無定河流域土壤保持服務(wù)供需關(guān)系及服務(wù)流模擬

王玉丹， 李 晶， 周自翔， 王一達

(1.陜西師范大學地理科學與旅游學院，西安 710119；2.西安科技大學測繪科學與技術(shù)學院，西安 710054)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指生態(tài)系統(tǒng)形成和所維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效應(yīng)。目前，對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究多從自然角度出發(fā)進行靜態(tài)研究，以生物物理區(qū)域或行政區(qū)劃作為生態(tài)系統(tǒng)邊界，忽視了系統(tǒng)的開放性和景觀單元的空間異質(zhì)性導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需錯位現(xiàn)象。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流能夠在供給區(qū)與需求區(qū)之間建立空間聯(lián)系，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理的前提。

土壤保持服務(wù)為自然生態(tài)防止水土流失和保持泥沙的能力，能夠防治土壤流失、保育土壤生產(chǎn)肥力，為調(diào)節(jié)服務(wù)中的重要內(nèi)容，也是土壤健康、植被固碳、水質(zhì)凈化等功能的重要保障，研究土壤保持服務(wù)供需匹配及其服務(wù)流能夠為防治水土流失提供新視角。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛在供給為生態(tài)系統(tǒng)長期持續(xù)提供的服務(wù)且不以人的意志為轉(zhuǎn)移，土壤保持服務(wù)潛在供給即為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的控制侵蝕和攔截泥沙的能力；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛在需求則包括人類社會已獲取和人類希望獲取但受條件限制而未能獲取的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，而土壤保持服務(wù)的相關(guān)研究則對潛在需求沒有進行明確的定義。目前，對于土壤保持服務(wù)供需匹配關(guān)系開展了較多研究，但對于土壤保持服務(wù)流的模擬研究則較少。肖玉等將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流分為原位、全向和定向服務(wù)流3種類型；李雙成等將其分為供給移動服務(wù)流和使用移動服務(wù)流。對于土壤保持服務(wù)，上游地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)防治土壤流失能為下游提供侵蝕調(diào)控服務(wù)，此為沿水系進行自然傳輸?shù)亩ㄏ蚍?wù)流。Zheng等嘗試通過Dinf算法來模擬土壤保持服務(wù)空間流動路徑，并對供給區(qū)與需求區(qū)進行甄別；王勇智、梁麗麗利用SPANs(service path attribution networks)模型對土壤保持服務(wù)空間流動路徑進行模擬，但在對土壤保持服務(wù)流流量模擬時是從輸沙量角度來研究，以輸沙量的減少程度來研究對下游地區(qū)提供土壤保持服務(wù)的增加程度。

無定河流域位于黃土高原與毛烏素沙地過渡帶，暴雨集中在夏季，水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境具有波動性和脆弱性。鑒于此，本文將土壤保持服務(wù)作為研究對象，基于SWAT(soil and water assessment tool)分布式水文模型，對無定河流域土壤保持服務(wù)供需時空變化進行分析，并從供給移動服務(wù)流角度出發(fā)，對土壤保持服務(wù)中基于“土壤侵蝕—運移—沉積”過程的定向服務(wù)流—減沙服務(wù)流進行模擬與探究，揭示其空間流轉(zhuǎn)機制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

無定河流域位于黃土高原中部，跨陜西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)兩省，發(fā)源于陜西省白于山北麓，流域面積30 261 km，海拔為566～1 824 m，總體呈西北高、東南低的趨勢。流域地處半濕潤、半干旱地區(qū)交界帶，為溫帶大陸性季風氣候，雨熱同期，夏秋季的集中降雨及黃土土質(zhì)疏松易受降水侵蝕的特性成為無定河流域土壤侵蝕嚴重的重要影響因素。流域西北部為毛烏素沙地南緣，屬于風沙區(qū)，分布有流動、固定沙丘，植被稀疏，風蝕劇烈；東南部為黃土丘陵溝壑區(qū)，人類活動頻繁，以農(nóng)耕地為主，墾殖指數(shù)高，為泥沙的主要來源區(qū)。受惡劣的自然條件和強烈的人類活動影響，水土流失嚴重，土壤侵蝕速率是黃土高原地區(qū)最高的，年輸沙量占黃河下游輸沙量的14.3%。嚴重的土壤侵蝕、脆弱的生態(tài)環(huán)境成為制約無定河流域的經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

