基于RWEQ模型的內(nèi)蒙古高原土壤風(fēng)蝕研究

遲文峰 ，白文科，劉正佳，黨曉宏，匡文慧*

中國北方生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重，水土流失、沙漠化等生態(tài)系統(tǒng)問題突出，威脅著國家生態(tài)安全。在生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重的情況下，中國政府于1998年后陸續(xù)啟動(dòng)了一系列旨在保護(hù)環(huán)境，遏制生態(tài)持續(xù)退化的三北防護(hù)林、退牧還草、退耕還林還草等重大工程。隨著聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估計(jì)劃（MA）和一系列生態(tài)評(píng)估工作在全球范圍的廣泛開展（Capistrano et al.，2005），生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能已成為重大生態(tài)工程評(píng)估的理論依據(jù)和重要指標(biāo)（Feng et al.，2016；傅伯杰等，2017）。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究是當(dāng)前國際生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的前沿課題（傅伯杰等，2017），而土壤風(fēng)蝕作為中國北方生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)功能的研究?jī)?nèi)容之一，既是氣候變化的響應(yīng)者，同時(shí)也對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?，是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)脆弱評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)（Fu et al.，2013；江凌等，2016）。因此，揭示內(nèi)蒙古高原土壤風(fēng)蝕時(shí)空演變特征及其歸因就顯得尤為重要和迫切。

中國北方氣候呈暖干趨勢(shì)，土地利用活動(dòng)主要以土地開墾、草地連續(xù)高強(qiáng)度放牧為特征，伴隨而來的是土壤侵蝕加劇、草地退化、土地沙化、沙地活化，土壤保持服務(wù)功能逐年下降；但隨著生態(tài)恢復(fù)工程及人類干預(yù)活動(dòng)等影響，地表植被覆蓋度有所提高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有了明顯改善。已有研究指出，過去30年中國北方地區(qū)土地利用、覆被變化（LUCC）及植被覆蓋變化顯著，土壤風(fēng)蝕已得到了有效緩解（Liu et al.，2008；劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2014）。通過數(shù)據(jù)模型反演、地面觀測(cè)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)挖掘，開展區(qū)域大尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的土壤風(fēng)蝕變化監(jiān)測(cè)，快速獲取中國北方生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)功能變化的相關(guān)知識(shí)，及時(shí)提出國土開發(fā)和氣候變化適應(yīng)性的宏觀策略對(duì)國家生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義（Herrick et al.，2012；Jin et al.，2013；Feng et al.，2016；Wang et al.，2016）。

內(nèi)蒙古高原作為中國北方生態(tài)屏障的重要組成地理單元，是中國生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱的敏感帶（林長(zhǎng)存等，2016），受脆弱的自然環(huán)境、人類不合理的土地利用活動(dòng)等因素的綜合影響，表現(xiàn)出了土地沙化、荒漠化及土壤風(fēng)蝕等一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題（汪芳甜等，2015）。中國1/3面積的沙漠和沙地分布于內(nèi)蒙古高原（肖洪浪等，1999；董光榮等，1999），大面積的沙源和高頻發(fā)的大風(fēng)使內(nèi)蒙古高原土壤風(fēng)蝕過程加劇。土壤風(fēng)蝕是干旱與半干旱地區(qū)廣泛存在的嚴(yán)重環(huán)境問題之一（Buschiazzo et al.，2008），內(nèi)蒙古高原表現(xiàn)最為突出（江凌等，2016）。土壤風(fēng)蝕導(dǎo)致的土地沙漠化和土地退化導(dǎo)致土壤的生產(chǎn)力降低，削弱了土壤保持服務(wù)功能（Callot et al.，2000；Pimentel et al.，1998），嚴(yán)重威脅區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、糧食安全和人類福祉（Luca，2015）。基于此，利用長(zhǎng)時(shí)間序列土壤風(fēng)蝕模數(shù)數(shù)據(jù)集，分析20世紀(jì)90年代以來內(nèi)蒙古高原土壤風(fēng)蝕變化格局的異同，揭示1990—2015年內(nèi)蒙古高原土壤風(fēng)蝕變化的主要特征及影響因素，了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化特征，評(píng)價(jià)生態(tài)工程成效，對(duì)促進(jìn)地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古高原位于中國北部，是中國的第二大高原，東起大興安嶺和蘇克斜魯山，西至馬鬃山，南界祁連山麓和長(zhǎng)城，北接蒙古人民共和國，介于北緯 36o16′～52o99′，東經(jīng) 92o68′～125o83′。研究區(qū)面積約1.25×106km2，共涉及133個(gè)縣域。結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)（劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2014）、水土保持區(qū)劃（趙巖等，2013）、氣候區(qū)劃（鄭景云等，2010）、生態(tài)區(qū)劃（謝高地等，2012）、地貌區(qū)劃（李炳元等，2013）等將本研究區(qū)劃分為東部（圖1a）、中部（圖1b）、西部區(qū)域（圖1c）。研究區(qū)平均海拔約1000 m，屬于干旱與半干旱氣候；以草地生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)為主體，分別占土地面積的 40.34%和30.24%。

