基于In VEST模型的小流域土地利用優化措施研究

張曉光

(遼寧省朝陽縣水土保持局，遼寧 朝陽 122000)

1 流域水土流失狀況

小流域位于朝陽縣境內，屬大凌河中游，總面積約27. 03 km2。小流域處于古熱河地塊的東部邊緣地帶，地形總體較為平坦，大部分為坡耕地、土石質荒山，林地面積較少，土層厚度適中，適宜水平梯田修建、坡耕地集中連片和水土保持造林。該流域屬于半濕潤、半干旱大陸性季風氣候，年均降水量515 mm，年徑流深112 mm，多集中于7、8、9三個月，季節降水變化較大。土壤類型以褐土為主，土壤抗沖蝕性弱、通透性差且腐殖質較薄，植被類型主要有人工林，林草覆蓋率34.08%。

自然和人為因素為導致水土流失的主要原因，其中自然因素又包括土壤、降水、地形等。由于流域內降雨分布不均，70%降水集中于雨季(7-9月)，且多以暴雨形式沖刷地表，加劇了土壤侵蝕[1-2]；此外，從地質的角度上，地質構成物質多為極易侵蝕的洪積物、殘積物等，其耕作層含有礫質且表層土壤多褐土質地，土壤保水能力差、質地輕；從地形條件上，小流域地處丘陵山區，地勢起伏變化、坡度高[3]。人為因素以陡坡開荒為主，坡耕地進一步加劇土壤侵蝕，同時不合理的牛羊放牧、打柴等也會對植被造成一定的破壞，減少林草覆蓋率[4]。總體而言，小流域地勢起伏變化、坡度高、降水集中，土壤通透性差、保水保土能力弱、土層薄、團粒結構少，加之人類的不合理開發利用，在不利降水和地形條件下極易造成水土流失。

2 InVEST模型構建

2.1 基本原理

In VEST模型是一款由世界自然基金會(WWF)、大自然保護協會(TNC)與美國斯坦福大學聯合研發的生態系統評估模型[6-7]，該模型能夠模擬生態系統價值量和物質量在不同土地覆蓋情境下的變化，從而為評價人類活動影響和效益提供決策依據。In VEST模型可以有效解決以往評估系統直觀性差、側重于文字表述等問題，能夠可視化顯示評估結果。截止現今，該模型已有7個版本，可以提供陸地生態、海洋和淡水系統三大模塊，且不同評估項目均有相適應的模塊。

2.2 坡面侵蝕單元劃分

本研究利用GIS水文系統提取流域最小單元，通過水文模型分析坡面侵蝕單元，并為小流域精細化管理和后續數據的分析提供支持。采用1:1萬DEM數據提取盆域、傾斜點、河網水系、水流計算方向和填洼等數據。單元提取時匯流閾值的合理設置，應充分考慮精度要求和小流域實際情況，通過多次設置試驗獲取最佳匯流閾值為500，經反復運行確定坡面侵蝕單元405個，各單元平均取6.67 hm2。

2.3 數據庫的構建

結合小流域部分實測數據及現有學者的研究成果，計算獲取泥沙持留率、植物蒸散系數、植物可利用水含量、水保措施、作物管理與植物覆蓋、坡度坡長、土壤可蝕性、降雨侵蝕力等模型參數值。根據已劃分的坡面侵蝕單元構建數據庫，整合收集到的地理基礎數據、表格資料、圖片以及文字等，實現可視化、一體化管理。

3 小流域水土流失區土地適宜性評價

小流域水土保持和綜合治理的重要依據為土地的適宜性評價，通過科學合理的評價每塊土地適宜性方可充分發揮其功能作用和經濟價值。本研究借鑒土地利用相關文獻資料，按照可獲取性、獨立性、科學性、系統性等原則合理設定土地適宜性評價指標，具體如下：

