黑河中上游地區(qū)2000—2010年土地利用變化及水土保持服務(wù)功能

劉金巍，靳甜甜，劉國華，李宗善，楊榮金

(1. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085; (2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100012; 3. 中國環(huán)境科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境評價中心， 北京 100038)

土地利用變化是全球生態(tài)變化研究的一個重要方面，被認(rèn)為是全球變化的決定因素之一，對全球的生態(tài)系統(tǒng)、生物地球化學(xué)循環(huán)和氣候變化以及人類脆弱性有重要影響[1- 2]。在國際地圈與生物圈計劃(IGBP，1987)和國際全球環(huán)境變化的人文因素計劃(IHDP，1996)的推動下，國內(nèi)外眾多學(xué)者對典型地區(qū)土地利用變化的趨勢、驅(qū)動力以及生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了大量研究[3- 4]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[5]，對人類的影響廣泛而深遠(yuǎn)。土地利用的變化改變著生態(tài)系統(tǒng)的組成和功能，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給功能。近年來，土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響逐漸成為生態(tài)學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的量化評估成為重要的決策依據(jù)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的量化方法主要有價值評價法和物質(zhì)量評價法，目前應(yīng)用較為普遍的是價值量評價法，代表性研究成果為美國生態(tài)學(xué)家Costanza等人的評估方法。該方法在國內(nèi)也得到了廣泛應(yīng)用，我國眾多學(xué)者對西北干旱區(qū)重點內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值量進(jìn)行了初步估算[6- 8]。價值量和物質(zhì)量評估方法各有利弊，在實際工作中應(yīng)綜合考慮，權(quán)衡利弊。

黑河流域氣候干旱、生態(tài)環(huán)境極其脆弱，是我國干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境問題研究的熱點地區(qū)。2000年西部大開發(fā)以來，黑河上游實施了一系列生態(tài)治理政策、中游啟動了水量統(tǒng)一調(diào)度方案，社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及生態(tài)政策的逐步落實從不同角度改變著區(qū)域的土地利用，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有重要的影響。目前，該流域上游研究集中在氣候、山區(qū)徑流、水文的變化及其帶來的生態(tài)影響方面[9- 11]；中下游地區(qū)的研究重點為人工綠洲擴(kuò)張、天然綠洲退化及土地利用變化帶來的環(huán)境效應(yīng)問題[12- 14]等方面。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能方面，以往研究利用Costanza[15]和謝高地[16]等人的研究結(jié)果進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值量的評價[6,17- 18]，而基于物質(zhì)量評價方法的研究較少[19]。由于黑河流域水資源短缺、風(fēng)蝕水蝕嚴(yán)重，水源涵養(yǎng)和土壤保持是該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和改善的最主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，而流域中上游是水源涵養(yǎng)和土壤保持的重要區(qū)域：上游祁連山地區(qū)具有重要的水源涵養(yǎng)和防止水土流失的作用；中游位于巴丹吉林沙漠的西南部，承擔(dān)著重要的防風(fēng)固沙和土壤保持功能。因此，研究黑河中上游地區(qū)2000—2010年土地利用變化及水源涵養(yǎng)和土壤保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量的變化，對流域重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的恢復(fù)和改善具有重要的借鑒意義。

本文以黑河中上游地區(qū)2000和2010年土地利用為基礎(chǔ)，揭示了2000—2010年區(qū)域土地利用變化的主要特征，并以此為基礎(chǔ)，對區(qū)域的水源涵養(yǎng)量和土壤保持量及其變化進(jìn)行了估算，以期為流域重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的保育與提高、生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑河發(fā)源于青海省祁連山區(qū)的冰川和積雪帶，流經(jīng)甘肅省進(jìn)入內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納旗，最終匯入東、西居延海，干流全長821km。出山口鶯落峽以上為上游，鶯落峽至正義峽為中游，正義峽以下為下游，分別位于祁連山地、走廊平原和阿拉善高原3種完全不同的自然地理環(huán)境[20]。本文研究黑河中上游地區(qū)(96°08′—101°37′E，37°41′—42°45′N)，總面積9.89萬km2。上游地區(qū)包括青海省祁連縣和甘肅省肅南裕固族自治縣的部分地區(qū)(圖1)，以牧業(yè)為主；中游地區(qū)包括張掖市、嘉峪關(guān)市以及酒泉市的肅州區(qū)、玉門市、金塔縣等部分地區(qū)，屬灌溉農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)。

