退耕還林背景下北方農牧交錯帶土壤保持功能時空變化

劉孟竹, 張紅娟, 任賀宇, 裴宏偉

(1.河北建筑工程學院 市政與環境工程系, 河北 張家口 075000; 2.河北省水質工程與水資源綜合利用重點實驗室， 河北 張家口 075000)

生態系統提供給人類生存所需的各種惠益統稱為生態系統服務[1]。土壤保持服務作為生態系統中土壤保育、水源涵養等生態服務功能的基礎，對于區域內的土地安全以及生態可持續發展意義重大。土壤侵蝕與沉積是生態系統維系自身穩定發展的一種自然過程[2]，但其演變過度時會造成水土流失、土地退化、地力下降、河道淤塞等，嚴重時會導致一系列自然災害發生，威脅人類生產生活[3]。有關土壤保持的研究一直以來都是國內外學者廣泛關注的重要環境議題[4]。歐陽志云等[5]學者對中國生態系統服務進行的一項評估中發現，包括土壤保持服務在內的6項生態服務在2000—2010年中得到明顯提升，而退耕還林等生態保護政策對此起到重要作用；Ren等[6]分析了長江上游流域水土流失的分布，研究指出森林生態系統對土壤保持的作用最大；同時，Lufafa等[7]通過預測模型評估了維多利亞湖流域的土壤損失分布，發現農田土壤保持能力最高，其次為牧場。綜合上述研究來看，InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型在對土壤保持的量化和繪圖中受到了廣泛使用，在土地利用變化對土壤侵蝕和保持的影響研究中發揮了重要作用。

20世紀60年代，由Wischmeier提出的可定量估算土壤保持量的土壤侵蝕方程(USLE)，被認為是目前應用最廣泛的土壤侵蝕模型[8]。該模型計算土壤侵蝕的原理是通過潛在土壤侵蝕量減去實際土壤侵蝕量得到土壤保持量，然而該過程并未考慮土壤自身攔截上游沉積物的能力，使得計算結果有失偏頗[9]。這一問題在InVEST模型中得到了有效解決。InVEST模型全稱為生態系統服務功能權衡綜合評估模型，包括了水源涵養、生物多樣性、碳儲量、生境質量等子模型。其中，泥沙輸移模塊，在USLE的基礎上考慮了地塊攔截上游沉積物這一重要水文過程，使得結果更符合實際，目前已被應用于中國的山區、流域以及非洲桑塔尼亞、美國夏威夷等地區[10]。

北方農牧交錯帶處于中國的半干旱半濕潤過渡區，生態環境極為脆弱[11]，該區同時也是我國中東部地區的“生態屏障”[12]，具有極其重要的生態區位。長期以來，北方農牧交錯帶 “重農輕牧”、“重生產輕生態”，產業結構嚴重失衡、超載放牧以及水資源無序超采等已經造成嚴重的草場退化、土地沙化、水土流失等生態環境問題[13]。對于本地區而言，水土資源的合理、持續利用，是實現農牧業可持續發展、經濟穩定增長的重要保障。退耕還林工程實施以來，區域內的植被條件得到一定程度的改善。北方農牧交錯帶處在農耕區向草原牧區過渡的特殊地帶，東西兩側地理跨度大，氣候也不盡相同。目前，對于北方農牧交錯帶土壤保持的相關研究主要集中在該區西段[14]以及較為分散的市域[15]，針對整個片區的相關研究目前鮮有報道。基于此，本文收集該區2000—2018年土地利用、降雨、土壤、DEM (Digital Elevation Model)等多源數據，通過InVEST模型定量估算該區的土壤保持總量，并分析過去近20 a的變化特點，以期為該區生態治理以及可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據源及處理

本研究所用的土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心，該數據源于Landsat影像解譯制成，分辨率為30 m。土地利用數據時間節點選取了2000年、2018年2期，該數據精度在85%以上，能滿足本文研究需要。土地利用分類根據《土地利用現狀分類》標準并參考北方農牧交錯帶地區的實際情況將其分為6類：耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地。DEM數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)SRTMDEMUTM 90 M數字高程產品，裁剪后的研究區DEM柵格圖在ArcMap軟件中經過了填洼處理。土壤數據來自于國家冰川凍土沙漠科學數據中心的1∶100萬中國土壤數據集(http:∥www.crensed.ac.cn/portal/)。降雨數據來自于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.cn/)，主要為46個遍布北方農牧交錯帶地區的氣象站研究期間的逐日降雨數據。所有空間數據均統一成WGS_1984坐標系，模型中所需的其余參數數據均參考模型數據庫。

