甘肅白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能時(shí)空變異及其影響因子

柳冬青, 鞏 杰, 張金茜, 馬學(xué)成

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000)

生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持服務(wù)是土壤形成、植被固著和水源涵養(yǎng)等服務(wù)功能的重要基礎(chǔ)，對(duì)區(qū)域水土保持和生態(tài)安全等具有重要意義。因而備受國(guó)內(nèi)外土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)科學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]，但前期集中于依賴統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)水土保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估[4-5]，難以反映其在空間上的分布特征。隨著土壤流失定量預(yù)測(cè)模型的提出和完善(通用土壤流失方程USLE、修正通用土壤流失方程RUSLE等)，生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的空間定量化和分布格局研究逐步受到重視[6-7]，但此類模型并未考慮地塊自身攔截上游沉積物的能力，導(dǎo)致土壤保持量計(jì)算存在一定問題。近年來，經(jīng)廣泛應(yīng)用和驗(yàn)證，這一問題在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡模型(InVEST)中得到了很好的解決,而且該模型與多時(shí)段遙感數(shù)據(jù)、GIS空間分析的結(jié)合，促進(jìn)了土壤保持功能及其價(jià)值的時(shí)空動(dòng)態(tài)研究[8-9]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤保持空間分布受坡度影響較大[10]，植被蓋度的提高有利于土壤保持功能的強(qiáng)化[11]。土壤保持功能變化因素的研究方面，多是基于不同地形或LUCC下土壤保持功能的統(tǒng)計(jì)差異[12]和單位面積生產(chǎn)總值、單位面積第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、人口密度等與單位面積土壤保持量的相關(guān)性分析[13]來揭示自然過程、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口增長(zhǎng)對(duì)土壤保持功能的影響。但土壤保持功能年際間的動(dòng)態(tài)因子和各因子貢獻(xiàn)率大小的研究尚無報(bào)道。

地理探測(cè)器是Wang等[14]開發(fā)的分析地理空間因素對(duì)人類健康影響機(jī)理的一種方法。目前，已逐漸運(yùn)用到毛烏素沙地景觀格局、北京市居民宜居社會(huì)等方面[15-16]，研究表明，地理探測(cè)器在時(shí)空動(dòng)態(tài)因子、各因子貢獻(xiàn)率及因子交互作用等方面的研究具有一定優(yōu)勢(shì)[17-18]。甘肅白龍江流域地處青藏高原、秦巴山地和黃土高原交錯(cuò)過渡帶，是長(zhǎng)江上游重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障，但流域地形破碎，地貌復(fù)雜、滑坡和泥石流頻發(fā)，水土流失嚴(yán)重，深刻地影響著流域的土壤保持。因此，本文基于InVEST模型和地理探測(cè)器，分析甘肅白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的空間變化及其影響因子，旨在為流域水土保持與生態(tài)系統(tǒng)安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

甘肅白龍江地處甘肅省東南部(32°36′—34°24′N，103°00′—106°30′E)，位于青藏高原向黃土高原和秦巴山地交錯(cuò)過渡帶上。行政單元主要包括迭部縣、舟曲縣、宕昌縣、武都區(qū)和文縣，流域面積為1.84萬km2。流域地勢(shì)西北高東南低，海拔600～4 828 m，主要地貌類型有高原山地地貌、河谷地貌及黃土地貌等。氣候類型復(fù)雜多樣，屬于暖溫帶濕潤(rùn)氣候向北亞熱帶濕潤(rùn)氣候過渡帶，夏季高溫多雨,冬季溫暖少雨，年均溫6～14.9℃，年降水量約400～850 mm，且主要集中在5—10月。土壤類型以棕壤、暗棕壤、高山草甸土、褐土等為主；植被類型主要是亞高山針葉林、高山灌木林、落葉闊葉林、落葉闊葉和常綠闊葉混交林等，覆蓋度較高。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 土壤保持模型

