丹江口庫區2010-2020年土壤保持功能時空特征及其影響因素

廖 雯, 胡硯霞,2, 于興修,2, 劉璇璇

(1.湖北大學 區域開發與環境響應湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430062;2.湖北省農業遙感應用工程技術研究中心, 湖北 武漢 430062)

土壤保持是生態系統的重要調節服務功能之一，在緩解區域土壤侵蝕和維持生態安全等方面發揮著重要作用[1]。丹江口水庫作為中國南水北調中線工程的水源地，在生態環境建設方面具有重要意義。近年來丹江口庫區天然林的保護、退耕還林(草)工程以及庫區移民政策的實施，區域土地利用結構發生改變，一定程度上會造成庫區周圍地區水土流失加劇、生態環境遭到破壞。隨著丹江口水庫水質監測和水土保持工作的不斷推進，水源區水污染防治和水土流失治理工作產生一定成效，但部分區域仍存在不同程度的水土流失、石漠化問題。因此，有必要繼續深入開展丹江口庫區土壤保持研究，這將有助于認識水源地土壤侵蝕和土壤保持功能的時空變化特征及其影響因素，對保障南水北調中線工程水質安全具有重大意義。目前對土壤保持功能的研究主要是利用通用土壤流失方程USLE(universal soil loss equation)估算潛在土壤侵蝕量、實際土壤侵蝕量和土壤保持量，并探討土壤侵蝕量及其空間格局、土壤保持量及其生態服務功能評估、人類活動與水土保持效益的響應等[2]。盡管USLE模型考慮了降水、地形、土壤性質、植被覆蓋和管理因子，但并未考慮地塊自身攔截上游沉積物的能力，因此，通過USLE方程計算的土壤保持量具有一定的局限。該問題在生態系統服務評估與權衡模型InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)中可得到很好的解決。InVEST模型的泥沙輸移比和輸沙量模塊SDR(sediment delivery and retention)綜合了USLE方程和Borselli[3]、Vigiak等[4]人研究成果，通過計算土壤侵蝕量和泥沙輸移比獲取集水區產沙的空間分布，以此描述坡面土壤侵蝕和流域泥沙輸移的空間過程[5-7]，為流域水土保持、水庫清淤管理及河道水質控制提供科學依據和決策支持。與傳統評價方法相比，InVEST模型有兩大創新：①考慮了地塊自身攔截上游泥沙的能力，使沉積物保留量的計算結果更準確；②考慮了排水層(交通道路等)的影響，由于輸沙運移過程在排水層停止，將相應淤積的產沙量納入輸沙總量的計算。國內學者基于InVEST模型對流域或區域尺度上土壤保持量的變化特征開展了大量研究，并在不同區域尺度取得成果。近年來中國學者利用InVEST模型開展了大量土壤侵蝕相關研究。周彬等[8]應用InVEST模型對北京山區不同森林類型的土壤侵蝕狀況的水土保持功能的差異進行了研究，發現各森林類型的保持土壤能力均較高；余新曉等[9]應用InVEST模型評估了北京山區森林生態系統的水源涵養功能，得到各森林類型的水源涵養深度差異較大的結論；白楊等[10]利用InVEST模型對白洋淀流域進行了生物多樣性保護、土壤保持等多項生態系統服務功能的研究，表明InVEST模型可以很好地應用于空間化特征分析；胡勝等[2]采用InVEST模型探討清淤情境下營盤山庫區的土壤保持能力及其空間格局特征，發現無定河西側支流的土壤保持能力比東側支流偏高；黨虹等[11]采用InVEST模型對稱鉤河流域土壤侵蝕及土壤保持空間分布進行了模擬，認為流域以微度侵蝕為主且梯田的土壤保持總量最高；王森等[12]采用InVEST模型評估了延安市退耕還林(草)前后的土壤侵蝕量、土壤保持量，認為生態工程的推進可提升區域土壤保持功能；燕玲玲等[13]對子午嶺地區土壤保持變化和影響因素進行分析，發現土壤保持服務有所增強且受多重因素的影響。以往國內學者對土壤保持功能的相關研究已經形成了比較成熟的理論和方法，但總體上主要關注于退耕還林(草)背景下不同生態系統類型或土地利用類型的土壤侵蝕量、土壤保持量和土壤保持效益的研究，大多研究為單一時間尺度，對于土壤保持的時空分布和影響因素的整體研究不多，且面向丹江口庫區的相關研究較少。因此科學評估丹江口庫區土壤保持功能時空特征，揭示土壤保持時空格局變化的影響因素，是保障南水北調中線工程生態安全的重要基礎。

