喻 鋒，李曉兵，王 宏

(1.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，資源學(xué)院，北京 100875；2.國土資源部信息中心，國土資源部國土資源戰(zhàn)略研究重點實驗室，北京 100812)

生態(tài)安全條件下土地利用格局優(yōu)化
——以皇甫川流域為例

喻 鋒1,2，李曉兵1,*，王 宏1

(1.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，資源學(xué)院，北京 100875；2.國土資源部信息中心，國土資源部國土資源戰(zhàn)略研究重點實驗室，北京 100812)

在人類活動導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題中，土地利用格局變化對區(qū)域生態(tài)安全起著決定性作用。選擇我國乃至在世界上都罕見的多沙、粗沙、強烈水土流失的黃河皇甫川流域作為研究區(qū)域，針對土壤侵蝕和生態(tài)用水這兩大影響流域生態(tài)安全的關(guān)鍵問題，開展土地利用變化模擬、土壤侵蝕3S監(jiān)測、適宜植被蓋度估算、土壤侵蝕情景模擬、土地利用格局優(yōu)化等方面的綜合研究。結(jié)果表明：(1) 土地利用格局變化是導(dǎo)致土壤侵蝕變化的重要因素。從1987年到2015年，建筑用地、林地和灌叢面積增加，水域、沙地和裸砒砂巖面積減少，導(dǎo)致流域年平均土壤侵蝕模數(shù)由16160.72 t km-2a-1降至9710.72 t km-2a-1。(2) 土地利用類型與土壤侵蝕模數(shù)密切相關(guān)并存在一定規(guī)律。6種不同土地利用類型多年平均土壤侵蝕模數(shù)的大小順序為：裸砒砂巖>沙地>耕地>草地>林地>灌叢，表明灌、林措施是流域植被恢復(fù)和土壤侵蝕減少的首選。(3) 土地利用結(jié)構(gòu)和空間格局優(yōu)化有助于提升區(qū)域生態(tài)安全水平。在優(yōu)化格局下，2007年和2015年土壤侵蝕模數(shù)比優(yōu)化前分別減少5469.57 t km-2a-1和5432.77 t km-2a-1，優(yōu)化后2015年土壤侵蝕模數(shù)僅為4277.95 t km-2a-1，低于流域自然侵蝕臨界值或允許土壤侵蝕模數(shù)5300 t km-2a-1，優(yōu)化土地利用格局成為加強流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要途徑。

生態(tài)安全; 土地利用; 土壤侵蝕; 適宜植被蓋度; 格局優(yōu)化

隨著全球性環(huán)境問題的日益顯著，生態(tài)安全問題越來越受到人類的普遍關(guān)注。近十多年來，國內(nèi)外生態(tài)安全研究主要集中在基因工程生物的生態(tài)風(fēng)險與生態(tài)安全、生態(tài)入侵、生態(tài)系統(tǒng)健康評價、生態(tài)安全評價方法及模型和生態(tài)安全預(yù)警等方面[1]。區(qū)域生態(tài)安全狀況受自然因素和人類活動雙重影響，而在人類活動導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題中，土地利用變化過程又對區(qū)域生態(tài)安全起著決定性作用[2]。從土地利用或土地生態(tài)系統(tǒng)視角來探討區(qū)域生態(tài)安全問題，成為土地利用/覆蓋變化研究和生態(tài)安全研究的熱點。

