遼河保護區土壤保持功能時空變化及其影響因素分析

賈振宇，王世曦，劉學，孫倩瑩?，楊春艷，馮朝陽

1.環境基準與風險評估國家重點實驗室,中國環境科學研究院

2.國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室,中國環境科學研究院

土壤保持是指生態系統對土壤起到的覆蓋保護及對養分、水分調節過程,以防止地球表面的土壤被侵蝕,或因過度使用而發生鹽堿化等化學變化,以及其他土壤化學污染的作用[1-2]。土壤保持研究在預防土壤侵蝕造成的危害及維持區域生態安全方面均發揮著重要作用[3-4]。目前土壤保持定量評估模型大致可分為經驗統計模型和物理模型2類[5]。經驗統計模型根據實測結果,確定土壤侵蝕的控制因素,并擬合出函數對應關系式,包括通用土壤流失方程[6](universal soil loss equation,USLE),修正通用土壤流失方程[7](revised universal soil loss equation,RUSLE)和黃土高原模型[8]等；物理模型通過研究土壤侵蝕過程的內部機制,依據質量、動量、能量守恒方程,經過一定簡化后,對土壤侵蝕過程及因子的變化進行定量表述,主要包括水蝕預報模型[9](water erosion prediction project,WEPP)和歐洲土壤侵蝕模型[10](European soil erosion model,EUROSEM)等。其中,USLE是目前應用最廣泛、最具實用性的土壤侵蝕模型,是當前評估土壤保持服務最常用的方法[11-13]。Liu等[14]在USLE的基礎上,根據中國土壤保持的實際情況,考慮了覆蓋與生物措施、工程措施和耕作措施,建立了中國土壤流失方程(Chinese soil loss equation,CSLE)。CSLE模型得到了中國科研工作者的認可,被應用于中國許多地區的土壤保持評價中[15-17],如在我國開展的“第一次全國水利普查”中,采用CSLE模型評價全國范圍的土壤水蝕狀況。

遼河保護區自2010年劃定后,通過實施一系列的生態保護與修復工程,保護區內生態環境大有改善。筆者采用CSLE模型對遼河保護區土壤保持量進行評估,揭示其時空變化特征,分析其影響因素,以期明確生態治理與保護工程對遼河保護區水土保持改善的貢獻,為定量評估遼河保護區土壤保持重要性提供理論支撐。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

遼河保護區(121°41′E~123°55′E,40°47′N~43°02′N)始于東西遼河交匯處,跨沈陽、鞍山、盤錦、鐵嶺4市,終于盤錦市入海口,流域面積為1 869.20 km2。遼河自北流向南,遼河干流地勢平坦,地貌單元比較單一,均屬于遼河沖積平原。保護區地處中高緯度,屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,多年平均溫度為4~9℃,年際變化較大,溫度自下游平原向上游山區遞減；多年平均降水量為450~650 mm,年內分配不均,降水量自東南向西北遞減。保護區土壤類型以棕壤和草甸土為主。

1.2 數據來源

土地利用數據來源于SPOT-5和GF-1衛星遙感影像,采用人機交互解譯方法提取2010—2018年土地利用數據,并抽取不少于總面積6%的樣本通過手持GPS進行定點野外實地驗證,整體分類精度大于85%。植被覆蓋度數據來源于MODIS NDVI和Landsat TM∕OLI影像,通過融合生成30 m NDVI數據集。其中,MODIS NDVI數據來源于美國國家航空航天局(NASA)提供的16 d合成的MOD13A1影像,Landsat TM∕OLI 6—9月影像數據來源于地理空間數據云(http:∕∕www.gscloud.cn∕)。 氣象數據來源于中國氣象數據網(http:∕∕data.cma.cn),選取2000—2018年遼河保護區及周邊地區17個站點的降水數據集,利用AUSPLIN插值工具,選取3次樣條函數,獲得統一分辨率(30 m×30 m)的柵格數據。其他數據主要包括遼河保護區邊界、土壤數據和地形數據,其中遼河保護區邊界和土壤數據來源于遼河經濟開發區管理委員會,地形數據來源于地理空間數據云的30 m分辨率的數字高程模型(DEM)數據。

