基于InVEST模型的金塔縣土壤侵蝕和土壤保持狀況評價(jià)

郭佳昊，李純斌，吳靜

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

土壤侵蝕是土壤或其他地面組成物質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融、重力等外營力作用下，被剝蝕、破壞、分離、搬運(yùn)和沉積的過程［1］，雖然這是一個(gè)自然過程，但是過度的土壤侵蝕不但會造成土壤資源的嚴(yán)重受損，生態(tài)環(huán)境的極度惡化，而且會造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，土壤侵蝕已經(jīng)成為全球性生態(tài)環(huán)境問題，而我國又是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一。因此，研究土壤侵蝕的發(fā)生規(guī)律對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義［1］。土壤保持功能是一項(xiàng)非?；镜年懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，近年來日益受到重視，而土壤侵蝕量化研究方法的發(fā)展，為生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能研究提供了很好的方法。目前，對土壤侵蝕和土壤保持功能的研究主要采用美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的預(yù)報(bào)坡地年均土壤流失量的通用水土流失方程（universal soil and water loss equation，USLE）［2］，該計(jì)算方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于流域、區(qū)域尺度土壤流失預(yù)測，適用性與準(zhǔn)確性均較強(qiáng)［3-4］。但是，該計(jì)算方法并未考慮地塊自身攔截上游沉積物的能力，所以對土壤保持量的計(jì)算存在一定缺陷［5］，而由美國斯坦福大學(xué)伍茲環(huán)境研究所、世界自然保護(hù)基金會（WWF）、大自然保護(hù)協(xié)會（The Nature Conservancy）以及明尼蘇達(dá)大學(xué)環(huán)境研究所于2008年聯(lián)合開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合估價(jià)和權(quán)衡得失評估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Ser‐vices and Tradeoffs，InVEST）［6-7］中的泥沙輸移比模塊（SDR Sediment Delivery Ratio）在通用水土流失方程的基礎(chǔ)上考慮了地塊自身攔截上游沉積物能力，該模型通過多個(gè)版本的程序更新，現(xiàn)行的3.8.8版本程序?qū)ν寥辣３止δ茉u估的合理性和準(zhǔn)確性方面均得到提升，并且以柵格為計(jì)算單元，生成的區(qū)域內(nèi)柵格單元下的土壤保持評估結(jié)果能夠?qū)⒔Y(jié)果更直觀地展示出來，也更方便對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析。國外已成功運(yùn)用于美國內(nèi)華達(dá)山脈［8］、俄勒岡州［9］、加利福尼亞州［10］等地區(qū)，國內(nèi)也有許多學(xué)者將該模型用于土壤保持功能研究分析之中，劉曉娜等［11］利用In‐VEST模型對北京市門頭溝區(qū)不同土地利用下土壤保持功能進(jìn)行了分析和評估； 何莎莎等［12］利用InVEST模型對太行山淇河流域的土壤保持功能進(jìn)行了研究，對不同土地利用以及不同海拔高度下的土壤保持功能進(jìn)行了動態(tài)分析；陳童堯［13］利用InVEST模型對祁連山國家自然保護(hù)區(qū)土壤保持現(xiàn)狀、功能和價(jià)值量做了分析與評估。由此可見，InVEST模型對于國內(nèi)土壤保持功能研究的應(yīng)用范圍越來越廣泛。

甘肅省酒泉市金塔縣地處巴丹吉林沙漠邊緣，是西北水土資源開發(fā)極具代表性的區(qū)域之一。作為西北地區(qū)重要的水土保持生態(tài)屏障，由于氣候干旱和土壤沙化嚴(yán)重，其自然植被遭到破壞之后難以恢復(fù)，極易在各種侵蝕營力的作用下產(chǎn)生大量裸露的沙地，嚴(yán)重危害金塔縣環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，研究金塔縣的土壤侵蝕狀況以及土壤保持現(xiàn)狀對制定有針對性的土壤保持措施具有重要意義?；贗nVEST模型對酒泉市金塔縣土壤侵蝕及土壤保持狀況進(jìn)行研究，找出其空間分布規(guī)律，以期為金塔縣的土壤侵蝕防治提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