1.2 模型方法與數(shù)據(jù)

1.2.1 RWEQ 模型及防風(fēng)固沙功能物質(zhì)量估算方法

防風(fēng)固沙服務(wù)功能是指在地表無植被（裸土）狀況下的土壤風(fēng)蝕量與植被覆蓋條件下的土壤風(fēng)蝕量的差值，是內(nèi)蒙古高原土壤保持服務(wù)功能的重要表現(xiàn)形式（鞏國麗等，2014；江凌等，2016）。土壤風(fēng)蝕是特定空間區(qū)位上多因素共同作用的結(jié)果，主要包括氣候因素（風(fēng)、風(fēng)向、降水、積雪、濕度等），植被（植被類型、植被覆蓋），土壤性狀（理化性狀等），土地利用、覆蓋結(jié)構(gòu)，地形與地貌等要素交互作用，是大氣（氣流）與土壤界面相互作用機(jī)制的連續(xù)動(dòng)力學(xué)過程。本研究采用RWEQ（Revised Wind Erosion Equation）模型（Fryrear et al.，1994；Fryrear et al.，2000），融合內(nèi)蒙古高原多源數(shù)據(jù)估算生態(tài)系統(tǒng)潛在風(fēng)蝕SQ和實(shí)際土壤風(fēng)蝕量SL，以兩者之差G代表防風(fēng)固沙服務(wù)功能的變化量。在充分考慮不同時(shí)間尺度下氣候條件、植被、土壤特性、粗糙度等要素的狀況下，結(jié)合地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)，RWEQ模型可較好地定量評(píng)估土壤侵蝕模數(shù)，模型基本形式（郭中領(lǐng)，2012；鞏國麗等，2014；江凌等，2016；Oro et al.，2016）為：

圖1 研究區(qū)概況及氣象站點(diǎn)分布Fig. 1 Study area and the distribution of meteorological station

式中，G 為防風(fēng)固沙量(t·hm-2·a-1)；SQ為潛在風(fēng)蝕量(t·hm-2·a-1)；SL為實(shí)際土壤風(fēng)蝕量(t·hm-2·a-1)；Qmax_Q為潛在轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg·m-1)；S為關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度（m）（Fryrear et al.，2000；Gong et al.，2014；江凌等，2016）；z為下風(fēng)向最大風(fēng)蝕出現(xiàn)距離（m）（Gong et al.，2014；江凌等，2015）；WF為氣候因子(kg·m-1)；EF為土壤可蝕性因子；SCF為土壤結(jié)皮因子；K′地表粗糙度因子；COG植被因子（生長(zhǎng)植被、枯萎植被、農(nóng)作物及其他植被殘茬）。

（1）氣象因子WF，即風(fēng)速、溫度、降水、雪蓋因子等多氣象因子對(duì)土壤風(fēng)蝕綜合作用（Bilbro et al.，1994），公式如下：

式中，WF為氣象因子（kg·m-1）；U2為2 m處風(fēng)速（m·s-1）；Ut為 t m處風(fēng)速（m·s-1），假定為 5 m·s-1）（Gong et al.，2014）；ρ為空氣密度（kg·m-3）；EL為海拔高度（km）；T為絕對(duì)溫度（K）；N和 Nd分別代表風(fēng)速和實(shí)驗(yàn)的天數(shù)；SW為土壤濕度因子（無量綱）；ETp為潛在相對(duì)蒸發(fā)量（mm）（Samani et al.，1986）；R 為降雨量（mm）；I為灌溉量（mm）；Rd為降雨或灌溉天數(shù)；Nd2為各月風(fēng)速大于5 m·s-1天數(shù)；SR為太陽輻射總量(cal·cm-2)（Allen et al.，1998）；DT 為平均溫度（℃）；SD為雪蓋因子；Hsnow為雪覆蓋深度（mm）。

