基于InVEST模型的伊洛河流域土壤保持功能研究

張佳惠

（長安大學，陜西 西安 710054）

0 引言

伊洛河流域是黃河流域的重要子流域，屬于國家級水土流失重點治理區。社會經濟的快速發展與日益頻繁的人類活動，引發了該流域水土流失，包括土壤層變薄、肥力衰退、含蓄水能力降低、土地退化等問題，嚴重制約了該流域的生態保護與高質量發展。因此，加強對伊洛河流域的土壤保持功能研究對于科學認識伊洛河流域土壤侵蝕特征，編制水土保持規劃，防治土地退化等具有重要意義。

水土保持效益是指某地區通過保護、改良和合理利用水土資源，實施各項水土保持措施后獲得的綜合效益。森林、草地等植被具有防止、減少土壤侵蝕的功能，對土壤形成、涵養水源、減少水土流失具有重要意義［1］，其受人類活動影響較大。國內外學者對水土保持效益做了深入研究。Wasim等［2］提出的通用土壤流失方程（USLE）是當時被廣泛使用的土壤侵蝕模型。Behera 等［3］在地理信息系統（GIS）環境下，采用修正后的通用土壤流失方程（RUSLE）對土壤侵蝕風險進行了建模評價。國內學者也開展了廣泛的研究，且取得了重要進展。白楊等［4］運用InVEST 模型，以白洋淀為研究區，評價了該流域以土壤保持功能為主的生態系統服務價值，研究結果表明InVEST 模型在決策分析方面比較有效。陳姍姍等［5］利用InVEST 模型中的土壤保持模塊，對商洛市土壤侵蝕與土壤保持進行生態系統功能定量評估和空間異質性分析；胡剛等［6］采用修正后的通用土壤流失方程（RUSLE）模型，對臥虎山水庫流域土壤侵蝕進行分析；胡先培等［7］運用地理信息系統與遙感技術，以數字高程模型（DEM）、日降雨量、土地利用數據、遙感影像為基礎數據，結合修正后的通用土壤流失方程（RUSLE）模型，對銅仁地區1987—2015 年的土壤侵蝕時空分異特征進行了分析；陳峰等［8］基于修正后的通用土壤流失方程（RUSLE）模型，對元陽縣2005—2015 年間土壤侵蝕狀況的時空變化趨勢、侵蝕成因和影響機理進行了分析。已有研究主要采用通用修正后的土壤流失方程（RUSLE）模型，但是RUSLE 模型沒有考慮到地塊自身攔截上游沉積物的能力［9-10］。In-VEST 模型充分考慮了地塊自身攔截上游沉積物的能力，其土壤保持功能已經發展成熟［11］。

伊洛河流域作為黃河流域的重要子流域，是水土流失重點治理區，國內學者對該流域的土壤保持功能研究較少。因此，本研究選擇運用InVEST 模型，綜合考慮降雨、地形、植被、土壤和土地利用等因素，發現并揭示土壤保持功能的變化規律及驅動因素，以期深化伊洛河流域土壤保持功能的科學認識，為該區域防治土地退化提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

伊洛河流域面積約18 881 km2，涉及河南、陜西兩省的部分縣市［12-13］。伊洛河流域地處東經109°43＇～113°11＇，北緯33°39＇～34°54＇之間，整體地勢西高東低、南北高、中間低，最高海拔達2 638 m，最低海拔為-64 m，最大落差為2 702 m。伊洛河流域屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫7.8～13.9 ℃，年降水量710～930 mm。伊洛河徑流的主要驅動力因子是降雨，降雨控制了年徑流的80%，控制徑流的其他因子約占20%［14］。1970s 以來，伊河上修建的陸渾水庫（總庫容為13.20億m3）與洛河上修建的故縣水庫（總庫容11.75 億m3），提高了伊洛河流域的水土保持效益。做好伊洛河流域的水土保持工作可促進流域的生態保護與高質量發展。

1.2 數據來源

本研究所選時間段為1990 年與2020 年，所需數據主要包括：數字高程模型（DEM）、流域矢量數據文件、降雨侵蝕性因子（R）、土壤可蝕性因子（K）、生物物理系數表：包括USLE 植被覆蓋和作物管理因子（usle_c）、USLE 水土保持措施因子（usle_p）、其他參數使用InVEST 模型手冊的推薦值。數據來源見表1。