圖1 黑河中上游位置、分區(qū)及水系分布圖

黑河流域氣候干燥，降水量少而集中[18, 21]。6—8月份降水量可占年降水量的63%左右。上游地區(qū)氣候陰濕寒冷，1960—2010年的多年平均氣溫-2.9—1.1℃，多年平均降水量294—414mm；中游地區(qū)氣候干旱，多年平均氣溫4.4—8.4℃，由中部向南北兩極遞減，多年平均降水量55—200mm，東南明顯多于西北。土壤和植被的空間分布差異較大：上游祁連山區(qū)土壤屬高山寒漠、草甸、草甸草原、草原和森林土壤系列，中游地區(qū)主要為灰棕荒漠土；從東南向西北，植被類型分布為高山冰雪凍土帶、山區(qū)植被帶(包括水源涵養(yǎng)林帶)、山前綠洲帶和荒漠綠洲帶[20]。黑河流域上游地區(qū)植被以山地草地和山地林地為主，植被較好，水量補(bǔ)給充足，是黑河徑流的形成區(qū)，中游地區(qū)以人工綠洲和荒漠綠洲為主，是甘肅省重要的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，上游來水被大量引用，為黑河徑流的主要利用區(qū)。

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)的獲取及處理方法

采用2000年和2010年 Landsat TM/ETM 6—8月份遙感影像數(shù)據(jù)(空間分辨率30m),在Ecogonition、ERDAS IMAGE 8.5和ArcGIS 9.3軟件下，進(jìn)行面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惤庾g，得到目標(biāo)流域2000年和2010年土地利用類型圖。解譯時首先將兩期影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射糾正和幾何糾正；其次，根據(jù)覆蓋區(qū)域的影像情況劃分影像塊，將相同日期和塊間差別可忽略的影像塊合并成工作塊；接著，在2012年7—8月份從中游到上游進(jìn)行分類地面樣本點采集，在此基礎(chǔ)上對照Google earth和遙感影像特征進(jìn)行樣本點擴(kuò)充，隨機(jī)選取30%樣本點用于解譯精度驗證；最后，進(jìn)行樣本訓(xùn)練，開展基于支持向量計算法的自動分類，利用精度驗證點對結(jié)果進(jìn)行驗證。驗證結(jié)果表明影像總體解譯精度為80%左右，基本可以達(dá)到研究所需要求。

土地利用分類系統(tǒng)基于劉紀(jì)遠(yuǎn)等[22]的分類標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)基于TM遙感影像，從遙感監(jiān)測實用操作性出發(fā)，是遙感影像解譯中常用的標(biāo)準(zhǔn)。本研究根據(jù)西北干旱地區(qū)自身的特點，將原有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，最終將土地利用類型劃分為7個一級類型和17個二級類型。一級類為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地、未利用土地和冰川積雪覆蓋地，為增加生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計算的準(zhǔn)確性將林地進(jìn)一步劃分為高郁閉度林地(覆蓋度>30%)、中郁閉度林地(覆蓋度在10%—30%之間)、低郁閉度林地(覆蓋度<10%)、防護(hù)林地(行道樹，居民點內(nèi)部、周圍及綠洲林地)和灌木林地；草地劃分為高覆蓋度草地(覆蓋度>50%)、中覆蓋度草地(覆蓋度在20%—50%之間)和低覆蓋度草地(覆蓋度<20%)；水域劃分為河渠湖泊水庫坑塘等水面及沼澤灘地；未利用地劃分為裸土沙地、鹽堿地、裸巖和荒漠。在進(jìn)行流域土地利用變化分析時主要基于一級地類的統(tǒng)計結(jié)果，二級地類用于分析土地利用類型的具體來源去向以揭示變化的原因，以及計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量。

