2000—2020年塔里木河干流土壤风蚀时空异质性及影响因素分析

Analysis of spatiotemporal heterogeneity and influencing factors of soil wind erosion in Tarim River mainstream from 2000 to 2020

摘要

目的 探明塔里木河干流及不同区段土壤风蚀和防风固沙特征，为提升该地区生态安全与稳定性提供科学依据。 方法 基于修正的风蚀方程（RWEQ）分析了2000—2020年塔里木河干流及不同区段土壤风蚀与防风固沙的时空变化特征，并结合地理探测器、多元回归方程和转移矩阵等方法对土壤风蚀与防风固沙进行了影响因素分析。 结果 （1） 塔里木河干流土壤风蚀和防风固沙特征分别以微度侵蚀和低等级为主，并以每年4.82 t/km²，0.45 t/km²的速率波动下降，在空间分布上二者均呈现从上游到下游逐渐增加的趋势。（2） 地理探测器和多元回归结果显示：塔里木河干流土壤风蚀与防风固沙的空间格局主要受风速影响，二者与风速均呈显著正相关。而土壤湿度对土壤风蚀和防风固沙的影响受生态输水调控，在输水期二者与土壤湿度呈负相关，非输水期则为正相关。（3） 塔里木河干流不同生态系统土壤风蚀量依次呈现荒漠>灌丛>森林>草地>城镇>农田的特征，防风固沙量呈现森林>灌丛>草地>农田>荒漠>城镇的特征，其中灌丛—荒漠过渡带是塔里木河干流生态系统变化最剧烈的地段。 结论 2000—2020年塔里木河干流土壤风蚀整体趋缓但仍以微度侵蚀为主，防风固沙功能在低位徘徊，需通过精准生态输水、增加乔灌覆盖和严控农田占比，方能提高塔里木河干流生态系统稳定性，增强干流防风固沙功能，抵御干流土壤风蚀风险。

Abstract

Objective This study aims to clarify the characteristics of soil wind erosion and windbreak and sand fixation in the mainstream and different sections of the Tarim River， thereby providing a scientific basis for enhancing regional ecological security and stability. Methods The revised wind erosion equation （RWEQ） was used to analyze the spatiotemporal variation characteristics of soil wind erosion and windbreak and sand fixation in the mainstream and different sections of the Tarim River from 2000 to 2020. Furthermore， the influencing factors of soil wind erosion and windbreak and sand fixation were analyzed by using methods including geodetector， multiple regression equation， and transfer matrix. Results （1） The soil wind erosion in the Tarim River mainstream was characterized by slight erosion， and the function of windbreak and sand fixation was primarily at a low level， both exhibiting fluctuating decreasing trends at rates of 4.82 t/km² and 0.45 t/km² per year， respectively. Spatially， both showed increasing trends from the upstream to the downstream. （2） The results from the geodetector and multiple regression equation showed that wind speed was the primary factor controlling their spatial patterns， and both were significantly positively correlated with wind speed. The impact of soil moisture on them was regulated by ecological water conveyance， showing negative correlations during the water conveyance period and positive correlations during the non-conveyance period. （3） Among different ecosystems in the Tarim River mainstream， the amount of soil wind erosion followed the order： desert > shrubland > forest > grassland > urban area > farmland. Conversely， the amount of windbreak and sand fixation followed the order： forest > shrubland > grassland > farmland > desert > urban area. The shrub-desert transition zone was identified as the area experiencing the most dramatic ecosystem changes along the Tarim River mainstream. Conclusion From 2000 to 2020， soil wind erosion in the Tarim River mainstream showed an overall slowing trend but remained dominated by slight erosion， while the function of windbreak and sand fixation maintained a low level. Precise ecological water conveyance， increased tree-shrub cover， and strict control of farmland proportion are essential for enhancing ecosystem stability， strengthening the function of windbreak and sand fixation， and mitigating the risk of soil wind erosion in the Tarim River mainstream.

Graphical abstract

关键词

RWEQ模型 / 生态系统类型 / 时空分异 / 塔里木河干流

Key words

RWEQ model / ecosystem type / spatiotemporal differentiation / Tarim River mainstream

风蚀是指土壤颗粒在风力作用下发生剥离、搬运与再堆积的复杂动力过程^［1］，受区域气象格局、植被盖度、土地管理方式及土壤本底特性等多重因素共同调控^［2］。由于干旱与半干旱地区存在蒸发量远大于降水量，土壤干燥、松散，生态系统极为脆弱等特征，当流域生态本底发生变化时，更容易发生风力侵蚀。据全国荒漠化和沙化土地第六次普查结果显示，新疆荒漠化土地面积占全国荒漠化土地总面积的41.52%，沙化土地面积占全国沙化土地总面积的45.02%，是全国土地荒漠化和沙化土地面积最多的省份^［3］，风蚀区域主要分布在南疆的塔里木盆地等沙漠地带^［4］。据统计塔里木河干流上游的阿克苏地区年大风沙尘暴日约为30 d，中下游的尉犁县年沙尘暴日数约73.3 d^［5］，下游地区每年8级以上大风天气达20 d之多^［6］，其中若羌县起沙风年均出现202次，最大风速可达28 m/s^［7］。为了改善和恢复塔里木河干流尤其是下游地区的生态环境，遏制下游绿色走廊的退化与沙漠合拢风险，2000—2020年期间塔里木河干流共计生态输水21次^［8］，极大减少了流域内土壤风蚀发生的频率和程度，提高了流域的防风固沙能力。