氣象因子數(shù)據(jù)通過中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)獲取，要素包括日均降水、氣溫、日照數(shù)、風(fēng)速（http://cdc.cma.gov.cn/home.do）等，采用ANUSPLIN軟件對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列進(jìn)行插值處理；雪蓋因子利用中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://westdc.westgis.ac.cn）下載的中國雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集來計(jì)算。

（2）土壤可蝕性因子（EF）是土壤理化、機(jī)械組成等因素下作用土壤風(fēng)蝕（Skidmore et al.，1990），公式如下：

式中，EF為土壤可蝕性因子（無量綱）；Sa為土壤粗砂含量（%）；Si為土壤粉砂含量（%）；Cl為土壤粘粒含量（%）；OM為有機(jī)質(zhì)含量（%）；CaCO3為碳酸鈣含量（%）。土壤類型、有機(jī)質(zhì)含量、砂粒和粘粒含量數(shù)據(jù)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://westdc.westgis.ac.cn）提供的 1?100萬土壤圖及所附土壤屬性（Wei et al.，2012）；CaCO3來自于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://www.geodata.cn）的1?400萬土壤碳酸鈣含量數(shù)據(jù)。

（3）土壤結(jié)皮因子SCF表征土壤表層的堅(jiān)硬結(jié)皮有效抵抗風(fēng)蝕能力的大小（Hagen et al.，1992），公式如下：

式中，CL為土壤粘粒含量（%）；OM為有機(jī)質(zhì)含量（%）。

（4）植被因子COG表示一定植被覆蓋條件下對(duì)土壤風(fēng)蝕的抑制程度（Bilbro et al.，1994），公式如下：

式中，SC為植被覆蓋度（%）。

植被因子主要根據(jù)土地利用、覆蓋數(shù)據(jù)和NDVI數(shù)據(jù)綜合處理獲取，NDVI數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局網(wǎng)站（NASA: https://ecocast.arc.nasa.gov）。

（5）地表粗糙度因子K′是由地形引起的土地表面粗糙程度對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響（Bilbro et al.，1994），公式如下：

式中，Crr為隨機(jī)粗糙度因子（cm）；Kr為地形粗糙度因子（cm）；L為地勢(shì)起伏參數(shù)；ΔH為離L范圍內(nèi)的海拔高程差（m）。

1.2.2 土地利用、覆蓋數(shù)據(jù)及參數(shù)修正

本研究土地利用、覆蓋數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院應(yīng)用覆蓋全國的Landsat MSS/TM/ETM/OLI8遙感影像發(fā)展的1990年、2000年、2010年、2015年數(shù)據(jù)集，并提取不同時(shí)期動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)綜合精度達(dá) 91.2%（Zhang et al.，2014；劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2014）。為了使 RWEQ模擬結(jié)果更趨近于內(nèi)蒙古高原下墊面真實(shí)狀況，提高模型模擬精度，將各時(shí)期（1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年）耕地、林地、草地等22類土地利用、覆蓋類型面積比例處理到1 km×1 km柵格上（圖2a），將土壤風(fēng)蝕植被因子、地表粗糙度因子等計(jì)算到每個(gè)參數(shù)圖層中，并以加權(quán)方式獲取土地覆蓋因子參與計(jì)算下的土壤風(fēng)蝕綜合影響因子。

式中，M代表參與計(jì)算的土地利用、覆蓋類型結(jié)構(gòu)的影響因子；LUCn為各土地利用、覆蓋類型公里格網(wǎng)面積成分?jǐn)?shù)據(jù)；xn為土壤風(fēng)蝕計(jì)算因子。

