基于InVEST模型的金塔縣土壤侵蝕和土壤保持狀況評價

郭佳昊，李純斌，吳靜

（甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070）

土壤侵蝕是土壤或其他地面組成物質在水力、風力、凍融、重力等外營力作用下，被剝蝕、破壞、分離、搬運和沉積的過程［1］，雖然這是一個自然過程，但是過度的土壤侵蝕不但會造成土壤資源的嚴重受損，生態環境的極度惡化，而且會造成極大的經濟損失。目前，土壤侵蝕已經成為全球性生態環境問題，而我國又是世界上土壤侵蝕最嚴重的國家之一。因此，研究土壤侵蝕的發生規律對生態系統的穩定性具有重要意義［1］。土壤保持功能是一項非常基本的陸地生態系統服務功能，近年來日益受到重視，而土壤侵蝕量化研究方法的發展，為生態系統土壤保持功能研究提供了很好的方法。目前，對土壤侵蝕和土壤保持功能的研究主要采用美國農業部開發的預報坡地年均土壤流失量的通用水土流失方程（universal soil and water loss equation，USLE）［2］，該計算方法現已廣泛應用于流域、區域尺度土壤流失預測，適用性與準確性均較強［3-4］。但是，該計算方法并未考慮地塊自身攔截上游沉積物的能力，所以對土壤保持量的計算存在一定缺陷［5］，而由美國斯坦福大學伍茲環境研究所、世界自然保護基金會（WWF）、大自然保護協會（The Nature Conservancy）以及明尼蘇達大學環境研究所于2008年聯合開發的生態系統服務功能綜合估價和權衡得失評估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Ser‐vices and Tradeoffs，InVEST）［6-7］中的泥沙輸移比模塊（SDR Sediment Delivery Ratio）在通用水土流失方程的基礎上考慮了地塊自身攔截上游沉積物能力，該模型通過多個版本的程序更新，現行的3.8.8版本程序對土壤保持功能評估的合理性和準確性方面均得到提升，并且以柵格為計算單元，生成的區域內柵格單元下的土壤保持評估結果能夠將結果更直觀地展示出來，也更方便對計算結果進行進一步的分析。國外已成功運用于美國內華達山脈［8］、俄勒岡州［9］、加利福尼亞州［10］等地區，國內也有許多學者將該模型用于土壤保持功能研究分析之中，劉曉娜等［11］利用In‐VEST模型對北京市門頭溝區不同土地利用下土壤保持功能進行了分析和評估； 何莎莎等［12］利用InVEST模型對太行山淇河流域的土壤保持功能進行了研究，對不同土地利用以及不同海拔高度下的土壤保持功能進行了動態分析；陳童堯［13］利用InVEST模型對祁連山國家自然保護區土壤保持現狀、功能和價值量做了分析與評估。由此可見，InVEST模型對于國內土壤保持功能研究的應用范圍越來越廣泛。

甘肅省酒泉市金塔縣地處巴丹吉林沙漠邊緣，是西北水土資源開發極具代表性的區域之一。作為西北地區重要的水土保持生態屏障，由于氣候干旱和土壤沙化嚴重，其自然植被遭到破壞之后難以恢復，極易在各種侵蝕營力的作用下產生大量裸露的沙地，嚴重危害金塔縣環境和生態系統的穩定。因此，研究金塔縣的土壤侵蝕狀況以及土壤保持現狀對制定有針對性的土壤保持措施具有重要意義。基于InVEST模型對酒泉市金塔縣土壤侵蝕及土壤保持狀況進行研究，找出其空間分布規律，以期為金塔縣的土壤侵蝕防治提供科學的決策依據。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

