寧 婷, 郭新亞, 榮月靜, 杜世勛, 李 超

(1.山西省生態(tài)環(huán)境研究中心, 山西 太原 030009; 2.北京山海礎(chǔ)石信息技術(shù)有限公司, 北京 100012)

土壤保持是生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地等)通過(guò)其結(jié)構(gòu)與過(guò)程減少由于水蝕所導(dǎo)致的土壤侵蝕的作用，是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要調(diào)節(jié)服務(wù)之一[1]。土壤保持功能重要性評(píng)估是指針對(duì)典型區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)，分析區(qū)域土壤保持功能分異規(guī)律，明確土壤保持功能的重要區(qū)域[2]，可為確定生態(tài)保護(hù)關(guān)鍵區(qū)、開(kāi)展土壤保持功能區(qū)劃、劃定土壤保持功能保護(hù)紅線等提供科學(xué)依據(jù)。通常以土壤保持量，即潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量的差值，作為生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的評(píng)估指標(biāo)。其中，土壤侵蝕量多采用通用水土流失方程(universal soil and water loss equation， USLE)和修正通用水土流失方程(modified universal soil and water loss equation， RUSLE)進(jìn)行計(jì)算。USLE和RUSLE是美國(guó)農(nóng)業(yè)部開(kāi)發(fā)的預(yù)報(bào)坡地年均土壤流失量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停S著GIS和RS技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于流域、區(qū)域尺度土壤流失預(yù)測(cè)，適用性與準(zhǔn)確性均較強(qiáng)[3-4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者們?cè)邳S土高原[5]、青海湖[6]、三江源[7]、三峽庫(kù)區(qū)[8]等區(qū)域(流域)，貴州省[9]、遼寧省[10]等省份以及一些重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)[1]均開(kāi)展過(guò)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能評(píng)估工作，揭示了所在地區(qū)土壤保持功能重要性及其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，但針對(duì)山西省域的相關(guān)研究目前還較少，也缺乏對(duì)該省土壤保持影響因素的系統(tǒng)分析。山西省地處黃河中游，華北西部的黃土高原地帶，擔(dān)負(fù)著維護(hù)黃河中游生態(tài)狀況和保障環(huán)京津地區(qū)生態(tài)安全的任務(wù)，生態(tài)地位十分重要。但境內(nèi)80%以上的面積為山地、丘陵區(qū)，溝壑縱橫，山高坡陡，水流湍急，破壞力強(qiáng)，加之大多數(shù)地區(qū)為黃土覆蓋區(qū)，土質(zhì)疏松，極易流失，致使山西成為全國(guó)水土流失最為嚴(yán)重的省份之一。嚴(yán)重的水土流失和脆弱的生態(tài)環(huán)境，始終是制約山西經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，也是山區(qū)貧困的根源所在。

當(dāng)前，全國(guó)各地正全面開(kāi)展“三線一單”(生態(tài)保護(hù)紅線、環(huán)境質(zhì)量底線、資源利用上線和環(huán)境準(zhǔn)入負(fù)面清單)編制和國(guó)土空間規(guī)劃工作。生態(tài)功能重要性評(píng)估是劃定生態(tài)保護(hù)紅線和生態(tài)空間的前提，而土壤保持功能保護(hù)紅線是山西省生態(tài)保護(hù)紅線的重要組成。為此，本文基于RUSLE模型開(kāi)展了山西省土壤保持服務(wù)功能重要性評(píng)估，并對(duì)評(píng)估分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題進(jìn)行了一定探討，以期為生態(tài)保護(hù)紅線劃定及國(guó)土空間規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

山西省位于黃河中游東岸，華北平原以西的黃土高原，地理位置為34°31′—40°44′N和110°15′—114°32′E之間，面積1.57×105km2。地形地貌以山地、丘陵為主，海拔大都在1 000 m以上。境內(nèi)河流較多，主要包括汾河、沁河、涑水河、桑干河、滹沱河、漳河等，大部分河流為季節(jié)性河流。氣候?qū)贉貛О霛駶?rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，基本特點(diǎn)為冬季較長(zhǎng)且寒冷干燥，夏季炎熱雨水集中，春季氣候多變，風(fēng)沙較多；秋季短暫，氣溫差較大。年降水量360～660 mm，自西北向東南遞增。年均氣溫在4～14 ℃之間。植被類型以落葉闊葉林、干旱草原和次生落葉灌叢為主，森林覆蓋率20.50%。土壤類型主要是褐土、栗鈣土和粗骨土。山西省水土流失面積達(dá)1.08×105km2，占國(guó)土總面積近70%，共有76個(gè)縣地處國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)。近年來(lái)，以晉北風(fēng)沙區(qū)、呂梁山水土流失嚴(yán)重區(qū)和汾河流域?yàn)橹攸c(diǎn)，山西大力開(kāi)展集中連片水保生態(tài)建設(shè)，成效明顯。截至2018年9月底，山西省共治理水土流失面積6.67×104km2，水土流失治理度達(dá)到61.8%，水土流失蔓延局面得到有效控制，生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能逐年增強(qiáng)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 評(píng)估模型