本文利用野外直尺測(cè)定方法（張勝賓等，2016）測(cè)定不同植被覆蓋類型的地表粗糙度（圖2b），并將野外實(shí)際測(cè)算值賦值于土地利用、覆蓋類型數(shù)據(jù)（式18）。植被在不同季節(jié)反映了不同的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)土壤風(fēng)蝕過程影響不同，不同作物及土地利用、覆蓋類型對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響程度差異較大；本文充分考慮了不同季節(jié)的植被特征，設(shè)定枯萎植被、直立殘茬、生長(zhǎng)植被等不同的計(jì)算模式，綜合土地利用、覆蓋數(shù)據(jù)，野外觀測(cè)數(shù)據(jù)與植被覆蓋度遙感數(shù)據(jù)加權(quán)估算不同季節(jié)枯萎植被地表覆蓋率（圖 2c和圖2d），利用回歸方程對(duì)不同時(shí)間分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理。野外和室內(nèi)的土壤風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)主要包括風(fēng)洞試驗(yàn)、插釬法、土壤剖面分析、剖面粒度分析、137Cs測(cè)定、集沙儀測(cè)定法等，本研究基于RWEQ模型模擬的土壤風(fēng)蝕模數(shù)采用已有137Cs樣點(diǎn)采樣監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 RWEQ 模型精度驗(yàn)證

圖2 土壤風(fēng)蝕模型參數(shù)野外采樣與精度驗(yàn)證Fig. 2 Parameter field sampling and accuracy verification of soil wind erosion model

本研究基于RWEQ模型在內(nèi)蒙古高原區(qū)域尺度進(jìn)行了土壤風(fēng)蝕模數(shù)反演，為驗(yàn)證模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，收集了已有的在內(nèi)蒙古高原以137Cs法推算土壤風(fēng)蝕模數(shù)的研究成果（劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2007；嚴(yán)平等，2000；齊永青，2008），并與本研究反演成果進(jìn)行對(duì)比（表1）。結(jié)果顯示，模型反演結(jié)果與野外監(jiān)測(cè)成果顯示了較好的擬合性（R2=0.83，P＜0.01），說明 RWEQ 模型在區(qū)域尺度上具有理論可行性。然而，運(yùn)用該模型進(jìn)行大范圍研究需根據(jù)不同的自然地理?xiàng)l件和土地利用、覆蓋開展長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)工作，不斷根據(jù)野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正和調(diào)整，以提高RWEQ模型的準(zhǔn)確性。

表1 模型模擬驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison results of the model with measurement

2.2 土壤風(fēng)蝕時(shí)間變化特征

基于RWEQ模型獲取內(nèi)蒙古高原區(qū)域1990—2015年土壤風(fēng)蝕模數(shù)。研究表明，20世紀(jì)90年代以來，土壤風(fēng)蝕模數(shù)總體呈下降趨勢(shì)（Slope1990—2015=-0.34 t·hm-2·a-1），從 1990 年的 34.76 t·hm-2·a-1下降到 2015 年 27.68 t·hm-2·a-1，年變化波動(dòng)較大。以2000年為節(jié)點(diǎn)，表現(xiàn)出先增加后降低的態(tài)勢(shì)，1990—2000年土壤風(fēng)蝕模數(shù)呈增加趨勢(shì)（Slope1990—2000=0.41 t·hm-2·a-1），2001—2015 年土壤風(fēng)蝕模數(shù)呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)（Slope2001—2015=0.87 t·hm-2·a-1，P＜0.05）。這一現(xiàn)象表明，隨著 1998年生態(tài)退耕政策的實(shí)施，土壤風(fēng)蝕得到有效抑制（圖3）。