金塔縣地處河西走廊中段北部邊緣，甘肅省酒泉市東北部，屬酒泉市管轄。地理坐標(biāo)：E 98°00′~100°07′，N 39°47′~40°15′（圖1）。東與高臺縣毗鄰，西與玉門市接壤，南鄰肅州區(qū)和嘉峪關(guān)市，北靠內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗，馳名中外的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心坐落于縣境內(nèi)東北部，是現(xiàn)代飛天的故鄉(xiāng)?？h域內(nèi)海拔最高1 891 m，最低972 m，相對高差919 m，東西長約180 km，南北寬約120 km，總面積1.67萬km2。金塔縣深居內(nèi)陸，氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，居于溫帶荒漠氣候向暖溫帶荒漠氣候過渡的交匯地帶。年均氣溫8 ℃，年均降水量59.9 mm，極端最多年降水量117.1 mm，蒸發(fā)量2 538 mm，為降水量的40多倍，屬嚴(yán)重干旱區(qū)。降水的年內(nèi)分配因受東亞大陸性氣候的影響，表現(xiàn)為汛期降水量相對較多而集中；春季雨水少而不穩(wěn)定；冬季雨雪甚少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年6~9月降水量占全年降水量的70%左右；10~12月降水最少，占全年降水量的5%左右。

圖1 金塔縣地理位置及海拔示意圖Fig.1 Geographical location and elevation map of Jinta County

1.2 模型原理

InVEST 模 型 SDR（Sediment Delivery Ratio）模塊以通用土壤流失方程ULSE為基礎(chǔ)，并加以改進(jìn)，充分考慮植被不僅能夠緩解土壤侵蝕，而且對上游泥沙具有一定攔截作用。模型原理及計(jì)算方法見式（1）~（3）

實(shí)際土壤侵蝕量即考慮植被覆蓋和相對應(yīng)的水土保持措施計(jì)算公式：

潛在土壤侵蝕量即不考慮植被覆蓋和相對應(yīng)的水土保持措施的情況下的土壤侵蝕量計(jì)算公式：

土壤保持量：

式中：Ri表示柵格單元i的降水侵蝕性因子，Ki表示柵格單元i的土壤可蝕性因子，LSi表示柵格單元i的坡度坡長因子也就是地形因子，Ci表示柵格單元i的植被覆蓋和作物管理因子，Pi表示柵格單元i的水土保持措施因子。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 數(shù)據(jù)來源 本研究使用的數(shù)據(jù)均采取30 m×30 m分辨率，主要包括數(shù)字高程模型（DEM）、降水?dāng)?shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤屬性等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 數(shù)據(jù)需求及來源Table 1 Data requirements and sources

1.3.2 降水侵蝕力因子 降水侵蝕力是降水引起土壤侵蝕的潛在能力，R值即降水侵蝕力因子（Rainfall Erosivity）是評價(jià)這種潛在能力的一個(gè)動力指標(biāo)［14］，它反映了降水對土壤的侵蝕作用，既是客觀評價(jià)降水對土壤剝離、搬運(yùn)侵蝕的動力指標(biāo)，也是監(jiān)測山丘土壤流失量和估算湖、庫、河底淤積沙源的重要依據(jù)之一。該變量取決于研究區(qū)降水強(qiáng)度和歷時(shí)，單次降水強(qiáng)度和歷時(shí)越大，降水侵蝕力越大。本研究通過比較前人關(guān)于中國降水侵蝕力的各種算法精確度以及數(shù)據(jù)獲取難易程度［15-16］，采用章文波等［17］建立的基于日降水量的降水侵蝕力簡易算法模型，選取了金塔縣及周圍十一個(gè)氣象站點(diǎn)1986~2019年逐日降水量數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各站點(diǎn)降水侵蝕力數(shù)據(jù)并通過空間插值得到金塔縣降水侵蝕力R圖層（圖2）其計(jì)算公式如下：

圖2 金塔縣降水 侵蝕力（R）Fig.2 Rainfall erosivity of Jinta County（R）

式中：Ri為第i個(gè)半月時(shí)段的侵蝕力值其單位為MJ/（mm·hm2·h）；K為半月時(shí)段內(nèi)的天數(shù)；Pj為半月時(shí)段內(nèi)第j天的日降水量，為對應(yīng)中國侵蝕性降水標(biāo)準(zhǔn)［16］要求日降水量大于等于12 mm，小于12 mm以0計(jì)算；α和β為模型待定參數(shù)其取值公式如下：

式中：Pd12為日降水量大于等于12 mm的日平均降水量，Py12為日降水量大于等于12平考試mm的年平均降水量。

1.3.3 土壤可蝕性因子 土壤可蝕性K值表示衡量土壤顆粒對降水和徑流侵蝕和搬運(yùn)作用敏感性的指標(biāo)，最常用的K值推算方法為Wischmeier提出的可蝕性諾謨圖［18-19］，但是可蝕性諾謨圖所需的土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)以及滲透級別資料較難獲取，所以本研究采用美國學(xué)者Williams等提出的EPIC模型中的公式進(jìn)行計(jì)算［20］，該方法采用土壤顆粒組成數(shù)據(jù)和土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

