水土保持彈性景觀功能模型及應用

楊碩果 劉江俠 吳卿

摘 要：為了給水電工程建設水土保持彈性景觀功能研究提供案例，運用景觀生態學靜態研究思想和中性模型建模方法，以土壤流失量、生態保護指標、凈第一性生產力為參數，構建了水土保持彈性景觀功能模型，用其計算的水土保持彈性景觀功能ET值閾限為0～5，ET值越大表明土壤侵蝕越輕微、生態環境越優良、生態生產功能越強。以出山店水庫大壩以上至92 m水位庫區尾水上游第一條流域面積大于100 km2的支流為研究區進行實例計算，結果表明研究區水土保持彈性景觀功能ET最大值、最小值、現狀值分別為4.162、2.505、3.994，均超過ET值閾限平均值2.5，說明研究區水土流失相對輕微、生態環境良好、生態生產功能較強，但仍須進一步防治水土流失、保護生態環境。

關鍵詞：水土保持;彈性景觀功能;模型;出山店水庫

中圖分類號：S157.2;TV62 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.015

Abstract： In order to provide a case for the study of soil and water conservation elastic landscape function in the construction of hydro power projects， the idea of landscape ecology and neutral modeling method were used， taking soil loss， ecological protection index and net primary productivity as parameters， the elastic landscape function model of soil and water conservation was constructed. The ET threshold of soil and water conservation elastic landscape function was 0-5. The larger ET value indicated the smaller soil erosion， the better ecological environment and the stronger ecological production function. Taking the first tributary of the upper reaches of the tailwater in the upper reaches of the reservoir area above the dam to 92 m of the Chushandian Reservoir as an example， the results show that the maximum， the minimum and present values ET elastic landscape function in the study area are 4.162，2.505 and 3.994 respectively，which all exceeding the threshold average of ET 2.5， indicating that the soil and water loss in the study area is relatively slight， the ecological environment is good and the ecological production function is strong， however， further control of soil and water loss and protection of ecological environment are still needed.

Key words： soil and water conservation; elastic landscape function; model; Chushandian Reservoir

水利水電工程開發建設對推動社會經濟發展、優化能源結構、應對全球氣候變化等方面具有重要作用，但對生態環境的影響具有兩面性。秦佳偉[1]研究了中小型水庫建設對周邊生態環境的影響，認為其在合理配置區域水資源的同時也會造成水土流失與生態系統失衡等;徐琳瑜等[2]在確定水庫生態補償標準和水庫生態服務功能價值的基礎上，分析了廈門市蓮花水庫生態補償額度。在對河流生態環境影響以及應采取對策方面，賈建輝等[3]系統論述了水利水電工程建設對河流生態環境影響的研究進展，認為當前研究以大中型水利水電工程、局部尺度、宏觀定性研究為主，而對小型水利水電工程、河流流域尺度的定量研究較少;周科等[4]從地域文化、水生態系統、景觀規劃等方面，提出自然生態和人文歷史相結合的河南登封隱士湖水庫景觀規劃設計方法;謝祥財等[5]基于水土保持與景觀營建相結合的方法，對安徽茨淮新河水利風景區規劃方法進行了研究;劉志強等[6]對水庫景觀功能開發利用的社會、生態、經濟意義進行了分析;胡向紅等[7]認為可充分利用水庫水工建筑物與自然環境，創造優美水庫工程環境和視覺景觀;李書娟等[8]系統分析了景觀空間動態模型研究現狀，認為未來景觀空間動態模型研究的重點是模型算法的優化、尺度轉換、檢驗與評價等。

防治人為水土流失與保護生態環境是水電工程建設需要重視的兩個方面。水土保持與景觀功能兩者之間關系密切，關于水電工程生態景觀方面的研究較多，而關于水土保持彈性景觀功能的研究則鮮見報道。筆者以河南省出山店水庫為研究對象，構建基于防治水土流失、改善生態、生態生產功能目標的水土保持彈性景觀功能模型，進行水土保持彈性景觀功能閾值計算，以期為研究區水土流失綜合治理與生態保護提供技術支撐、為水電工程建設水土保持彈性景觀功能研究提供案例。

