基于InVEST模型的門頭溝區生態系統土壤保持功能研究

劉曉娜, 裴 廈, 陳 龍, 劉春蘭

(北京市環境保護科學研究院 國家城市環境污染控制工程技術研究中心, 北京 100037)

生態系統服務是生態學和地理學的研究前沿和熱點，是人類賴以生存和發展的資源與環境基礎，是將自然過程與人文過程聯系起來的橋梁和紐帶[1-3]。土地利用與土地覆被變化(LUCC)通過改變生態系統類型、格局以及生態過程直接影響生態系統服務功能，是生態系統服務變化的重要驅動力[4-5]，定量評估LUCC與生態系統服務變化之間的關系成為當前生態學研究的熱點[6-8]。

土壤保持功能是指森林、草地等地表植被具有防止與減少土壤侵蝕的功能，是生態系統服務功能的重要組分，對于土壤形成、涵養水源、防土固沙以及減少水土流失具有重要意義[1]。目前對土壤保持功能的研究主要是采用通用土壤流失方程(USLE)[9-10]，但USLE模型并未考慮地塊自身攔截上游沉積物的能力，通過USLE模型計算的土壤保持量存在一定的問題[11]。隨著"3S"技術的快速發展，基于USLE和GIS的模型方法也相應的產生[12-14]，生態系統服務價值化和權衡得失綜合評價模型(InVEST)，在USLE模型基礎上考慮了地塊自身攔截上游沉積物能力，并加入了水庫數據，使土壤保持功能評估的合理性和準確性均得到提升[11,15]。目前，InVEST模型在土壤保持功能方面相對成熟，不僅促進了區域尺度土壤保持功能的量化研究，也使生態系統服務功能綜合管理和決策有了堅實的保障。

門頭溝區是距離北京市城區最近、植被覆蓋度最高的區域，對于減少下游地區河流淤積、防止風沙危害等具有重要作用[16]。歷史上以煤礦工業為支柱產業的發展方向對其生態環境打擊沉重，作為首都西部生態安全屏障和生態涵養發展區，自2005年以來實施生態林補償、礦山修復等生態環境保護和生態修復工程，LUCC、生態系統結構與類型變化以及生態系統土壤保持功能受到諸多學者的關注[17-18]。韓永偉等[16]利用USLE和風力侵蝕模型得出門頭溝生態系統每年可以減少土壤的水蝕量為14.93萬t/a，風蝕量為2 254.38萬t/a，植被覆蓋度高且坡度小的地區土壤保持能力最強。馮朝陽等[19]采用USLE模型發現門頭溝區植被生態系統的土壤保持量為15.7萬t/a。周彬等[20]應用InVEST模型對北京山區不同森林類型土壤侵蝕進行模擬研究，發現北京山區林地下總的土壤侵蝕量為176萬t，平均保持土壤能力為220 t/hm2。黃從紅[18]采用InVEST模型計算2002年和2011年門頭溝區生態系統的土壤保持量分別為1.64億t和1.65億t，平均土壤保持能力為1 135.19 t/hm2，1 141.44 t/hm2。已有研究鮮少關注LUCC與土壤保持功能時空變化的關系，模型中關于植被與經營管理因子的獲取，大多是通過查閱相關研究資料和文獻對不同地類進行直接賦值，無法體現植被覆蓋度的時空變化分異特征，在土壤保持量的研究中均未提及對地塊自身泥沙持留量的計算，且大多研究僅為單一時間尺度，缺少較高空間尺度的土壤保持功能時空變化研究。

開展門頭溝區的土壤保持功能的研究，不僅有益于門頭溝區防土固沙而且也對整個北京的生態效益的研究至關重要。本研究基于Landsat TM/OLI和HJ-1 CCD遙感影像，分析北京市門頭溝區自實施生態修復工程以來，2005—2013年的土地利用與土地覆被的結構、類型與空間變化特征；在此基礎上，采用InVEST模型對研究區內生態系統的土壤保持功能進行定量的分析和動態評估，探析LUCC對土壤保持功能的影響，發現并揭示土壤保持功能的變化規律及驅動因素，為門頭溝區水土保持研究、綜合生態管理以及生態恢復提供數據支持與決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