金塔縣地處河西走廊中段北部邊緣，甘肅省酒泉市東北部，屬酒泉市管轄。地理坐標：E 98°00′~100°07′，N 39°47′~40°15′（圖1）。東與高臺縣毗鄰，西與玉門市接壤，南鄰肅州區和嘉峪關市，北靠內蒙古額濟納旗，馳名中外的酒泉衛星發射中心坐落于縣境內東北部，是現代飛天的故鄉。縣域內海拔最高1 891 m，最低972 m，相對高差919 m，東西長約180 km，南北寬約120 km，總面積1.67萬km2。金塔縣深居內陸，氣候干燥，降水稀少，蒸發強烈，居于溫帶荒漠氣候向暖溫帶荒漠氣候過渡的交匯地帶。年均氣溫8 ℃，年均降水量59.9 mm，極端最多年降水量117.1 mm，蒸發量2 538 mm，為降水量的40多倍，屬嚴重干旱區。降水的年內分配因受東亞大陸性氣候的影響，表現為汛期降水量相對較多而集中；春季雨水少而不穩定；冬季雨雪甚少。據統計，每年6~9月降水量占全年降水量的70%左右；10~12月降水最少，占全年降水量的5%左右。

圖1 金塔縣地理位置及海拔示意圖Fig.1 Geographical location and elevation map of Jinta County

1.2 模型原理

InVEST 模 型 SDR（Sediment Delivery Ratio）模塊以通用土壤流失方程ULSE為基礎，并加以改進，充分考慮植被不僅能夠緩解土壤侵蝕，而且對上游泥沙具有一定攔截作用。模型原理及計算方法見式（1）~（3）

實際土壤侵蝕量即考慮植被覆蓋和相對應的水土保持措施計算公式：

潛在土壤侵蝕量即不考慮植被覆蓋和相對應的水土保持措施的情況下的土壤侵蝕量計算公式：

土壤保持量：

式中：Ri表示柵格單元i的降水侵蝕性因子，Ki表示柵格單元i的土壤可蝕性因子，LSi表示柵格單元i的坡度坡長因子也就是地形因子，Ci表示柵格單元i的植被覆蓋和作物管理因子，Pi表示柵格單元i的水土保持措施因子。

1.3 數據處理

1.3.1 數據來源 本研究使用的數據均采取30 m×30 m分辨率，主要包括數字高程模型（DEM）、降水數據、土地利用數據、土壤屬性等數據。數據來源見表1。

表1 數據需求及來源Table 1 Data requirements and sources

1.3.2 降水侵蝕力因子 降水侵蝕力是降水引起土壤侵蝕的潛在能力，R值即降水侵蝕力因子（Rainfall Erosivity）是評價這種潛在能力的一個動力指標［14］，它反映了降水對土壤的侵蝕作用，既是客觀評價降水對土壤剝離、搬運侵蝕的動力指標，也是監測山丘土壤流失量和估算湖、庫、河底淤積沙源的重要依據之一。該變量取決于研究區降水強度和歷時，單次降水強度和歷時越大，降水侵蝕力越大。本研究通過比較前人關于中國降水侵蝕力的各種算法精確度以及數據獲取難易程度［15-16］，采用章文波等［17］建立的基于日降水量的降水侵蝕力簡易算法模型，選取了金塔縣及周圍十一個氣象站點1986~2019年逐日降水量數據，計算得到各站點降水侵蝕力數據并通過空間插值得到金塔縣降水侵蝕力R圖層（圖2）其計算公式如下：

圖2 金塔縣降水 侵蝕力（R）Fig.2 Rainfall erosivity of Jinta County（R）

式中：Ri為第i個半月時段的侵蝕力值其單位為MJ/（mm·hm2·h）；K為半月時段內的天數；Pj為半月時段內第j天的日降水量，為對應中國侵蝕性降水標準［16］要求日降水量大于等于12 mm，小于12 mm以0計算；α和β為模型待定參數其取值公式如下：

式中：Pd12為日降水量大于等于12 mm的日平均降水量，Py12為日降水量大于等于12平考試mm的年平均降水量。

1.3.3 土壤可蝕性因子 土壤可蝕性K值表示衡量土壤顆粒對降水和徑流侵蝕和搬運作用敏感性的指標，最常用的K值推算方法為Wischmeier提出的可蝕性諾謨圖［18-19］，但是可蝕性諾謨圖所需的土壤結構系數以及滲透級別資料較難獲取，所以本研究采用美國學者Williams等提出的EPIC模型中的公式進行計算［20］，該方法采用土壤顆粒組成數據和土壤有機碳數據進行計算。