2.2 土地利用變化表征方法

運用常用的土地利用類型結(jié)構(gòu)變化、單一土地利用動態(tài)度指數(shù)、土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣以及土地利用程度綜合指數(shù)等分析方法[23]，分析了黑河中上游地區(qū)土地利用類型變化的過程和趨勢。

(1) 單一土地利用動態(tài)度指數(shù)

也稱變化率指數(shù)，以土地利用類型的面積為基礎(chǔ)，可反映一定時間范圍內(nèi)各土地類型的變化幅度和速度：

( 1)

Ua、Ub分別為研究始、末某一地類的面積；T為研究時段，當(dāng)用年表示時即為區(qū)域此類土地利用類型的年變化率。

(2) 土地利用程度綜合指數(shù)

該指數(shù)及其變化可定量揭示區(qū)域土地利用的程度和變化。本文以縣市(區(qū))為評價單元，土地利用程度分級及分級指數(shù)的設(shè)定參照劉紀(jì)遠(yuǎn)等[24]的研究結(jié)果，劃分為未利用土地級(未利用地)、林草水用地級(林地、草地和水域)、農(nóng)業(yè)用地級(耕地)和城鎮(zhèn)聚落用地級(城鄉(xiāng)工礦居民用地)4級：

( 2)

A未利用地=1，A林草水=2，A農(nóng)業(yè)用地=3，A城鎮(zhèn)聚落=4

式中，L為區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為土地利用程度第i級的分級指數(shù)；Ci為土地利用程度第i級的面積百分比；n為土地利用程度分級數(shù)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估方法

2.3.1 水源涵養(yǎng)量估算方法

黑河中上游地區(qū)的水源涵養(yǎng)功能主要由上游祁連山區(qū)承擔(dān)，因此，本文估算的水源涵養(yǎng)量只考慮上游地區(qū)。其中，林地地表枯枝落葉的蓄積量和持水能力對保持水土、涵養(yǎng)水源具有重要的作用，是反映森林水源涵養(yǎng)能力高低的重要因素之一，同時土壤顆粒間存在大量孔隙，其蓄水能力也是評價土壤涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)水分循環(huán)功能的重要指標(biāo)[25]，而高海拔山區(qū)的冰川積雪可以直接以固態(tài)形式儲存水源，但是，由于本文在土地利用類型的劃分時未能將冰川和積雪分開，故暫無法計算出冰川和積雪各自的儲水量。鑒于此，本文僅估算植被覆蓋下的土壤(包括枯枝落葉層和礦質(zhì)土壤層)的涵蓄水量的變化，土壤涵養(yǎng)水量的估算：

W=W1+W2

(3)

式中，W為水源涵養(yǎng)總量(t)；W1為枯枝落葉層持水量(t)；W2為礦質(zhì)土壤層貯水量(t)。各分量的計算方法：

(1)枯枝落葉層持水量按最大持水量估算：

W1=∑CiSi

(4)

式中，W1為枯枝落葉層持水量(t)；Ci為第i種植被凋落物的最大持水力(t/km2)；Si為第i種植被類型的面積(km2)

(2)土壤孔隙的蓄水量分為毛管持水量和非毛管貯水量，一般認(rèn)為，非毛管孔隙貯水量是評價土壤水源涵養(yǎng)功能的最重要指標(biāo)之一[26]。本文土壤的水源涵養(yǎng)量按非毛管孔隙貯水量，以有植被土壤比無植被土壤的多貯水量來表示：

W2=∑(Pi-T)·Hi·Ai·ρ水

(5)

式中，W2為礦質(zhì)土壤層貯水量(t)；Pi為i類植被下土壤的非毛管孔隙度(%)；T為對照裸地土壤非毛管孔隙度(%)；Hi為i類植被下土壤的土層厚度(m)；Ai為i類植被的面積(km2)。ρ水為水的密度(1t/m3)。

2.3.2 土壤保持量估算方法

土壤保持量用潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量之差來表示：

A=∑Api-Ari

( 6)