土地利用格局優(yōu)化，即不同類型土地利用單元在時間和空間尺度上的優(yōu)化配置，可以協(xié)調(diào)生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益三者之間的關(guān)系。長期以來，土地利用格局研究側(cè)重于對土地利用類型和數(shù)量的優(yōu)化配置以實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化，即追求生態(tài)安全中的經(jīng)濟生態(tài)安全目標(biāo)。近年來，生態(tài)因素已成為土地利用優(yōu)化配置的重要約束條件和優(yōu)化目標(biāo)，生態(tài)安全的理念也開始在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中得以體現(xiàn)：Herrmann等[3]應(yīng)用系統(tǒng)工程方法，從土壤肥力、地下水質(zhì)量、地表水、群落生境和景觀五方面選取指標(biāo)作為生態(tài)約束條件，開展鄉(xiāng)村土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；Makowski等[4]以歐共體農(nóng)用土地資源面臨的最主要的污染問題為導(dǎo)向，以氮流失量最小為規(guī)劃目標(biāo)，建立了歐共體農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型；徐學(xué)選等[5]應(yīng)用線性規(guī)劃模型，以土壤侵蝕量作為生態(tài)約束條件，探討了黃土丘陵區(qū)生態(tài)建設(shè)中農(nóng)林牧土地結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模式；林彰平[6]提出了生態(tài)安全條件下土地利用模式優(yōu)化研究的概念框架，并采用灰色線性規(guī)劃模型，探討了東北農(nóng)牧交錯帶土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法；劉艷芳等[7]對基于綠當(dāng)量的最佳森林覆蓋率標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)優(yōu)化方法進行了探討，對土地利用優(yōu)化中關(guān)于生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的量化研究有著重要的啟發(fā)意義；蘇偉等[8]建立了土地利用格局優(yōu)化模擬模型LUOS，基于GLP方法和CA模型，得出了中國北方農(nóng)牧交錯帶在6種情景下的土地利用優(yōu)化方案；呂紅峰等[9]對呼倫貝爾沙地北部海拉爾沙帶的土地利用進行了生態(tài)安全評價和優(yōu)化，建立了海拉爾沙帶生態(tài)安全條件下的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；粱偉恒等[10]運用主成分分析法、聚類分析法和灰色線性規(guī)劃法，提出了重慶市開縣的土地利用優(yōu)化模式。

為此，本文選擇我國乃至在世界上都罕見的多沙、粗沙、強烈水土流失的黃河皇甫川流域作為研究區(qū)域，針對土壤侵蝕和生態(tài)用水兩大影響流域生態(tài)安全的關(guān)鍵問題，以土地利用變化模擬、土壤侵蝕3S監(jiān)測、適宜植被蓋度估算、土壤侵蝕情景模擬、土地利用格局優(yōu)化等為重點，開展生態(tài)安全條件下土地利用格局優(yōu)化研究，有利于為合理開發(fā)國土空間、科學(xué)配置“三生”(生產(chǎn)、生活和生態(tài))空間提供科學(xué)依據(jù)，對大力推進生態(tài)文明建設(shè)、實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

1 研究區(qū)

皇甫川流域位于E110.3°—111.2°，N39.2°—39.9°之間，地跨鄂爾多斯高原與黃土高原，流域全長約125 km，總面積約為3240 km2?；矢Υ饔?qū)贉貛О敫珊荡箨懶詺夂?，年平均氣?.2—7.2 ℃；年平均降雨量在379—420 mm之間，主要集中在夏季，6—8月份的降雨量占總降水量的61%。流域內(nèi)砒砂巖大面積裸露，原生植被破壞殆盡，再加上較大的地勢高差和較強的暴雨沖刷導(dǎo)致水土流失十分嚴(yán)重，年平均向黃河輸送約0.5 億t泥沙，深刻影響著當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)條件。土壤母質(zhì)類型為砒砂巖土類、黃土類、風(fēng)沙土類、沖積土類，分別占流域面積的39.8%、41.3%、17.0%、1.9%，土壤類型相應(yīng)為栗鈣土、黃綿土、風(fēng)沙土、草甸土和潮土，其中大部分屬于易侵蝕類型，這也決定了該區(qū)域的土壤侵蝕比較強烈。

皇甫川流域?qū)儆谵r(nóng)牧交錯帶，主要的土地利用類型為耕地、草地和林地，形成了以草地利用為主、耕地鑲嵌、小片林地星散分布、侵蝕溝網(wǎng)嵌套的土地利用格局。其中，流域中西部和北部人口較為稀少，又有大面積連片分布的天然草地，適合于開展草地畜牧業(yè)；而東南部人口相對稠密，具備了開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力資源，加之地形破碎、土地開墾程度高，經(jīng)濟發(fā)展以農(nóng)業(yè)為主。耕地主要集中在流域內(nèi)沙圪堵鄉(xiāng)、納林鄉(xiāng)與府谷縣境內(nèi)，其中坡耕地占到耕地總面積的46%，但大多數(shù)坡耕地土壤含水量差、淋溶作用強、土壤肥力低、平均單產(chǎn)低。

2 方法

2.1 土地利用變化模擬

2.1.1 數(shù)量結(jié)構(gòu)——Markov模型

作為一種基于柵格的空間概率模型，在假設(shè)當(dāng)前社會經(jīng)濟模式發(fā)展不變情況下，通過計算土地利用變化的轉(zhuǎn)移概率矩陣，Markov(馬爾柯夫)模型可以預(yù)測特定情景下土地利用數(shù)量的未來變化趨勢。傳統(tǒng)的Markov模型可表示為：

P(n)=P(n-1)P=P(0)Pn

(1)

