吳成永，曹廣超，陳克龍，巴丁求英，劉寶康，王潤科，石亞亞，鄂崇毅

(1.天水師范學院資源與環(huán)境工程學院，甘肅 天水 741001；2.青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點實驗室，青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，西寧 810008；3.高原科學與可持續(xù)發(fā)展研究院，西寧 810008)

土壤保持服務是生態(tài)系統(tǒng)提供的一項重要調節(jié)服務，包括潛在和實際供給服務。潛在供給服務是由于受到植被覆蓋等生態(tài)系統(tǒng)結構和組分因素的影響，自然生態(tài)系統(tǒng)具有控制侵蝕和攔截泥沙等的潛在供給能力。當這種能力給人類帶來糧食生產和清潔水質等效益時，潛在供給服務即變?yōu)樯鷳B(tài)系統(tǒng)為人類提供的實際土壤保持服務。氣候變化，特別是溫度和降雨模式的變化對生態(tài)、水文和土壤過程及土壤有機物、植物和作物等造成巨大影響，進而影響糧食、水資源等的供給能力以及區(qū)域社會經濟發(fā)展和人類福祉。因此，氣候變化背景下土壤保持服務相關研究受到了國際社會的廣泛關注。世界氣候研究計劃(WCRP)將土壤保持列入重要研究內容，一些國際會議探討了氣候變化與土壤保持等相關議題，如2008年第15屆國際土壤保持大會、2017年聯(lián)合國糧農組織大會第40屆會議、2021年土地退化、土壤保持與可持續(xù)發(fā)展國際論壇(LASOSU)。

黃河流域橫跨青藏高原生態(tài)屏障、黃土高原生態(tài)屏障及北方防沙帶“兩屏一帶”，是我國水土流失防治的重點區(qū)域。經過多年持續(xù)不懈的治理，其水土流失嚴重局面得到初步扭轉，但監(jiān)測表明，2019年水土流失面積達26.42萬km，水土流失依然是構建生態(tài)安全屏障的短板。黃河上游地區(qū)，橫跨干旱、半干旱、半濕潤、濕潤/半濕潤4個氣候區(qū)，作為黃河流域生態(tài)保護的關鍵地區(qū)，是一個發(fā)展問題和生態(tài)問題交織在一起的社會—經濟—自然復合生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務是防止水土流失和推動高質量發(fā)展的重要保障。那么，黃河上游地區(qū)土壤保持服務基本特征及影響因素是什么？土壤保持服務在不同氣候區(qū)的變化趨勢如何，其主導影響因素是什么？這些科學問題的回答，將有助于深入理解土壤保持服務的變化機理，以及制定應對氣候變化的策略措施。目前該區(qū)土壤保持的相關研究主要在黃河源、三江源、洮河流域、黃土高原、寧夏內蒙古河段和北方農牧交錯帶及其局部地區(qū)開展，全境范圍內的完整性研究較少，不足以形成關于土壤保持服務的系統(tǒng)性認識。同時，這些研究多數(shù)使用全局性的回歸模型、相關分析、趨勢分析和參數(shù)控制等方法得到整個研究區(qū)的影響因子，對于宏觀制定水土保持政策具有一定的指導意義，但難以提出不同地域、氣候區(qū)局部性的差異化參考建議。地理加權回歸(geographically weighted regression, GWR)模型，是一種探索數(shù)據(jù)空間異質性的局部技術，將空間位置信息納入到回歸方程，可以分析影響因子在空間上的差異性，其分析結果對于實施基于地理位置的差異性水土保持措施具有指導意義。

鑒于此，本文運用廣泛應用的土壤保持服務評估模型RUSLE、GWR模型和趨勢線等方法，明晰黃河上游地區(qū)土壤保持服務時空動態(tài)特征，分析土壤保持服務在各氣候區(qū)的變化趨勢，在此基礎上，結合本文提出的因子影響力和影響強度等指標方法，嘗試探尋土壤保持服務變化的影響因子并量化影響度，以期為該地區(qū)應對氣候變化制定有針對性的分區(qū)分類宏觀策略和因地制宜的具體措施，為提升土壤保持服務提供科學依據(jù)，助力生態(tài)保護和高質量發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 黃河上游地區(qū)