門頭溝區位于北京城區正西偏南，東經115°25′00″—116°10′07″，北緯39°48′34″—40°10′37″，總面積為1 450 km2，海拔為50～2 303 m，山地面積占98.5%，是北京市唯一的純山區，下轄4個街道、3個地區、9個鎮。門頭溝區屬中緯度大陸性季風氣候，降水量自東向西逐漸減少，受中緯度大氣環流的不穩定和季風影響，降水量年際變化大，2013年門頭溝區平均降雨量為469.3 mm，多年平均為528.70 mm。

北京市2010—2012年開展的第一次水務普查顯示[21]，門頭溝區的土壤侵蝕面積為396.44 km2，占北京市土壤侵蝕面積的12.38%，侵蝕類型主要是水力侵蝕，較2000年全國第三次土壤侵蝕遙感調查的減少了362.59 km2，說明近年來開展的水土保持與生態環境建設卓有成效。根據2005—2013年《北京市水土保持公報》(2005年為《北京市水土流失監測報告》)公布數據顯示，北京山區坡地土壤流失量由2005年的248.3萬t增加到2013年的483.07萬t，門頭溝區的土壤流失量也增加了近35萬t，土壤流失量總體呈增加趨勢，土壤侵蝕問題仍較為嚴重(圖1)。門頭溝區作為北京市西部安全屏障和北京市唯一生態修復科技試驗區，自2005年以來實施了一系列封山育林、礦山修復、生態小流域綜合治理、京津風沙源治理等生態環境保護和修復工程，截止到2013年，區內林木綠化率達到了62.5%，森林覆蓋率達到了41%[22]，植被覆蓋度和植被質量顯著提高，區內的生態環境獲得了極大改善。

1.2 數據基礎

本研究主要基于Landsat TM/OLI和HJ-1 CCD遙感影像，通過采用決策樹分類方法，獲得2005年和2013年兩期的土地利用與土地覆被分類數據。考慮到云蓋量和植被覆蓋度的要求，本研究主要采用秋季(9—10月)的影像。此外，為了獲得不同年份逐月的植被覆蓋度數據，2005年為Landsat TM遙感影像，2013年遙感影像主要為HJ-1 CCD遙感影像，輔助Landsat OLI遙感影像，保證每月至少一景影像覆蓋。因Landsat系列數據重訪周期和影像質量問題，缺失月份影像可用上下年份相同月份的影像替代(表1)。

圖1 門頭溝區和北京山區土壤流失量年際變化表1 門頭溝區遙感影像數據

借助門頭溝區2000年TM精校正遙感影像和2013年9月的野外采樣數據(圖2)，對2005年的Landsat TM和2013年Landsat OLI以及HJ-1 CCD遙感影像，采用立方卷積插值和多項式變換的校正方法，控制影像校正誤差控制在0.5個像元內，并將UTM投影轉換成Albers等面積割圓錐投影。基于ENVI軟件平臺，采用FLAASH模型對2005年和2013年逐月的遙感影像進行大氣校正，為反演歸一化植被指數和植被覆蓋度參數奠定基礎。

DEM數據來源于從中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據服務平臺，空間分辨率30 m。氣象數據來源于中國國家氣象局，為2005年和2013年的月均降雨量數據。對數據進行精度驗證，剔除不可替代的錯誤數據，采用ArcGIS軟件提供的反距離插值方法，獲得空間分辨率為30 m的逐月降雨量和年均降雨量空間分布數據。土壤類型數據來源于北京市農業局。

