草海流域景觀結(jié)構(gòu)與土壤保持功能時(shí)空動(dòng)態(tài)特征

王志杰, 柳書(shū)俊, 喻理飛,3,4

(1.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025; 2.貴州大學(xué) 茶學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025; 3.山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽(yáng) 550025; 4.山地生態(tài)與農(nóng)業(yè)生物工程協(xié)同創(chuàng)新中心, 貴陽(yáng) 550025)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的從自然系統(tǒng)/生態(tài)系統(tǒng)中獲取的各種惠益，是生態(tài)學(xué)和地理學(xué)的研究前沿和熱點(diǎn)[1-5]。土壤保持功能是森林、草地等地表植被具有防治與減少土壤侵蝕的功能，是生態(tài)系統(tǒng)重要的調(diào)節(jié)服務(wù)之一，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成部分，它為土壤形成、植被固著、水源涵養(yǎng)及減少水土流失等提供了重要的基礎(chǔ)，在維持區(qū)域生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮重要的作用[2,5-7]。土壤侵蝕是近年來(lái)全球范圍內(nèi)面臨的最嚴(yán)峻的環(huán)境和農(nóng)業(yè)問(wèn)題之一，它不僅會(huì)造成土地資源破壞、生產(chǎn)力下降、糧食減產(chǎn)，威脅區(qū)域糧食安全，而且會(huì)導(dǎo)致江河湖庫(kù)淤積、加劇洪澇災(zāi)害、加重水利設(shè)施負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重威脅人類(lèi)生存和可持續(xù)發(fā)展[7-9]。因此，關(guān)于土壤侵蝕和土壤保持功能的研究一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的重要內(nèi)容[10]。20世紀(jì)60年代，美國(guó)水土保持專(zhuān)家Wishchmeier等[11]提出的通用土壤流失方程(USLE)為定量研究土壤侵蝕問(wèn)題提供了有效的方法，是目前使用最廣泛的土壤侵蝕模型之一。隨著“3S”技術(shù)的快速發(fā)展，基于GIS和USLE的模型方法也相應(yīng)產(chǎn)生，極大的推動(dòng)了土壤侵蝕與土壤保持功能研究的發(fā)展[5]。由斯坦福大學(xué)、世界自然基金會(huì)和大自然保護(hù)協(xié)會(huì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型，是以往生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估研究領(lǐng)域的一大突破，該模型將地理信息系統(tǒng)、遙感和數(shù)學(xué)模型融入定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)評(píng)估結(jié)果的可視化表達(dá)，有利于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間異質(zhì)性描述[12]。InVEST模型的土壤保持模塊在通用土壤流失方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善，彌補(bǔ)了通用土壤流失方程的不足，使計(jì)算結(jié)果更加精確、合理。目前，該模型土已成功應(yīng)用于北京山區(qū)[8]、海南島[6]、黑河流域[13]、甘肅白龍江流域[14]和延安市[15]等地的土壤保持功能研究。