黃河上游是指從河源至內蒙古自治區(qū)托克托縣河口村(圖1)。薛嫻等以DEM數(shù)據(jù)運用河道燒錄法與河道標量法劃定了黃河上游流域；劉小鵬等從流域經濟的角度出發(fā)，以省級行政區(qū)為基本單元，界定了黃河上游地區(qū)；楊永春等從地市行政區(qū)的角度界定了黃河上游地區(qū)。為構筑生態(tài)安全屏障和推進生態(tài)文明建設，我國以縣級行政區(qū)為基本單元實施生態(tài)管理，基于此，本文將與黃河上游流域邊界相交的縣(市、區(qū)、旗)納入黃河上游地區(qū)，共涉及137個縣級行政區(qū)，其面積為97.94萬km，占全國國土面積的10.21%。

注：黃河上游流域邊界，來源于國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心；生態(tài)地理分區(qū)邊界，來源于中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心，其中IIC3為內蒙古高平原東部，半干旱區(qū)；IID1為內蒙古高平原西部及河套，干旱區(qū)；IID2為阿拉善及河西走廊，干旱區(qū)；HIID1為柴達木盆地，干旱區(qū)；IIIC1為晉中陜北甘東高原丘陵，半干旱區(qū)；HIIC1為青東祁連山地，半干旱區(qū)；HIC1為青南高原寬谷，半干旱區(qū)；HIB1為果洛那曲丘狀高原，半濕潤區(qū)；HIIA/B1為川西藏東高山深谷，濕潤/半濕潤區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文使用的主要數(shù)據(jù)見表1，其中歸一化植被指數(shù)(NDVI)、降水量和土地覆被產品數(shù)據(jù)時段為2001—2015年。所有數(shù)據(jù)在ArcGIS 10軟件平臺下統(tǒng)一處理為Albers等積投影。

表1 主要數(shù)據(jù)與來源

2 研究方法

2.1 土壤保持服務評估模型

土壤保持服務通常采用土壤保持量進行評估，基于RUSLE方程的土壤保持服務評估模型為：

=-=×××(1-×)

(1)

式中：為土壤保持量(t/(hm·a))，由潛在侵蝕()與實際侵蝕()之差決定；為降雨侵蝕力因子((MJ·mm)/(hm·h·a))；為土壤可蝕性因子((t·hm·h)/(hm·MJ·mm))；為地形因子；為植被覆蓋因子；為水土保持措施因子。本文中，使用修正的降雨侵蝕力公式；與采用中國環(huán)境保護部和發(fā)展改革委員會聯(lián)合發(fā)布的《生態(tài)保護紅線劃定指南》(環(huán)辦生態(tài)[2017]48號)推薦的計算辦法；采用王麗霞等的計算辦法；采用地類賦值法。

2.2 趨勢線法

使用趨勢線法，即以土壤保持量的變化斜率定量分析土壤保持服務的年際變化。

(2)

式中：為年序號；為年數(shù)；為土壤保持量變化斜率，代表土壤保持服務變化趨勢。當>0，表明研究期間土壤保持量上升，土壤保持服務提升；當<0，表明土壤保持量降低，土壤保持服務下降；當=0，則土壤保持服務保持不變。

2.3 地理加權回歸模型

GWR模型考慮數(shù)據(jù)的空間位置，因逐點進行參數(shù)估計，其分析結果是局部性的，而非全局性的，其模型為：

(3)

式中：、、(，)和(，)分別為空間位置處的因變量、解釋變量、地理坐標和回歸系數(shù)；(，)為截距；為解釋變量的個數(shù)；為誤差修正項，即殘差。本文以土壤保持量為因變量，降水、海拔、坡度和植被覆蓋度為解釋變量在ArcGIS 10軟件中進行GWR分析。

2.4 因子影響度指標及其計算

借鑒已有研究，本文嘗試提出影響強度、影響率和影響力3個指標以度量影響因子對土壤保持服務的影響。

2.4.1 影響強度 GWR分析的回歸系數(shù)反映了解釋變量與因變量之間的關系強度，如果關系較強，則系數(shù)相對較大，如果關系較弱，則系數(shù)接近于零。因此，回歸系數(shù)的絕對值可以定義為因子的影響強度(influence intensity,)：

=|(,)|

(4)

