基于InVEST模型的門頭溝區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能研究

劉曉娜, 裴 廈, 陳 龍, 劉春蘭

(北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 國(guó)家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心, 北京 100037)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)學(xué)和地理學(xué)的研究前沿和熱點(diǎn)，是人類賴以生存和發(fā)展的資源與環(huán)境基礎(chǔ)，是將自然過(guò)程與人文過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的橋梁和紐帶[1-3]。土地利用與土地覆被變化(LUCC)通過(guò)改變生態(tài)系統(tǒng)類型、格局以及生態(tài)過(guò)程直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的重要驅(qū)動(dòng)力[4-5]，定量評(píng)估LUCC與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化之間的關(guān)系成為當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[6-8]。

土壤保持功能是指森林、草地等地表植被具有防止與減少土壤侵蝕的功能，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組分，對(duì)于土壤形成、涵養(yǎng)水源、防土固沙以及減少水土流失具有重要意義[1]。目前對(duì)土壤保持功能的研究主要是采用通用土壤流失方程(USLE)[9-10]，但USLE模型并未考慮地塊自身攔截上游沉積物的能力，通過(guò)USLE模型計(jì)算的土壤保持量存在一定的問(wèn)題[11]。隨著"3S"技術(shù)的快速發(fā)展，基于USLE和GIS的模型方法也相應(yīng)的產(chǎn)生[12-14]，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化和權(quán)衡得失綜合評(píng)價(jià)模型(InVEST)，在USLE模型基礎(chǔ)上考慮了地塊自身攔截上游沉積物能力，并加入了水庫(kù)數(shù)據(jù)，使土壤保持功能評(píng)估的合理性和準(zhǔn)確性均得到提升[11,15]。目前，InVEST模型在土壤保持功能方面相對(duì)成熟，不僅促進(jìn)了區(qū)域尺度土壤保持功能的量化研究，也使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合管理和決策有了堅(jiān)實(shí)的保障。

門頭溝區(qū)是距離北京市城區(qū)最近、植被覆蓋度最高的區(qū)域，對(duì)于減少下游地區(qū)河流淤積、防止風(fēng)沙危害等具有重要作用[16]。歷史上以煤礦工業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向?qū)ζ渖鷳B(tài)環(huán)境打擊沉重，作為首都西部生態(tài)安全屏障和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)，自2005年以來(lái)實(shí)施生態(tài)林補(bǔ)償、礦山修復(fù)等生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)工程，LUCC、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與類型變化以及生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能受到諸多學(xué)者的關(guān)注[17-18]。韓永偉等[16]利用USLE和風(fēng)力侵蝕模型得出門頭溝生態(tài)系統(tǒng)每年可以減少土壤的水蝕量為14.93萬(wàn)t/a，風(fēng)蝕量為2 254.38萬(wàn)t/a，植被覆蓋度高且坡度小的地區(qū)土壤保持能力最強(qiáng)。馮朝陽(yáng)等[19]采用USLE模型發(fā)現(xiàn)門頭溝區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持量為15.7萬(wàn)t/a。周彬等[20]應(yīng)用InVEST模型對(duì)北京山區(qū)不同森林類型土壤侵蝕進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)北京山區(qū)林地下總的土壤侵蝕量為176萬(wàn)t，平均保持土壤能力為220 t/hm2。黃從紅[18]采用InVEST模型計(jì)算2002年和2011年門頭溝區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持量分別為1.64億t和1.65億t，平均土壤保持能力為1 135.19 t/hm2，1 141.44 t/hm2。已有研究鮮少關(guān)注LUCC與土壤保持功能時(shí)空變化的關(guān)系，模型中關(guān)于植被與經(jīng)營(yíng)管理因子的獲取，大多是通過(guò)查閱相關(guān)研究資料和文獻(xiàn)對(duì)不同地類進(jìn)行直接賦值，無(wú)法體現(xiàn)植被覆蓋度的時(shí)空變化分異特征，在土壤保持量的研究中均未提及對(duì)地塊自身泥沙持留量的計(jì)算，且大多研究?jī)H為單一時(shí)間尺度，缺少較高空間尺度的土壤保持功能時(shí)空變化研究。