式中,P(0)和P(n)分別表示初始時刻和任何時刻土地利用的狀態(tài)概率向量；P為土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)移概率矩陣，也可以把它看成是多個時段的平均轉(zhuǎn)移概率向量，即：

(2)

式中,P1…Pn為各個時段的轉(zhuǎn)移概率矩陣，n1…nn為各個時段的步長。

本文通過計算1987—1995年、1995—2000年、2000—2007年3個時段的平均轉(zhuǎn)移概率矩陣，預(yù)測未來直至2015年皇甫川流域土地利用的變化趨勢。

2.1.2 空間格局——Bayes模型

Bayes(貝葉斯)模型能彌補Markov模型不能準(zhǔn)確刻畫未來土地利用空間格局的缺陷?；贐ayes最大似然概率原則，該模型考慮某一柵格轉(zhuǎn)化為不同土地利用類型的可能性，從而最終確定土地利用的未來空間格局。其計算方法為：

(3)

本文采用5×5的柵格窗口計算每一柵格轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌恋乩妙愋偷母怕?，基于“耕地—草地—灌叢—林地—水域—建筑用地—裸砒砂巖—沙地”的順序，按照概率的高低依次確定各土地利用類型柵格的空間位置，直至滿足Markov模型預(yù)測后的數(shù)量要求為止，最終確定皇甫川流域2015年土地利用空間格局。

2.2土壤侵蝕變化模擬[11]

黃土高原地區(qū)地表破碎且降雨集中，水蝕起著關(guān)鍵作用；此外，重力侵蝕與水蝕相互復(fù)合，也是造成當(dāng)?shù)販衔g強烈的重要動力。研究成果表明[12- 13]：水蝕和重力侵蝕約占皇甫川流域土壤侵蝕總量的83%；其中，當(dāng)坡度小于35°時，重力侵蝕可以忽略不計，而當(dāng)坡度大于35°時，重力侵蝕才顯著增大，約為水蝕量的30%。因此，基于計算土壤水蝕的USLE(通用土壤侵蝕方程)，皇甫川流域土壤侵蝕模型的表達式為：

(4)

式中,E為年均土壤侵蝕量(t hm-2a-1)；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1)；L為坡長因子；S為坡度因子；C為地表覆蓋因子；P為水土保持措施因子；θ為地表坡度。

上述6個參數(shù)分別有不同的計算方法(表1)。在預(yù)測未來土地利用情景下的土壤侵蝕時，參數(shù)C是在未來時點土地利用格局和現(xiàn)狀時點植被蓋度狀況的基礎(chǔ)上得到的，參數(shù)R則采用流域的多年平均值。

表1 皇甫川流域土壤侵蝕模型參數(shù)計算[13- 15]

2.3適宜植被蓋度計算[16- 17]

皇甫川流域?qū)儆诟珊蛋敫珊档貐^(qū)，水分是植物生長的主要限制因子。經(jīng)過長期的水土流失綜合治理，流域植被蓋度有明顯增加，但隨之植被需水量也日益增加。因此，植被與水的矛盾，即水分生態(tài)安全成為影響流域生態(tài)安全的重要因素。研究流域的水分生態(tài)安全，應(yīng)考慮目前植被的正常生長能否維持或能維持多久，不同林、灌、草等土地利用配置模式的水分豐欠差異，以及主要植物種的種群密度是否合理等。適宜植被蓋度是指在適宜的狀態(tài)下，即植物群落的水分輸入和輸出達到平衡時，群落中主要植被的蓋度。研究適宜植被蓋度是解決水分生態(tài)安全問題的重要突破口，有助于優(yōu)化皇甫川流域的能量流動和物質(zhì)循環(huán)，緩解水土流失。

皇甫川流域喬灌木和半灌木的適宜植被蓋度的計算公式為：

冠幅面積=π×(冠幅長×冠幅寬)/4

單位面積植物年耗水量=蒸騰強度×葉干重×蒸騰時數(shù)/1000

單株年耗水量=單位面積年耗水量×冠幅面積

單株營養(yǎng)面積=單株年耗水量/單位土壤面積的有效水分

群落適宜蓋度=冠幅面積/營養(yǎng)面積×100%

(5)

皇甫川流域小半灌木和草本植物的計算公式為：

單位面積內(nèi)株(叢)面積=單位面積×蓋度

單位面積植物年耗水量=蒸騰強度×單位面積內(nèi)葉干重×蒸騰時數(shù)/1000

營養(yǎng)面積=單位面積年耗水量×單位面積/單位土壤面積的有效水分

群落適宜蓋度=株(叢)面積/營養(yǎng)面積×100%

(6)