1 研究區概況

出山店水庫是淮河干流上的一座以防洪為主的大（1）型水利樞紐工程，控制流域面積2 900 km2，總庫容12.51億m3。研究區為該水庫大壩以上至92 m水位庫區尾水上游第一條流域面積大于100 km2的支流，面積為958.09 km2。以小流域（面積大于5 km2）或小流域片（面積小于5 km2的幾條小流域連片）為單元，將研究區劃分為33個水土保持彈性景觀單元（其中：水庫92 m水位對應庫區作為1個單元，稱為庫區;庫區左岸上游小流域及小流域片稱為左岸，共15個單元;庫區右岸上游小流域及小流域片稱為右岸，共17個單元）。研究區地貌類型主要為低山、丘陵、崗地和河谷，屬北亞熱帶濕潤型氣候區，年降水量800～1 200 mm，多年平均氣溫15.0 ℃，土壤類型主要有水稻土和黃棕壤，植被以落葉針闊葉林為主、常綠針闊葉林與落葉針闊葉林并存，區域生態系統主要有森林、灌叢、草地、農田、河流、村鎮等，土壤侵蝕以水力侵蝕為主，輕度及以上土壤侵蝕面積占總面積的11.49%。

2 水土保持彈性景觀功能模型

2.1 模型的理論基礎

景觀生態學靜態研究思想主要是針對特定的景觀結構以及一定景觀結構控制下的景觀功能開展研究，在景觀結構特定狀態詳細說明的基礎上，揭示景觀生態功能與景觀格局之間的相關關系，引用描述膠體與玻璃類物質物理特性的滲透理論中的臨界閾限，確定景觀生態過程及功能的臨界閾值（其對于合理規劃和管理景觀具有重要作用）。中性模型是以滲透理論為基礎構建的模型，在景觀生態過程與景觀功能研究中廣泛應用，建模時通過對經驗數據的分析，推測某一種景觀格局可能是某種過程控制的結果，是一種不包含地形變化、歷史干擾、空間聚集性、其他生態學過程與影響的模型。本文運用景觀生態學靜態研究思想和中性模型建模方法，構建水土保持彈性景觀功能模型。

2.2 模型的構建

土壤侵蝕是水土流失發生發展及其產生危害的基礎。水土流失導致地形破碎、土層變薄、養分流失、生產力下降，植被退化、功能降低、涵養水源能力下降，進而使生態環境惡化、自然植被凈第一性生產力下降。土壤侵蝕是水土保持景觀格局的重要制約因素，參考中國土壤流失方程CSLE[9]、《美麗中國建設評估指標體系及實施方案》[10]、自然植被凈第一性生產力模型[11]，以耕地、林地、草地、水域為水土保持彈性景觀要素，以水土保持彈性景觀單元土壤流失量SW、生態保護指標EP、凈第一性生產力NPP為參數，建立如下水土保持彈性景觀功能模型：

式中：ET為水土保持彈性景觀功能，閾限為0～5，其值越大表明土壤侵蝕越輕微、生態環境越優良、生態生產功能越強，其值越小說明土壤侵蝕越嚴重、生態環境越惡劣、生態生產功能越弱;SWij為第i個水土保持彈性景觀單元第j類彈性景觀要素的土壤流失量，t/a;EPih為第i個水土保持彈性景觀單元第h個生態保護指標值;NPPij為第i個水土保持彈性景觀單元第j類彈性景觀要素的凈第一性生產力，kg/（hm2·a）;n為水土保持彈性景觀單元數，本研究n=33;m為水土保持彈性景觀要素數，本研究m=4;k為生態保護功能指標數，本研究k=5。

式中：FCi為第i個水土保持彈性景觀單元林草覆蓋率，%;WLi為第i個水土保持彈性景觀單元水域保護率，即彈性景觀單元內受保護的水域面積占水域總面積的百分數，%;WSi為第i個水土保持彈性景觀單元水土保持率，即彈性景觀單元內水土保持措施面積占總面積的百分數，%;NRi為第i個水土保持彈性景觀單元自然保護地占總土地面積的比例，即彈性景觀單元內自然保護地面積占陸域面積的百分數，%;BSi為第i個水土保持彈性景觀單元重點生物保護率，即彈性景觀單元內重點保護的物種數占應重點保護物種總數的百分數，%。

