草海流域景观结构与土壤保持功能时空动态特征

王志杰, 柳书俊, 喻理飞,3,4

(1.贵州大学 生命科学学院, 贵阳 550025; 2.贵州大学 茶学院, 贵阳 550025; 3.山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室, 贵阳 550025; 4.山地生态与农业生物工程协同创新中心, 贵阳 550025)

生态系统服务是人类赖以生存和发展的从自然系统/生态系统中获取的各种惠益，是生态学和地理学的研究前沿和热点[1-5]。土壤保持功能是森林、草地等地表植被具有防治与减少土壤侵蚀的功能，是生态系统重要的调节服务之一，是生态系统服务功能的重要组成部分，它为土壤形成、植被固着、水源涵养及减少水土流失等提供了重要的基础，在维持区域生态安全与可持续发展方面发挥重要的作用[2,5-7]。土壤侵蚀是近年来全球范围内面临的最严峻的环境和农业问题之一，它不仅会造成土地资源破坏、生产力下降、粮食减产，威胁区域粮食安全，而且会导致江河湖库淤积、加剧洪涝灾害、加重水利设施负担，严重威胁人类生存和可持续发展[7-9]。因此，关于土壤侵蚀和土壤保持功能的研究一直以来都是国内外学者广泛关注的重要内容[10]。20世纪60年代，美国水土保持专家Wishchmeier等[11]提出的通用土壤流失方程(USLE)为定量研究土壤侵蚀问题提供了有效的方法，是目前使用最广泛的土壤侵蚀模型之一。随着“3S”技术的快速发展，基于GIS和USLE的模型方法也相应产生，极大的推动了土壤侵蚀与土壤保持功能研究的发展[5]。由斯坦福大学、世界自然基金会和大自然保护协会联合开发的InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型，是以往生态系统服务评估研究领域的一大突破，该模型将地理信息系统、遥感和数学模型融入定量评估生态系统服务，实现评估结果的可视化表达，有利于生态系统服务的空间异质性描述[12]。InVEST模型的土壤保持模块在通用土壤流失方程的基础上进行了完善，弥补了通用土壤流失方程的不足，使计算结果更加精确、合理。目前，该模型土已成功应用于北京山区[8]、海南岛[6]、黑河流域[13]、甘肃白龙江流域[14]和延安市[15]等地的土壤保持功能研究。

草海流域位于贵州省西部，是贵州最大的高原天然淡水湖泊，中国最重要的生物多样性保护区域之一，国际国内公认的黑颈鹤(Grusnigricollis)自然种群密度最高的重要越冬地。由于其临近威宁县城，流域内人口多、密度大，城镇开发建设、矿业开采等频繁的人类活动对草海流域生态系统产生了巨大的压力和冲击[16]。生态系统退化明显，水土流失造成每年约有60万t泥沙进入草海[17]，随着水土流失的加剧而造成的湖盆淤塞，水位下降，泥沙沉积淤填，严重威胁着草海的安全，如不引起足够重视，将来草海的消失不可避免[18]。有学者对草海流域土壤侵蚀状况研究发现：草海流域土壤侵蚀整体以轻度侵蚀为主，1992—2015年流域土壤侵蚀呈加剧趋势，表现出整体改善局部加剧的特征[19-21]。近年来，为遏制草海流域生态破坏趋势、减缓生态系统退化等问题，流域内退耕还湿、水土流失治理等一系列生态修复措施的相继实施，加之流域内社会经济结构的调整，草海流域土地利用景观结构发生剧烈变化，然而，草海流域土地利用景观结构的变化背景下的土壤侵蚀时空分布特征如何？是否已有效减缓土壤侵蚀、增强土壤保持服务功能？这些科学问题依然没有明确答案，开展草海流域景观结构与土壤保持功能时空特征的研究，对于优化草海流域土地利用景观格局，减缓土壤侵蚀危害，提升生态系统服务功能，促进社会经济可持续发展具有重要的理论和现实意义。

