基于InVEST模型的太行山區土壤侵蝕與土壤保持

朱建佳，彭曉偉，劉耀亮，劉金銅

(1 河北科技師范學院a園藝科技學院，b農學與生物科技學院，c工商管理學院，河北 秦皇島，066600；2 中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心)

早在20世紀60年代，美國水土保持學家Wischmeier率先提出了通用土壤流失方程(The Universal Soil Loss Equation，USLE)，對區域土壤侵蝕和生態系統服務的研究具有重大意義[1]。該方程經過2次修正后得到修正的通用土壤流失方程RUSLE，與USLE的結構相同，但引入了土壤侵蝕過程的概念，改進了各因子的含義和算法，因而使用范圍更加廣泛[2]。然而，RUSLE只有在美國境內參數才不用調整，且忽略了上游地塊自身的泥沙截留能力。由美國斯坦福大學、大自然保護協會和世界自然基金會共同開發的生態系統服務價值與權衡綜合評價工具——InVEST模型(the Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)，旨在通過模擬不同土地利用下生態系統服務物質量和價值量的變化，為決策者權衡人類活動的影響和效益提供科學依據。InVEST模型的出現，彌補了USLE和RUSLE的上述缺陷。

近年來，InVEST模型已經廣泛應用到我國不同地區土壤保持模擬的研究中。例如，李苒[3]研究表明，榆林市土壤保持效益與土地利用方式、流域內部地形地貌、生態系統類型、植被覆蓋等因素有很大關系；王敏等[4]發現，福建寧德水土保持功能與社會經濟發展密切相關；智長貴等[5]對河南淅川縣土壤保持功能進行評估，得出有林地土壤保持量最大、未成林地土壤保持量最小的結論；陳童堯等[6]分析了不同土地利用、海拔高度、坡度以及土壤類型下祁連山國家級自然保護區的土壤保持狀況，得出草地和栗鈣土的土壤保持量最高。以上研究表明，土壤侵蝕與土壤保持的空間分布特征受多種人為和自然因素的影響，然而，這種空間異質性以及影響因素在山區表現尤為明顯和復雜。因此，筆者擬在以上研究的基礎上，探究山區土壤保持的垂直分布特征，試圖明晰其與土地利用、地形等因素的相關關系。

太行山是我國華北地區主要山系之一，由于太行山的特殊地理位置，人口急驟增加，工農業的發展和戰爭的連年爆發，原始森林破壞殆盡，造成該區生態環境惡化，水土流失嚴重，自然災害頻繁。源自太行山的諸河流，雨季水勢猛，泥沙含量高，釀成泥沙泛濫；旱季又干旱無雨，河流干涸，造成該區農業生產長期低而不穩，對華北平原和京津地區的經濟建設和安全帶來極大的威脅[7]。本次研究以太行山區為研究區域，利用InVEST模型探究太行山區的土壤保持空間分布特征及其影響因素，并分析空間上的土壤侵蝕強度，有助于決策者明晰土壤侵蝕的主要影響因素，從而更好的防止水土流失，有利于區域生態系統平衡。

1 研究區概況

太行山位于北緯34°35′～40°19′，東經110°15′～116°27′，包括山西、河北、北京、河南等省市共計101個縣(區)(表1)，海河和黃河2個一級流域，4個二級流域和11個三級流域(表2)，總面積12.78萬km2(圖1)。太行山地處我國中緯度的溫帶和暖溫帶，氣候溫和，降雨量集中，光照充足，屬于大陸性氣候[8]。太行山是一個以山地為主，擁有黃土丘陵、山間盆地分布的復合山地地貌，為綜合發展農林牧副生產提供了有利條件，同時也為林業發展提供了良好基地。太行山區土壤主要為褐土帶，一般較低地帶為山地褐土，海拔較高山地分布有淋溶褐土、山地棕壤及粗骨性土等，海拔2 000 m以上還分布有山地草甸土和亞高山草甸土。由于氣候條件的分異，太行山植被從南到北也存在一定的差異，全區主要為暖溫帶落葉闊葉林帶[7]。

表1 太行山區行政區劃

圖1 太行山區位置及地形

表2 太行山區一、二、三級流域

2 材料與方法

2.1 數據來源

本次研究使用的TM衛星圖像來源于美國地質調查局網站(https://earthexplorer.usgs.gov/)，采用目視解譯得到研究區土地利用圖，數據精度為87.96%。30 m分辨率DEM來源于地理空間數據云(www.gscloud.cn/)，用于研究區地形分析和流域劃分。2005～2014年日降水量來源于中國氣象數據網(http://www.nmic.cn/)，用于計算降水侵蝕力因子R。土壤機械組成、有機碳含量來源于國家地球系統科學數據中心(http://www.geodata.cn/)，用于計算土壤可蝕性因子K。典型流域徑流輸沙量來源于《中華人民共和國水文年鑒》，用于土壤保持模型結果的驗證。