由于塔里木河流域沙漠化敏感性和盐渍化敏感性极高，2015年新修编的《全国生态功能区划》中，将塔里木河干流确定为塔里木河流域防风固沙重要生态功能区，以生物多样性保护和防风固沙功能为主。2017年，新修编的《新疆生态功能区划》在全国生态区划的基础上，将塔里木河干流分为上中游乔灌草及胡杨林保护生态功能区和下游绿洲农业及植被恢复生态功能区，确定塔里木河干流生态服务功能主要为生物多样性维护、沙漠化控制和土壤保持等^［9］。同年邓铭江院士团队^［10］根据塔里木河流域的地形特征、景观类型特征和径流补给特点，将塔里木河干流分为上中游生态脆弱亚区和下游绿色走廊生态崩溃与恢复亚区。这种分区方式能够更准确地反映不同区域的生态脆弱性、水资源分布特点以及植被恢复潜力，为风蚀和防风固沙治理提供科学依据。因此本研究在邓铭江等的生态区划基础上，结合阿拉尔、英巴扎和恰拉3个水文站位置和最新的行政边界将塔里木河干流进一步划分为3个区段，从上游、中游、下游和整个干流的尺度对塔里木河干流进行风蚀和防风固沙研究。

目前国内外的风蚀计算模型主要为风蚀方程（Wind Erosion Equation， WEQ） ^［11］、德克萨斯风蚀模型（Texas Erosion Analysis Model， TEAM） ^［12］、修正风蚀方程（Revised Wind Erosion Equation， RWEQ） ^［13］、风蚀预报系统（Wind Erosion Prediction System， WEPS）等^［14］。由于修正后的RWEQ模型充分考虑了土壤、气候、植被等因素，具有数据易获取与GIS系统具有较强亲和力等优势，在国内外被广泛用于风蚀研究^［15-18］。因此，本研究希望借助RWEQ模型，研究塔里木河干流土壤风蚀与防风固沙量的时空分异特征。并通过地理探测器选取主要影响因子，采用多元回归方法分析各因子对土壤风蚀和防风固沙的影响。此外，由于土壤风蚀为多因子共同作用的复杂过程，最终反映在生态系统结构这一水-土-植被-人类活动的耦合载体上，因此本研究在对主要因子进行多元回归分析后，从生态系统类型和变化两个方面，利用转移矩阵方法，研究不同生态系统结构对塔里木河干流土壤风蚀和防风固沙的影响，并希望通过此研究为塔里木河干流生态系统保护与防风固沙提供科学依据和指导。

1 研究区概况

塔里木河干流位于塔克拉玛干沙漠北部（81°51′—88°30′E，39°30′—41°35′N），多年平均气温为9.7~11.5 ℃，多年平均降水量介于17.4~42.8 mm，多年平均蒸发量介于1 125~1 600 mm，属于极端干旱地区。植被以荒漠草原植被为主，土壤类型主要为土壤细砂、粉砂和亚砂土。河道全长1 321 km，总面积为37 725.22 km²。其中上游区段从三源流（阿克苏河、叶尔羌河和和田河）交汇口至英巴扎水文站，以库车市、尉犁县和轮台县的交界处为分界线，区段总长495 km，面积为13 746.29 km²；中游区段至恰拉水文站，以兵团第二师为界，区段全长398 km，面积为14 195.06 km²；下游区段到尾闾湖泊台特玛湖，区段总长428 km，面积为9 783.88 km²（图1）。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源与处理

气象数据来源于国家地球系统科学数据中心（https：∥www.geodata.cn）提供的1 km分辨率逐月风速数据与欧洲中期天气预报中心（https：∥apps.ecmwf.int/datas-ets/）提供的0.1°分辨率逐小时风速数据，土壤湿度数据与雪深数据来源于青藏高原数据中心（https：∥data.tpdc.ac.cn/）提供的1 km分辨率逐日数据。土壤与地形数据分别来源于世界土壤数据库（https：∥www.fao.org）新发布的1 km分辨率HWSD v2.0数据集与地理空间数据云（https：∥www.gscloud.cn）提供的30 m分辨率数字高程模型（Digital Elevation Model， DEM）数据。归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index， NDVI）来源于美国国家航空航天局（http：∥edcimswww.cr.usgs.gov）中心提供的500 m分辨率的MOD13A1产品数据集。土地利用数据来源于中国科学院新疆生态与地理研究所的干旱区生态与资源环境遥感团队提供的2000年、2005年、2010年、2015年与2020年数据集，空间分辨率为30 m。

