王彥閣 胡曉海 孫海蓮 翟 琇 梁繼業(yè)

( 1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；3. 塔里木大學(xué)，新疆 阿拉爾 843300)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中一個(gè)重要的方面，就是侵蝕控制和沉積物保持，因?yàn)檫@一過程不僅影響自然資源質(zhì)量，而且還會(huì)造成土地質(zhì)量下降，進(jìn)而引起農(nóng)用地土壤肥力下降、糧食減產(chǎn)、水污染等一系列問題[1-2]。因此，掌握土壤侵蝕和沉積的模式及其分布特征，對(duì)有效開展水土保持工作至關(guān)重要。InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs）模型是美國斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)（TNC）與世界自然基金會(huì)（WWF）聯(lián)合開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合估價(jià)和權(quán)衡得失的工具，目的是通過模擬不同土地覆被情境下生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)物質(zhì)量和價(jià)值量的變化，為決策者權(quán)衡人類活動(dòng)的效益和影響提供科學(xué)依據(jù)，目前該模型已經(jīng)在水源涵養(yǎng)[3-6]、水源供給[7-9]、產(chǎn)水量[10-11]、水質(zhì)[12]、生物多樣性[13-16]、生境質(zhì)量[17-18]、碳儲(chǔ)量[19-20]、土壤侵蝕[21-22]、土壤保持[23-25]等多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了研究和應(yīng)用。InVEST 土壤保持模塊以通用土壤流失方程（USLE）為基礎(chǔ)理論，另外考慮了沉積物沿水文路徑遷移過程和地塊對(duì)上游沉積物的攔截率，與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，沉積物保留量的計(jì)算更科學(xué)、更準(zhǔn)確。

內(nèi)蒙古陰山北麓有著特殊的環(huán)境和資源條件，歷史上曾是水草豐腴之地，但由于人口激增，不合理的墾殖開荒，致使超載過牧等人為破壞，以及風(fēng)力、水力2個(gè)自然過程作用下，水土流失十分嚴(yán)重，而且有愈演愈烈趨勢(shì)。目前，對(duì)陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的土壤侵蝕研究多集中在風(fēng)力侵蝕[26-28]，而水力侵蝕的研究鮮有報(bào)道。自2000年以來，隨著一系列生態(tài)治理工程的全面實(shí)施，農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用方式發(fā)生了顯著的變化。鑒于此，本研究采用InVEST模型的土壤保持模塊對(duì)2000年、2015年陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土壤水力侵蝕及土壤保持功能進(jìn)行研究，旨在揭示這些政策干擾下農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土壤侵蝕特征的變化規(guī)律，探討土地利用方式轉(zhuǎn)變對(duì)土壤侵蝕和土壤保持的影響，以期為該區(qū)水土流失綜合防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，陰山山脈與蒙古高原過渡帶，位于東經(jīng)107°17′～117°30′，北緯 40°13′～42°28′，總面積為97090.7 km2。在東部地區(qū)，由于降水量較大又集中，因而夏季的水蝕和冬春頻繁的風(fēng)蝕交替進(jìn)行，地面因河流侵蝕切割形成了南北向的臺(tái)間淺洼地，散布著古河道；西部干燥風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈，地面多東北向的石質(zhì)殘丘、壟崗和一系列寬淺的風(fēng)蝕洼地，丘崗間堆積著沙礫巖、泥巖等碎屑物質(zhì)，成為形成沙漠的物質(zhì)基礎(chǔ)。該地區(qū)屬中溫帶干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，具有光資源豐富，太陽輻射強(qiáng)的特點(diǎn)，多年平均降雨量為200～400 mm，全年降雨量的60%～70%集中在7—9月，蒸發(fā)量為降雨量的6～16倍，旱季達(dá)7個(gè)月之久（10月至翌年5月），干旱、低溫、大風(fēng)是該區(qū)主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)。栗鈣土是主要地帶性土壤，西部烏拉特中旗有少部分棕鈣土分布，地表土廣泛分布著疏松砂質(zhì)、砂礫質(zhì)沉積物。受氣候條件的限制，原生植被主要是典型草原和荒漠草原，南部地區(qū)大部分被開墾，以旱作農(nóng)業(yè)為主，主要種植小麥（Triticum aestivum）、莜麥（Avena chinensis）、馬鈴薯（Solanum tuberosum）、胡麻（Sesamum indicum）等[29]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