圖2 2013年野外采樣點

1.3 土地利用與土地覆被分類

根據門頭溝區的土地利用與土地覆被特征，同時考慮生態系統服務功能評價內容以及Landsat TM/OLI和HJ-1 CCD的遙感影像的解譯能力，本研究所采用的土地利用與土地覆被分類體系主要參考《全國土地利用現狀分類》(2007年)國家標準的一級分類體系，包括耕地、園地、草地、林地、建設用地、水域和未利用地7個地類。基于ENVI軟件平臺，結合2013年野外采樣數據和Google Earth高清影像，建立7種地類的訓練樣本，每種地類至少50個樣本區。采用決策樹分類方法，獲得2005年和2013年的土地利用與土地覆被分類圖，分類精度分別為87.56%和89.23%，均可以滿足空間分析的要求(圖3)。

圖3 門頭溝區土地利用與土地覆被分類

1.4 模型原理與因子計算

沉積物保留模型(Sediment Delivery Ratio model)的土壤保持量包括土壤侵蝕減少量和泥沙持留量兩部分，前者反映各地塊對自身潛在侵蝕的減少，以潛在侵蝕與實際侵蝕的差表示；后者表示該地塊對進入它的上坡來沙的持留，以來沙量與泥沙持留率的乘積表示[23]。模型計算公式如下：

SEDRETx=Rx×Kx×LSx×(1-Cx×Px)+SEDRx

(1)

(2)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(3)

式中：SEDRETx和SEDRx分別為柵格x的土壤保持量和泥沙持留量；USLEx和USLEy分別為柵格x及其上坡柵格y的實際土壤侵蝕量；Rx代表柵格x的降雨侵蝕力因子；Kx代表柵格x的土壤可蝕性因子；LSx代表柵格x的坡度坡長因子；Cx代表柵格x的植被與經營管理因子；Px代表柵格x的水土保持措施因子；SEx代表柵格x的泥沙持留效率。

本研究采用Wischmeier等[9]提出的月尺度計算降雨侵蝕力(R)計算公式，獲得門頭溝區2005年和2013年降雨侵蝕力空間分布圖(圖4)。

(4)

式中：Yi為月平均降雨量(mm)；Y為年平均降水量(mm)。

考慮到本研究區的土壤可蝕性(K)已有專門的研究成果[20,24]，根據土壤數據中包含的土壤類別、名稱及其分布圖，將土壤類型與已有的K值關聯起來，獲得門頭溝區土壤可蝕性分布圖(圖5)。

由于InVEST模型原始的計算公式是在美國坡度較小的試驗區上進行測定，因此需要對坡度坡長因子(LS)因子進行相應的調整，參照已有研究成果，本研究將邊坡閾值設為25°[20]。

圖4 門頭溝區降雨侵蝕力因子

圖5 門頭溝區土壤可蝕性因子

當坡度小于邊坡域值時，坡度坡長的計算公式為：

(5)

(6)

當坡度大于邊坡域值時，坡度坡長的計算公式為：

LS=0.08β0.35s0.6

(7)

式中：Fa為匯水累積量閾值；Cs為柵格大小；s為坡度；n為與坡度有關的參數；β為根據流向確定的柵格大小值。

根據對已有的門頭溝區河流水系的現狀分析，基于干流全部提取、支流最多提取，同時考慮到各支流的匯水量情況，本文通過反復試驗，確定匯水累積量閾值為10 000，經過InVEST模型計算的門頭溝區坡度坡長空間分布圖(圖6)。

本文采用蔡崇法等[25]的植被與經營管理因子(C)研究方法，反映植被或作物管理措施對土壤侵蝕量的影響。計算公式為：

(8)

fc=(NDVI-NDVIs)/(NDVIv-NDVIs)

(9)

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred)

(10)

式中：C為植被與經營管理因子，其值介于0～1；當C=0時表示土地表面的植被覆蓋度良好，土壤幾乎沒有受到侵蝕；當C=1時表示土地表面是沒有植被覆蓋即完全裸露的。fc為植被覆蓋度；NDVI為植被歸一化指數；NDVIs為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值；NDVIv為完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，在實際計算中，取NDVI最大值代替NDVIv和最小值代替NDVIs；ρred為遙感影像數據紅波段反射率，ρnir為遙感影像數據近紅外波段反射率。