式中：K為土壤可蝕性因子，SAN為土壤中砂粒含量、SIL為土壤中粉粒含量、CLA為土壤中粘粒含量，C則為土壤有機(jī)碳含量（%），SN1=1-SAN/100，由于該公式使用的是美國制，計(jì)算結(jié)果乘以0.131 7，轉(zhuǎn)化為國際制單位（t·hm2·h）/ （hm2·MJ·mm）［21］。最終得到金塔縣土壤可蝕性因子K值柵格圖層（圖3）。

圖3 金塔縣土壤可蝕性（K）Fig.3 Soil erodibility of Jinta County （K）

1.3.4 坡長和坡度因子 坡長因子表示其他條件相同時(shí)，一定坡長的坡面上，土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)典型坡面土壤流失量的比值。坡度因子表示其他因子相同時(shí)，一定坡度的坡面上，土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)典型坡面土壤流失量的比值，是侵蝕加速因子，與坡長因子一起反映地形地貌特征對土壤侵蝕的影響［22］。InVEST模型已經(jīng)將坡長和坡度因子（LS）嵌入運(yùn)行程序之中，只需輸入研究區(qū)DEM高程圖和流域圖即可，不需再單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算。

1.3.5 生物物理系數(shù)表 土壤侵蝕模塊所需生物物理系數(shù)表包含C（植被覆蓋因子）和P（水土保持因子）。

C（植被覆蓋因子）：植被覆蓋度與徑流量、土壤流失量有很強(qiáng)的相關(guān)性；相同覆蓋度的不同植被類型也有不同的土壤侵蝕量。同條件下，植被覆蓋度越高，植被覆蓋因子越低。介于0~1。主要受土地利用類型、土壤水分、植被覆蓋度及植被的種植順序等因素的影響，當(dāng)C值為1時(shí)，表示地面處于完全裸露狀態(tài)，沒有任何植被；當(dāng)C值接近0時(shí)，表示地面植被覆蓋良好。

P（水土保持措施因子）：指在采取某一特定水土保持措施后，地表土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)順坡種植條件下的土壤流失量的比值。其值在0~1，極值0代表無侵蝕，極值1表示未采取水土保持措施。

本研究土地利用類型分類采用中國科學(xué)院“八五”重大應(yīng)用項(xiàng)目“國家資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)分析”從土地的資源角度建立起了一套基于空間分辨率為30 m的TM遙感數(shù)據(jù)的分類系統(tǒng)中的6個(gè)一級類：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地［23-24］。

由于沒有與研究區(qū)相對應(yīng)的干旱區(qū)固定取值，本研究通過參考InVEST模型指南以及相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況對C因子以及P因子進(jìn)行取值。見表（2）。

表2 生物物理系數(shù)表Table 2 Biophysical coefficients table

2 結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域的土壤侵蝕和土壤保持

通過模型運(yùn)行結(jié)果分析，金塔縣2019年潛在土壤侵蝕量為2 181.481 2萬t，實(shí)際土壤侵蝕量為1 911.066 4萬t，土壤保持總量為270.414 8萬t。根據(jù)國家水利部最新《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-2007）對金塔縣2019年實(shí)際土壤侵蝕量進(jìn)行分級（圖4）并分區(qū)統(tǒng)計(jì)。從土壤侵蝕強(qiáng)度來看，金塔縣的土壤侵蝕等級以微度和輕度為主，其中，微度侵蝕面積為91.675 2萬hm2，輕度侵蝕面積為57.204 5萬hm2，分別占金塔縣總面積的55.01%和34.33%。從侵蝕量來看，金塔縣土壤侵蝕量最大的是輕度侵蝕，占金塔縣總侵蝕量的34.50%；其次是中度侵蝕占比達(dá)19.3%；強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕占比在11.9%~14.86%；侵蝕面積占比最大的微度侵蝕的侵蝕量占比最小，只有6.47%（表3）。

圖4 實(shí)際土壤侵蝕空間分布Fig.4 Spatial distribution of actual soil erosion

表3 金塔縣實(shí)際土壤侵蝕強(qiáng)度等級表Table 3 Actual soil erosion intensity grade table in Jinta County