開展門頭溝區(qū)的土壤保持功能的研究，不僅有益于門頭溝區(qū)防土固沙而且也對(duì)整個(gè)北京的生態(tài)效益的研究至關(guān)重要。本研究基于Landsat TM/OLI和HJ-1 CCD遙感影像，分析北京市門頭溝區(qū)自實(shí)施生態(tài)修復(fù)工程以來(lái)，2005—2013年的土地利用與土地覆被的結(jié)構(gòu)、類型與空間變化特征；在此基礎(chǔ)上，采用InVEST模型對(duì)研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能進(jìn)行定量的分析和動(dòng)態(tài)評(píng)估，探析LUCC對(duì)土壤保持功能的影響，發(fā)現(xiàn)并揭示土壤保持功能的變化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因素，為門頭溝區(qū)水土保持研究、綜合生態(tài)管理以及生態(tài)恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支持與決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

門頭溝區(qū)位于北京城區(qū)正西偏南，東經(jīng)115°25′00″—116°10′07″，北緯39°48′34″—40°10′37″，總面積為1 450 km2，海拔為50～2 303 m，山地面積占98.5%，是北京市唯一的純山區(qū)，下轄4個(gè)街道、3個(gè)地區(qū)、9個(gè)鎮(zhèn)。門頭溝區(qū)屬中緯度大陸性季風(fēng)氣候，降水量自東向西逐漸減少，受中緯度大氣環(huán)流的不穩(wěn)定和季風(fēng)影響，降水量年際變化大，2013年門頭溝區(qū)平均降雨量為469.3 mm，多年平均為528.70 mm。

北京市2010—2012年開展的第一次水務(wù)普查顯示[21]，門頭溝區(qū)的土壤侵蝕面積為396.44 km2，占北京市土壤侵蝕面積的12.38%，侵蝕類型主要是水力侵蝕，較2000年全國(guó)第三次土壤侵蝕遙感調(diào)查的減少了362.59 km2，說(shuō)明近年來(lái)開展的水土保持與生態(tài)環(huán)境建設(shè)卓有成效。根據(jù)2005—2013年《北京市水土保持公報(bào)》(2005年為《北京市水土流失監(jiān)測(cè)報(bào)告》)公布數(shù)據(jù)顯示，北京山區(qū)坡地土壤流失量由2005年的248.3萬(wàn)t增加到2013年的483.07萬(wàn)t，門頭溝區(qū)的土壤流失量也增加了近35萬(wàn)t，土壤流失量總體呈增加趨勢(shì)，土壤侵蝕問(wèn)題仍較為嚴(yán)重(圖1)。門頭溝區(qū)作為北京市西部安全屏障和北京市唯一生態(tài)修復(fù)科技試驗(yàn)區(qū)，自2005年以來(lái)實(shí)施了一系列封山育林、礦山修復(fù)、生態(tài)小流域綜合治理、京津風(fēng)沙源治理等生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)工程，截止到2013年，區(qū)內(nèi)林木綠化率達(dá)到了62.5%，森林覆蓋率達(dá)到了41%[22]，植被覆蓋度和植被質(zhì)量顯著提高，區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境獲得了極大改善。

1.2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

本研究主要基于Landsat TM/OLI和HJ-1 CCD遙感影像，通過(guò)采用決策樹分類方法，獲得2005年和2013年兩期的土地利用與土地覆被分類數(shù)據(jù)?？紤]到云蓋量和植被覆蓋度的要求，本研究主要采用秋季(9—10月)的影像。此外，為了獲得不同年份逐月的植被覆蓋度數(shù)據(jù)，2005年為L(zhǎng)andsat TM遙感影像，2013年遙感影像主要為HJ-1 CCD遙感影像，輔助Landsat OLI遙感影像，保證每月至少一景影像覆蓋。因Landsat系列數(shù)據(jù)重訪周期和影像質(zhì)量問(wèn)題，缺失月份影像可用上下年份相同月份的影像替代(表1)。

圖1 門頭溝區(qū)和北京山區(qū)土壤流失量年際變化表1 門頭溝區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)

