基于RUSLE模型的山西省生態(tài)系統土壤保持功能重要性評估

寧 婷, 郭新亞, 榮月靜, 杜世勛, 李 超

(1.山西省生態(tài)環(huán)境研究中心, 山西 太原 030009; 2.北京山海礎石信息技術有限公司, 北京 100012)

土壤保持是生態(tài)系統(如森林、草地等)通過其結構與過程減少由于水蝕所導致的土壤侵蝕的作用，是生態(tài)系統提供的重要調節(jié)服務之一[1]。土壤保持功能重要性評估是指針對典型區(qū)域生態(tài)系統，分析區(qū)域土壤保持功能分異規(guī)律，明確土壤保持功能的重要區(qū)域[2]，可為確定生態(tài)保護關鍵區(qū)、開展土壤保持功能區(qū)劃、劃定土壤保持功能保護紅線等提供科學依據。通常以土壤保持量，即潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值，作為生態(tài)系統土壤保持功能的評估指標。其中，土壤侵蝕量多采用通用水土流失方程(universal soil and water loss equation， USLE)和修正通用水土流失方程(modified universal soil and water loss equation， RUSLE)進行計算。USLE和RUSLE是美國農業(yè)部開發(fā)的預報坡地年均土壤流失量的經驗模型，隨著GIS和RS技術的發(fā)展，現已廣泛應用于流域、區(qū)域尺度土壤流失預測，適用性與準確性均較強[3-4]。國內學者們在黃土高原[5]、青海湖[6]、三江源[7]、三峽庫區(qū)[8]等區(qū)域(流域)，貴州省[9]、遼寧省[10]等省份以及一些重點生態(tài)功能區(qū)[1]均開展過生態(tài)系統土壤保持功能評估工作，揭示了所在地區(qū)土壤保持功能重要性及其時空動態(tài)變化，但針對山西省域的相關研究目前還較少，也缺乏對該省土壤保持影響因素的系統分析。山西省地處黃河中游，華北西部的黃土高原地帶，擔負著維護黃河中游生態(tài)狀況和保障環(huán)京津地區(qū)生態(tài)安全的任務，生態(tài)地位十分重要。但境內80%以上的面積為山地、丘陵區(qū)，溝壑縱橫，山高坡陡，水流湍急，破壞力強，加之大多數地區(qū)為黃土覆蓋區(qū)，土質疏松，極易流失，致使山西成為全國水土流失最為嚴重的省份之一。嚴重的水土流失和脆弱的生態(tài)環(huán)境，始終是制約山西經濟社會發(fā)展的重要因素，也是山區(qū)貧困的根源所在。

當前，全國各地正全面開展“三線一單”(生態(tài)保護紅線、環(huán)境質量底線、資源利用上線和環(huán)境準入負面清單)編制和國土空間規(guī)劃工作。生態(tài)功能重要性評估是劃定生態(tài)保護紅線和生態(tài)空間的前提，而土壤保持功能保護紅線是山西省生態(tài)保護紅線的重要組成。為此，本文基于RUSLE模型開展了山西省土壤保持服務功能重要性評估，并對評估分級標準問題進行了一定探討，以期為生態(tài)保護紅線劃定及國土空間規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

山西省位于黃河中游東岸，華北平原以西的黃土高原，地理位置為34°31′—40°44′N和110°15′—114°32′E之間，面積1.57×105km2。地形地貌以山地、丘陵為主，海拔大都在1 000 m以上。境內河流較多，主要包括汾河、沁河、涑水河、桑干河、滹沱河、漳河等，大部分河流為季節(jié)性河流。氣候屬溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，基本特點為冬季較長且寒冷干燥，夏季炎熱雨水集中，春季氣候多變，風沙較多；秋季短暫，氣溫差較大。年降水量360～660 mm，自西北向東南遞增。年均氣溫在4～14 ℃之間。植被類型以落葉闊葉林、干旱草原和次生落葉灌叢為主，森林覆蓋率20.50%。土壤類型主要是褐土、栗鈣土和粗骨土。山西省水土流失面積達1.08×105km2，占國土總面積近70%，共有76個縣地處國家級水土流失重點治理區(qū)。近年來，以晉北風沙區(qū)、呂梁山水土流失嚴重區(qū)和汾河流域為重點，山西大力開展集中連片水保生態(tài)建設，成效明顯。截至2018年9月底，山西省共治理水土流失面積6.67×104km2，水土流失治理度達到61.8%，水土流失蔓延局面得到有效控制，生態(tài)系統土壤保持功能逐年增強。