2.2 InVEST模型原理

應用InVEST模型以及ArcGIS 10.5平臺對太行山區的土壤侵蝕與土壤保持進行了模擬，土壤保持為柵格單元土壤潛在侵蝕減去實際侵蝕。土壤潛在侵蝕為裸地的土壤侵蝕量RKLS，其計算公式為：

RKLS=R·K·LS

(1)

土壤實際侵蝕為自然狀態下的侵蝕量USLE，其計算公式為：

USLE=R·K·LS·P·C

(2)

SR=RKLS-USLE

(3)

式中：R為降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h)]；K為土壤可蝕性因子[t·h/(MJ·mm)]；LS為地形因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子；SR為土壤保持量(t/hm2)；h為時間。

2.3 模型所需參數

2.3.1降雨侵蝕力因子R采用基于日降水量的計算方法[9]。

(4)

式中：Mi為第i個半月時段的侵蝕力值；k為該半月時段內的時間，Dj為半月時段內第j天的侵蝕性日雨量，要求日雨量大于等于12 mm，否則以0計算；α和β為模型待定參數。分別以每個氣象站資料進行回歸分析，由于不同站點得到的α和β不同，α和β的公式為：

α=21.586×β-7.189 1

(5)

(6)

式中：Pd12為日降雨量≥12 mm的日平均雨量；Py12為日降雨量≥12 mm的年平均雨量。

2.3.2土壤可蝕性因子K采用EPIC模型[10]進行K值的計算。

(7)

(8)

其中：SAN，SIL，CLA分別為沙粒、粉粒、粘粒的質量分數(%)；C為有機碳質量分數(%)。

2.3.3地形因子LS在地形要素中，坡度、坡長是形成有侵蝕能力徑流的最主要因素，反映了地形地貌對土壤侵蝕的影響。LS指單位面積坡面流失與標準侵蝕小區(坡度為9%，坡長為22.12 m)的比值。在小流域和區域尺度上，往往通過目標區域DEM來提取該因子[11]。

對于坡度較緩的區域(<25%)：

(9)

式中：flowacc為柵格的匯流量，用柵格數量表示；cellsize為柵格大小，本次研究為1 km2；slope為坡度。

對于坡度較陡的地區(≥25%)：

LS=0.08λ0.35×prctslope0.6

(10)

式中：flowacc為柵格的匯流量，用柵格數量表示；cellsize為柵格大小，本次研究為1 km2；m為坡長指數；slope為坡度；prctslope為柵格百分坡度。

2.3.4C，P因子植被覆蓋因子C是在某種條件下有作物種植地塊上的土壤流失量與對應的無作物種植地塊上流失量的比值，一般介于0與1之間；水土保持措施因子P指的是某種水土保持措施支持下的土壤流失量與對應的順坡耕作條件下流失量的比值，一般介于0與1之間[1]。C，P因子反映的是土壤流失與地塊種植的植被、作物以及地塊管理措施等因素之間的關系。本次研究通過查閱文獻[11～14]，得到太行山區C，P的取值。

2.4 模型驗證

選取太行山區域內8個水文站對2005～2014年平均輸沙量進行了驗證。結果表明，8個子流域的模擬輸沙量總和為19.61×104t，實際觀測的輸沙量總和為19.67×104t，僅相差0.06×104t，模擬效果較好(表3)。而且，模擬的輸沙量數值與實際輸沙量數值具有顯著的線性關系(y=0.84x+0.38，R2=0.98，P<0.001)，故本次研究對于土壤侵蝕和土壤保持的模擬結果具有很好的參考價值。

表3 太行山區域內8個水文站控制子流域的集水面積、實際輸沙量與模擬輸沙量

3 研究結果

3.1 USLE各因子空間分布特征

太行山區USLE各因子均表現出明顯的空間分異特征，其中降雨侵蝕力因子R受氣候條件影響，自東南向西北逐漸降低(圖2)；其余4個因子表現出隨海拔發生變化的垂直地帶性，并與土地利用類型密切相關。土壤可蝕性因子K，植被覆蓋因子C隨海拔升高而降低；地形因子LS，水土保持措施因子P隨海拔升高而升高。USLE五大因子的空間分異規律共同決定了太行山區土壤侵蝕以及土壤保持的空間分布特征。