為了研究2000—2015年陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土壤流失及土壤保持量的變化情況，選擇2000年、2015年的30 m DEM、逐日降雨量、土壤屬性、土地利用等6項(xiàng)數(shù)據(jù)作為研究材料，數(shù)據(jù)來源見表1。

2.2 InVEST模型及計(jì)算方法

InVEST模型以通用土壤流失方程（USLE）為基礎(chǔ)，并加以改進(jìn)，充分考慮植被不僅能夠緩解土壤侵蝕，而且對(duì)上游泥沙具有一定攔截作用。模型原理及計(jì)算方法見式（1）～（4）。

計(jì)算基于地貌和氣候條件的潛在土壤流失量：

采用USLE方程計(jì)算存在植被覆蓋因子及實(shí)施水土保持措施條件下的實(shí)際土壤侵蝕量：

式中：RKLSx為柵格x的土壤潛在侵蝕量；USLEx為柵格x的土壤實(shí)際侵蝕量；Rx為降雨侵蝕力；Kx為土壤可蝕性因子；LSx為坡度-坡長因子；Cx為植被覆蓋因子；Px為水土保持措施因子。

InVEST模型中土壤保持量有兩部分：一是泥沙持留量，用上游來沙量與泥沙持留率乘積表示；二是因植被覆蓋和水土保持措施而減少的土壤侵蝕量，以潛在與實(shí)際侵蝕差值表示。式中：SEDRx為柵格x的土壤持留量；SEx為柵格x的持留率；USLEy為進(jìn)入柵格x的上游柵格y產(chǎn)生的泥沙量；SEz為上游柵格的泥沙持留率；SEDRETx為柵格x土壤保持量。

表1 數(shù)據(jù)需求與來源Table 1 Data requirements and sources

2.3 土壤侵蝕和保持影響因子

2.3.1 降雨侵蝕力

降雨侵蝕力作為土壤的水蝕動(dòng)力，可以反映降雨條件對(duì)土壤剝離、搬移、沖刷能力的大小[30]，本研究選擇章文波等[31]建立的日降雨侵蝕力簡易算法模型，采用陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)及其周邊11個(gè)氣象站點(diǎn)降雨量數(shù)據(jù)，分別計(jì)算2000年、2015年各站點(diǎn)降雨侵蝕力，經(jīng)空間插值生成R圖層（圖1）。

圖1 降雨侵蝕力Fig. 1 Rainfall erosivity

式中：Ri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)的天數(shù)；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，與侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)；ɑ、β為模型參數(shù)。

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

2.3.2 土壤可蝕性因子

Wischmeier和Smith對(duì)土壤可蝕性因子K做了定義，并且Wischmeier等選用粉粒+極細(xì)砂粒含量、砂粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)和入滲5項(xiàng)土壤特性指標(biāo)，通過分析其與土壤可蝕性因子K值之間的關(guān)系，進(jìn)一步提出了土壤可蝕性K值估算公式[32]。

式中：M為美國粒徑分級(jí)制中的粉粒與極細(xì)砂所占百分比之和與粘粒以外的土粒所占百分比之積，OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量，s為結(jié)構(gòu)系數(shù)，p為滲透性等級(jí)。通過計(jì)算，得到土壤可蝕性K值柵格圖層（圖2）。

圖2 土壤可蝕性Fig. 2 Soil erodibility

2.3.3 植被覆蓋因子

植被具有水土保持功能，對(duì)水土流失起著決定性的作用，而植被蓋度的大小直接影響著水土流失程度強(qiáng)弱，計(jì)算中植被覆蓋因子為無量綱數(shù)，介于0～1[33]。鑒于C值與植被覆蓋度之間具有良好的相關(guān)性，本研究采用蔡崇法等[34]建立的植被覆蓋度與C值的關(guān)系來計(jì)算C值。計(jì)算方法為：

式中：fc為植被覆蓋度（%）；C為植被覆蓋和經(jīng)營管理因子；NDVI為歸一化植被指數(shù)；NDVImax、NDVImin分別為研究區(qū)域NDVI的最大值和最小值。

2.3.4 水土保持因子

水土保持措施因子指采取水保措施后，土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值，取值在0～1之間[33]。對(duì)其取值一般以這樣規(guī)定：極值0代表無侵蝕地區(qū)，極值1表示未采取任何水保措施或有采取保持措施但見效不大的的地區(qū)[22]。水土保持措施減少水土流失量的程度取決于坡度和地表覆蓋情況，坡度過陡（＞ 25%）或過緩（＜ 1%）水土保持措施的意義不大，這時(shí)候P取值為1，一般情況下，自然植被和坡耕地的P值為1，農(nóng)耕梯地為0.3[35]。本研究依據(jù)陰山北麓地區(qū)地形及耕作習(xí)慣，結(jié)合土地利用圖設(shè)定水域P值為0，耕地P值為0.3，林地、草地和其他土地利用類型未采取水土保持措施，因此取P值為1。