基于此，本研究以草海流域为研究对象，在系统分析2009年和2017年流域内土地利用景观结构时空变化的基础上，基于InVEST模型的土壤保持模块，对2009年和2017年土壤侵蚀和土壤保持功能时空动态特征进行研究，以期探明草海流域土壤侵蚀和土壤保持功能的时空分布规律，为流域水土流失治理和生态系统服务管理调控提供理论依据和科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

草海流域(26°47′32″—26°52′52″N，104°10′16″—104°20′40″E)地处贵州省西北威宁县彝族回族苗族自治县县城南侧，是我国特有的黑颈鹤(Grusnigricollis)等珍稀鸟类的栖息地，是一个完整的、典型的喀斯特高原小流域[22]。研究区地势东部最高，西南部较高，中部为湖区，流域出水口在西北部，平均海拔2 171.7 m，流域面积96 km2左右[22]，气候为亚热带季风气候，年均气温10.6℃，年均降雨量约为950.9 mm，降水年均分布不均，主要集中于夏季，干湿季分明，相对湿度79%[23]。流域内的土壤大部分为黄棕壤，呈酸性，具有相对湿度大、淋溶作用强、有机质含量高的特征，常年被湖水淹没的盆地淤泥地带则是泥炭化的沼泽土[24]，土地利用类型以耕地、林地、灌草地、建筑用地和水域为主。

1.2 数据来源

针对InVEST模型土壤保持功能评价的基本框架，结合本研究的主要内容，研究所用数据主要包括草海流域2009年和2017年土地利用景观类型空间数据和逐月降雨量数据、土壤质地和有机质含量数据、DEM数据等。其中，土地利用景观类型数据运用高分辨率遥感图像(空间分辨率为2.5 m×2.5 m)，基于ArcGIS 10.5软件平台通过目视解译方法获取；土壤质地和有机质含量数据由贵州省土壤类型图、中国土壤数据库(http:∥vdb3.soil.csdb.cn)结合相关研究成果获取[25]；降雨数据来源于威宁县气象局(表1)；DEM数据来源于地理空间数据云网站(http:∥www.gscloud.cn)。由于各类数据来源、投影方式和比例尺等不同，在进行相关分析之前对所有数据统一进行几何配准与重采样，将所有数据坐标系统统一为Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_105 E投影坐标系统，数据栅格大小统一为30 m×30 m。

表1 草海流域2009年和2017年逐月降雨量 mm

1.3 模型因子计算

土壤保持采用InVEST模型中土壤保持模块进行估算[14]。计算公式如下：

SEDRETx=RKLSx-USLEx+SEDRx

(1)

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(2)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(3)

(4)

式中：SEDRETx为栅格x的土壤保持量；RKLSx为基于地貌和气候条件下栅格x的土壤侵蚀量；USLEx为考虑了管理及工程措施后栅格x的实际侵蚀量；SEDRx为栅格x的泥沙持留量；USLEy为考虑了管理及工程措施后上坡栅格y的实际侵蚀量；SEx为栅格x的泥沙持留量；Rx为降雨侵蚀性因子；Kx为土壤侵蚀因子；LSx为坡度坡长因子；Cx为植被覆盖和作物管理因子；Px为水土保持措施因子。

(1) 降雨侵蚀力因子(Rx)反映降雨对土壤剥离、搬运及地表冲刷能力的体现。本研究采用Wischmeier[26]月度计算公式：

(5)

式中：Rx为降雨侵蚀力[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]；Pi为月降雨量(mm)；P为年均降雨量(mm)，式中Rx单位是(100 ft·t·in)/(ac·h·a)，该单位需乘以系数17.02，转换成国际单位[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]。

(2) 土壤可蚀性因子(Kx)指土壤对侵蚀的敏感性反映，可衡量土壤颗粒被降雨分离和搬运的难易程度。本研究采用EPIC[27]模型中的计算公式计算，公式如下：

Kx={0.2+0.3exp[-0.0256SAN(1-SIL/100)]}

(6)

