基于生態承載力預警的土壤侵蝕敏感紅線劃分研究
——以陜西省為例

馬 琪, 李 婷, 賀成民

(1.西安外國語大學 旅游學院·人文地理研究所, 西安 710128;2.西安科技大學 測繪科學與技術學院, 西安710054; 3.陜西省水文水資源勘測中心, 西安 710068)

生態保護紅線是我國生態環境保護的重要制度創新。土壤侵蝕敏感紅線作為生態保護紅線體系的重要構成，對國土空間各類規劃、區劃的有序融合和銜接具有重要作用[1]，其關鍵環節在于土壤侵蝕敏感性評價和閾值判定。土壤侵蝕敏感性評價是土壤侵蝕發生的可能性以及在考慮自然因素時形成的易受土壤侵蝕影響區域的識別[2]。國內外土壤侵蝕模型主要分為經驗模型(USLE，RUSLE，CSLE)[3-5]和物理模型(WEPP，EUROSEM，ANSWERS，LISEM)兩類[6-10]。目前，在生態保護紅線劃定中土壤侵蝕敏感紅線劃分多根據經驗模型為理論基礎[11-12]，選擇研究區適宜的敏感評價因子，采用幾何平均數或加權疊加進行區域土壤侵蝕敏感性綜合評價[13]，最終根據《生態功能區劃暫行規程》或《生態保護紅線劃定指南》等規范文件，確定敏感評價因子分級和閾值設置，將評價結果中極敏感區劃分為紅線[11,14]。該方法因機制簡單，參數容易獲取，應用廣泛[15]。然而，面對地理環境復雜的地區，由于敏感評價指標選擇和因子圖層繪制的不確定性，加之分級標準不完全統一，若不加甄別地采用自然斷點法或累積閾值法，過度概括或閾值簡單化判定敏感性級別，忽略生態標準的時空局限性[16-17]，將導致評價結果存在誤差，與實際不否。徐衛華等指出生態承載力是預防土地沙化、水土流失和石漠化等生態問題的能力[18]。目前，“生態承載力”的概念被越來越多地納入各類空間規劃與發展研究當中，并為其提供科學指引。例如，周侃等通過綜合考慮水資源承載力能夠為寧夏西海固地區空間規劃與發展提供科學建議[19]；劉孟浩等通過地區生態承載力核算，服務于多類型保護地經濟建設規模、結構與布局的優化[20]；張學淵等基于對生態承載力的動態評估開展對西北干旱地區的生態安全區劃分研究[21]。上述研究表明，將生態承載力預警評估納入生態保護紅線劃定過程，能夠為提高紅線劃分的科學性和準確性提供一定思路。

當前，我國正處在新一輪國土空間規劃體系構建的關鍵時期，生態保護紅線的科學劃分成為提升國土空間治理體系和治理能力的核心關鍵。本研究以陜西省土壤侵蝕敏感紅線劃分為例，基于生態承載力預警的空間指引，形成具有推廣應用價值的土壤侵蝕敏感紅線劃分技術框架，以期為生態保護紅線中土壤侵蝕敏感紅線的劃定及國土空間規劃提供科學參考。

1 研究區概況

陜西省地處中國內陸中心，是全國水土流失最嚴重的省份之一。境內地貌復雜，整體呈南北高、中間低的特征，由北向南依次為黃土高原、關中平原和秦巴山地，素有“三秦大地”之稱，秦嶺是黃河與長江兩大流域中游的分水嶺。秦嶺以北屬于黃河流域，以溫帶大陸性季風氣候為主，主要有子午嶺生物多樣性保護優先區；秦嶺以南屬于長江流域，屬于北亞熱帶季風氣候，境內生物多樣性極其豐富。全省年均降水量約653 mm，年均氣溫為11.6℃[22]。全國土壤侵蝕類型分區顯示，陜南秦巴山地屬于西南土石山水力侵蝕區，其余地區屬于西北黃土高原水力侵蝕區。