采用《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》[11]推薦的基于修正通用水土流失方程(RUSLE)的土壤保持服務(wù)模型開(kāi)展評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為：

Ap=R·K·L·S

Ar=R·K·L·S·C·P

Ac=Ap-Ar=R·K·L·S·(1-C·P)

式中：Ac——土壤保持強(qiáng)度〔t/(hm2·a)〕；Ap——潛在土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕；Ar——實(shí)際土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蝕力因子〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕 ；L，S——地形因子；L——坡長(zhǎng)因子；S——坡度因子；C——植被覆蓋因子；P——土壤保持因子。山西省生態(tài)類用地占近70%，生態(tài)系統(tǒng)以自然生態(tài)系統(tǒng)為主，本次評(píng)估中P因子統(tǒng)一賦值為1。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)評(píng)估模型，土壤保持功能重要性評(píng)估所需數(shù)據(jù)包括高程數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)等，其來(lái)源和獲取方法詳見(jiàn)表1。

表1 土壤保持功能重要性評(píng)估數(shù)據(jù)

2.3 評(píng)估因子計(jì)算方法

(1) 降雨侵蝕力因子(R)指降雨引發(fā)土壤侵蝕的潛在能力，通過(guò)多年平均年降雨侵蝕力因子反映，計(jì)算公式為：

α=21.586β-7.189 1

式中：Pd12——日降雨量≥12 mm的日平均雨量(mm)；Py12——日降雨量≥12 mm的年侵蝕性雨量(mm)。

(2) 土壤可蝕性因子(K)指土壤顆粒被水力分離和搬運(yùn)的難易程度，主要與土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土體結(jié)構(gòu)、滲透性等土壤理化性質(zhì)有關(guān)，計(jì)算公式為：

K=(-0.013 83+0.515 75KEPIC)×0.131 7

KEPIC={0.2+0.3exp〔-0.025 6ms(1-msilt/100)〕}×〔msilt/(mc+msilt)〕0.3×{1-0.25Corg/〔Corg+exp

(3.72-2.95Corg)〕}×{1-0.7(1-ms/100)/{(1-ms/100)+exp〔-5.51+22.9(1-ms/100)〕}}

式中：KEPIC——修正前的土壤可蝕性因子；K——修正后的土壤可蝕性因子；mc，msilt，ms，Corg——黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)和有機(jī)碳的百分比含量(%)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)。

(3) 地形因子(LS)L表示坡長(zhǎng)因子，S表示坡度因子，是反映地形對(duì)土壤侵蝕影響的兩個(gè)因子。對(duì)于較大尺度的區(qū)域研究，坡度、坡長(zhǎng)等地形因子難以計(jì)算準(zhǔn)確，因此本次評(píng)估采用地形起伏度因子(D)，即地面一定距離范圍內(nèi)的最大高差，來(lái)反映地形因素對(duì)土壤侵蝕的影響。鄰域計(jì)算單元取3×3。

(4) 植被覆蓋因子(C)反映了生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤侵蝕的影響，是控制土壤侵蝕的積極因素?；贜DVI的大尺度植被覆蓋因子估算方法可有效反映C值的時(shí)空變異。濕地、城鎮(zhèn)和荒漠參照N-SPECT模型(non-point source pollution and erosion comparison tool)的參數(shù)分別賦值為0，0.01，0.7。N-SPECT模型是由美國(guó)NOAA海岸帶服務(wù)中心于2004年開(kāi)發(fā)的用于水文—水環(huán)境模擬的半分布式集總模型，子模塊也是基于RUSLE對(duì)土壤侵蝕量進(jìn)行模擬。旱地按植被覆蓋度換算，計(jì)算公式為：

C旱=0.221-0.595lgc1

式中：C旱——旱地的植被覆蓋因子；c1——小數(shù)形式的植被覆蓋度。

其余生態(tài)系統(tǒng)類型按不同植被覆蓋度進(jìn)行賦值，如表2所示。植被覆蓋度由歸一化植被指數(shù)轉(zhuǎn)換得來(lái)，計(jì)算公式為：

c1=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中：c1——植被覆蓋度；NDVIveg——完全植被覆蓋地表所貢獻(xiàn)的信息，NDVIsoil——無(wú)植被覆蓋地表所貢獻(xiàn)的信息。NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自山西省生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010年)變化遙感調(diào)查與評(píng)估成果。