本研究利用InVEST模型泥沙輸移比和輸沙量模塊SDR估算2010，2015和2020年丹江口庫區土壤侵蝕量和土壤保持量，并借助地理探測器分析丹江口流域土壤保持功能的時空變化特征及其影響因子。研究結果可進一步深化土壤保持功能研究，為水源地水土流失治理模式的確立以及流域水土保持與生態系統安全的管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

丹江口庫區位于鄂西北與豫西南的交界處，地理坐標為32°11′34″—33°52′40″N，109°23′7″—111°57′55″E。行政范圍包括湖北省十堰市的丹江口市、鄖西縣、張灣區、茅箭區和鄖陽區，以及河南省南陽市的淅川縣和西峽縣，總面積約1.79×104km2。丹江口庫區東北部、西部和西南部邊緣為中海拔高起伏山地，總地勢呈西北高、東南低、北陡南緩，漢江沿線形成峽谷和盆地相間的地貌；氣候屬北亞熱帶季風氣候區，年均溫11.2～15.9 ℃，年均降雨量750～950 mm，主要集中在5—9月；漢江干流與其支流丹江在此交匯，河網發達；土壤類型豐富，以山地黃棕壤和黃褐土為主，且有水稻土、紫色土、石灰土等非地帶性土壤發育；植被類型以常綠針葉林、落葉闊葉林和針闊混交林為主，除山區有少量原始森林外，多為次生林，淺山多為荒山或灌叢，盆地是主要的農耕區[14]。南水北調中線工程從該庫區引水，其對資源開發、環境保護和跨區調水等方面具有重要意義。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤保持模型 本研究將應用InVEST模型中的泥沙輸移比和輸沙量模塊SDR計算土壤保持量，并依據丹江口庫區的實際情況進行改進。該模型綜合了USLE方程和Borselli[3]、Vigiak等[4]研究成果，通過計算土壤侵蝕量和泥沙輸移比獲取集水區產沙的空間分布。計算步驟為：

(1) 計算存在植被覆蓋和水土保持措施條件下柵格i的實際土壤侵蝕量：

USLEi=Ri·Ki·LSi·Ci·Pi

(1)

式中：USLEi為柵格i的實際土壤侵蝕量;Ri，Ki，LSi，Ci，Pi分別為降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、植被覆蓋與管理因子和水土保持因子。

(2) 計算柵格i的泥沙輸移比：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：SDRi為存在植被覆蓋與水土保持措施條件下的泥沙輸移比； SDRmax為最大理論SDR值,一般取值1.0； IC為連通性指數； IC0，k是SDR-IC關系的校準參數； ICi表示流域內柵格i上的單位泥沙從流域中到達河道的可能性；Dup為上游集水區土壤侵蝕量,表示上游泥沙向下游河道輸送的潛能；C為上坡產沙區域的平均面積;S為上坡產沙區域的平均坡度；A表示上坡產沙面積；Ddn為下游集水區土壤侵蝕量,表示泥沙經過水流路徑到達匯點的可能性；di為按水流方向計算的柵格i的坡長；Ci，Si分別表示柵格i的植被覆蓋因子和坡度。

(3) 計算流域內柵格i的土壤保持量Ti：

Ti=Ri·Ki·LSi·(1-Ci·Pi)·SDRi

(6)