2.3.5 泥沙持留率

泥沙持留率表示每個(gè)像元持留土壤侵蝕物的能力，本研究采用InVEST模型數(shù)據(jù)庫中各土地利用類型的泥沙持留率數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 潛在土壤水力侵蝕與實(shí)際土壤水力侵蝕

運(yùn)行模型計(jì)算得到2000年、2015年陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)潛在土壤水力侵蝕量分別為9.37×107t和1.46×108t（圖3，表2），實(shí)際土壤水力侵蝕量分別為6.31×107t和1.01×108t（圖4，表2）。根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-2007）對(duì)實(shí)際土壤水力侵蝕進(jìn)行侵蝕強(qiáng)度劃分，全區(qū)以微度侵蝕和輕度侵蝕為主，2000年微度侵蝕（＜1000 t/(km2·a)）占83.31%，輕度侵蝕（1000～2500 t/(km2·a)）占 11.29%；2015 年微度侵蝕占71.57%，輕度侵蝕占18.50%。

潛在土壤侵蝕量對(duì)于認(rèn)識(shí)侵蝕高危險(xiǎn)區(qū)和制定侵蝕防止措施具有重要意義。從空間分布上來看，2000年多倫縣、武川縣、察哈爾右翼中旗單位面積潛在土壤水力侵蝕量較高，分別為27.19 、25.23 t/（hm2·a）和 24.52 t/（hm2·a），達(dá)爾罕茂名安聯(lián)合旗、四子王旗、烏拉特中旗、商都縣單位面積潛在土壤水力侵蝕量較低；2015年潛在土壤水力侵蝕量空間分布特征和2000年相似，所有旗縣2015年單位面積潛在土壤水力侵蝕量較2000年都有所增加，察哈爾右翼中旗、武川縣、多倫縣單位面積潛在土壤水力侵蝕量較高，分別為46.49 、43.75 t/（hm2·a）和 32.20 t/（hm2·a），達(dá)爾罕茂名安聯(lián)合旗、烏拉特中旗和四子王旗單位面積潛在土壤水力侵蝕量較低。2000年烏拉特中旗潛在土壤水力侵蝕量占潛在土壤水力侵蝕總量的18.27%，四子王旗占15.15%，武川縣占11.74%，多倫縣占10.55%；2015年四子王旗潛在土壤水力侵蝕量占潛在土壤水力侵蝕總量的18.09%，武川縣占12.94%，察哈爾右翼中旗占12.55%，烏拉特中旗占11.53%。

圖3 潛在土壤侵蝕強(qiáng)度Fig. 3 Potential soil erosion intensity

表2 陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土壤侵蝕量Table 2 Soil erosion in north piedmont of Yinshan Mountain Mt

圖4 實(shí)際土壤侵蝕強(qiáng)度Fig. 4 Soil erosion intensity

和潛在土壤水力侵蝕量空間分布特征相似，2000年多倫縣、武川縣、察哈爾右翼中旗單位面積實(shí)際土壤水力侵蝕量較高，分別為17.62 t/（hm2·a）、17.36 t/（hm2·a）和 14.65 t/（hm2·a），達(dá)爾罕茂名安聯(lián)合旗、商都縣和四子王旗單位面積實(shí)際土壤水力侵蝕量較低；2015年武川縣、察哈爾右翼中旗和多倫縣單位面積實(shí)際土壤水力侵蝕量較高，分別為 31.92 t/（hm2·a）、29.05 t/（hm2·a）和21.52 t/（hm2·a），達(dá)爾罕茂名安聯(lián)合旗、烏拉特中旗和商都縣單位面積實(shí)際土壤水力侵蝕量較低。2000年烏拉特中旗實(shí)際土壤水力侵蝕量占全區(qū)實(shí)際土壤水力侵蝕總量的22.56%，四子王旗占15.88%，武川縣占11.58%；2015年四子王旗實(shí)際土壤水力侵蝕量占全區(qū)實(shí)際土壤水力侵蝕總量的19.48%，烏拉特中旗占14.58%，武川縣占13.12%。

