甘肅白龍江流域生態系統土壤保持功能時空變異及其影響因子

柳冬青, 鞏 杰, 張金茜, 馬學成

(蘭州大學 資源環境學院/西部環境教育部重點實驗室, 蘭州 730000)

生態系統的土壤保持服務是土壤形成、植被固著和水源涵養等服務功能的重要基礎，對區域水土保持和生態安全等具有重要意義。因而備受國內外土壤學、生態學等相關學科學者的廣泛關注[1-3]，但前期集中于依賴統計數據對水土保持生態系統服務價值的評估[4-5]，難以反映其在空間上的分布特征。隨著土壤流失定量預測模型的提出和完善(通用土壤流失方程USLE、修正通用土壤流失方程RUSLE等)，生態系統土壤保持功能的空間定量化和分布格局研究逐步受到重視[6-7]，但此類模型并未考慮地塊自身攔截上游沉積物的能力，導致土壤保持量計算存在一定問題。近年來，經廣泛應用和驗證，這一問題在生態系統服務協同與權衡模型(InVEST)中得到了很好的解決,而且該模型與多時段遙感數據、GIS空間分析的結合，促進了土壤保持功能及其價值的時空動態研究[8-9]。研究發現，土壤保持空間分布受坡度影響較大[10]，植被蓋度的提高有利于土壤保持功能的強化[11]。土壤保持功能變化因素的研究方面，多是基于不同地形或LUCC下土壤保持功能的統計差異[12]和單位面積生產總值、單位面積第一產業生產總值、人口密度等與單位面積土壤保持量的相關性分析[13]來揭示自然過程、經濟發展與人口增長對土壤保持功能的影響。但土壤保持功能年際間的動態因子和各因子貢獻率大小的研究尚無報道。

地理探測器是Wang等[14]開發的分析地理空間因素對人類健康影響機理的一種方法。目前，已逐漸運用到毛烏素沙地景觀格局、北京市居民宜居社會等方面[15-16]，研究表明，地理探測器在時空動態因子、各因子貢獻率及因子交互作用等方面的研究具有一定優勢[17-18]。甘肅白龍江流域地處青藏高原、秦巴山地和黃土高原交錯過渡帶，是長江上游重要的水源涵養區和生態屏障，但流域地形破碎，地貌復雜、滑坡和泥石流頻發，水土流失嚴重，深刻地影響著流域的土壤保持。因此，本文基于InVEST模型和地理探測器，分析甘肅白龍江流域生態系統土壤保持功能的空間變化及其影響因子，旨在為流域水土保持與生態系統安全管理提供科學依據。

1 研究區概況

甘肅白龍江地處甘肅省東南部(32°36′—34°24′N，103°00′—106°30′E)，位于青藏高原向黃土高原和秦巴山地交錯過渡帶上。行政單元主要包括迭部縣、舟曲縣、宕昌縣、武都區和文縣，流域面積為1.84萬km2。流域地勢西北高東南低，海拔600～4 828 m，主要地貌類型有高原山地地貌、河谷地貌及黃土地貌等。氣候類型復雜多樣，屬于暖溫帶濕潤氣候向北亞熱帶濕潤氣候過渡帶，夏季高溫多雨,冬季溫暖少雨，年均溫6～14.9℃，年降水量約400～850 mm，且主要集中在5—10月。土壤類型以棕壤、暗棕壤、高山草甸土、褐土等為主；植被類型主要是亞高山針葉林、高山灌木林、落葉闊葉林、落葉闊葉和常綠闊葉混交林等，覆蓋度較高。

2 研究方法與數據來源

2.1 土壤保持模型

生態系統土壤保持功能用土壤保持量表示，本文采用InVEST模型中的土壤保持空間制圖和評估功能來獲取，土壤保持功能包含侵蝕減少和泥沙持留兩部分，計算公式為：

SEDRETx=RKLSx-USLEx+SEDRx

(1)

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(2)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Px×Cx

(3)

(4)