由此分別計算得到2010，2015和2020年丹江口庫區土壤保持量估算結果。

1.2.2 土壤侵蝕強度等級劃分 根據水利部2007年公布的《土壤侵蝕分類分級標準(SL190-2007)》[15]，將實際土壤侵蝕量的強度劃分6個等級：微度侵蝕〔<5 t/(hm2·a)〕、輕度侵蝕〔5～25 t/(hm2·a)〕、中度侵蝕〔25～50 t/(hm2·a)〕、強烈侵蝕〔50～80 t/(hm2·a)〕、極強烈侵蝕〔80～150 t/(hm2·a)〕和劇烈侵蝕〔>150 t/(hm2·a)〕。

1.2.3 地理探測器原理 地理探測器是王勁峰[16]研究團隊提出的用以探測空間分異性以及揭示其背后驅動力的一組統計學方法。該模型通過空間異質性來探測因變量與自變量之間空間分布格局的一致性，并據此度量自變量對因變量的解釋度[17-18]，地理探測器包括4個模塊：因子探測器、生態探測器、風險探測器和交互作用探測器，計算公式為：

(7)

本研究擬利用因子探測器識別地理環境因子對土壤保持量分布的影響程度，應用生態探測器確立地理環境因子之間的相對重要性，基于風險探測器量化地理環境因子不同類型或不同范圍對土壤保持量的影響，并應用交互作用探測器比較地理環境因子之間的交互作用。

1.3 數據來源

遙感數據為Landsat TM/OLI影像，分辨率為30 m，來源于美國地質調查局USGS(United States Geological Survey，http:∥earthexplorer.usgs.gov/)，包括2010，2015和2020年3個年份，時相上盡量為4—6月或9—10月，云量少，且為植被的生長季。經幾何糾正和大氣校正后，輔助野外采樣、高程和坡度等信息，采用K-Means非監督分類方法將丹江口庫區土地分為林地、灌草地、耕地、水體、建設用地和園地6大類型，并進行精度驗證，使其符合后處理要求；地形數據為30 m分辨率的ASTER GDEM數據，來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)，需對其進行填洼處理；氣象數據包括2010，2015和2020年丹江口庫區及周邊12個氣象站點月均降雨量數據，來源于中國氣象局氣象數據中心(http:∥data.cma.cn/)；土壤質地和有機碳數據來源于世界土壤數據庫(HWSD)；GDP數據來源于湖北省統計年鑒。以上數據均重采樣到30 m分辨率并轉換至統一的投影坐標系統，以滿足模型運行要求。

1.4 數據處理

(1) 降雨侵蝕力因子(R)。基于丹江口庫區及周邊12個氣象站點月降水量數據利用Wischmeier公式[19]和克里金插值法獲取R值及其空間分布。

(2) 土壤可蝕性因子(K)。反映土壤抗侵蝕的能力，受土壤質地、土壤有機質含量等土壤理化性質的影響。利用EPIC模型[20]中土壤有機質和土壤顆粒分析的K值計算方法獲取。

(3) 坡長坡度因子(LS)。對DEM數據進行填洼處理，將其輸入InVEST模型計算LS值[21]。

(4) 植被覆蓋與管理因子(C)。反映植被或作物管理措施對土壤侵蝕量的影響。采用蔡崇法等[22]提出的植被覆蓋與管理因子研究方法，獲取不同植被覆蓋度下的林地、灌草地及其他土地利用類型的C值(表1)。

(5) 水土保持因子(P)。采取與未采取(順坡種植)水土保持措施時土壤侵蝕量的比值?；趯嵉貭顩r以及文獻資料獲取研究區不同土地利用類型的P值[23](表1)。P值為1時表示未采取任何水土保持措施；P值為0時表示采取了較好的水土保持措施，土壤幾乎不會受到侵蝕。