研究區(qū)土壤水力侵蝕主要發(fā)生在草地和耕地上，2000年耕地潛在土壤水力侵蝕量和實(shí)際土壤水力侵蝕量分別為2.5×107t和5.6×106t；草地潛在土壤水力侵蝕量和實(shí)際土壤水力侵蝕量分別為6.28×107t和 5.27×107t；林地潛在土壤水力侵蝕量和實(shí)際土壤水力侵蝕量分別為2.16×106t和1.63×106t。2015年耕地潛在土壤水力侵蝕量和實(shí)際土壤水力侵蝕量分別為4.05×107t和1.03×107t；草地潛在土壤水力侵蝕量和實(shí)際土壤水力侵蝕量分別為9.35×107t和8.03×107t；林地潛在土壤水力侵蝕量和實(shí)際土壤水力侵蝕量分別為4.56×106t和3.49×106t。

3.2 土壤保持量

運(yùn)行模型計(jì)算得到2000年陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土壤保持量為4.33×107t（表3）。其中武川縣占17.04%，察哈爾右翼中旗占15.43%，四子王旗占14.01%，多倫縣占11.52%，固陽縣占11.45%，武川縣和察哈爾右翼中旗單位面積土壤保持量較高，分別為 17.53 t/（hm2·a）和 17.39 t/（hm2·a）；2015年陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土壤保持量為6.45×107t（表3），其中察哈爾右翼中旗占18.22%，武川縣占17.48%，四子王旗占15.43%，固陽縣占11.33%，多倫縣占8.54%，太仆寺旗占7.17%，察哈爾右翼中旗和武川縣的單位面積土壤保持量較高，分別為 30.58 t/（hm2·a）和 26.77 t/（hm2·a）。

表3 陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土壤保持能力Table 3 Soil Conservation ability in north piedmont of Yinshan Mountain Mt

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

陰山北麓地區(qū)是我國土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一[36]，本研究計(jì)算結(jié)果顯示，2000—2015年間陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)水力侵蝕以微度侵蝕和中度侵蝕為主，從空間分布來看，多倫縣、太仆寺旗、察哈爾右翼中旗、武川縣潛在土壤水力侵蝕量和實(shí)際土壤水力侵蝕量較高，這主要是由于區(qū)域降水特征及土地利用方式造成的。陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)地處半干旱偏旱氣候區(qū)，年降水量200～400 mm，夏季降水占全年降水的60%以上，年降水量最南部可以達(dá)到400 mm，北部不足200 mm，多倫縣、太仆寺旗、察哈爾右翼中旗和武川縣位于陰山北麓的南端，且土地經(jīng)營方式以農(nóng)田為主，陣性降水對(duì)丘陵旱坡地可造成明顯的水土流失，因此這些地區(qū)潛在土壤水力侵蝕量和實(shí)際土壤水力侵蝕量高于北部其他旗縣。從時(shí)間序列來看，2015年潛在土壤水力侵蝕量、實(shí)際土壤水力侵蝕量較2000年都有大幅度增加，從降雨侵蝕力和土壤可蝕性的計(jì)算結(jié)果來看，2015年區(qū)域降雨侵蝕力顯著高于2000年，土壤可蝕性的計(jì)算結(jié)果差異并不顯著，因此可以認(rèn)為2015年降雨侵蝕力的增加是導(dǎo)致土壤水力侵蝕量增加的主要自然因素。另外，土壤侵蝕強(qiáng)度除了與區(qū)域自然因素相關(guān)，土地經(jīng)營方式的影響不容忽視，分析2000年、2015年研究區(qū)土地利用類型圖可知，陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用方式以旱地和草地為主，2000年旱地占18.00%，草地占68.04%；2015年旱地占17.44%，草地占66.26%。由2期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知，2000年至2015年間，耕地轉(zhuǎn)化為林地的面積為118.19 km2，耕地轉(zhuǎn)化為草地的面積為1736.12 km2，耕地轉(zhuǎn)化為未利用地的面積為191.63 km2；草地轉(zhuǎn)化為耕地的面積為2028.15 km2，草地轉(zhuǎn)化為林地的面積為285.27 km2，草地轉(zhuǎn)化為居民工礦用地的面積為235.16 km2，草地轉(zhuǎn)化為未利用地的面積為1521.18 km2。由于耕地和草地所占比例較大，因此在整個(gè)區(qū)域土壤侵蝕加劇的過程中所起的作用較為明顯，同時(shí)耕地?cái)?shù)量的減少使農(nóng)作物大幅度減產(chǎn)，當(dāng)?shù)鼐用駷榱松?jì)不得不開荒或經(jīng)營畜牧業(yè)，開荒或超載放牧造成草地的大面積退化，生態(tài)環(huán)境愈加惡化，嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。水土流失導(dǎo)致貧困，而貧困又加劇水土流失，這也是干旱貧困地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境惡性循環(huán)的基本模式。由此可以認(rèn)為，降雨分布的不均和土地經(jīng)營方式是引起土壤水力侵蝕空間分布特征的主要制約因素，而不合理的農(nóng)牧業(yè)活動(dòng)是導(dǎo)致土壤侵蝕加劇的主要?jiǎng)右颉?/p>

