阴山北麓农牧交错区2000—2015年土壤流失及保持量变化研究

王彦阁 胡晓海 孙海莲 翟 琇 梁继业

( 1. 内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051；2. 内蒙古农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；3. 塔里木大学，新疆 阿拉尔 843300)

生态系统服务功能中一个重要的方面，就是侵蚀控制和沉积物保持，因为这一过程不仅影响自然资源质量，而且还会造成土地质量下降，进而引起农用地土壤肥力下降、粮食减产、水污染等一系列问题[1-2]。因此，掌握土壤侵蚀和沉积的模式及其分布特征，对有效开展水土保持工作至关重要。InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs）模型是美国斯坦福大学、大自然保护协会（TNC）与世界自然基金会（WWF）联合开发的生态系统服务功能综合估价和权衡得失的工具，目的是通过模拟不同土地覆被情境下生态服务系统物质量和价值量的变化，为决策者权衡人类活动的效益和影响提供科学依据，目前该模型已经在水源涵养[3-6]、水源供给[7-9]、产水量[10-11]、水质[12]、生物多样性[13-16]、生境质量[17-18]、碳储量[19-20]、土壤侵蚀[21-22]、土壤保持[23-25]等多个生态系统服务功能评价方面进行了研究和应用。InVEST 土壤保持模块以通用土壤流失方程（USLE）为基础理论，另外考虑了沉积物沿水文路径迁移过程和地块对上游沉积物的拦截率，与传统计算方法相比，沉积物保留量的计算更科学、更准确。

内蒙古阴山北麓有着特殊的环境和资源条件，历史上曾是水草丰腴之地，但由于人口激增，不合理的垦殖开荒，致使超载过牧等人为破坏，以及风力、水力2个自然过程作用下，水土流失十分严重，而且有愈演愈烈趋势。目前，对阴山北麓农牧交错区的土壤侵蚀研究多集中在风力侵蚀[26-28]，而水力侵蚀的研究鲜有报道。自2000年以来，随着一系列生态治理工程的全面实施，农牧交错区土地利用方式发生了显著的变化。鉴于此，本研究采用InVEST模型的土壤保持模块对2000年、2015年阴山北麓农牧交错区土壤水力侵蚀及土壤保持功能进行研究，旨在揭示这些政策干扰下农牧交错区土壤侵蚀特征的变化规律，探讨土地利用方式转变对土壤侵蚀和土壤保持的影响，以期为该区水土流失综合防治提供参考。

1 研究区概况

阴山北麓农牧交错区地处内蒙古自治区中部，阴山山脉与蒙古高原过渡带，位于东经107°17′～117°30′，北纬 40°13′～42°28′，总面积为97090.7 km2。在东部地区，由于降水量较大又集中，因而夏季的水蚀和冬春频繁的风蚀交替进行，地面因河流侵蚀切割形成了南北向的台间浅洼地，散布着古河道；西部干燥风蚀作用强烈，地面多东北向的石质残丘、垄岗和一系列宽浅的风蚀洼地，丘岗间堆积着沙砾岩、泥岩等碎屑物质，成为形成沙漠的物质基础。该地区属中温带干旱、半干旱大陆性季风气候，具有光资源丰富，太阳辐射强的特点，多年平均降雨量为200～400 mm，全年降雨量的60%～70%集中在7—9月，蒸发量为降雨量的6～16倍，旱季达7个月之久（10月至翌年5月），干旱、低温、大风是该区主要气候特点。栗钙土是主要地带性土壤，西部乌拉特中旗有少部分棕钙土分布，地表土广泛分布着疏松砂质、砂砾质沉积物。受气候条件的限制，原生植被主要是典型草原和荒漠草原，南部地区大部分被开垦，以旱作农业为主，主要种植小麦（Triticum aestivum）、莜麦（Avena chinensis）、马铃薯（Solanum tuberosum）、胡麻（Sesamum indicum）等[29]。