2 數據與方法

2.1 評估模型

采用《生態(tài)保護紅線劃定指南》[11]推薦的基于修正通用水土流失方程(RUSLE)的土壤保持服務模型開展評價，計算公式為：

Ap=R·K·L·S

Ar=R·K·L·S·C·P

Ac=Ap-Ar=R·K·L·S·(1-C·P)

式中：Ac——土壤保持強度〔t/(hm2·a)〕；Ap——潛在土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕；Ar——實際土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蝕力因子〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕 ；L，S——地形因子；L——坡長因子；S——坡度因子；C——植被覆蓋因子；P——土壤保持因子。山西省生態(tài)類用地占近70%，生態(tài)系統以自然生態(tài)系統為主，本次評估中P因子統一賦值為1。

2.2 數據來源

根據評估模型，土壤保持功能重要性評估所需數據包括高程數據、氣象數據和土壤數據等，其來源和獲取方法詳見表1。

表1 土壤保持功能重要性評估數據

2.3 評估因子計算方法

(1) 降雨侵蝕力因子(R)指降雨引發(fā)土壤侵蝕的潛在能力，通過多年平均年降雨侵蝕力因子反映，計算公式為：

α=21.586β-7.189 1

式中：Pd12——日降雨量≥12 mm的日平均雨量(mm)；Py12——日降雨量≥12 mm的年侵蝕性雨量(mm)。

(2) 土壤可蝕性因子(K)指土壤顆粒被水力分離和搬運的難易程度，主要與土壤質地、有機質含量、土體結構、滲透性等土壤理化性質有關，計算公式為：

K=(-0.013 83+0.515 75KEPIC)×0.131 7

KEPIC={0.2+0.3exp〔-0.025 6ms(1-msilt/100)〕}×〔msilt/(mc+msilt)〕0.3×{1-0.25Corg/〔Corg+exp

(3.72-2.95Corg)〕}×{1-0.7(1-ms/100)/{(1-ms/100)+exp〔-5.51+22.9(1-ms/100)〕}}

式中：KEPIC——修正前的土壤可蝕性因子；K——修正后的土壤可蝕性因子；mc，msilt，ms，Corg——黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)和有機碳的百分比含量(%)，數據來源于中國1∶100萬土壤數據庫。

(3) 地形因子(LS)L表示坡長因子，S表示坡度因子，是反映地形對土壤侵蝕影響的兩個因子。對于較大尺度的區(qū)域研究，坡度、坡長等地形因子難以計算準確，因此本次評估采用地形起伏度因子(D)，即地面一定距離范圍內的最大高差，來反映地形因素對土壤侵蝕的影響。鄰域計算單元取3×3。

(4) 植被覆蓋因子(C)反映了生態(tài)系統對土壤侵蝕的影響，是控制土壤侵蝕的積極因素?；贜DVI的大尺度植被覆蓋因子估算方法可有效反映C值的時空變異。濕地、城鎮(zhèn)和荒漠參照N-SPECT模型(non-point source pollution and erosion comparison tool)的參數分別賦值為0，0.01，0.7。N-SPECT模型是由美國NOAA海岸帶服務中心于2004年開發(fā)的用于水文—水環(huán)境模擬的半分布式集總模型，子模塊也是基于RUSLE對土壤侵蝕量進行模擬。旱地按植被覆蓋度換算，計算公式為：

C旱=0.221-0.595lgc1

式中：C旱——旱地的植被覆蓋因子；c1——小數形式的植被覆蓋度。

其余生態(tài)系統類型按不同植被覆蓋度進行賦值，如表2所示。植被覆蓋度由歸一化植被指數轉換得來，計算公式為：

c1=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中：c1——植被覆蓋度；NDVIveg——完全植被覆蓋地表所貢獻的信息，NDVIsoil——無植被覆蓋地表所貢獻的信息。NDVI數據來自山西省生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010年)變化遙感調查與評估成果。