式中：和(，)分別為因子在空間位置處的影響強度和GWR分析的回歸系數(shù)。

2.4.2 影響率 殘差可用于確定模型的擬合程度，較小的殘差表明模型擬合效果較好。ArcGIS 10平臺的GWR分析結果中，標準化殘差絕對值的范圍為0～2.5，本文將其<1.5的模型視為較優(yōu)模型，并將對應的解釋變量個數(shù)()作為因子對土壤保持服務的影響數(shù)量，于是，因子的影響率(influence ratio,)可定義為：

=()×100

(5)

式中：為因子對土壤保持服務的影響率；為解釋變量的總數(shù)，即參與GWR分析的因子總個數(shù)；為因子的影響數(shù)量。

2.4.3 影響力 影響因子對土壤保持服務的影響力大小，一是取決于影響強度，二是取決于影響率。于是，因子影響力(influence level, IL)可定義為：

=×

(6)

式中：為因子對土壤保持服務的影響力；為因子對土壤保持服務的影響率；為(因子影響數(shù)量)個因子的影響強度均值。

3 結果與分析

3.1 土壤保持服務基本特征

3.1.1 土壤保持服務分區(qū) 將2001—2015年間(稱“研究期間”)土壤保持量變化斜率，在ArcGIS 10軟件平臺下，使用自然斷裂法分為5類，據(jù)此將土壤保持服務變化劃分為明顯下降區(qū)、略微下降區(qū)、基本不變區(qū)、略微上升區(qū)和明顯上升區(qū)(圖2)。研究期間，基本不變、下降和上升區(qū)面積分別為64.08萬，28.06萬，5.54萬km(表2)，面積比約為66∶29∶5。

表2 土壤保持服務分區(qū)及其特征

圖2 土壤保持服務分區(qū)

下降區(qū)，主要位于黃河上游東北部的干旱、半干旱氣候區(qū)。其中，明顯下降區(qū)集中分布在隴東黃土高原丘陵溝壑區(qū)的半干旱氣候區(qū)，縣域上，環(huán)縣、彭陽縣、原州區(qū)東部土壤保持服務下降明顯；略微下降區(qū)，集中分布在黃土高原丘陵區(qū)西部、內蒙古高平原西部及河套地區(qū)、西北內流河片區(qū)的阿拉善及河西走廊東南部交匯地帶的干旱氣候區(qū)，大致是積石峽以東15 km處至河口村以西50 km處，黃河兩岸寬約150 km的帶狀區(qū)域?？h域上，烏拉特中旗、杭錦旗、杭錦后旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、鹽池縣、阿拉善左旗東南部、靖遠縣、白銀區(qū)、皋蘭縣、永登縣東部、景泰縣、古浪縣、永昌縣東部、涼州區(qū)、白銀區(qū)、中寧縣、永寧縣、和政縣、民勤縣南部、興慶區(qū)、金鳳區(qū)和平川區(qū)等縣(市、區(qū)、旗)土壤保持服務呈略微下降。

上升區(qū)，主要位于黃河上游西部和南部的半干旱、濕潤/半濕潤和半濕潤氣候區(qū)。其中，明顯上升區(qū)，主要分布在半干旱的青東祁連山地和濕潤/半濕潤的川西藏東高山深谷，特別是祁連山、疏勒南山、岷山北段等山地，這與劉海等的研究結果類似，即土壤保持量呈現(xiàn)山區(qū)高、平原低的分布格局?？h域上，肅南裕固族自治縣西北中部、祁連縣西北中部、宕昌縣中南部、松潘縣土壤保持服務上升明顯；略微上升區(qū)，主要分布在半濕潤的果洛那曲丘狀高原西部、濕潤/半濕潤的松潘高原北部，縣域上主要是稱多縣南部、久治縣、班瑪縣和迭部縣。

3.1.2 各分區(qū)土壤保持服務年際變化特征 明顯下降區(qū)，土壤保持量從2001年的4 116.92 t/(hm·a)，波動下降至2015年的1 349.34 t/(hm·a)，年均下降184.51 t/(hm·a)(圖3a)；略微下降區(qū)，土壤保持量從2001年的599.81 t/(hm·a)，波動下降至2015年的345.93 t/(hm·a)，年均下降16.92 t/(hm·a)(圖3b)；明顯上升區(qū)，土壤保持量從2001年的11 015.00 t/(hm·a)，波動增加至2015年的11 926.65 t/(hm·a)，年均增加60.78 t/(hm·a)(圖3c)；略微上升區(qū)，土壤保持量從2001年的4 998.19 t/(hm·a)，波動增加至2015年的5 332.55 t/(hm·a)，年均增加22.29 t/(hm·a)(圖3d)。