式中，A為土壤保持量；Api為i類植被的潛在土壤侵蝕量；Ari為i類植被的實際土壤侵蝕量。根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲得性，上游地區(qū)土壤侵蝕以水蝕為主，土壤侵蝕量按侵蝕模數(shù)進(jìn)行估算，中游地區(qū)土壤侵蝕以風(fēng)蝕為主，侵蝕量按風(fēng)蝕速率估算。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑河中上游地區(qū)土地利用變化

3.1.1黑河中、上游土地利用結(jié)構(gòu)及動態(tài)度變化分析

黑河中上游地區(qū)2000和2010年的土地利用如圖2所示，黑河中、上游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型的構(gòu)成差異較大，其土地利用變化及對對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化的影響存在較大差異，因此，為了更準(zhǔn)確地揭示研究區(qū)土地利用變化的空間特征，同時也為了便于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的分析，本文將黑河上游、黑河中游地區(qū)分開討論。對比2000和2010年流域上、中游地區(qū)土地利用變化的分析結(jié)果如表1所示。

圖2 黑河中上游2000和2010年土地利用圖

表1 黑河中、上游2000—2010年各土地利用類型面積及變化

上游地區(qū)草地面積占上游總土地面積的76%以上，是絕對優(yōu)勢的生態(tài)類型。2000—2010年，草地面積大量減少，減少面積為2161.6km2，動態(tài)度為0.96%，占研究區(qū)土地總面積的比例由84.18%下降到76.12%。耕地、林地、未利用地、水域和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積增加，其中耕地增加幅度最大，由15.5km2增加到47.4km2，動態(tài)度為20.58%；上游地區(qū)是研究區(qū)林地分布和增加的主要區(qū)域，增加了1837.9km2，動態(tài)度為12.02%；未利用地以裸巖和荒漠為主，增加面積為1377.1km2，動態(tài)度為11.42%；冰川積雪覆蓋地面積的減少幅度較大，動態(tài)度為8.16%。

中游地區(qū)未利用地面積占中游總土地面積的80%以上，植被蓋度極低，林地面積較小。2000—2010年，耕地、林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積增加，其余類型面積減少。在面積增加的類型中，耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地是研究區(qū)分布和增加的主要區(qū)域，其中耕地增加面積為2410.8km2，占研究區(qū)新增耕地面積的98.7%，動態(tài)度為6.46%；隨著防護(hù)林的建設(shè)，中游地區(qū)林地大幅增加，由969km2增加到1816.9km2，動態(tài)度為8.75%。在面積減少的類型中，草地的減少量最大，由8098.5km2減少到5462.7km2，動態(tài)度為3.25%；水域濕地和冰川積雪覆蓋地大幅減少，動態(tài)度分別為7.7%和8.59%；未利用地面積減少222.7km2，動態(tài)度最小，僅為0.04%。

總體看來，黑河中上游地區(qū)土地利用類型以未利用地為主，占研究區(qū)總土地面積的比例達(dá)60%以上；從植被生態(tài)系統(tǒng)來看，草地的分布面積遠(yuǎn)大于林地的分布面積，是構(gòu)成植被生態(tài)系統(tǒng)的主體。2000—2010年，草地、水域和冰川積雪面積呈減少趨勢，減少面積分別為4797.5、378.1km2和1179.2km2，年均遞減率分別為1.56%、5.81%和8.17%；耕地、林地、未利用地和城鄉(xiāng)工礦居民用地增加，增加面積分別為2442.7、2685.8、1154.4km2和72km2，年均遞增率分別為6.51%、10.75%、0.19%和1.82%。其中，耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積的大小可用來表示人類對自然生態(tài)的干預(yù)程度，2000—2010年，耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地占土地總面積的比例由4.19%增加到6.73%，說明人類活動對自然生態(tài)的干預(yù)加劇了。