式中，冠幅面積是當(dāng)植物冠幅的垂直投影區(qū)為橢圓形時所對應(yīng)的面積。

單位土壤面積上的有效水分值按兩種假設(shè)條件計算：(1) 無效降水量及蒸發(fā)量占降水量的10%，其余降水量均可被植物利用，無地下水補給；(2) 無效降水量及蒸發(fā)量占降水量的10%，年降水量的20%作為徑流流失，無地下水補給。

2.4 土壤侵蝕情景模擬

將皇甫川流域土地利用的可能情景簡化為全林地、全灌叢、全草地、全耕地這4種單一類型覆蓋格局，分別模擬其在植被覆蓋現(xiàn)狀和水分平衡(即各植被類型蓋度為其適宜植被蓋度)條件下所對應(yīng)的土壤侵蝕，從而為下一步基于土壤侵蝕量進行土地利用格局空間優(yōu)化提供定量依據(jù)。主要步驟包括：

(1) 從現(xiàn)有植被類型與蓋度出發(fā)，分別計算出各柵格單元在全林地、全灌叢、全草地、全耕地4種情況下的土壤侵蝕。

(2) 根據(jù)其現(xiàn)有水分條件和植被的實際蒸騰量，分別推算各柵格單元作為林地、灌叢、草地和耕地時各自的適宜蓋度(采用2.3的計算結(jié)果)。

(3) 根據(jù)適宜植被蓋度的計算結(jié)果，分別計算出水分平衡條件下不同土地利用格局情景下(全林地、全灌叢、全草地、全耕地)所對應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)。

2.5 土地利用格局優(yōu)化

2.5.1 土地利用類型總量控制

土地利用類型的總量控制主要考慮四個方面的約束條件：一是強制約束性因素，即要滿足強制性邊界條件要求，如濕地、森林公園、地質(zhì)公園等自然保護區(qū)(本文不存在)，以及湖泊和水庫等不允許或不能進行覆被調(diào)整的地區(qū)；二是政策導(dǎo)向性因素，如坡度大于25°的陡坡耕地實施退耕還林還草及城鎮(zhèn)擴展等規(guī)劃建設(shè)用地需求等；三是經(jīng)濟協(xié)調(diào)性因素，即要滿足糧食安全、畜牧業(yè)和林果業(yè)發(fā)展、增加農(nóng)民純收入等的要求，既確保較為穩(wěn)定的耕地面積，同時適當(dāng)提高林地、草地的比例；四是生態(tài)保障性因素，即滿足生態(tài)優(yōu)化和生物多樣性要求，如考慮林地、灌叢、草地的適宜比例，同時減少裸砒砂巖和沙地的面積。

2.5.2 土地利用類型空間優(yōu)化

空間格局優(yōu)化主要依據(jù)圖像中各柵格單元對不同覆被類型的歸屬概率而進行。歸屬概率是指某一柵格，從有利于生態(tài)安全(本文主要考察減少土壤侵蝕)的角度出發(fā)，轉(zhuǎn)化為不同植被類型的可能性，其計算方法如下[18]：

(7)

土地利用類型空間優(yōu)化的具體步驟如下：

(1) 首先維持現(xiàn)有的水域空間格局不發(fā)生變化，同時滿足對建筑用地空間分配的預(yù)期要求。

(2) 從流域現(xiàn)有植被覆蓋與土地利用類型出發(fā)，推算水分供給條件，以此作為進行土地覆蓋優(yōu)化布局的關(guān)鍵約束因子之一。

(3) 對于25°以上的坡地，根據(jù)其現(xiàn)有水分條件和植被實際蒸騰量，分別推算柵格作為林地、灌叢、草地時各自的覆蓋度，并且確保其蓋度不超過各自類型的適宜蓋度。從減少土壤侵蝕模數(shù)的角度，分別計算出柵格被賦于上述3種類型的歸屬概率。

(4) 同理，對于25°以下的坡地，推算柵格為林地、灌叢、草地、耕地時各自覆蓋度，并分別計算出柵格被賦于上述四種類型的歸屬概率。

(5) 按照不同土地利用類型的賦值順序(耕地-草地-灌叢-林地)，在適宜蓋度范圍內(nèi)按各柵格的歸屬概率從大到小進行屬性分配，直至滿足各土地利用類型的總量控制條件為止。