將R因子采用考慮高程的協同克里金法、其他3個因子采用克里金法進行空間內插，并重采樣為250 m分辨率的柵格。在ArcGIS 10.3柵格計算器中，根據模型計算生態(tài)系統土壤保持量。

表2 山西省不同生態(tài)系統植被覆蓋因子賦值

3 結果與分析

3.1 評估因子空間分布特征

(1) 降雨侵蝕力因子(R)。降雨是導致土壤侵蝕的主要動力因素[12]。山西省降水分布的不均勻性，形成了降水引發(fā)水土流失的能力差異。降雨侵蝕力取值范圍在663.05～2 810.32 (MJ·mm)/(hm2·h·a)之間，平均為1 628.71 (MJ·mm)/(hm2·h·a)。山西省侵蝕性降雨量的空間分布規(guī)律與年降雨量空間分布呈現一致性，整體呈現從東南向西北遞減趨勢。晉東南地區(qū)年降雨量豐富，其降雨侵蝕力遠大于西北地區(qū)。此外，山地地區(qū)R值整體較高。

(2) 土壤可蝕性因子(K)。土壤可蝕性是土壤自身性質對外營力、氣候等綜合作用所反映出的復雜土壤特性[12]，物理意義為標準小區(qū)單位降雨侵蝕力引起的單位面積上的土壤侵蝕量。其強弱主要取決于土壤機械組成和團聚體含量。一般來說，土壤中黏粒含量越高，土壤抵抗侵蝕的能力越強，K值越??；粉粒含量越高，越易發(fā)生侵蝕，K值越大。團聚體含量則與土壤可蝕性成反比。山西省除大同、忻州、太原、臨汾、運城、長治等六大盆地K值相對較低，其他區(qū)域K值均較高。

(3) 地形起伏度因子(D)。地形因子是構成水土流失的動力條件，影響降雨和外營力再分配，改變地表物質的分離、搬運和堆積的過程與速度，決定著地表徑流對水土流失的能量分配。山西地處黃土高原地區(qū)，地勢起伏不平，空間差異明顯，河流和谷地橫穿而過，地勢東西高，中間低，山地和丘陵等中小起伏地形占多數。本次評估中，山西省地形起伏度在0～284 m之間。

(4) 植被覆蓋因子(C)。植被覆蓋是控制土壤侵蝕的積極因素。RUSLE模型中只有植被分布是受自然因素和人類活動共同作用的產物，其他因子純粹是由自然力所控制。C因子取值范圍為0～1，C值越大說明所對應土地利用類型的土壤侵蝕越嚴重[13]。C的大小不僅與植被覆蓋度直接相關，與生態(tài)系統類型也有密切的關系。對于相同的植被覆蓋度，C因子賦值規(guī)律大致表現為：森林<灌叢<草地<園地。山西省平均C值為0.16，植被覆蓋情況總體一般。晉西、晉北和六大盆地地區(qū)自然植被覆蓋度較低，C值較高，林、灌生態(tài)系統分布的廣大山地地區(qū)C值則較低。

山西省土壤保持功能評估因子制備結果如圖1所示。各評估因子中，以地形因子和植被覆蓋因子對水土流失最為敏感，相差2～3個數量級，對RUSLE模型整體有效性的作用最為顯著，這與前人研究結論一致[14]。

圖1 山西省生態(tài)系統土壤保持功能評估因子空間分布

3.2 土壤保持強度Ac及其空間分布特征

山西省生態(tài)系統土壤保持強度Ac取值范圍在0～10 645.9 t/(hm2·a)之間，絕大多數地區(qū)在20～1 500 t/(hm2·a)之間，平均約為416.10 t/(hm2·a)(圖2)。山西省土壤保持總量約為6.52×109t/a。土壤保持強度整體表現為“西北低、東南高，盆地低，山區(qū)和丘陵高”的空間分布特征。太行山、呂梁山兩大山脈Ac值普遍較高，六大盆地和晉西北地區(qū)則較低。這是降水、土壤、地形、植被等共同作用的結果，其中又以地形因子和植被覆蓋因子為主導。