3.1.2 土地利用類型流入流出分析

黑河中上游2000—2010年土地利用類型的轉(zhuǎn)化過程(表2和圖3)可以總結(jié)為以下幾點：(1)耕地面積大幅增加，主要由中游荒漠和草地轉(zhuǎn)化而來，其轉(zhuǎn)移量分別占耕地面積的13.3%和12.9%；(2)草地面積大量減少，轉(zhuǎn)出量為8569.5km2，主要表現(xiàn)為肅南、山丹及民樂等地的草地轉(zhuǎn)化為林地或退化為未利用地，同時上游冰川積雪覆蓋地和中游未利用地轉(zhuǎn)化為草地，補(bǔ)償了草地的縮減；(3)林地的轉(zhuǎn)變以其它土地類型的轉(zhuǎn)入為主，上游主要為林地和草地的相互轉(zhuǎn)化，其中肅南縣林地增加的面積占研究區(qū)林地增加總面積的55%以上，中游林地轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入的方向主要為未利用地，林地的荒漠化和荒漠造林是林地減少和增加的主要原因；(4)水域和冰川積雪覆蓋地面積較小且大幅轉(zhuǎn)出，水域面積有53.8%轉(zhuǎn)變?yōu)榱宋蠢玫?，冰川積雪覆蓋地絕大部分被草地(73.9%)和未利用地中的裸巖(11.2%)替換；(5)城鄉(xiāng)工礦居民用地轉(zhuǎn)入面積為350.2km2，除玉門市、山丹縣等地為減少趨勢外，其余地區(qū)均增加，主要來源于對未利用地中的沙裸地、荒漠以及耕地的侵占，同時部分城鄉(xiāng)工礦居民用地也向其它用地轉(zhuǎn)化。(6)未利用地轉(zhuǎn)化的空間差異性較大，其增加主要分布在肅南和玉門等地，其增加面積占增加總面積的150%，主要來源于低覆蓋度草地和沼澤灘地；金塔和肅北兩縣的未利用地減少。

表2 黑河中上游2000—2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

圖3 主要土地利用類型轉(zhuǎn)化的空間分布

3.1.3 土地利用程度及變化

根據(jù)公式2計算得到黑河中上游2000和2010年各縣市(區(qū))的土地利用程度指數(shù)(圖4)，黑河中上游地區(qū)的綜合土地利用程度較低，土地利用程度綜合指數(shù)為144.5，從空間上來看，大致表現(xiàn)為由東南向西北逐漸降低的趨勢，變化在100.3—213.4之間，這主要是由于南部植被條件較好，中部綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，而北部偏遠(yuǎn)地區(qū)水資源缺乏，人類活動較小。

從土地利用程度的變化來看，黑河中上游地區(qū)的土地利用程度整體略有上升趨勢，由2000年的144.5增加到2010年的145.9，表明2000—2010年該區(qū)域土地利用處于發(fā)展上升期。土地利用程度變化的空間差異性較大，上游地區(qū)的土地利用程度降低，而中游除玉門和肅北降低外，其它地區(qū)的土地利用程度均為上升趨勢，尤其是民樂縣，由182.2增加到213.4，其次為山丹和肅州地區(qū)。

3.2 黑河中上游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量變化分析

水源涵養(yǎng)功能的主體為植被和植被覆蓋下的土壤，上游祁連山地區(qū)是黑河流域的水源地，具有重要的產(chǎn)水和蓄水功能，其水源涵養(yǎng)量的多少關(guān)乎著整個流域的可利用水資源量，因此，本文在評價水源涵養(yǎng)功能時重點分析上游祁連山地區(qū)植被的水源涵養(yǎng)量，根據(jù)土地利用的研究結(jié)果，上游植被以林地和草地為主，耕地面積少，故暫不考慮耕地的水源涵養(yǎng)功能。土壤保持主要通過植被的保持水土和防風(fēng)固沙功能來實現(xiàn)，黑河上游山區(qū)降水多，坡度大，植被的土壤保持功能主要體現(xiàn)在防止水土流失方面，而在中游地區(qū)，降水稀少，風(fēng)力大，機(jī)械干擾和物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈，土壤侵蝕以風(fēng)蝕為主，因此，中游地區(qū)的土壤保持功能更重要表現(xiàn)在防風(fēng)固沙?；诖?，本文估算的區(qū)域土壤保持量包括上游地區(qū)植被減少的保持水土量和中游植被的防風(fēng)固沙量。

