律可心， 王子曄， 姜群鷗，3，4?， 高 峰， 喬 智

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京；2.有研資源環(huán)境研究院(北京)有限公司，101407，北京；3.北京林業(yè)大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京；4.北京林業(yè)大學水土保持學院 重慶縉云山三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，100083，北京)

土壤侵蝕是當前全球生態(tài)環(huán)境關注重要問題之一。土壤侵蝕發(fā)展變化制約了土地生產(chǎn)力，對水土資源開發(fā)利用具有直接影響，不利于人類生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展[1]。目前，我國土壤侵蝕現(xiàn)象仍然十分嚴重，土壤侵蝕地域分布也極其廣泛。植被作為影響土壤侵蝕的重要因子，可通過植被蓋度降低水流動能從而減緩沖刷作用，同時根系增加土壤水分入滲量以及對土壤物理固結作用，可以有效地防止土壤侵蝕現(xiàn)象[2]。實際土壤保持量受土壤潛在侵蝕量的限制[3]，為描述植被對土壤侵蝕的控制效率，本研究采用土壤侵蝕控制指數(shù)這一指標[4]，更精確地對水土保持進行定量評價。

目前，國內外已開展大量了植被與土壤侵蝕影響關系的研究。其中包括利用降雨實驗或徑流小區(qū)來研究植被蓋度變化對土壤侵蝕的影響，如魯克新等[5]通過實驗發(fā)現(xiàn)植被蓋度越大，減蝕效益越明顯。利用GIS技術進行大尺度植被蓋度對土壤侵蝕的研究，如李斌等[6]研究黃土高原地區(qū)植被蓋度對土壤侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)植被蓋度等級越高，微度侵蝕所占比例越大；陳銳銀等[7]通過土壤侵蝕敏感性評價識別發(fā)現(xiàn)植被覆蓋與生物措施因子為土壤侵蝕中最敏感的因子。從機理視角研究植被對土壤侵蝕的影響，如肖培青等[8]研究發(fā)現(xiàn)植被坡面的抗剪強度、黏聚力明顯大于裸地，并能有效減少產(chǎn)沙量。這些研究大部分是基于土壤保持量或產(chǎn)流產(chǎn)沙量探索植被變化對土壤侵蝕強度影響；然而，對植被的土壤侵蝕控制效率研究相對較少。

媯水河流域位于北京市延慶區(qū)，作為首都重要水源涵養(yǎng)區(qū)和2022年冬奧會舉辦地，不僅是北京的后花園，更是作為中國面向世界的窗口。近年來，為保障世園會和冬奧會順利進行，各項工程措施對區(qū)域植被造成一定程度破壞，從而導致水源涵養(yǎng)能力降低，土壤侵蝕加重，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成一定影響。筆者基于RUSLE模型估算媯水河流域2000—2018年土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕控制效率，解析研究區(qū)植被覆蓋度與土壤侵蝕控制效率時空演變特征，探索媯水河流域植被覆蓋變化對土壤侵蝕控制效率影響規(guī)律，為提升媯水河流域生態(tài)環(huán)境質量、保障冬奧會順利開展提供重要科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

媯水河流域位于北京市延慶區(qū)(圖1)，地處E 115°48′52″～116°20′42″、N 40°19′8″～40°38′40″，流域面積1 064.7 km2。媯水河屬海河流域永定河水系，發(fā)源于大吉祥村南，自東向西橫貫延慶山區(qū)盆地，在康莊鎮(zhèn)大路村北入官廳水庫。研究區(qū)海拔在473～2 218 m之間，三面環(huán)山，西鄰官廳水庫，中部地勢較低，屬平原區(qū)。氣侯屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨；多年平均降水量390 mm，主要集中在6、7、8月。流域內植被以林地和耕地為主，林地主要沿研究區(qū)邊緣地帶分布，以栓皮櫟(Quercusvariabilis)、油松(Pinustabulaeformis)等樹種為主，耕地則主要分布在中部地區(qū)。研究區(qū)內的土壤類型大部分為褐土，棕壤多分布于西北部山區(qū)，媯水河及官廳水庫河岸帶附近主要為潮土。

