秦巴山區(qū)退耕還林(草)典型區(qū)域土地利用和土壤保持服務(wù)變化研究
——以文縣為例

張 強(qiáng)，陸 蔭，楊 青

(甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，甘肅 蘭州 730020)

1 引言

土壤侵蝕是指土壤或其他地面組成物質(zhì)在自然營力或人類活動的共同作用下被剝蝕、破壞、分離、搬運(yùn)和沉積的過程，是威脅生態(tài)安全的重要問題之一，已受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1，2]。健康的生態(tài)系統(tǒng)需要一定的侵蝕和沉積，但土壤侵蝕過度會破壞耕地資源，造成一系列自然災(zāi)害，嚴(yán)重影響人類的生產(chǎn)生活活動和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展[3]。土壤保持是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要服務(wù)功能之一，主要包括侵蝕控制和沉積物保持。土壤保持與地形地貌、土壤性質(zhì)、植被蓋度、降雨強(qiáng)度和農(nóng)業(yè)活動、工程建設(shè)等人為因素密切相關(guān)[4]。退耕還林(草)等生態(tài)工程對土地利用結(jié)構(gòu)變化影響巨大，而土地利用結(jié)構(gòu)變化與土壤保持服務(wù)存在強(qiáng)烈耦合關(guān)系[5，6]。隴南市文縣處于秦巴山區(qū)的最西端，西秦嶺侵蝕構(gòu)造中高山地區(qū)，為甘肅省地質(zhì)災(zāi)害最發(fā)育，危害最嚴(yán)重的縣區(qū)之一[7]，自1999年實(shí)施退耕還林(草)等生態(tài)工程后，文縣的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，土壤保持功能也隨之改變，但目前在該區(qū)域研究生態(tài)工程的實(shí)施對土地利用和土壤保持的影響相對較少。

通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)以潛在土壤侵蝕量和實(shí)際侵蝕量之差來計(jì)算土壤保持量，是目前應(yīng)用最廣泛的土壤侵蝕模型[8]。但該模型未考慮地塊自身攔截上游沉積物的能力。InVEST模型(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)是由美國斯坦福大學(xué)環(huán)境森林研究所、世界自然基金(WWF)和大自然保護(hù)協(xié)會(TNC)于2007年共同研發(fā)的一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡綜合評估模型[9]。該模型的土壤保持模塊考慮了地塊本身攔截上游沉積物的能力，不僅能更加準(zhǔn)確地計(jì)算地塊的潛在土壤侵蝕量、實(shí)際土壤侵蝕量、土壤保持量，而且還能夠結(jié)合沉積物清除成本、水庫設(shè)計(jì)和貼現(xiàn)率來計(jì)算沉積物保留價(jià)值，為水庫管理者提供決策參考[10]。

鑒于此，本研究以文縣為研究區(qū)，采用InVEST模型和ArcGIS平臺，選擇2000年和2015年兩個研究時段，評估區(qū)域退耕還林(草)等生態(tài)工程實(shí)施后土地利用的變化和土壤保持服務(wù)的變化，以期為該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境治理和土壤侵蝕治理方案制定提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概述

文縣隸屬甘肅省隴南市，處于甘肅省與四川省的交界處，地理位置介于E104°16′16″～105°27′29″，N32°35′43″～33°20′36″，總面積約5000 km2[11]。區(qū)域地處西秦嶺侵蝕構(gòu)造中高山地區(qū)，地勢西北高東南低，地表起伏大，海拔介于550～4187 m，屬亞熱帶向暖溫帶的過渡地帶，多年平均降水量介于400～1000 mm，地震活動頻繁，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[12]。2018年文縣的三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為24.33%∶24.31%∶51.36%，其中，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有悠久的歷史，但耕地多為陡坡旱地，土壤肥力低，形成粗放落后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式；礦產(chǎn)資源豐富，已探明的金屬非金屬礦藏30余種。且隨著人口的增多，新開墾耕地面積增多，水利工程興建，炸山開路，修路建房等一系列人類活動，造成大面積的水土流失，加劇自然災(zāi)害的發(fā)生頻數(shù)[7]。

3 研究方法

3.1 土地利用變化分析

利用ArcGIS10.6，開展文縣2000年和2015年兩期土地利用的空間分布及其轉(zhuǎn)移矩陣研究，分析退耕還林(草)工程實(shí)施后的土地利用變化情況，進(jìn)一步分析了土地利用變化對土壤保持服務(wù)的影響。