2000年、2015年全區(qū)土壤保持總量分別為4.33×107t和6.45×107t，武川縣、察哈爾右翼中旗和固陽縣的土壤保持量較高。2000年旱地土壤保持量為2.74×107t，林地土壤保持量為1.11×106t，草地土壤保持量為1.43×107t；2015年旱地土壤保持量為4.19×107t，林地土壤保持量為2.26×106t，草地土壤保持量為1.93×107t。而從土地利用類型變化來看2000年到2015年間旱地減少了532.92 km2，林地增加了356.61 km2，草地減少了1712.18 km2。由此看出，農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展和土壤保持量之間并不是呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在發(fā)展生產(chǎn)的同時(shí)，如果能夠加大水土保持工程措施建設(shè)并合理地采用保護(hù)性耕作制度，完全可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)發(fā)展與水土保持的雙贏。

陰山北麓屬于風(fēng)力-水力復(fù)合侵蝕區(qū)，南部以水力侵蝕為主，兼有風(fēng)力侵蝕；北部以風(fēng)力侵蝕為主，兼有水力侵蝕。水力侵蝕主要發(fā)生在夏季，而風(fēng)力侵蝕主要發(fā)生在冬春兩季。風(fēng)蝕和水蝕在空間上與時(shí)間上交錯(cuò)、疊加，造成表土大量流失。InVEST模型的土壤保持模塊是以通用土壤流失方程（USLE）為基礎(chǔ)并加以改進(jìn)，通用土壤流失方程是水動(dòng)力土壤侵蝕研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，因此本研究?jì)算結(jié)果僅為基于降水、土壤性質(zhì)、地形、植被覆蓋和管理因子的水土流失，未將風(fēng)力侵蝕計(jì)算在內(nèi)，今后將深入研究該區(qū)域的復(fù)合侵蝕。另外，鑒于InVEST模型在該區(qū)域應(yīng)用較少，各地類泥沙持留率數(shù)據(jù)取值于模型數(shù)據(jù)庫，沒有根據(jù)實(shí)際情況以及前人研究成果加以修正，因此計(jì)算結(jié)果可能存在一定誤差，對(duì)于該模型的運(yùn)用還應(yīng)進(jìn)一步完善。

4.2 結(jié)論

1）經(jīng)計(jì)算，2000年、2015年陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土壤潛在水力侵蝕量分別為9.37×107t和1.46×108t，實(shí)際土壤水力侵蝕量分別為6.31×107t和1.01×108t，全區(qū)水力侵蝕以微度侵蝕和中度侵蝕為主。

2）從空間分布來看，南部多倫縣、太仆寺旗、察哈爾右翼中旗、武川縣潛在土壤水力侵蝕量和實(shí)際土壤水力侵蝕量較高，這和南部地區(qū)陣性降水量比北部地區(qū)大且土地經(jīng)營方式以農(nóng)耕地為主有直接關(guān)系。

3）從時(shí)間序列來看，2015年潛在土壤水力侵蝕量、實(shí)際土壤水力侵蝕量較2000年都有大幅度增加，鑒于2015年區(qū)域降雨侵蝕力顯著高于2000年，土壤可蝕性的計(jì)算結(jié)果差異并不顯著，因此可以認(rèn)為2015年區(qū)域年降水量增加是導(dǎo)致土壤水力侵蝕量增加的主要因素。同時(shí)，不合理的農(nóng)牧業(yè)活動(dòng)是導(dǎo)致土壤侵蝕加劇的主要?jiǎng)右颉?/p>

4）2000年和2015年全區(qū)土壤保持總量分別為4.33×107t和6.45×107t，武川縣、察哈爾右翼中旗和固陽縣的土壤保持量較高。