1.2 研究區概況

本文參考中國農業農村部于2017年發布的《農業部關于北方農牧交錯帶農業結構調整的指導意見》，該指導意見中詳細劃分的我國北方農牧交錯帶重要區域共涉及寧夏、甘肅、內蒙古、陜西、山西、河北、遼寧在內7省的146個縣市(圖1)。圖1中具體劃定的北方農牧交錯帶總面積約為4.7×105km2，經DEM數據裁剪后該區海拔在27～3 061 m。該區年均氣溫2～8℃，近30 a來年均增溫0.32 ℃/10 a，年均降雨量400 mm左右，降水年際變化較大[16]。該區地貌單元主要以高原、丘陵結合為主，部分區域地貌為平原、沙地、山地[9]。一直以來，北方農牧交錯帶存在著過度開墾、超載過牧等現象，土地荒漠化、生物多樣性喪失、水土流失現象嚴重[17]。目前研究區已實施的幾個主要生態修復工程包括有“三北防護林”、“京津風沙源治理”、“退耕還林”等。

圖1 研究區高程

1.3 研究方法

1.3.1 流域邊界確定 InVEST模型需要輸入研究區域內的子流域矢量圖，本研究通過填洼后的DEM數據在ArcMap軟件中采用水文分析工具得到。匯水累積量閾值是提取流域的關鍵參數，當值過低時，會導致提取的子流域過于密集細碎。如果該值偏高會造成提取的各子流域面積過大，研究細節則被忽略。流域匯水閾值選取500，1 000，2 000，…，15 000等一組參數進行調參，當該閾值設置為5 000時，獲取的河網以及流域整個的邊界與研究區地理圖基本吻合，子流域大小合適，最后確定該閾值下研究區生成共計生成3 385個子流域。

1.3.2 土壤保持量計算 InVEST土壤保持模型是在USLE的理論基礎上加以改進。在沉積物持留方面，該模型考慮了植物對土壤侵蝕的減緩以及對上坡沉積物具有攔截作用這一重要水文過程，使得模型結果更科學合理。本研究采用改進的USLE方程，具體計算方法參考以往研究[18]如下：

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(1)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(2)

(3)

SEDRETx=RKLSx-USLEx+SEDRx

(4)

式中:SEDRETx為柵格x的土壤保持量(t);RKLSx為柵格x基于地貌和氣候計算的的潛在土壤侵蝕量(t);USLEx為柵格x的土壤實際侵蝕量;SEDRx為柵格x的土壤持留量;Rx,Kx,LSx,Cx,Px為單元柵格x的降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長坡度因子、植被覆蓋與管理因子、土壤保持措施因子;SEx為x柵格泥沙持留率;SEz為上游柵格z泥沙持留率。USLEy為進入柵格x的上游柵格y產生的泥沙量。

1.3.3 降水侵蝕力因子R降水侵蝕力(R)是土壤侵蝕模型中最重要的參數，其反映了降雨條件下雨水對土壤的分離、運移、沖洗而導致水土流失的潛在能力。由于北方農牧交錯帶所處在干旱半干旱區，年降雨量偏低，經過降雨資料的篩選發現該區大部分氣象站點日降雨量≥12 mm的天數一年中極少，故不采用日降雨量降雨侵蝕力算法模型。本文選擇月尺度公式對研究區氣象站點數據進行計算，公式參考以往研究[19]如下：

(5)

式中:p表示2000—2018年氣象站點的年降雨量(mm);pi表示月降雨量(mm)。其中R需乘轉換系數17.02得到國際單位(MJ·mm)/(hm2·h·a)。將每一個站點逐月降雨量與年平均降雨量代入上式計算,統計結果通過克里金法插值得到研究區降雨侵蝕力圖。

1.3.4 土壤可蝕性因子K土壤可蝕性用來表征土壤對降雨對其侵蝕力的敏感性。Wischmeier等[20]定義土壤可蝕性因子K為標準小區(坡長22.12 m，坡度9%)上單位降雨侵蝕力引起的土壤侵蝕率。本文選擇改進的USLE方程[21]，得到北方農牧交錯帶土壤可蝕性因子K圖。公式如下：