(6) 將剩余的柵格賦值為沙地和裸砒砂巖，考慮其原有空間位置及土壤侵蝕模數(shù)大小以滿足總量控制所確定的面積。

(7) 考察優(yōu)化后的土地利用格局所對應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)和植被蓋度，討論是否滿足生態(tài)安全條件。

3 結(jié)果及分析

3.1 土地利用變化

從1987年到2007年(表2和圖1)，流域土地利用發(fā)生了顯著變化：灌叢、林地和建筑用地面積均呈現(xiàn)持續(xù)增長，所占比例分別增長了11.96、4.93和0.12個百分點，而主要位于流域中部的裸砒砂巖和沙地面積則持續(xù)減少，到2007年所占比例分別下降至13.11%和1.37%，表明經(jīng)過近20年的水土保持綜合治理，流域生態(tài)恢復(fù)的效果明顯；城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟發(fā)展也推動了建筑用地的劇烈擴張；水域面積由8.05%減至2.06%，減少了194.08 km2，對流域未來植被恢復(fù)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等極為不利。此外，由于不合理的土地利用行為不斷加劇，流域西北部草地面積大幅減少，轉(zhuǎn)變?yōu)樯车鼗蛘咴斐膳皫r裸露。從2007年到2015年(表2和圖1)，建筑用地和耕地的面積仍將以26.67%和14.89%的速度保持增長，而水域面積則繼續(xù)縮減，進一步加深人-水、畜-水矛盾，成為阻礙當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、社會安定和生態(tài)恢復(fù)的瓶頸性因素；沙地和裸砒砂巖面積存在反彈趨勢，流域生態(tài)環(huán)境可能面臨再次惡化的局面。

從土地利用類型間變化來看(表3和圖1)，建筑用地擴張主要是通過占用灌叢和草地而來，而對耕地的占用相對較少，說明當(dāng)?shù)刂匾暩乇Ｗo的同時把建筑用地的需求轉(zhuǎn)移到灌叢和草地上面；林地面積增加159.73 km2，灌叢對其貢獻最大，其次是裸砒砂巖和草地，反映出在流域綜合治理中發(fā)展林果業(yè)成效不錯，其中灌叢和草地上主要栽種經(jīng)濟林，裸砒砂巖則以生態(tài)林為主；減少的水域主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、草地和裸砒砂巖，表明流域降水條件并不理想，同時大面積的植被恢復(fù)也消耗了大量的水分；而對裸砒砂巖的治理基本上灌、草措施為主，同時加強耕作措施的維護。此外，沙地的治理效果也非常明顯，其中有144.37 km2的沙地被治理成草地。

表2 皇甫川流域土地利用變化模擬與預(yù)測

3.2 土壤侵蝕變化

1987年、1995年、2000年、2007年和2015年的年平均土壤侵蝕模數(shù)分別為16160.72、14939.42、13943.32、11354.03 t/km2和9710.72 t/km2。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)(SLl90—2007)》[19]進行土壤侵蝕強度劃分。

從1987年到2000年(表4和圖2)，微度侵蝕和輕度侵蝕的面積分別由1066.15 km2和558.85 km2增加到了1546.16 km2和704.85 km2，中度侵蝕一直到極劇烈侵蝕的面積都呈減少態(tài)勢，流域南部地區(qū)劇烈侵蝕和極劇烈侵蝕的面積顯著減少，均反映出水土流失綜合治理取得良好成效。從2000年到2015年(表4和圖2)，微度侵蝕面積持續(xù)減少，輕度侵蝕面積比例在22%上下波動，雖然兩者面積總和在2015年將保持在2016.58 km2，但流域總體生態(tài)環(huán)境仍比較脆弱：中度、強度和劇烈侵蝕面積均有所回升，三者之和將超過總面積的四分之一。

圖1 皇甫川流域1987—2015年土地利用格局Fig.1 Land use patterns from 1987 to 2015 in Huangfuchuan watershed1987、1995、2000和2007分別為當(dāng)年的土地利用現(xiàn)狀格局，2015(F)為2015年土地利用預(yù)測格局

土地利用類型Landusetype林地Woodland灌叢Shrub草地Grassland耕地Croplan沙地Sand裸砒砂巖Softrock建筑用地Constructionland水域Water林地Woodland0.214540.367010.126430.076700.009660.198670.000370.00662灌叢Shrub0.084140.496980.177100.130970.027960.070690.000860.01130草地Grassland0.034110.282860.478480.042610.044560.101580.000270.01553耕地Cropland0.095450.387170.099510.335730.006530.057260.000580.01777沙地Sand0.023410.338100.391700.031360.173970.037810.001420.00223裸砒砂巖Softrock0.055490.212700.270590.029680.003630.413240.000410.01426建筑用地Constructionland0.018250.087020.079850.015850.007750.082170.695490.01362水域Water0.040720.198240.199640.097720.009510.098940.000480.35475