SWAT模型模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：無定河流域四、五級水系圖(中國科學院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心所，https://www.resdc.cn/)、DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)(JAXA全球ALOS—30 m地形數(shù)據(jù)，https://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/aw3d30/data/index.htm)、土地利用(中國科學院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心，30 m分辨率，https://www.resdc.cn/)、世界土壤數(shù)據(jù)(harmonized world soil database，HWSD，1∶100萬)、氣象數(shù)據(jù)(國家氣象科學數(shù)據(jù)中心，http://data.cma.cn)和水文數(shù)據(jù)(黃河水利委員會，http://www.yrcc.gov.cn/)。

1.3 研究方法

1.3.1 SWAT模型構(gòu)建 SWAT模型由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)開發(fā)，用于流域尺度水質(zhì)與水量模擬，并對水質(zhì)與水量受土地利用、土地管理等的影響情況進行定量分析和預(yù)測。本文根據(jù)無定河流域的地形、地貌、氣候、水系等的特點設(shè)定子流域最小面積閾值為40 000 hm，把無定河流域劃分為45個子流域，并利用土地利用類型、土壤數(shù)據(jù)、地形坡度等進行水文響應(yīng)單元(HRU)分析，再輸入逐日尺度氣象數(shù)據(jù)庫并由模型根據(jù)流域特征自動構(gòu)建、模擬。

(1)SWAT模型算法。SWAT模型可以模擬流域內(nèi)部多種地理過程。本文的主要研究內(nèi)容為無定河流域土壤保持服務(wù)，通過SWAT模型得到無定河流域產(chǎn)沙量，在算法部分將SWAT模型的土壤侵蝕模擬算法作為重點。

SWAT模型使用通用土壤侵蝕方程MUSLE(modified universal soil loss equation)計算泥沙量，其計算公式為：

式中：SED為土壤侵蝕量(t)；為地表徑流量(mm/h)；為洪峰流量(m/s)；為水文響應(yīng)單元的面積(hm)；為土壤侵蝕因子(無量綱)；為植被覆蓋和管理因子(無量綱)；為地形影響因子(無量綱)；為保持措施因子(無量綱)；CFRG為粗碎屑系數(shù)(無量綱)。

(2)基于SWAT模型的率定與驗證。利用ArcSWAT對無定河流域作水文模擬后，使用SWAT—CUP(SWAT—calibration and uncertainty programs)對徑流、泥沙進行率定與驗證。根據(jù)前人研究及無定河流域的實際情況，最終選取27個調(diào)徑流參數(shù)(表1中僅體現(xiàn)<0.5的18個)與7個調(diào)泥沙參數(shù)敏感性參數(shù)(表1)。

基于白家川水文站的月徑流量與月泥沙量，利用SWAT—CUP并根據(jù)“先徑流，后泥沙”的原則，對無定河流域2008—2013年徑流量與2008—2018年泥沙量進行率定與驗證，選用決定系數(shù)(correlation coefficient,)和系數(shù)(nash—sutcliffe efficiency)對結(jié)果進行適用性評價。當>0.6且>0.5時認為模擬結(jié)果可用。由圖1可知，對于徑流量，2008—2010年為率定期，=0.7，=0.64，2011—2013年為驗證期，=0.78，=0.7；由圖2可知，對于泥沙量，2008—2013年為率定期，=0.67，=0.51，2014—2018年為驗證期，=0.74，=0.72。

表1 模型敏感性參數(shù)