为确保数据分析的一致性和可比性，在模型运算过程中所有数据均统一为GCS_WGS_1984地理坐标系，栅格数据重采样至1 km分辨率^［19］。此外，气象数据的处理分析依托GEE平台将风速数据转为地面2 m处的风速（U₂）^［20］，逐月计算分析气候因子（WF），其余数据均依托ArcGIS 10.8软件进行计算分析。

2.2 研究方法

2.2.1 修正土壤风蚀方程

本研究采用《全国生态状况调查技术规范——生态系统服务功能评价》（HJ1173—2021）推荐的修正风蚀方程RWEQ模型，计算塔里木河干流不同区段2000—2020年土壤风蚀量与防风固沙量，参数根据模型和实际情况进行适当调整。具体计算公式如下所示：

\mathrm{S}\mathrm{R}=S_{\mathrm{L}\mathrm{潜}}-S_{\mathrm{L}}（1）

S_{\mathrm{L}\mathrm{潜}}=\frac{\mathrm{2}z}{S_{\mathrm{潜}}^{\mathrm{2}}}{Q}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{潜}}\times {\mathrm{e}}^{-(\frac{z^{\mathrm{2}}}{S_{\mathrm{潜}}^{\mathrm{2}}})}（2）

S_{\mathrm{潜}}=\mathrm{150.71}\times {(\mathrm{W}\mathrm{F}\times \mathrm{E}\mathrm{F}\times \mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{F}\times K\text{'})}^{-\mathrm{0.3711}}（3）

Q_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{潜}}=\mathrm{109.8}\times \mathrm{W}\mathrm{F}\times \mathrm{E}\mathrm{F}\times \mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{F}\times K\text{'}（4）

S_L=\frac{\mathrm{2}z}{S_{}^{\mathrm{2}}}{Q}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\times {\mathrm{e}}^{-(\frac{z^{\mathrm{2}}}{S_{}^{\mathrm{2}}})}（5）

S=\mathrm{150.71}\times {(\mathrm{W}\mathrm{F}\times \mathrm{E}\mathrm{F}\times \mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{F}\times K\text{'}\times C)}^{-\mathrm{0.3711}}（6）

Q_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\mathrm{109.8}\times \mathrm{W}\mathrm{F}\times \mathrm{E}\mathrm{F}\times \mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{F}\times K\text{'}\times C（7）

式中：SR为防风固沙量（kg/m²），即流域因地表覆盖等因素阻碍的风沙迁移量，本文基于此进行防风固沙研究；S_L潜为潜在土壤风蚀量（kg/m²），即裸土条件下流域的风沙最大转移量；S_L为实际土壤风蚀量（kg/m²），即流域实际风沙转移量，本文基于此对塔里木河干流进行风蚀研究；S_潜和S分别为潜在地块长度（m）和关键地块长度（m）；Q_max潜和Q_max分别为潜在和实际情况下的最大转移量（kg/m）；z为下风向距离（m），本研究取50 m^［21］；WF为气候因子（kg/m）；EF为土壤可蚀性因子（无量纲）；SCF为土壤结皮因子（无量纲）；K′为地表糙度因子（无量纲）；C为植被覆盖因子（无量纲）。

（1） 气候因子（WF）。

\mathrm{W}\mathrm{F}=\mathrm{W}\mathrm{f}\times \frac{\rho }{\mathrm{g}}\times \mathrm{S}\mathrm{W}\times \mathrm{S}\mathrm{D}（8）

式中：Wf为风力因子（m³/s³）；\rho为干空气密度，本文取值为1.29 kg/m^3［22］；g为重力加速度，取9.8 m/s^2［21］；SW表征土壤湿度因子（无量纲）；SD表征积雪覆盖（无量纲），通过无积雪覆盖天数/研究总天数得到，其中雪盖深度小于25.4 mm则视为无积雪覆盖^［21］。Wf计算公式如下所示：

\mathrm{W}\mathrm{f}=\frac{N_{\mathrm{d}}}{N}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^N}{U}_{\mathrm{2}}(U_{\mathrm{2}}-U_{\mathrm{t}}{)}^{\mathrm{2}}（9）

式中： N_d为测定风速的时间段；N为测定时间段的风速观测次数，本研究采用逐小时的ERA5-Land进行计算；U₂为地面2 m处的月均风速，采用青藏高原数据中心提供的1 km分辨率风速数据；U_t为地面2 m处的临界风速，由于风速达5 m/s时已经能引起沙土移动，所以本研究中U_t取值为5 m/s。

（2） 土壤可蚀性因子（EF）与土壤结皮因子（SCF）。

\mathrm{E}\mathrm{F}=\frac{\mathrm{29.9}+\mathrm{0.31}{S}_{\mathrm{a}}+\mathrm{0.17}{S}_{\mathrm{i}}+\mathrm{0.33}(\raisebox{1ex}{$S_{\mathrm{a}}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\mathrm{C}\mathrm{l}$}\right.)-\mathrm{2.59}\mathrm{O}\mathrm{M}-\mathrm{0.95}\mathrm{C}\mathrm{C}}{\mathrm{100}}（10）