圖4 2000和2010年土地利用程度空間分布

3.2.1 水源涵養(yǎng)量的估算

(1)土壤水源涵養(yǎng)量

根據(jù)孫昌平等[27]及張學(xué)龍等[28]對祁連山地區(qū)林地土壤物理性能的研究結(jié)果，計算得到上游地區(qū)喬木林地(青海云杉林和祁連圓柏林，本文簡稱林地)和灌木林地枯枝落葉層的持水能力(表3)。假設(shè)枯枝落葉層的持水能力不變，計算得到2000年和2010年黑河上游枯枝落葉層的持水量(表4)。2000年黑河上游林地枯枝落葉層的持水量為0.151×108t，隨著喬木林地和灌木林地面積的大幅增加，到2010年增加到0.331×108t，提高了1.2倍。

根據(jù)成彩霞等[29]和孫昌平等[27]在祁連山森林生態(tài)站西水試驗區(qū)的研究結(jié)果，計算得到喬木林地、灌木林地和草地0—0.6m土層的平均非毛管孔隙度(表3)，進(jìn)而分別對各植被類型下礦質(zhì)土壤層的貯水量進(jìn)行了估算，估算結(jié)果見表4。結(jié)果表明，黑河上游地區(qū)土壤的水源涵養(yǎng)量以礦質(zhì)土壤層的貯水量為主，占涵養(yǎng)水源總量的87%以上。2000—2010年，黑河上游地區(qū)土壤涵蓄水量大幅增加，2000年蓄水量為1.625×108t，到2010年增加到2.568×108t，土壤蓄水量的增加主要是由持水能力較強(qiáng)的林地和灌木林地的面積大幅增加帶來的，分別增加了0.505×108t和0.512×108t，而草地面積減小導(dǎo)致土壤貯水量減少了0.074×108t。

表3 黑河上游土壤物理特征參數(shù)

表4 黑河上游土壤貯水量估算結(jié)果

3.2.2 土壤保持功能

(1)黑河上游地區(qū)土壤保持量

根據(jù)湯萃文等[30]對祁連山北坡東段哈溪保護(hù)站土壤侵蝕模數(shù)的研究結(jié)果，計算得到上游地區(qū)喬木林地、灌木林地、草地和耕地的平均侵蝕模數(shù)，代入公式6，得到各植被類型的土壤保持量。其中，潛在侵蝕能力按照裸地的侵蝕能力(9014t km-2a-1)來估算。

表5 黑河上游地區(qū)不同土地類型土壤保持量估算結(jié)果

從表5可以看出，2000—2010年，黑河上游地區(qū)的土壤保持量增加了216.2×104t，土壤保持量略有提高。其中，由于林地和耕地面積的增加，林地、耕地的土壤保持量都呈增加趨勢，分別增加1591.3×104t和20.9×104t，同時草地荒漠化導(dǎo)致土壤保持量減少1396×104t，大大削弱了上游地區(qū)土壤保持量的增加。

(2)黑河中游地區(qū)土壤保持量

黑河中游地區(qū)的土壤侵蝕類型主要為風(fēng)蝕，根據(jù)馬海艷等[31]對黑河中游山前平原區(qū)耕地、草地和荒地土壤侵蝕速率的研究結(jié)果，按照公式6，對中游地區(qū)耕地、草地和林地的土壤保持量進(jìn)行了估算。其中，潛在土壤侵蝕速率按照荒地的侵蝕速率(5341.6 t km-2a-1)估算，防護(hù)林地和灌木林地侵蝕速率的估算按照荒地侵蝕速率的15.7%來估算[32]。估算結(jié)果見表6。

表6 黑河中游地區(qū)不同土地類型土壤保持量估算結(jié)果

由上表可見，2000—2010年，黑河中游地區(qū)的土壤保持量由2681.8×104t增加到2853.7×104t，增加了171.9×104t。其中，林地和耕地的土壤保持量分別增加了381.8×104t和346.3×104t，而草地面積的減少導(dǎo)致土壤保持量大量減少，減少量為556.2×104t。