草海流域位于貴州省西部，是貴州最大的高原天然淡水湖泊，中國(guó)最重要的生物多樣性保護(hù)區(qū)域之一，國(guó)際國(guó)內(nèi)公認(rèn)的黑頸鶴(Grusnigricollis)自然種群密度最高的重要越冬地。由于其臨近威寧縣城，流域內(nèi)人口多、密度大，城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)建設(shè)、礦業(yè)開(kāi)采等頻繁的人類(lèi)活動(dòng)對(duì)草海流域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的壓力和沖擊[16]。生態(tài)系統(tǒng)退化明顯，水土流失造成每年約有60萬(wàn)t泥沙進(jìn)入草海[17]，隨著水土流失的加劇而造成的湖盆淤塞，水位下降，泥沙沉積淤填，嚴(yán)重威脅著草海的安全，如不引起足夠重視，將來(lái)草海的消失不可避免[18]。有學(xué)者對(duì)草海流域土壤侵蝕狀況研究發(fā)現(xiàn)：草海流域土壤侵蝕整體以輕度侵蝕為主，1992—2015年流域土壤侵蝕呈加劇趨勢(shì)，表現(xiàn)出整體改善局部加劇的特征[19-21]。近年來(lái)，為遏制草海流域生態(tài)破壞趨勢(shì)、減緩生態(tài)系統(tǒng)退化等問(wèn)題，流域內(nèi)退耕還濕、水土流失治理等一系列生態(tài)修復(fù)措施的相繼實(shí)施，加之流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，草海流域土地利用景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，然而，草海流域土地利用景觀結(jié)構(gòu)的變化背景下的土壤侵蝕時(shí)空分布特征如何？是否已有效減緩?fù)寥狼治g、增強(qiáng)土壤保持服務(wù)功能？這些科學(xué)問(wèn)題依然沒(méi)有明確答案，開(kāi)展草海流域景觀結(jié)構(gòu)與土壤保持功能時(shí)空特征的研究，對(duì)于優(yōu)化草海流域土地利用景觀格局，減緩?fù)寥狼治g危害，提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

基于此，本研究以草海流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在系統(tǒng)分析2009年和2017年流域內(nèi)土地利用景觀結(jié)構(gòu)時(shí)空變化的基礎(chǔ)上，基于InVEST模型的土壤保持模塊，對(duì)2009年和2017年土壤侵蝕和土壤保持功能時(shí)空動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行研究，以期探明草海流域土壤侵蝕和土壤保持功能的時(shí)空分布規(guī)律，為流域水土流失治理和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理調(diào)控提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

草海流域(26°47′32″—26°52′52″N，104°10′16″—104°20′40″E)地處貴州省西北威寧縣彝族回族苗族自治縣縣城南側(cè)，是我國(guó)特有的黑頸鶴(Grusnigricollis)等珍稀鳥(niǎo)類(lèi)的棲息地，是一個(gè)完整的、典型的喀斯特高原小流域[22]。研究區(qū)地勢(shì)東部最高，西南部較高，中部為湖區(qū)，流域出水口在西北部，平均海拔2 171.7 m，流域面積96 km2左右[22]，氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫10.6℃，年均降雨量約為950.9 mm，降水年均分布不均，主要集中于夏季，干濕季分明，相對(duì)濕度79%[23]。流域內(nèi)的土壤大部分為黃棕壤，呈酸性，具有相對(duì)濕度大、淋溶作用強(qiáng)、有機(jī)質(zhì)含量高的特征，常年被湖水淹沒(méi)的盆地淤泥地帶則是泥炭化的沼澤土[24]，土地利用類(lèi)型以耕地、林地、灌草地、建筑用地和水域?yàn)橹鳌?/p>

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

針對(duì)InVEST模型土壤保持功能評(píng)價(jià)的基本框架，結(jié)合本研究的主要內(nèi)容，研究所用數(shù)據(jù)主要包括草海流域2009年和2017年土地利用景觀類(lèi)型空間數(shù)據(jù)和逐月降雨量數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)等。其中，土地利用景觀類(lèi)型數(shù)據(jù)運(yùn)用高分辨率遙感圖像(空間分辨率為2.5 m×2.5 m)，基于ArcGIS 10.5軟件平臺(tái)通過(guò)目視解譯方法獲??；土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)由貴州省土壤類(lèi)型圖、中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(http:∥vdb3.soil.csdb.cn)結(jié)合相關(guān)研究成果獲取[25]；降雨數(shù)據(jù)來(lái)源于威寧縣氣象局(表1)；DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn)。由于各類(lèi)數(shù)據(jù)來(lái)源、投影方式和比例尺等不同，在進(jìn)行相關(guān)分析之前對(duì)所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行幾何配準(zhǔn)與重采樣，將所有數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一為Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_105 E投影坐標(biāo)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)柵格大小統(tǒng)一為30 m×30 m。