表4 皇甫川流域土壤侵蝕變化情況

圖2 皇甫川流域1987—2015年土壤侵蝕格局Fig.2 Soil erosion patterns from 1987 to 2015 in Huangfuchuan watershed1987、1995、2000和2007分別為當(dāng)年的土壤侵蝕現(xiàn)狀格局，2015(F)為2015年土壤侵蝕預(yù)測格局

從不同土地利用類型的年平均土壤侵蝕模數(shù)來看(表5)，從1987年到2007年，除沙地的侵蝕模數(shù)增長80.42%外，其余均呈下降態(tài)勢，其中裸砒砂巖減少了15467.27 t/km2，其次為草地和灌叢，分別減少了1250.44 t/km2和1047.50 t/km2，林地則減少了996.21 t/km2。到2015年，雖然沙地和裸砒砂巖的受蝕程度明顯減弱，但耕地和草地的侵蝕模數(shù)將出現(xiàn)大幅反彈，林地和灌叢也將回復(fù)到2000年的水平。此外， 6種不同土地利用類型多年平均土壤侵蝕模數(shù)的大小順序為：裸砒砂巖>沙地>耕地>草地>林地>灌叢，表明灌、林措施是流域植被恢復(fù)和土壤侵蝕減少的首選，草地減蝕的效果也比較明顯，而沙地尤其是分布面積較廣的裸砒砂巖則是水土流失綜合治理的難題和關(guān)鍵。

表5 皇甫川流域不同土地利用類型年平均土壤侵蝕模數(shù)

3.3 適宜植被蓋度

經(jīng)初步計算，皇甫川流域不同植被類型的適宜植被蓋度為[6]：楊樹37%—48%，油松36%—47%，沙柳46%—59%，檸條43%—55%，沙棘61%—79%，百里香68%—87%，沙打旺50%—65%，羊柴為54%—69%。根據(jù)本研究的具體目標(biāo)，選定研究區(qū)4種主要的土地利用類型的植被適宜蓋度為：林地42%，灌叢55%，草地77.5%，耕地40%，其中耕地的適宜植被蓋度是通過與研究區(qū)其它植被類型生態(tài)用水的比較來進行估算的[7]。

3.4 土壤侵蝕情景

從土壤侵蝕情景模擬結(jié)果來看(表6)，隨著流域植被蓋度的增加(2007年流域植被蓋度約為40%，低于林、灌、草、耕各單一類型的適宜植被蓋度)，單一土地利用覆蓋類型下流域的土壤侵蝕模數(shù)顯著減小，其中草地和灌叢的提升空間較大，主要是因為其現(xiàn)有蓋度與適宜蓋度之間差異明顯，且面積比例較大的緣故；其次為耕地，而林地通過增加植被蓋度來減少土壤侵蝕的效果最差。雖然水分平衡條件下現(xiàn)狀格局比土地利用現(xiàn)狀格局的土壤侵蝕減少了近3900 t km-2a-1，但仍遠高于流域自然侵蝕臨界值或土壤允許侵蝕量5300 t km-2a-1，表明只提高植被蓋度，而不從數(shù)量和空間位置上對土地利用進行調(diào)整，無法滿足實現(xiàn)控制水土流失的生態(tài)安全目標(biāo)。

3.5 土地利用優(yōu)化

2007年優(yōu)化前后(表7和圖3)，皇甫川流域土地利用格局由“灌—草—裸巖”型轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化格局下的“灌—草—耕”型，裸砒砂巖和沙地面積均減少了45%以上，草地和耕地則呈增加態(tài)勢。從空間上看，流域中部的沙地基本上被草地所代替，中南部裸砒砂巖則大部分被治理成灌叢；東部灌叢變得相對破碎，而草地在其間隙中得到了較好的恢復(fù)和擴展；耕地則主要是依靠河道向兩側(cè)擴張。從效果上看，優(yōu)化后流域土壤侵蝕模數(shù)由11354.03 t km-2a-1減至5884.46 t km-2a-1，考慮到生態(tài)恢復(fù)和重建周期長、難度大的特點，優(yōu)化效果良好，但仍高出流域允許土壤侵蝕模數(shù)。

