhuǎn)換)。牧區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)根據(jù)主要土地利用類型和主要從業(yè)人口類型劃分。

(5) 空間數(shù)據(jù)?；谛陆S吾爾自治區(qū)測繪局1∶10 000地形圖處理得到空間分辨率為10 m的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)；基于實地調(diào)查和遙感解譯繪制研究區(qū)季節(jié)牧場范圍數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

本文基于多種模型方法(Biome-BGC模型、落葉方程、CSLE模型等)，分析放牧干擾對土壤侵蝕及其空間特征的影響。

1.3.1 Biome-BGC模型 Biome-BGC模型[16-18]是用來估算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、水儲存及通量的基于過程的生態(tài)系統(tǒng)模型。可通過輸入研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)、生理生態(tài)參數(shù)和站點參數(shù)，模擬總初級生產(chǎn)力(GPP)、凈初級生產(chǎn)力(NPP)和凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE)等。氣象數(shù)據(jù)：日最高和最低溫度、日平均溫度、日降雨量、日平均水汽壓差、日平均短波輻射通量密度和晝長；生理生態(tài)參數(shù)：物候、根/冠比和比葉面積等；站點參數(shù)：緯度、高程、土壤質(zhì)地等?；贐iome-BGC 4.2版本模型(NTSG：http:∥www.ntsg.umt.edu/project/biome-bgc.php)，設(shè)置草地類型為 C3草地，輸入各樣點的氣象、生理生態(tài)參數(shù)和站點數(shù)據(jù)，模擬各樣點草地NPP。以0.45轉(zhuǎn)化比[31]，將NPP(gC/m2)和生物量(g/m2)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

1.3.2 落葉方程 由于Biome-BGC模型僅能估算自然狀態(tài)下生物量，無法模擬放牧干擾對生物量的影響，因此引入落葉方程[21]。落葉方程由 Seligman等建立，可通過輸入放牧強(qiáng)度、初始生物量、放牧效率等參數(shù)，得出牲畜采食的生物量。采用落葉方程模擬放牧干擾對生物量的影響，公式為：

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

(1)

式中:Dr為落葉速率[kg/(hm2·d)]；Ge為牲畜放牧效率[hm2/(d·羊)]；Sr為放牧強(qiáng)度[羊/(d·hm2)]；Cleaf為初始生物量；(Cleaf)U為牲畜無法采食的生物量(kg/hm2)；Dx為牲畜飽和消費速率(kgC/m2)。

1.3.3 生物量-植被覆蓋度模型構(gòu)建 基于2019年夏季天山北坡牧場84個樣點，每個樣點3個重復(fù)樣方，獲取的實測生物量(BI)、植被覆蓋度(f)、牧草平均株高(H)數(shù)據(jù)，按照“BI=f×H”的模型理論，利用SPSS軟件將f×H得到的“植被體積(X)”和“BI”進(jìn)行模型回歸，模型R2達(dá)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為生物量(g/m2)；X為樣方內(nèi)植被體積；f為植被覆蓋度(%)。

將式(2)中株高H取平均值得到式(3)，計算得出放牧干擾前后植被覆蓋度for和fgr。

1.3.4 CSLE模型 CSLE模型是劉寶元參考USLE模型提出適用于我國的土壤流失評價模型[32]，公式為：

A=R·K·L·S·B·E·T

(4)

式中:A為單位面積年均土壤流失量[t/(hm2·a)];R為降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)/(hm2·h·a)];K為土壤可蝕性因子[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)];L為坡長因子;S為坡度因子;B為生物措施因子;E為工程措施因子;T為耕作措施因子。其中L,S,B,E,T因子為無量綱,B,E,T因子值介于0～1。

降雨侵蝕力因子(R)：利用日雨量模型[33]，計算近18 a年均降雨侵蝕力，采用Kriging插值法得到降雨侵蝕力圖(圖1A)；土壤可侵蝕性因子(K)：考慮放牧對土壤滲透性和土壤結(jié)構(gòu)的影響，采用修正諾謨法[34]估算樣點土壤可蝕性值，使用Kriging插值法結(jié)合土壤類型空間分布圖得到土壤可蝕性圖(圖1B)；坡長坡度因子(LS)：采用分段坡度坡長因子公式[35]，結(jié)合劉寶元[36-37]、McCool[38]等的研究成果計算得出坡度坡長因子圖(圖1C)。研究區(qū)內(nèi)主要為天然草場放牧，無相關(guān)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)賦值為1。生物措施因子(B)：使用蔡崇法等[39]的方法，基于式(5)得出的放牧干擾前后植被覆蓋度估算放牧干擾前后B值，使用Kriging插值法得到放牧干擾前后生物措施因子(圖1D、E)，公式如下：