圖6 門頭溝區坡度坡長因子

本研究為獲得高精度的2005年和2013年的年植被覆蓋度數據，在獲得逐月植被覆蓋度的基礎上，采用最大值合成方法，獲得兩個年份的植被覆蓋度數據(圖7)。根據公式(8)計算獲得兩個年份的植被與經營管理因子(P)空間分布圖(圖8)，結合土地利用與土地覆被數據，統計不同地類的植被與經營管理因子(C)的平均值。

圖7 門頭溝區植被覆蓋度空間分布

土壤保持措施是指土地采取相應的水土保持措施后的土壤侵蝕量與順坡種植時的土壤侵蝕量的比值(P)，其值介于0～1。當P值為0時表示該區域土地表面采取了較好的水土保持措施，土壤幾乎不會受到侵蝕；當P值為1時表示該區域土地表面沒有采取任何水土保持措施。本研究通過實地狀況以及查閱相關文獻資料得到相應P值[26]，耕地、園地、有林地、灌木林地、草地、水域、建設用地、未利用地分別為0.4，0.7，1，1，1，0，0，1。

泥沙持留效率反映了侵蝕產生的泥沙在輸移過程中因植被過濾、攔截等作用而發生沉積的過程，被攔截泥沙比例越大，持留效率越高[23]。本研究參照InVEST模型數據庫獲得不同植被類型的泥沙持留效率。

圖8 門頭溝區植被與經營管理因子空間分布

2 結果與分析

2.1 土地利用與土地覆被變化分析

基于2005年和2013年兩期的土地利用與土地覆被分類數據，從數量變化、類型變化和空間變化3個尺度，分析門頭溝區自實施生態修復工程以來(2005年)，區域的土地利用與土地覆被變化特征，并分析其驅動因素與驅動機制。

根據對門頭溝區土地利用與土地覆被結構特征的分析(表2)，發現2005年和2013年，門頭溝區林地占據絕對主導的地位，是土地利用的基質與最主要的土地覆被類型，面積比例占到89%以上，有林地與灌木林地的比重接近1.35∶1；建設用地、耕地和園地為主導的土地利用類型。基于ArcGIS的空間疊加分析，2005—2013年的土地利用與土地覆被類型和空間變化(表3)，發現門頭溝區耕地、灌木林地、水域和未利用地面積呈減少趨勢，園地、有林地、草地、建設用地呈增加趨勢，其中耕地為減速最快的地類，園地為增速最快的地類；門頭溝區的土地利用動態變化的過程中，存在著頻繁的地類間的轉化現象，耕地、園地、草地、水域轉化較為顯著，主要轉為建設用地、園地和耕地；發生轉化的地類主要位于地勢平坦、交通便利、土壤質量較高的地區。

具體來看，耕地面積急劇減少，是減少最明顯和減速最快的地類，結構比重下降了1.1%，年均減少率為3.73%，主要轉為建設用地、草地和園地，三者的轉移比重占總轉移比例的78.03%，減少的耕地主要位于清水鎮、齋堂鎮和雁翅鎮，主要轉為草地和園地，主要受退耕還林還草等政策影響；此外，永定鎮的耕地主要轉為草地，受經濟發展驅動影響顯著。園地面積增加了679.06 hm2，是增速最快的地類，年均增長率為5.97%，主要由耕地轉化而來，貢獻率達到65.66%，新增園地主要位于雁翅鎮和清水鎮，形成了以龍泉務為主的香白杏產業帶、以東山、孟悟為主的京白梨產業帶、以潭柘寺和隴駕莊為主的蓋柿產業帶、以妙峰山櫻桃溝為主的櫻桃產業帶、邊遠山區仁用杏核和薄皮核桃種植帶、以太子墓為主的蘋果種植帶，主要受溝域經濟發展以及農業結構調整等政策的影響。林地面積減少了249.06 hm2，是減速最慢的地類，主要是由于灌木林地大面積的減少，有林地的增加主要來源于灌木林地和耕地，減少的灌木林地主要位于東部和南部地區，主要轉為有林地和建設用地，這主要是受生態公益林建設與改造、退耕還林等政策的影響。草地面積增加了400.21 hm2，增速僅次于園地，主要來源于耕地和建設用地，主要轉為耕地和林地，增加的草地主要位于齋堂鎮北部，主要是因為退耕還林還草以及生態搬遷等政策影響。建設用地增加了837.70 hm2，遵從"一主一副兩重點"的城鎮發展模式，門頭溝區的建設用地主要集中在東部地區，主要由耕地轉變而來。