圖2 山西省生態(tài)系統土壤保持強度Ac空間分布

3.3 土壤保持功能重要性分級

對土壤保持功能重要性進行分級，核心工作是明確分級標準，得到分界點。將山西省土壤保持強度值按從高到低的順序排列，得到累加土壤保持量占山西省生態(tài)系統土壤保持量比例，記為P1，對應的土壤保持功能極重要區(qū)占國土面積的比例記為P2。統計結果顯示，當P1=1%時，P2約為0.13%，這表示排序以后Ac數值最高的0.13%的區(qū)域就可以維持全省1%的土壤保持量。當P1分別取5%，10%，15%，…，90%，95%和100%時，P1與P2之間的變化關系如圖3所示。由圖3可知，二者之間呈指數函數關系，可用方程P2=0.021 6e3.939 7P1表示，相關系數達到0.933 5。

《生態(tài)保護紅線劃定指南》建議將土壤保持能力值按從高到低的順序排列后，用累加土壤保持量占生態(tài)系統土壤保持量比例的50%和80%對應的柵格值，作為土壤保持功能評估分級的分界值。考慮到山西省水土流失現狀與生態(tài)保護需求，依據圖3中面積比例關系，本研究將該標準提高至55%和85%，以624和292 t/(hm2·a)為分界值，將山西省生態(tài)系統土壤保持功能重要性分為3級，分級結果如圖4所示。

圖3 土壤保持比例(P1)與國土面積比例(P2)的變化

圖4 山西省生態(tài)系統土壤保持功能重要性分級

山西省土壤保持功能極重要區(qū)、重要區(qū)、一般重要區(qū)對應面積為3.62×104km2，4.44×104km2和7.61×104km2，分別占山西省國土面積的23.10%，28.33%和48.57%。其中，極重要區(qū)主要分布在太行山、呂梁山、恒山、五臺山、太岳山、中條山等組成的“多”字形山地地區(qū)。這些山區(qū)山高坡陡，植被類型多樣，覆蓋度高，在保持土壤方面發(fā)揮了重要作用。晉西黃土丘陵溝壑區(qū)黃土堆積深厚，地表切割破碎[15]，水土流失嚴重，是國家級重點生態(tài)功能區(qū)，生態(tài)系統土壤保持功能也極為重要。重要區(qū)則主要分布在上述極重要區(qū)周邊，以晉西黃土丘陵溝壑區(qū)和中南部低山地區(qū)分布相對廣泛。晉北地區(qū)和其他盆地、平原地區(qū)為土壤保持功能一般重要區(qū)。

4 討論與結論

本文基于RUSLE模型的土壤保持功能評估結果與山西省實地相符，以地形因子、植被因子對模型的整體有效性作用最為顯著。山西省生態(tài)系統土壤保持強度平均為416.10 t/(hm2·a)，土壤保持總量為6.52×109t/a。土壤保持強度在空間上呈現“西北低、東南高和盆地低、丘陵和山地高”的分布格局。

土壤保持功能重要性的分級必須結合當地水土流失問題的嚴重程度和生態(tài)保護需求情況。將土壤保持強度值按從高到低的順序排列，用累加土壤保持量占山西省生態(tài)系統土壤保持量比例的55%和85%對應的柵格值作為評估分級的分界值，將山西省生態(tài)系統土壤保持功能重要性分為極重要、重要和一般重要3級，分別占山西省國土面積的23.10%，28.33%和48.57%。其中，極重要區(qū)主要分布在太行山、呂梁山、恒山、五臺山、太岳山、中條山等組成的“多”字形山地地區(qū)，在晉西黃土丘陵溝壑區(qū)也有一定分布。這與《山西省主體功能區(qū)規(guī)劃》、《山西省生態(tài)功能區(qū)劃》中土壤保持生態(tài)功能區(qū)范圍基本一致。對上述區(qū)域的良好保護能確保山西省1/2以上的生態(tài)系統土壤保持功能得到保育。