朱建佳，彭曉偉，劉耀亮，劉金銅

(1 河北科技師范學(xué)院a園藝科技學(xué)院，b農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，c工商管理學(xué)院，河北 秦皇島，066600；2 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心)

早在20世紀(jì)60年代，美國水土保持學(xué)家Wischmeier率先提出了通用土壤流失方程(The Universal Soil Loss Equation，USLE)，對區(qū)域土壤侵蝕和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究具有重大意義[1]。該方程經(jīng)過2次修正后得到修正的通用土壤流失方程RUSLE，與USLE的結(jié)構(gòu)相同，但引入了土壤侵蝕過程的概念，改進(jìn)了各因子的含義和算法，因而使用范圍更加廣泛[2]。然而，RUSLE只有在美國境內(nèi)參數(shù)才不用調(diào)整，且忽略了上游地塊自身的泥沙截留能力。由美國斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會和世界自然基金會共同開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與權(quán)衡綜合評價(jià)工具——InVEST模型(the Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)，旨在通過模擬不同土地利用下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量和價(jià)值量的變化，為決策者權(quán)衡人類活動(dòng)的影響和效益提供科學(xué)依據(jù)。InVEST模型的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了USLE和RUSLE的上述缺陷。

近年來，InVEST模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用到我國不同地區(qū)土壤保持模擬的研究中。例如，李苒[3]研究表明，榆林市土壤保持效益與土地利用方式、流域內(nèi)部地形地貌、生態(tài)系統(tǒng)類型、植被覆蓋等因素有很大關(guān)系；王敏等[4]發(fā)現(xiàn)，福建寧德水土保持功能與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)；智長貴等[5]對河南淅川縣土壤保持功能進(jìn)行評估，得出有林地土壤保持量最大、未成林地土壤保持量最小的結(jié)論；陳童堯等[6]分析了不同土地利用、海拔高度、坡度以及土壤類型下祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)的土壤保持狀況，得出草地和栗鈣土的土壤保持量最高。以上研究表明，土壤侵蝕與土壤保持的空間分布特征受多種人為和自然因素的影響，然而，這種空間異質(zhì)性以及影響因素在山區(qū)表現(xiàn)尤為明顯和復(fù)雜。因此，筆者擬在以上研究的基礎(chǔ)上，探究山區(qū)土壤保持的垂直分布特征，試圖明晰其與土地利用、地形等因素的相關(guān)關(guān)系。

太行山是我國華北地區(qū)主要山系之一，由于太行山的特殊地理位置，人口急驟增加，工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和戰(zhàn)爭的連年爆發(fā)，原始森林破壞殆盡，造成該區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，水土流失嚴(yán)重，自然災(zāi)害頻繁。源自太行山的諸河流，雨季水勢猛，泥沙含量高，釀成泥沙泛濫；旱季又干旱無雨，河流干涸，造成該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期低而不穩(wěn)，對華北平原和京津地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和安全帶來極大的威脅[7]。本次研究以太行山區(qū)為研究區(qū)域，利用InVEST模型探究太行山區(qū)的土壤保持空間分布特征及其影響因素，并分析空間上的土壤侵蝕強(qiáng)度，有助于決策者明晰土壤侵蝕的主要影響因素，從而更好的防止水土流失，有利于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡。

1 研究區(qū)概況

太行山位于北緯34°35′～40°19′，東經(jīng)110°15′～116°27′，包括山西、河北、北京、河南等省市共計(jì)101個(gè)縣(區(qū))(表1)，海河和黃河2個(gè)一級流域，4個(gè)二級流域和11個(gè)三級流域(表2)，總面積12.78萬km2(圖1)。太行山地處我國中緯度的溫帶和暖溫帶，氣候溫和，降雨量集中，光照充足，屬于大陸性氣候[8]。太行山是一個(gè)以山地為主，擁有黃土丘陵、山間盆地分布的復(fù)合山地地貌，為綜合發(fā)展農(nóng)林牧副生產(chǎn)提供了有利條件，同時(shí)也為林業(yè)發(fā)展提供了良好基地。太行山區(qū)土壤主要為褐土帶，一般較低地帶為山地褐土，海拔較高山地分布有淋溶褐土、山地棕壤及粗骨性土等，海拔2 000 m以上還分布有山地草甸土和亞高山草甸土。由于氣候條件的分異，太行山植被從南到北也存在一定的差異，全區(qū)主要為暖溫帶落葉闊葉林帶[7]。