2.3 土壤風(fēng)蝕空間變化特征

20世紀(jì)90年代以來，研究區(qū)土壤風(fēng)蝕模數(shù)空間分布特征基本不變，土壤風(fēng)蝕模數(shù)總體呈下降趨勢(shì)。2000—2015年，研究區(qū)87.85%的區(qū)域土壤風(fēng)蝕模數(shù)呈下降態(tài)勢(shì)，局部區(qū)域土壤風(fēng)蝕量降低幅度較大。依據(jù)水利部《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007）風(fēng)蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了風(fēng)蝕強(qiáng)度分級(jí)（圖 4），中度以上土壤風(fēng)蝕發(fā)生面積減少4.73×104km2，侵蝕面積隨強(qiáng)度的增加而減小，土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度向微度和輕度轉(zhuǎn)變?？臻g變化上，西部區(qū)（圖1c）土壤風(fēng)蝕得到有效抑制，土壤風(fēng)蝕模數(shù)從 86.92 t·hm-2·a-1降低到 59.46 t·hm-2·a-1；中部（圖1b）土壤風(fēng)蝕量明顯減少，土壤風(fēng)蝕模數(shù)降低了14.68 t·hm-2·a-1；東部（圖 1a）空間變化不明顯。內(nèi)蒙古高原西部以荒漠生態(tài)系統(tǒng)為主，植被覆蓋狀況較差，該區(qū)域分布的植被類型主要為荒漠與荒漠化草原；中部河套平原與典型草原土壤風(fēng)蝕減少明顯，人類干預(yù)恢復(fù)生態(tài)作用（農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)）明顯；同時(shí)，受降水、土壤、地形、資源開發(fā)等綜合因素的影響，中部局地區(qū)域土壤風(fēng)蝕呈增加趨勢(shì)，資源開發(fā)造成生態(tài)破壞尤為突出；東部區(qū)以森林生態(tài)系統(tǒng)為主，一些地區(qū)屬于典型草原向草甸草原過渡，植被長(zhǎng)勢(shì)良好，東部區(qū)域土壤風(fēng)蝕不明顯（圖4）。

圖3 內(nèi)蒙古高原1990—2015年土壤風(fēng)蝕模數(shù)變化統(tǒng)計(jì)Fig. 3 The soil wind erosion changes of Inner Mongolia plateau in 1990—2015

圖4 內(nèi)蒙古高原1990—2015年土壤風(fēng)蝕模數(shù)空間分布Fig. 4 The spatial distribution of soil wind erosion in Inner Mongolia plateau in 1990—2015

2.4 土壤風(fēng)蝕變化的因素分析

2.4.1 氣象因子分析

基于 RWEQ模型分析可知，氣象因子是影響土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的主要因素之一。內(nèi)蒙古高原地處干旱與半干旱區(qū)域，生態(tài)環(huán)境脆弱。風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度從物理動(dòng)力學(xué)角度影響風(fēng)沙的起降，風(fēng)速和沙塵暴是沙漠化的動(dòng)力（陸均天等，2003；殷海軍，2007）。本研究利用 69個(gè)氣象站點(diǎn)記錄的沙塵暴起止時(shí)間核算每一個(gè)站點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間，以年為單位統(tǒng)計(jì)每個(gè)站點(diǎn)發(fā)生沙塵暴的平均次數(shù)（圖5a）。通過研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古高原沙塵暴頻數(shù)呈下降趨勢(shì)，且沙塵暴最大風(fēng)速下降明顯，沙塵暴發(fā)生頻次與土壤風(fēng)蝕模數(shù)變化趨勢(shì)相關(guān)（R2=0.78，P＜0.05）；2001年沙塵暴發(fā)生頻率出現(xiàn)峰值，2006年達(dá)到第二次波峰，變化規(guī)律與土壤風(fēng)蝕模數(shù)一致。風(fēng)速作為土壤風(fēng)蝕模型直接參與計(jì)算的氣候驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，直接影響土壤侵蝕量強(qiáng)弱；內(nèi)蒙古高原1990—2015年平均風(fēng)速為2.91 m·s-1，研究區(qū)年平均風(fēng)速呈顯著（R2=0.58，P＜0.001）下降趨勢(shì)（圖5b），平均風(fēng)速與土壤風(fēng)蝕模數(shù)變化呈顯著相關(guān)（P＜0.001）。

圖5 內(nèi)蒙古高原1980—2008年沙塵暴頻數(shù)統(tǒng)計(jì)及1990—2015年平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)Fig. 5 The sandstorm frequency in 1980—2008 and average wind speed of Inner Mongolia Plateau in 1990—2015

2.4.2 土地利用、覆蓋變化對(duì)防風(fēng)固沙的作用

2000—2015年，研究區(qū)土地利用、覆蓋變化主要特點(diǎn)是城市擴(kuò)張、林地增加和草地與水體資源減少；耕地面積總量略微增長(zhǎng)，主要表現(xiàn)為耕地空間上的劇烈更替，耕地主體轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地以及退耕為林灌草等類型；林地面積得到一定程度的增加，荒漠總面積減少；草地主要表現(xiàn)為不同覆蓋度類型內(nèi)部轉(zhuǎn)化劇烈，受礦產(chǎn)開發(fā)、城市擴(kuò)張、干旱等因素影響導(dǎo)致區(qū)域草地面積減少（表2）。