2 研究方法

2.1 土壤保持量計算方法

2.1.1 土壤保持量計算公式

潛在土壤侵蝕量是指生態系統在沒有植被覆蓋情況下的土壤侵蝕量。運用CSLE模型計算遼河保護區潛在土壤侵蝕量和實際土壤侵蝕量,二者之差即為土壤保持量(M)。實際土壤侵蝕量計算公式為:

式中:Ma為實際土壤侵蝕量,t∕(hm·2a)；R為降水侵蝕力因子,MJ·mm∕(hm·2h·a)；K為土壤可蝕性因子,t·hm·2h∕(hm2·MJ·mm)；L為坡長因子,無量綱；S為坡度因子,無量綱；B為覆蓋與生物措施因子,無量綱；E為工程措施因子,無量綱；T為耕作措施因子,無量綱。

潛在土壤侵蝕量計算公式為:

式中:Mo為潛在土壤侵蝕量,t∕(hm·2a)；Bp為無植被覆蓋情況下覆蓋與生物措施因子,無量綱。

土壤保持量計算公式為:

2.1.2 土壤保持量計算中相關參數計算

2.1.2.1 降水侵蝕力因子(R)

R采用章文波等[18]提出的降水侵蝕力模型計算:

式中:ˉ為多年平均年降水侵蝕力,MJ·mm∕(hm·2h)；Rv為第v個半月的降水侵蝕力,MJ·mm∕(hm·2h)；Pi,j,v為第i(i＝1,2,…,N)年第v個半月(將1年劃分為24個半月)第j(j＝0,1,…,x)個侵蝕性降水日(日降水量不小于12 mm)的降水量,如果沒有侵蝕性降水量,則Pi,j,v＝0；α為參數,暖季時α＝0.393 7,冷季時α＝0.310 1。

2.1.2.2 土壤可蝕性因子(K)

K采用Williams等[19]在RUSLE模型中修正的土壤可蝕性因子的計算公式:

式中:Sa、Sb、Cl分別為砂粒(粒徑0.05~2.00 mm)、粉砂(粒徑0.002~0.050 mm)、黏粒(粒徑<0.002 mm)的占比,%；Sn為1－Sa∕100；C為有機碳占比,%。

2.1.2.3 坡度因子(L)、坡長因子(S)

L、S分別采用McCool等[20-21]的公式計算:

式中:λ為坡長,m；m為坡長指數,無量綱；θ為坡度,(°)。

2.1.2.4 覆蓋與生物措施因子(B)

根據《水土保持情況普查報告》[22],對于林地、灌木林、草地,按其不同植被覆蓋度對B進行賦值:對于耕地,B取1；對于其他土地利用類型,B取0。

假定以生態系統極端退化條件下的土壤侵蝕為潛在土壤侵蝕,根據《水土保持情況普查報告》[22],對于林地、灌木林、草地的Bp按極端退化下植被覆蓋度進行賦值:對于耕地,Bp取1；對于其他土地利用類型,Bp取0。

2.1.2.5 工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)

實地調查發現,遼河保護區水土保持工程措施很少,因此耕地和其他土地利用類型的工程措施因子均賦值1。參考《水土保持情況普查報告》[22]中耕作措施因子賦值表,根據遼河平原的耕作措施類別,耕地取其均值0.399 3,其余土地利用類型賦值1。

2.2 土壤保持功能變化影響因素分析方法

土壤保持功能變化影響因素分析采用地理探測器方法,該方法通過分析與辨別不同影響因素分區之間的異質性進而探究其背后的影響力,若某影響因素有重要影響,則與該影響因素的空間分布應具有相似性的假設。在地理探測器中通過層內方差之和小于層間總方差分異性進行判定,分異性的大小由某一自變量的解釋力(q)來衡量[23],其模型為:

式中:h為影響因素的分層,h＝1,2,…,Y；I和Ih分別為全區和第h層的樣本數；σ2和分別為全區和第h層的影響因素的方差。q取值為[0,1],q越大說明該因素的作用越明顯,由此對主導影響因素進行判別。