表1 太行山區(qū)行政區(qū)劃

圖1 太行山區(qū)位置及地形

表2 太行山區(qū)一、二、三級流域

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究使用的TM衛(wèi)星圖像來源于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/)，采用目視解譯得到研究區(qū)土地利用圖，數(shù)據(jù)精度為87.96%。30 m分辨率DEM來源于地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn/)，用于研究區(qū)地形分析和流域劃分。2005～2014年日降水量來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.nmic.cn/)，用于計(jì)算降水侵蝕力因子R。土壤機(jī)械組成、有機(jī)碳含量來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn/)，用于計(jì)算土壤可蝕性因子K。典型流域徑流輸沙量來源于《中華人民共和國水文年鑒》，用于土壤保持模型結(jié)果的驗(yàn)證。

2.2 InVEST模型原理

應(yīng)用InVEST模型以及ArcGIS 10.5平臺對太行山區(qū)的土壤侵蝕與土壤保持進(jìn)行了模擬，土壤保持為柵格單元土壤潛在侵蝕減去實(shí)際侵蝕。土壤潛在侵蝕為裸地的土壤侵蝕量RKLS，其計(jì)算公式為：

RKLS=R·K·LS

(1)

土壤實(shí)際侵蝕為自然狀態(tài)下的侵蝕量USLE，其計(jì)算公式為：

USLE=R·K·LS·P·C

(2)

SR=RKLS-USLE

(3)

式中：R為降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h)]；K為土壤可蝕性因子[t·h/(MJ·mm)]；LS為地形因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子；SR為土壤保持量(t/hm2)；h為時(shí)間。

2.3 模型所需參數(shù)

2.3.1降雨侵蝕力因子R采用基于日降水量的計(jì)算方法[9]。

(4)

式中：Mi為第i個(gè)半月時(shí)段的侵蝕力值；k為該半月時(shí)段內(nèi)的時(shí)間，Dj為半月時(shí)段內(nèi)第j天的侵蝕性日雨量，要求日雨量大于等于12 mm，否則以0計(jì)算；α和β為模型待定參數(shù)。分別以每個(gè)氣象站資料進(jìn)行回歸分析，由于不同站點(diǎn)得到的α和β不同，α和β的公式為：

α=21.586×β-7.189 1

(5)

(6)

式中：Pd12為日降雨量≥12 mm的日平均雨量；Py12為日降雨量≥12 mm的年平均雨量。

2.3.2土壤可蝕性因子K采用EPIC模型[10]進(jìn)行K值的計(jì)算。

(7)

(8)

其中：SAN，SIL，CLA分別為沙粒、粉粒、粘粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；C為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。

2.3.3地形因子LS在地形要素中，坡度、坡長是形成有侵蝕能力徑流的最主要因素，反映了地形地貌對土壤侵蝕的影響。LS指單位面積坡面流失與標(biāo)準(zhǔn)侵蝕小區(qū)(坡度為9%，坡長為22.12 m)的比值。在小流域和區(qū)域尺度上，往往通過目標(biāo)區(qū)域DEM來提取該因子[11]。

對于坡度較緩的區(qū)域(<25%)：

(9)

式中：flowacc為柵格的匯流量，用柵格數(shù)量表示；cellsize為柵格大小，本次研究為1 km2；slope為坡度。

對于坡度較陡的地區(qū)(≥25%)：

LS=0.08λ0.35×prctslope0.6

(10)

式中：flowacc為柵格的匯流量，用柵格數(shù)量表示；cellsize為柵格大小，本次研究為1 km2；m為坡長指數(shù)；slope為坡度；prctslope為柵格百分坡度。