2 研究方法與數據來源

2.1 技術流程

一定時間范圍內生態閾值判定取決于空間尺度的選擇，生態承載力預警評估可為特定空間尺度下土壤侵蝕敏感紅線的閾值確定提供依據[19,23]。本文“生態承載力”的概念即狹義的水土承載力，表征土壤水力侵蝕風險的大小。國家和省域國土空間規劃以生態安全格局構建為主要目標，可在生態承載力預警評估和土壤侵蝕敏感性評價的基礎上綜合辨識土壤侵蝕敏感紅線備選區。區域生態承載力與土壤侵蝕敏感紅線劃分關聯的生態學過程和相互作用機理為：生態承載力低的區域，土壤侵蝕風險高，土壤侵蝕強度大，需要預警并劃定土壤侵蝕敏感紅線以嚴格保護脆弱的生態系統；生態承載力中等的區域，土壤侵蝕風險中等，土壤侵蝕強度中等，為臨界預警，需重視土壤侵蝕敏感問題以遏制脆弱環境的惡化；生態承載力高的區域，土壤侵蝕風險低，土壤侵蝕強度低、土壤保持功能強，則無需預警且無需劃定土壤侵蝕敏感紅線[18]。土壤侵蝕敏感紅線備選區需要進一步綜合其他類型紅線，銜接其他區劃、規劃形成生態保護紅線落地方案，研究框圖詳見圖1。

2.2 研究方法

(1) 土壤侵蝕敏感性評估方法。土壤侵蝕敏感性指在自然狀況下發生土壤侵蝕的潛在可能性及其程度[24]。本文利用通用土壤流失方程估算土壤侵蝕[3]。公式如下：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中:A為實際土壤侵蝕量〔t/(km2·a)〕；R為降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕;LS表示坡長坡度因子;C為植被覆蓋與管理因子;P為水土保持措施因子。

圖1 基于生態承載力的土壤侵蝕敏感紅線劃分流程

(2) 生態承載力預警評估方法。本文采用水土流失指數作為生態承載力預警指標進行評估，單位面積土壤侵蝕量與該區域的容許土壤流失量比值為水土流失指數，表征土壤侵蝕風險，根據水土流失指數的大小進行承載力預警等級劃分[18]。

(2)

式中:Si為水土流失指數;A為土壤侵蝕量〔t/(km2·a)〕;Ar為容許土壤流失量〔t/(km2·a)〕。陜北黃土高原區和陜南土石山區Ar取值見表1。

(3) 分級標準。土壤侵蝕敏感性分級參考《生態保護紅線劃定指南》中閾值劃分，按照不同侵蝕類型區分別對土壤侵蝕量由大到小排序后計算柵格的累加侵蝕量，將累加侵蝕量占土壤侵蝕總量比例的50%與80%所對應的柵格值，作為極敏感、敏感和一般敏感的分界點[25]。

生態承載力預警分級閾值參考《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)[26]中不同侵蝕類型區土壤侵蝕強度分級和文獻[18]中的預警分級閾值確定(表1)。土壤侵蝕強度〔t/(km2·a)〕分級按水力侵蝕強度分級標準進行劃分，中度(2500，5000]、強烈(5000，8000]、極強烈(8000，15000]、劇烈(15000，+∞)；陜北黃土高原區：微度[0，1000]、輕度(1000，2500]；陜南土石山區：微度[0，500]、輕度(500，2500]。坡度分級按土壤侵蝕強度面蝕分級指標進行劃分，坡度(°)區間依次劃分為：[0,5]，(5，8]，(8，15]，(15，25]，(25，35]，(35，90]。

表1 各侵蝕類型區容許土壤流失量及預警分級閾值

2.3 數據來源及預處理

降雨侵蝕力因子(R)值利用基于日降雨資料的年降雨侵蝕力計算方法[27]，利用2000—2010年陜西省及周邊45個站點逐日降雨量數據計算各站點降雨侵蝕力，然后經過空間插值生成R因子圖層。

土壤可蝕性因子(K)依據中國土志、中國土壤、第二次土壤普查數據集等資料采用EPIC模型中的K值公式估算[28]，然后根據張科利等[29]的研究結合實測值進行訂正。

