賈振宇，王世曦，劉學(xué)，孫倩瑩?，楊春艷，馮朝陽

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國環(huán)境科學(xué)研究院

2.國家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國環(huán)境科學(xué)研究院

土壤保持是指生態(tài)系統(tǒng)對土壤起到的覆蓋保護(hù)及對養(yǎng)分、水分調(diào)節(jié)過程,以防止地球表面的土壤被侵蝕,或因過度使用而發(fā)生鹽堿化等化學(xué)變化,以及其他土壤化學(xué)污染的作用[1-2]。土壤保持研究在預(yù)防土壤侵蝕造成的危害及維持區(qū)域生態(tài)安全方面均發(fā)揮著重要作用[3-4]。目前土壤保持定量評估模型大致可分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型和物理模型2類[5]。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型根據(jù)實(shí)測結(jié)果,確定土壤侵蝕的控制因素,并擬合出函數(shù)對應(yīng)關(guān)系式,包括通用土壤流失方程[6](universal soil loss equation,USLE),修正通用土壤流失方程[7](revised universal soil loss equation,RUSLE)和黃土高原模型[8]等；物理模型通過研究土壤侵蝕過程的內(nèi)部機(jī)制,依據(jù)質(zhì)量、動量、能量守恒方程,經(jīng)過一定簡化后,對土壤侵蝕過程及因子的變化進(jìn)行定量表述,主要包括水蝕預(yù)報(bào)模型[9](water erosion prediction project,WEPP)和歐洲土壤侵蝕模型[10](European soil erosion model,EUROSEM)等。其中,USLE是目前應(yīng)用最廣泛、最具實(shí)用性的土壤侵蝕模型,是當(dāng)前評估土壤保持服務(wù)最常用的方法[11-13]。Liu等[14]在USLE的基礎(chǔ)上,根據(jù)中國土壤保持的實(shí)際情況,考慮了覆蓋與生物措施、工程措施和耕作措施,建立了中國土壤流失方程(Chinese soil loss equation,CSLE)。CSLE模型得到了中國科研工作者的認(rèn)可,被應(yīng)用于中國許多地區(qū)的土壤保持評價(jià)中[15-17],如在我國開展的“第一次全國水利普查”中,采用CSLE模型評價(jià)全國范圍的土壤水蝕狀況。

遼河保護(hù)區(qū)自2010年劃定后,通過實(shí)施一系列的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程,保護(hù)區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境大有改善。筆者采用CSLE模型對遼河保護(hù)區(qū)土壤保持量進(jìn)行評估,揭示其時空變化特征,分析其影響因素,以期明確生態(tài)治理與保護(hù)工程對遼河保護(hù)區(qū)水土保持改善的貢獻(xiàn),為定量評估遼河保護(hù)區(qū)土壤保持重要性提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

遼河保護(hù)區(qū)(121°41′E~123°55′E,40°47′N~43°02′N)始于東西遼河交匯處,跨沈陽、鞍山、盤錦、鐵嶺4市,終于盤錦市入?？?流域面積為1 869.20 km2。遼河自北流向南,遼河干流地勢平坦,地貌單元比較單一,均屬于遼河沖積平原。保護(hù)區(qū)地處中高緯度,屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,多年平均溫度為4~9℃,年際變化較大,溫度自下游平原向上游山區(qū)遞減；多年平均降水量為450~650 mm,年內(nèi)分配不均,降水量自東南向西北遞減。保護(hù)區(qū)土壤類型以棕壤和草甸土為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于SPOT-5和GF-1衛(wèi)星遙感影像,采用人機(jī)交互解譯方法提取2010—2018年土地利用數(shù)據(jù),并抽取不少于總面積6%的樣本通過手持GPS進(jìn)行定點(diǎn)野外實(shí)地驗(yàn)證,整體分類精度大于85%。植被覆蓋度數(shù)據(jù)來源于MODIS NDVI和Landsat TM∕OLI影像,通過融合生成30 m NDVI數(shù)據(jù)集。其中,MODIS NDVI數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)提供的16 d合成的MOD13A1影像,Landsat TM∕OLI 6—9月影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∕∕www.gscloud.cn∕)。 氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∕∕data.cma.cn),選取2000—2018年遼河保護(hù)區(qū)及周邊地區(qū)17個站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)集,利用AUSPLIN插值工具,選取3次樣條函數(shù),獲得統(tǒng)一分辨率(30 m×30 m)的柵格數(shù)據(jù)。其他數(shù)據(jù)主要包括遼河保護(hù)區(qū)邊界、土壤數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù),其中遼河保護(hù)區(qū)邊界和土壤數(shù)據(jù)來源于遼河經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管理委員會,地形數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云的30 m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 土壤保持量計(jì)算方法