KUSLE={0.2+0.3exp[-0.0256Ssand×(1-Ssilt/100)]}×(Ssilt/Sclay+Ssilt)0.3×

[1-0.25Corg/(Corg+exp(3.72-

2.95Corg)]×{1-0.75Sn/[Sn+

exp(-5.51+22.9Sn)]}

(6)

Sn=1-Ssand/100

(7)

式中:Ssand為沙粒含量;Ssilt為淤泥、細沙含量;Sclay為黏土含量;Corg為各圖層有機碳含量;Sn為代數符號,無實義;KUSLE為改進USLE方程構建的土壤侵蝕力因子。

該模型K值與中國地區實測K值存在出入，故采用張科利等[22]研究構建的K值修正公式，公式如下：

Kreal=-0.01383+0.51575KUSLE

(8)

式中:Kreal為修正后的土壤侵蝕力因子;KUSLE為改進USLE方程構建的土壤侵蝕力因子。

1.3.5 坡長坡度因子LS 地形是土壤侵蝕中較為重要的參數，其中坡長、坡度因子能表征坡度與地表的關系，是影響坡面匯流以及產沙的重要地貌因素。將研究區的DEM數據導入到InVEST模型中，模型會根據輸入的坡度閾值用不同公式分坡度來自動進行計算得到LS因子圖層。本文中參考多數研究選擇，將坡度閾值設置47%(約為25°)，計算公式由模型運行[23]。

1.3.6 植被覆蓋與管理因子C覆蓋和管理因子C是指植被覆蓋或實施田間管理的區域土壤侵蝕總量與實施清耕的連續休閑地土壤侵蝕總量的比值，在0～1取值[24]。多數研究采用歸一化植被指數NDVI進行計算提取得到C值。考慮到常用的NDVI產品分辨率較低，本文參考以往研究對土地利用類型進行賦值，以生物物理系數表導入模型自動生成覆蓋和管理因子C圖層，其中耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地分別賦值為0.05，0.03，0.04，0，0，1[25]。

1.3.7 水土保持措施因子P水土保持措施因子P是指采取水土保持措施后的土壤侵蝕量與不采取任何措施的順坡耕作時相應土壤侵蝕量的比值，介于0～1。0值時代表沒有土壤侵蝕區，1值表示未采取水土保持措施的區域。其中耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地分別賦值為1，1，1，0，0，1。

2 結果與分析

2.1 各省土壤保持量變化分析

2000年、2018年北方農牧交錯帶土壤保持及其變化由InVEST模型和ArcMap軟件量化與繪制(圖2)。根據統計，2000年、2018年研究區土壤保持總量分別為214.76億t，214.93億t，研究期間共計增長0.17億t。結合表1分析，土壤保持量增長區域主要分布在河北、遼寧和山西，因為在研究期間上述3省的平均土壤保持量呈增長趨勢，近20 a來分別增加了1.825，0.299，0.453 t/hm2；相反地，寧夏和內蒙古土壤保持量呈減少趨勢，2000—2018年分別由274.259，258.234 t/hm2減少到274.092，258.227 t/hm2；陜西和甘肅在2000年、2018年土壤保持量相差不大。從分布來看，北方農牧交錯帶東南部(河北和山西)土壤保持量較高，并且呈增長狀態；相反地，西北部(陜西、寧夏、甘肅、內蒙古)以及遼寧在土壤保持量能力上表現不突出。綜上來看，北方農牧交錯帶7省土壤保持量變化的特點是“三增兩減兩不變”，分布上呈現“東南強，西北弱”的趨勢。