表1 草海流域2009年和2017年逐月降雨量 mm

1.3 模型因子計(jì)算

土壤保持采用InVEST模型中土壤保持模塊進(jìn)行估算[14]。計(jì)算公式如下：

SEDRETx=RKLSx-USLEx+SEDRx

(1)

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(2)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(3)

(4)

式中：SEDRETx為柵格x的土壤保持量；RKLSx為基于地貌和氣候條件下柵格x的土壤侵蝕量；USLEx為考慮了管理及工程措施后柵格x的實(shí)際侵蝕量；SEDRx為柵格x的泥沙持留量；USLEy為考慮了管理及工程措施后上坡柵格y的實(shí)際侵蝕量；SEx為柵格x的泥沙持留量；Rx為降雨侵蝕性因子；Kx為土壤侵蝕因子；LSx為坡度坡長(zhǎng)因子；Cx為植被覆蓋和作物管理因子；Px為水土保持措施因子。

(1) 降雨侵蝕力因子(Rx)反映降雨對(duì)土壤剝離、搬運(yùn)及地表沖刷能力的體現(xiàn)。本研究采用Wischmeier[26]月度計(jì)算公式：

(5)

式中：Rx為降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]；Pi為月降雨量(mm)；P為年均降雨量(mm)，式中Rx單位是(100 ft·t·in)/(ac·h·a)，該單位需乘以系數(shù)17.02，轉(zhuǎn)換成國(guó)際單位[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]。

(2) 土壤可蝕性因子(Kx)指土壤對(duì)侵蝕的敏感性反映，可衡量土壤顆粒被降雨分離和搬運(yùn)的難易程度。本研究采用EPIC[27]模型中的計(jì)算公式計(jì)算，公式如下：

Kx={0.2+0.3exp[-0.0256SAN(1-SIL/100)]}

(6)

SN1=1-SAN/100

(7)

式中：Kx為國(guó)際值單位的土壤可蝕性(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)；SAN為沙粒的含量(%)，SIL為粉粒的含量(%)，CLA為黏粒的含量(%)，OM為土壤有機(jī)碳的含量(%)。

(3) 坡長(zhǎng)坡度因子(LSx)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。本研究根據(jù)前人的相關(guān)研究結(jié)果，坡度與侵蝕的規(guī)律大體上呈現(xiàn)鐘形的關(guān)系，有一臨界坡度25°，因此將25°規(guī)定為轉(zhuǎn)折坡度，計(jì)算公式如下：

(8)

(9)

式中：Fa為匯水累積閾值；Cs為柵格大??；s為坡度(%)；n為與坡度有關(guān)的參數(shù)。

當(dāng)坡度大于坡度閾值時(shí)，地形因子計(jì)算方法[28]如下：

LSx=0.08β0.35s0.6

(10)

(11)

(4) 地表覆蓋管理因子(Cx)指一定條件下，某類(lèi)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；土壤保持因子(Px)是在有、無(wú)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)[14]。參考秦志佳[29]的研究成果，并結(jié)合本研究中對(duì)草海流域土地利用景觀結(jié)構(gòu)特征，將C因子和P因子值賦予相應(yīng)的景觀類(lèi)型(表2)。

表2 不同景觀類(lèi)型的C值和P值

(5) 泥沙持留量(SEx)代表了侵蝕產(chǎn)生的泥沙在輸移過(guò)程中，植被過(guò)濾、攔截上游地塊泥沙沉積物的能力，其值越大，則持留率越高[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 草海流域景觀格局時(shí)空變化特征