生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能用土壤保持量表示，本文采用InVEST模型中的土壤保持空間制圖和評(píng)估功能來獲取，土壤保持功能包含侵蝕減少和泥沙持留兩部分，計(jì)算公式為：

SEDRETx=RKLSx-USLEx+SEDRx

(1)

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(2)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Px×Cx

(3)

(4)

式中：SEDRETx和SEDRx分別為柵格x的土壤保持量(t)和泥沙持留量(t)；RKLSx是基于地貌和氣候條件下柵格x的潛在土壤侵蝕量(t)；USLEx和USLEy分別是考慮了管理、工程措施后柵格x及其上坡柵格y的實(shí)際侵蝕量(t)；Rx，Kx，LSx，Cx，Px分別為柵格x的降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長(zhǎng)坡度因子、植被覆蓋和管理因子和土壤保持措施因子。

(1) 降雨侵蝕力因子(R)反映降雨對(duì)土壤剝離、搬運(yùn)及地表沖刷能力的大小，是降水引起土壤侵蝕及流失的潛在能力的體現(xiàn)。本文采用章文波等[19]提出的逐月降雨量數(shù)據(jù)估算降雨侵蝕力模型。利用2002—2014年白龍江流域及鄰近地區(qū)17個(gè)氣象站點(diǎn)的日降水?dāng)?shù)據(jù)算出月降雨量，進(jìn)行Kriging空間插值，得到流域年降雨侵蝕力柵格圖。

(2) 土壤可蝕性因子(K)指土壤對(duì)侵蝕的敏感性反應(yīng)，可衡量土壤顆粒被降雨分離和搬運(yùn)的難易程度。本文采用EPIC模型進(jìn)行計(jì)算，并利用張科利等[20]研究成果進(jìn)行結(jié)果校正。

(3) 坡長(zhǎng)坡度因子(LS)是形成具有侵蝕能力徑流并導(dǎo)致侵蝕事件發(fā)生的主要地形因子，可表示地形地貌特征對(duì)土壤侵蝕的影響。本文所用的InVEST模型3.2.0版本可根據(jù)研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算LS。

(4) 植被覆蓋管理因子(C)指一定條件下，某類特定作物或植被實(shí)施植被管理措施后的土壤流失量與未實(shí)施管理措施時(shí)的土壤流失量的比值。C因子與植被覆蓋度密切相關(guān)。因此，本文采用NDVI估算植被蓋度，再根據(jù)蔡崇法等[21]建立的蓋度與C值的關(guān)系公式進(jìn)行C值的計(jì)算。

(5) 土壤保持措施因子(P)是在有、無水土保持措施情況下，土壤流失量的比值，值域?yàn)?～1，數(shù)值大小與水保措施效果呈負(fù)相關(guān)。參考前人研究成果[13],結(jié)合研究區(qū)土地利用及農(nóng)事活動(dòng)狀況(視水域?yàn)闊o侵蝕發(fā)生)，將耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地的p值分別定為0.15，1，1，0，1，1。

(6) 泥沙持留量(SE)代表了侵蝕產(chǎn)生的泥沙在輸移過程中，植被過濾、攔截上游地塊泥沙沉積物的能力，其值越大，則持留效率越高。不同土地利用類型的泥沙持留能力不同，本文參照InVEST模型數(shù)據(jù)庫(kù)獲得不同土地利用類型的泥沙持留效率。

2.2 地理探測(cè)器分析

地理探測(cè)器是探測(cè)地理現(xiàn)象空間分異性，揭示其驅(qū)動(dòng)因素的一組統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。其核心思想是基于地理現(xiàn)象總是存在特定的空間位置，影響其變化的驅(qū)動(dòng)因子在空間上具有差異性，若某驅(qū)動(dòng)因子對(duì)地理現(xiàn)象有重要影響，則地理現(xiàn)象與該驅(qū)動(dòng)因子的空間分布應(yīng)具有相似性的假設(shè)[22]。探測(cè)器主要由風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)、因子探測(cè)、生態(tài)探測(cè)和交互探測(cè)組成，各探測(cè)器原理及交互關(guān)系判定詳見文獻(xiàn)[22]。其模型為：

