梁梓澳,王祥福,王維楓*,閆 珂,李愿會,董文婷,王榮女

(1.南京林業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境學院,江蘇 南京 210037;2. 國家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃院,旱區(qū)生態(tài)水文與災害防治國家林業(yè)和草原局重點實驗室,陜西 西安 710048)

土地資源是人類社會賴以生存和發(fā)展的基本生產(chǎn)資料,土壤侵蝕導致土壤營養(yǎng)物質(zhì)極大損失,對土地的破壞已經(jīng)嚴重阻礙了人類社會的可持續(xù)發(fā)展[1-4]。目前眾多學者基于廣泛應用的通用土壤流失方程(universal soil loss equation,USLE)模型對不同區(qū)域尺度的土壤保持功能進行研究,如肖洋等[5]基于USLE模型估算重慶市的土壤侵蝕量和保持量;陸建忠等[6]將USLE模型和地理信息科學 (geographic information science,GIS)技術相結(jié)合,對鄱陽湖的土壤侵蝕量進行計算;楊波等[7]利用USLE模型定量評估退耕還林(草)工程在黃土高原核心區(qū)的土壤保持能力。

青海省境內(nèi)山脈高聳、地形多樣、土壤侵蝕嚴重,水土流失面積和土壤侵蝕強度還在不斷增加[8]。為了保護天然林生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的完整性,從根本上遏制生態(tài)環(huán)境惡化,自2000年開始青海省實施天然林保護工程(天保工程)。目前,學者對于青海省的水土保持相關研究集中在三江源、祁連山等地區(qū),對青海省土壤保持量系統(tǒng)的評估研究較少,尤其對青海省對天保工程土壤保持功能的影響研究鮮見報道。鑒于此,本研究基于USLE模型和GIS技術,結(jié)合基礎地理信息、降水量等數(shù)據(jù),對降水、植被及地形等各影響因子進行量化,評估天保工程實施下青海省土壤保持量及其空間分布特征,分析土壤保持量與土地利用類型、行政區(qū)及地形等因子間的關系,為確定土壤保持關鍵因子及開展生態(tài)恢復與保護提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省位于我國西北內(nèi)陸(89°35′～103°04′E,31°36′～39°19′N),總面積72.23萬km2,地形復雜。屬青藏高原地域,平均海拔在3 000 m以上,西部海拔高峻,向東傾斜,呈梯形下降;東部地區(qū)為青藏高原向黃土高原過渡地帶,海拔較低。青海省屬高原大陸性氣候,境內(nèi)各地區(qū)年平均氣溫為-5.1～9.0 ℃,雨熱同季,全省年降雨量呈現(xiàn)由東南向西北逐漸減少的趨勢,年降水量為15～750 mm。青海省生態(tài)環(huán)境脆弱,擁有三江源、青海湖、祁連山等重要生態(tài)敏感區(qū),是國家綠色發(fā)展生態(tài)輪廓中的重要一環(huán),在全國生態(tài)文明建設中占據(jù)著重要地位[9]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1)土地利用數(shù)據(jù)。利用MODIS遙感影像進行監(jiān)督分類,其結(jié)果根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)進行精度檢驗,每期分類總體精度在85%以上,分辨率為1 km。本研究采用3級分類系統(tǒng)將土地利用形式分為11種,分別為耕地、喬木林地、灌木林地、疏林地、草地、水體、冰川及永久雪地、建設用地、裸地、荒漠化及沙化土地、濕地。

2)地形數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),分辨率為1 km,用于獲取地形參數(shù)。

3)降雨數(shù)據(jù)利用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)提供的研究區(qū)域及周邊37個氣象站點的多年平均降雨量數(shù)據(jù),運用ArcGIS 10.6對數(shù)據(jù)進行克里金插值,計算研究區(qū)降雨量空間數(shù)據(jù)。

4)土壤類型數(shù)據(jù)來自寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(https://geodata.pku.edu.cn/),分辨率為1 km,用于計算土壤可蝕性因子。所有圖層分辨率統(tǒng)一為1 km,坐標系統(tǒng)一為WGS 1984 UTM Zone 47N。

1.3 通用土壤流失方程

運用通用土壤流失方程(USLE)進行評估,其基本形式如下:

A=R×K×L×S×C×P。

(1)

式中:A為土壤侵蝕模數(shù),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)/(hm2·MJ·mm);L、S為地形因子(L為坡長因子,S為坡度因子);C為植被覆蓋及作物管理因子;P為水土保持措施因子。