表1 丹江口庫區2010，2015和2020年不同土地利用類型的植被覆蓋與管理因子(C)和水土保持因子(P)

2結果與分析

2.1 土壤侵蝕量評價

2.1.1 土壤侵蝕量時空變化 運用InVEST模型中的SDR模塊，載入丹江口庫區的DEM高程圖、降雨侵蝕力柵格圖、土壤可蝕性柵格圖、流域矢量圖、土地利用類型柵格圖、生物物理系數表以及相關參數。模型運行后，輸出模擬計算出的丹江口庫區實際土壤侵蝕量分布圖(附圖1)。

2010，2015和2020年丹江口庫區實際土壤侵蝕量分別是1.41×109，9.85×108t和3.99×108t，呈遞減的趨勢?？臻g上，2010，2015和2020年實際土壤侵蝕空間分布基本一致，實際土壤侵蝕量較高地區持續減少，且2020年較于2010和2015年實際土壤侵蝕量較高的地區明顯減少，多分布于庫區西部秦嶺和淅川北部地區，少數分布于庫區內各地區。2010—2020年實際土壤侵蝕量的減少大體上表明近些年丹江口庫區對于水土流失的治理起到了一定顯著的效果，但仍需對侵蝕量較高侵蝕地區采取相應的水土保持控制管理工作。

2.1.2 土壤侵蝕強度等級統計分析 據《土壤侵蝕分類分級標準》得到丹江口庫區的土壤侵蝕強度各等級面積占比結果(圖1)。庫區各年不同土壤侵蝕強度等級所占比例差異較大，年際上也存在較大差異。2010，2015和2020年土壤侵蝕強度等級所占面積比例以微度侵蝕、輕度侵蝕為主，各年強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕等級面積所占比例逐漸降低，微度侵蝕、輕度侵蝕等級面積所占比例逐漸增加。其中2010—2015年段，輕度侵蝕所占比例增加較多，2015—2020年段，微度侵蝕等級面積所占比例增加較多。低侵蝕等級地區分布較多且不斷增加，在一定程度上表明庫區侵蝕情況得到一定程度的改善。不同侵蝕等級之間單位面積的侵蝕量差異較大，高侵蝕的面積比例小而侵蝕量很大。因此，為了達到減少侵蝕量的要求，強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕區仍是丹江口庫區土壤保持功能治理的重點區域。

圖1 丹江口庫區2010，2015和2020年土壤侵蝕強度各等級面積比例

2.2 土壤保持功能評估

2.2.1 土壤保持量的時空變化分析 2010—2020年丹江口庫區土壤保持總量變化較為明顯，庫區2010年的土壤保持總量為6.25×109t，2015年的土壤保持總量上升至6.62×109t，增加了5.92%；2020年的土壤保持總量上升至7.12×109t，增加了7.51%，總體上呈持續增加的趨勢(附圖2)。結果表明2010—2020年丹江口庫區土壤保持強度分布一致，且土壤保持強度持續增大，2010年土壤保持強度為3 566.41 t/(hm2·a)，2015年上升至3 777.61 t/(hm2·a)，2020年持續上升至4 063.62 t/(hm2·a)，2010—2020年土壤保持功能在一定程度上得到增強。2010—2020年丹江口庫區土壤保持空間分布格局相對均勻穩定，呈中部、東南少數地區低，北部、西部大部地區高的空間分布格局。庫區內低值區主要位于丹江口水庫周邊地形起伏度較小的低海拔區，包括淅川縣南部和丹江口市中部一帶，地類以耕地和建設用地為主，植被覆蓋度較低，受到人口密集、經濟建設的影響相對較大，不利于土壤保持；高值區主要位于山高坡陡、地形起伏明顯的較高海拔的庫區較高海拔的東北部伏牛山、西部秦嶺、西南部武當山地區，這些區域不易受到人類活動的干擾，地類以林地和灌草地為主，植被覆蓋率高明顯高于其他地區，這類地區土壤實際侵蝕量較小，土壤保持狀況較為良好。丹江口庫區2010，2015和2020年的土壤保持量時間尺度上有所增加，但空間分布差異不明顯。