(8)

①防轉(zhuǎn)裝置連接部位焊接材料選用及工程驗(yàn)收務(wù)必嚴(yán)格，同時(shí)有條件時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如防腐等。對(duì)所介質(zhì)的腐蝕性要充分的定性分析，發(fā)現(xiàn)及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。②對(duì)防轉(zhuǎn)裝置固定接點(diǎn)，在清罐作業(yè)時(shí)做好保護(hù)，清罐結(jié)束做好檢查、記錄。③對(duì)導(dǎo)靜電線定期進(jìn)行檢查、檢測(cè)，做好記錄、標(biāo)識(shí)；特別要利用儲(chǔ)罐大修時(shí)段對(duì)導(dǎo)靜電線上下接頭進(jìn)行認(rèn)真檢查，對(duì)導(dǎo)線全線腐蝕情況進(jìn)行確認(rèn)，一旦發(fā)現(xiàn)有腐蝕、點(diǎn)蝕、開裂、松散等及時(shí)更換，接頭焊點(diǎn)、壓緊螺母等如有銹蝕需及時(shí)更換，做好周邊防腐。

2.3 數(shù)據(jù)來源

所用數(shù)據(jù)主要有：(1) 2002年、2014年兩期土地利用數(shù)據(jù)參考國(guó)土資源部2007年頒布的《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T21010—2007)，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，對(duì)2002年、2014年兩期Landsat TM遙感影像進(jìn)行人工目視解譯和實(shí)地選點(diǎn)驗(yàn)證得到(Kappa系數(shù)為84.59%，滿足精度要求)；(2) 30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)；(3) 流域及周邊17個(gè)氣象站點(diǎn)2002—2014年的月降雨數(shù)據(jù)來源于甘肅省氣象局、流域各縣(區(qū))氣象局和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.nmic.cn/)；(4) 2002—2014年流域NDVI數(shù)據(jù)來源于國(guó)家科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(http:∥www.cnic.cas.cn)；(5) 土壤粒度等理化性狀數(shù)據(jù)為2014年7—8月采樣和試驗(yàn)分析所得；(6) 2002—2014年各縣區(qū)人口、農(nóng)作物產(chǎn)量等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3 結(jié)果與分析

3.1 甘肅白龍江流域土壤保持時(shí)空變化特征

甘肅白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持總量有所增加，從2002年的8.88億t增加到2014年的10.45億t，土壤保持功能得到增強(qiáng)。其空間分布格局基本維持穩(wěn)定，高值區(qū)主要分布在流域下游的武都東南部和文縣東部(如讓水河、大團(tuán)魚河等流域)、流域上游的凍列鄉(xiāng)—卡壩鄉(xiāng)一帶的石質(zhì)山區(qū)和自然保護(hù)區(qū)，這些區(qū)域的人類活動(dòng)和地表擾動(dòng)的影響相對(duì)較?。坏椭祬^(qū)多集中于宕昌—舟曲—武都—文縣段白龍江河谷近岸地帶(圖1A、圖1B)，這一區(qū)域人口密度大、人類活動(dòng)頻繁、滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，擾動(dòng)強(qiáng)，不利于土壤保持[23]。時(shí)間尺度上，流域土壤保持功能整體提高，高值區(qū)土壤保持強(qiáng)度增大的同時(shí)，低值區(qū)(如岷江宕昌段)土壤保持功能得到了改善，但迭部西北部和文縣中西部(關(guān)家溝、渭溝等流域)土壤保持量有所下降(圖1C)。