(5)

式中:B為生物措施因子;f為植被覆蓋度(%)。

基于CSLE模型理論，利用柵格計算器得出天山北坡季節(jié)牧場土壤侵蝕模數(shù)(圖1F，G)和土壤侵蝕強(qiáng)度圖(圖1H，I)。

圖1 天山北坡牧場CSLE因子空間特征

2 結(jié)果與分析

2.1 Biome-BGC模型驗證

將Biome-BGC模型模擬草地生物量值與實測草地生物量值進(jìn)行對比，R2，RMSE分別為0.85，6.169 [gC/(m2·a)]，表明Biome-BGC模型能夠較好模擬天山北坡草地生物量(圖2)。

圖2 生物量實測值與模擬值對比

2.2 天山北坡牧場放牧干擾前后土壤侵蝕空間特征

2.2.1 天山北坡牧場放牧強(qiáng)度空間特征 2019年天山北坡牧場平均放牧強(qiáng)度8.11羊/hm2；季節(jié)牧場放牧強(qiáng)度冬牧場>夏牧場>春秋牧場；縣域放牧強(qiáng)度昌吉市>阜康市>沙灣縣>呼圖壁縣>達(dá)坂城區(qū)>烏魯木齊縣>瑪納斯縣；縣域中沙灣縣、呼圖壁縣、昌吉市及阜康市超過縣域平均放牧強(qiáng)度(表1)。

表1 天山北坡牧場2019年放牧強(qiáng)度 羊/hm2

2.2.2 放牧干擾前后生物量空間特征 天山北坡牧場放牧干擾前和干擾后的生物量空間特征，在季節(jié)牧場未發(fā)生改變，均呈現(xiàn)出春秋牧場>夏牧場>冬牧場的特征。此特征可能由季節(jié)牧場的海拔和降水共同導(dǎo)致：一方面，季節(jié)牧場海拔自高至低依次為夏牧場、冬牧場、春秋牧場，低海拔牧場可為草地植被生長提供更充足的熱量條件，因此春秋牧場生物量最大；另一方面中山帶以下降水量隨海拔升高而增加[23]，降水量上夏牧場大于冬牧場，因此在水分和溫度雙重作用下，夏牧場和冬牧場生物量接近。天山北坡牧場放牧干擾前和干擾后的生物量空間特征，在縣域發(fā)生改變，但變幅較小，放牧干擾前呈現(xiàn)出沙灣縣>達(dá)坂城區(qū)>瑪納斯縣>阜康市>烏魯木齊縣>呼圖壁縣>昌吉市的特征，而放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)樯碁晨h>達(dá)坂城區(qū)>瑪納斯縣>呼圖壁縣>烏魯木齊縣>阜康市>昌吉市的特征，主要變化為阜康市放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)榈陀诤魣D壁縣 (圖3)。

2.2.3 放牧干擾前后生物措施因子空間特征 天山北坡牧場放牧干擾前和干擾后的生物措施因子空間特征，在季節(jié)牧場未發(fā)生改變，均呈冬牧場>夏牧場>春秋牧場的格局；在縣域發(fā)生改變，但變幅較小，放牧干擾前呈現(xiàn)出昌吉市>阜康市>烏魯木齊縣>呼圖壁縣>達(dá)坂城區(qū)>沙灣縣>瑪納斯縣的特征，而放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)椴?阜康市>烏魯木齊縣>達(dá)坂城區(qū)>呼圖壁縣>沙灣縣>瑪納斯縣的特征，主要變化為呼圖壁縣放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)榈陀谶_(dá)坂城區(qū)(表2)。