借助門頭溝區(qū)2000年TM精校正遙感影像和2013年9月的野外采樣數(shù)據(jù)(圖2)，對(duì)2005年的Landsat TM和2013年Landsat OLI以及HJ-1 CCD遙感影像，采用立方卷積插值和多項(xiàng)式變換的校正方法，控制影像校正誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi)，并將UTM投影轉(zhuǎn)換成Albers等面積割圓錐投影?；贓NVI軟件平臺(tái)，采用FLAASH模型對(duì)2005年和2013年逐月的遙感影像進(jìn)行大氣校正，為反演歸一化植被指數(shù)和植被覆蓋度參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于從中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，空間分辨率30 m。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家氣象局，為2005年和2013年的月均降雨量數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，剔除不可替代的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，采用ArcGIS軟件提供的反距離插值方法，獲得空間分辨率為30 m的逐月降雨量和年均降雨量空間分布數(shù)據(jù)。土壤類型數(shù)據(jù)來(lái)源于北京市農(nóng)業(yè)局。

圖2 2013年野外采樣點(diǎn)

1.3 土地利用與土地覆被分類

根據(jù)門頭溝區(qū)的土地利用與土地覆被特征，同時(shí)考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)內(nèi)容以及Landsat TM/OLI和HJ-1 CCD的遙感影像的解譯能力，本研究所采用的土地利用與土地覆被分類體系主要參考《全國(guó)土地利用現(xiàn)狀分類》(2007年)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)分類體系，包括耕地、園地、草地、林地、建設(shè)用地、水域和未利用地7個(gè)地類?；贓NVI軟件平臺(tái)，結(jié)合2013年野外采樣數(shù)據(jù)和Google Earth高清影像，建立7種地類的訓(xùn)練樣本，每種地類至少50個(gè)樣本區(qū)。采用決策樹分類方法，獲得2005年和2013年的土地利用與土地覆被分類圖，分類精度分別為87.56%和89.23%，均可以滿足空間分析的要求(圖3)。

圖3 門頭溝區(qū)土地利用與土地覆被分類

1.4 模型原理與因子計(jì)算

沉積物保留模型(Sediment Delivery Ratio model)的土壤保持量包括土壤侵蝕減少量和泥沙持留量?jī)刹糠郑罢叻从掣鞯貕K對(duì)自身潛在侵蝕的減少，以潛在侵蝕與實(shí)際侵蝕的差表示；后者表示該地塊對(duì)進(jìn)入它的上坡來(lái)沙的持留，以來(lái)沙量與泥沙持留率的乘積表示[23]。模型計(jì)算公式如下：

SEDRETx=Rx×Kx×LSx×(1-Cx×Px)+SEDRx

(1)

(2)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(3)

式中：SEDRETx和SEDRx分別為柵格x的土壤保持量和泥沙持留量；USLEx和USLEy分別為柵格x及其上坡柵格y的實(shí)際土壤侵蝕量；Rx代表柵格x的降雨侵蝕力因子；Kx代表柵格x的土壤可蝕性因子；LSx代表柵格x的坡度坡長(zhǎng)因子；Cx代表柵格x的植被與經(jīng)營(yíng)管理因子；Px代表柵格x的水土保持措施因子；SEx代表柵格x的泥沙持留效率。

本研究采用Wischmeier等[9]提出的月尺度計(jì)算降雨侵蝕力(R)計(jì)算公式，獲得門頭溝區(qū)2005年和2013年降雨侵蝕力空間分布圖(圖4)。

(4)

式中：Yi為月平均降雨量(mm)；Y為年平均降水量(mm)。

考慮到本研究區(qū)的土壤可蝕性(K)已有專門的研究成果[20,24]，根據(jù)土壤數(shù)據(jù)中包含的土壤類別、名稱及其分布圖，將土壤類型與已有的K值關(guān)聯(lián)起來(lái)，獲得門頭溝區(qū)土壤可蝕性分布圖(圖5)。

由于InVEST模型原始的計(jì)算公式是在美國(guó)坡度較小的試驗(yàn)區(qū)上進(jìn)行測(cè)定，因此需要對(duì)坡度坡長(zhǎng)因子(LS)因子進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，參照已有研究成果，本研究將邊坡閾值設(shè)為25°[20]。