2015年優(yōu)化前后(表7和圖3)，皇甫川流域土地利用格局將由預(yù)測格局下的“灌—草—裸巖”型轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化格局下的“灌—草—林”型，裸砒砂巖和沙地面積減幅均在35%左右，林地則有近40%的快速增長。從空間上看，草地在流域北部和東側(cè)面積有所增加；除在原有中西部地區(qū)有所擴張外，城鎮(zhèn)居民點周圍開始出現(xiàn)分布較為集中的林地；河道兩側(cè)的耕地則繼續(xù)減少。對比2015年優(yōu)化前后土地利用格局的土壤侵蝕模數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在加強林、灌、草植被建設(shè)(包括盡量增加其面積比例和滿足其適宜植被蓋度)，適當(dāng)縮減耕地面積，優(yōu)化土地空間布局的基礎(chǔ)上，土壤侵蝕模數(shù)降為4277.95 t km-2a-1，低于流域允許土壤侵蝕模數(shù)，表明土地利用格局優(yōu)化明顯改善了生態(tài)環(huán)境狀況，初步實現(xiàn)了流域生態(tài)安全的目標(biāo)。

表6 皇甫川流域不同土地利用格局土壤侵蝕模數(shù)

表7 優(yōu)化前后皇甫川流域土地利用格局及其土壤侵蝕模數(shù)

4 結(jié)論

基于土地利用/覆蓋變化與適宜植被蓋度，本文對皇甫川流域不同土地利用情景下的土壤侵蝕進行了定量評價，進而提出包括總量控制和空間配置在內(nèi)的土地利用格局優(yōu)化模式，較好地實現(xiàn)了以減少土壤侵蝕、增加植被覆蓋為目標(biāo)的區(qū)域生態(tài)安全。主要結(jié)論如下：

(1) 土地利用結(jié)構(gòu)與植被覆蓋變化是導(dǎo)致流域土壤侵蝕變化的重要因素。從1987年到2015年，隨著建筑用地、林地和灌叢面積持續(xù)增加，水域、沙地和裸砒砂巖面積不斷減少，年平均土壤侵蝕模數(shù)由16160.72 t km-2a-1降至9710.72 t km-2a-1；在水分平衡條件下，若使各主要植被類型達到其適宜植被蓋度，2007年土壤侵蝕模數(shù)將由11354.03 t km-2a-1降至7476.71 t km-2a-1。兩者仍遠高于流域自然侵蝕臨界值或土壤允許侵蝕量5300 t km-2a-1，表明單純調(diào)整土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)或提高植被覆蓋水平，而不從數(shù)量、空間、覆蓋狀況同步對土地利用進行調(diào)整，不能完全滿足實現(xiàn)遏制流域水土流失的生態(tài)安全目標(biāo)。

圖3 皇甫川流域1987年和2015年土地利用和土壤侵蝕優(yōu)化格局Fig.3 Optimized patterns of land use and soil erosion in 1987 and 2015 in Huangfuchuan watershed2007(O)和2015(O)分別為2007年和2015年的土地利用和土壤侵蝕優(yōu)化格局

(2) 土地利用類型與土壤侵蝕密切相關(guān)并存在一定規(guī)律?；矢Υ饔?種不同土地利用類型多年平均土壤侵蝕模數(shù)的大小順序為：裸砒砂巖>沙地>耕地>草地>林地>灌叢，表明灌、林措施是流域植被恢復(fù)和減少土壤侵蝕的首選，草地減蝕的效果也比較明顯，而沙地尤其是分布面積較廣的裸砒砂巖則是土壤侵蝕綜合治理的難題和關(guān)鍵。

(3) 土地利用格局優(yōu)化有助于改善生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)，實現(xiàn)流域生態(tài)安全目標(biāo)。在優(yōu)化格局下，2007年和2015年皇甫川流域土壤侵蝕模數(shù)比優(yōu)化前分別減少了5469.57 t km-2a-1和5432.77 t km-2a-1；2015年優(yōu)化后，流域土地利用格局由“灌—草—裸巖”型轉(zhuǎn)變“灌—草—林”型，土壤侵蝕模數(shù)僅為4277.95 t km-2a-1，已經(jīng)實現(xiàn)了低于流域允許土壤侵蝕模數(shù)的目標(biāo)。

5 討論

(1) 在土壤侵蝕模擬過程中，由于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)和野外實驗的支持，某些參數(shù)的選取采用了前人在黃土高原其它地區(qū)的研究成果，雖然模擬精度仍有待提高，但對土壤侵蝕的總體趨勢變化不會產(chǎn)生大的影響；而在預(yù)測過程中，由于無法獲取流域未來時點下的植被蓋度狀況，2015年土壤侵蝕預(yù)測結(jié)果會有所偏差。