表1 數據來源

2 結果分析

2.1 土壤侵蝕量特征

1990 年伊洛河流域的潛在土壤侵蝕總量為1.05×1010t，實際土壤侵蝕總量為2.31×109t；2020年伊洛河流域的潛在土壤侵蝕總量為9.06×109t，實際土壤侵蝕總量為1.45×109t。1990年與2020年實際土壤侵蝕量如圖1 所示。由圖1 可知，1990 年和2020 年實際土壤侵蝕強度高值區主要分布在坡度較大的西部低山丘陵區，如洛寧縣、洛南縣和盧氏縣范圍內。1990 年和2020 年實際土壤侵蝕強度低值區主要分布在伊河、洛河及周邊地區，如宜陽縣、伊川縣和洛龍區范圍內。較高的實際土壤侵蝕主要發生在海拔86～300 m 的地區，而海拔700 m 以上地區很少發生土壤侵蝕。

圖1 伊洛河流域實際土壤侵蝕量

根據水利部2008 年頒布實施的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)，土壤侵蝕強度分為微度侵蝕（＜5 t hm-2）、輕度侵蝕（5～25 t hm-2）、中度侵蝕（25～50 t hm-2）、強烈侵蝕（50～80 t hm-2）、極強烈侵蝕（80～150 t hm-2）、劇烈侵蝕（＞150 t hm-2）六級分類標準。根據分級標準，1990年伊洛河流域各縣域平均土壤侵蝕量在8.15～134.86 t hm-2之間，此時整體處于強烈侵蝕與極強烈侵蝕等級；2020年伊洛河流域各縣域平均土壤侵蝕量在7.60～71.95 t hm-2之間，此時整體處于中度侵蝕、強烈侵蝕等級。

1990年伊洛河流域縣域平均土壤侵蝕量較大的地區有靈寶市（134.86 t hm-2）、華州區（112.56 t hm-2）、欒川縣（106.29 t hm-2）、盧氏縣（102.78 t hm-2）、洛寧縣（100.13 t hm-2）、陜州區（93.97 t hm-2），均處于極強烈侵蝕等級；平均土壤侵蝕量較少的地區有洛龍區（15.71 t hm-2）、孟津縣（13.75 t hm-2）、老城區（13.61 t hm-2）、澗西區（12.21 t hm-2）、西工區（9.49 t hm-2）、瀍河回族區（8.15 t hm-2），處于輕度侵蝕等級。2020 年伊洛河流域各縣域平均土壤侵蝕量較多的有洛寧縣（71.95 t hm-2）、陜州區（67.78 t hm-2）、靈寶市（63.64 t hm-2）、盧氏縣（63.25 t hm-2）、嵩縣（54.89 t hm-2）、欒川縣（53.23 t hm-2），均處于強烈侵蝕等級，較1990年下降了一個等級；平均土壤侵蝕量較少有登封市（15.77 t hm-2）、澗西區（14.87 t hm-2）、孟津縣（13.98 t hm-2）、老城區（12.82 t hm-2）、西工區（7.70 t hm-2）、瀍河回族區（7.60 t hm-2），處于輕度侵蝕等級。

綜合兩期數據來看，靈寶市、洛寧縣、盧氏縣、陜州區、欒川縣五個區縣的土壤侵蝕量在伊洛河各區縣穩居前六名，均處于極強烈侵蝕等級，瀍河回族區、西工區、老城區、孟津縣、澗西區穩居后六名。華州區的排名從1990年的第2名下降至2020年的第13名，平均侵蝕量從112.5 t hm-2下降到31.31 t hm-2，可見華州區采取的水土保持措施卓有成效。洛龍區排名上升了1 名，但總體平均侵蝕量并沒有增加太多。總體來看，雖然2020 年部分區縣平均土壤侵蝕量呈增加趨勢，但2020 年平均土壤侵蝕量較1990 年大幅減少，說明水土保持措施已經發揮了作用，土壤保持功能逐漸在提升，水土流失逐步得到控制。

1990年伊洛河流域不同土地利用類型的平均土壤侵蝕量由大到小分別為未利用地（304.30 t hm-2）、建設用地（204.23 t hm-2）、耕地（58.32 t hm-2）、灌木林地（57.20 t hm-2）、草地（22.55 t hm-2）、林地（9.93 t hm-2）、水域（0）。2020年由大到小呈現出未利用地（187.04 t hm-2）、建設用地（81.57 t hm-2）、耕地（39.71 t hm-2）、灌木林地（18.99 t hm-2）、草地（18.27 t hm-2）、林地（14.61 t hm-2）、水域（0）。

總體來說，各地類平均土壤侵蝕量的排名基本沒有發生改變，未利用地、建設用地、耕地較高，2020 年各地類平均土壤侵蝕量均小于1990 年的平均土壤侵蝕量。

2.2 土壤保持量特征

1990 年和2020 年伊洛河流域土壤保持量如圖2 所示。由圖2 可知，1990 年伊洛河流域的土壤保持總量為8.28×109t，2020 年伊洛河流域的土壤保持總量為7.61×109t。綜合1990 年和2020 年土壤保持量可以得出，土壤保持量較高的地區主要分布在欒川縣和洛南縣。在海拔865～1467 m 的地區，土壤保持量較高，而海拔在86～865 m、1 467 m以上地區的土壤保持量較低。