\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{F}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\mathrm{0.0066}{(\mathrm{C}\mathrm{l})}^{\mathrm{2}}+\mathrm{0.021}{(\mathrm{O}\mathrm{M})}^{\mathrm{2}}}（11）

式中：S_a为沙粒含量（%）；S_i为粉粒含量（%）；Cl为黏粒含量（%）；OM为有机质含量（%）；CC为碳酸钙含量（%），模型计算中参考王洋洋等^［23］研究，采用数正态分布模型。

（3） 地表粗糙度因子（K′）。

K\text{'}=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha（12）

式中：α为地形坡度，由DEM数据经过ArcGIS软件中的坡度（slope）模块计算得到^［20］。

（4） 植被覆盖因子（C）。

C={\mathrm{e}}^{-a_{\mathrm{i}}\times \mathrm{s}\mathrm{c}}（13）

\mathrm{S}\mathrm{C}=\frac{\mathrm{N}\mathrm{D}\mathrm{V}\mathrm{I}-\mathrm{N}\mathrm{D}\mathrm{V}{\mathrm{I}}_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}}}{\mathrm{N}\mathrm{D}\mathrm{V}{\mathrm{I}}_{\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{g}}-\mathrm{N}\mathrm{D}\mathrm{V}{\mathrm{I}}_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}}}（14）

式中：a_i为不同植被类型的系数^［16］，其中森林为0.153 5，灌丛0.092 1，草地0.115 1，裸地0.076 8，沙漠/沙地0.065 8，农田0.043 8；SC为植被覆盖度（%），NDVI，NDVI_soil和NDVI_veg分别为实际和裸土以及纯植被下的NDVI值。

2.2.2　统计分析　（1） 最小二乘法。本研究采用最小二乘法的一元线性回归趋势分析法，对2000—2020年塔里木河干流风蚀量和防风固沙量的变化趋势进行分析，计算公式如下：

\mathrm{s}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{e}=\frac{n{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}i{Y}_i-{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}i{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{Y}_i}{n{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{i}^{\mathrm{2}}-{({\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}i)}^{\mathrm{2}}}（15）

式中：slope为变量回归方程的系数，即年际变化量；n为年份数；Y_i 为第i年的土壤风蚀或防风固沙量。若slope为正值，说明近20年塔里木河干流变量呈上升趋势，反之则呈下降趋势。

（2） 地理探测器。通过因子探测，计算各影响因子在2000—2020年对塔里木河干流土壤风蚀和防风固沙量空间变化的解释力（q），识别出具有显著影响的关键因子^［24］。其中生态系统类型按照《全国生态状况调查评估技术规范——生态系统遥感解译与野外核查》（HJ1166—2021），分为森林、灌丛、草地、农田、城镇和荒漠6类生态系统；土壤类型按照FAO标准进行分类。计算公式如下所示：

q=\mathrm{1}-\frac{{\displaystyle \sum _{h=\mathrm{1}}^L}{N}_h{\sigma }^{\mathrm{2}}h}{N_h{\sigma }^{\mathrm{2}}}=\mathrm{1}-\frac{\mathrm{S}\mathrm{S}\mathrm{W}}{\mathrm{S}\mathrm{S}\mathrm{T}}（16）

式中：q为驱动因子的探测值；h为变量因子X的分层情况；N_h 为第h层中的单元数；N为整个区域的单元总数；σ²为计算的方差；SSW和SST分别为层内的方差和与整个区域的总方差。

（3） 多元回归。以风速和土壤湿度为自变量，分为输水期和非输水期两个时段，分别对逐月的土壤风蚀和防风固沙结果建立二元线性回归模型，分析两气候因子对塔里木河干流土壤风蚀和防风固沙的影响，计算公式如下所示。

y={\beta }_{\mathrm{0}}+{\beta }_{\mathrm{1}}{x}_{\mathrm{1}}+{\beta }_{\mathrm{2}}{x}_{\mathrm{2}}+\epsilon（17）

式中：y为土壤风蚀量或防风固沙量（t/km²）；x₁为风速（m/s）；x₂为土壤湿度（m³/m³）；β₀ 为截距，当x₁=x₂=0时；β₁ 为土壤湿度偏回归系数，在控制风速不变的条件下，土壤湿度每增加1个单位时y的变化量；β₂ 为风速偏回归系数，在控制土壤湿度不变的条件下，风速每增加1个单位时y的变化量；\epsilon为残差项，代表未被模型解释的随机误差。

（4） 转移矩阵。通过如下公式利用转移矩阵，研究2000—2020年塔里木河干流不同区段生态系统的结构特征与转移方向，并使其与土壤风蚀与防风固沙进行空间叠加，得到不同生态系统类型在不同区段的土壤风蚀量和防风固沙量。

S_{xy}=〔\begin{array}{ccc}{S}_{\mathrm{11}}& \cdots & S_{\mathrm{1}n}\\ ⋮& ⋮& ⋮\\ S_{n\mathrm{1}}& \cdots & S_{nn}\end{array}〕（18）