式中：SEDRETx和SEDRx分別為柵格x的土壤保持量(t)和泥沙持留量(t)；RKLSx是基于地貌和氣候條件下柵格x的潛在土壤侵蝕量(t)；USLEx和USLEy分別是考慮了管理、工程措施后柵格x及其上坡柵格y的實際侵蝕量(t)；Rx，Kx，LSx，Cx，Px分別為柵格x的降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長坡度因子、植被覆蓋和管理因子和土壤保持措施因子。

(1) 降雨侵蝕力因子(R)反映降雨對土壤剝離、搬運及地表沖刷能力的大小，是降水引起土壤侵蝕及流失的潛在能力的體現。本文采用章文波等[19]提出的逐月降雨量數據估算降雨侵蝕力模型。利用2002—2014年白龍江流域及鄰近地區17個氣象站點的日降水數據算出月降雨量，進行Kriging空間插值，得到流域年降雨侵蝕力柵格圖。

(2) 土壤可蝕性因子(K)指土壤對侵蝕的敏感性反應，可衡量土壤顆粒被降雨分離和搬運的難易程度。本文采用EPIC模型進行計算，并利用張科利等[20]研究成果進行結果校正。

(3) 坡長坡度因子(LS)是形成具有侵蝕能力徑流并導致侵蝕事件發生的主要地形因子，可表示地形地貌特征對土壤侵蝕的影響。本文所用的InVEST模型3.2.0版本可根據研究區的DEM數據自動計算LS。

(4) 植被覆蓋管理因子(C)指一定條件下，某類特定作物或植被實施植被管理措施后的土壤流失量與未實施管理措施時的土壤流失量的比值。C因子與植被覆蓋度密切相關。因此，本文采用NDVI估算植被蓋度，再根據蔡崇法等[21]建立的蓋度與C值的關系公式進行C值的計算。

(5) 土壤保持措施因子(P)是在有、無水土保持措施情況下，土壤流失量的比值，值域為0～1，數值大小與水保措施效果呈負相關。參考前人研究成果[13],結合研究區土地利用及農事活動狀況(視水域為無侵蝕發生)，將耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地的p值分別定為0.15，1，1，0，1，1。

(6) 泥沙持留量(SE)代表了侵蝕產生的泥沙在輸移過程中，植被過濾、攔截上游地塊泥沙沉積物的能力，其值越大，則持留效率越高。不同土地利用類型的泥沙持留能力不同，本文參照InVEST模型數據庫獲得不同土地利用類型的泥沙持留效率。

2.2 地理探測器分析

地理探測器是探測地理現象空間分異性，揭示其驅動因素的一組統計學方法。其核心思想是基于地理現象總是存在特定的空間位置，影響其變化的驅動因子在空間上具有差異性，若某驅動因子對地理現象有重要影響，則地理現象與該驅動因子的空間分布應具有相似性的假設[22]。探測器主要由風險探測、因子探測、生態探測和交互探測組成，各探測器原理及交互關系判定詳見文獻[22]。其模型為：

(8)

①防轉裝置連接部位焊接材料選用及工程驗收務必嚴格，同時有條件時應采取相應的防護措施，如防腐等。對所介質的腐蝕性要充分的定性分析，發現及時采取應對措施。②對防轉裝置固定接點，在清罐作業時做好保護，清罐結束做好檢查、記錄。③對導靜電線定期進行檢查、檢測，做好記錄、標識；特別要利用儲罐大修時段對導靜電線上下接頭進行認真檢查，對導線全線腐蝕情況進行確認，一旦發現有腐蝕、點蝕、開裂、松散等及時更換，接頭焊點、壓緊螺母等如有銹蝕需及時更換，做好周邊防腐。

2.3 數據來源

所用數據主要有：(1) 2002年、2014年兩期土地利用數據參考國土資源部2007年頒布的《土地利用現狀分類標準》(GB/T21010—2007)，并結合研究區實際情況，對2002年、2014年兩期Landsat TM遙感影像進行人工目視解譯和實地選點驗證得到(Kappa系數為84.59%，滿足精度要求)；(2) 30 m分辨率DEM數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)；(3) 流域及周邊17個氣象站點2002—2014年的月降雨數據來源于甘肅省氣象局、流域各縣(區)氣象局和中國氣象數據共享服務網(http:∥cdc.nmic.cn/)；(4) 2002—2014年流域NDVI數據來源于國家科學數據服務平臺(http:∥www.cnic.cas.cn)；(5) 土壤粒度等理化性狀數據為2014年7—8月采樣和試驗分析所得；(6) 2002—2014年各縣區人口、農作物產量等社會經濟數據來源于《甘肅省統計年鑒》。