圖4 門頭溝區(qū)降雨侵蝕力因子

圖5 門頭溝區(qū)土壤可蝕性因子

當(dāng)坡度小于邊坡域值時(shí)，坡度坡長(zhǎng)的計(jì)算公式為：

(5)

(6)

當(dāng)坡度大于邊坡域值時(shí)，坡度坡長(zhǎng)的計(jì)算公式為：

LS=0.08β0.35s0.6

(7)

式中：Fa為匯水累積量閾值；Cs為柵格大小；s為坡度；n為與坡度有關(guān)的參數(shù)；β為根據(jù)流向確定的柵格大小值。

根據(jù)對(duì)已有的門頭溝區(qū)河流水系的現(xiàn)狀分析，基于干流全部提取、支流最多提取，同時(shí)考慮到各支流的匯水量情況，本文通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定匯水累積量閾值為10 000，經(jīng)過(guò)InVEST模型計(jì)算的門頭溝區(qū)坡度坡長(zhǎng)空間分布圖(圖6)。

本文采用蔡崇法等[25]的植被與經(jīng)營(yíng)管理因子(C)研究方法，反映植被或作物管理措施對(duì)土壤侵蝕量的影響。計(jì)算公式為：

(8)

fc=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

(9)

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred)

(10)

式中：C為植被與經(jīng)營(yíng)管理因子，其值介于0～1；當(dāng)C=0時(shí)表示土地表面的植被覆蓋度良好，土壤幾乎沒(méi)有受到侵蝕；當(dāng)C=1時(shí)表示土地表面是沒(méi)有植被覆蓋即完全裸露的。fc為植被覆蓋度；NDVI為植被歸一化指數(shù)；NDVIs為完全是裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIv為完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，在實(shí)際計(jì)算中，取NDVI最大值代替NDVIv和最小值代替NDVIs；ρred為遙感影像數(shù)據(jù)紅波段反射率，ρnir為遙感影像數(shù)據(jù)近紅外波段反射率。

圖6 門頭溝區(qū)坡度坡長(zhǎng)因子

本研究為獲得高精度的2005年和2013年的年植被覆蓋度數(shù)據(jù)，在獲得逐月植被覆蓋度的基礎(chǔ)上，采用最大值合成方法，獲得兩個(gè)年份的植被覆蓋度數(shù)據(jù)(圖7)。根據(jù)公式(8)計(jì)算獲得兩個(gè)年份的植被與經(jīng)營(yíng)管理因子(P)空間分布圖(圖8)，結(jié)合土地利用與土地覆被數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)不同地類的植被與經(jīng)營(yíng)管理因子(C)的平均值。

圖7 門頭溝區(qū)植被覆蓋度空間分布

土壤保持措施是指土地采取相應(yīng)的水土保持措施后的土壤侵蝕量與順坡種植時(shí)的土壤侵蝕量的比值(P)，其值介于0～1。當(dāng)P值為0時(shí)表示該區(qū)域土地表面采取了較好的水土保持措施，土壤幾乎不會(huì)受到侵蝕；當(dāng)P值為1時(shí)表示該區(qū)域土地表面沒(méi)有采取任何水土保持措施。本研究通過(guò)實(shí)地狀況以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料得到相應(yīng)P值[26]，耕地、園地、有林地、灌木林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地分別為0.4，0.7，1，1，1，0，0，1。

泥沙持留效率反映了侵蝕產(chǎn)生的泥沙在輸移過(guò)程中因植被過(guò)濾、攔截等作用而發(fā)生沉積的過(guò)程，被攔截泥沙比例越大，持留效率越高[23]。本研究參照InVEST模型數(shù)據(jù)庫(kù)獲得不同植被類型的泥沙持留效率。

圖8 門頭溝區(qū)植被與經(jīng)營(yíng)管理因子空間分布

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用與土地覆被變化分析

基于2005年和2013年兩期的土地利用與土地覆被分類數(shù)據(jù)，從數(shù)量變化、類型變化和空間變化3個(gè)尺度，分析門頭溝區(qū)自實(shí)施生態(tài)修復(fù)工程以來(lái)(2005年)，區(qū)域的土地利用與土地覆被變化特征，并分析其驅(qū)動(dòng)因素與驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