注：1沙灣縣；2瑪納斯縣；3呼圖壁縣；4昌吉市；5烏魯木齊縣；6阜康市；7達(dá)坂城區(qū)；A夏牧場；B冬牧場；C春秋牧場；T天山北坡。下同。

表2 天山北坡牧場放牧干擾前后生物措施因子B值

2.2.4 放牧干擾前后土壤侵蝕空間特征 天山北坡牧場放牧干擾前和干擾后的土壤侵蝕模數(shù)空間特征，在季節(jié)牧場未發(fā)生改變，均呈夏牧場>冬牧場>春秋牧場特征；在縣域發(fā)生改變，但變幅較小，放牧干擾前呈烏魯木齊縣>昌吉市>阜康市>達(dá)坂城區(qū)>呼圖壁縣>瑪納斯縣>沙灣縣特征，而放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)闉豸斈君R縣>阜康市>達(dá)坂城區(qū)>昌吉市>呼圖壁縣>瑪納斯縣>沙灣縣特征，主要變化為昌吉市放牧干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)榈陀诟房凳泻瓦_(dá)坂城區(qū)(圖4)。

圖4 天山北坡牧場放牧干擾前后土壤侵蝕模數(shù)及增幅空間特征

2.3 放牧干擾對天山北坡牧場土壤侵蝕影響特征

2.3.1 放牧干擾對生物量影響特征 以落葉速率(Dr)定量表征放牧干擾對草地生物量的采食量。2019年天山北坡牧場生物量在放牧干擾下平均減少4.75 [gC/(m2·a)]；季節(jié)牧場放牧干擾引起的生物量減少量，呈現(xiàn)出冬牧場9.09 [gC/(m2·a)]>夏牧場5.31 [gC/(m2·a)]>春秋牧場3.51 [gC/(m2·a)]的特征；縣域放牧干擾引起的生物量減少量，呈現(xiàn)出昌吉市7.66 [gC/(m2·a)]>阜康市5.68 [gC/(m2·a)]>沙灣縣5.53 [gC/(m2·a)]>呼圖壁縣5.28 [gC/(m2·a)]>達(dá)坂城區(qū)4.56 [gC/(m2·a)]>烏魯木齊縣3.39 [gC/(m2·a)]>瑪納斯縣1.00 [gC/(m2·a)] 的特征(圖3)。將放牧強(qiáng)度和Dr進(jìn)行相關(guān)分析，天山北坡牧場采食生物量隨放牧強(qiáng)度增大而增大，相關(guān)系數(shù)高(r=0.96)，表明隨放牧強(qiáng)度增大，天山北坡牧場生物量呈線性降低(圖5)。

圖5 天山北坡牧場放牧強(qiáng)度對落葉速率影響特征

2.3.2 放牧干擾對生物措施因子影響特征 使用生物措施因子B值增量定量表征放牧干擾對生物措施因子的影響。2019年天山北坡牧場生物措施因子在放牧干擾下平均增加0.05；季節(jié)牧場放牧干擾引起的生物措施因子增加量，呈現(xiàn)出春秋牧場0.383>冬牧場0.038>夏牧場0.035特征；縣域放牧干擾引起的生物措施因子增加量，呈現(xiàn)出達(dá)坂城區(qū)0.073>烏魯木齊縣0.072>阜康市0.070>昌吉市0.045>沙灣縣0.038>呼圖壁縣0.028>瑪納斯縣0.009特征(表2)。將放牧強(qiáng)度和B值增量進(jìn)行相關(guān)分析，可以看出B增量整體隨放牧強(qiáng)度增大而增大，季節(jié)牧場放牧強(qiáng)度和B值增量間相關(guān)性冬牧場>夏牧場>春秋牧場，表明放牧干擾是冬牧場和夏牧場生物措施因子值增大的主要影響因素，而對春秋牧場生物措施因子影響小(圖6)。

圖6 天山北坡牧場放牧強(qiáng)度對生物措施因子影響特征

2.3.3 放牧干擾對土壤侵蝕影響特征 2019年天山北坡牧場土壤侵蝕強(qiáng)度在放牧干擾下，總體呈現(xiàn)出從微度、輕度、中度、強(qiáng)烈向極強(qiáng)烈和劇烈轉(zhuǎn)移趨勢，其中極強(qiáng)烈增加2.57%，劇烈增加1.4%(圖1H，I)。