將R因子采用考慮高程的協(xié)同克里金法、其他3個(gè)因子采用克里金法進(jìn)行空間內(nèi)插，并重采樣為250 m分辨率的柵格。在ArcGIS 10.3柵格計(jì)算器中，根據(jù)模型計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量。

表2 山西省不同生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋因子賦值

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)估因子空間分布特征

(1) 降雨侵蝕力因子(R)。降雨是導(dǎo)致土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿σ蛩豙12]。山西省降水分布的不均勻性，形成了降水引發(fā)水土流失的能力差異。降雨侵蝕力取值范圍在663.05～2 810.32 (MJ·mm)/(hm2·h·a)之間，平均為1 628.71 (MJ·mm)/(hm2·h·a)。山西省侵蝕性降雨量的空間分布規(guī)律與年降雨量空間分布呈現(xiàn)一致性，整體呈現(xiàn)從東南向西北遞減趨勢(shì)。晉東南地區(qū)年降雨量豐富，其降雨侵蝕力遠(yuǎn)大于西北地區(qū)。此外，山地地區(qū)R值整體較高。

(2) 土壤可蝕性因子(K)。土壤可蝕性是土壤自身性質(zhì)對(duì)外營(yíng)力、氣候等綜合作用所反映出的復(fù)雜土壤特性[12]，物理意義為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)單位降雨侵蝕力引起的單位面積上的土壤侵蝕量。其強(qiáng)弱主要取決于土壤機(jī)械組成和團(tuán)聚體含量。一般來(lái)說(shuō)，土壤中黏粒含量越高，土壤抵抗侵蝕的能力越強(qiáng)，K值越?。环哿：吭礁?，越易發(fā)生侵蝕，K值越大。團(tuán)聚體含量則與土壤可蝕性成反比。山西省除大同、忻州、太原、臨汾、運(yùn)城、長(zhǎng)治等六大盆地K值相對(duì)較低，其他區(qū)域K值均較高。

(3) 地形起伏度因子(D)。地形因子是構(gòu)成水土流失的動(dòng)力條件，影響降雨和外營(yíng)力再分配，改變地表物質(zhì)的分離、搬運(yùn)和堆積的過(guò)程與速度，決定著地表徑流對(duì)水土流失的能量分配。山西地處黃土高原地區(qū)，地勢(shì)起伏不平，空間差異明顯，河流和谷地橫穿而過(guò)，地勢(shì)東西高，中間低，山地和丘陵等中小起伏地形占多數(shù)。本次評(píng)估中，山西省地形起伏度在0～284 m之間。

(4) 植被覆蓋因子(C)。植被覆蓋是控制土壤侵蝕的積極因素。RUSLE模型中只有植被分布是受自然因素和人類活動(dòng)共同作用的產(chǎn)物，其他因子純粹是由自然力所控制。C因子取值范圍為0～1，C值越大說(shuō)明所對(duì)應(yīng)土地利用類型的土壤侵蝕越嚴(yán)重[13]。C的大小不僅與植被覆蓋度直接相關(guān)，與生態(tài)系統(tǒng)類型也有密切的關(guān)系。對(duì)于相同的植被覆蓋度，C因子賦值規(guī)律大致表現(xiàn)為：森林<灌叢<草地<園地。山西省平均C值為0.16，植被覆蓋情況總體一般。晉西、晉北和六大盆地地區(qū)自然植被覆蓋度較低，C值較高，林、灌生態(tài)系統(tǒng)分布的廣大山地地區(qū)C值則較低。

山西省土壤保持功能評(píng)估因子制備結(jié)果如圖1所示。各評(píng)估因子中，以地形因子和植被覆蓋因子對(duì)水土流失最為敏感，相差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)RUSLE模型整體有效性的作用最為顯著，這與前人研究結(jié)論一致[14]。

圖1 山西省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能評(píng)估因子空間分布

3.2 土壤保持強(qiáng)度Ac及其空間分布特征

山西省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持強(qiáng)度Ac取值范圍在0～10 645.9 t/(hm2·a)之間，絕大多數(shù)地區(qū)在20～1 500 t/(hm2·a)之間，平均約為416.10 t/(hm2·a)(圖2)。山西省土壤保持總量約為6.52×109t/a。土壤保持強(qiáng)度整體表現(xiàn)為“西北低、東南高，盆地低，山區(qū)和丘陵高”的空間分布特征。太行山、呂梁山兩大山脈Ac值普遍較高，六大盆地和晉西北地區(qū)則較低。這是降水、土壤、地形、植被等共同作用的結(jié)果，其中又以地形因子和植被覆蓋因子為主導(dǎo)。