內(nèi)蒙古高原土壤風(fēng)蝕發(fā)生了較為顯著的變化，防風(fēng)固沙服務(wù)功能量較 15年前增長(zhǎng)了 25.49%，2015年達(dá)到89.42×108t；荒漠周邊及植被低覆蓋區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能顯著提升，植被恢復(fù)對(duì)防風(fēng)固沙具有重要的作用（圖6）。土地利用、覆蓋變化導(dǎo)致區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能量總體增加 0.14×108t。影響防風(fēng)固沙服務(wù)功能的土地利用、覆蓋類型轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在林灌草等類型與耕地、沙地、建設(shè)用地之間；生態(tài)退耕、荒漠化治理與防治、草地覆蓋度提高等轉(zhuǎn)換方式在防風(fēng)固沙服務(wù)功能量的提升中的貢獻(xiàn)率為 90.62%；中、低覆蓋度草地、旱地等土地利用類型在向林地轉(zhuǎn)換的過程中，固沙能力有所降低（表3）。綜合而言，植被覆蓋是有效抑制土壤風(fēng)蝕，提升防風(fēng)固沙服務(wù)功能的有效途徑。

表2 內(nèi)蒙古高原2000—2015年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Transferring matrix of land use type in Inner Mongolia in 2000—2015

圖6 典型區(qū)人為擾動(dòng)對(duì)防風(fēng)固沙量的影響特征Fig. 6 The influence of perturbation on the amount of Sand Fix function in the typical area

2.4.3 人為擾動(dòng)對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響

內(nèi)蒙古高原地處農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，人為擾動(dòng)集中體現(xiàn)在耕地與林地、草地的動(dòng)態(tài)變化，濫墾會(huì)加劇農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土壤風(fēng)蝕過程，植被恢復(fù)有效抑制土壤風(fēng)蝕（圖6a）；過度放牧對(duì)內(nèi)蒙古高原土地沙化的形成具有重要的影響，開展禁牧是有效恢復(fù)植被覆蓋的重要形式（圖6b）；獨(dú)立工礦開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞，露天礦對(duì)植被覆蓋的破壞尤其嚴(yán)重，可加劇土壤風(fēng)蝕（圖6e和圖6f）。基于遙感監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，近15年，研究區(qū)沙地面積呈縮減趨勢(shì)，2015年較2000年縮減了676.44 km2（劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2014；寧佳等，2018），在沙漠治理工程建設(shè)的作用下，土壤風(fēng)蝕在區(qū)域尺度上也得到了緩解（圖6c和圖6d），內(nèi)蒙古高原沙地治理以植被恢復(fù)建設(shè)、草方格沙障等措施為主，其中草方格沙障措施在固定沙丘的同時(shí)，為植被的恢復(fù)奠定了基礎(chǔ)。

3 討論

土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度變化是諸多要素共同作用的結(jié)果，氣象因子、下墊面粗糙度、植被覆蓋、土壤含水量等因素制約著土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的差異（董光榮等，1999；江凌等，2015），土地利用、覆蓋變化是影響土壤風(fēng)蝕的重要因子。土地利用、覆蓋變化主要通過影響植被覆蓋、下墊面粗糙度和對(duì)氣流的阻抗等影響對(duì)地表的侵蝕作用。土地利用、覆蓋變化決定和影響植被蓋度、高度等因素，增加植被覆蓋可以有效增加空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，緩解氣流對(duì)地表的侵蝕作用，減少土壤風(fēng)蝕速率，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表土壤的保護(hù)（董治寶等，1996；張春來等，2003）。根據(jù)本研究區(qū)土地利用、覆蓋變化信息的提取與分析及其他相關(guān)研究成果（劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2014；江凌等，2016），內(nèi)蒙古高原自啟動(dòng)退耕還林（草）政策以來，植被覆蓋面積增加明顯，植被覆蓋狀況的改善是土壤風(fēng)蝕模數(shù)下降和防風(fēng)固沙服務(wù)功能量提升的主要原因（表3），在強(qiáng)人工干預(yù)的生態(tài)治理區(qū)效果顯尤其著（圖6）。