2.2 土壤保持功能評價與驅動因子分析

采用InVEST模型中的土壤保持模塊，通過導入相關因子，獲得門頭溝區的2005年和2013年的現實土壤侵蝕量、潛在土壤侵蝕量及土壤保持量的數據(圖9)。在此基礎上，從土壤保持空間分布、土壤保持功能變化、不同土地利用與土地覆被類型的土壤保持能力3個尺度對比研究，分析門頭溝區自實施生態修復工程2005年以來，生態系統土壤保持能力的變化規律與特征。

2.2.1 土壤保持量及其空間分布 2013年，門頭溝區生態系統平均現實土壤侵蝕量為7.46 t/(hm2·a)，平均潛在土壤侵蝕量為121.00 t/(hm2·a)，平均土壤保持量為113.56 t/(hm2·a)，土壤保持總量達到1 638.30萬t。2005—2013年，門頭溝區土壤保持能力呈增加趨勢，8年間平均土壤保持能力提升了26.15 t/(hm2·a)，土壤保持總量增加了377.38萬t，雖然受降雨侵蝕力增大影響，由2005年的2 395.25 (MJ·mm)/(hm2·h·a)增加到2013年的3 144.80 (MJ·mm)/(hm2·h·a)，潛在土壤侵蝕總量增加了400.80萬t，但由于植被覆蓋度和植被與經營管理措施的提高和改善，現實土壤侵蝕量較2005年的84.17萬t，減少了23.42萬t，水土保持措施初顯成效。

表2 門頭溝區土地利用與覆被類型的面積變化情況

表3 門頭溝區土地利用與土地覆被類型轉移概率矩陣 %

門頭溝區北部、南部、西部和東北地區多為海拔比較高的山地，其土地利用類型主要是林地和草地，而土壤保持量大小與林地的覆蓋率密切相關，林地覆蓋率高的區域的土壤保持量明顯高于其他地區的土壤保持量，所以這些地區土壤現實侵蝕量較小，土壤保持情況較好。中部、東南部地區地勢較為平坦，土地利用類型主要是耕地、園地和建設用地，這些地區土壤保持量較低，大力發展特色種植業以及“一主一副兩重點”的城鎮發展模式，因采取適當的植被經營與管理工程措施，土壤保持能力相對較高。2005—2013年，西北部和東北部地區受植被覆蓋度顯著提高影響，土壤保持呈現增長趨勢；西南地區在降雨侵蝕力減弱主導下，土壤保持呈現減少趨勢；東部地區雖然降雨侵蝕力有所增強，但地類主要轉為建設用地、耕地和園地等類型，因此總體土壤保持能力變化不大。

2.2.2 不同土地利用與土地覆被類型土壤保持能力 門頭溝區自2005年以來實施了多項生態修復工程，包括退耕還林、草等，促使大量耕地面積減少，并轉化為林地、草地；受北京山區發展溝域經濟驅動，門頭溝區大力發展特色種植業，導致園地面積大量增加，從而使得其植被覆蓋度增加。不同的土地利用與土地覆被類型，受植被覆蓋度和面積變化的影響，土壤保持能力差異顯著。2013年，林地的單位面積土壤保持能力最高，達到121.36 t/(hm2·a)，其次是草地；水域的最低，僅為25.04 t/(hm2·a)；耕地和園地具有相似的土壤保持能力，介于42.20～43.20 t/(hm2·a)；單位面積土壤保持能力排序依然為：林地>草地>未利用地>建設用地>耕地>園地>水域(圖10)。2005—2013年，不同土地利用/覆被類型的單位面積土壤保持能力均呈增加趨勢，其中未利用地增速最快，水域增速最慢；耕地受面積減少顯著影響，土壤保持總量減少了2.57萬t，其他地類的土壤保持總量均呈增加特征；雖然林地、水域、未利用地面積呈減少趨勢，但因3種地類的單位面積的土壤保持能力增長顯著，因此其土壤保持總量均呈增加趨勢。