(3)黑河中上游地區(qū)土壤保持總量

黑河中上游地區(qū)土壤保持功能提供的主體為草地，草地的土壤保持量占土壤保持總量的75%以上，2000—2010年草地面積的大幅減少大大降低了黑河中上游地區(qū)的土壤保持量，草地的減少導(dǎo)致土壤保持量減少1952.2×104t，而林地和耕地的增加提高了土壤的保持量，彌補(bǔ)了草地面積減少損失的土壤保持量，2000—2010年，黑河中上游土壤保持量呈略有提高的趨勢，土壤保持量由2000年的18600.6×104t增加2010年的18988.7×104t，增加了388.1×104t。

4 結(jié)論與討論

4.1 不確定性分析

冰川積雪面積的變化對季節(jié)和隨機(jī)氣象事件的發(fā)生非常敏感，尤其是積雪面積的變化具有較大的時間波動性和不確定性，這使得利用遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行冰川積雪變化的研究存在一定的隨機(jī)性和不確定性。有關(guān)黑河上游地區(qū)冰川積雪面積及其變化的研究，各學(xué)者得到的研究結(jié)果也存在很大差異，但大都表明夏季冰川積雪面積的年際變化為減少趨勢[33- 34]。本研究中得到2010年冰川積雪面積比2000年大量減少，主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾吐愕?，這一方面可能與兩期影像數(shù)據(jù)的拍攝時間不同，導(dǎo)致冰雪的消融程度不同有關(guān)，也存在2000年影像圖片拍攝于下雪之后等的可能性。

4.2 黑河流域土地利用變化驅(qū)動力分析

氣候變化和人類活動流域土地利用變化的兩大驅(qū)動力，兩大驅(qū)動力相互影響，共同作用。

近年來黑河流域氣溫上升速率高于北半球的平均升溫率[35]，引發(fā)流域土地利用的顯著變化。冰川積雪面積大量消減，主要是由氣候變暖導(dǎo)致的，根據(jù)祁連、野牛溝、托勒3個國家級氣象站1960—2010年的氣象資料(來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng))分析，近50年來上游地區(qū)氣溫呈極顯著上升趨勢，上升速率為0.034℃/a，而從氣溫的年代變化來看，2000—2010年的年均溫比1990—2000年的年均溫高0.6℃，氣溫的升高加速了冰川積雪的消融。王璞玉等人[36]的研究結(jié)果表明1950年/1970年—2003年該流域冰川面積縮小了29.6%，而本研究結(jié)果表明2000—2010年中上游冰川面積年均縮小約8%，未來氣候持續(xù)變暖的條件下該流域冰川面積將持續(xù)縮小。氣溫升高同時也會促使冰川積雪覆蓋地向草地轉(zhuǎn)化、草地向林地轉(zhuǎn)化。

此外，水域和濕地面積大度縮減，這是氣候變化和人類活動共同作用的結(jié)果。1960年以來，上游地區(qū)氣溫極顯著升高的同時降水量的增加趨勢也較為顯著，年均增長1.16mm，同時，根據(jù)山丹、張掖、高臺、酒泉、金塔、鼎新、玉門鎮(zhèn)、馬鬃山8個氣象站近50年來的氣象資料分析，黑河中游地區(qū)降水量有所增加但趨勢不顯著，年均增加0.47—0.67mm(平均年增長率為0.31mm)，而氣溫與上游地區(qū)一樣呈極顯著上升趨勢，年均升高0.028—0.053℃(平均年升高率為0.036℃)。由于降水量增加幅度較小，不足以平衡氣溫升高帶來的蒸發(fā)量增加，加上人口增長帶來需水量增加以及調(diào)水政策的實施，導(dǎo)致地表水量進(jìn)一步減少、地下水位下降，生態(tài)用水減少，由于缺少水源補(bǔ)給，部分河流、沼澤和湖泊干涸，大面積濕地萎縮，荒漠化加劇。馬鴻勇等人的研究[37]表明，氣候變化使黑河流域地表向干旱化發(fā)展的趨勢加快，加上人類活動的影響，2001—2008年黑河流域中上游濕地面積累計減少了166.7km2，而本研究結(jié)果表明2000—2010年中上游水域和濕地面積減少了378.1km2，其中有350.0km2轉(zhuǎn)變?yōu)榱宋蠢玫?，主要是荒漠和裸土沙地?/p>

