基于GIS的福建省水土保持功能重要性評價

雷 泳 南

(福建省水利水電勘測設(shè)計研究院, 福建福州 350001)

水土保持功能是指在水土保持過程中所采取的各項措施對保護(hù)和改良人類及其社會賴以生存和發(fā)展的自然環(huán)境條件的綜合效用[1]。水土保持功能重要性評價是根據(jù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境特征，分析水土保持功能分異規(guī)律，劃分不同重要性等級水土保持功能區(qū)域[2]。水土保持功能重要性評價的結(jié)果可為管理區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)、確定生態(tài)保護(hù)紅線、制訂生態(tài)保護(hù)政策等提供依據(jù)[2]。

福建省作為典型的南方紅壤丘陵區(qū)，地形崎嶇坡度大，降雨豐富而時空分布不均，易發(fā)生水土流失[3]。近年來，隨著建設(shè)生態(tài)省和生態(tài)文明先行示范區(qū)等重大決策相繼實施，水土保持生態(tài)建設(shè)取得了高速發(fā)展[4]。根據(jù)曾舒嬌等[5]利用GIS和RS技術(shù)分析表明，1990—2015年福建省水土流失面積總體呈現(xiàn)減少趨勢；王春菊等[6]利用GIS技術(shù)分析表明，福建省土壤侵蝕敏感性強(qiáng)度總體呈現(xiàn)內(nèi)陸丘陵山地向沿海低丘遞減趨勢；陳思旭等[7]利用RUSLE模型分析表明，福建省土壤侵蝕空間分布呈現(xiàn)點狀特征，局部侵蝕強(qiáng)烈?？傮w上，福建省關(guān)于土壤侵蝕研究以土壤侵蝕現(xiàn)狀監(jiān)測和評估的分析居多，對作為評價生態(tài)系統(tǒng)水土保持功能的土壤保持量研究鮮有報道。目前，在生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，生態(tài)保護(hù)紅線是福建省和周邊區(qū)域生態(tài)安全的底線，而水土保持功能區(qū)作為生態(tài)保護(hù)紅線的重要組成部分，開展福建省水土保持功能重要性評估是十分必要的。據(jù)此，本文基于GIS技術(shù)，利用降水、土壤、數(shù)字高程和植被指數(shù)等數(shù)據(jù)，采用修正通用水土流失方程(RUSLE)，估算福建省土壤保持量，進(jìn)而劃分不同等級的水土保持功能區(qū)，旨在為福建省生態(tài)保護(hù)紅線劃定提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 研究區(qū)概況 福建省位于中國東南沿海，地處115°50′—120°44′E，23°31′—28°19′N。陸地東西最長約480 km，南北最長約530 km，土地總面積約1.23×105km2。閩西大山帶和閩中大山帶構(gòu)成境內(nèi)地形的骨架，地勢西北高東南低，丘陵和山地約占全省土地總面積的80%以上。氣候?qū)倌蟻啛釒夂蚝椭衼啛釒夂?，常年溫和濕潤，年平均氣?7～21 ℃，年平均降雨量1 100～2 000 mm。植被屬南亞熱帶季雨林和中亞熱帶常綠闊葉林。土壤類型主要為紅壤、黃壤和赤紅壤，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主。

1.1.2 數(shù)據(jù) 降雨基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，在網(wǎng)上獲取研究區(qū)及周邊降水月值數(shù)據(jù)(2014—2018年)。土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自第二次全國土地調(diào)查的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)，獲取于中科院西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心?？臻g分辨率為1 km數(shù)字高程數(shù)據(jù)和植被基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分別來自中國海拔高度(DEM)空間分布數(shù)據(jù)和中國年度植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集(2014—2018年)，獲取于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。

1.2 方 法

根據(jù)《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》[8]推薦，本文采用修正通用水土流失方程(RUSLE)的水土保持服務(wù)模型開展評價，具體流程見圖1。模型結(jié)構(gòu)如下：

Ap=R×K×L×S

(1)