根據(jù)對(duì)門頭溝區(qū)土地利用與土地覆被結(jié)構(gòu)特征的分析(表2)，發(fā)現(xiàn)2005年和2013年，門頭溝區(qū)林地占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)的地位，是土地利用的基質(zhì)與最主要的土地覆被類型，面積比例占到89%以上，有林地與灌木林地的比重接近1.35∶1；建設(shè)用地、耕地和園地為主導(dǎo)的土地利用類型?；贏rcGIS的空間疊加分析，2005—2013年的土地利用與土地覆被類型和空間變化(表3)，發(fā)現(xiàn)門頭溝區(qū)耕地、灌木林地、水域和未利用地面積呈減少趨勢(shì)，園地、有林地、草地、建設(shè)用地呈增加趨勢(shì)，其中耕地為減速最快的地類，園地為增速最快的地類；門頭溝區(qū)的土地利用動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中，存在著頻繁的地類間的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，耕地、園地、草地、水域轉(zhuǎn)化較為顯著，主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、園地和耕地；發(fā)生轉(zhuǎn)化的地類主要位于地勢(shì)平坦、交通便利、土壤質(zhì)量較高的地區(qū)。

具體來(lái)看，耕地面積急劇減少，是減少最明顯和減速最快的地類，結(jié)構(gòu)比重下降了1.1%，年均減少率為3.73%，主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、草地和園地，三者的轉(zhuǎn)移比重占總轉(zhuǎn)移比例的78.03%，減少的耕地主要位于清水鎮(zhèn)、齋堂鎮(zhèn)和雁翅鎮(zhèn)，主要轉(zhuǎn)為草地和園地，主要受退耕還林還草等政策影響；此外，永定鎮(zhèn)的耕地主要轉(zhuǎn)為草地，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)影響顯著。園地面積增加了679.06 hm2，是增速最快的地類，年均增長(zhǎng)率為5.97%，主要由耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)，貢獻(xiàn)率達(dá)到65.66%，新增園地主要位于雁翅鎮(zhèn)和清水鎮(zhèn)，形成了以龍泉?jiǎng)?wù)為主的香白杏產(chǎn)業(yè)帶、以東山、孟悟?yàn)橹鞯木┌桌娈a(chǎn)業(yè)帶、以潭柘寺和隴駕莊為主的蓋柿產(chǎn)業(yè)帶、以妙峰山櫻桃溝為主的櫻桃產(chǎn)業(yè)帶、邊遠(yuǎn)山區(qū)仁用杏核和薄皮核桃種植帶、以太子墓為主的蘋果種植帶，主要受溝域經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等政策的影響。林地面積減少了249.06 hm2，是減速最慢的地類，主要是由于灌木林地大面積的減少，有林地的增加主要來(lái)源于灌木林地和耕地，減少的灌木林地主要位于東部和南部地區(qū)，主要轉(zhuǎn)為有林地和建設(shè)用地，這主要是受生態(tài)公益林建設(shè)與改造、退耕還林等政策的影響。草地面積增加了400.21 hm2，增速僅次于園地，主要來(lái)源于耕地和建設(shè)用地，主要轉(zhuǎn)為耕地和林地，增加的草地主要位于齋堂鎮(zhèn)北部，主要是因?yàn)橥烁€林還草以及生態(tài)搬遷等政策影響。建設(shè)用地增加了837.70 hm2，遵從"一主一副兩重點(diǎn)"的城鎮(zhèn)發(fā)展模式，門頭溝區(qū)的建設(shè)用地主要集中在東部地區(qū)，主要由耕地轉(zhuǎn)變而來(lái)。

2.2 土壤保持功能評(píng)價(jià)與驅(qū)動(dòng)因子分析

采用InVEST模型中的土壤保持模塊，通過(guò)導(dǎo)入相關(guān)因子，獲得門頭溝區(qū)的2005年和2013年的現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量、潛在土壤侵蝕量及土壤保持量的數(shù)據(jù)(圖9)。在此基礎(chǔ)上，從土壤保持空間分布、土壤保持功能變化、不同土地利用與土地覆被類型的土壤保持能力3個(gè)尺度對(duì)比研究，分析門頭溝區(qū)自實(shí)施生態(tài)修復(fù)工程2005年以來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)土壤保持能力的變化規(guī)律與特征。