2.3 模型有關數據

2.3.1 基礎數據

（1）土地利用數據。采用分辨率為30 m的Landsat TM、Landsat OLI衛星遙感影像數據和分辨率為2 m的夏態時相GF-2衛星遙感影像數據，利用ERDAS IMAGE和ARCGIS軟件，通過人機交互解譯和野外調查驗證，獲取研究區2000年、2005年、2010年、2015年、2018年耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地面積等數據。

（2）地形特征數據。利用全要素地形圖和GF-2衛星遙感影像數據，采用3S技術獲得研究區1∶5萬DEM數據，依據DEM數據獲取自然流域（溝道）、水土保持彈性景觀單元的地形特征基礎數據。

（3）土壤侵蝕數據。利用高分辨率衛星遙感影像解譯資料、DEM數據等，基于ArcGIS技術，獲得土壤流失方程CSLE中各土壤侵蝕因子數據。

（4）生物量數據。通過現場樣方調查獲得不同水土保持彈性景觀要素生物量數據。

（5）景觀要素數據。以小流域或小流域片為單元，把研究區劃分為33個水土保持彈性景觀單元。基于3S技術，獲得耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地景觀要素圖斑16 686個，見表1。

2.3.2 模型指標數據

研究區的有關模型數據取值范圍如下。

（1）防治水土流失指標。年降雨侵蝕力因子R，3 915.5～5 510.21 MJ·mm/（hm2·h·a）;土壤可蝕性因子K，0～0.006 9 t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）;地形因子LS，0～31.566 2;植被覆蓋因子B，耕地取1、林地草地取0.01、水域取0.001、建設用地取0.01～0.025、未利用地取1;水土保持工程措施因子E，取值為1;耕作措施因子T，耕地取0.372，其他地類取1。

（2）改善生態指標。林草覆蓋率FC，36.21%;水域保護率WL，100%;水土保持率SW，88.51%;自然保護地面積比例NR，0;重點生物保護率BS，0。

（3）生態生產指標。年降水量，800～1 200 mm;多年平均年降水量，1 000 mm;多年平均氣溫，15.0 ℃;自然植被凈第一性生產力，8 360～11 090 kg/（hm2·a），耕地、林地、草地、水域水土保持彈性景觀要素凈第一性生產力分別為6 140、12 510、5 200、4 000 kg/（hm2·a）。

2.4 水土保持彈性景觀功能計算結果

利用式（1）～式（8）對研究區水土保持彈性景觀功能ET進行計算，結果見表2。

出山店水庫庫區左岸水土保持彈性景觀功能ET最大值、最小值、現狀值分別為4.040、2.053、3.722，右岸水土保持彈性景觀功能ET最大值、最小值、現狀值分別為4.166、2.384、 4.047，說明右岸土壤侵蝕程度輕于左岸、生態狀況優于左岸。研究區整體范圍的水土保持彈性景觀功能ET最大值、最小值、現狀值分別為4.162、2.505、3.994，均超過ET值閾限平均值2.5，說明研究區水土流失相對輕微、生態環境良好、生態生產功能較強，但仍須進一步防治水土流失、保護生態環境。

3 結 語

運用景觀生態學靜態研究思想和中性模型建模方法，以土壤流失量與改善生態指標和凈第一性生產力為參數，構建了水土保持彈性景觀功能模型。用其計算的水土保持彈性景觀功能ET值閾限為0～5，ET值越大表明土壤侵蝕越輕微、生態環境越優良、生態生產功能越強。對出山店水庫區域進行實例計算，結果表明研究區水土保持彈性景觀功能ET最大值、最小值、現狀值分別為4.162、2.505、3.994，均超過ET值閾限平均值2.5，說明研究區水土流失相對輕微、生態環境良好、生態生產功能較強，但仍須進一步防治水土流失、保護生態環境。

土壤侵蝕、改善生態、生態生產均是復雜的系統，影響因素眾多，水土保持彈性景觀功能模型3個參數的確定均與多個定量化、定性化、半定量半定性化的因子有關，因此對于模型指標選擇及計算方法還需進一步深入研究。

參考文獻：

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【責任編輯 張智民】