結合王歡等[24-25]的土壤保持影響因素研究及經驗知識,選取土地利用類型、植被覆蓋度、降水量、坡度、高程5個因素作為遼河保護區土壤保持功能變化的影響因素,由于地理探測器的輸入變量要求為分類別數據,因此要對連續型變量做離散化處理。其中,土地利用類型分為草地、耕地、灌木林、林地4類；植被覆蓋度按0~0.3、0.3~0.4、0.4~0.5、0.5~0.6、0.6~0.7、0.7~0.8、0.8~0.9、0.9~1.0分為8類；降水量、高程數據按等間距分類法分成8類；坡度按0~5°、5°~10°、10°~15°、15°~20°、20°~25°、25°~30°、30°~35°、>35°分為8類。

3 結果與分析

3.1 遼河保護區土壤保持時空變化特征

遼河保護區2010年、2013年、2015年和2018年單位面積土壤侵蝕量分別為3 116.59、906.63、917.64和911.30 t∕km2。按照土壤侵蝕分類分級標準對遼河保護區土壤侵蝕進行分級統計,結果如表1所示。由表1可知,從侵蝕強度上看,2010—2018年遼河保護區土壤微度侵蝕和輕度侵蝕面積占比較高,除2010年外其面積占比之和均在80%以上。2010—2018年遼河保護區土壤侵蝕面積呈遞減趨勢:2010年土壤侵蝕面積為648.41 km2,占遼河保護區面積的34.69%；2013年為634.79 km2,占33.96%；2015年為632.50 km2,占33.84%；2018年為587.14 km2,占31.41%。2018年與2010年相比,土壤侵蝕面積減少61.29 km2。從土壤侵蝕量上看,2010—2018年呈降低趨勢,依次為202.08萬、57.55萬、58.04萬和53.51萬t,2018年與2010年相比,土壤侵蝕量減少148.57萬t。從空間分布上看,遼河保護區土壤侵蝕較低的區域集中在遼河保護區上段,侵蝕嚴重區域主要在遼河保護區河流兩側及下段。

表1 遼河保護區土壤侵蝕分級Table 1 Classification of soil erosion in Liaohe Conservation Area

2010—2018年遼河保護區單位面積土壤保持量空間分布如圖1所示。由圖1可知,2010年、2013年、2015年和2018年,遼河保護區單位面積土壤保持量分別為1 743.34、3 147.18、3 136.99和3 248.11 t∕km2,2010—2018年單位面積土壤保持量整體呈遞增趨勢。從空間分布上看,遼河保護區土壤保持量較高的區域集中在遼河保護區的上段和中段,土壤保持量較低區域主要在遼河河流兩側及下段。

圖1 2010—2018年遼河保護區單位面積土壤保持量空間分布Fig.1 Spatial distribution of soil conservation capacity per unit area in Liaohe Conservation Area from 2010 to 2018

3.2 遼河保護區土壤保持影響因素分析

3.2.1 不同影響因素下的單位面積土壤保持量

2010—2018年遼河保護區單位面積土壤保持量與降水量、高程、坡度、植被覆蓋度和土地利用類型分區間統計結果如圖2所示。由圖2可知,土壤保持能力在降水量和高程梯度上,表現出先減少后增加的變化特征。當降水量小于623 mm,高程低于21 m時,土壤保持能力隨著降水量和高程的增加而減少；當降水量高于623 mm,高程高于21 m時,土壤保持能力則隨著降水量和高程的增加而增加。土壤保持能力在坡度和植被覆蓋度梯度上,呈現明顯的垂直遞增特征,即坡度和植被覆蓋度與土壤保持能力呈正相關。土壤保持能力在林地—耕地—草地—灌木林梯度上,呈現明顯的垂直遞減特征。

圖2 2010—2018年遼河保護區不同影響因素分區對單位面積土壤保持量的影響Fig.2 Soil conservation capacity per unit area under different influencing factors in Liaohe Conservation Area from 2010 to 2018