圖9 門頭溝區土壤保持量空間分布

圖10 門頭溝區不同土地利用類型土壤保持能力

3 討論與結論

3.1 討 論

由于模型中相關因子并不適合門頭溝的實際情況，因此本研究對InVEST模型相關參數與計算方法進行了校正、檢驗，使之適應于門頭溝區的生態系統服務功能評估。本研究僅針對生態系統服務的土壤保持功能進行了動態評估，但自然生態系統供給的服務多種多樣，其他的服務功能如碳儲存、水源涵養、生物多樣性功能也同樣重要，未來有必要針對這些服務功能進行動態評估，從而實現對區域生態系統服務功能的全面了解。本研究只利用物質量法計算了門頭溝區生態系統的土壤保持功能，并沒有進一步計算它們的價值量。價值化后生態系統服務功能可以與生態系統提供的直接經濟價值進行對比，促使人們加大對生態系統的保護力度，因此門頭溝區生態系統土壤保持和價值量估算應該成為后期研究中的重點。相對于過去，應該更關注生態系統服務功能在未來的變化趨勢，有必要對未來門頭溝區生態系統服務功能的變化趨勢進行評估。

3.2 結 論

(1) 門頭溝區景觀格局特征是林地為主導的土地覆被類型，建設用地、耕地和園地為主導的土地利用類型。2005—2013年，耕地、灌木林地、水域和未利用地面積呈減少趨勢，園地、有林地、草地、建設用地呈增加趨勢，其中耕地為減速最快的地類，園地為增速最快的地類；耕地、園地、草地、水域地類間的轉化較為顯著，主要轉為建設用地、園地和耕地；發生轉化的地類主要位于地勢平坦、交通便利、土壤質量較高的地區。生態公益林建設與改造、退耕還林還草、農業結構調整、生態搬遷以及山區綠色生態經濟發展等政策，是驅動門頭溝區土地利用與土地覆被變化的主要因素。

(2) 2005—2013年，門頭溝區生態系統土壤保持能力呈增加趨勢，8年間平均土壤保持能力提升了26.15 t/(hm2·a)，土壤保持總量增加了377.38萬t，由于植被覆蓋度和植被與經營管理措施的提高和顯著改善，雖然降雨侵蝕力增加了749.55 MJ·mm/(hm2·h·a)，但現實土壤侵蝕量減少了23.42萬t，自2005年以來實施生態修復與水土措施初顯成效。西北、東北部地區主要是林地和草地類型，植被覆蓋率提高顯著，土壤保持呈現增長趨勢，西南地區主要受降雨侵蝕力減弱影響，土壤保持呈現減少趨勢，東部地區則在降雨侵蝕力增強和土地利用與土地覆被類型快速轉變的綜合影響下土壤保持能力變化不大。

(3) 土壤保持功能與土地利用與土地覆被類型密切相關。不同土地利用與土地覆被類型單位面積土壤保持能力排序依然為：林地>草地>未利用地>建設用地>耕地>園地>水域；2005—2013年，不同土地利用/覆被類型的單位面積土壤保持能力均呈增加趨勢，其中未利用地增速最快，水域增速最慢；除耕地受面積減少顯著影響外，其他地類的土壤保持總量均呈增加趨勢。因此，可通過調整土地利用與土地覆被的空間結構與人為干預土地利用與土地覆被變化，為門頭溝區及京津冀山區的土地利用科學管理及決策提供參考。