3 結果與分析

3.1 甘肅白龍江流域土壤保持時空變化特征

甘肅白龍江流域生態系統土壤保持總量有所增加，從2002年的8.88億t增加到2014年的10.45億t，土壤保持功能得到增強。其空間分布格局基本維持穩定，高值區主要分布在流域下游的武都東南部和文縣東部(如讓水河、大團魚河等流域)、流域上游的凍列鄉—卡壩鄉一帶的石質山區和自然保護區，這些區域的人類活動和地表擾動的影響相對較小；低值區多集中于宕昌—舟曲—武都—文縣段白龍江河谷近岸地帶(圖1A、圖1B)，這一區域人口密度大、人類活動頻繁、滑坡泥石流等地質災害多發，擾動強，不利于土壤保持[23]。時間尺度上，流域土壤保持功能整體提高，高值區土壤保持強度增大的同時，低值區(如岷江宕昌段)土壤保持功能得到了改善，但迭部西北部和文縣中西部(關家溝、渭溝等流域)土壤保持量有所下降(圖1C)。

圖12002-2014年甘肅白龍江流域土壤保持及其變化量空間分布

3.2 土壤保持隨土地利用類型的變化

土壤保持因植被覆蓋不同而存在一定差異。以2002—2014年土地利用類型轉移數據分區統計土壤保持變化量，得到各土地利用類型單位面積土壤保持變化量，最終得到主要土地利用類型單位面積土壤保持量變化轉移矩陣(表1)。相對于2002年、2014年各地類土壤保持功能都有所提高，這主要是生態建設工程(退耕還林還草工程、長江中上游防護林建設等)和公眾水土保持意識的提高等造成的。其中，由耕地和建設用地轉為林地的土壤保持增長量最大(表1)，說明隨著植被覆蓋的增加，土壤保持功能逐漸增強。

表1 單位面積土壤保持量變化轉移矩陣 t/hm2

3.3 土壤保持功能隨地形因子的變化

地形地貌制約著流域人類活動的分布與強度，影響著土壤保持功能的空間分布。2002—2014年土壤保持變化與海拔、坡度及坡向分區統計結果見圖2。2002—2014年甘肅白龍江流域土壤保持功能在海拔、坡度及坡向上均有所提升。海拔梯度上，呈現出明顯的垂直遞減特征，即隨海拔抬升，土壤保持功能變化與各海拔段林、草地增加比重，建設用地和耕地減少比重均呈正相關(圖2A)。表明植被蓋度的增加和人類活動干擾的減小有益于土壤保持功能的增強。隨著坡度的遞增，人類活動干擾減少，土壤保持功能整體呈增強趨勢；小于25°的坡段，林、草地擴張較快，建設用地與耕地比重有所下降，但人類活動較為集中，該區域土壤保持功能提高相對較小(圖2B)。流域土壤保持變化量與坡向的關系不明顯，總體而言，陰坡和陽坡略低。各坡向土壤保持變化量與降水量變化大致呈負相關，與植被蓋度和人類活動變化關系不大(圖2C)。

3.4 2002-2014年甘肅白龍江流域土壤保持功能變化的影響因子分析

甘肅白龍江流域生態系統土壤保持功能變化受自然、社會與經濟等多因素的綜合影響。參考前人研究，根據研究區具體情況(短期內地質構造和人類活動對地形地貌的改變作用相對微弱)，本文選取對土壤侵蝕有直接作用的降水量變化來體現自然過程，以土地利用類型、人口密度和農作物單產的變化來表征植被蓋度和人類活動對土地的干擾，開展各因子對土壤保持變化的探測分析。各因子分區說明見表2。