從草海流域2009年和2017年各景觀類(lèi)型面積統(tǒng)計(jì)(表3)可以看出：研究區(qū)景觀類(lèi)型以耕地和水域?yàn)橹?，分別占研究區(qū)總面積的40%，20%以上，灌草地面積最小，僅占約5%。疊加分析2009—2017年流域景觀類(lèi)型空間變化，可以發(fā)現(xiàn)(表4)：研究區(qū)耕地、水域、和灌草地面積呈減少趨勢(shì)，林地、沼澤地和建筑用地呈增加趨勢(shì)，且景觀類(lèi)型動(dòng)態(tài)變化存在著頻繁的景觀類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。其中，灌草地為減速最快的景觀類(lèi)型，減少約113.55 hm2，主要轉(zhuǎn)化為耕地、林地和建筑用地，占灌草地轉(zhuǎn)化面積的99.44%。受退耕還濕和經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動(dòng)的影響，耕地減速僅次于灌草地，結(jié)構(gòu)比重下降12.31%，主要轉(zhuǎn)化為沼澤地、建筑用地和林地，占總轉(zhuǎn)移比例的92.76%。水域面積減少約116.78 hm2，年均減少率僅為0.71%，主要轉(zhuǎn)化為沼澤地。而沼澤地為增加最快的景觀類(lèi)型，面積增加約798.28 hm2，年均增長(zhǎng)率21.60%，主要由耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)，貢獻(xiàn)率為79.09%。建筑用地面積增加約584.63 hm2，增速僅次于沼澤地，年均增長(zhǎng)率為12.77%，主要由耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)，貢獻(xiàn)率79.43%。林地面積增加了40.65 hm2，是增速最慢的景觀類(lèi)型，年均增長(zhǎng)率僅為0.53%，主要是由耕地和灌草地轉(zhuǎn)化而來(lái)，占總轉(zhuǎn)移比例的92.36%。此外，在各景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)移的空間分布上，發(fā)生轉(zhuǎn)化的景觀類(lèi)型主要位于地勢(shì)平坦、交通便利的威寧縣縣城和草海湖周邊地區(qū)或海拔較高的區(qū)域。

2.2 草海流域潛在土壤侵蝕及其空間分布特征

基于InVEST模型計(jì)算獲得草海流域2009年和2017年潛在土壤侵蝕量分別為2 583.80萬(wàn)t/a，11 101.67萬(wàn)t/a，單位面積潛在土壤侵蝕量分別為2 665.14，11 451.19 t/(hm2·a)。受降雨侵蝕力大小的影響，研究區(qū)2017年潛在土壤侵蝕量約為2009年潛在土壤侵蝕量的4.30倍，潛在土壤侵蝕量高值區(qū)的空間分布受地形因素影響較大，主要分布在草海流域東南部的塔山村、孔山村、鴨子塘村東部、陜橋村東北部和南部、大馬城村南部以及草海流域西南部的石龍村和呂家河村(圖1)。

表3 草海流域2009年和2017年各景觀類(lèi)型面積

表4 景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)移概率矩陣 %

草海流域2009年和2017年各景觀類(lèi)型潛在土壤侵蝕量和單位面積潛在土壤侵蝕量的大小規(guī)律基本一致，潛在土壤侵蝕量由大到小分別為：耕地>林地>灌草地>水域>建筑用地>沼澤地，其中耕地的潛在土壤侵蝕量分別為1 113.60，4 729.11萬(wàn)t/a；而單位面積潛在土壤侵蝕量由大到小分別為：林地和灌草地>耕地>建筑用地>水域>沼澤地(圖2)。

2.3 草海流域?qū)嶋H土壤侵蝕及其空間分布特征

基于InVEST模型計(jì)算獲得草海流域2009年和2017年實(shí)際土壤侵蝕量分別為121.71萬(wàn)t/a，507.27萬(wàn)t/a，單位面積實(shí)際土壤侵蝕量分別為125.55，523.24 t/(hm2·a)(圖3)。可以發(fā)現(xiàn)，草海流域2017年實(shí)際土壤侵蝕量約為2009年實(shí)際土壤侵蝕量的4.17倍，這主要是由于2017年降雨侵蝕力因子R值約為2009年的4.30倍所造成的。根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190—2007)》[29]對(duì)草海流域2009年和2017年實(shí)際土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行劃分(表5)可知，草海流域2009年實(shí)際土壤侵蝕以微度和輕度侵蝕為主，二者共占研究區(qū)總面積的68.25%，劇烈侵蝕占研究區(qū)總面積的19.09%；2017年實(shí)際土壤侵蝕以微度侵蝕占比最大，約占研究區(qū)總面積的34.41%，劇烈侵蝕次之，占研究區(qū)總面積的27.35%；2009—2017年微度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕面積減少，輕度、中度和劇烈侵蝕面積增加?？傮w而言，草海流域2009—2017年實(shí)際土壤侵蝕強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)。