2 材料与方法

2.1 数据来源

为了研究2000—2015年阴山北麓农牧交错区土壤流失及土壤保持量的变化情况，选择2000年、2015年的30 m DEM、逐日降雨量、土壤属性、土地利用等6项数据作为研究材料，数据来源见表1。

2.2 InVEST模型及计算方法

InVEST模型以通用土壤流失方程（USLE）为基础，并加以改进，充分考虑植被不仅能够缓解土壤侵蚀，而且对上游泥沙具有一定拦截作用。模型原理及计算方法见式（1）～（4）。

计算基于地貌和气候条件的潜在土壤流失量：

采用USLE方程计算存在植被覆盖因子及实施水土保持措施条件下的实际土壤侵蚀量：

式中：RKLSx为栅格x的土壤潜在侵蚀量；USLEx为栅格x的土壤实际侵蚀量；Rx为降雨侵蚀力；Kx为土壤可蚀性因子；LSx为坡度-坡长因子；Cx为植被覆盖因子；Px为水土保持措施因子。

InVEST模型中土壤保持量有两部分：一是泥沙持留量，用上游来沙量与泥沙持留率乘积表示；二是因植被覆盖和水土保持措施而减少的土壤侵蚀量，以潜在与实际侵蚀差值表示。式中：SEDRx为栅格x的土壤持留量；SEx为栅格x的持留率；USLEy为进入栅格x的上游栅格y产生的泥沙量；SEz为上游栅格的泥沙持留率；SEDRETx为栅格x土壤保持量。

表1 数据需求与来源Table 1 Data requirements and sources

2.3 土壤侵蚀和保持影响因子

2.3.1 降雨侵蚀力

降雨侵蚀力作为土壤的水蚀动力，可以反映降雨条件对土壤剥离、搬移、冲刷能力的大小[30]，本研究选择章文波等[31]建立的日降雨侵蚀力简易算法模型，采用阴山北麓农牧交错区及其周边11个气象站点降雨量数据，分别计算2000年、2015年各站点降雨侵蚀力，经空间插值生成R图层（图1）。

图1 降雨侵蚀力Fig. 1 Rainfall erosivity

式中：Ri为第i个半月时段的侵蚀力值；k为该半月时段内的天数；Dj为半月时段内第j天的侵蚀性日雨量，要求日雨量大于等于12 mm，与侵蚀性降雨标准对应；ɑ、β为模型参数。

式中：Pd为日降雨量≥12 mm的日平均雨量；Py为日降雨量≥12 mm的年平均雨量。

2.3.2 土壤可蚀性因子

Wischmeier和Smith对土壤可蚀性因子K做了定义，并且Wischmeier等选用粉粒+极细砂粒含量、砂粒含量、有机质含量、结构和入渗5项土壤特性指标，通过分析其与土壤可蚀性因子K值之间的关系，进一步提出了土壤可蚀性K值估算公式[32]。

式中：M为美国粒径分级制中的粉粒与极细砂所占百分比之和与粘粒以外的土粒所占百分比之积，OM为土壤有机质含量，s为结构系数，p为渗透性等级。通过计算，得到土壤可蚀性K值栅格图层（图2）。

图2 土壤可蚀性Fig. 2 Soil erodibility

2.3.3 植被覆盖因子

植被具有水土保持功能，对水土流失起着决定性的作用，而植被盖度的大小直接影响着水土流失程度强弱，计算中植被覆盖因子为无量纲数，介于0～1[33]。鉴于C值与植被覆盖度之间具有良好的相关性，本研究采用蔡崇法等[34]建立的植被覆盖度与C值的关系来计算C值。计算方法为：

式中：fc为植被覆盖度（%）；C为植被覆盖和经营管理因子；NDVI为归一化植被指数；NDVImax、NDVImin分别为研究区域NDVI的最大值和最小值。

2.3.4 水土保持因子

水土保持措施因子指采取水保措施后，土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值，取值在0～1之间[33]。对其取值一般以这样规定：极值0代表无侵蚀地区，极值1表示未采取任何水保措施或有采取保持措施但见效不大的的地区[22]。水土保持措施减少水土流失量的程度取决于坡度和地表覆盖情况，坡度过陡（＞ 25%）或过缓（＜ 1%）水土保持措施的意义不大，这时候P取值为1，一般情况下，自然植被和坡耕地的P值为1，农耕梯地为0.3[35]。本研究依据阴山北麓地区地形及耕作习惯，结合土地利用图设定水域P值为0，耕地P值为0.3，林地、草地和其他土地利用类型未采取水土保持措施，因此取P值为1。