2.2.1 土壤保持量及其空間分布 2013年，門頭溝區(qū)生態(tài)系統(tǒng)平均現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量為7.46 t/(hm2·a)，平均潛在土壤侵蝕量為121.00 t/(hm2·a)，平均土壤保持量為113.56 t/(hm2·a)，土壤保持總量達(dá)到1 638.30萬(wàn)t。2005—2013年，門頭溝區(qū)土壤保持能力呈增加趨勢(shì)，8年間平均土壤保持能力提升了26.15 t/(hm2·a)，土壤保持總量增加了377.38萬(wàn)t，雖然受降雨侵蝕力增大影響，由2005年的2 395.25 (MJ·mm)/(hm2·h·a)增加到2013年的3 144.80 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，潛在土壤侵蝕總量增加了400.80萬(wàn)t，但由于植被覆蓋度和植被與經(jīng)營(yíng)管理措施的提高和改善，現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量較2005年的84.17萬(wàn)t，減少了23.42萬(wàn)t，水土保持措施初顯成效。

表2 門頭溝區(qū)土地利用與覆被類型的面積變化情況

表3 門頭溝區(qū)土地利用與土地覆被類型轉(zhuǎn)移概率矩陣 %

門頭溝區(qū)北部、南部、西部和東北地區(qū)多為海拔比較高的山地，其土地利用類型主要是林地和草地，而土壤保持量大小與林地的覆蓋率密切相關(guān)，林地覆蓋率高的區(qū)域的土壤保持量明顯高于其他地區(qū)的土壤保持量，所以這些地區(qū)土壤現(xiàn)實(shí)侵蝕量較小，土壤保持情況較好。中部、東南部地區(qū)地勢(shì)較為平坦，土地利用類型主要是耕地、園地和建設(shè)用地，這些地區(qū)土壤保持量較低，大力發(fā)展特色種植業(yè)以及“一主一副兩重點(diǎn)”的城鎮(zhèn)發(fā)展模式，因采取適當(dāng)?shù)闹脖唤?jīng)營(yíng)與管理工程措施，土壤保持能力相對(duì)較高。2005—2013年，西北部和東北部地區(qū)受植被覆蓋度顯著提高影響，土壤保持呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；西南地區(qū)在降雨侵蝕力減弱主導(dǎo)下，土壤保持呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；東部地區(qū)雖然降雨侵蝕力有所增強(qiáng)，但地類主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、耕地和園地等類型，因此總體土壤保持能力變化不大。

2.2.2 不同土地利用與土地覆被類型土壤保持能力 門頭溝區(qū)自2005年以來(lái)實(shí)施了多項(xiàng)生態(tài)修復(fù)工程，包括退耕還林、草等，促使大量耕地面積減少，并轉(zhuǎn)化為林地、草地；受北京山區(qū)發(fā)展溝域經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)，門頭溝區(qū)大力發(fā)展特色種植業(yè)，導(dǎo)致園地面積大量增加，從而使得其植被覆蓋度增加。不同的土地利用與土地覆被類型，受植被覆蓋度和面積變化的影響，土壤保持能力差異顯著。2013年，林地的單位面積土壤保持能力最高，達(dá)到121.36 t/(hm2·a)，其次是草地；水域的最低，僅為25.04 t/(hm2·a)；耕地和園地具有相似的土壤保持能力，介于42.20～43.20 t/(hm2·a)；單位面積土壤保持能力排序依然為：林地>草地>未利用地>建設(shè)用地>耕地>園地>水域(圖10)。2005—2013年，不同土地利用/覆被類型的單位面積土壤保持能力均呈增加趨勢(shì)，其中未利用地增速最快，水域增速最慢；耕地受面積減少顯著影響，土壤保持總量減少了2.57萬(wàn)t，其他地類的土壤保持總量均呈增加特征；雖然林地、水域、未利用地面積呈減少趨勢(shì)，但因3種地類的單位面積的土壤保持能力增長(zhǎng)顯著，因此其土壤保持總量均呈增加趨勢(shì)。