2.1.1 土壤保持量計(jì)算公式

潛在土壤侵蝕量是指生態(tài)系統(tǒng)在沒有植被覆蓋情況下的土壤侵蝕量。運(yùn)用CSLE模型計(jì)算遼河保護(hù)區(qū)潛在土壤侵蝕量和實(shí)際土壤侵蝕量,二者之差即為土壤保持量(M)。實(shí)際土壤侵蝕量計(jì)算公式為:

式中:Ma為實(shí)際土壤侵蝕量,t∕(hm·2a)；R為降水侵蝕力因子,MJ·mm∕(hm·2h·a)；K為土壤可蝕性因子,t·hm·2h∕(hm2·MJ·mm)；L為坡長因子,無量綱；S為坡度因子,無量綱；B為覆蓋與生物措施因子,無量綱；E為工程措施因子,無量綱；T為耕作措施因子,無量綱。

潛在土壤侵蝕量計(jì)算公式為:

式中:Mo為潛在土壤侵蝕量,t∕(hm·2a)；Bp為無植被覆蓋情況下覆蓋與生物措施因子,無量綱。

土壤保持量計(jì)算公式為:

2.1.2 土壤保持量計(jì)算中相關(guān)參數(shù)計(jì)算

2.1.2.1 降水侵蝕力因子(R)

R采用章文波等[18]提出的降水侵蝕力模型計(jì)算:

式中:ˉ為多年平均年降水侵蝕力,MJ·mm∕(hm·2h)；Rv為第v個半月的降水侵蝕力,MJ·mm∕(hm·2h)；Pi,j,v為第i(i＝1,2,…,N)年第v個半月(將1年劃分為24個半月)第j(j＝0,1,…,x)個侵蝕性降水日(日降水量不小于12 mm)的降水量,如果沒有侵蝕性降水量,則Pi,j,v＝0；α為參數(shù),暖季時α＝0.393 7,冷季時α＝0.310 1。

2.1.2.2 土壤可蝕性因子(K)

K采用Williams等[19]在RUSLE模型中修正的土壤可蝕性因子的計(jì)算公式:

式中:Sa、Sb、Cl分別為砂粒(粒徑0.05~2.00 mm)、粉砂(粒徑0.002~0.050 mm)、黏粒(粒徑<0.002 mm)的占比,%；Sn為1－Sa∕100；C為有機(jī)碳占比,%。

2.1.2.3 坡度因子(L)、坡長因子(S)

L、S分別采用McCool等[20-21]的公式計(jì)算:

式中:λ為坡長,m；m為坡長指數(shù),無量綱；θ為坡度,(°)。

2.1.2.4 覆蓋與生物措施因子(B)

根據(jù)《水土保持情況普查報(bào)告》[22],對于林地、灌木林、草地,按其不同植被覆蓋度對B進(jìn)行賦值:對于耕地,B取1；對于其他土地利用類型,B取0。

假定以生態(tài)系統(tǒng)極端退化條件下的土壤侵蝕為潛在土壤侵蝕,根據(jù)《水土保持情況普查報(bào)告》[22],對于林地、灌木林、草地的Bp按極端退化下植被覆蓋度進(jìn)行賦值:對于耕地,Bp取1；對于其他土地利用類型,Bp取0。

2.1.2.5 工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)

實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),遼河保護(hù)區(qū)水土保持工程措施很少,因此耕地和其他土地利用類型的工程措施因子均賦值1。參考《水土保持情況普查報(bào)告》[22]中耕作措施因子賦值表,根據(jù)遼河平原的耕作措施類別,耕地取其均值0.399 3,其余土地利用類型賦值1。

2.2 土壤保持功能變化影響因素分析方法

土壤保持功能變化影響因素分析采用地理探測器方法,該方法通過分析與辨別不同影響因素分區(qū)之間的異質(zhì)性進(jìn)而探究其背后的影響力,若某影響因素有重要影響,則與該影響因素的空間分布應(yīng)具有相似性的假設(shè)。在地理探測器中通過層內(nèi)方差之和小于層間總方差分異性進(jìn)行判定,分異性的大小由某一自變量的解釋力(q)來衡量[23],其模型為:

式中:h為影響因素的分層,h＝1,2,…,Y；I和Ih分別為全區(qū)和第h層的樣本數(shù)；σ2和分別為全區(qū)和第h層的影響因素的方差。q取值為[0,1],q越大說明該因素的作用越明顯,由此對主導(dǎo)影響因素進(jìn)行判別。