圖2 伊洛河流域土壤保持量

1990 年伊洛河流域各縣域平均土壤保持量在1.01～197.86 t hm-2之間；2020 年伊洛河流域各縣域平均土壤保持量在0.43～181.74 t hm-2之間。

1990 年伊洛河流域各縣域平均土壤保持量較大的地區有：欒川縣（197.86 t hm-2）、華州區（186.48 t hm-2）、丹鳳縣（186.45 t hm-2）、盧氏縣（143.58 t hm-2）、靈寶市（138.22 t hm-2）、洛南縣（116.07 t hm-2）六個地區；平均土壤保持量較少的地區有：洛龍區（9.76 t hm-2）、孟津縣（5.09 t hm-2）、澗西區（2.76 t hm-2）、老城區（2.34 t hm-2）、西工區（1.53 t hm-2）、瀍河回族區（1.01 t hm-2）六個地區。2020 年伊洛河流域各縣域平均土壤保持量較多的有：華州區（181.74 t hm-2）、欒川縣（178.88 t hm-2）、丹鳳縣（165.17 t hm-2）、盧氏縣（130.70 t hm-2）、靈寶市（129.80 t hm-2）、洛南縣（104.31 t hm-2）；平均土壤保持量較少有：洛龍區（5.11 t hm-2）、孟津縣（3.50 t hm-2）、老城區（1.28 t hm-2）、西工區（1.19 t hm-2）、澗西區（1.02 t hm-2）、瀍河回族區（0.43 t hm-2）。

綜合兩期數據來看，欒川縣、華州區、丹鳳縣、盧氏縣、靈寶市、洛南縣的土壤保持量依舊在所有區縣穩居前六名，瀍河回族區、澗西區、西工區、老城區、孟津縣、洛龍區依舊處于后六名。瀍河回族區一直是保持量最少的區縣，前六名和后六名的排名雖略有變化，但總體相差不大，排名較為穩定。從1990 年與2020 年的強度分布來看，30 年來各區縣土壤保持能力趨于穩定。

1990年伊洛河流域不同土地利用類型的平均土壤保持量由大到小分別為：灌木林地（200.51 t hm-2）、草地（124.59 t hm-2）、林地（52.24 t hm-2）、未利用地（31.16 t hm-2）、耕地（29.55 t hm-2）、建設用地（23.34 t hm-2）、水域（0）。

2020 年伊洛河流域不同土地利用類型的平均土壤保持量由大到小分別為：林地（152.94 t hm-2）、草地（120.81 t hm-2）、灌木林地（49.11 t hm-2）、耕地（19.05 t hm-2）、未利用地（16.35 t hm-2）、建設用地（6.87 t hm-2）、水域（0）。各地類平均土壤保持量的排名變動較大，從總體來說，2020 年各地類平均土壤保持量均小于1990年的平均土壤保持量。

3 結論

本研究以伊洛河流域為研究區域，運用In-VEST 模型，綜合考慮降雨、地形、植被、土壤和土地利用等因素，研究伊洛河流域土壤保持功能的時空格局，結論如下。

①伊洛河流域實際土壤侵蝕強度空間差異較為明顯。1990 年實際土壤侵蝕強度整體上處于強烈與極強烈侵蝕等級，2020年實際土壤侵蝕強度有所下降，整體上處于中度侵蝕與強烈侵蝕等級。1990 年和2020 年實際土壤侵蝕強度高值區主要分布在坡度較大的西部低山丘陵區，如洛寧縣、洛南縣和盧氏縣范圍內。較高的實際土壤侵蝕主要發生在低海拔地區（86～300 m），高海拔地區（700 m以上）土壤侵蝕較低。未利用地、建設用地、耕地地類的平均土壤侵蝕量較高，與1990 年相比，2020 年各地類平均土壤侵蝕強度有所下降。

②伊洛河流域的實際土壤保持能力空間分布趨勢基本一致，與1990 年相比，2020 年伊洛河流域土壤保持能力呈降低趨勢。1990 年與2020 年土壤保持能力較高的縣域有西部低山丘陵區的欒川縣、華州區、丹鳳縣、盧氏縣、靈寶市等，土壤保持能力較低的縣域有東部地形平坦，經濟發展較好的洛龍區、孟津縣、老城區、西工區、澗西區、瀍河回族區等。