圖2 山西省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持強(qiáng)度Ac空間分布

3.3 土壤保持功能重要性分級(jí)

對(duì)土壤保持功能重要性進(jìn)行分級(jí)，核心工作是明確分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，得到分界點(diǎn)。將山西省土壤保持強(qiáng)度值按從高到低的順序排列，得到累加土壤保持量占山西省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量比例，記為P1，對(duì)應(yīng)的土壤保持功能極重要區(qū)占國(guó)土面積的比例記為P2。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，當(dāng)P1=1%時(shí)，P2約為0.13%，這表示排序以后Ac數(shù)值最高的0.13%的區(qū)域就可以維持全省1%的土壤保持量。當(dāng)P1分別取5%，10%，15%，…，90%，95%和100%時(shí)，P1與P2之間的變化關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，二者之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，可用方程P2=0.021 6e3.939 7P1表示，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.933 5。

《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》建議將土壤保持能力值按從高到低的順序排列后，用累加土壤保持量占生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量比例的50%和80%對(duì)應(yīng)的柵格值，作為土壤保持功能評(píng)估分級(jí)的分界值?？紤]到山西省水土流失現(xiàn)狀與生態(tài)保護(hù)需求，依據(jù)圖3中面積比例關(guān)系，本研究將該標(biāo)準(zhǔn)提高至55%和85%，以624和292 t/(hm2·a)為分界值，將山西省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能重要性分為3級(jí)，分級(jí)結(jié)果如圖4所示。

圖3 土壤保持比例(P1)與國(guó)土面積比例(P2)的變化

圖4 山西省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能重要性分級(jí)

山西省土壤保持功能極重要區(qū)、重要區(qū)、一般重要區(qū)對(duì)應(yīng)面積為3.62×104km2，4.44×104km2和7.61×104km2，分別占山西省國(guó)土面積的23.10%，28.33%和48.57%。其中，極重要區(qū)主要分布在太行山、呂梁山、恒山、五臺(tái)山、太岳山、中條山等組成的“多”字形山地地區(qū)。這些山區(qū)山高坡陡，植被類型多樣，覆蓋度高，在保持土壤方面發(fā)揮了重要作用。晉西黃土丘陵溝壑區(qū)黃土堆積深厚，地表切割破碎[15]，水土流失嚴(yán)重，是國(guó)家級(jí)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能也極為重要。重要區(qū)則主要分布在上述極重要區(qū)周邊，以晉西黃土丘陵溝壑區(qū)和中南部低山地區(qū)分布相對(duì)廣泛。晉北地區(qū)和其他盆地、平原地區(qū)為土壤保持功能一般重要區(qū)。

4 討論與結(jié)論

本文基于RUSLE模型的土壤保持功能評(píng)估結(jié)果與山西省實(shí)地相符，以地形因子、植被因子對(duì)模型的整體有效性作用最為顯著。山西省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持強(qiáng)度平均為416.10 t/(hm2·a)，土壤保持總量為6.52×109t/a。土壤保持強(qiáng)度在空間上呈現(xiàn)“西北低、東南高和盆地低、丘陵和山地高”的分布格局。

土壤保持功能重要性的分級(jí)必須結(jié)合當(dāng)?shù)厮亮魇?wèn)題的嚴(yán)重程度和生態(tài)保護(hù)需求情況。將土壤保持強(qiáng)度值按從高到低的順序排列，用累加土壤保持量占山西省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量比例的55%和85%對(duì)應(yīng)的柵格值作為評(píng)估分級(jí)的分界值，將山西省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能重要性分為極重要、重要和一般重要3級(jí)，分別占山西省國(guó)土面積的23.10%，28.33%和48.57%。其中，極重要區(qū)主要分布在太行山、呂梁山、恒山、五臺(tái)山、太岳山、中條山等組成的“多”字形山地地區(qū)，在晉西黃土丘陵溝壑區(qū)也有一定分布。這與《山西省主體功能區(qū)規(guī)劃》、《山西省生態(tài)功能區(qū)劃》中土壤保持生態(tài)功能區(qū)范圍基本一致。對(duì)上述區(qū)域的良好保護(hù)能確保山西省1/2以上的生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能得到保育。