土地利用現狀。以衛星遙感數據提取小流域土地利用信息，并考慮適宜性程度劃分成建設用地、草地、林地、園地、耕地及其他用地6種類型。

土壤侵蝕狀況。依據In VEST模型評估結果提取土壤侵蝕數據，按照侵蝕強度劃分成強烈、重度、嚴重、重度、輕度、輕微6個侵蝕等級。

流域地貌。結合小流域實際情況，并參考陳道明等研究資料合理劃分地貌類型。

研究區坡度。采用DEM空間數據和小流域部分實測數據提取坡度，結合實際情況劃分成大于32°、22°～32°、15°～22°、9°～15°、4°～9°、0°～4°等6個標準。

道路和居民點距離緩沖。考慮道路、居民點距離評價單元的遠近，將其劃分為六個等級，即大于250、200～250、150～200、100～150、50～100、0～50。

根據小流域實際情況和現有文獻資料，對所選各指標權重利用AHP法計算，詳細流程見文獻，結果如表1。然后利用Arc GIS軟件對所有指標權重和各個圖層的空間化數據加權疊加，從而確定適宜性評價等級。

表1 AHP法確定的指標權重

柵格化處理小流域各指標初始數據，并考慮加權疊加值生成土地適宜性格柵及其占比，如圖1。從評價結果可知，小流域整體呈現出良好的發展趨勢，然而局部地區的土地適宜性較差，不同區域的土地適宜性具有明顯的差異。從不同劃分等級上，交通條件良好、土地坡度較緩、適宜用作農用地的土地面積(第一級)所占比例不高為4. 45%；與第一級相比坡度陡、交通便利，局部適用于農用地和果林種植的土地面積(第二級)所占比例為16. 20%；坡度更大、交通不便，比較適用于牧業生產和林地的土地面積(第三級)所占比例最大70. 05%；坡度陡峭、質量較差的其他區域面積(第四級、第五級)占9. 30%，故該區域應作為土地利用優化調整的重點。

(a)百分比 (b)面積

4 土地利用優化措施分析

充分考慮小流域實際情況及其水土保持基本要求，明確小流域總體治理目標：通過優化土地利用方式改善小流域生態狀況，從而解決現階段存在的土壤侵蝕問題；經過調整、優化土地利用結構促進區域農業生產，以更好的保護有限的耕地資源以及保證流域生態系統服務質量；采用合理的方式調整坡度較陡的耕地，以促進農村經濟和林果業特色經濟的穩定發展。

根據前文提取的坡面侵蝕單元和現有水保規劃技術規程，以水保領域相關技術文件以及規范為依據，通過合理劃分土地類型和土地適宜性評價，科學規劃小流域綜合治理。考慮到研究需求及流域實際情況，僅探究耕作、林草及其他工程技術措施，按照以下思路優化調整小流域土地利用方式：保留流域內大部分農田，并對農田土壤侵蝕量利用文中所述模型模擬計算，優化調整超標部分土地類型。總體而言，對于未實施水保措施且坡度超過25°的旱田采取退耕還林措施；對于水土流失量超標且坡度低于25°的坡耕地，結合土地適宜性評價結果采取坡改梯或果林化措施，整體規劃如表2，優化調整后的用地類型如表3。

表2 小流域土地利用規劃

表3 優化調整后的用地類型 hm2

將小流域土地利用方式利用基于圖斑的精細化調整措施和模型計算成果加以優化，結果顯示土壤侵蝕區域與優化調整的范圍保持較好一致性，可見優化調整后的土地利用類型能夠較好的抑制土壤侵蝕，為小流域水保治理和生態保護創造有利條件。

5 結語

(1)土地資源是保證國家戰略安全和人類賴以生存的自然資源，受自然條件和人類活動影響區域水土流失不斷加劇，實施小流域綜合治理對推動生態文明建設和區域發展發揮著巨大作用。

(2)本文以朝陽縣某小流域為例，利用In VEST模型評價分析了土地利用方式，并結合小流域實際情況提出有效的優化調整對策，為小流域生態保護和水土保持規劃提供指導。

(3)水土保持工作涉及范圍廣、覆蓋因素多，實施過程中應考慮諸多復雜多變的植被、地形和土地類型等因子，未來還需進一步積累相關信息以提高評價準確度。