SN1=1-SAN/100

(7)

式中：Kx为国际值单位的土壤可蚀性(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)；SAN为沙粒的含量(%)，SIL为粉粒的含量(%)，CLA为黏粒的含量(%)，OM为土壤有机碳的含量(%)。

(3) 坡长坡度因子(LSx)是形成具有侵蚀能力径流并导致侵蚀事件发生的主要地形因子，可表示地形地貌特征对土壤侵蚀的影响。本研究根据前人的相关研究结果，坡度与侵蚀的规律大体上呈现钟形的关系，有一临界坡度25°，因此将25°规定为转折坡度，计算公式如下：

(8)

(9)

式中：Fa为汇水累积阈值；Cs为栅格大小；s为坡度(%)；n为与坡度有关的参数。

当坡度大于坡度阈值时，地形因子计算方法[28]如下：

LSx=0.08β0.35s0.6

(10)

(11)

(4) 地表覆盖管理因子(Cx)指一定条件下，某类特定作物或植被实施植被管理措施后的土壤流失量与未实施管理措施时的土壤流失量的比值；土壤保持因子(Px)是在有、无水土保持措施情况下，土壤流失量的比值，值域为0～1，数值大小与水保措施效果呈负相关[14]。参考秦志佳[29]的研究成果，并结合本研究中对草海流域土地利用景观结构特征，将C因子和P因子值赋予相应的景观类型(表2)。

表2 不同景观类型的C值和P值

(5) 泥沙持留量(SEx)代表了侵蚀产生的泥沙在输移过程中，植被过滤、拦截上游地块泥沙沉积物的能力，其值越大，则持留率越高[14]。

2 结果与分析

2.1 草海流域景观格局时空变化特征

从草海流域2009年和2017年各景观类型面积统计(表3)可以看出：研究区景观类型以耕地和水域为主，分别占研究区总面积的40%，20%以上，灌草地面积最小，仅占约5%。叠加分析2009—2017年流域景观类型空间变化，可以发现(表4)：研究区耕地、水域、和灌草地面积呈减少趋势，林地、沼泽地和建筑用地呈增加趋势，且景观类型动态变化存在着频繁的景观类型之间的转化现象。其中，灌草地为减速最快的景观类型，减少约113.55 hm2，主要转化为耕地、林地和建筑用地，占灌草地转化面积的99.44%。受退耕还湿和经济发展驱动的影响，耕地减速仅次于灌草地，结构比重下降12.31%，主要转化为沼泽地、建筑用地和林地，占总转移比例的92.76%。水域面积减少约116.78 hm2，年均减少率仅为0.71%，主要转化为沼泽地。而沼泽地为增加最快的景观类型，面积增加约798.28 hm2，年均增长率21.60%，主要由耕地转化而来，贡献率为79.09%。建筑用地面积增加约584.63 hm2，增速仅次于沼泽地，年均增长率为12.77%，主要由耕地转化而来，贡献率79.43%。林地面积增加了40.65 hm2，是增速最慢的景观类型，年均增长率仅为0.53%，主要是由耕地和灌草地转化而来，占总转移比例的92.36%。此外，在各景观类型转移的空间分布上，发生转化的景观类型主要位于地势平坦、交通便利的威宁县县城和草海湖周边地区或海拔较高的区域。

2.2 草海流域潜在土壤侵蚀及其空间分布特征

基于InVEST模型计算获得草海流域2009年和2017年潜在土壤侵蚀量分别为2 583.80万t/a，11 101.67万t/a，单位面积潜在土壤侵蚀量分别为2 665.14，11 451.19 t/(hm2·a)。受降雨侵蚀力大小的影响，研究区2017年潜在土壤侵蚀量约为2009年潜在土壤侵蚀量的4.30倍，潜在土壤侵蚀量高值区的空间分布受地形因素影响较大，主要分布在草海流域东南部的塔山村、孔山村、鸭子塘村东部、陕桥村东北部和南部、大马城村南部以及草海流域西南部的石龙村和吕家河村(图1)。