圖1 逐月徑流量率定期與驗證期的模擬值與觀測值對比

1.3.2 土壤保持服務(wù)供需模擬

(1) 土壤保持服務(wù)供給模擬。本文中土壤保持服務(wù)的供給量為潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量之差，計算公式為：

=SED-SED=11.8×(××)×××CFRG×(1-×)

式中：為土壤保持服務(wù)供給量(t)；SED為潛在土壤侵蝕量(t)；SED為實際土壤侵蝕量(t)。SWAT模型可以直接模擬得到實際土壤侵蝕量，但無法直接獲取潛在土壤侵蝕量，因此將SWAT模型源代碼中的因子和因子修改為1，模擬出假設(shè)不存在植被覆蓋和保持措施下的侵蝕量，則為潛在土壤侵蝕量。

(2)土壤保持服務(wù)需求模擬。由于目前研究沒有對土壤保持服務(wù)潛在需求進行明確定義，因此，將土壤保持服務(wù)潛在需求定義為不考慮技術(shù)、成本和可達性等限制因素、潛在土壤侵蝕量與通過土壤保持措施適宜分布區(qū)的布設(shè)獲得的最小侵蝕模數(shù)之差，即將潛在土壤侵蝕量與最小可能土壤侵蝕模數(shù)之差作為土壤保持服務(wù)需求量。最小可能土壤侵蝕模數(shù)為某一地區(qū)容納最大適宜水土保持措施量時的土壤侵蝕模數(shù)。

圖2 逐月泥沙量率定期與驗證期的模擬值與觀測值對比

根據(jù)中國水利部發(fā)布的《土壤侵蝕分類標準》(SL190—2007)，黃土高原容許土壤流失量為1 000 t/(km·a)，但這一值于2007年針對西北黃土高原這一大面積區(qū)域提出，時效性較差，且對于無定河流域來說區(qū)域適用性較小。因此，擬采用Gao等布設(shè)不同土壤保持措施適宜分布區(qū)的方法，并考慮到無定河流域位于半濕潤半干旱地區(qū)交界處，西北部為毛烏素沙地過渡帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，在水土保持措施布設(shè)方法基礎(chǔ)上修改布設(shè)的優(yōu)先級，將草地設(shè)為最優(yōu)先的地位，建立了相應(yīng)的土地利用類型，得到2000—2020年無定河流域最小侵蝕模數(shù)，求得無定河流域月平均最小侵蝕模數(shù)為45 t/(km·月)。

因此，土壤保持服務(wù)需求量具體計算公式為：

=-45

式中：為土壤保持服務(wù)需求量(t)；為潛在土壤侵蝕量(t)。

(3)土壤保持服務(wù)盈虧量。為進一步分析土壤保持服務(wù)供需關(guān)系，使用土壤保持服務(wù)盈虧量來做進一步探究，即土壤保持服務(wù)供給量與需求量之差。計算公式為：

=-

式中：即土壤保持服務(wù)盈虧量(t)；為土壤保持服務(wù)供給量(t)；為土壤保持服務(wù)需求量(t)。當>0，則子流域土壤保持服務(wù)為盈余，當<0，則為虧損；當=0，則子流域的土壤保持服務(wù)為盈虧絕對平衡狀態(tài)。

1.3.3 土壤保持服務(wù)空間流動模型 減沙服務(wù)是基于“土壤侵蝕—運移—沉積”過程的定向服務(wù)流，因此以減沙服務(wù)量為無定河流域土壤保持服務(wù)流的研究對象。

(1)減沙服務(wù)流動模型。使用Tarboton提出的多流量模型Dinf算法來模擬土壤保持服務(wù)流動路徑。在3像元×3像元窗口中，中心柵格單元與周圍8個柵格單元形成三角形中的最大坡度為該柵格單元坡度，以該三角形的坡向為流向，且當前柵格單元流經(jīng)的水流方向能夠確定2個下游柵格單元。