結(jié)合王歡等[24-25]的土壤保持影響因素研究及經(jīng)驗(yàn)知識,選取土地利用類型、植被覆蓋度、降水量、坡度、高程5個因素作為遼河保護(hù)區(qū)土壤保持功能變化的影響因素,由于地理探測器的輸入變量要求為分類別數(shù)據(jù),因此要對連續(xù)型變量做離散化處理。其中,土地利用類型分為草地、耕地、灌木林、林地4類；植被覆蓋度按0~0.3、0.3~0.4、0.4~0.5、0.5~0.6、0.6~0.7、0.7~0.8、0.8~0.9、0.9~1.0分為8類；降水量、高程數(shù)據(jù)按等間距分類法分成8類；坡度按0~5°、5°~10°、10°~15°、15°~20°、20°~25°、25°~30°、30°~35°、>35°分為8類。

3 結(jié)果與分析

3.1 遼河保護(hù)區(qū)土壤保持時空變化特征

遼河保護(hù)區(qū)2010年、2013年、2015年和2018年單位面積土壤侵蝕量分別為3 116.59、906.63、917.64和911.30 t∕km2。按照土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)對遼河保護(hù)區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行分級統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表1所示。由表1可知,從侵蝕強(qiáng)度上看,2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)土壤微度侵蝕和輕度侵蝕面積占比較高,除2010年外其面積占比之和均在80%以上。2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)土壤侵蝕面積呈遞減趨勢:2010年土壤侵蝕面積為648.41 km2,占遼河保護(hù)區(qū)面積的34.69%；2013年為634.79 km2,占33.96%；2015年為632.50 km2,占33.84%；2018年為587.14 km2,占31.41%。2018年與2010年相比,土壤侵蝕面積減少61.29 km2。從土壤侵蝕量上看,2010—2018年呈降低趨勢,依次為202.08萬、57.55萬、58.04萬和53.51萬t,2018年與2010年相比,土壤侵蝕量減少148.57萬t。從空間分布上看,遼河保護(hù)區(qū)土壤侵蝕較低的區(qū)域集中在遼河保護(hù)區(qū)上段,侵蝕嚴(yán)重區(qū)域主要在遼河保護(hù)區(qū)河流兩側(cè)及下段。

表1 遼河保護(hù)區(qū)土壤侵蝕分級Table 1 Classification of soil erosion in Liaohe Conservation Area

2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)單位面積土壤保持量空間分布如圖1所示。由圖1可知,2010年、2013年、2015年和2018年,遼河保護(hù)區(qū)單位面積土壤保持量分別為1 743.34、3 147.18、3 136.99和3 248.11 t∕km2,2010—2018年單位面積土壤保持量整體呈遞增趨勢。從空間分布上看,遼河保護(hù)區(qū)土壤保持量較高的區(qū)域集中在遼河保護(hù)區(qū)的上段和中段,土壤保持量較低區(qū)域主要在遼河河流兩側(cè)及下段。

圖1 2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)單位面積土壤保持量空間分布Fig.1 Spatial distribution of soil conservation capacity per unit area in Liaohe Conservation Area from 2010 to 2018

3.2 遼河保護(hù)區(qū)土壤保持影響因素分析

3.2.1 不同影響因素下的單位面積土壤保持量

2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)單位面積土壤保持量與降水量、高程、坡度、植被覆蓋度和土地利用類型分區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,土壤保持能力在降水量和高程梯度上,表現(xiàn)出先減少后增加的變化特征。當(dāng)降水量小于623 mm,高程低于21 m時,土壤保持能力隨著降水量和高程的增加而減少；當(dāng)降水量高于623 mm,高程高于21 m時,土壤保持能力則隨著降水量和高程的增加而增加。土壤保持能力在坡度和植被覆蓋度梯度上,呈現(xiàn)明顯的垂直遞增特征,即坡度和植被覆蓋度與土壤保持能力呈正相關(guān)。土壤保持能力在林地—耕地—草地—灌木林梯度上,呈現(xiàn)明顯的垂直遞減特征。

圖2 2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)不同影響因素分區(qū)對單位面積土壤保持量的影響Fig.2 Soil conservation capacity per unit area under different influencing factors in Liaohe Conservation Area from 2010 to 2018

3.2.2 基于地理探測器的單位面積土壤保持量變化歸因

地理探測器因子探測運(yùn)行結(jié)果表明,不同影響因素對土壤保持能力變化的解釋力具有顯著差異(表2)。遼河保護(hù)區(qū)各影響因素對單位面積土壤保持量變化的解釋力從大到小依次為土地利用類型、植被覆蓋度、高程、坡度和降水量,其中土地利用類型是遼河保護(hù)區(qū)單位面積土壤保持量變化的主導(dǎo)因素,降水量對單位面積土壤保持量的影響最低。分析遼河保護(hù)區(qū)土地利用類型變化發(fā)現(xiàn),2010年遼河保護(hù)區(qū)土地利用類型以耕地為主,影響單位面積土壤保持量變化的主導(dǎo)因素是人為因素,自2011年實(shí)施退耕封育工程后,大面積的耕地轉(zhuǎn)換為草地和撂荒地,人類活動減少,主導(dǎo)因素變?yōu)樽匀灰蛩?表明退耕封育工程對降低土壤侵蝕起到一定作用。