圖9 門頭溝區(qū)土壤保持量空間分布

圖10 門頭溝區(qū)不同土地利用類型土壤保持能力

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

由于模型中相關(guān)因子并不適合門頭溝的實(shí)際情況，因此本研究對(duì)InVEST模型相關(guān)參數(shù)與計(jì)算方法進(jìn)行了校正、檢驗(yàn)，使之適應(yīng)于門頭溝區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估。本研究?jī)H針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的土壤保持功能進(jìn)行了動(dòng)態(tài)評(píng)估，但自然生態(tài)系統(tǒng)供給的服務(wù)多種多樣，其他的服務(wù)功能如碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)、生物多樣性功能也同樣重要，未來(lái)有必要針對(duì)這些服務(wù)功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的全面了解。本研究只利用物質(zhì)量法計(jì)算了門頭溝區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能，并沒(méi)有進(jìn)一步計(jì)算它們的價(jià)值量。價(jià)值化后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能可以與生態(tài)系統(tǒng)提供的直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行對(duì)比，促使人們加大對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)力度，因此門頭溝區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持和價(jià)值量估算應(yīng)該成為后期研究中的重點(diǎn)。相對(duì)于過(guò)去，應(yīng)該更關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在未來(lái)的變化趨勢(shì)，有必要對(duì)未來(lái)門頭溝區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估。

3.2 結(jié) 論

(1) 門頭溝區(qū)景觀格局特征是林地為主導(dǎo)的土地覆被類型，建設(shè)用地、耕地和園地為主導(dǎo)的土地利用類型。2005—2013年，耕地、灌木林地、水域和未利用地面積呈減少趨勢(shì)，園地、有林地、草地、建設(shè)用地呈增加趨勢(shì)，其中耕地為減速最快的地類，園地為增速最快的地類；耕地、園地、草地、水域地類間的轉(zhuǎn)化較為顯著，主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、園地和耕地；發(fā)生轉(zhuǎn)化的地類主要位于地勢(shì)平坦、交通便利、土壤質(zhì)量較高的地區(qū)。生態(tài)公益林建設(shè)與改造、退耕還林還草、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)搬遷以及山區(qū)綠色生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等政策，是驅(qū)動(dòng)門頭溝區(qū)土地利用與土地覆被變化的主要因素。

(2) 2005—2013年，門頭溝區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持能力呈增加趨勢(shì)，8年間平均土壤保持能力提升了26.15 t/(hm2·a)，土壤保持總量增加了377.38萬(wàn)t，由于植被覆蓋度和植被與經(jīng)營(yíng)管理措施的提高和顯著改善，雖然降雨侵蝕力增加了749.55 MJ·mm/(hm2·h·a)，但現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量減少了23.42萬(wàn)t，自2005年以來(lái)實(shí)施生態(tài)修復(fù)與水土措施初顯成效。西北、東北部地區(qū)主要是林地和草地類型，植被覆蓋率提高顯著，土壤保持呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，西南地區(qū)主要受降雨侵蝕力減弱影響，土壤保持呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，東部地區(qū)則在降雨侵蝕力增強(qiáng)和土地利用與土地覆被類型快速轉(zhuǎn)變的綜合影響下土壤保持能力變化不大。

(3) 土壤保持功能與土地利用與土地覆被類型密切相關(guān)。不同土地利用與土地覆被類型單位面積土壤保持能力排序依然為：林地>草地>未利用地>建設(shè)用地>耕地>園地>水域；2005—2013年，不同土地利用/覆被類型的單位面積土壤保持能力均呈增加趨勢(shì)，其中未利用地增速最快，水域增速最慢；除耕地受面積減少顯著影響外，其他地類的土壤保持總量均呈增加趨勢(shì)。因此，可通過(guò)調(diào)整土地利用與土地覆被的空間結(jié)構(gòu)與人為干預(yù)土地利用與土地覆被變化，為門頭溝區(qū)及京津冀山區(qū)的土地利用科學(xué)管理及決策提供參考。