(2)減沙服務(wù)流量及受益分析。減沙服務(wù)流量計算公式為：

號子流域減沙服務(wù)受益值為與其連通的上游各子流域減沙服務(wù)總流量與號子流域減沙服務(wù)量之和，計算公式為：

=∑+

式中：為第個子流域減沙服務(wù)受益值(t)；∑為與子流域相連通的所有上游子流域減沙服務(wù)流流量的累計值(t)；為第個子流域中減沙服務(wù)量(t)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤保持服務(wù)供需時空變化分析

由圖3可知，2000—2020年無定河流域土壤保持服務(wù)供給量與需求量變化趨勢具有較強的一致性，且兩者總體上都呈波動上升的趨勢，而在2000—2020年降水量也大體呈上升趨勢，黃土高原降水集中多為暴雨是影響水土流失的重要因素，降水量的增加導(dǎo)致土壤侵蝕強度增加，土壤侵蝕潛力也隨之增加，表現(xiàn)出高供給高需求的情況。此外，整體上無定河流域土壤保持服務(wù)需求量大于供給量，且供給與需求均主要集中在每年的6—9月，與降雨量較多的月份相對吻合。其中，2001年8月、2013年7月、2017年7月供給量及需求量達到了2000—2020年所有月份中的較大值，供給量均超過2.5×10t，分別為2.92×10，2.85×10，3.14×10t，而這3個月的需求量則均超過了3.5×10t，分別為3.55×10，3.59×10，3.87×10t。相應(yīng)地，月均降水量在這3個月也達到了較大值，分別為213，209，180 mm。無定河流域土壤保持服務(wù)對降水情況尤其是夏季強降雨情況反映迅速，具有較強的相互對應(yīng)關(guān)系，進一步說明降水是影響無定河流域土壤保持服務(wù)的決定性因素。

圖3 2000-2020年無定河流域月土壤保持服務(wù)供需量與降水量

空間上，為研究無定河流域土壤保持服務(wù)空間分布規(guī)律，選取2000年、2005年、2010年、2015年、2020年繪制空間分布圖，由圖4可知，整體上無定河流域的土壤保持服務(wù)供給量與需求量的空間分布格局相對具有一致性，具有明顯的空間分異規(guī)律，均呈西北低、東南高的分布特點，且在2000—2020年均呈波動上升趨勢。而在我國，降水量空間分布特點為東南向西北逐漸遞減，與無定河流域內(nèi)土壤保持服務(wù)供需量空間分布特點相符。在研究期間內(nèi)，無定河中上游地區(qū)供給量與需求量相對較穩(wěn)定，常年低于500 t/km。這部分區(qū)域以草地為主要土地利用類型，且降水少，大部分區(qū)域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)，地廣人稀，侵蝕潛力小，潛在侵蝕量與實際侵蝕量均小，供給量與需求量較少。而中下游地區(qū)供給量與需求量上升趨勢明顯，這些地區(qū)以耕地為土地利用類型，降水量大，潛在侵蝕量與實際侵蝕量較多，供給量與需求量均高。到2020年，39，42，43號子流域供給量與需求量均超過了60 000 t/km，表明39，42，43號子流域在研究期間表現(xiàn)出了較大的不穩(wěn)定性，2020年耕地面積占比分別高達97.35%，98.48%，89.36%，且子流域面積小，單位面積土壤保持服務(wù)供給量與需求量顯著增高。

2.2 土壤保持服務(wù)盈虧時空變化分析

為了凸顯無定河流域土壤保持服務(wù)的供需情況，本文使用盈虧量來表征土壤保持服務(wù)的供需關(guān)系。由圖5可知，無定河流域土壤保持服務(wù)2000—2020年間盈余的月份較少，共有107個，占研究期的42%，且盈余量小，均低于9×10t；而占研究期58%的145個月份表現(xiàn)為虧損狀態(tài)，虧損量大且呈波動性增加趨勢，其中虧損量較大的月份主要集中在7—9月，這進一步體現(xiàn)出在無定河流域降水量尤其是強降雨對于土壤保持服務(wù)的盈虧量起著絕對性的作用。