2.2.2 不同土地利用類型的土壤保持量比較 將基于InVEST模型得到的土壤保持數據和土地利用類型數據疊加，得到2010—2020年丹江口庫區不同地類的土壤保持量比例以及平均土壤保持強度(圖2)。不同土地利用類型土壤保持能力大小可用土壤保持強度來表示，丹江口庫區不同土地利用類型的土壤保持強度具有明顯差異。不同的土地利用類型，可能受植被覆蓋度和面積大小的影響，土壤保持強度差異顯著，林地和灌草地的土壤保持能力遠高于耕地。2010，2015和2020年，林地的土壤保持能力最高，其次是灌草地、園地，耕地較低，耕地和園地具有類似的土壤保持能力。2010—2020年平均土壤保持能力排序為：林地>灌草地>園地>耕地。研究表明，林地、灌草地和耕地是研究區主要的土地利用類型，且耕地面積較大，土壤保持能力較小，潛在的土壤侵蝕風險較大。因此，應采取適當的水土保持措施提高耕地的土壤保持能力，從而降低產沙量，增大研究區的土壤保持能力。

圖2 丹江口庫區2010，2015和2020年不同土地利用類型土壤保持能力統計

2.3 土壤保持功能變化的影響因素分析

基于丹江口庫區土壤保持功能的時空變化特征，為進一步分析庫區土壤保持功能的時空變化影響機制，不僅應考慮氣候、地形、土壤、植被幾大自然因素的綜合作用，還應考慮社會經濟活動等人為因素的干擾，這些因素在復雜的交互作用下形成了土壤保持服務功能。降水影響土壤侵蝕性，土壤隨海拔高度呈有規律的變化，植被可保護表土從而減少土壤流失量，而土地利用類型、經濟發展狀況能夠反映人類活動強弱。本文將2015年作為研究年份，以土壤保持量為因變量，綜合考慮自然和人為因素的影響，篩選了降水、地形、植被來反映自然狀況；土地利用類型、GDP等社會經濟因素來表征人類活動，借助地理探測器方法對庫區土壤保持功能變化的主要影響因素進行探測分析。

2.3.1 因子探測 因子探測可探測土壤保持功能的空間分異性以及各因子在多大程度上解釋土壤保持功能的空間變異。統計值用q表示，q值愈大說明對分析變量的解釋力愈強[17]。結果表明不同因子的解釋力差異顯著，各因子按q值大小降序排列為：地形>降水>土地利用類型>GDP>植被覆蓋度(表2)。其中土壤保持變化受地形、降水、土地利用類型的影響較強，GDP和植被覆蓋度的作用較弱。結果表明地形具有最高的q統計量，說明各因子變量中地形對土壤保持功能空間變異的解釋能力最強，是揭示土壤保持變化的最主要的環境因子。

表2 地理探測器的因子探測

2.3.2 交互探測 交互探測可識別不同因子之間的交互作用以及評估兩因子共同作用時是否會增加或減弱對分析變量的解釋力[17]。結果表明任何兩種因子對土壤保持功能空間分異的交互作用都要大于一個因子單獨作用，且兩兩因子之間對土壤保持變化均起到雙因子增強的作用(表3)。總體上土壤保持功能的變化受到自然和社會經濟因素的共同作用，但兩種因子對土壤保持變化的影響強弱方面，降水∩地形的貢獻率最高為3.97%；地形∩GDP，地形∩土地利用類型，植被覆蓋度∩地形，降水∩土地利用類型貢獻率較高，分別為3.62%，3.51%，3.32%，3.26%；而植被覆蓋度∩土地利用類型的交互作用最弱。其中，降水和地形因子交互作用影響力最強，地形和GDP、土地利用類型因子交互作用次之，這說明生態系統土壤保持功能的變化是自然和社會經濟因素綜合作用的結果，在降水等自然要素相對穩定的背景下，應控制人類活動對土地利用結構的干擾強度，增加植被覆蓋度，進而提高庫區生態系統的土壤保持功能。