圖1 媯水河流域地理位置Fig.1 Geographical location of the Guishui River Basin

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的數(shù)據(jù)包括土壤類型、土壤物理屬性數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和植被葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)。其中，土壤類型數(shù)據(jù)為第2次全國土地調查南京土壤所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)，土壤物理屬性數(shù)據(jù)從中科院寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心的世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database version 1.1, HWSD)中下載。DEM數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率為30 m。土地利用數(shù)據(jù)為國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享服務平臺-黃河下游科學數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)文檔，數(shù)據(jù)集名稱為北京市100 m土地利用數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)為日降雨數(shù)據(jù)，來自國家氣象科學數(shù)據(jù)共享服務平臺。葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)數(shù)據(jù)來源于Modis衛(wèi)星影像產(chǎn)品，為MOD15A2數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)，時間為2000—2018年每月中旬。

2.2 修正的通用土壤流失方程

采用RUSLE評價模型

A=RKLSCP。

(1)

式中：A為土壤流失量，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(MJ·hm2·mm)；LS為地形因子，量綱為1；C為植被覆蓋管理因子，量綱為1；P為水土保持措施因子，量綱為1。

2.2.1 降雨侵蝕力因子R采用Wischmeier公式[9]對媯水河流域降雨數(shù)據(jù)進行計算，獲得媯水河流域年降雨侵蝕力空間分布數(shù)據(jù)。

2.2.2 土壤可蝕性因子K采用Williams[10]在EPIC模型中提出的公式，根據(jù)不同類型土壤沙粒、粉粒、黏粒及有機碳的含量計算K值，結合研究區(qū)土壤類型分布圖獲得媯水河流域土壤可蝕性因子分布圖。

2.2.3 地形因子 目前有關土壤侵蝕的研究中，大多利用坡度坡長因子(LS)作為地形因子進行計算。坡度坡長因子對于坡面尺度的評價具有較好的模擬效果，而對于流域尺度和區(qū)域尺度存在一定局限性?；诟挡艿萚11]改良的流域尺度中的地形因子，將整個流域分成39個小流域，利用溝壑密度G與地面粗糙度Ro代替坡度坡長因子。溝壑密度為區(qū)域溝谷線總長度與區(qū)域面積比值。地面粗糙度為地形表面積與水系所在曲面面積之比，其中水系所在曲面通過將帶有高程屬性的溝谷線拓展到整個區(qū)域得到[12]。

2.2.4 植被管理因子C采用LAI(leaf area index)指數(shù)來表征植被覆蓋度，基于Chen等[13]和Kuusk等[14]提出的植被方向性覆蓋度與LAI之間的經(jīng)典物理轉換公式計算植被覆蓋度f，然后運用林杰等[15]修訂的蔡崇法等[16]建立的關系式，計算植被覆蓋管理因子。

2.2.5 水土保持措施因子P根據(jù)前人的研究經(jīng)驗獲取研究區(qū)內不同土地利用類型的P值[17]。其中耕地為0.4，園地為0.7，林地、草地與未利用地為1，水域與建設用地為0。

2.3 植被覆蓋對土壤侵蝕的控制效率計算

采用李國慶等[4]提出的方法對媯水河流域土壤侵蝕控制效率進行計算，以此為指標能夠更好地評價研究區(qū)植被對土壤侵蝕的控制效率。

3 結果

3.1 植被蓋度時空演變特征

參照SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》，按照<30%、≥30%～45%、≥45%～60%和≥60%標準，將2000—2018年媯水河流域的植被覆蓋度分為低、中低、中等和高植被覆蓋4個等級(圖2)。結果顯示，高植被覆蓋區(qū)域主要分布在研究區(qū)西北部與東南部，中等植被覆蓋區(qū)域分布在媯水河流域邊緣地帶；而中低覆蓋區(qū)域分布在研究區(qū)中部，低覆蓋區(qū)域主要分布在水域和建設用地區(qū)域。2000年研究區(qū)以中低植被覆蓋為主，占總面積62.85%，其次是中等、低、高植被覆蓋。到2005年，媯水河流域植被覆蓋相比2000年有了小幅改善，低和高植被覆蓋區(qū)域面積減少，中低植被覆蓋區(qū)域面積增加。2008和2013年相比較，低和中低植被覆蓋區(qū)域面積都有所減少，中等和高植被覆蓋區(qū)域面積增加。2018年植被覆蓋狀況有了大幅度改善，中低植被覆蓋區(qū)域面積明顯減少，中等與高植被覆蓋區(qū)域有明顯的擴張，研究區(qū)植被覆蓋狀況以中等覆蓋度為主。由此可見，隨著生態(tài)環(huán)境保護工程與政策實施，媯水河流域植被逐漸恢復，流域內生態(tài)環(huán)境得到顯著改善。