氣象因子是影響土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的另一個(gè)重要因素之一。研究表明，風(fēng)速變化是內(nèi)蒙古高原典型區(qū)土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度變化的最主要原因（高尚玉等，2012）。本研究西部區(qū)域土壤風(fēng)蝕模數(shù)高于中部與東部（圖1和圖4）。根據(jù)時(shí)空風(fēng)速累積數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，西部區(qū)域歷年臨界侵蝕風(fēng)速（Fryrear et al.，1994）以上各級(jí)風(fēng)速的累積時(shí)間明顯高于中部和東部，風(fēng)力等級(jí)高于疾風(fēng)（13·9 m·s-1）的累計(jì)時(shí)間最為明顯；土壤風(fēng)蝕模數(shù)變化波動(dòng)與風(fēng)速變化波動(dòng)一致性較高（圖5）。因此，在植被蓋度沒有明顯提高的情況下，風(fēng)力的增強(qiáng)會(huì)加劇土壤風(fēng)蝕作用，并超過植被蓋度的提高對(duì)土壤風(fēng)蝕的削弱作用。

本研究重點(diǎn)分析內(nèi)蒙古高原土壤風(fēng)蝕時(shí)空格局變化，在土壤風(fēng)蝕防治措施方面未進(jìn)行深入分析，土壤風(fēng)蝕防治對(duì)防風(fēng)固沙服務(wù)功能及生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要的意義。同時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同程度荒漠化，尤其是不同大面積沙地區(qū)域開展防風(fēng)固沙功能區(qū)劃，摸清潛在風(fēng)蝕、正在風(fēng)蝕、風(fēng)蝕治理區(qū)域；深入開展野外調(diào)查，分析生物與工程措施作用，構(gòu)建區(qū)域防風(fēng)固沙對(duì)策體系。如何分離氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)土壤風(fēng)蝕量變化的影響依然是亟待解決的科學(xué)問題。此外，本文僅關(guān)注了氣候變化對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響，然而土壤風(fēng)蝕變化對(duì)局地氣候的反饋機(jī)制也是環(huán)境效應(yīng)研究的重要內(nèi)容，需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）本研究利用高精度土地利用、覆蓋數(shù)據(jù)改進(jìn)模型參數(shù)，利用該研究區(qū)已有137Cs示蹤技術(shù)監(jiān)測(cè)成果對(duì) RWEQ模型反演的土壤風(fēng)蝕模數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明兩種結(jié)果具有較好的擬合性（R2=0.83，P＜0.01），說明 RWEQ模型在區(qū)域尺度上具有理論可行性。

表3 不同土地利用轉(zhuǎn)變類型固沙物質(zhì)量變化及其占比Table 3 The change amount and rate of sand fixation in different land use transformation types

（2）1990—2015年，內(nèi)蒙古高原土壤風(fēng)蝕模數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，期間波動(dòng)較大，即 1990—2000年土壤風(fēng)蝕模數(shù)呈增加態(tài)勢(shì)，2001—2015年土壤風(fēng)蝕模數(shù)呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)。

（3）研究期內(nèi)，中度以上土壤風(fēng)蝕發(fā)生面積減少4.73×104km2，侵蝕面積隨強(qiáng)度的增加而減??；空間變化上，西部區(qū)土壤風(fēng)蝕得到有效抑制，土壤風(fēng)蝕模數(shù)從 86.92 t·hm-2·a-1降低到 59.46 t·hm-2·a-1，中部土壤風(fēng)蝕量明顯減少，土壤風(fēng)蝕模數(shù)降低了14.68 t·hm-2·a-1，東部空間變化不明顯。

（4）在影響因素中，氣象因子是內(nèi)蒙古高原土壤風(fēng)蝕模數(shù)降低的重要因素，極端天氣沙塵暴次數(shù)、年平均風(fēng)速與土壤風(fēng)蝕模數(shù)變化顯著相關(guān)（P＜0.001）；退耕還林灌草等土地利用、覆蓋變化對(duì)降低土壤風(fēng)蝕模數(shù)，提高區(qū)域防風(fēng)固沙功能具有關(guān)鍵作用。

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