表1 2000-2018年北方農牧交錯帶各省土壤保持量變化

圖2 2000-2018年北方農牧交錯帶土壤保持變化

2.2 不同坡度等級土壤保持量分析

北方農牧交錯帶范圍較廣，但為了更好區分不同坡度區域的土壤保持水平，本文采用了坡度每隔15°一段的等距劃分法，并賦予等級(表2)。實際上，表2中數據與2000年數據并無差異，本文選擇了鄰近年份2018年的統計數據進行分析。北方農牧交錯帶低坡度(0°～15°)土地面積居多，總面積3 908.96萬hm2，占比約83.58%；其次是較低坡度(15°～30°)，737.94萬hm2，占比15.78%。中等及中等以上坡度面積占比不到1%。盡管低坡度(0°～15°)區域土壤保持總量最多，約116.22億t(54.09%)，但其平均土壤保持量最低，僅297.31 t/hm2。較低坡度(15°～30°)區域面積約為研究區總面積的15.78%，但占據了研究區42.02%的土壤保持總量，約92.28億t。中等及中等坡度以上區域面積占比0.64%，土壤保持總量比重達到3.89%。綜上，隨著坡度的上升，土壤保持總量減少，但單位面積的土壤保持量增多，即坡度越陡，土壤保持能力越強。多數研究表明，大于15°以上的土地更易發生土壤侵蝕，隨著坡度越陡且越發嚴重[26]，但地表植被會對土壤潛在侵蝕產生一定的阻控，土壤保持能力隨之增強[27]。總的來看，北方農牧交錯帶整個區域處于低坡度區，坡度在0°～15°的土地面積占比83.58%，同時該區土壤保持量在坡度分布上呈現梯級上升式的“總量減、均值增”的趨勢。

表2 2018年北方農牧交錯帶不同坡度土壤保持量

2.3 不同土地利用類型土壤保持量分析

北方農牧交錯帶不同土地利用類型的單位面積土壤保持量在2000年、2018年及其期間的變化統計見表3。2018年研究區林、草、耕地土壤保持總量分別為76.61，95.74，38.92億t，分別占據土壤保持總量的36.14%，43.99%，17.50%。研究期間，林地相較于其他土地利用類型，平均土壤保持量在整個研究時期均保持最高，在2000年、2018年分別為923.28，863.62 t/hm2，下降了59.66 t/hm2；其次是草地，由2000年的208.87 t/hm2上升到2018年的520.39 t/hm2，近11.52 t/hm2的增長。耕地的平均土壤保持量變化不顯著，在研究初、末期分別為237.96，238.44 t/hm2，未利用地的平均土壤保持量最低，2018年僅42.56 t/hm2，不足林地的1/20。綜上來看，對研究區土壤保持功能提高貢獻最大的是林地和草地

表3 2000-2018北方農牧交錯帶不同土地利用類型土壤保持量

2.4 “退耕還林”區域對土壤保持的影響

為定量評估退耕還林(草)工程對北方農牧交錯帶地區的2000—2018年的土壤保持功能影響，在InVEST模型中，分別以該區2000年、2018年的土地利用數據作為變量，其余參數均以2000年數據為基準代入到模型中分別進行了2組試驗。同時，提取了研究區2000—2018年期間耕地轉林地、耕地轉草地、未利用地轉林地、未利用轉草地的的4個圖層。通過ArcMap軟件將2000—2018年土壤保持變化柵格圖與耕地轉林、草地圖層疊加分析，得到結果為研究區退耕還林(草)區域土壤保持量變化柵格圖(圖3)。

圖3 北方農牧交錯帶2000年-2018年“退耕還林”區土壤保持變化

北方農牧交錯帶2000—2018年各個省“退耕還林”區統計見表4。整個研究區由耕地、未利用地轉變為林地和草地的總面積約為109.20萬hm2，其中耕地轉林地、耕地轉草地、未利用地轉林地、未利用地轉為草地的面積分別為43.00(39.38%)，53.92(49.38%)，0.92(0.84%)，11.36(10.40%)萬hm2。“退耕還林”實施的主體仍然是耕地，未利用地植被重建只占到11%。在各個省中，遼寧、陜西、內蒙古“退耕還林”面積最多，分別為24.05(22.02%)，22.81(20.88%)，22.59(20.69%)萬hm2；河北和山西次之，分別為13.68(12.53%)，14.30(13.09%)萬hm2；寧夏和甘肅最少，分別為4.94萬(4.50%)hm2，6.83(6.25%)萬hm2。陜西省和甘肅省是最早的第一批退耕還林試點區，而研究區內陜西省的林、草地恢復顯然是顯著于甘肅省的；內蒙古相較于其余省雖然在“退耕還林”面積中處于前列，但其區域面積最大，“退耕還林”面積相對并不顯著。