以放牧干擾下土壤侵蝕模數(shù)的增幅定量表征放牧干擾對土壤侵蝕的影響。2019年天山北坡牧場土壤侵蝕模數(shù)在放牧干擾下平均增幅為13.5%；季節(jié)牧場放牧干擾引起的土壤侵蝕模數(shù)增幅，呈現(xiàn)出春秋牧場20.65%>夏牧場15.57%>冬牧場15.46%特征；縣域放牧干擾引起的土壤侵蝕模數(shù)增幅，呈現(xiàn)出沙灣縣31.93%>阜康市24.24%>達(dá)坂城區(qū)22.04%>烏魯木齊縣7.56%>瑪納斯縣5.34%>昌吉市5.30%>呼圖壁縣4.37%特征(圖4)。

利用放牧干擾下的土壤侵蝕模數(shù)增幅和放牧強(qiáng)度間關(guān)系，區(qū)分季節(jié)牧場土壤侵蝕的主要影響因素為“自然條件”或“放牧干擾”。春秋牧場土壤侵蝕模數(shù)增幅隨放牧強(qiáng)度增大而增大，r為0.66，而夏牧場和冬牧場隨著放牧強(qiáng)度的增大土壤侵蝕模數(shù)增幅不明顯，r為-0.07，表明放牧干擾是春秋牧場土壤侵蝕模數(shù)增大的主要原因，而對夏牧場和冬牧場影響不顯著(圖7)。

圖7 天山北坡牧場放牧強(qiáng)度對土壤侵蝕模數(shù)影響特征

利用放牧干擾前和干擾后的土壤侵蝕模數(shù)及土壤侵蝕模數(shù)增幅3個因子間的組合特征，區(qū)分縣域土壤侵蝕的主要影響因素為“自然條件”或“放牧干擾”。放牧干擾前土壤侵蝕模數(shù)高于平均值表明其自然狀態(tài)下土壤侵蝕就較為嚴(yán)峻，低于平均值表明其自然狀態(tài)下較少存在土壤侵蝕；土壤侵蝕模數(shù)增幅高于平均值，表明放牧干擾引起的土壤侵蝕增加量相對于自然狀態(tài)下的土壤侵蝕量依然較大，因此表明放牧干擾對土壤侵蝕有明顯影響，而低于平均值表明放牧干擾引起的土壤侵蝕增加量相對于自然狀態(tài)下的土壤侵蝕量較小，因此放牧干擾對其土壤侵蝕影響不顯著。綜上可得，沙灣縣組合特征為“低低高”，表明其土壤侵蝕主要受放牧干擾影響；瑪納斯縣和呼圖壁縣組合特征為“低低低”，表明其土壤侵蝕受二者影響均較??；昌吉市和烏魯木齊縣組合特征為“高高低”，表明其土壤侵蝕主要受自然條件影響；阜康市和達(dá)坂城區(qū)組合特征為“高高高”，表明放牧干擾加劇了自然條件下的土壤侵蝕(圖8)。

圖8 天山北坡牧場縣域土壤侵蝕特征

3 討 論

3.1 不確定性分析

模擬點的Biome-BGC模型氣象數(shù)據(jù)是基于站點數(shù)據(jù)利用MT-CLIM插值所得，由于氣象站點稀疏及與模擬點海拔相差較大，導(dǎo)致插值獲取的模擬點的氣象數(shù)據(jù)與真實值間存在偏差[23]；Biome-BGC模型生理生態(tài)參數(shù)中僅物候、根冠比和比葉面積校正至研究區(qū)值，其余采用C3草地模型參數(shù)，與研究區(qū)真實參數(shù)尚有差異；后續(xù)研究可從獲取精確氣象數(shù)據(jù)、生理生態(tài)參數(shù)本地校正來提高Biome-BGC模型模擬精度。

落葉方程假設(shè)草地在垂直和水平方向上均勻，草地物種可食性均一，可能會高估動物采食量[40]。由于缺少樣方內(nèi)各植被物種高度數(shù)據(jù)，構(gòu)建“生物量—植被覆蓋度模型”時，采取了樣方內(nèi)平均高度，未分物種構(gòu)建模型，因此一定程度上降低了模型精度。放牧踐踏作用對土壤侵蝕的影響尚有爭論，林慧龍等學(xué)者認(rèn)為放牧干擾會降低土壤可蝕性因子，從而加劇土壤侵蝕[8]，也有學(xué)者認(rèn)為放牧踐踏主要為影響土壤養(yǎng)分、水分進(jìn)而影響生物量[15]，后續(xù)研究應(yīng)結(jié)合踐踏等因素探討放牧干擾對土壤侵蝕的影響。