2.3.4C，P因子植被覆蓋因子C是在某種條件下有作物種植地塊上的土壤流失量與對應(yīng)的無作物種植地塊上流失量的比值，一般介于0與1之間；水土保持措施因子P指的是某種水土保持措施支持下的土壤流失量與對應(yīng)的順坡耕作條件下流失量的比值，一般介于0與1之間[1]。C，P因子反映的是土壤流失與地塊種植的植被、作物以及地塊管理措施等因素之間的關(guān)系。本次研究通過查閱文獻(xiàn)[11～14]，得到太行山區(qū)C，P的取值。

2.4 模型驗(yàn)證

選取太行山區(qū)域內(nèi)8個(gè)水文站對2005～2014年平均輸沙量進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，8個(gè)子流域的模擬輸沙量總和為19.61×104t，實(shí)際觀測的輸沙量總和為19.67×104t，僅相差0.06×104t，模擬效果較好(表3)。而且，模擬的輸沙量數(shù)值與實(shí)際輸沙量數(shù)值具有顯著的線性關(guān)系(y=0.84x+0.38，R2=0.98，P<0.001)，故本次研究對于土壤侵蝕和土壤保持的模擬結(jié)果具有很好的參考價(jià)值。

表3 太行山區(qū)域內(nèi)8個(gè)水文站控制子流域的集水面積、實(shí)際輸沙量與模擬輸沙量

3 研究結(jié)果

3.1 USLE各因子空間分布特征

太行山區(qū)USLE各因子均表現(xiàn)出明顯的空間分異特征，其中降雨侵蝕力因子R受氣候條件影響，自東南向西北逐漸降低(圖2)；其余4個(gè)因子表現(xiàn)出隨海拔發(fā)生變化的垂直地帶性，并與土地利用類型密切相關(guān)。土壤可蝕性因子K，植被覆蓋因子C隨海拔升高而降低；地形因子LS，水土保持措施因子P隨海拔升高而升高。USLE五大因子的空間分異規(guī)律共同決定了太行山區(qū)土壤侵蝕以及土壤保持的空間分布特征。

圖2 太行山區(qū)USLE各因子空間分布

3.2 土壤侵蝕空間分布特征

2005～2014年，太行山區(qū)多年平均土壤侵蝕總量為0.37×108t，平均土壤侵蝕強(qiáng)度為4.3 t/hm2。參照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)(SL 190—2007)》可將土壤侵蝕強(qiáng)度分為微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度、劇烈共6個(gè)等級[15]。太行山區(qū)土壤侵蝕以微度和輕度為主，各等級土壤侵蝕面積從微度到劇烈在全區(qū)所占的比例分別為71.08%，27.01%，1.22%，0.36%，0.23%，0.10%。太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度自南向北逐漸增高，在縣域尺度上，河北省邢臺、行唐，河南安陽、孟州土壤侵蝕強(qiáng)度較低，均低于0.12 t/hm2；山西省繁峙、平順、五臺、左權(quán)等縣土壤侵蝕強(qiáng)度較高，均超過9 t/hm2。在一級流域中，海河流域土壤侵蝕強(qiáng)度較高，達(dá)到了3.84 t/hm2；黃河流域較低，為2.06 t/hm2。二級流域土壤侵蝕強(qiáng)度由高到低順序依次為：海河南系(4.16 t/hm2)，海河北系(2.79 t/hm2)，龍門至三門峽(2.28 t/hm2)，三門峽至花園口(1.77 t/hm2)。三級流域中，位于太行山區(qū)東北部的子牙河、北三河、大清河土壤侵蝕強(qiáng)度較高，均高于4.42 t/hm2；太行山區(qū)東南部的沁丹河、小浪底至花園口土壤侵蝕強(qiáng)度較低，約為1 t/hm2(圖3)。

圖3 太行山區(qū)土壤侵蝕空間分布

3.3 土壤保持空間分布特征

太行山區(qū)2005～2014年10年平均土壤保持量為4.58×108t，單位面積土壤保持量為40.22 t/hm2。土壤保持與土壤侵蝕之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(R=0.51，P<0.01)，即對于太行山區(qū)來說，土壤侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)，土壤保持功能也較好。