(2) 在適宜植被蓋度估算中，文本僅對單一植被類型的適宜蓋度進行了模擬，考慮到皇甫川流域存在的植被混合分布情況，下一步應(yīng)該對由不同植被種類組成的植被群落適宜蓋度進行分析和模擬。

(3) 在土地利用格局空間優(yōu)化過程中，不同土地利用類型的分配順序會對土地單元空間位置的確定產(chǎn)生影響，進而影響到土壤侵蝕模數(shù)的計算。本文采用的“耕地—草地—灌叢—林地”的分配順序，基本上滿足了流域生態(tài)安全目標(biāo)實現(xiàn)過程中的“先生存條件安全、后生態(tài)環(huán)境安全”的要求，但就不同分配順序?qū)?yōu)化過程所產(chǎn)生的影響及其現(xiàn)實意義仍可作進一步的探討。

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Optimizationoflandusepatternbasedoneco-securityacasestudyinthehuangfuchuanwatershed

YU Feng1,2, LI Xiaobing1,*, WANG Hong1

1StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2InformationCenterofMinistryofLandandResources,Beijing100812,China

In terms of ecological and environmental problems caused by human activities, changes in the pattern of land use play a decisive role in regional eco-security.In recent years, ecological considerations have been an important limiting factor and optimization goal, with the concept of eco-security reflected in land use pattern optimization.Supported by 3S technology, we chose the Huangfuchuan watershed of the Yellow River basin as the study area—a rare, sandy, gritty, intense erosion area of the world, where soil erosion and ecological water are important factors determining regional eco-security.Here we carried out comprehensive research that involved the monitoring and forecasting of change in land use, soil erosion simulation, estimation of appropriate vegetation coverage, and optimization of land use.The results were as follows.(1) Over the last 10 years, there has been a general change in land use in the Huangfuchuan watershed, with the proportion of construction land, woodland, cropland and shrub increasing gradually over time (although the rate of increase has slowed), and the proportion of water, grassland, sand and bare rock decreasing, most markedly in water resources.During this course of development, the watershed pattern of land use has been under tremendous pressure from the conflict between rapid urbanization, economic development and the conservation and rebuilding of the ecological environment.This scenario looks set to continue for some time in the future, and moreover, the distinct decline in water area would be the main obstacle in the above conflict.(2) Change in the pattern of land use was an important factor in the course of soil erosion, the annual modulus of soil erosion decreased rapidly from 16160.72 t/km2in 1987 to 9710.72 t/km2in 2015.To a degree, soil erosion was closely related to type of land use.According to the annual modulus of soil erosion in the same year, different types of land use impacted on soil erosion with the following order of magnitude: bare rock > sand > cropland > grassland > woodland > shrub, indicating that woodland and shrub were the preferred measures for vegetation restoration and a reduction in soil erosion.Furthermore, the alteration of sand and bare rock would be critical to the comprehensive control of soil erosion, a fact that could not be ignored.(3) The effect of soil and water conservation has been significant over the last 10 years; however, owing to the high proportion of sand and bare rock and the proliferating cropland in the watershed, the annual modulus of soil erosion remained higher than the permissible degree of soil erosion, namely 5300 t/km2.Land use pattern optimization can help to improve ecosystem services in the Huangfuchuan watershed, and achieve the goal of promoting eco-security.After optimization, the annual modulus of soil erosion could decrease by 5469.57 t/km2and 5432.77 t/km2in 2007 and 2015, with 4277.95 t/km2in 2015, which is considerably below the permissible degree of soil erosion.Generally, our paper has emphasized the impact of different types and patterns of land use on soil erosion, highlighted the adjustment or optimization in pattern of land use, and suggested improvements in the scientific assessment of soil erosion for the simulation and forecasting of land use change, which has broad future applications.

eco-security; land use change; soil erosion evaluation; appropriate vegetation coverage; pattern optimization

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2014CB138803)；國家自然科學(xué)基金資助項目(41030535，31000229)

2013- 07- 01;

2014- 02- 24

10.5846/stxb201307011807

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xbli@bnu.edu.cn

喻鋒，李曉兵，王宏.生態(tài)安全條件下土地利用格局優(yōu)化——以皇甫川流域為例.生態(tài)學(xué)報,2014,34(12):3198- 3210.

Yu F, Li X B, Wang H.Optimization of land use pattern based on eco-security: a case study in the huangfuchuan watershed.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3198- 3210.