圖12002-2014年甘肅白龍江流域土壤保持及其變化量空間分布

3.2 土壤保持隨土地利用類型的變化

土壤保持因植被覆蓋不同而存在一定差異。以2002—2014年土地利用類型轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)分區(qū)統(tǒng)計(jì)土壤保持變化量，得到各土地利用類型單位面積土壤保持變化量，最終得到主要土地利用類型單位面積土壤保持量變化轉(zhuǎn)移矩陣(表1)。相對(duì)于2002年、2014年各地類土壤保持功能都有所提高，這主要是生態(tài)建設(shè)工程(退耕還林還草工程、長(zhǎng)江中上游防護(hù)林建設(shè)等)和公眾水土保持意識(shí)的提高等造成的。其中，由耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)為林地的土壤保持增長(zhǎng)量最大(表1)，說明隨著植被覆蓋的增加，土壤保持功能逐漸增強(qiáng)。

表1 單位面積土壤保持量變化轉(zhuǎn)移矩陣 t/hm2

3.3 土壤保持功能隨地形因子的變化

地形地貌制約著流域人類活動(dòng)的分布與強(qiáng)度，影響著土壤保持功能的空間分布。2002—2014年土壤保持變化與海拔、坡度及坡向分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2。2002—2014年甘肅白龍江流域土壤保持功能在海拔、坡度及坡向上均有所提升。海拔梯度上，呈現(xiàn)出明顯的垂直遞減特征，即隨海拔抬升，土壤保持功能變化與各海拔段林、草地增加比重，建設(shè)用地和耕地減少比重均呈正相關(guān)(圖2A)。表明植被蓋度的增加和人類活動(dòng)干擾的減小有益于土壤保持功能的增強(qiáng)。隨著坡度的遞增，人類活動(dòng)干擾減少，土壤保持功能整體呈增強(qiáng)趨勢(shì)；小于25°的坡段，林、草地?cái)U(kuò)張較快，建設(shè)用地與耕地比重有所下降，但人類活動(dòng)較為集中，該區(qū)域土壤保持功能提高相對(duì)較小(圖2B)。流域土壤保持變化量與坡向的關(guān)系不明顯，總體而言，陰坡和陽坡略低。各坡向土壤保持變化量與降水量變化大致呈負(fù)相關(guān)，與植被蓋度和人類活動(dòng)變化關(guān)系不大(圖2C)。

3.4 2002-2014年甘肅白龍江流域土壤保持功能變化的影響因子分析

甘肅白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能變化受自然、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)等多因素的綜合影響。參考前人研究，根據(jù)研究區(qū)具體情況(短期內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造和人類活動(dòng)對(duì)地形地貌的改變作用相對(duì)微弱)，本文選取對(duì)土壤侵蝕有直接作用的降水量變化來體現(xiàn)自然過程，以土地利用類型、人口密度和農(nóng)作物單產(chǎn)的變化來表征植被蓋度和人類活動(dòng)對(duì)土地的干擾，開展各因子對(duì)土壤保持變化的探測(cè)分析。各因子分區(qū)說明見表2。

圖2 地形因子對(duì)甘肅白龍江流域土壤保持變化量的影響

風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)可揭示各影響因子內(nèi)部不同分區(qū)間的屬性均值差異性。分析顯示，所選因子與土壤保持變化均具有相對(duì)一致性，且都通過0.05水平顯著性檢驗(yàn)。

因子探測(cè)揭示了各影響因子對(duì)土壤保持變化的影響力。各因子對(duì)土壤保持變化的影響力依次為：降水量變化(0.031 4)、單產(chǎn)變化(0.007 1)、人口密度變化(0.002 9)、土地利用類型變化(0.002 1)。其中，降水量變化對(duì)土壤保持變化的影響最大。這是因?yàn)榻邓且鹜寥狼治g的主導(dǎo)因素之一[24]，降水量的增加導(dǎo)致土壤侵蝕的加強(qiáng)，從而致使土壤保持量的減少。