地形因子坡長(L)、坡度(S)根據楊勤科等[30]開發的LS計算工具(LS-Reg)實現陜西省坡度坡長因子專題圖層的自動計算。數字高程數據為水平分辨率約90 m的SRTM數據來源于國際地球科學共享中心。

植被覆蓋與管理因子(C)用來表示植被覆蓋和管理措施對土壤侵蝕的影響[31]；水土保持措施因子(P)為采取水土保持措施后土壤流失量與順坡種植時土壤流失量比值[9]。在前人研究基礎上[9-10,32]，結合大尺度的土壤侵蝕研究和陜西實際，依據土地利用數據分別對C和P進行賦值(表2)。2010年土地利用分類數據來源于陜西省生態環境十年變化(2000—2010年)遙感調查與評估數據集。

表2 不同土地利用類型的C值和P值

紅線內土地利用現狀遙感監測數據來源于中國科學院資源環境數據云平臺(http:∥www.resdc.cn)，2015年土地利用類型包括6個一級類型(耕地、林地、草地、水域、城鄉居民工礦用地、未利用地)以及25個二級類型，空間分辨率為30 m。

各因子專題圖層統一坐標系后按50 m空間分辨率重采樣后參與模型最終運算。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕強度的空間異質性特征

通用土壤流失方程估算結果顯示(圖2)，全省土壤侵蝕強度以微度和輕度侵蝕為主，占到全省國土面積的55.15%，中度侵蝕以上面積占比為44.95%；其中陜北黃土高原區各強度等級比例依次為：微度(36.01%)>中度(17.65%)>輕度(15.32%)>強烈(12.72%)>極強烈(11.89%)>劇烈(6.41%)；陜南土石山區輕度侵蝕面積最大，占比為34.86%；其次是微度侵蝕，面積占比達26.92%，中度侵蝕以上面積占比為38.22%。空間上看，陜西省南北土壤侵蝕強度差異較大，整體呈現出由北向南逐漸加劇的特征，與降雨侵蝕力空間格局相匹配。水力侵蝕強度微弱的區域集中分布于陜北風沙灘區、關中平原以及西秦嶺的中高山地區；強烈侵蝕以上的區域廣布于陜北黃土丘陵溝壑區，其中渭北塬區一帶較為突出，涉及寶雞市、咸陽市、渭南市的北部以及銅川市的大部分區域；陜南秦巴土石山區以微度和輕度侵蝕為主，但東南部的中低山區土壤侵蝕強度較大，其中安康市尤為明顯。

圖2 陜西省土壤侵蝕強度分級

3.2 土壤侵蝕敏感分級結果

土壤侵蝕敏感性分級結果顯示(圖3)，陜西省土壤侵蝕敏性以一般敏感性為主，面積為151 115.97 km2，占全省國土面積的74.40%，主要分布于關中平原以南的大部分地區，其次集中于榆林市北部風沙灘區。極敏感和敏感區面積分別為24 148.62 km2，27 852.80 km2，占比分別為11.89%和13.71%，二者在空間上整體分布趨勢一致，呈現相互交錯分布狀。其中，73.44%的極敏感區主要位于陜北黃土高原地區的延安市，其次是渭北塬區，涉及寶雞市、咸陽市、渭南市的北部以及銅川市的大部，榆林市東南部的黃土丘陵溝壑區有少量分布。陜南秦巴土石山區極敏感區面積占全省極敏感區的26.56%，零散分布于漢丹江河谷低山丘陵區。從各侵蝕類型分區來看，面積分布均呈現一般敏感區>敏感區>極敏感區的特征；陜北黃土高原極敏感區面積17 734.36 km2，占到該區域總面積的13.76%；陜南土石山區極敏感區面積6 414.26 km2，僅占到8.64%；陜北黃土高原極敏感區面積占比明顯大于陜南土石山區。