3.2.2 基于地理探測器的單位面積土壤保持量變化歸因

地理探測器因子探測運行結果表明,不同影響因素對土壤保持能力變化的解釋力具有顯著差異(表2)。遼河保護區各影響因素對單位面積土壤保持量變化的解釋力從大到小依次為土地利用類型、植被覆蓋度、高程、坡度和降水量,其中土地利用類型是遼河保護區單位面積土壤保持量變化的主導因素,降水量對單位面積土壤保持量的影響最低。分析遼河保護區土地利用類型變化發現,2010年遼河保護區土地利用類型以耕地為主,影響單位面積土壤保持量變化的主導因素是人為因素,自2011年實施退耕封育工程后,大面積的耕地轉換為草地和撂荒地,人類活動減少,主導因素變為自然因素,表明退耕封育工程對降低土壤侵蝕起到一定作用。

表2 不同影響因素q值統計Table 2 Statistis of q value of different influencing factors

地理探測器風險探測結果如表3所示。由表3可知,土地利用類型中耕地土壤保持的風險最高,這是由于耕地植被單一,加之科學有效的水土管理措施實施并不到位,容易造成土壤侵蝕。降水量為657~735 mm時的土壤保持的風險最高,疊加降水量空間分布圖可以得到,該區間的區域主要位于遼河保護區中段和下段,這些區域的土壤侵蝕均較為嚴重。坡度為35°~68°時的土壤保持的風險最高,對比不同坡度分區對應的土壤侵蝕量可以發現,隨著坡度的增加土壤侵蝕量明顯增加。高程為－73~－26 m時的土壤保持的風險最高,對比不同高程分區對應的土壤侵蝕量可以發現,此區間土壤侵蝕量最高。植被覆蓋度為0~0.3時土壤保持的風險最高,疊加植被覆蓋度空間分布圖發現,土壤保持能力較低的區域主要是低植被覆蓋區。

表3 不同影響因素土壤保持高風險區域Table 3 High risk areas of soil conservation with different influencing factors

地理探測器交互探測可用來檢驗2種影響因素是自身獨立起作用還是相互作用,若為相互作用,作用是增強還是減弱。交互探測結果(表4)表明,坡度和土地利用類型交互作用對土壤保持能力的解釋力最強,坡度和植被覆蓋度交互作用次之。表明在降水等氣象要素相對穩定的背景下,應控制農業活動對地表的干擾強度,增加植被覆蓋度,從而提高區域生態系統的土壤保持能力。

表4 不同影響因素交互作用q值統計Table 4 Statistics of q value of interaction among different influencing factors

4 結論

(1)2010—2018年遼河保護區土壤侵蝕量呈遞減趨勢,土壤受到微度和輕度侵蝕強度的面積占比較高；土壤侵蝕程度空間差異較大,侵蝕程度強的區域零星分布在遼河保護區河流兩側及下段；2010—2018年土壤保持量呈持續上升趨勢,土壤保持量較高的區域集中在保護區上段和中段,土壤保持量較低區域主要在遼河保護區兩側及下段。

(2)2010—2018年遼河保護區土壤保持能力在降水量和高程梯度上,呈現先減少后增加的變化特征；在坡度和植被覆蓋度梯度上,呈現明顯的遞增特征；土壤保持能力在林地—耕地—草地—灌木林梯度上,呈現明顯的遞減特征。

(3)不同影響因素對土壤保持能力變化的解釋力從大到小依次為土地利用類型、植被覆蓋度、高程、坡度和降水量,其中土地利用類型是遼河保護區土壤保持格局變化的主導因素；土地利用類型為耕地,降水量為657~735 mm,坡度為35°~68°,高程為－73~－26 m,植被覆蓋度為0~0.3時,土壤保持的風險最高；坡度和土地利用類型交互作用對土壤保持能力的解釋力最強,在降水等氣象要素相對穩定的背景下,增加植被覆蓋可以提高區域生態系統的土壤保持能力。

(4)2010年遼河保護區土地利用類型以耕地為主,影響土壤保持能力變化的主導因素是人為因素,自2011年實施退耕封育工程后,大面積的耕地轉換為草地和撂荒地,人類活動減少,主導因素變為自然因素,退耕封育工程對降低土壤侵蝕起到一定作用。