黑河流域引發(fā)土地利用變化的人為因素主要是人類的開發(fā)活動和近年來實施的生態(tài)治理措施。隨著人類影響的深入，城鄉(xiāng)工礦居民用地增加，中游人類活動密集區(qū)耕地面積大幅度增加，大量的荒漠和草地被開墾為耕地，尤其是民樂和山丹兩縣，其耕地增加的面積分別占研究區(qū)耕地增加總面積的29.1%和30.1%。2000—2010年，黑河上游地區(qū)實施了一系列生態(tài)治理措施，如天然林封育、草地圍欄封育、人工造林、黑土灘沙化治理等，這些工程的實施增加了上游和中游地區(qū)林地面積，但是由于流域水資源消耗和降雨量的減少部分地區(qū)林地和草地呈現(xiàn)退化趨勢，荒漠造林和林地荒漠化是人類和環(huán)境共同影響的結(jié)果。

4.3 土地利用變化對流域水土保持功能的影響

黑河流域干旱缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱，水源涵養(yǎng)和土壤保持功能的發(fā)揮對流域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性具有重要作用。在氣候變化和人類活動共同作用下，該流域土地利用變化在2000—2010年發(fā)生了顯著變化，這些變化影響區(qū)域的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，進(jìn)而影響到水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)功能的發(fā)揮。

2000—2010年，黑河中上游地區(qū)土壤儲水量顯著增加，主要原因為林地的大面積增加。然而，冰川面積縮小、林地和耕地面積的持續(xù)增加可能消耗更多的水資源，因此在流域氣候暖干化背景下，未來該地區(qū)水資源短缺將會持續(xù)加重。

2000—2010年黑河中上游地區(qū)土壤保持力呈現(xiàn)增加趨勢，主要原因為林地和耕地面積的增加。然而應(yīng)該看到，在人類活動用水量增加的情況下，生態(tài)用水進(jìn)一步被擠占，這將直接導(dǎo)致原來的水域，包括河流、湖泊、沼澤灘地的面積迅速減少，地下水位持續(xù)降低[38]，進(jìn)而影響植被尤其是中、低覆蓋度草地以及依靠地下水維持生存的非灌區(qū)植被的退化，進(jìn)而削弱天然植被的穩(wěn)定性，在風(fēng)力作用下容易造成潛在荒漠化，土壤保持功能可能受到影響。

4.4 黑河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能改善建議

針對黑河流域水源涵養(yǎng)和土壤保持功能的提升，提出以下建議：

(1)黑河中上游地區(qū)林地增加雖然增強(qiáng)了區(qū)域的水源涵養(yǎng)和土壤保持功能，但由于林地的蒸騰作用較強(qiáng)，氣候暖干化，在黑河流域比較缺水的情況下需要適度發(fā)展。

(2)中游地區(qū)應(yīng)嚴(yán)格控制耕地的大規(guī)模擴(kuò)張趨勢，確定適宜的耕地規(guī)模，保證生態(tài)用水的供給，保證黑河流域山地-綠洲-荒漠系統(tǒng)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的持續(xù)發(fā)揮。

(3)黑河流域濕對中上游土地利用變化較為敏感，同時濕地也是其它生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指示，保護(hù)濕地對維護(hù)流域內(nèi)生態(tài)穩(wěn)定，對土壤保持功能的實現(xiàn)具有重要意義。為此，應(yīng)積極開展?jié)竦厣鷳B(tài)保護(hù)，對濕地進(jìn)行封育保護(hù)，減少人為干擾，同時保護(hù)周圍生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性。必要時可逐漸退耕還濕或改為人工濕地，保證流域濕地面積的穩(wěn)定。

致謝：中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心伍星老師和汪亞峰老師幫助寫作，特此致謝。

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