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。