表2 不同影響因素q值統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistis of q value of different influencing factors

地理探測器風(fēng)險(xiǎn)探測結(jié)果如表3所示。由表3可知,土地利用類型中耕地土壤保持的風(fēng)險(xiǎn)最高,這是由于耕地植被單一,加之科學(xué)有效的水土管理措施實(shí)施并不到位,容易造成土壤侵蝕。降水量為657~735 mm時的土壤保持的風(fēng)險(xiǎn)最高,疊加降水量空間分布圖可以得到,該區(qū)間的區(qū)域主要位于遼河保護(hù)區(qū)中段和下段,這些區(qū)域的土壤侵蝕均較為嚴(yán)重。坡度為35°~68°時的土壤保持的風(fēng)險(xiǎn)最高,對比不同坡度分區(qū)對應(yīng)的土壤侵蝕量可以發(fā)現(xiàn),隨著坡度的增加土壤侵蝕量明顯增加。高程為－73~－26 m時的土壤保持的風(fēng)險(xiǎn)最高,對比不同高程分區(qū)對應(yīng)的土壤侵蝕量可以發(fā)現(xiàn),此區(qū)間土壤侵蝕量最高。植被覆蓋度為0~0.3時土壤保持的風(fēng)險(xiǎn)最高,疊加植被覆蓋度空間分布圖發(fā)現(xiàn),土壤保持能力較低的區(qū)域主要是低植被覆蓋區(qū)。

表3 不同影響因素土壤保持高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域Table 3 High risk areas of soil conservation with different influencing factors

地理探測器交互探測可用來檢驗(yàn)2種影響因素是自身獨(dú)立起作用還是相互作用,若為相互作用,作用是增強(qiáng)還是減弱。交互探測結(jié)果(表4)表明,坡度和土地利用類型交互作用對土壤保持能力的解釋力最強(qiáng),坡度和植被覆蓋度交互作用次之。表明在降水等氣象要素相對穩(wěn)定的背景下,應(yīng)控制農(nóng)業(yè)活動對地表的干擾強(qiáng)度,增加植被覆蓋度,從而提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持能力。

表4 不同影響因素交互作用q值統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of q value of interaction among different influencing factors

4 結(jié)論

(1)2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)土壤侵蝕量呈遞減趨勢,土壤受到微度和輕度侵蝕強(qiáng)度的面積占比較高；土壤侵蝕程度空間差異較大,侵蝕程度強(qiáng)的區(qū)域零星分布在遼河保護(hù)區(qū)河流兩側(cè)及下段；2010—2018年土壤保持量呈持續(xù)上升趨勢,土壤保持量較高的區(qū)域集中在保護(hù)區(qū)上段和中段,土壤保持量較低區(qū)域主要在遼河保護(hù)區(qū)兩側(cè)及下段。

(2)2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)土壤保持能力在降水量和高程梯度上,呈現(xiàn)先減少后增加的變化特征；在坡度和植被覆蓋度梯度上,呈現(xiàn)明顯的遞增特征；土壤保持能力在林地—耕地—草地—灌木林梯度上,呈現(xiàn)明顯的遞減特征。

(3)不同影響因素對土壤保持能力變化的解釋力從大到小依次為土地利用類型、植被覆蓋度、高程、坡度和降水量,其中土地利用類型是遼河保護(hù)區(qū)土壤保持格局變化的主導(dǎo)因素；土地利用類型為耕地,降水量為657~735 mm,坡度為35°~68°,高程為－73~－26 m,植被覆蓋度為0~0.3時,土壤保持的風(fēng)險(xiǎn)最高；坡度和土地利用類型交互作用對土壤保持能力的解釋力最強(qiáng),在降水等氣象要素相對穩(wěn)定的背景下,增加植被覆蓋可以提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持能力。

(4)2010年遼河保護(hù)區(qū)土地利用類型以耕地為主,影響土壤保持能力變化的主導(dǎo)因素是人為因素,自2011年實(shí)施退耕封育工程后,大面積的耕地轉(zhuǎn)換為草地和撂荒地,人類活動減少,主導(dǎo)因素變?yōu)樽匀灰蛩?退耕封育工程對降低土壤侵蝕起到一定作用。