式中：S_xy 为塔里木河干流地物x转为地物y的面积大小；x和y分别为研究区2000年和2020年的土地利用类型；n为土地利用类型的总数。

3 结果与分析

3.1 土壤风蚀和防风固沙时空分异特征

3.1.1 土壤风蚀量时空变化

按照水利部2008年发布的《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190—2007）将塔里木河干流土壤风蚀分为6个等级，其中微度侵蚀的风蚀量介于0~200 t/km²，轻度侵蚀风蚀量介于200~2 500 t/km²，中度侵蚀风蚀量介于2 500~5 000 t/km²，强烈侵蚀风蚀量介于5 000~8 000 t/km²，极强烈侵蚀风蚀量介于8 000~15 000 t/km²，剧烈等级风蚀量大于15 000 t/km²。由表1可知，2000—2020年塔里木河干流土壤风蚀等级以轻度和微度风蚀为主，风蚀量呈现波动上升趋势，年平均增长率为10.70 t/km²。其中2000年和2005年土壤风蚀量较小，分别为2 611.16 t/km²和2 297.98 t/km²，2010年塔里木河干流土壤风蚀量最大，平均风蚀模数为4 329.16 t/km²，而2015和2020年土壤风蚀量分别下降为3 204.75 t/km²和2 425.33 t/km²。其中微度等级风蚀总量最多，风蚀量介于4.175 07×10⁷~7.168 70×10⁷ t，强烈等级地区的风蚀量最少，介于1.815 9×10⁶~1.734 24×10⁷ t。

如图2所示，在空间分布上，塔里木河干流土壤风蚀呈条带状分布的特征，风蚀量与风蚀等级由河道向两岸逐渐增加，且河流南岸土壤风蚀程度高于河流北岸。从上游至下游土壤风蚀程度逐渐增加，其中上游与中游地区均以轻度侵蚀为主，占比均超过各段面积的50%，下游地区由于风速较大，植被覆盖较少，土壤风蚀以中度和剧烈等级为主，其中下游地区中度侵蚀面积占下游总面积的32%~35%，剧烈侵蚀面积占下游总面积的19%~38%。

3.1.2 防风固沙量时空变化

由表2可得，2000—2020年塔里木河干流防风固沙量的变化范围在18.42~36.40 t/km²，防风固沙总量变化范围在3.681×10⁵~9.605×10⁵ t，其中2010年流域防风固沙量与防风固沙总量最多，2020年防风固沙量与防风固沙总量最少。二者结果均在2000—2005年有所减少，2005—2010年呈现显著增长，2010—2020年则呈现缓慢下降趋势。

利用ArcGIS软件的自然断点法，将研究区防风固沙量差异较大的栅格值设为分级裂点，将防风固沙分为5级^［25］，其中0~50 t/km²为低等级，50~200 t/km²为较低等级，200~500 t/km²为中等级，500~1 000 t/km²为较高等级，大于1 000 t/km²为高等级。如图3所示，塔里木河干流防风固沙功能以低等级为主，下游地区防风固沙等级高于上中游地区。上游与中游区段低等级面积占比约为相应区段的90%，下游区段低等级面积约为下游面积的80%。2010年塔里木河干流防风固沙能力最强，上游与中游地区低等级面积占比为87%，中等级面积占比为10%左右，下游区段低等级面积占比为79%，中等级面积占比为16%。

3.1.3 土壤风蚀和防风固沙变化趋势分析

利用最小二乘法研究塔里木河干流不同区段在2000—2020年土壤风蚀量与防风固沙量变化趋势，由表3和图4可知，塔里木河干流土壤风蚀量和防风固沙量分别以每年-4.82 t/km²和-0.45 t/km²的趋势波动下降，其中上游和中游区段的土壤风蚀量以每年-37.35 t/km²和-19.63 t/km²的速率波动下降，而下游区段的土壤风蚀量以每年37.66 t/km²的速率波动上升；上游防风固沙量以每年-0.05 t/km²的速率波动上升，而中游和下游地区则以每年-0.36 t/km²和-0.94 t/km²的速率波动下降。从空间分布特征来看，土壤风蚀量与防风固沙量呈现显著的空间聚集性。具体表现为，在上游与中游区段北岸区域，二者总体呈增加趋势，而南岸区域则主要表现为减少趋势；下游区段北部以增加趋势为主，南部则以减少趋势为主。

3.2 土壤风蚀和防风固沙的影响因素分析

3.2.1 主要驱动因子对土壤风蚀和防风固沙的影响

土壤风蚀受自然因素（风速、降水、坡度等）和地表覆被（生态系统类型、植被覆盖等）的共同影响，确定各因子对因变量的空间变化的影响程度（即解释力q值），对制定后续水土保持措施具有重要意义。本研究选取生态系统类型（X₁）和植被覆盖度（X₂）两个地表覆被因子；风速（X₃）、降水（X₄）和蒸散发（X₅）3个气候因子；高程（X₆）、坡度（X₇）、土壤湿度（X₈）和土壤类型（X₉）4个土壤地形因子，分别对塔里木河干流土壤风蚀和防风固沙进行驱动分析，探测塔里木河土壤风蚀的主要影响因子。结果显示，所有因子解释力均通过95%的显著性检验（p<0.05）。