從空間分布來看，金塔縣土壤侵蝕量較大的區(qū)域集中在鼎新鎮(zhèn)、航天鎮(zhèn)東南部、中東鎮(zhèn)南部和金塔鎮(zhèn)南部地區(qū)，這些地區(qū)坡度較大，土壤質(zhì)地也更為疏松。土壤保持量較大的區(qū)域?yàn)槎π骆?zhèn)和航天鎮(zhèn)，分別占比達(dá)到30.20%和19.10%（表4）。

表4 金塔縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤侵蝕量Table 4 The amount of soil erosion in each township of Jinta County

2.2 不同坡度的土壤侵蝕和土壤保持

按照水利部關(guān)于水土保持坡度等級的劃分，將金塔縣坡度分為 5 個(gè)等級，按<3°、3°-8°、8°-15°、15°-25°、≥25°生成坡度分級圖（圖5），并將金塔縣坡度分級圖與土壤侵蝕圖進(jìn)行疊加分析，得到不同坡度的土壤侵蝕量（表5）。金塔縣整體坡度較為平緩，全縣大部分區(qū)域坡度都在8°之內(nèi)，其中坡度小于3°的面積為101.699 2萬hm2，占全縣總面積的61.03%；坡度為3°~8°的面積為 55.960 6 萬 hm2，占全縣總面積的33.58%。

表5 不同坡度土壤侵蝕與土壤保持情況Table 5 Soil erosion and soil conservation at different slopes

圖5 坡度分級Fig.5 Gradient grade

從土壤侵蝕量分布來看，全縣大部分的土壤侵蝕均集中在坡度小于15°的區(qū)域內(nèi)，共占全縣土壤侵蝕總量的88.60%。其中，坡度小于3°的區(qū)域內(nèi)的土壤侵蝕量為395.11萬t/a，占全縣總侵蝕量的20.67%；坡度為3°~8°的區(qū)域內(nèi)的土壤侵蝕量為934.69萬t/a，占全縣總侵蝕量的48.91%，坡度為8°~15°的區(qū)域內(nèi)的土壤侵蝕量為363.30萬t，占全縣總侵蝕量的19.01%。坡度為15°以上的區(qū)域土壤侵蝕總量相較于其他區(qū)域占比較小，僅占全縣總侵蝕量的11.4%。從單位面積土壤侵蝕量來看，隨著坡度的增大，平均每hm2土壤侵蝕量不斷增加，土壤侵蝕強(qiáng)度也更強(qiáng)。

金塔縣土壤保持量分布狀況與土壤侵蝕量分布狀況具有較高的一致性，土壤保持量較大的區(qū)域同樣集中在坡度小于15°的區(qū)域，占全縣土壤保持量的96.88%。坡度大于15°的區(qū)域內(nèi)的土壤保持量僅占全縣土壤保持量的3.12%。

2.3 不同土地利用類型的土壤侵蝕與土壤保持

將金塔縣土地利用現(xiàn)狀（圖6）與實(shí)際土壤侵蝕結(jié)果和土壤保持結(jié)果分別進(jìn)行疊加分析，得到不同土地利用類型的土壤侵蝕量和土壤保持量，金塔縣土地利用類型大部分為未利用地，共138.7613萬hm2，占全縣面積的83.27%；其次是草地、耕地和林地，分別占全縣面積的5.91%、4.18%和4.12%；水域和建設(shè)用地占比最少，僅占全縣面積的1.64%和0.88%。土壤侵蝕主要也是集中在未利用地之中，2019年金塔縣未利用地實(shí)際土壤侵蝕量達(dá)到1 891.305 6萬t，占全縣總侵蝕量的98.97%。其次是建設(shè)用地和水域?qū)嶋H土壤侵蝕量，分別為9.364 9萬t和10.345 2萬t，占比分別為0.49%和0.54%（表6）。

圖6 土地利用類型Fig.6 Types of land use

表6 不同土地利用類型土壤侵蝕與土壤保持情況Table 6 Soil erosion and soil conservation of different land use types

2019年金塔縣土壤保持量最大的土地利用類型為未利用地，土壤保持量為100.259 2萬t，占全縣土壤保持總量的37.09%；其次是草地、林地和耕地，土壤保持量分別為 81.059 0、48.722 7和 32.690 2萬t，分別占全縣土壤保持總量的29.99%、18.02%和12.09%；水域和建設(shè)用地土壤保持量最少，僅占全縣土壤保持總量的2.31%和0.50%。從單位面積土壤保持量來看，土壤保持能力較強(qiáng)的土地利用類型為草地和林地，平均每hm2土壤保持量分別為8.24、7.1 t/hm2；其次為耕地，平均土壤保持量為4.69 t/hm2；雖然未利用地土壤保持總量最多，但是其平均壤保持量僅為0.72 t/hm2，低于其所有土地利用類型。