Ar=R×K×L×S×C×P

(2)

Ac=Ap-Ar=R×K×L×S×(1-C×P)

(3)

式中：Ac為土壤保持量〔t/(hm2·a)〕；Ap為潛在土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕；Ar為實際土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕；R為降雨侵蝕因子〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕；K為土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(MJ·hm2·mm)〕；L,S為地形因子(無量綱)；C為植被覆蓋因子(無量綱)；P為水土保持措施因子(無量綱)。本次評價僅考慮自然生態(tài)系統(tǒng)，P賦值為1。

本文采用自然斷點法[9-10]將評價等級分為5級：一般重要、較為重要、中等重要、高度重要和極其重要。

圖1 水土保持功能重要性評價流程

1.2.1 降雨侵蝕因子 降雨侵蝕力是指由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，其難以直接測定，一般采用降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時等降雨參數(shù)估算[11-12]。本文降雨侵蝕因子R采用周伏建等[13]提出的福建省降雨侵蝕力估算方法，公式如下：

(4)

式中：Pi為月均降雨量(mm)，

根據(jù)降雨基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算得到2014—2018年研究區(qū)及周邊臺站5 a間各月降雨均值，利用公式(4)計算得到各臺站年均降雨侵蝕力R值。通過ArcGIS對R值進(jìn)行普通克里金插值，獲得研究區(qū)降雨侵蝕力空間分布特征(見圖2a)。

1.2.2 土壤可蝕性因子 土壤可蝕性因子是土壤侵蝕敏感性的度量，反映了不同類型土壤抵抗侵蝕能力的高低[11]。本文土壤可蝕性因子K采用《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》[8]推薦方法，公式如下：

K=fcsand×fcl-si×forgc×fhisand

(5)

(6)

式中：ms為土壤粗砂含量(%)； msilt為土壤粉砂含量(%)； mc為土壤黏粒含量(%)； orgC為有機(jī)碳含量(%)。

根據(jù)土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過ArcGIS分別提取土壤粗砂、粉砂、黏粒和有機(jī)碳含量，按照公式(5)—(6)計算土壤侵蝕力K值，獲得研究區(qū)土壤侵蝕力空間分布特征(見圖2b)。

1.2.3 地形因子 地形因子包括坡長因子和坡度因子，前者是指在降雨、土壤、坡度和地表狀況等條件相同的情況下，某坡長的坡面土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)坡長的坡面土壤流失量之比；后者是指在其他條件相同的情況下，某坡度的坡面土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)坡度的坡面土壤流失量之比[11]。本文坡長因子L和坡度因子S采用劉寶元等[14]提出的方法，公式如下：

L=(λ/22.13)m

(7)

(8)

(9)

式中：λ為坡長(m)；m為坡長指數(shù)；θ為坡度(°)。

根據(jù)數(shù)字高程數(shù)據(jù)，利用ArcGIS掩膜提取研究區(qū)DEM，按照公式(7—9)計算坡度坡長因子LS值，獲得研究區(qū)地形因子空間分布特征(見封3，附圖15)。

1.2.4 植被覆蓋因子 植被覆蓋因子是指在相同的降雨、土壤和地形條件下，一定時間內(nèi)長有植被或作物的土地與撂荒土地的土壤流失量之比[15]。本文植被覆蓋度采用歸一化植被指數(shù)(NDVI)來估算，植被覆蓋因子C采用蔡崇法等[12]提出的方法，公式如下：

(10)

式中：c為植被覆蓋度。

圖2 福建省RUSLE各因子空間分布

利用中國年度植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集(2014—2018年)計算年平均NDVI值，按照公式(10)計算植被覆蓋因子C值，獲得研究區(qū)植被覆蓋因子空間分布特征(見圖2c)。