由圖4可知，空間上，無定河流域土壤保持服務(wù)盈余的區(qū)域主要為中上游地區(qū)，表現(xiàn)為盈余區(qū)域的同時盈余量較少，均低于500 t/km。這表明這些區(qū)域土壤保持服務(wù)的供需基本保持平衡，供略大于需。在2000—2020年間中上游地區(qū)實際土地利用類型以草地為主，盡管在2020年耕地、裸地、城市用地面積比2000年有所增加，但土地利用類型總體上變化不大，且坡度以5°以下為主，不易形成地表徑流，侵蝕強度較低，因此多為盈余區(qū)域的同時盈余量少。無定河流域中下游地區(qū)則表現(xiàn)為虧損，2000—2020年虧損量大且整體為虧損加重趨勢，較大面積虧損區(qū)域虧損量達到500 t/km以上。除了其位于半濕潤地區(qū)降水量相對較多雨水沖刷量大外，這些地區(qū)坡度主要為15°以上，易受侵蝕，且城市用地擴張、植被占地面積降低導(dǎo)致土壤可侵蝕性增加，土壤實際侵蝕量隨之增加。

2.3 土壤保持服務(wù)空間流動模擬

減沙服務(wù)流流量及受益值結(jié)果見圖4。服務(wù)流的箭頭指向為減沙服務(wù)在無定河流域各子流域內(nèi)的流動路徑，而符號的粗細則表示流的大小。無定河流域內(nèi)減沙服務(wù)流的流動路徑與河網(wǎng)水系具有較高的一致性，2000—2020年期間流量波動性增多，尤其2020年在下游地區(qū)增長明顯。以研究期內(nèi)流量變化較大的39號子流域為例(圖6)，研究期內(nèi)39號子流域減沙服務(wù)流流量呈波動上升趨勢。表明自2000年黃土高原地區(qū)實施退耕還林還草措施以來，無定河流域保沙能力提升，產(chǎn)沙量減少，生態(tài)系統(tǒng)提供的減沙服務(wù)逐步增多。

圖4 無定河流域土壤保持服務(wù)供給量、需求量、盈虧量、受益量時空分布

圖5 2000-2020年無定河流域土壤保持服務(wù)月盈虧量

生態(tài)系統(tǒng)通過植被根系保育土壤，通過截留、吸收、下滲作用降低降水和徑流對土地的沖刷力從而能夠減少泥沙。當上游子流域泥沙量減少時能夠減少徑流中攜帶的泥沙量，從而為下游地區(qū)提供減沙服務(wù)，此傳輸過程具有累加效應(yīng)。因此減沙服務(wù)受益量在傳輸過程中不受子流域的盈虧所影響，子流域的受益值包括其自身和與其聯(lián)通的上游子流域減沙服務(wù)的總量。

鑒于此，選取3號子流域、21號子流域和45號子流域作對比。3號子流域為無定河流域的邊緣子流域，其不與上游連通，受益值為自身減沙服務(wù)的值，研究期內(nèi)年均受益值為6.75×10t；21號子流域與1，2，3，4，7，8號這6個子流域連通，其受益值為自身減沙服務(wù)的值與這6個子流域產(chǎn)生的減沙服務(wù)受益量之和，研究期內(nèi)21號子流域年均受益值達到3.98×10t；而作為無定河流域出水口的45號子流域，在經(jīng)過1～44號子流域減沙服務(wù)受益量的累加后，其最終的年受益值為8.44×10t。