如图5所示，各因子对土壤风蚀和防风固沙的影响不同，且每个因子在不同时期的解释力也有差别。其中气候因子中的风速（X₃）的解释力最大，是土壤风蚀和防风固沙的主控因子，其次为降水（X₄）、土壤湿度（X₈）和高程（X₆）3个因子，而土壤风蚀和防风固沙空间异质性影响程度最小的为坡度（X₇）因子。由于塔里木河干流干旱少雨，生态系统极为脆弱，生态系统类型（X₁）和植被覆盖度（X₂）两个地表覆被因子对土壤风蚀和防风固沙空间变异的解释力相对较小。

近年来，由于生态输水策略对塔里木河干流水文气象等要素产生重要影响，因此本研究在选取风速这一主要影响因子外，考虑到土壤湿度是降水、蒸发与生态输水在土壤中的最终综合表征，选取风速和土壤湿度两因子对塔里木河干流进行多元回归研究。如图6所示，2000—2020年塔里木河干流月均风速在1.10~2.90 m/s随季节发生波动变化，而土壤湿度在0.16~0.20 m³/m³随输水时段和季节发生变化。从风速数据来看，2010年塔里木河干流风速较高，月均风速为2.14 m/s，而2005年、2020年月均风速较低，分别为1.87 m/s和1.86 m/s。在季节变化中，塔里木河干流春夏两季风速较高，月均风速为2.3 m/s，而秋冬季风速相对较低，月均风速为1.6 m/s。而土壤湿度变化极大程度上受生态输水影响，其中输水时段平均土壤湿度较非输水时段土壤湿度提高10%。生态输水主要集中在每年的5—11月，因此夏秋两季土壤湿度最高，而冬春两季土壤湿度较低。

在多元回归分析中，以输水条件为哑变量，分别用风速（x₁）和土壤湿度（x₂）两气候因子对塔里木河干流土壤风蚀和防风固沙做逐像元的多元回归。由表4可知，土壤湿度和风速两因子均对塔里木河干流土壤风蚀和防风固沙有显著影响（p<0.05）。在输水条件下，塔里木河干流土壤风蚀量和防风固沙量随土壤湿度的增加而减小，随风速的增加而增加；在非输水时期，土壤湿度极低，在多种因子的共同作用下方程土壤湿度系数为正，而风速对土壤风蚀量和防风固沙量的影响变化不大。此外，由于塔里木河干流以荒漠生态系统为主，低植被像元占比较高，防风固沙能力较弱，因此土壤风蚀回归方程系数大于防风固沙回归方程系数。

3.2.2 生态系统类型对土壤风蚀和防风固沙的影响

由表5可知，2000—2020年塔里木河干流生态系统类型以荒漠生态系统为主（包括沙漠/沙地、裸土、盐碱地等），面积占塔里木河干流总面积的36.77%~37.56%，并以每年0.01%的速率波动增加；农田生态系统是塔里木河干流面积扩张最大的生态系统类型（包括耕地、园地等），面积占比为5.14%~9.83%，以每年0.22%的速率逐年增长；草地生态系统是面积退化最多的生态系统类型（包括草原、草甸、稀疏草地等），面积占比为1.04%~4.59%，并以每年0.17%的速率减少；此外对防风固沙起主要作用的森林生态系统（包括阔叶林、稀疏林等）和灌丛生态系统（包括阔叶灌丛与稀疏灌丛）面积分别以每年0.07%和0.11%的速率减少

利用栅格计算器计算得到塔里木河干流不同区段多年平均土壤风蚀量与多年平均防风固沙量，并统计不同生态系统类型在不同区段下的土壤风蚀和防风固沙特征。图7A所示，塔里木河干流荒漠生态系统的土壤风蚀量最大，其次为灌丛、森林、城镇和农田生态系统，其中上游和中游区段的各生态系统类型的土壤风蚀量较小，均低于1 000 t/km²，下游区段土壤风蚀情况较为严重，其中荒漠生态系统的土壤风蚀量超过10 000 t/km²，灌丛生态系统的土壤风蚀量超过2 000 t/km²。图7B所示，塔里木河干流森林生态系统的防风固沙能力最强，其次为灌丛、草地、农田、荒漠和城镇生态系统。从空间上来看，森林、灌丛、草地与农田生态系统的防风固沙量均呈现下游>上游>中游地区的特征，荒漠生态系统呈现从上游至下游防风固沙量逐渐增加的特征。而城镇生态系统防风固沙量最小，主要是由于塔里木河干流城镇生态系统主要集中于防风固沙量最小的上游地区，而风蚀和固沙量最大的下游地区城镇规模较小。