2 結(jié)果與分析

2.1 實際土壤侵蝕量

全省實際土壤侵蝕總量為1.33×108t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)為1 526.93 t/(km2·a)(見表1)。從實際土壤侵蝕量上看，泉州市(2.76×107t/a)>福州市(2. 73×107t/a)>漳州市(1.81×107t/a)>寧德市(1.70×107t/a)>龍巖市(1.33×107t/a)>三明市(1.16×107t/a)>南平市(8.84×106t/a)>莆田市(6.91×106t/a)>廈門市(2.60×106t/a)；從空間分布上看，全省整體呈現(xiàn)塊狀不連續(xù)分布，土壤侵蝕模數(shù)由東南沿海向西北內(nèi)地減小趨勢，但局部丘陵山區(qū)土壤侵蝕較為嚴(yán)重，主要分布在閩西大山帶和閩中大山帶兩側(cè)，如福州西部、莆田南部、泉州西部、漳州南部、龍巖中部和西北部、三明南部、南平西北部和寧德西北部等地區(qū)(見圖3a)。

表1 福建省土壤侵蝕量和土壤保持量

2.2 潛在土壤侵蝕量

全省潛在土壤侵蝕總量為2.78×109t/a，平均潛在土壤侵蝕模數(shù)為22 316.75 t/(km2·a)(見表1)。從潛在土壤侵蝕量上看，南平市(6.91×108t/a)>三明市(5.32×108t/a)>龍巖市(3.88×108t/a)>寧德市(3.32×108t/a)>福州市(2.79×108t/a)>漳州市(2.40×108t/a)>泉州市(2.23×108t/a)>莆田市(7.65×107t/a)>廈門市(1.95×107t/a)；從空間分布上看，與實際土壤侵蝕模數(shù)相反，潛在土壤侵蝕模數(shù)整體呈現(xiàn)由東南沿海向西北內(nèi)地增大趨勢，這主要與福建省地形和降雨等侵蝕因子密切相關(guān)(見圖3b)。

2.3 土壤保持量

全省土壤保持總量為2.65×109t/a，平均土壤保持模數(shù)為20 789.82 t/(km2·a)(見表1)。從土壤保持量上看，南平市(6.82×108t/a)>三明市(5.21×108t/a)>龍巖市(3.75×108t/a)>寧德市(3.15×108t/a)>福州市(2.52×108t/a)>漳州市(2.22×108t/a)>泉州市(1.96×108t/a)>莆田市(6.96×107t/a)>廈門市(1.69×107t/a)；從空間分布上看，土壤保持模數(shù)整體呈現(xiàn)由東南沿海向西北內(nèi)地增大趨勢，這主要與地表植被覆蓋密切相關(guān)(見圖3c)。

圖3 福建省土壤侵蝕及土壤保持強(qiáng)度空間分布

2.4 水土保持功能重要性

福建省土壤保持模數(shù)為0～269 168 t/(km2·a)(見圖3c)，根據(jù)自然斷點法[9-10]以17 945，40 111，67 556，109 778 t/(km2·a)為分界值，將全省水土保持功能重要性評價等級分為5級，統(tǒng)計得到表2。全省水土保持功能極其重要區(qū)、高度重要區(qū)、中等重要區(qū)、較為重要區(qū)和一般重要區(qū)面積分別為3 192.54，8 205.54，15 547.71，21 519.81，74 000.20 km2，分別占全省面積的2.61%，6.70%，12.70%，17.57%和60.42%。

從空間分布上看，極其重要區(qū)零星分布在閩西大山帶和閩中大山帶，如南平西北部、三明西北部、寧德西北部等；高度重要區(qū)塊狀零散分布在閩西大山帶和閩中大山帶的山地、丘陵地區(qū)，如龍巖中部、三明東南部、福州西北部等；中等重要區(qū)集中分布在閩西大山帶、閩中大山帶東麓和西麓的低山丘陵地區(qū)，如龍巖中部、三明東南部、漳州西北部、泉州西部、福州西北部等；較為重要區(qū)廣泛分布在局部山區(qū)的盆地、河谷及部分沿海平原地區(qū)；一般重要區(qū)大面積分布在山區(qū)盆地和沿海平原地區(qū)(見封3，附圖16)。