圖2 媯水河流域植被覆蓋度等級空間分布Fig.2 Spatial distribution of vegetation coverage grade in Guishui River Basin

3.2 土壤侵蝕時空演變特征

3.2.1 土壤侵蝕強度時空演變特征 采用RUSLE模型在空間柵格尺度估算媯水河流域土壤侵蝕強度，并統(tǒng)計分析媯水河流域2000、2005、2008、2013和2018年土壤侵蝕強度均值變化特征(圖3)。結果表明:2000年媯水河流域土壤侵蝕強度相對較高，土壤侵蝕模數(shù)為846.52 t/(km2·a)；之后隨著退耕還林(草)、京津風沙源治理項目實施以及全面推進生態(tài)清潔小流域建設，土壤侵蝕強度逐漸降低，2005年土壤侵蝕模數(shù)最低，為615.43 t/(km2·a)。2013年媯水河流域土壤侵蝕強度又開始大幅上升，達到最高值，為891.41 t/(km2·a)。2018年，土壤侵蝕強度有所下降。其原因可能是，2012年流域內開始實施第1 輪的百萬畝造林計劃，在林地建設初期，新建設的林地郁閉度不高，造成一定土壤侵蝕。隨著植被不斷生長恢復，研究區(qū)內土壤侵蝕狀況逐漸得到改善。

圖3 媯水河流域土壤侵蝕強度變化統(tǒng)計圖Fig.3 Soil erosion intensity changes in Guishui River Basin

參照SL190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》，將土壤侵蝕強度按<200、200～<2 500、2 500～<5 000、5 000～<8 000和≥8 000 t/(hm2·a)分為微度、輕度、中度、強度和極強度等5個級別。結果顯示： 2000—2018年媯水河流域侵蝕強度以輕度為主(表1)，侵蝕強度相對較小。其中，2000年媯水河流域主要表現(xiàn)為輕度侵蝕，其面積比例達到86%(887.96 km2)，而微度侵蝕面積比例為10.60%(109.68 km2)，中度侵蝕及以上比例為3.3%(34.51 km2)。隨著時間推移，媯水河流域存在輕度以上等級侵蝕面積逐漸減少。但是，到2013年，輕度以上等級侵蝕面積較2008年增加了2.1%(20.69 km2)。其中，強度和極強度侵蝕面積增加了0.9%(11.05 km2)。2018年媯水河流域微度侵蝕面積迅速增長，比例達到最大值19%(199.71 km2)，而輕度侵蝕面積比例雖仍較大，但是從時間尺度來看，最低值為77.60%(815.08 km2)。值得關注的是，2018年極強度侵蝕面積較2013年增加了0.7%(5.91 km2)。

表1 媯水河流域不同土壤侵蝕等級面積統(tǒng)計

從空間分布(圖4)來看，媯水河流域輕度侵蝕分布在研究區(qū)大部分區(qū)域，而微度侵蝕主要以點狀和片狀分布于研究區(qū)中部的水域、建設用地以及高植被覆蓋度的林地、園地和草地。強度和極強度侵蝕主要以點狀分布在研究區(qū)中部。從時間尺度來看，研究區(qū)中部微度侵蝕區(qū)域有明顯的擴張，中度及以上侵蝕區(qū)域狀況有所改善。2013年，部分微度侵蝕區(qū)域轉換為更強度等級侵蝕區(qū)域。2013—2018年研究區(qū)中部出現(xiàn)部分強度侵蝕區(qū)域，主要為分布在建設用地周圍低植被覆蓋度的林草地。

圖4 媯水河流域土壤侵蝕強度分級空間分布Fig.4 Spatial distribution of classification of soil erosion intensity grading in Guishui River Basin

3.2.2 土壤侵蝕控制指數(shù)時空演變特征 媯水河流域土壤侵蝕控制指數(shù)估算結果顯示(圖5)，研究區(qū)土壤侵蝕控制指數(shù)總體較高，2000—2018年均值在0.920以上。2000年土壤侵蝕控制指數(shù)最低，為0.922。隨著植被恢復與生態(tài)環(huán)境工程建設推進，媯水河流域土壤侵蝕控制指數(shù)逐漸升高，2013年達到0.934。2018年較2013年有所降低，其原因可能是世園會、冬奧會場館及其配套路網(wǎng)、水電工程等設施建設過程中造成部分區(qū)域植被發(fā)生退化，導致該區(qū)域控制指數(shù)較低。