3.2.3 生态系统变化对土壤风蚀和防风固沙的影响

利用转移矩阵得到2000—2020年塔里木河干流不同生态系统类型的转移变化情况，如图8所示，灌丛生态系统是塔里木河干流中转移变化最为剧烈的类型，转移变化面积占灌丛总面积的25%，主要表现为灌丛向荒漠生态系统的转移变化。从不同区段来看，上游地区由于灌溉系统不完善导致农田缺水和盐碱化等问题^［26］，主要表现为农田生态系统退化为灌丛生态系统；中游地区为灌丛生态系统向森林、草地和荒漠生态系统的转移变化，其中灌丛转为森林生态系统集中在输水漫溢区^［27］，灌丛转为草地生态系统主要发生在灌丛—草地过渡带，灌丛转为荒漠生态系统主要发生在灌丛—荒漠过渡带；而下游地区由于生态输水主要表现为荒漠生态系统向灌丛生态系统的转移变化。

结合表5土壤风蚀量和防风固沙量在不同生态系统类型和不同区段的特征，研究近20年由于生态系统变化导致的土壤风蚀总量和防风固沙总量。由表6可得，塔里木河干流灌丛生态系统的土壤风蚀总量有所增加，而荒漠、森林、草地、农田和城镇生态系统的土壤风蚀总量有所减少。其中上游区段主要是由灌丛生态系统向荒漠生态系统的转移，导致该地区土壤风蚀量增加，而荒漠生态系统向草地生态系统的转移使得上游地区土壤风蚀量减少。中游区段主要表现为灌丛向森林的转移使得区段内土壤风蚀量减少，下游区段土壤风蚀量的减少主要由于荒漠生态系统向灌丛生态系统的转移。而塔里木河干流生态系统变化最剧烈的灌丛—荒漠过渡带，是由于2 011.94 km²的灌丛生态系统退化，导致灌丛生态系统的土壤风蚀总量增加了15.80万t，而1 051.98 km²的荒漠生态系统变化导致塔里木河干流土壤风蚀总量减少92.76万t。

由表7可得，塔里木河干流荒漠生态系统和农田生态系统的防风固沙量有所增加，而灌丛、草地、森林和城镇生态系统的防风固沙量有所减少。其中上游和中游区段防风固沙总量的增加主要是由于荒漠生态系统向其他生态系统的转移变化，而防风固沙总量的减少分别是由于灌丛生态系统向荒漠生态系统的转移变化和草地生态系统向农田生态系统的转移变化；下游地区防风固沙总量的增加主要是由于荒漠生态系统向灌丛的转移变化，而防风固沙总量的减少主要是由于灌丛生态系统向林地生态系统的转移变化。

4 讨 论

基于改进RWEQ模型，对塔里木河干流2000—2020年的土壤风蚀与防风固沙特征进行研究，在具体计算中考虑到研究区气象站点稀疏，难以达到空间插值所需的条件，因此本研究借助高时间分辨率的ERA5-Land数据与高空间分辨率的逐月风速数据共同对研究区风力因子进行计算，降低了时空分辨率不足对计算结果的影响。同时，考虑到各计算因子的精度要求，本研究参考相关处理方法，将所有数据重采样至1 km分辨率，该操作可能会带来一定的误差和不确定性，还需在后续研究中进行野外实测验证以提高结果的准确性。最终计算得到的多年平均土壤风蚀量为2 973.68 t/km²，与Zhang等^［28］计算出的塔里木河干流风蚀结果2 817.83 t/km²和蒋学玮等^［6］计算出的库尔勒地区风蚀结果3 537 t/km²相近。在空间分布上，塔里木河干流下游地区土壤风蚀程度和防风固沙等级远大于上游和中游地区，与Zhang^［28］、潘婷婷^［29］等对塔里木河流域的研究结果相同。而本研究计算的塔里木河干流防风固沙量较小，可能与在潜在风蚀量计算时选取下风向距离经验常数50 m有关，在后续研究中还需要进行实地监测，确定最适合的z值，以提高模型的模拟精度和适用性。

此外，本研究发现土壤风蚀和防风固沙量均呈现相同的变化趋势，其中2000—2005年塔里木河干流土壤风蚀和防风固沙量显著减少，而2005—2010年显著增加，2010—2020年缓慢下降。由于塔里木河干流生态系统脆弱，生态输水使得局部地区防风固沙量增加，而人类毁林毁草、开荒种田使得塔里木河干流整体防风固沙功能减弱，同时由于风速等主控因子的变化特征共同导致塔里木河干流土壤风蚀量和防风固沙能力均呈现下降趋势。而塔里木河干流土壤风蚀量和防风固沙量主要受风速的影响，2000—2010年塔里木河干流风速总体呈现下降趋势，其中2000年塔里木河干流年均风速为1.97 m/s，后下降至2005年的1.87 m/s，又升至2010年的2.14 m/s，之后缓慢下降至2020年的1.86 m/s，导致研究区土壤风蚀和防风固沙量的波动变化。