表3 草海流域2009年和2017年各景观类型面积

表4 景观类型转移概率矩阵 %

草海流域2009年和2017年各景观类型潜在土壤侵蚀量和单位面积潜在土壤侵蚀量的大小规律基本一致，潜在土壤侵蚀量由大到小分别为：耕地>林地>灌草地>水域>建筑用地>沼泽地，其中耕地的潜在土壤侵蚀量分别为1 113.60，4 729.11万t/a；而单位面积潜在土壤侵蚀量由大到小分别为：林地和灌草地>耕地>建筑用地>水域>沼泽地(图2)。

2.3 草海流域实际土壤侵蚀及其空间分布特征

基于InVEST模型计算获得草海流域2009年和2017年实际土壤侵蚀量分别为121.71万t/a，507.27万t/a，单位面积实际土壤侵蚀量分别为125.55，523.24 t/(hm2·a)(图3)。可以发现，草海流域2017年实际土壤侵蚀量约为2009年实际土壤侵蚀量的4.17倍，这主要是由于2017年降雨侵蚀力因子R值约为2009年的4.30倍所造成的。根据水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准(SL190—2007)》[29]对草海流域2009年和2017年实际土壤侵蚀强度进行划分(表5)可知，草海流域2009年实际土壤侵蚀以微度和轻度侵蚀为主，二者共占研究区总面积的68.25%，剧烈侵蚀占研究区总面积的19.09%；2017年实际土壤侵蚀以微度侵蚀占比最大，约占研究区总面积的34.41%，剧烈侵蚀次之，占研究区总面积的27.35%；2009—2017年微度侵蚀、强烈侵蚀和极强烈侵蚀面积减少，轻度、中度和剧烈侵蚀面积增加。总体而言，草海流域2009—2017年实际土壤侵蚀强度呈增加趋势。

图1 草海流域潜在土壤侵蚀空间分布

图2 草海流域不同景观类型潜在土壤侵蚀量

图3 草海流域不同景观类型实际土壤侵蚀量

表5 草海流域2009年和2017年实际土壤侵蚀强度分布

2009年实际土壤侵蚀量高的地区主要分布在草海流域东部的塔山村、南部的大马城村东南部以及研究区西南部的石龙村，2017年实际土壤侵蚀量高的地区主要分布在研究区东南部的塔山村、孔山村、鸭子塘村东部、陕桥村东北部和南部、大马城村南部以及流域西南部的石龙村和吕家河村，这主要是由于这些区域的海拔较高或所属村镇社会经济发展对生态环境一定程度的破坏所造成(图4)。

草海流域2009年各景观类型实际土壤侵蚀量由大到小分别为：耕地>灌草地>林地>沼泽地>水域>建筑用地，单位面积实际土壤侵蚀量由大到小分别为：灌草地>耕地>林地>沼泽地>建筑用地>水域；2017年各景观类型实际土壤侵蚀量由大到小分别为：耕地>灌草地>林地>建筑用地>沼泽地>水域，单位面积实际土壤侵蚀量由大到小分别为：灌草地>耕地>林地>建筑用地>沼泽地>水域(图3)。根据水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准(SL190—2007)》[30]对草海流域各景观类型单位面积实际土壤侵蚀强度进行划分可知，2009年灌草地和耕地均为剧烈侵蚀，林地为极强烈侵蚀，其余景观类型均为微度侵蚀；2017年灌草地、耕地和林地均为剧烈侵蚀，建筑用地为极强烈侵蚀，沼泽地为轻度侵蚀。