生態(tài)探測(cè)用于比較各因子間對(duì)土壤保持變化的影響差異是否顯著。降水變化量對(duì)土壤保持變化的影響力雖然最大，但與其他因子間無顯著差異，其余各因子間也無顯著差異(表3)。

表2 地理探測(cè)因子類別化說明

表3 不同影響因子對(duì)土壤保持變化影響的統(tǒng)計(jì)顯著性差異

注：表中N表示差異性不顯著。

交互探測(cè)可用來檢驗(yàn)2種影響因子自身獨(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。分析結(jié)果表明，自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因子對(duì)土壤保持變化的影響均存在交互作用，任意兩個(gè)因子交互后的影響力均表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)(表4)。其中，降水變化量和農(nóng)作物單產(chǎn)變化交互因子影響力最強(qiáng)，降水變化量和土地利用類型變化交互因子次之(表4)。這說明生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的變化是自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合作用的結(jié)果，在降水等氣象要素相對(duì)穩(wěn)定的背景下，應(yīng)控制人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地表的干擾強(qiáng)度，增加植被覆蓋度，進(jìn)而提高流域生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能。

表4 2種影響因子對(duì)土壤保持變化影響的交互作用

4 討 論

各土地利用類型和耕作強(qiáng)度下的地表粗糙度、地表水分環(huán)境和各種動(dòng)力場(chǎng)存在明顯差異，從而影響土壤保持功能[6]。一般而言，由于土壤、地形等自然因子相對(duì)穩(wěn)定及工程措施費(fèi)用昂貴，減少坡耕地比重、增加植被蓋度等生態(tài)工程建設(shè)在防治土壤侵蝕和控制水土流失方面發(fā)揮著重要作用。研究表明，降水量變化是甘肅白龍江流域土壤保持功能變化的主要因素，降水作用影響下，農(nóng)作物單產(chǎn)的減少和地類植被蓋度的增加有利于土壤保持功能的提高。因此，根據(jù)甘肅省主體功能區(qū)規(guī)劃中以“兩江一水”流域水土保持與生物多樣性生態(tài)功能區(qū)為重點(diǎn)，構(gòu)建長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障的客觀要求，由于降水具有不可控性，該流域應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)科技投入，改善耕作方式和耕地質(zhì)量(如修建梯田、減少翻耕深耕強(qiáng)度等)，在降低地表擾動(dòng)程度的同時(shí)提高糧食產(chǎn)量和居民收入，繼續(xù)推進(jìn)“山上退耕還林，山下治溝造地”工程建設(shè)，降低水土流失造成的面源污染和土地退化等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

土壤保持功能變化受綜合因素影響，研究中考慮了不同土地利用類型的泥沙持留效果，結(jié)果較為合理，可為流域水土保持和生態(tài)安全建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。但對(duì)植被覆蓋管理和土壤保持措施的變化考慮不夠；同時(shí)，流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能受自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等多因素的綜合影響，變化過程復(fù)雜。本文所選因子可能會(huì)存在代表性不足，建議后續(xù)研究進(jìn)一步分析自然—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)的時(shí)空變化，進(jìn)而分析土壤保持功能變化的動(dòng)因。

5 結(jié) 論

2002—2014年甘肅白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能不斷增強(qiáng)，但空間格局變化不大。土壤保持功能在各土地利用類型、海拔、坡度及坡向上均有所提升，這種增強(qiáng)作用表現(xiàn)為隨海拔升高而減小，隨坡度增加而增加，這與各海拔、坡度段植被蓋度和人類活動(dòng)強(qiáng)度強(qiáng)弱的改變有關(guān)。

所選因子中，降水量變化是該流域土壤保持功能變化的主要因素，其與農(nóng)作物單產(chǎn)變化、土地利用類型變化分別交互后影響較大。表明人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)的有效管控，干擾程度的降低，植被覆蓋度的增加等有助于提高流域土壤保持功能。

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