3.2 土壤保持服務(wù)核算

本研究運(yùn)用InVEST模型，開展文縣2000年和2015年兩期土壤保持服務(wù)的變化分析，土壤保持服務(wù)包括土壤保持服務(wù)的物質(zhì)量和價(jià)值量。InVEST模塊中土壤保持物質(zhì)量由兩部分組成，一部分是地塊自身攔截的沉積物保留量，用上坡來沙量與泥沙截留率乘積表示。另一部分是因植被覆蓋和水土保持措施而減少的土壤侵蝕量，用潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量的差值表示；土壤保持的價(jià)值量涵蓋土壤保持的肥力價(jià)值和減少泥沙淤積價(jià)值，土壤肥力價(jià)值為養(yǎng)分價(jià)值和有機(jī)物價(jià)值之和，減少泥沙淤積價(jià)值采用影子工程法測算[13]。

4 數(shù)據(jù)來源

研究所需的空間數(shù)據(jù)主要包括土地利用/覆被數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)，土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)，生物物理表、匯水積累量閾值、BorselliK參數(shù)、BorselliICo參數(shù)和SDR 最大值等InVEST模型所需參數(shù)數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)及模型主要參數(shù)的獲取路徑如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)來源及其獲取路徑

5 文縣土地利用變化與土壤保持服務(wù)變化

5.1 文縣土地利用動態(tài)變化分析

根據(jù)文縣2000～2015年的土地利用類型面積及百分比、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2、表3)可得，文縣的林地、草地和耕地占全區(qū)域土地面積的主要部分，其占比在97%以上。2000～2015年，文縣耕地的轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積，為唯一轉(zhuǎn)出的土地利用類型，林地、草地、水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用土地的轉(zhuǎn)入面積大于轉(zhuǎn)出面積，均為轉(zhuǎn)入土地利用類型。由于退耕還林(草)政策的實(shí)施，大部分耕地轉(zhuǎn)為林地和草地，占耕地轉(zhuǎn)出面積的70.73%。其中，林地占比最大，多年平均土地面積占土地總面積比例超過46%，2000～2015年林地面積增加11.10 km2，增幅為0.48%；其次占比較大的為草地，其多年平均土地面積占土地總面積比例超過33%，2000～2015年草地面積增加35.33 km2，增幅為2.10%；耕地的多年平均土地面積占土地總面積的比例為17.44%，2000～2015年耕地面積下降65.65 km2，呈明顯的下降趨勢，其轉(zhuǎn)出比例達(dá)7.26%；水域和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地、未利用土地的面積占土地總面積的比例較小，不足1%，各土地利用面積均呈明顯的上升趨勢，因其基數(shù)較小，其增幅較大，分別為19.71%、39.24%、14.27%。其中，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地是所有土地利用類型中增幅最大的，根據(jù)文縣統(tǒng)計(jì)年鑒，2000～2015年區(qū)域總?cè)丝诩s增加2.26萬人，人口的快速增長導(dǎo)致城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的需求量增加，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積的增加可能與人口的增加有關(guān)。

表2 2000～2015年文縣土地利用類型百分比 %

表3 2000～2015年間文縣土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

從文縣的土地利用空間分布(圖1)來看，2000年和2015年文縣的兩期土地利用空間分布較為一致，各類土地利用呈明顯的空間差異性。其中，林地集中分布在文縣的北部和南部部分區(qū)域，草地鑲嵌分布于林地及其邊緣區(qū)域；耕地集中分布在區(qū)域中部的河谷區(qū)域，居民點(diǎn)也分布在河谷區(qū)域，且沿河流分布，未利用土地零星分布在區(qū)域北部。

圖1 研究區(qū)土地利用

林地、草地和耕地是文縣的主要土地利用類型，且為退耕還林還草的主要變化類型，本研究分析了退耕還林還草的空間分布、及其雙向流動的空間分布(圖2)。耕地的轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積，其中，退耕還林還草的斑塊面積較大，在全域均有分布，且轉(zhuǎn)出耕地多為山地旱地，山地旱地轉(zhuǎn)為草地的面積占退耕還林還草面積的74.05%，山地旱地轉(zhuǎn)為林地的面積占退耕還林還草面積的23.26%；林地和草地轉(zhuǎn)為耕地的區(qū)域在北部和中部均有分布，其轉(zhuǎn)出面積分別為6.66 km2、38.50 km2。林地和草地也存在雙向流動，林地轉(zhuǎn)為草地的轉(zhuǎn)出面積大于草地轉(zhuǎn)為林地的轉(zhuǎn)出面積，林地轉(zhuǎn)為草地的區(qū)域集中分布在區(qū)域西北部，其轉(zhuǎn)出面積為33.56 km2，草地轉(zhuǎn)為林地的區(qū)域集中分布在區(qū)域中東部，其轉(zhuǎn)出面積為28.68 km2。