降雨侵蝕力因子(R)是衡量由降雨形成的地表徑流能夠剝蝕和搬運土壤量多少的指標,為土壤侵蝕的外在動力,受降雨量、降雨動能等降水特性的影響[10-12]。采用降雨月值和年總降雨量計算R的方法,對氣象數(shù)據(jù)采集要求較低且有較好的準確度[13]。

土壤可蝕性因子(K)表示土壤發(fā)生侵蝕的難易程度,反映土壤對侵蝕外營力剝離和搬運的敏感性[14-15]。采用Williams等[16]提出的EPIC模型,其模型由于K值計算公式使用方便而受到廣泛應用。

地形因子分為坡長因子(L)和坡度因子(S)。坡度、坡長因子反映了地形起伏變化對土壤侵蝕速率的影響[17],坡度、坡長因子的計算使用Desmet等[18]提出的二維地表計算方法。

植被覆蓋及作物管理因子(C),在通用土壤流失方程中定義為有植物覆蓋或者有作物管理的土地土壤流失量與相同條件下無管理措施的土地土壤流失量之比[19-20],取值為0～1,即植被覆蓋度因子與土壤侵蝕模數(shù)成反比。采用查表賦值的方法對不同土地利用類型進行賦值,根據(jù)土地利用類型,查找相關地區(qū)文獻[21-23]得到青海省植被覆蓋度因子賦值表(表1)。

表1 青海省植被覆蓋及作物管理因子和 水土保持措施因子參數(shù)

水土保持措施因子(P)是指在其他條件相同的情況下,實施了水土保持措施的地塊土壤侵蝕量與標準小區(qū)土壤侵蝕量的比值[1],取值為0～1。本研究結(jié)合土地利用類型查找文獻[21-23],獲得不同土地利用類型的P因子值(表1)。

潛在土壤侵蝕量(Ac)是指在無植被和作物覆蓋,無水土保持措施的情況下的土壤侵蝕量,即C因子和P因子都賦值為1,此時潛在土壤侵蝕量方程式中不予采納植被覆蓋及作物管理因子C和水土保持措施因子P。具體表達式為:

Ac=R×K×L×S。

(2)

由式(2)和式(1)相減可計算出土壤保持量,即潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量之差。

本研究通用土壤流失方程中唯一變量為2000—2020年的土地利用變化,經(jīng)由不同地類賦值得到植被覆蓋及作物管理因子(C)和水土保持措施因子(P),以此評估青海省天保工程土壤保持效益。

2 結(jié)果與分析

2.1 青海省主要土地利用變化特征

研究發(fā)現(xiàn),青海省主要土地利用類型以草地和裸地為主(圖1a、1b)。在主要土地利用類型的面積轉(zhuǎn)換中,2020年草地的面積為399 327 km2,占主要土地利用類型總面積的65.05%,草地在青海省各個地區(qū)均有大量分布,僅在西北地區(qū)分布較少(圖1b)。2020年裸地面積為112 877 km2,占主要土地利用類型總面積的18.39%,裸地則主要分布于青海省西北地區(qū)。從空間上看,由于天保工程的實施,青海省東部大面積灌木林地和草地轉(zhuǎn)化為喬木林地,來自草地和灌木林地的轉(zhuǎn)入量占喬木林地全部轉(zhuǎn)入量的90.87%(圖1c),因此草地和灌木林地是喬木林地面積增長的主要來源。西北地區(qū)大面積的裸地轉(zhuǎn)化為草地,該區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。由此看出,青海省林地面積顯著增加,天保工程取得了明顯的效益。

底圖審圖號:青S(2022)第029號。下同。The same below.圖1 2000—2020年青海省土地利用變化情況示意Fig. 1 Land use change in Qinghai Province from 2000 to 2020

青海省2000—2020年的土地利用結(jié)構(gòu)變化,主要表現(xiàn)在喬灌林地面積的擴張和裸地面積的減少(表2)。灌木林地面積增加最多,由2000年的35 283.74 km2增加到2020年的48 118.80 km2,增加了12 835.06 km2;喬木林地由2000年的4 479.03 km2增加到2020年的6 157.29 km2,增加了1 678.26 km2;裸地面積減少最多,由2000年的130 410.53 km2減少到2020年的112 876.80 km2,減少了17 533.73 km2。

表2 青海省2000—2020年主要土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 土壤保持變化分析

青海省2000年和2020年土壤保持量分別為3.942 30×109t和3.947 25×109t,20年間土壤保持總量增加了4.950×106t,天保工程的實施顯著提高了青海省土壤保持功能。土壤保持量的變化主要受土地利用類型變化的影響[24],不同土地利用類型中植被覆蓋度越高,單位面積土壤保持量就越高[25]。20年間,青海省喬木林地和灌木林地面積增長明顯,因此土壤保持量增長顯著(圖2)。