圖3 陜西省土壤侵蝕敏感分級

3.3 生態承載力預警評估結果

生態承載力預警評估結果顯示(圖4)，陜西省生態承載力預警狀態格局分明，分為預警、臨界預警、不預警3個級別，且以預警和臨界預警狀態為主；不預警區分布較少，僅分布于關中平原，涉及西安市北部區縣以及西咸新區等地。陜西省一半以上縣區處于預警狀態，水土承載力低、土壤侵蝕風險高，土壤侵蝕強度大，總面積約105 108.83 km2，占全省國土面積的51.13%。其中，陜北黃土高原呈預警狀態縣區主要包括榆林市的清澗縣和吳堡縣，以及延安市黃陵縣和黃龍縣除外的大部分區域；渭北塬區呈預警狀態縣區涉及銅川市全部，以及寶雞市、咸陽市和渭南市的北部區縣；秦巴山區的東南部，涉及商洛市的南部、漢中市的東部以及安康市的大部分地區亦呈預警狀態。此外，陜西省近40%的縣區處于臨界預警狀況，這些縣區土壤保持功能及水土承載力均屬中等水平，總面積97 989.09 km2，面積占比為47.67%；陜北地區臨界預警區涉及延安市北部的吳起縣和子長縣，以及榆林市的大部；陜南臨界預警區主要涉及秦嶺分水嶺兩側及漢中盆地周圍的區縣，關中平原大部分縣區均處于臨界預警狀態。

圖4 陜西省生態承載力預警分布

3.4 土壤侵蝕敏感紅線

基于生態承載力預警評估結果劃分得到的土壤侵蝕敏感紅線備選區見圖5，總面積為19 641.66 km2，占陜西省國土面積的9.67%，紅線空間分布集中在黃土高原的渭北塬區及延安市的大部，陜南土石山區主要集中于秦巴山區的東南區域。從各地市土壤侵蝕敏感紅線面積大小來看，延安市(6 274.23 km2)>安康市(3 300.16 km2)>渭南市(2 148.02 km2)>寶雞市(2 042.11 km2)>咸陽市(1 996.97 km2)>漢中市(1 435.17 km2)>銅川市(1 168.98 km2)>商洛市(922.75 km2)。進一步分析紅線內土地利用、坡度狀況發現，從土地利用類型上來看，紅線內以草地和耕地為主，分別占到整個紅線的45.79%和33.03%；林地面積占比約20.01%，其他用地均不足1%，可見土壤侵蝕敏感程度與農牧業活動關系密切。從地形上來看，紅線內坡度主要介于8°～15°和15°～25°，面積占比分別達到34.77%和29.43%；約70%位于陜北丘陵溝壑區，可見陜北丘陵溝壑區是土壤侵蝕敏感性的高發區。

圖5 陜西省土壤侵蝕敏感紅線分布

4 討論與結論

4.1 討 論

基于生態承載力預警狀況進行土壤侵蝕敏感紅線的劃分實質是區域生態閾值的判定問題。生態閾值判定是生態保護紅線劃定的關鍵，若未考慮區域生態承載力，生態保護紅線劃分的閾值在生態學描述中就沒有意義[16]。面對各省及各地區存在生態保護紅線閾值精準識別的困難，若生態保護紅線的閾值設定忽略生態承載力所限定的空間范圍，可能會造成紅線落地具有較大誤差難以有效實施，或對國土空間各類規劃銜接融合產生反作用[17]。本研究結果分析顯示，土壤侵蝕極敏感區面積為24 148.62 km2，最終劃定的土壤侵蝕敏感紅線備選區面積為19 641.66 km2。考慮區域水土承載力狀況與土壤侵蝕風險后土壤侵蝕敏感紅線備選區的面積較未考慮水土承載力減少了4 506.96 km2，減少的區域主要分布于土壤侵蝕風險較低，無需預警和臨界預警的區域。由此可見，將生態承載力的預警評估納入土壤侵蝕敏感性紅線劃定過程可有效避免不預警和臨界預警區域紅線劃定過程中產生的“過度保護”問題，亦可規避僅依靠專家經驗確定紅線閾值的主觀問題，為提高土壤侵蝕敏感紅線劃分的科學性和準確性提供了思路。此外，該方法在約束、規范和引導國土空間各類規劃布局的同時，也有助于有限生態保護資金的精準投放。