式中：K為土壤可蝕性因子，SAN為土壤中砂粒含量、SIL為土壤中粉粒含量、CLA為土壤中粘粒含量，C則為土壤有機碳含量（%），SN1=1-SAN/100，由于該公式使用的是美國制，計算結果乘以0.131 7，轉化為國際制單位（t·hm2·h）/ （hm2·MJ·mm）［21］。最終得到金塔縣土壤可蝕性因子K值柵格圖層（圖3）。

圖3 金塔縣土壤可蝕性（K）Fig.3 Soil erodibility of Jinta County （K）

1.3.4 坡長和坡度因子 坡長因子表示其他條件相同時，一定坡長的坡面上，土壤流失量與標準徑流小區典型坡面土壤流失量的比值。坡度因子表示其他因子相同時，一定坡度的坡面上，土壤流失量與標準徑流小區典型坡面土壤流失量的比值，是侵蝕加速因子，與坡長因子一起反映地形地貌特征對土壤侵蝕的影響［22］。InVEST模型已經將坡長和坡度因子（LS）嵌入運行程序之中，只需輸入研究區DEM高程圖和流域圖即可，不需再單獨進行計算。

1.3.5 生物物理系數表 土壤侵蝕模塊所需生物物理系數表包含C（植被覆蓋因子）和P（水土保持因子）。

C（植被覆蓋因子）：植被覆蓋度與徑流量、土壤流失量有很強的相關性；相同覆蓋度的不同植被類型也有不同的土壤侵蝕量。同條件下，植被覆蓋度越高，植被覆蓋因子越低。介于0~1。主要受土地利用類型、土壤水分、植被覆蓋度及植被的種植順序等因素的影響，當C值為1時，表示地面處于完全裸露狀態，沒有任何植被；當C值接近0時，表示地面植被覆蓋良好。

P（水土保持措施因子）：指在采取某一特定水土保持措施后，地表土壤流失量與標準順坡種植條件下的土壤流失量的比值。其值在0~1，極值0代表無侵蝕，極值1表示未采取水土保持措施。

本研究土地利用類型分類采用中國科學院“八五”重大應用項目“國家資源環境遙感宏觀調查與動態分析”從土地的資源角度建立起了一套基于空間分辨率為30 m的TM遙感數據的分類系統中的6個一級類：耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地［23-24］。

由于沒有與研究區相對應的干旱區固定取值，本研究通過參考InVEST模型指南以及相關文獻并結合研究區實際情況對C因子以及P因子進行取值。見表（2）。

表2 生物物理系數表Table 2 Biophysical coefficients table

2 結果與分析

2.1 不同區域的土壤侵蝕和土壤保持

通過模型運行結果分析，金塔縣2019年潛在土壤侵蝕量為2 181.481 2萬t，實際土壤侵蝕量為1 911.066 4萬t，土壤保持總量為270.414 8萬t。根據國家水利部最新《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190-2007）對金塔縣2019年實際土壤侵蝕量進行分級（圖4）并分區統計。從土壤侵蝕強度來看，金塔縣的土壤侵蝕等級以微度和輕度為主，其中，微度侵蝕面積為91.675 2萬hm2，輕度侵蝕面積為57.204 5萬hm2，分別占金塔縣總面積的55.01%和34.33%。從侵蝕量來看，金塔縣土壤侵蝕量最大的是輕度侵蝕，占金塔縣總侵蝕量的34.50%；其次是中度侵蝕占比達19.3%；強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕占比在11.9%~14.86%；侵蝕面積占比最大的微度侵蝕的侵蝕量占比最小，只有6.47%（表3）。