圖5 土壤侵蝕控制指數(shù)年際變化Fig.5 Inter-annual variation of soil erosion control index

從空間分布(圖6)來看，媯水河流域土壤侵蝕控制指數(shù)較高區(qū)域集中在流域西北部山區(qū)與流域中部平原地區(qū)，而土壤侵蝕控制指數(shù)較低的區(qū)域為流域南部地區(qū)、流域北部山麓前緣區(qū)域。其原因可能是，流域西北部山區(qū)為發(fā)育良好的天然林地，流域中部土地利用類型主要為耕地，地勢平坦且有一定的水土保持措施，因此該地區(qū)控制指數(shù)較高。流域南部地區(qū)與北部山麓前緣多分布為發(fā)育一般的林地、草地與園地，對土壤侵蝕的控制效率較差。2013年，媯水河流域中部增加了部分新建人工林區(qū)域，造成該區(qū)域控制指數(shù)有明顯降低，而到2018年媯水河流域中部地區(qū)增加了部分點狀、條帶狀土壤侵蝕控制效率較低的區(qū)域。媯水河流域西部媯水河入官廳水庫區(qū)域，該區(qū)域在2000—2008年間的土地利用類型為水域，2013—2018水域面積逐漸減少，土地利用轉變?yōu)榈透采w的草地，導致該區(qū)域土壤侵蝕控制效率明顯下降。

圖6 媯水河流域土壤侵蝕控制指數(shù)空間分布Fig.6 Spatial distribution of soil erosion control index in Guishui River Basin

3.3 植被覆蓋度變化對土壤侵蝕的影響

3.3.1 植被覆蓋與土壤侵蝕控制指數(shù)相關性 將土壤侵蝕控制指數(shù)數(shù)據(jù)與植被覆蓋度數(shù)據(jù)疊加，分析媯水河流域2000—2018年植被覆蓋變化與土壤侵蝕控制指數(shù)變化相關性。結果顯示：流域大部分區(qū)域植被覆蓋度與土壤侵蝕控制指數(shù)呈現(xiàn)出較高的相關性(圖7)，且在P<0.001水平上相關性顯著。而對于建設用地與水域，其植被覆蓋幾乎為零，但其控制指數(shù)幾乎為1，故在這2種用地類型區(qū)域，植被覆蓋與土壤侵蝕控制指數(shù)相關性幾乎為0。流域中部地區(qū)還存在散狀點區(qū)域，二者呈現(xiàn)負的相關性，將其與土地利用類型疊加發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域基本為耕林轉化區(qū)和耕草轉化區(qū)。這可能是由于耕地轉為林地初期，雖然整體植被覆蓋度增加，但是林下地表植被覆蓋度較小，反而導致土壤侵蝕量增加。

圖7 2000—2018年媯水河流域植被覆蓋度與土壤侵蝕控制指數(shù)相關性和顯著性水平Fig.7 Correlation and significance between vegetation coverage and soil erosion control index from 2000 to 2018 in Guishui River Basin

3.3.2 植被覆蓋對土壤侵蝕控制指數(shù)的影響 將植被覆蓋分級數(shù)據(jù)與土壤侵蝕控制指數(shù)數(shù)據(jù)進行疊加(表2)分析發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度對土壤侵蝕的控制效率影響比較明顯，隨著植被覆蓋度等級提高，土壤侵蝕控制效率不斷上升，高植被覆蓋區(qū)域的控制效率明顯高于低植被覆蓋區(qū)域。低植被覆蓋度區(qū)域在2000—2018年期間土壤控制效率逐漸降低，其中，2000—2013年間降幅較小，僅為0.06，而2013—2018年間降幅較大，達到0.19。對于中低、中等、高植被覆蓋區(qū)域的土壤侵蝕效率在2000—2018年間相對比較穩(wěn)定，均呈現(xiàn)出小幅提升。