表2 水土保持功能重要性劃分結(jié)果

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

本文基于GIS技術(shù)，利用降水、土壤、數(shù)字高程和植被指數(shù)等數(shù)據(jù)，采用修正通用水土流失方程(RUSLE)，估算福建省土壤保持量，并對其分級。結(jié)果表明：全省土壤保持總量為2.65×109t/a，平均土壤保持模數(shù)為20 789.82 t/(km2·a)。水土保持功能極其重要區(qū)、高度重要區(qū)、中等重要區(qū)、較為重要區(qū)和一般重要區(qū)面積分別為3 192.54，8 205.54，15 547.71，21 519.81，74 000.20 km2，分別占全省面積的2.61%，6.70%，12.70%，17.57%和60.42%。評價結(jié)果揭示了福建省水土保持功能極其重要區(qū)、高度重要區(qū)和中等重要區(qū)主要分布在閩西和閩中2大山帶及其周邊丘陵山地區(qū)。

3.2 討 論

本研究結(jié)果在空間分布上與《福建省生態(tài)功能區(qū)劃》中水土保持功能區(qū)范圍基本一致。說明本研究結(jié)果基本合理，可為福建省生態(tài)保護(hù)紅線劃定提供參考。

福建省閩西和閩中2大山帶及其周邊丘陵山地區(qū)，森林覆蓋率高，植被對降雨攔截，消減降雨勢能，緩沖降雨對土壤的打擊，且地表枯枝落葉層有效減少土壤侵蝕，具有較高的土壤保持能力。近年來，政府相繼編制完成一批重點治理工程規(guī)劃，尤其是22個重點縣水土流失綜合治理和各種專項治理規(guī)劃等，實施了一系列退耕還林還草、封山育林育草和茶果園坡改梯等生態(tài)保護(hù)工程，提高了該區(qū)域的植被覆蓋度[4-5]。

研究區(qū)水土保持功能極其重要區(qū)、高度重要區(qū)和中等重要區(qū)主要分布在閩西和閩中2大山帶及其周邊丘陵山地區(qū)。一方面，該區(qū)域降雨豐富，且時間集中、強(qiáng)度大，極易產(chǎn)生水土流失，尤其是在丘陵山地區(qū)的裸地和坡耕地，是水土流失的主要分布區(qū)[3,13]；另一方面，該區(qū)域海拔高、坡度陡，由于人類活動，如山地茶果園開墾、礦產(chǎn)資源開發(fā)、城鎮(zhèn)開發(fā)區(qū)建設(shè)、交通設(shè)施建設(shè)等，造成周邊地表植被破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重水土流失[5,7]。可見，閩西和閩中2大山帶及其周邊丘陵山地區(qū)下墊面的植被對減少水土流失起到了重要作用。該區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)植被保護(hù)，減少陡坡開墾，實施退耕還林還草、嚴(yán)格管控生產(chǎn)建設(shè)等措施，除以預(yù)防為主外，還應(yīng)加強(qiáng)動態(tài)防護(hù)監(jiān)管，完善水土保持監(jiān)測體系，建立水土保持信息化系統(tǒng)。

本研究還存在不足：受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集限制，降雨侵蝕力估算僅采用國家級臺站數(shù)據(jù)，如能采用更多地方級臺站數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步提高估算精度；運(yùn)用RUSLE開展水土保持功能重要性評價，各因子的計算方法很關(guān)鍵，本研究坡度因子采用劉寶元的計算方法，該方法來自于黃土高原坡面實測數(shù)據(jù)，能否適用于南方丘陵區(qū)，精度有待檢驗；以土壤保持量作為生態(tài)系統(tǒng)水土保持功能重要性劃分的級數(shù)及其指標(biāo)，目前尚無明確標(biāo)準(zhǔn)，本研究結(jié)合福建省水土流失現(xiàn)狀和生態(tài)保護(hù)需求情況，采用自然斷點法將重要性評價等級分為5級，后期將根據(jù)實際調(diào)查情況進(jìn)行完善。