在縣域尺度上，山西省黎城、左權(quán)土壤保持量較高，分別為104.73 t/hm2和101.78 t/hm2；河北省邢臺、行唐，河南省安陽、孟州土壤保持量均低于2 t/hm2。在一級流域中，海河流域的土壤保持量較高，為46.04 t/hm2；黃河流域較低，為28.84 t/hm2。二級流域土壤保持量由高到低順序依次為：海河南系(49.26 t/hm2)，三門峽至花園口(36.88 t/hm2)，海河北系(35.15 t/hm2)，龍門至三門峽(22.69 t/hm2)。三級流域中，北三河、三門峽至小浪底土壤保持量較高，分別為78.44 t/hm2和71.59 t/hm2；小浪底至花園口土壤保持量最低，僅為12.83 t/hm2(圖4)。

圖4 太行山區(qū)土壤保持空間分布

3.4 土壤保持的影響因素

3.4.1與土地利用類型之間的關(guān)系太行山區(qū)土壤保持總量隨土地利用類型的變化從大到小依次為：林地，草地，水域，未利用土地，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，耕地。而林地和草地提供的土壤保持量占總土壤保持量的54.1%。說明人為干預(yù)對土壤保持有很大的影響。

3.4.2與海拔之間的關(guān)系太行山區(qū)單位面積土壤保持量與海拔之間的關(guān)系為：海拔0～700 m時(shí)，土壤保持量隨著海拔的升高而線性上升；700～800 m時(shí)，土壤保持量隨海拔升高而下降；在800～2 200 m時(shí)，土壤保持量隨海拔升高而緩慢上升；2 200～2 850 m時(shí)，土壤保持量隨海拔升高波動(dòng)性下降(圖5)。

圖5 太行山區(qū)土壤保持量隨海拔的變化

3.4.3與坡度的關(guān)系按照《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查規(guī)程》規(guī)定，凡坡度小于或等于2°的稱之為平地，坡地分為2°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°等4個(gè)不同的坡級。太行山區(qū)土壤保持量隨著坡度的增加而逐漸增加，呈明顯的線性關(guān)系。4個(gè)坡級對應(yīng)的單位面積土壤保持量依次為：20.74，32.32，49.54，101.12 t/hm2。

圖6 太行山區(qū)土壤保持量隨坡度的變化

4 討 論

土壤侵蝕和土壤保持不僅受生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響，更與人口、地形、土地利用類型等因素密切相關(guān)。本次研究利用InVEST模型對太行山區(qū)土壤侵蝕和土壤保持進(jìn)行模擬，得出近10年太行山區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度為4.30 t/hm2，單位面積土壤保持量為40.22 t/hm2，土壤侵蝕強(qiáng)度以微度和輕度為主。其主要原因?yàn)椋m然太行山區(qū)地形陡峭，坡度較大，導(dǎo)致土壤潛在侵蝕較大。然而，植被覆蓋類型主要以林地和草地為主，植被覆蓋度廣，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且太行山地處我國中緯度的溫帶和暖溫帶，氣候溫和，降雨量集中，侵蝕性降雨較少。因此，土壤保持服務(wù)在該區(qū)作用顯著，導(dǎo)致實(shí)際的土壤侵蝕強(qiáng)度較低。

太行山區(qū)不同土地利用類型土壤保持能力由高到低依次是：林地，草地，水域，未利用土地，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，耕地。與前人得出的林地和草地對縮減侵蝕面積貢獻(xiàn)率最明顯的研究結(jié)果相符合[5,16]。太行山區(qū)由于森林和草地等植被覆蓋率較高，提供的土壤保持量占總保持量的54.1%，因此太行山區(qū)具有較強(qiáng)的土壤保持能力。然而，土壤保持功能與區(qū)域自然條件及人類活動(dòng)密切相關(guān)，不當(dāng)?shù)娜祟惢顒?dòng)會導(dǎo)致水土流失的增加[17，18]，故城鄉(xiāng)居民用地和耕地的土壤保持能力遠(yuǎn)低于林地和草地。以上結(jié)論表明，如果人類對于土地的擾動(dòng)強(qiáng)烈，會增加土壤侵蝕，導(dǎo)致土壤保持能力下降，而對于一些侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)退耕還林可以很好的改善土壤保持能力。