圖4 實際土壤侵蝕空間分布Fig.4 Spatial distribution of actual soil erosion

表3 金塔縣實際土壤侵蝕強度等級表Table 3 Actual soil erosion intensity grade table in Jinta County

從空間分布來看，金塔縣土壤侵蝕量較大的區域集中在鼎新鎮、航天鎮東南部、中東鎮南部和金塔鎮南部地區，這些地區坡度較大，土壤質地也更為疏松。土壤保持量較大的區域為鼎新鎮和航天鎮，分別占比達到30.20%和19.10%（表4）。

表4 金塔縣各鄉鎮土壤侵蝕量Table 4 The amount of soil erosion in each township of Jinta County

2.2 不同坡度的土壤侵蝕和土壤保持

按照水利部關于水土保持坡度等級的劃分，將金塔縣坡度分為 5 個等級，按<3°、3°-8°、8°-15°、15°-25°、≥25°生成坡度分級圖（圖5），并將金塔縣坡度分級圖與土壤侵蝕圖進行疊加分析，得到不同坡度的土壤侵蝕量（表5）。金塔縣整體坡度較為平緩，全縣大部分區域坡度都在8°之內，其中坡度小于3°的面積為101.699 2萬hm2，占全縣總面積的61.03%；坡度為3°~8°的面積為 55.960 6 萬 hm2，占全縣總面積的33.58%。

表5 不同坡度土壤侵蝕與土壤保持情況Table 5 Soil erosion and soil conservation at different slopes

圖5 坡度分級Fig.5 Gradient grade

從土壤侵蝕量分布來看，全縣大部分的土壤侵蝕均集中在坡度小于15°的區域內，共占全縣土壤侵蝕總量的88.60%。其中，坡度小于3°的區域內的土壤侵蝕量為395.11萬t/a，占全縣總侵蝕量的20.67%；坡度為3°~8°的區域內的土壤侵蝕量為934.69萬t/a，占全縣總侵蝕量的48.91%，坡度為8°~15°的區域內的土壤侵蝕量為363.30萬t，占全縣總侵蝕量的19.01%。坡度為15°以上的區域土壤侵蝕總量相較于其他區域占比較小，僅占全縣總侵蝕量的11.4%。從單位面積土壤侵蝕量來看，隨著坡度的增大，平均每hm2土壤侵蝕量不斷增加，土壤侵蝕強度也更強。

金塔縣土壤保持量分布狀況與土壤侵蝕量分布狀況具有較高的一致性，土壤保持量較大的區域同樣集中在坡度小于15°的區域，占全縣土壤保持量的96.88%。坡度大于15°的區域內的土壤保持量僅占全縣土壤保持量的3.12%。

2.3 不同土地利用類型的土壤侵蝕與土壤保持

將金塔縣土地利用現狀（圖6）與實際土壤侵蝕結果和土壤保持結果分別進行疊加分析，得到不同土地利用類型的土壤侵蝕量和土壤保持量，金塔縣土地利用類型大部分為未利用地，共138.7613萬hm2，占全縣面積的83.27%；其次是草地、耕地和林地，分別占全縣面積的5.91%、4.18%和4.12%；水域和建設用地占比最少，僅占全縣面積的1.64%和0.88%。土壤侵蝕主要也是集中在未利用地之中，2019年金塔縣未利用地實際土壤侵蝕量達到1 891.305 6萬t，占全縣總侵蝕量的98.97%。其次是建設用地和水域實際土壤侵蝕量，分別為9.364 9萬t和10.345 2萬t，占比分別為0.49%和0.54%（表6）。

圖6 土地利用類型Fig.6 Types of land use

表6 不同土地利用類型土壤侵蝕與土壤保持情況Table 6 Soil erosion and soil conservation of different land use types