圖1 草海流域潛在土壤侵蝕空間分布

圖2 草海流域不同景觀類(lèi)型潛在土壤侵蝕量

圖3 草海流域不同景觀類(lèi)型實(shí)際土壤侵蝕量

表5 草海流域2009年和2017年實(shí)際土壤侵蝕強(qiáng)度分布

2009年實(shí)際土壤侵蝕量高的地區(qū)主要分布在草海流域東部的塔山村、南部的大馬城村東南部以及研究區(qū)西南部的石龍村，2017年實(shí)際土壤侵蝕量高的地區(qū)主要分布在研究區(qū)東南部的塔山村、孔山村、鴨子塘村東部、陜橋村東北部和南部、大馬城村南部以及流域西南部的石龍村和呂家河村，這主要是由于這些區(qū)域的海拔較高或所屬村鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境一定程度的破壞所造成(圖4)。

草海流域2009年各景觀類(lèi)型實(shí)際土壤侵蝕量由大到小分別為：耕地>灌草地>林地>沼澤地>水域>建筑用地，單位面積實(shí)際土壤侵蝕量由大到小分別為：灌草地>耕地>林地>沼澤地>建筑用地>水域；2017年各景觀類(lèi)型實(shí)際土壤侵蝕量由大到小分別為：耕地>灌草地>林地>建筑用地>沼澤地>水域，單位面積實(shí)際土壤侵蝕量由大到小分別為：灌草地>耕地>林地>建筑用地>沼澤地>水域(圖3)。根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190—2007)》[30]對(duì)草海流域各景觀類(lèi)型單位面積實(shí)際土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行劃分可知，2009年灌草地和耕地均為劇烈侵蝕，林地為極強(qiáng)烈侵蝕，其余景觀類(lèi)型均為微度侵蝕；2017年灌草地、耕地和林地均為劇烈侵蝕，建筑用地為極強(qiáng)烈侵蝕，沼澤地為輕度侵蝕。

圖4 草海流域?qū)嶋H土壤侵蝕空間分布

2.4 草海流域土壤保持及其空間分布特征

2009年和2017年草海流域土壤保持量和單位面積土壤保持量分別為2 462.08萬(wàn)t/a，10 594.40萬(wàn)t/a和2 539.60 t/(hm2·a)，10 927.94 t/(hm2·a)。8 a間平均土壤保持能力提升了8 388.34 t/(hm2·a)，土壤保持量增加了8 132.32萬(wàn)t，2017年流域土壤保持量約為2009年的4.30倍，土壤保持量高值區(qū)主要分布在草海流域東南部的塔山村、孔山村、鴨子塘村東部、陜橋村東北部和南部、大馬城村南部以及流域西南部的石龍村和呂家河村，此外，在草海湖的中部也存在一些潛在土壤保持量較高的區(qū)域(圖5)。各景觀類(lèi)型土壤保持量均以耕地和林地景觀類(lèi)型為主，2009年和2017年二者的土壤保持量分別為1 017.94萬(wàn)t/a，875.66萬(wàn)t/a，4 324.27萬(wàn)t/a，3 414.65萬(wàn)t/a，貢獻(xiàn)率均為73%～77%；而沼澤地的土壤保持量最小，2009年和2017年分別為7.27，65.20萬(wàn)t/a，對(duì)流域土壤保持量的貢獻(xiàn)率在0.5%左右(表6)。各景觀類(lèi)型單位面積土壤保持量表現(xiàn)出林地或灌草地>耕地>建筑用地>水域>沼澤地的特征，其中，2009年林地單位面積土壤保持量最大，為9 168.79 t/(hm2·a)，灌草地次之，為6 400.01 t/(hm2·a)，沼澤地最小，僅為159.26 t/(hm2·a)，林地單位面積土壤保持量約為沼澤地的57.57倍；2017年草海流域單位面積土壤保持量中則是灌草地最大，高達(dá)37 844.39 t/(hm2·a)，林地次之，為34 277.77 t/(hm2·a)，沼澤地仍最小，僅為517.37 t/(hm2·a)，灌草地單位面積土壤保持量約為沼澤地的73.15倍。