图4 草海流域实际土壤侵蚀空间分布

2.4 草海流域土壤保持及其空间分布特征

2009年和2017年草海流域土壤保持量和单位面积土壤保持量分别为2 462.08万t/a，10 594.40万t/a和2 539.60 t/(hm2·a)，10 927.94 t/(hm2·a)。8 a间平均土壤保持能力提升了8 388.34 t/(hm2·a)，土壤保持量增加了8 132.32万t，2017年流域土壤保持量约为2009年的4.30倍，土壤保持量高值区主要分布在草海流域东南部的塔山村、孔山村、鸭子塘村东部、陕桥村东北部和南部、大马城村南部以及流域西南部的石龙村和吕家河村，此外，在草海湖的中部也存在一些潜在土壤保持量较高的区域(图5)。各景观类型土壤保持量均以耕地和林地景观类型为主，2009年和2017年二者的土壤保持量分别为1 017.94万t/a，875.66万t/a，4 324.27万t/a，3 414.65万t/a，贡献率均为73%～77%；而沼泽地的土壤保持量最小，2009年和2017年分别为7.27，65.20万t/a，对流域土壤保持量的贡献率在0.5%左右(表6)。各景观类型单位面积土壤保持量表现出林地或灌草地>耕地>建筑用地>水域>沼泽地的特征，其中，2009年林地单位面积土壤保持量最大，为9 168.79 t/(hm2·a)，灌草地次之，为6 400.01 t/(hm2·a)，沼泽地最小，仅为159.26 t/(hm2·a)，林地单位面积土壤保持量约为沼泽地的57.57倍；2017年草海流域单位面积土壤保持量中则是灌草地最大，高达37 844.39 t/(hm2·a)，林地次之，为34 277.77 t/(hm2·a)，沼泽地仍最小，仅为517.37 t/(hm2·a)，灌草地单位面积土壤保持量约为沼泽地的73.15倍。

图5 草海流域土壤保持空间分布

表6 草海流域2009年和2017年各景观类型土壤保持及其变化量统计

从各景观类型土壤保持量变化来看，2009—2017年草海流域各景观类型土壤土保持量均呈增加趋势，其中，耕地变化最为明显，土壤保持量增加了3 306.34万t/a，结构比重下降了0.53%，年均增长率为40.60%；沼泽地的土壤保持增速最快，增加约57.93万t/a，结构比重上升了0.32%，年均增长率高达99.54%；林地的增速最慢，结构比重下降了3.33%，年均增长率仅为36.24%。各景观类型单位面积土壤保持量变化方面，灌草地的变化最为明显且增速最快，单位面积土壤保持量增加了31 444.38 t/(hm2·a)，年均增长率高达为61.41%；沼泽地的单位面积土壤保持量变化最不明显且增速最慢，单位面积土壤保持量增加了358.11 t/(hm2·a)，年均增长率仅为28.11%。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

土壤保持功能不仅与景观结构密切相关，还受地形、气象、土壤、植被和人为活动因素的影响[31]。本研究基于InVEST模型，计算得到草海流域2009年土壤保持量和单位面积土壤保持量分别为2 462.08万t/a和2 539.60 t/(hm2·a)，2017年土壤保持量和单位面积土壤保持量分别为10 594.40万t/a和8 388.34 t/(hm2·a)，2017年土壤保持量是2009年的4.30倍。究其原因，草海流域2009年和2017年的R值分别为1 877.87，8 119.33 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，草海流域2017年月均降雨量是2009年的1.53倍，其中2月、5月、6月和9月的降雨量分别为2009年的2～5倍，尤其是2017年6月份草海流域的降雨量高达334.30 mm，仅6月份的R值就高达6 520.07 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，是2009年全年R值的3.47倍，由于两个时期研究区月降雨量的较大差异，从而导致草海流域2017年潜在土壤侵蚀量是2009年的4.30倍(表1)；并且，由于草海流域两个时期的景观结构发生明显变化，C和P因子空间分布随之变化，从而导致草海流域2017年的实际土壤侵蚀量是2009年的4.17倍。此外，潜在土壤侵蚀量和实际土壤侵蚀量的大小直接影响土壤保持量的大小，草海流域2017年的潜在土壤侵蚀量和实际土壤侵蚀量分别2009年的4.30倍和4.17倍，最终导致2017年土壤保持量是2009年的4.30倍。