注：以39號子流域為例。

3 討 論

土壤保持服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)之一，能夠抑制侵蝕產(chǎn)沙和調(diào)控泥沙傳輸從而減少對當?shù)睾拖掠螏淼呢撁嫔鷳B(tài)效應(yīng)。土壤保持服務(wù)流通過模擬生態(tài)系統(tǒng)阻滯泥沙傳輸路徑，明確服務(wù)的供給區(qū)與受益區(qū)，量化供給與需求的空間失耦程度，建立起流域上中下游之間的空間聯(lián)系，將上中下游視為一個整體，為流域水土流失綜合治理和生態(tài)修復(fù)提供參考。土壤保持服務(wù)與人類福祉密切相關(guān)，未來應(yīng)該關(guān)注土壤保持服務(wù)與人類福祉的關(guān)系，建立兩者之間的互饋機制，進一步促進水土流失防治政策的科學制定。

本文在對土壤保持服務(wù)需求量化時，重構(gòu)水土保持措施適宜分布區(qū)得到最小土壤侵蝕模數(shù)，避免了將實際侵蝕量直接作為土壤保持需求量所存在的問題。從供給移動服務(wù)流角度對減沙服務(wù)流進行模擬，一定程度解決了以輸沙量減少程度作為服務(wù)供給量所導(dǎo)致的土壤保持服務(wù)與輸沙產(chǎn)沙危害兩者的概念沖突問題。路徑模擬方法上選取多流量Dinf算法來模擬，根據(jù)李宗梅等的研究，Dinf算法提取水系的質(zhì)量高于常用的單向流D8算法，對D8算法易產(chǎn)生的“平行”偽河道問題進行了改進。

使用SWAT水文模型模擬時存在不確定性的問題。SWAT模型能夠基于物理過程較好地對水文過程進行長期連續(xù)模擬，特別是對月尺度水文過程模擬，但黃土高原地區(qū)河流泥沙通常由汛期的短歷時高強度暴雨造成，對其水土流失具有決定性影響。無定河流域徑流量與泥沙量對單日降雨量反映迅速，在SWAT模型中不能較好地體現(xiàn)。此外，已有研究發(fā)現(xiàn)，SWAT模型對夏季汛期徑流量模擬較好，對于3—4月的春汛或降雨較少的枯水期模擬效果則較差，這與SWAT模型在國內(nèi)其他干旱半干旱地區(qū)應(yīng)用結(jié)果一致，徑流量枯水期模擬結(jié)果或進一步影響泥沙模擬的效果。

對無定河流域土壤保持服務(wù)的研究是以SWAT模型中使用的MUSLE模型所得結(jié)果為基礎(chǔ)的，其為水力侵蝕模型。無定河流域土壤侵蝕模式以水力侵蝕為主，約1/6的輸沙量是由風力作用產(chǎn)生的，由風蝕造成的土壤侵蝕在本研究中沒有考慮。

4 結(jié) 論

(1)無定河流域土壤保持服務(wù)供給與需求量變化趨勢具有較強一致性，二者呈波動上升趨勢，均與降水具有較強的相互對應(yīng)關(guān)系。虧損量大的月份集中在夏季，故應(yīng)關(guān)注汛期降水和極端降水對土壤保持服務(wù)帶來的影響。

(2)無定河流域土壤保持服務(wù)盈虧量化識別出供需錯配的關(guān)鍵區(qū)域。中上游地區(qū)整體較穩(wěn)定，供給略大于需求，盈余量低于500 t/km，中下游地區(qū)明顯不穩(wěn)定，研究期間虧損量增大且需求遠大于供給，大多數(shù)子流域虧損量達到500 t/km以上。故應(yīng)對無定河流域中下游地區(qū)布設(shè)針對性的水土保持措施。

(3)無定河流域內(nèi)減沙服務(wù)流動路徑與河網(wǎng)水系具有較高的一致性，研究期內(nèi)流量波動性增多。減沙服務(wù)流將服務(wù)供給區(qū)與受益區(qū)聯(lián)系在一起，突出水土流失治理的流域整體性，可以為生態(tài)補償、土地利用管理提供理論支撐。