圖5 草海流域土壤保持空間分布

表6 草海流域2009年和2017年各景觀類(lèi)型土壤保持及其變化量統(tǒng)計(jì)

從各景觀類(lèi)型土壤保持量變化來(lái)看，2009—2017年草海流域各景觀類(lèi)型土壤土保持量均呈增加趨勢(shì)，其中，耕地變化最為明顯，土壤保持量增加了3 306.34萬(wàn)t/a，結(jié)構(gòu)比重下降了0.53%，年均增長(zhǎng)率為40.60%；沼澤地的土壤保持增速最快，增加約57.93萬(wàn)t/a，結(jié)構(gòu)比重上升了0.32%，年均增長(zhǎng)率高達(dá)99.54%；林地的增速最慢，結(jié)構(gòu)比重下降了3.33%，年均增長(zhǎng)率僅為36.24%。各景觀類(lèi)型單位面積土壤保持量變化方面，灌草地的變化最為明顯且增速最快，單位面積土壤保持量增加了31 444.38 t/(hm2·a)，年均增長(zhǎng)率高達(dá)為61.41%；沼澤地的單位面積土壤保持量變化最不明顯且增速最慢，單位面積土壤保持量增加了358.11 t/(hm2·a)，年均增長(zhǎng)率僅為28.11%。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

土壤保持功能不僅與景觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，還受地形、氣象、土壤、植被和人為活動(dòng)因素的影響[31]。本研究基于InVEST模型，計(jì)算得到草海流域2009年土壤保持量和單位面積土壤保持量分別為2 462.08萬(wàn)t/a和2 539.60 t/(hm2·a)，2017年土壤保持量和單位面積土壤保持量分別為10 594.40萬(wàn)t/a和8 388.34 t/(hm2·a)，2017年土壤保持量是2009年的4.30倍。究其原因，草海流域2009年和2017年的R值分別為1 877.87，8 119.33 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，草海流域2017年月均降雨量是2009年的1.53倍，其中2月、5月、6月和9月的降雨量分別為2009年的2～5倍，尤其是2017年6月份草海流域的降雨量高達(dá)334.30 mm，僅6月份的R值就高達(dá)6 520.07 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，是2009年全年R值的3.47倍，由于兩個(gè)時(shí)期研究區(qū)月降雨量的較大差異，從而導(dǎo)致草海流域2017年潛在土壤侵蝕量是2009年的4.30倍(表1)；并且，由于草海流域兩個(gè)時(shí)期的景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，C和P因子空間分布隨之變化，從而導(dǎo)致草海流域2017年的實(shí)際土壤侵蝕量是2009年的4.17倍。此外，潛在土壤侵蝕量和實(shí)際土壤侵蝕量的大小直接影響土壤保持量的大小，草海流域2017年的潛在土壤侵蝕量和實(shí)際土壤侵蝕量分別2009年的4.30倍和4.17倍，最終導(dǎo)致2017年土壤保持量是2009年的4.30倍。