基于地理探测器发现，各影响因子对土壤风蚀的解释力显著高于对防风固沙量，主要是因为土壤风蚀量本身空间差异大、驱动因子敏感，而固沙量为土壤风蚀的残差（潜在-实际），其空间变异被压缩，加之塔里木河干流的防风固沙功能本就较弱，导致同一组环境因子对固沙量的解释力显著低于对风蚀量的解释力。基于多元线性回归模型发现，塔里木河干流月均风速在1.10~2.90 m/s之间随季节波动变化，而土壤湿度是调控塔里木河干流土壤风蚀与防风固沙的关键因子，其影响远超风速的季节性波动。但由于本模型中忽略了生态输水对土壤湿度的滞后效应，且仅通过两个影响因子用1 km分辨率的像元对塔里木河干流这种大尺度进行多元线性回归统计，弱化了像元内部生态系统的差异等，最终变量变异度低和多重共线等原因，导致回归方程的决定系数R²较低，在后续研究中还需考虑随机森林等非线性模型进行多因子交互作用分析。

对不同生态系统风蚀量和防风固沙量的研究发现，森林、灌丛和草地生态系统对风蚀的抑制作用明显，有较高的防风固沙能力，呈现从上游到下游风蚀量逐渐增加的特征，而农田、荒漠和城镇生态系统的防风固沙能力较弱。塔里木河干流自然生态植被从上游到下游风蚀量的变化，主要是因为上游地区植被覆盖度较高，胡杨、柽柳、黑刺等抗风蚀能力较高的植被生长状况良好；中游地区植被覆盖度相对较低，受近年来人类活动的不当开荒灌溉影响较大，植被恢复效果较慢；下游地区植被覆盖度最低，主要以低覆盖度植被为主^［30］。同时由于人类不合理的垦荒伐木，使得塔里木河干流森林、灌丛和草地3类生态系统面积持续减少，而农田生态系统面积急速扩张。此外上中游地区农田生态系统的增加与对水资源的无序开发和低效利用，加剧了下游地区水资源短缺和沙丘活化问题，导致灌丛和草地生态系统退化。虽然2000年以来的生态输水策略一定程度上改善了塔里木河干流持续恶化的生态水文状况，但该区仍以荒漠生态系统为主，防风固沙能力仍处于较低水平。

因此，为有效减少塔里木河干流土壤风蚀并提升防风固沙功能，本研究提出以下几点建议：（1） 限制塔里木河干流上中游地区的农田扩张与不当引水，通过财政补贴推广膜下滴灌、水肥一体化等节水技术，并将农业用水效率纳入耕地地力补贴发放依据。（2） 在绿洲—荒漠交错带、新开垦农田边缘和下游沙地活化带等风蚀敏感区建设气象观测网络，监测蒸散发、风速、土壤湿度等要素变化情况。（3） 持续分阶段、分区域地精准生态输水，将输水期与胡杨、柽柳、梭梭等关键植物的需水敏感期结合，在下游等重点风沙源区实施输水—封育—补播修复工程，恢复柽柳、罗布麻等原生灌丛群落，避免干湿交替引发二次风蚀风险。（4） 通过遥感监测与生态补偿机制，严控乱砍滥伐、非法放牧与土地开垦，推动胡杨林生态系统的完整性与连通性恢复。同时将自然保护区周边退化灌丛和草地也纳入保护范围，构建核心区—缓冲区—生态廊道的保护体系。

5 结 论

（1） 2000—2020年塔里木河干流土壤风蚀以微度侵蚀为主，并以每年4.82 t/km²的速率下降。表明近年来塔里木河干流风速减弱与生态输水带来的土壤湿度提升极大地改善了干流区的风蚀状况。而下游地区由于水资源缺乏、植被稀疏等原因，风蚀强度可达中上游地区的3~5倍，成为区域生态安全的高压带。

（2） 2000—2020年塔里木河干流以低等级防风固沙功能为主，并以每年0.45 t/km²的速率缓慢衰减，表明干流地区生态系统的稳定性与固沙能力仍有极大改善空间。在空间分布上防风固沙量同土壤风蚀量均呈现由上游至下游逐渐增加的特征，下游高风蚀胁迫区同时也是固沙需求最大的区域，表明塔里木河干流仍需持续科学地实施生态输水措施，改善下游地区的生态环境与增强其防风固沙能力。

（3） 地理探测器结果表明，风速是塔里木河干流土壤风蚀和防风固沙空间异质的主导因素，其次为降水、土壤湿度和高程。多元回归模型显示随着风速的增加塔里木河干流土壤风蚀量和防风固沙量均增加，在输水期随着土壤湿度的增加干流的风蚀量和防风固沙量减少，而非输水期随着土壤湿度的增加干流的风蚀量和防风固沙量增加。

（4） 2000—2020年塔里木河干流以荒漠生态系统为主，面积占比约37%并以每年0.01%的速率增加，而森林、灌丛、草地三大防风固沙效率较高的生态系统面积占比低且持续缩减，导致研究区防风固沙能力主要依赖低效率的荒漠—灌丛过渡带，流域防风固沙功能敏感脆弱。在生态输水背景下，由于上游与中游地区过量耗水，在空间上主要表现为上游地区农田弃耕为灌丛，中游地区为灌丛退化为荒漠，下游为荒漠恢复为灌丛的特点。

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基金资助

新疆天山英才-青年拔尖人才项目(2023TSYCCX0087)

塔里木河流域水资源高效利用项目(TGJJG-2022KYXM0002)