太行山區(qū)土壤保持能力與海拔和坡度因子之間關(guān)系密切。海拔800 m以下，土壤保持隨海拔升高呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢；800 m以上，土壤保持隨海拔升高呈現(xiàn)先緩慢升高再波動(dòng)下降的變化趨勢。分析原因?yàn)?，海?00 m以下主要為太行山東部與華北平原過渡地帶，隨著海拔升高，人口和耕地逐漸減少，由于不當(dāng)?shù)娜祟惢顒?dòng)減少，故土壤保持量隨海拔升高線性上升；在700～800 m主要為太行山西部的山西地區(qū)，是與黃土高原的過渡地帶，人口和耕地多集中在這個(gè)海拔高度，由于人類活動(dòng)影響增大，且黃土高原植被覆蓋較少，因此土壤保持量有減少的趨勢；隨著海拔的升高，人口分布和耕地逐漸減少，土地利用類型以林地為主，所以土壤保持量有增加的趨勢；2 200 m以上，植被逐漸由森林過渡到草甸，土壤保持量開始下降。

太行山區(qū)土壤保持量隨坡度增加而顯著增加，這與陸傳豪[19]、郜紅娟[20]等的研究結(jié)果一致。張彪等[21]研究表明，在植被覆蓋、土壤屬性等條件相近的情況下，土壤侵蝕量隨坡度增加而顯著增加[21]。本次研究結(jié)果表明，太行山區(qū)NDVI(歸一化植被指數(shù))隨坡度的變化呈顯著的二次函數(shù)關(guān)系，在坡度35°以下時(shí)，NDVI隨坡度增加而增加，即植被覆蓋率逐漸增大；坡度35°以上，NDVI隨坡度變化平穩(wěn)，植被覆蓋率基本保持不變(圖7)。由于植被覆蓋率直接決定了土壤保持能力的高低，因此太行山區(qū)土壤保持量隨坡度增大而增大，這也在一定程度上解釋了太行山區(qū)土壤保持與土壤侵蝕呈正相關(guān)的原因。

圖7 太行山區(qū)NDVI隨坡度的變化

綜合以上研究可以得出，太行山區(qū)土壤保持服務(wù)高值區(qū)主要集中在海拔和坡度較大高山區(qū)，土地利用類型以林地和草地為主，該區(qū)域同時(shí)也是土壤侵蝕相對嚴(yán)重區(qū)。坡面水與泥沙的空間重分布過程主要受控于植被的空間鑲嵌格局，植叢斑塊與裸地斑塊和諧的鑲嵌格局，能夠最大程度地防止水土流失[22～25]。因此，在合理保護(hù)高山區(qū)土壤保持服務(wù)的基礎(chǔ)上，提高中低山區(qū)土地利用的空間異質(zhì)性，也有利于水土流失的緩解。

5 結(jié) 論

(1)2005～2014年，太行山區(qū)多年平均土壤侵蝕總量為0.37×108t，平均土壤侵蝕強(qiáng)度為4.3 t/hm2，全區(qū)侵蝕強(qiáng)度以微度和輕度為主；空間上土壤侵蝕強(qiáng)度自南向北逐漸增高。

(2)2005～2014年，太行山區(qū)土壤保持總量平均為4.58×108t，單位面積土壤保持量為40.22 t/hm2；土壤保持與土壤侵蝕之間顯著正相關(guān)，土壤侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)，土壤保持功能也較好。

(3)太行山區(qū)土壤侵蝕與土地利用類型、海拔、坡度等因子關(guān)系密切，林地和草地對土壤保持的貢獻(xiàn)率最大，占總量的54.1%，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和耕地貢獻(xiàn)率最??；土壤保持服務(wù)高值區(qū)主要集中在海拔和坡度較大的高山區(qū)。保護(hù)高山區(qū)較高的土壤保持能力，同時(shí)提高中低山區(qū)土地利用類型的空間變異性，有利于進(jìn)一步緩解區(qū)域水土流失和保證山區(qū)生態(tài)安全。