3.2 放牧干擾對生物量及土壤侵蝕的影響

利用Biome-BGC模型模擬天山北坡牧場平均生物量為69.18 [gC/(m2·a)]，受放牧干擾影響降低至63.87 [gC/(m2·a)]；天山北坡牧場平均生物量呈現(xiàn)出春秋牧場>冬牧場和夏牧場趨勢。此結(jié)果和周德成等[23]結(jié)果相一致。

天然放牧草地較少存在工程措施和耕作措施，因此生物措施因子為CSLE模型中主要受人為干擾影響的因子[41]，是放牧干擾對土壤侵蝕影響的核心鏈接點。當(dāng)前生物措施因子值通常利用植被覆蓋度推算得到，如本研究采用蔡崇法等利用植被覆蓋度計算生物措施因子值公式計算[39]，其無法直接從放牧干擾影響的生物量因素得出生物措施因子值，而是經(jīng)過植被覆蓋度的多級轉(zhuǎn)換所得，因此建立適用于草地的“生物量—生物措施因子”模型對牧區(qū)土壤侵蝕研究至關(guān)重要。

天山北坡牧場平均土壤侵蝕模數(shù)為41.25 t/(hm2·a)，土壤侵蝕強(qiáng)度整體以微度為主，但極強(qiáng)烈以上占比高，極強(qiáng)烈和劇烈主要出現(xiàn)在夏牧場和烏魯木齊縣、昌吉市、阜康市，均為高海拔地勢陡峭和東部降水量高區(qū)域，這與已有研究吻合[9]?！胺拍粮蓴_”主要影響春秋牧場及沙灣縣土壤侵蝕，應(yīng)制定合理放牧強(qiáng)度，控制放牧干擾對土壤侵蝕的影響；夏牧場、冬牧場及縣域中烏魯木齊縣和昌吉市土壤侵蝕主要由“自然條件”導(dǎo)致，應(yīng)著力減輕自然條件下的土壤侵蝕，并禁牧以杜絕土壤侵蝕的加劇。

4 結(jié) 論

(1) Biome-BGC模型能夠較好模擬天山北坡牧場生物量，模擬值和實測值間R2達(dá)0.85，RMSE為6.169 gC/(m2·a)。2019年天山北坡牧場平均放牧強(qiáng)度為8.11 羊/hm2；縣域放牧強(qiáng)度：昌吉市>阜康市>沙灣縣>呼圖壁縣>達(dá)坂城區(qū)>烏魯木齊縣>瑪納斯縣。

(2) 2019年天山北坡牧場在放牧干擾下，生物量降低、生物措施因子值增大、土壤侵蝕模數(shù)升高。放牧干擾前和放牧干擾后三者的空間特征在季節(jié)牧場均未發(fā)生改變，而在縣域均發(fā)生改變。其中土壤侵蝕模數(shù)的空間特征在季節(jié)牧場均為夏牧場>冬牧場>春秋牧場；而在縣域干擾前為烏魯木齊縣>昌吉市>阜康市>達(dá)坂城區(qū)>呼圖壁縣>瑪納斯縣>沙灣縣，干擾后轉(zhuǎn)變?yōu)闉豸斈君R縣>阜康市>達(dá)坂城區(qū)>昌吉市>呼圖壁縣>瑪納斯縣>沙灣縣。

(3) 2019年天山北坡牧場在放牧干擾下，土壤侵蝕模數(shù)平均增幅為13.5%，季節(jié)牧場增幅：春秋牧場20.65%>夏牧場15.57%>冬牧場15.46%；縣域增幅：沙灣縣31.93%>阜康市24.24%>達(dá)坂城區(qū)22.04%>烏魯木齊縣7.56%>瑪納斯縣5.34%>昌吉市5.30%>呼圖壁縣4.37%。2019年天山北坡春秋牧場及沙灣縣土壤侵蝕的主要原因為放牧干擾，夏牧場、冬牧場及烏魯木齊縣、昌吉市土壤侵蝕的主要原因為自然條件。