表3 地理探測器的交互探測結果

2.3.3 生態探測 生態探測可用于比較各因子間對分析變量空間分異的影響是否有顯著差異[17]。結果表明對于土壤保持功能變化的影響上，地形與植被覆蓋度之間存在著顯著差異，其他各因子之間不存在顯著差異(表4)。這表明自然因素對土壤保持變異的影響顯著，而社會經濟因素在生態探測中對其變化不存在顯著性差異。因此增加植被覆蓋度等生態工程建設有助于防治土壤侵蝕和控制水土流失，從而提高土壤保持功能。

表4 地理探測器的生態探測結果

3 討論與結論

3.1 討 論

作為國家南水北調中線工程的水源地，生態系統的土壤保持功能對丹江口庫區具有重要意義。研究分析結果顯示，近年來丹江口庫區土壤保持功能總體趨勢積極向好，但一些地形起伏度較小的低海拔區土壤保持量仍較低，說明這類地區受到土壤侵蝕和水土流失的潛在威脅較大。探測結果表明，幾大自然和人為影響因子對丹江口庫區土壤保持功能的作用強度不同，主要受地形因子以及降水與地形交互作用的影響，由于降水、地形等自然因子具有不可控性及工程措施費用昂貴，增加植被覆蓋度、降低坡耕地比重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。因此，對于丹江口庫區而言，繼續推進退耕還林(草)工程建設，重視與保護土壤保持能力較強的林地和灌草地，同時減少人類活動對地表的擾動及其對庫區生態環境的污染與損害，降低水土流失造成的面源污染和土地退化等生態風險，才能更好地保障區域生態安全與肩負起“清水永續北送”的政治責任。

鑒于InVEST模型中其中因子取值通常借鑒以往學者研究，可能不適應于庫區實際情況，未來研究仍需對InVEST模型相關參數與計算方法進行校正、檢驗，使之適應于庫區的生態系統土壤保持服務功能評估。僅以2015年為例利用地理探測器方法研究丹江口庫區土壤保持功能的影響因子，受多種因素的交互影響，未來有必要對多個年份開展研究以揭示不同影響因子強弱在時序上的變化規律，以此實現對該區域生態系統服務功能的全面了解。本研究通過對丹江口庫區的土壤保持功能進行時空特征和影響因素分析，可為區域水土保持和生態管理建設提供參考。

3.2 結 論

(1) 2010，2015和2020年丹江口庫區實際土壤侵蝕量分別是1.41×109，9.85×108t和3.99×108t，呈遞減趨勢。各年實際土壤侵蝕強度空間格局基本一致，實際土壤侵蝕量高值區持續減少，土壤侵蝕等級均逐漸向微度侵蝕轉變，侵蝕情況得到一定程度的改善。但不同侵蝕等級之間單位面積的侵蝕量差異較大，仍要注意治理侵蝕等級高區域，以達到減少侵蝕量的要求。

(2) 2010，2015和2020年丹江口庫區土壤保持總量持續增加，分別為6.25×109，6.62×109t和7.12×109t，空間分布結果表明，庫區海拔較高的東北部伏牛山、西部秦嶺、西南部武當山地區土壤保持量較高，丹江口水庫周邊地形起伏度較小的低海拔區土壤保持量較低。不同土地利用類型的土壤保持強度等級差異較明顯，其中林地和灌草地這類植被覆蓋率較高地區的土壤保持能力較強，耕地土壤保持能力最弱。

(3) 丹江口庫區土壤保持變化主要受地形因子以及降水與地形交互作用的影響，在一定程度上表明自然因素對庫區生態系統的土壤保持功能時空變化起到重要作用，但在各因子的交互作用下，土壤保持呈現差異化時空分布格局。