表4 2000-2018年北方農牧交錯帶各省“退耕還林”區域面積 hm2

“退耕還林”區域的土壤保持量變化見表5。整個研究區耕地、未利用地轉化成林、草地帶來的土壤保持增量為1 014.50萬t，占研究區土壤保持量總增量(約1 700萬t)的59.68%。每1 hm2的耕地轉為林、草地增長的土壤保持增量分別為1.38，0.80 t，但每1 hm2的未利用地轉變為林、草地后土壤保持量分別增加67.72，75.32 t。這是因為耕地中的植被年內季節變化性較大，植被覆蓋水平相對林、草地植被較低，當耕地的植被覆蓋較高時，土壤中植被根系具有一定的固定土壤的能力；而未利用地以鹽堿地、裸地為主，植被覆蓋度極低，因此其土壤保持功能不如耕地，這導致了耕地和未利用地轉成林、草地時的平均土壤保持量上存在較大差距(表5)。綜上可以認為，北方農牧交錯帶近20 a來的土壤保持能力提升的主要原因是由于“退耕還林”的實施。其中，未利用地到林、草地的土地轉入對土壤保持功能的提升貢獻最大，轉變區域內土壤保持量增加了近912.56萬t，占研究區土壤保持總增量的89.95%；耕地轉成林、草地的總面積占“退耕還林”區域面積的88.76%，轉變區域內土壤保持增量僅占總增量的10.05%，約101.93萬t。

表5 2000-2018年“退耕還林”區土壤保持變化

3 討 論

3.1 誤差分析

從本文結果的誤差來源分析，土地利用數據的精度直接影響著對研究區土壤保持量模化的真實程度。不僅如此，InVEST模型對土壤保持過程的簡化、輸入數據的敏感性都會對結果產生影響[28-29]；從數據處理來看，土地利用數據經過了一定修正，如河北省張家口市張北縣安固里淖，實際上2004年已經全部干涸[30]，在2018年土地利用數據中該區域被修正成未利用地；在氣象數據處理上，本文采取了多年平均值，一方面是為了排除極端值給結果帶來的不確定性，另一方面則是為了消除氣象因素的干擾，從而保證土壤保持只受土地利用變化的單因素影響，這樣的處理方法在同類生態系統服務的研究中[31-32]中也被使用。

3.2 土地利用變化對土壤保持影響

從本文結果來看，不同坡度的區域土壤保持能力變化(隨坡度增大而增大)與參考文獻[4]是相同的；對于研究區不同土地利用類型的土壤保持能力(平均土壤保持量)，林地>草地>耕地>未利用地的結果與已有研究[18]也是一致的，因此本研究結果具有可信度。從“退耕還林”對土壤保持能力的影響來分析，無論是土壤保持量總量還是均值，林、草地的相應水平都是最高的。林、草地作為植被覆蓋度較高的土地利用類型，除了其地表的堆積的殘物落葉可以抵擋降雨的直接沖刷，地底較長的根莖具有固定土壤以及良好的保水性，因此林、草地不易受侵蝕，土壤保持能力也相應較強；未利用地的土壤保持能力最低，這是因為鹽堿地、沙地等土地土壤松散，不僅保水性差而且地表徑流系數大，強降雨很容易造成沙化的土壤被雨水沖走而引起嚴重的水土流失。

4 結 論

(1) 在氣候均質的條件下，中國北方農牧交錯帶2000年、2018年土壤保持量數量上分別為214.76億 t，214.93億 t，平均土壤保持量分別為459.033，459.395 t/hm2；在空間上呈現“東南強，西北弱”的分布。該區土地利用變化輕微增強了土壤保持能力，相比研究初期實現了0.356 t/hm2的增量。

(2) 2000—2018年，在省域尺度上，山西省土壤保持功能較其余6省最高(915 t/hm2)，河北省土壤保持能力提升最大(+1.83 t/hm2)；在不同土地利用類型上，各土地類型土壤保持功能依次為:林地>草地>耕地>未利用地，另外，這4種土地利用類型在2018年每1 hm2的土壤保持量分別為863.62，520.39，238.44，42.56 t；在坡度分布上，研究區土壤保持功能隨著坡度梯級上升而顯著增強，坡度最高區間內的單位土壤保持量是最低區間的26倍。

(3) 2000—2018年，“退耕還林”工程顯著地提高了北方農牧交錯帶土壤保持功能，“退耕還林”區域內土壤保持量增加了1 014.50 t，占研究區總增量的近60%。本研究發現，在未利用地區域實施植被重建對土壤保持功能有顯著的提升。但實際上，植被的恢復與重建往往會耗費大量人力、物力，且在鹽堿地、荒地實施難度更大，這在改善區域土壤流失的生態議題中值得引起重視。