表2 不同植被覆蓋度等級的土壤侵蝕控制指數(shù)統(tǒng)計

將2000、2005、2010、2015和2018年5期不同土地利用類型的植被蓋度與土壤侵蝕控制指數(shù)進行疊加繪制散點圖，獲取不同土地利用類型植被蓋度和土壤侵蝕控制指數(shù)的擬合函數(shù)。研究結果(圖8)顯示二次函數(shù)能夠較好地表征植被覆蓋度與土壤侵蝕控制指數(shù)之間的關系，其中林地與草地的擬合效果最好。當林地植被覆蓋度在30%～70%時，草地覆蓋度在20%～50%時，耕地和園地覆蓋度在25%～50%時，植被蓋度與土壤侵蝕控制指數(shù)呈顯著的正相關關系，土壤侵蝕控制效率隨植被蓋度的升高而升高。在同等植被覆蓋下，不同土地利用類型的控制指數(shù)呈現(xiàn)為耕地>園地>林地=草地。當植被覆蓋度相同時，因耕地與果園大多處于平緩區(qū)域，故相較于草地，耕地與果園對土壤侵蝕控制效率更高。

4 討論

針對媯水河流域2000—2018年土壤侵蝕控制效率進行了研究，并分析了植被覆蓋變化對土壤侵蝕控制效率的影響。發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤侵蝕控制效率總體較高，且空間差異較明顯；其中，媯水河流域中部部分區(qū)域因施工建設導致的控制效率低下，應當加強施工過程中的水土保持監(jiān)督，避免造成嚴重水土流失。流域南部與北部山麓前緣地帶呈現(xiàn)為較低的土壤侵蝕控制效率，該處主要為低覆蓋林草地，且容易受到人為活動擾動；因此，應當對該區(qū)域實施一定程度的封育，通過優(yōu)化林、灌、草的配置，提高土壤侵蝕控制效率。

土地利用類型轉變會對植被生長狀況產(chǎn)生影響，進而影響土壤侵蝕控制效率。媯水河流域土地利用在2013年開始發(fā)生大面積的變動，其中林地大面積增加，主要來源于耕地與草地，這主要與研究區(qū)內實施的百萬畝造林項目有關，但新建人工林區(qū)域土壤侵蝕控制效率較之前反而有所下降，因此在防護林建設初期，還應該配置相應的林下灌草以優(yōu)化林地結構，或配備相應工程措施，如樹盤和水平條等，這類工程不僅本身就具有水土保持功能，還可以促進植被恢復，加快水土保持效益的實現(xiàn)。

圖8 2000、2005、2008、2013和2018年4種土地類型植被覆蓋度與土壤侵蝕控制指數(shù)的關系Fig.8 Relationship between vegetation coverage and soil erosion control index for the 4 land types in 2000，2005， 2008， 2013 and 2018

隨植被蓋度的增加，土壤侵蝕控制效率也越高，這與陳龍等[18]對植被蓋度與水土保持功能的研究結論一致。王雅瓊等[19]基于RS和GIS技術研究發(fā)現(xiàn)當植被覆蓋度低于10%時，幾乎沒有保持土壤的能力；當植被覆蓋度>38%時，植被土壤保持能力隨覆蓋度大幅增加。當植被蓋度為20%時，土壤侵蝕的控制效率能達到80%以上。這是由于研究區(qū)域為北方土石山區(qū)，一些坡度大的區(qū)域土壤貧瘠，無法提供足夠養(yǎng)分供給植被生長，因此植被蓋度較低，受到潛在侵蝕量的限制其土壤保持量較低，但土壤侵蝕控制效率較高。當植被覆蓋度較低時，土壤侵蝕的控制效率隨植被覆蓋度的下降緩慢下降，直到臨界值時不再有任何控制效率，當植被覆蓋度達到較高的值時，控制效率不再明顯增加。

5 結論

1)2000—2018年媯水河流域植被覆蓋狀況明顯改善，高植被覆蓋度區(qū)域占比由2000年的3%增加到2018年的10.8%，研究區(qū)2000年以中低植被覆蓋為主，2018年以中等植被覆蓋為主。流域內西北部山區(qū)天然林的植被覆蓋度最高，其次為流域其他山區(qū)及山腳，流域中部平原地區(qū)植被覆蓋度相對較低。

2)研究區(qū)不同年份土壤侵蝕控制指數(shù)均值都>0.92，空間差異顯著，山麓與部分耕地地區(qū)較低，其他區(qū)域較高。植被覆蓋度變化對土壤侵蝕的控制效率影響作用明顯，植被覆蓋度變化與土壤侵蝕控制指數(shù)變化在耕林和耕草轉化區(qū)呈現(xiàn)負相關關系，在其他區(qū)域均呈現(xiàn)良好的正相關關系。對同種土地利用類型來說，二者也呈現(xiàn)出顯著的相關關系，隨著植被覆蓋度的提高，土壤侵蝕控制效率不斷升高。