2019年金塔縣土壤保持量最大的土地利用類型為未利用地，土壤保持量為100.259 2萬t，占全縣土壤保持總量的37.09%；其次是草地、林地和耕地，土壤保持量分別為 81.059 0、48.722 7和 32.690 2萬t，分別占全縣土壤保持總量的29.99%、18.02%和12.09%；水域和建設用地土壤保持量最少，僅占全縣土壤保持總量的2.31%和0.50%。從單位面積土壤保持量來看，土壤保持能力較強的土地利用類型為草地和林地，平均每hm2土壤保持量分別為8.24、7.1 t/hm2；其次為耕地，平均土壤保持量為4.69 t/hm2；雖然未利用地土壤保持總量最多，但是其平均壤保持量僅為0.72 t/hm2，低于其所有土地利用類型。

3 討論

本研究結果顯示，金塔縣土壤侵蝕較為嚴重，土壤保持能力較差，且受地形和土地利用類型影響較大。從地形方面來看，金塔縣整體地勢較為低平，地形起伏度較低，土壤侵蝕強度隨坡度的增加而增加。從土地利用類型來看，金塔縣土壤侵蝕量最多的區域為未利用地，占比高達98.97%；土壤保持方面，金塔縣土壤保持能力最差的同樣為未利用地；而土壤保持能力最強的土地利用類型為草地，但由于金塔縣土地沙化嚴重，草地仍面臨較大的退化風險，所以金塔縣未來水土保持工作中，應把面積占比最大、侵蝕最為嚴重且土壤保持能力最差的未利用地放在首要位置，其次應繼續加強草原草場建設，發揮其在土壤保持方面的積極作用。

InVEST模型的土壤保持模塊是基于通用土壤流失方程（USLE）并加以改進而成，通用土壤流失方程是土壤侵蝕研究領域應用廣泛的經驗模型，因此本研究計算結果僅為基于通用土壤流失方程中的降水、土壤性質、地形、植被覆蓋和管理因子的土壤侵蝕，未將風力計算在內，今后將深入研究該區域土壤侵蝕的綜合影響條件。

由于模型中相關因子并沒有針對干旱區研究的一個固定取值范圍，因此本研究對InVEST模型相關參數與計算方法進行了校正、檢驗，使之適應于金塔縣的生態系統服務功能評估。本研究僅針對金塔縣的土壤侵蝕和土壤保持功能進行了評估，但自然生態系統供給的服務多種多樣，其他的服務功能如碳儲存、水源涵養、生物多樣性功能也同樣重要，未來有必要針對這些服務功能進行動態評估，從而實現對區域生態系統服務功能的全面了解。本研究只利用物質量法計算了金塔縣生態系統的土壤保持功能，并沒有進一步計算它們的價值量。價值化后生態系統服務功能可以與生態系統提供的直接經濟價值進行對比，促使人們加大對生態系統的保護力度，因此金塔縣生態系統土壤保持的價值量估算應該成為后期研究中的重點。相對于過去，應該更關注生態系統服務功能在未來的變化趨勢，有必要對未來金塔縣生態系統服務功能的變化趨勢進行評估。

4 結論

金塔縣2019年潛在土壤侵蝕量為2 181.481 2萬t，實際土壤侵蝕量為1 911.066 4萬t，土壤保持總量為270.414 8萬t。從空間分布來看，實際土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量較大的區域主要集中在鼎新鎮和航天鎮東南部的巴丹吉林沙漠土壤質地較為疏松且沙地較多的地方。土壤保持能力較強的區域主要集中在鼎新鎮西部、金塔鎮東部以及羊井子灣鄉的巴丹吉林沙漠邊緣地區，這和金塔縣近年在這些區域承接“螞蟻森林”公益造林項目構筑了防風固沙帶有直接關系。金塔縣土壤侵蝕強度與坡度起伏具有較大的一致性，隨著坡度的增大，單位面積的土壤侵蝕量和土壤侵蝕強度也不斷增加。土壤侵蝕和土壤保持功能與土地利用利用類型密切相關。金塔縣未利用地土壤侵蝕量和土壤侵蝕強度都遠大于其他土地利用類型；不同土地利用類型土壤保持能力排序依次為：草地>林地>耕地>水域>建設用地>未利用地。