圖3 各分區(qū)土壤保持量年際變化

3.2 土壤保持服務變化歸因分析

結合前人選用的影響因子，考慮數(shù)據(jù)的可得性，本文選取降水、海拔、坡度、植被覆蓋作為土壤保持服務的影響因子。將研究期間4個因子的均值歸一化至0～1以消除不同量綱間的差異，依據(jù)影響因子及其指標特征(表3)，探尋各分區(qū)的影響因子，進而分析土壤保持服務變化的原因。

表3 各分區(qū)土壤保持服務影響因子及其指標特征

3.2.1 下降區(qū)土壤保持服務影響因子 明顯和略微下降區(qū)，各因子對土壤保持服務的影響強度和影響力排序一致，從大到小依次為降水>海拔>植被覆蓋度>坡度(表3)。降水是影響下降區(qū)土壤保持服務的主導因子，其像元尺度的影響強度見圖4a。

Tang等研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原1965—2014年間降水量減少。研究期間，土壤保持服務下降連片區(qū)(積石峽至河口村的黃河沿岸)，其年均降水量呈略微下降態(tài)勢(圖5a)。地處隴東黃土高原的甘肅省環(huán)縣，研究期間的降水量亦呈現(xiàn)略微下降特征，其土壤保持量下降最為明顯(圖5b)。此外，信忠保等研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原地區(qū)在降水減少的過程中，侵蝕性降水減少更為劇烈。降水量的減少，特別是侵蝕性降水的減少，降低降雨侵蝕力，致使土壤保持服務下降。

3.2.2 上升區(qū)土壤保持服務影響因子 依據(jù)各因子影響強度和影響力大小(表3)，明顯、略微上升區(qū)土壤保持服務的主導因子分別是植被覆蓋和降水，其像元尺度的影響強度見圖4b和圖4c。

圖4 各分區(qū)主導因子影響強度空間分布

明顯上升區(qū)的植被覆蓋度從2001年的65.12%波動增加至2015年的72.84%(圖5c)。地處波密—川西東北部的四川省松潘縣，其土壤保持服務上升最為明顯，植被覆蓋度從2001年的78.73%波動增加至2015年的86.35%(圖5d)。楊達等研究也發(fā)現(xiàn)，2001—2018年間波密—川西東北部的NDVI(與植被覆蓋度正相關)顯著增加。植被覆蓋度上升能夠有效遏制土壤侵蝕的發(fā)生，進而提升土壤保持服務。

略微上升區(qū)降水量從2001年的532.88 mm緩慢波動增加至2015年的533.72 mm(圖5e)。溫煜華等研究發(fā)現(xiàn)，1961—2017年間祁連山平均降水和極端降水強度增加。研究期間，地處祁連山地區(qū)的肅南裕固族自治縣，其西北部土壤保持量呈略微上升態(tài)勢，年均降水也呈略微上升態(tài)勢，從2001年的272.28 mm波動增加至2015年的325.68 mm(圖5f)。降水量的增加，致使降雨侵蝕力增強，土壤保持服務提升。

圖5 各分區(qū)及其典型縣域主導因子年際變化

4 討 論

本文通過GWR模型及其因子影響度指標得到影響黃河上游地區(qū)土壤保持服務變化的主導因子為降水和植被覆蓋。分析研究區(qū)局部地區(qū)土壤保持服務/土壤侵蝕相關研究案例(表4)可知，雖然其影響因子探尋方法有所不同，但影響因子與本文探尋的基本一致，表明本文影響因子探尋方法合理，探尋結果可靠。