3 討論

本研究結(jié)果顯示，金塔縣土壤侵蝕較為嚴(yán)重，土壤保持能力較差，且受地形和土地利用類型影響較大。從地形方面來看，金塔縣整體地勢較為低平，地形起伏度較低，土壤侵蝕強(qiáng)度隨坡度的增加而增加。從土地利用類型來看，金塔縣土壤侵蝕量最多的區(qū)域?yàn)槲蠢玫?，占比高達(dá)98.97%；土壤保持方面，金塔縣土壤保持能力最差的同樣為未利用地；而土壤保持能力最強(qiáng)的土地利用類型為草地，但由于金塔縣土地沙化嚴(yán)重，草地仍面臨較大的退化風(fēng)險(xiǎn)，所以金塔縣未來水土保持工作中，應(yīng)把面積占比最大、侵蝕最為嚴(yán)重且土壤保持能力最差的未利用地放在首要位置，其次應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)草原草場建設(shè)，發(fā)揮其在土壤保持方面的積極作用。

InVEST模型的土壤保持模塊是基于通用土壤流失方程（USLE）并加以改進(jìn)而成，通用土壤流失方程是土壤侵蝕研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停虼吮狙芯坑?jì)算結(jié)果僅為基于通用土壤流失方程中的降水、土壤性質(zhì)、地形、植被覆蓋和管理因子的土壤侵蝕，未將風(fēng)力計(jì)算在內(nèi)，今后將深入研究該區(qū)域土壤侵蝕的綜合影響條件。

由于模型中相關(guān)因子并沒有針對干旱區(qū)研究的一個(gè)固定取值范圍，因此本研究對InVEST模型相關(guān)參數(shù)與計(jì)算方法進(jìn)行了校正、檢驗(yàn)，使之適應(yīng)于金塔縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估。本研究僅針對金塔縣的土壤侵蝕和土壤保持功能進(jìn)行了評估，但自然生態(tài)系統(tǒng)供給的服務(wù)多種多樣，其他的服務(wù)功能如碳儲存、水源涵養(yǎng)、生物多樣性功能也同樣重要，未來有必要針對這些服務(wù)功能進(jìn)行動態(tài)評估，從而實(shí)現(xiàn)對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的全面了解。本研究只利用物質(zhì)量法計(jì)算了金塔縣生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能，并沒有進(jìn)一步計(jì)算它們的價(jià)值量。價(jià)值化后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能可以與生態(tài)系統(tǒng)提供的直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行對比，促使人們加大對生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)力度，因此金塔縣生態(tài)系統(tǒng)土壤保持的價(jià)值量估算應(yīng)該成為后期研究中的重點(diǎn)。相對于過去，應(yīng)該更關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在未來的變化趨勢，有必要對未來金塔縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化趨勢進(jìn)行評估。

4 結(jié)論

金塔縣2019年潛在土壤侵蝕量為2 181.481 2萬t，實(shí)際土壤侵蝕量為1 911.066 4萬t，土壤保持總量為270.414 8萬t。從空間分布來看，實(shí)際土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量較大的區(qū)域主要集中在鼎新鎮(zhèn)和航天鎮(zhèn)東南部的巴丹吉林沙漠土壤質(zhì)地較為疏松且沙地較多的地方。土壤保持能力較強(qiáng)的區(qū)域主要集中在鼎新鎮(zhèn)西部、金塔鎮(zhèn)東部以及羊井子灣鄉(xiāng)的巴丹吉林沙漠邊緣地區(qū)，這和金塔縣近年在這些區(qū)域承接“螞蟻森林”公益造林項(xiàng)目構(gòu)筑了防風(fēng)固沙帶有直接關(guān)系。金塔縣土壤侵蝕強(qiáng)度與坡度起伏具有較大的一致性，隨著坡度的增大，單位面積的土壤侵蝕量和土壤侵蝕強(qiáng)度也不斷增加。土壤侵蝕和土壤保持功能與土地利用利用類型密切相關(guān)。金塔縣未利用地土壤侵蝕量和土壤侵蝕強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于其他土地利用類型；不同土地利用類型土壤保持能力排序依次為：草地>林地>耕地>水域>建設(shè)用地>未利用地。