圖2 地形因子對甘肅白龍江流域土壤保持變化量的影響

風險探測可揭示各影響因子內部不同分區間的屬性均值差異性。分析顯示，所選因子與土壤保持變化均具有相對一致性，且都通過0.05水平顯著性檢驗。

因子探測揭示了各影響因子對土壤保持變化的影響力。各因子對土壤保持變化的影響力依次為：降水量變化(0.031 4)、單產變化(0.007 1)、人口密度變化(0.002 9)、土地利用類型變化(0.002 1)。其中，降水量變化對土壤保持變化的影響最大。這是因為降水是引起土壤侵蝕的主導因素之一[24]，降水量的增加導致土壤侵蝕的加強，從而致使土壤保持量的減少。

生態探測用于比較各因子間對土壤保持變化的影響差異是否顯著。降水變化量對土壤保持變化的影響力雖然最大，但與其他因子間無顯著差異，其余各因子間也無顯著差異(表3)。

表2 地理探測因子類別化說明

表3 不同影響因子對土壤保持變化影響的統計顯著性差異

注：表中N表示差異性不顯著。

交互探測可用來檢驗2種影響因子自身獨立起作用還是相互作用，若為相互作用，作用是增強還是減弱。分析結果表明，自然和社會經濟影響因子對土壤保持變化的影響均存在交互作用，任意兩個因子交互后的影響力均表現為雙因子增強或非線性增強(表4)。其中，降水變化量和農作物單產變化交互因子影響力最強，降水變化量和土地利用類型變化交互因子次之(表4)。這說明生態系統土壤保持功能的變化是自然和社會經濟綜合作用的結果，在降水等氣象要素相對穩定的背景下，應控制人類農業活動對地表的干擾強度，增加植被覆蓋度，進而提高流域生態系統的土壤保持功能。

表4 2種影響因子對土壤保持變化影響的交互作用

4 討 論

各土地利用類型和耕作強度下的地表粗糙度、地表水分環境和各種動力場存在明顯差異，從而影響土壤保持功能[6]。一般而言，由于土壤、地形等自然因子相對穩定及工程措施費用昂貴，減少坡耕地比重、增加植被蓋度等生態工程建設在防治土壤侵蝕和控制水土流失方面發揮著重要作用。研究表明，降水量變化是甘肅白龍江流域土壤保持功能變化的主要因素，降水作用影響下，農作物單產的減少和地類植被蓋度的增加有利于土壤保持功能的提高。因此，根據甘肅省主體功能區規劃中以“兩江一水”流域水土保持與生物多樣性生態功能區為重點，構建長江上游生態屏障的客觀要求，由于降水具有不可控性，該流域應加強農業科技投入，改善耕作方式和耕地質量(如修建梯田、減少翻耕深耕強度等)，在降低地表擾動程度的同時提高糧食產量和居民收入，繼續推進“山上退耕還林，山下治溝造地”工程建設，降低水土流失造成的面源污染和土地退化等生態風險。

土壤保持功能變化受綜合因素影響，研究中考慮了不同土地利用類型的泥沙持留效果，結果較為合理，可為流域水土保持和生態安全建設提供科學依據。但對植被覆蓋管理和土壤保持措施的變化考慮不夠；同時，流域生態系統土壤保持功能受自然、社會和經濟等多因素的綜合影響，變化過程復雜。本文所選因子可能會存在代表性不足，建議后續研究進一步分析自然—社會—經濟復合系統的時空變化，進而分析土壤保持功能變化的動因。

5 結 論

2002—2014年甘肅白龍江流域生態系統土壤保持功能不斷增強，但空間格局變化不大。土壤保持功能在各土地利用類型、海拔、坡度及坡向上均有所提升，這種增強作用表現為隨海拔升高而減小，隨坡度增加而增加，這與各海拔、坡度段植被蓋度和人類活動強度強弱的改變有關。

所選因子中，降水量變化是該流域土壤保持功能變化的主要因素，其與農作物單產變化、土地利用類型變化分別交互后影響較大。表明人類農業活動的有效管控，干擾程度的降低，植被覆蓋度的增加等有助于提高流域土壤保持功能。

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