表4 研究區(qū)局部地區(qū)土壤保持服務/土壤侵蝕研究案例

黃河上游東北部的干旱、半干旱氣候區(qū)，特別是積石峽至河口村的黃河沿岸地區(qū)，影響土壤保持服務變化的主導因子是降水。降水量的變化致使水文、土壤和生態(tài)過程及植被覆蓋等生態(tài)系統(tǒng)結構功能和組份發(fā)生相應的變化，進而影響生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務。氣候模式預測認為，未來研究區(qū)降水變化存在較大的不確定性，魏潔等基于BCC-CSM1.1情景分析認為，2011—2050年間黃河上游降水增多4.31%～5.74%，而Yang等研究發(fā)現(xiàn)，在RCP4.5情景下，2021—2050年間黃河流域降水減少，減少率為2.99 mm/10年。青東祁連山地半干旱氣候區(qū)和川西藏東高山深谷濕潤/半濕潤氣候區(qū)，特別是祁連山、疏勒南山和岷山北段等山地，影響土壤保持服務變化的主導因子是植被覆蓋。較高的植被覆蓋能有效遏制土壤侵蝕的發(fā)生，從而保障較高的土壤保持供給服務。研究期間，上述植被覆蓋為主導因子的地區(qū)，其植被覆蓋度呈動態(tài)上升趨勢，相關研究也表明，近年來黃河上游一些地區(qū)的植被覆蓋得到了顯著改善?？紤]到降水是影響黃河流域植被覆蓋的決定性因素，本文認為面對未來降水的不確定性，提高植被覆蓋度是提升黃河上游地區(qū)土壤保持服務的基本策略。

結合GWR模型，本文嘗試定義了因子“影響強度”指標。該指標反映了土壤保持服務與影響因子之間的關系強度，若某地理位置上某因子的影響強度值較大，則表明該因子對該地理位置處的土壤保持服務影響也較強。因此，可根據(jù)主導因子影響強度空間分布圖，因地制宜地制定具體措施提升土壤保持服務，如依據(jù)圖4，植被覆蓋因子影響強度值較大的地理位置處，應加強植被保護等措施以進一步提高植被覆蓋度，而降水因子影響強度值較大的位置處，應實施坡溝治理、改變耕作方式等保水措施以增加該位置降水的利用率。

本文探尋得到的主導因子能夠解釋研究區(qū)絕大多數(shù)地域的土壤保持服務變化。但位于黃河源的曲麻萊縣西部，研究期間其土壤保持服務呈現(xiàn)下降趨勢，而主導因子降水則是略微增加，這難以闡釋降水與土壤保持服務的關系。曲麻萊縣作為三江源國家級自然保護區(qū)和可可西里國家級自然保護區(qū)的核心區(qū)域，生態(tài)保護修復項目的實施，以及當?shù)鼐用竦纳鷳B(tài)環(huán)保理念等均影響土壤保持服務。事實上，土壤保持服務受到自然環(huán)境因子以及人類活動、社會經濟和政治文化等人文因子直接或間接的影響，且各因子之間彼此聯(lián)系、互相促進與制約，通過復雜的物理、生物化學過程影響土壤保持服務。由于數(shù)據(jù)源的限制，本文GWR分析中僅考慮降水、海拔、坡度和植被覆蓋自然環(huán)境因子，土壤性狀(類型、機械組成等)、雨強等也是決定區(qū)域土壤保持服務/土壤侵蝕自然環(huán)境的主要因子。未來收集或采集相關自然環(huán)境因子數(shù)據(jù)，納入人文因子，并選取合適的方法量化因子間的相互影響是今后的研究方向。

5 結 論

(1)2001—2015年間，土壤保持服務下降區(qū)，主要位于黃河上游東北部的干旱、半干旱氣候區(qū)，集中分布在積石峽至河口村的黃河沿岸地區(qū)。上升區(qū)，主要位于黃河上游西南部的半干旱區(qū)、濕潤/半濕潤氣候區(qū)，集中分布在果洛那曲丘狀高原西部、松潘高原北部、青東祁連山地和川西藏東高山深谷地區(qū)。

(2)降水是影響下降區(qū)土壤保持服務的主導因子，植被覆蓋和降水分別是明顯和略微上升區(qū)的主導因子。面對黃河上游地區(qū)未來降水的不確定性，提升土壤保持服務的根本策略是提高植被覆蓋度。

(3)植被覆蓋主導因子影響強度值較大的地理位置處，應加強植被保護等措施以進一步提高植被覆蓋度，而降水主導因子影響強度值較大的位置處，應實施保水措施以增加該位置上降水的利用率。