草海流域2009年和2017年平均实际土壤侵蚀量分别为125.55，523.24 t/(hm2·a)，土壤侵蚀强度总体上均以轻度和微度侵蚀为主，这与韦海霞[19]、吴际通[20]和王堃[21]等学者的研究结果基本一致，但在研究时段内，草海流域尚存在较大面积的剧烈侵蚀分布，占流域总面积的约20%～30%，并且8 a间，剧烈侵蚀的面积有增加的趋势，同时，轻度侵蚀和中度侵蚀面积也有所增加，这说明研究区土壤侵蚀存在一定程度的恶化趋势，结合两个时段土壤侵蚀空间分布图，可以看出侵蚀恶化区主要集中在流域周边海拔较高、坡度较大的区域，并且草海湖周边部分村镇土壤侵蚀也有恶化的趋势。虽然，近年来草海流域围绕黑颈鹤(Grusnigricollis)等珍稀鸟类栖息地保护和草海自然保护区生态保护，实施了退耕还湿、坡耕地综合整治、退耕还林等一系列生态修复措施，林地和沼泽地面积有所增大，土壤侵蚀较为严重的耕地面积大幅减少，草海流域生态环境有明显的改善，但同时也伴随着威宁县由于社会经济发展而导致的建设用地不断扩大，对生态环境造成一定程度破坏的现象，这在一定程度上加剧了流域土壤侵蚀，但总体而言，随着草海流域景观结构的不断调整和优化，流域内各景观类型的土壤保持量均呈不同程度的增加趋势，即草海流域土壤侵蚀/土壤保持表现出“总体好转、局部恶化”的特征。因此，今后还需进一步深化流域周边海拔较高、坡度较陡区域的土壤侵蚀治理，提高水土保持治理成效，同时，对于因不合理开发建设和人类活动导致的土壤侵蚀加剧的村镇，应加强监管、加重整治，遏制土壤侵蚀，保障草海流域生态环境的良性发展和草海自然保护区生态质量与生态服务功能的不断提升。

3.2 结 论

(1) 草海流域景观格局特征是以耕地和水域为主导的景观类型。2009—2017年流域景观类型动态变化过程中存在着频繁的景观类型之间的转化现象，以耕地、水域和灌草地面积的减少，林地、沼泽地和建筑用地面积的增加为主要特征，且发生转化的景观类型主要位于地势平坦且交通便利的威宁县县城、草海湖周边地区以及海拔较高的地区。

(2) 2009—2017年，草海流域实际土壤侵蚀量为(121.71～507.27)万t/a，2017年实际土壤侵蚀量约为2009年实际土壤侵蚀量的4.17倍，草海流域实际土壤侵蚀强度呈增加趋势。2009年实际土壤侵蚀以微度和轻度侵蚀为主，2017年实际土壤侵蚀以微度为主，剧烈侵蚀次之；2009—2017年微度侵蚀、强烈侵蚀和极强烈侵蚀面积较少，轻度、中度和剧烈侵蚀面积增加，实际土壤侵蚀量高值区主要分布在草海流域周边地形起伏度大、海拔较高的区域。

(3) 2009—2017年，草海流域土壤保持量呈增加趋势，8 a间单位面积土壤保持量提升了8 388.34 t/(hm2·a)，土壤保持总量增加了8 132.32万t，2017年研究区土壤保持量约为2009年的4.30倍。草海流域各景观类型的土壤保持量和单位面积土壤保持量均呈增加趋势，其中，灌草地增速最快，沼泽地增速最慢。各景观类型单位面积土壤保持表现出林地或灌草地>耕地>建筑用地>水域>沼泽地的特征。