草海流域2009年和2017年平均實(shí)際土壤侵蝕量分別為125.55，523.24 t/(hm2·a)，土壤侵蝕強(qiáng)度總體上均以輕度和微度侵蝕為主，這與韋海霞[19]、吳際通[20]和王堃[21]等學(xué)者的研究結(jié)果基本一致，但在研究時(shí)段內(nèi)，草海流域尚存在較大面積的劇烈侵蝕分布，占流域總面積的約20%～30%，并且8 a間，劇烈侵蝕的面積有增加的趨勢(shì)，同時(shí)，輕度侵蝕和中度侵蝕面積也有所增加，這說(shuō)明研究區(qū)土壤侵蝕存在一定程度的惡化趨勢(shì)，結(jié)合兩個(gè)時(shí)段土壤侵蝕空間分布圖，可以看出侵蝕惡化區(qū)主要集中在流域周邊海拔較高、坡度較大的區(qū)域，并且草海湖周邊部分村鎮(zhèn)土壤侵蝕也有惡化的趨勢(shì)。雖然，近年來(lái)草海流域圍繞黑頸鶴(Grusnigricollis)等珍稀鳥(niǎo)類(lèi)棲息地保護(hù)和草海自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)，實(shí)施了退耕還濕、坡耕地綜合整治、退耕還林等一系列生態(tài)修復(fù)措施，林地和沼澤地面積有所增大，土壤侵蝕較為嚴(yán)重的耕地面積大幅減少，草海流域生態(tài)環(huán)境有明顯的改善，但同時(shí)也伴隨著威寧縣由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而導(dǎo)致的建設(shè)用地不斷擴(kuò)大，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定程度破壞的現(xiàn)象，這在一定程度上加劇了流域土壤侵蝕，但總體而言，隨著草海流域景觀結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和優(yōu)化，流域內(nèi)各景觀類(lèi)型的土壤保持量均呈不同程度的增加趨勢(shì)，即草海流域土壤侵蝕/土壤保持表現(xiàn)出“總體好轉(zhuǎn)、局部惡化”的特征。因此，今后還需進(jìn)一步深化流域周邊海拔較高、坡度較陡區(qū)域的土壤侵蝕治理，提高水土保持治理成效，同時(shí)，對(duì)于因不合理開(kāi)發(fā)建設(shè)和人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的土壤侵蝕加劇的村鎮(zhèn)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管、加重整治，遏制土壤侵蝕，保障草海流域生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展和草海自然保護(hù)區(qū)生態(tài)質(zhì)量與生態(tài)服務(wù)功能的不斷提升。

3.2 結(jié) 論

(1) 草海流域景觀格局特征是以耕地和水域?yàn)橹鲗?dǎo)的景觀類(lèi)型。2009—2017年流域景觀類(lèi)型動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中存在著頻繁的景觀類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，以耕地、水域和灌草地面積的減少，林地、沼澤地和建筑用地面積的增加為主要特征，且發(fā)生轉(zhuǎn)化的景觀類(lèi)型主要位于地勢(shì)平坦且交通便利的威寧縣縣城、草海湖周邊地區(qū)以及海拔較高的地區(qū)。

(2) 2009—2017年，草海流域?qū)嶋H土壤侵蝕量為(121.71～507.27)萬(wàn)t/a，2017年實(shí)際土壤侵蝕量約為2009年實(shí)際土壤侵蝕量的4.17倍，草海流域?qū)嶋H土壤侵蝕強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)。2009年實(shí)際土壤侵蝕以微度和輕度侵蝕為主，2017年實(shí)際土壤侵蝕以微度為主，劇烈侵蝕次之；2009—2017年微度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕面積較少，輕度、中度和劇烈侵蝕面積增加，實(shí)際土壤侵蝕量高值區(qū)主要分布在草海流域周邊地形起伏度大、海拔較高的區(qū)域。

(3) 2009—2017年，草海流域土壤保持量呈增加趨勢(shì)，8 a間單位面積土壤保持量提升了8 388.34 t/(hm2·a)，土壤保持總量增加了8 132.32萬(wàn)t，2017年研究區(qū)土壤保持量約為2009年的4.30倍。草海流域各景觀類(lèi)型的土壤保持量和單位面積土壤保持量均呈增加趨勢(shì)，其中，灌草地增速最快，沼澤地增速最慢。各景觀類(lèi)型單位面積土壤保持表現(xiàn)出林地或灌草地>耕地>建筑用地>水域>沼澤地的特征。