圖2 青海省土壤保持量空間分布Fig. 2 Spatial features of soil conservation in Qinghai Province

從空間上來看,2000年和2020年之間的土壤保持量總體分布格局相似。而土壤保持量空間分布不均,呈現(xiàn)東部和南部高、西北部低的態(tài)勢。青海省南部和東部的主要土地利用類型為喬木和灌木林地,植被覆蓋度較高,土壤保持量較高;而西北部以裸地和荒漠為主,植被覆蓋度較低,土壤保持量較低。在中部地區(qū)裸地向草地的轉(zhuǎn)化較顯著,因此這部分地區(qū)的土壤保持量增加顯著。

2.3 不同土地利用類型土壤保持特征

不同土地利用類型的單位面積土壤保持量不同(圖3),單位面積土壤保持量最高的是喬木林地,2020年單位面積土壤保持量為413.73 t/hm2,遠高于其他土地利用類型;耕地次之,2020年單位面積土壤保持量為129.47 t/hm2。20年間喬木林地和灌木林地的土壤保持量增加,裸地和草地的土壤保持量減少。灌木林地土壤保持總量增加最多,高達1.34×108t,喬木林地增加0.65×108t。由此可知,青海省土壤保持量的增長主要由于喬木林地和灌木林地面積的增加,天保工程的實施顯著增強了青海省的土壤保持功能。

圖3 2000和2020年青海省主要土地利用類型 土壤保持量及單位面積土壤保持量對比Fig. 3 The comparison of soil conservation amount and soil conservation per unit area of main land use types in 2000 and 2020

2.4 不同行政區(qū)土壤保持量時空分布特征

青海省不同州(市)土壤保持功能具有明顯的差異(表3)。

表3 2000年和2020年青海省各州(市)土壤保持量

20年間,海東市、西寧市、海北州單位面積土壤保持量較高,這些州(市)均位于青海省東北部,林地面積占比大,植被覆蓋度高,其中海東市最高。而海西州單位面積土壤保持量最低,海西州占地面積最大,但由于地處青海省西北地區(qū),主要土地利用類型為裸地,林地面積占比極少。在20年土壤保持量的變化中,海東市、西寧市、海西州和黃南州由于林地面積大幅增加,土壤保持量增加較多。其中海東市由于喬灌林地面積增加量占海東市總面積的14.46%,其土壤保持量的增加量最多,增加了4.44×106t。青海省林地面積在空間上分布不均和州(市)面積差異是各州(市)土壤保持量差異巨大的根本原因。

2.5 地形因子土壤保持量時空分布特征

本研究利用自然間斷點分級法對研究區(qū)的海拔進行分類,按間斷點取整,將海拔分為[1 667,2 600 m)、[2 600,3 600) m、[3 600,4 600) m、[4 600,5 600) m、[5 600,6 445] m等5類。研究發(fā)現(xiàn),20年間各海拔梯度的單位面積土壤保持量呈現(xiàn)隨海拔升高而下降的趨勢,海拔梯度[1 667,2 600) m的單位面積土壤保持量最高且遠高于其他海拔分級,2020年為332.65 t/hm2,海拔梯度[1 667,2 600) m主要分布于青海省東部的小部分地區(qū),這部分地區(qū)是喬木、灌木、疏林地分布最廣的區(qū)域;海拔梯度[5 600,6 445] m的單位面積土壤保持量最低,2020年為22.22 t/hm2,高海拔地區(qū)位于青海省西南地區(qū),其土地利用類型主要以荒漠化及沙化土地為主,導致單位面積土壤保持量最低。

根據(jù)《水土保持綜合治理規(guī)劃通則》[26],將地表坡度劃分為6類,本研究在1 km尺度上沒有出現(xiàn)≥35°的地帶,因此在本研究中僅分為5類:微坡[0°,5°)、較緩坡[5°,8°)、緩坡[8°,15°)、較陡坡[15°,25°)、陡坡[25°,35°)等。單位面積土壤保持量隨坡度的變大呈現(xiàn)增大的趨勢,在坡度范圍為較陡坡時單位面積土壤保持量變化量最大,為0.65 t/hm2。各坡度等級喬灌林地面積20年變化面積占總面積的比重也隨坡度的增大而增大,喬灌林地的增加促使該坡度等級單位面積土壤保持量增加。在土壤保持量的年際變化中,所有坡度等級土壤保持量均以2020年較2000年增加,但不同坡度等級土壤保持量增加程度相差較大,其中微坡土壤保持量增加量最高,陡坡土壤保持量增加量最低,僅為53.82 t。不同坡度的坡面土壤保持增加量差異巨大,這與不同坡度等級的坡面類型面積大小和坡面喬灌林地面積占比變化量有直接關系。