圖2 2000～2015年研究區(qū)土地資源變化表4 文縣各地類土壤保持量

5.2 文縣土壤保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化

根據(jù)InVEST模型測算可得，2000年、2015年文縣的土壤保持量總量分別為4.87×108t、4.96×108t，區(qū)域土壤保持總量增幅為9.38×106t。

如表4所示，各地類中林地、草地和耕地對文縣土壤保持量的貢獻(xiàn)率較高，2000年和2015年兩期的平均貢獻(xiàn)率分別為56.23%、29.86%、11.88%，水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用土地的貢獻(xiàn)率較小，其兩期均小于1.05%。其中，林地、草地、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和水域的土壤保持總量呈上升趨勢，林地的土壤保持總量增幅最大，草地次之，2000～2015年的林地、草地的土壤保持總量增幅分別為10.92×106t、2.35×106t，雖然林地面積增幅小于草地，但林地的平均土壤保持量最大，其多年平均土壤保持量為11.85×104t/km2；耕地和未利用土地的土壤保持總量呈下降趨勢，其土壤保持總量降幅分別為4.44×106t、0.17×106t，由于未利用土地面積較小，且耕地的平均土壤保持量較小，其多年平均土壤保持量僅為6.69×104t/km2，導(dǎo)致土壤保持的降幅明顯小于增幅。

一級地類二級地類 平均土壤保持量104 t/km22000年土壤保持總量104 t2015年土壤保持總量104 t耕地水田1.9731.23 30.80 旱地6.786025.99 5582.35 林地有林地12.5120185.70 20103.50 灌木林11.096882.40 6904.05 疏林地11.026.04 1002.51 其他林地9.478.14 162.94 草地高覆蓋度草地10.198319.48 8419.88 中覆蓋度草地7.276203.45 6304.99 低覆蓋度草地2.927.44 60.83 水域河渠11.83342.98 315.58 湖泊9.250.78 0.89 水庫坑塘6.956.24 55.89 灘地7.442.45 10.89 城鄉(xiāng)、城鎮(zhèn)用地1.541.26 2.36 工礦、農(nóng)村居民點(diǎn)5.77105.87 138.39 居民用地其他建設(shè)用地6.55—7.64 未利用土地裸土地14.62—113.44 裸巖石礫地8.8743.66 253.10 其他13.22462.78 123.39

考慮保持土壤肥力價(jià)值和減少泥沙淤積價(jià)值，采用市場價(jià)格法計(jì)算可知，文縣2000年和2015年兩期的土壤保持總價(jià)值分別為316.26億元、322.36億元，區(qū)域土壤保持總價(jià)值量增幅為6.09億元。

如表5所示，文縣的各地類中林地、草地和耕地的土壤保持價(jià)值量較高，2015年各地類的土壤保持價(jià)值總量分別為183.12億元、96.11億元、36.49億元，水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用土地的土壤保持價(jià)值量較小，2015年各地類的土壤保持價(jià)值量分別為2.49億元、0.96億元、3.18億元。與土壤保持總價(jià)值量的變化趨勢一致，林地、草地、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和水域的土壤保持價(jià)值量呈上升趨勢，耕地和未利用土地的土壤保持價(jià)值量呈下降趨勢。

表5 文縣各地類土壤保持價(jià)值 萬元

6 結(jié)語

為評估退耕還林(草)工程對土壤保持服務(wù)的影響，本研究以秦巴山區(qū)隴南市文縣為例，采用InVEST模型和ArcGIS平臺，對文縣2000年和2015年兩期的土地利用和土壤保持服務(wù)變化進(jìn)了行分析，結(jié)果如下。

(1)文縣的土地利用類型主要由林地、草地和耕地組成，其占比占97%以上。2000～2015年期間，文縣耕地的轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積，為唯一轉(zhuǎn)出的土地利用類型，林地、草地、水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用土地的轉(zhuǎn)入面積大于轉(zhuǎn)出面積，均為轉(zhuǎn)入土地利用類型，且城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的增幅最大。

(2)耕地、林地、草地之間存在雙向流轉(zhuǎn)，其中，退耕還林還草區(qū)域多為山地旱地，山地旱地轉(zhuǎn)為草地的面積占退耕還林還草面積的74.05%，山地旱地轉(zhuǎn)為林地的面積占退耕還林還草面積的23.26%。

(3)各地類的土壤保持服務(wù)能力存在明顯差異，總體呈現(xiàn)出：林地>草地>耕地>未利用地>水域>城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的特征。

(4)2000～2015年間的退耕還林(草)工程的實(shí)施有效提高了文縣的土壤保持能力，區(qū)域的土壤保持物質(zhì)總量增加了937.53×104t，總價(jià)值增加了6.09億元。