圖2 太行山區USLE各因子空間分布

3.2 土壤侵蝕空間分布特征

2005～2014年，太行山區多年平均土壤侵蝕總量為0.37×108t，平均土壤侵蝕強度為4.3 t/hm2。參照《土壤侵蝕分類分級標準(SL 190—2007)》可將土壤侵蝕強度分為微度、輕度、中度、強度、極強度、劇烈共6個等級[15]。太行山區土壤侵蝕以微度和輕度為主，各等級土壤侵蝕面積從微度到劇烈在全區所占的比例分別為71.08%，27.01%，1.22%，0.36%，0.23%，0.10%。太行山區土壤侵蝕強度自南向北逐漸增高，在縣域尺度上，河北省邢臺、行唐，河南安陽、孟州土壤侵蝕強度較低，均低于0.12 t/hm2；山西省繁峙、平順、五臺、左權等縣土壤侵蝕強度較高，均超過9 t/hm2。在一級流域中，海河流域土壤侵蝕強度較高，達到了3.84 t/hm2；黃河流域較低，為2.06 t/hm2。二級流域土壤侵蝕強度由高到低順序依次為：海河南系(4.16 t/hm2)，海河北系(2.79 t/hm2)，龍門至三門峽(2.28 t/hm2)，三門峽至花園口(1.77 t/hm2)。三級流域中，位于太行山區東北部的子牙河、北三河、大清河土壤侵蝕強度較高，均高于4.42 t/hm2；太行山區東南部的沁丹河、小浪底至花園口土壤侵蝕強度較低，約為1 t/hm2(圖3)。

圖3 太行山區土壤侵蝕空間分布

3.3 土壤保持空間分布特征

太行山區2005～2014年10年平均土壤保持量為4.58×108t，單位面積土壤保持量為40.22 t/hm2。土壤保持與土壤侵蝕之間具有顯著的正相關關系(R=0.51，P<0.01)，即對于太行山區來說，土壤侵蝕嚴重的地區，土壤保持功能也較好。

在縣域尺度上，山西省黎城、左權土壤保持量較高，分別為104.73 t/hm2和101.78 t/hm2；河北省邢臺、行唐，河南省安陽、孟州土壤保持量均低于2 t/hm2。在一級流域中，海河流域的土壤保持量較高，為46.04 t/hm2；黃河流域較低，為28.84 t/hm2。二級流域土壤保持量由高到低順序依次為：海河南系(49.26 t/hm2)，三門峽至花園口(36.88 t/hm2)，海河北系(35.15 t/hm2)，龍門至三門峽(22.69 t/hm2)。三級流域中，北三河、三門峽至小浪底土壤保持量較高，分別為78.44 t/hm2和71.59 t/hm2；小浪底至花園口土壤保持量最低，僅為12.83 t/hm2(圖4)。

圖4 太行山區土壤保持空間分布

3.4 土壤保持的影響因素

3.4.1與土地利用類型之間的關系太行山區土壤保持總量隨土地利用類型的變化從大到小依次為：林地，草地，水域，未利用土地，城鄉、工礦、居民用地，耕地。而林地和草地提供的土壤保持量占總土壤保持量的54.1%。說明人為干預對土壤保持有很大的影響。

3.4.2與海拔之間的關系太行山區單位面積土壤保持量與海拔之間的關系為：海拔0～700 m時，土壤保持量隨著海拔的升高而線性上升；700～800 m時，土壤保持量隨海拔升高而下降；在800～2 200 m時，土壤保持量隨海拔升高而緩慢上升；2 200～2 850 m時，土壤保持量隨海拔升高波動性下降(圖5)。

圖5 太行山區土壤保持量隨海拔的變化

3.4.3與坡度的關系按照《土地利用現狀調查規程》規定，凡坡度小于或等于2°的稱之為平地，坡地分為2°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°等4個不同的坡級。太行山區土壤保持量隨著坡度的增加而逐漸增加，呈明顯的線性關系。4個坡級對應的單位面積土壤保持量依次為：20.74，32.32，49.54，101.12 t/hm2。

圖6 太行山區土壤保持量隨坡度的變化

4 討 論

土壤侵蝕和土壤保持不僅受生態系統結構影響，更與人口、地形、土地利用類型等因素密切相關。本次研究利用InVEST模型對太行山區土壤侵蝕和土壤保持進行模擬，得出近10年太行山區土壤侵蝕強度為4.30 t/hm2，單位面積土壤保持量為40.22 t/hm2，土壤侵蝕強度以微度和輕度為主。其主要原因為，雖然太行山區地形陡峭，坡度較大，導致土壤潛在侵蝕較大。然而，植被覆蓋類型主要以林地和草地為主，植被覆蓋度廣，生態系統結構較復雜，而且太行山地處我國中緯度的溫帶和暖溫帶，氣候溫和，降雨量集中，侵蝕性降雨較少。因此，土壤保持服務在該區作用顯著，導致實際的土壤侵蝕強度較低。