3 討 論

自天保工程實施以來,青海省土地利用類型發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變,在2000—2020年土地利用變化的總體趨勢為喬灌林地的擴張和裸地面積的減少,森林面積大幅度增加。三江源地區(qū)處于青海省南部,與青海省情況相似,在本研究中提取三江源地區(qū)的土壤保持量與其他學者對三江源地區(qū)的研究結(jié)果相似[21, 27-30]。陶蘊之等[31]通過對西南地區(qū)天保工程進行生態(tài)成效評估發(fā)現(xiàn),西南4省市天保工程年均植被覆蓋度顯著增加;胡會峰等[32]在中國天然林保護工程固碳能力的估算中,全國各地開展的天保工程為森林面積增長做出了巨大的貢獻,這與天保工程實施的初衷相吻合。本研究與以上學者研究結(jié)果接近,這表明基于USLE模型的本研究計算結(jié)果是比較可靠的。

在天保工程實施的20年間,青海省土壤保持量增加了4.950×106t,森林生態(tài)系統(tǒng)逐漸恢復了土壤的水土保持功能,與肖洋等[5]基于USLE模型在重慶市開展的土壤侵蝕研究中得出的結(jié)論一致。森林生態(tài)系統(tǒng)在土壤保持中發(fā)揮了巨大的作用,改善了土壤流失狀況,生態(tài)系統(tǒng)功能得到一定的修復,生態(tài)功能得到提升[5]。肖玉等[22]研究了青藏高原生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能并評價了經(jīng)濟價值,結(jié)論中指出假如沒有森林,人們至少需要花費395.66元/(hm2·a)去獲取相等的土壤保持效益。劉璨等[33]以座談和問卷調(diào)查的方式評估了四川省兩縣天保工程的生態(tài)、社會、經(jīng)濟效益,森林功能的發(fā)揮在土壤保持方面存在一定的政策時滯,但總體水土流失面積明顯減少。不同土地利用類型之間的土壤保持能力有所不同。其中,喬木林地和灌木林地的土壤保持能力高于其他土地利用類型。這與孫文義等[34]在黃土高原不同生態(tài)系統(tǒng)的水土保持服務功能評價中對于不同土地利用類型土壤保持能力的觀點一致。喬灌林地是青海省土壤保持量增加的主導類型,在實施了天保工程之后喬灌林地面積顯著增加,有效地提升了青海省植被覆蓋度和土壤保持量。在不同地理條件和行政區(qū)下,海東市、海拔梯度[1 667,2 600) m和較陡坡的生態(tài)系統(tǒng)土壤保持效果較好,值得重點保護,而對土壤保持較差的海西州、海拔梯度[5 600,6 400] m和微坡等生態(tài)系統(tǒng)需要進行針對性的治理,在合理的范圍內(nèi)防治土壤侵蝕。

青海省裸地、荒漠化及沙化土地面積龐大,容易發(fā)生土壤顆粒受風力影響的搬運、遷移和沉積。風力侵蝕容易導致土地退化,加劇荒漠化及沙化土地的擴張。由于本研究重點探究青海省天保工程引起的土地利用變化進而影響土壤保持功能,并沒有考慮到天保工程對于防風固沙的影響。因此,在今后的研究中還需加強對青海省風力侵蝕時空變化格局以及生態(tài)工程對于防風固沙影響的研究。鑒于本研究所使用的USLE模型中植被覆蓋及作物管理因子、水土保持措施因子的取值通常借鑒綜合相關區(qū)域(例如三江源區(qū))的研究,可能不適應于青海省全省的實際情況,未來研究仍需繼續(xù)完善相關參數(shù)的量化。

天保工程的實施明顯地改變了青海省的土地利用類型,提高了植被覆蓋度,充分發(fā)揮森林在水土保持中的生態(tài)功能,減少了水土流失,20年的土壤保持量增加顯著,在土壤保持方面起著巨大的積極作用。經(jīng)過20多年的生態(tài)修復,青海省西北部分區(qū)域仍然存在生態(tài)環(huán)境脆弱、土壤侵蝕嚴重的現(xiàn)狀,故應繼續(xù)加強水土保持的治理,因地適宜地推動天保工程的發(fā)展,使天保工程的生態(tài)效益發(fā)揮到最大。在今后天保工程的實施中,應重點關注喬灌林地的土壤保持能力,在喬灌林適生區(qū)不斷增加喬灌林地面積占比,提高各區(qū)域土壤保持能力,降低土壤侵蝕程度,提高環(huán)境質(zhì)量。