研究中生態承載力預警區內土壤侵蝕敏感紅線空間分布與《全國生態功能區劃(修編版)》中陜西生態敏感性綜合特征基本一致，與《全國主體功能區規劃》、《陜西省主體功能區規劃》相得益彰。生態保護紅線劃分是主體功能區戰略的具體落實和區域國土空間規劃的重要基礎性工作，市縣尺度重在土壤侵蝕敏感紅線備選區的勘界落地，這就需要進一步綜合國土開發適宜性評價結果、全國第三次土地調查結果進行紅線邊界的修正和優化。生態承載力預警區土壤侵蝕敏感紅線斑塊破碎化嚴重，從不預警區和臨界預警區極敏感斑塊形態分析來看，生態斑塊大小平均為0.018 km2，64.28%的面積屬于較低斑塊集中度水平；按照生態重要性、生態敏感性斑塊越大，集中度越高，破碎化程度越低，生態保護價值越大的評價準則[33]，不預警和臨界預警區內大部分極敏感斑塊不適宜納入生態保護紅線的體系中。因此，需進一步在國土開發適宜性評價結果基礎上通過人工目視優化修正，甚至公眾參與，以保證土壤侵蝕敏感紅線內部具有良好的聯通性和合理的外部邊界[34]。

陜西省土壤侵蝕敏感紅線在黃河中上游生態安全方面起到至關重要的作用，紅線內分布著33.03%的耕地，農用地向來被認為是侵蝕產沙的主要來源[34-35]，黃土高原農牧業活動頻繁，農田的土壤侵蝕潛在危險度最高；加之地形破碎，且是國家煤炭和油氣資源儲量豐富地區，土壤侵蝕風險較高，人類的生產建設項目很容易擾動原生地表，進而引發水土流失和泥石流災害。因此，國土空間規劃開發中需要限制大規模的城鎮化和工業化，避免土地利用強烈變化和擾動，在基本農田保障糧食安全的前提下，土壤侵蝕敏感紅線內耕地需繼續開展生態恢復工程，提高土壤保持功能。生產建設項目水土保持措施需嚴格實行“三同時”制度，注重施工前的表土剝離，施工過程中需加大水土流失監測的頻次，加強生物措施，避免大規模的工程措施，降低土壤侵蝕潛在風險的發生。雖然陜西重大生態恢復工程的生態效益已逐漸有所顯現，土壤侵蝕模數整體減弱[35]，但不預警和臨界預警區內仍存在4 506.96 km2的土壤侵蝕極敏感區，需要水利部門予以重點關注、實地核查，做好必要的水土流失預防和治理。

4.2 結 論

(1) 陜西省土壤侵蝕以微度和輕度侵蝕為主，占比55.15%，空間上土壤侵蝕南北差異較大，整體呈現出由北向南逐漸加劇特征；全省生態承載力以預警和臨界預警為主，一半以上縣區生態承載力低，土壤侵蝕風險高，處于預警狀態，臨界預警區主要分布于關中平原及黃土高原的北部。

(2) 陜西省土壤侵蝕敏感紅線總面積為19 641.66 km2，集中分布于渭北塬以北的黃土高原，并零散分布于陜南秦巴土石山區的東南部，占全省國土面積的9.67%；紅線內以草地和耕地為主，占比分別為45.79%和33.03%，紅線內的坡度主要介于8°～25°，是陜北黃土高原土壤侵蝕高發坡度范圍。

(3) 科學合理的生態承載力預警評估有助于提高國土空間規劃中土壤侵蝕敏感紅線劃分的準確性。基于生態承載力預警的土壤侵蝕敏感紅線劃分技術框架可適用于不同自然地域單元以生態敏感性識別為基礎的生態保護紅線劃分。

致謝：本文部分數據成果來源于西北大學和陜西省生態環境廳聯合實施的“陜西省生態環境十年變化(2000—2010)遙感調查與評估”項目，感謝項目組共享數據成果。