太行山區不同土地利用類型土壤保持能力由高到低依次是：林地，草地，水域，未利用土地，城鄉、工礦、居民用地，耕地。與前人得出的林地和草地對縮減侵蝕面積貢獻率最明顯的研究結果相符合[5,16]。太行山區由于森林和草地等植被覆蓋率較高，提供的土壤保持量占總保持量的54.1%，因此太行山區具有較強的土壤保持能力。然而，土壤保持功能與區域自然條件及人類活動密切相關，不當的人類活動會導致水土流失的增加[17，18]，故城鄉居民用地和耕地的土壤保持能力遠低于林地和草地。以上結論表明，如果人類對于土地的擾動強烈，會增加土壤侵蝕，導致土壤保持能力下降，而對于一些侵蝕嚴重的地區退耕還林可以很好的改善土壤保持能力。

太行山區土壤保持能力與海拔和坡度因子之間關系密切。海拔800 m以下，土壤保持隨海拔升高呈現先升高后降低的變化趨勢；800 m以上，土壤保持隨海拔升高呈現先緩慢升高再波動下降的變化趨勢。分析原因為，海拔700 m以下主要為太行山東部與華北平原過渡地帶，隨著海拔升高，人口和耕地逐漸減少，由于不當的人類活動減少，故土壤保持量隨海拔升高線性上升；在700～800 m主要為太行山西部的山西地區，是與黃土高原的過渡地帶，人口和耕地多集中在這個海拔高度，由于人類活動影響增大，且黃土高原植被覆蓋較少，因此土壤保持量有減少的趨勢；隨著海拔的升高，人口分布和耕地逐漸減少，土地利用類型以林地為主，所以土壤保持量有增加的趨勢；2 200 m以上，植被逐漸由森林過渡到草甸，土壤保持量開始下降。

太行山區土壤保持量隨坡度增加而顯著增加，這與陸傳豪[19]、郜紅娟[20]等的研究結果一致。張彪等[21]研究表明，在植被覆蓋、土壤屬性等條件相近的情況下，土壤侵蝕量隨坡度增加而顯著增加[21]。本次研究結果表明，太行山區NDVI(歸一化植被指數)隨坡度的變化呈顯著的二次函數關系，在坡度35°以下時，NDVI隨坡度增加而增加，即植被覆蓋率逐漸增大；坡度35°以上，NDVI隨坡度變化平穩，植被覆蓋率基本保持不變(圖7)。由于植被覆蓋率直接決定了土壤保持能力的高低，因此太行山區土壤保持量隨坡度增大而增大，這也在一定程度上解釋了太行山區土壤保持與土壤侵蝕呈正相關的原因。

圖7 太行山區NDVI隨坡度的變化

綜合以上研究可以得出，太行山區土壤保持服務高值區主要集中在海拔和坡度較大高山區，土地利用類型以林地和草地為主，該區域同時也是土壤侵蝕相對嚴重區。坡面水與泥沙的空間重分布過程主要受控于植被的空間鑲嵌格局，植叢斑塊與裸地斑塊和諧的鑲嵌格局，能夠最大程度地防止水土流失[22～25]。因此，在合理保護高山區土壤保持服務的基礎上，提高中低山區土地利用的空間異質性，也有利于水土流失的緩解。

5 結 論

(1)2005～2014年，太行山區多年平均土壤侵蝕總量為0.37×108t，平均土壤侵蝕強度為4.3 t/hm2，全區侵蝕強度以微度和輕度為主；空間上土壤侵蝕強度自南向北逐漸增高。

(2)2005～2014年，太行山區土壤保持總量平均為4.58×108t，單位面積土壤保持量為40.22 t/hm2；土壤保持與土壤侵蝕之間顯著正相關，土壤侵蝕嚴重的地區，土壤保持功能也較好。

(3)太行山區土壤侵蝕與土地利用類型、海拔、坡度等因子關系密切，林地和草地對土壤保持的貢獻率最大，占總量的54.1%，城鄉、工礦、居民用地和耕地貢獻率最小；土壤保持服務高值區主要集中在海拔和坡度較大的高山區。保護高山區較高的土壤保持能力，同時提高中低山區土地利用類型的空間變異性，有利于進一步緩解區域水土流失和保證山區生態安全。