2.3.5 泥沙持留率

泥沙持留率表示每个像元持留土壤侵蚀物的能力，本研究采用InVEST模型数据库中各土地利用类型的泥沙持留率数据。

3 结果与分析

3.1 潜在土壤水力侵蚀与实际土壤水力侵蚀

运行模型计算得到2000年、2015年阴山北麓农牧交错区潜在土壤水力侵蚀量分别为9.37×107t和1.46×108t（图3，表2），实际土壤水力侵蚀量分别为6.31×107t和1.01×108t（图4，表2）。根据水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-2007）对实际土壤水力侵蚀进行侵蚀强度划分，全区以微度侵蚀和轻度侵蚀为主，2000年微度侵蚀（＜1000 t/(km2·a)）占83.31%，轻度侵蚀（1000～2500 t/(km2·a)）占 11.29%；2015 年微度侵蚀占71.57%，轻度侵蚀占18.50%。

潜在土壤侵蚀量对于认识侵蚀高危险区和制定侵蚀防止措施具有重要意义。从空间分布上来看，2000年多伦县、武川县、察哈尔右翼中旗单位面积潜在土壤水力侵蚀量较高，分别为27.19 、25.23 t/（hm2·a）和 24.52 t/（hm2·a），达尔罕茂名安联合旗、四子王旗、乌拉特中旗、商都县单位面积潜在土壤水力侵蚀量较低；2015年潜在土壤水力侵蚀量空间分布特征和2000年相似，所有旗县2015年单位面积潜在土壤水力侵蚀量较2000年都有所增加，察哈尔右翼中旗、武川县、多伦县单位面积潜在土壤水力侵蚀量较高，分别为46.49 、43.75 t/（hm2·a）和 32.20 t/（hm2·a），达尔罕茂名安联合旗、乌拉特中旗和四子王旗单位面积潜在土壤水力侵蚀量较低。2000年乌拉特中旗潜在土壤水力侵蚀量占潜在土壤水力侵蚀总量的18.27%，四子王旗占15.15%，武川县占11.74%，多伦县占10.55%；2015年四子王旗潜在土壤水力侵蚀量占潜在土壤水力侵蚀总量的18.09%，武川县占12.94%，察哈尔右翼中旗占12.55%，乌拉特中旗占11.53%。

图3 潜在土壤侵蚀强度Fig. 3 Potential soil erosion intensity

表2 阴山北麓农牧交错区土壤侵蚀量Table 2 Soil erosion in north piedmont of Yinshan Mountain Mt

图4 实际土壤侵蚀强度Fig. 4 Soil erosion intensity

和潜在土壤水力侵蚀量空间分布特征相似，2000年多伦县、武川县、察哈尔右翼中旗单位面积实际土壤水力侵蚀量较高，分别为17.62 t/（hm2·a）、17.36 t/（hm2·a）和 14.65 t/（hm2·a），达尔罕茂名安联合旗、商都县和四子王旗单位面积实际土壤水力侵蚀量较低；2015年武川县、察哈尔右翼中旗和多伦县单位面积实际土壤水力侵蚀量较高，分别为 31.92 t/（hm2·a）、29.05 t/（hm2·a）和21.52 t/（hm2·a），达尔罕茂名安联合旗、乌拉特中旗和商都县单位面积实际土壤水力侵蚀量较低。2000年乌拉特中旗实际土壤水力侵蚀量占全区实际土壤水力侵蚀总量的22.56%，四子王旗占15.88%，武川县占11.58%；2015年四子王旗实际土壤水力侵蚀量占全区实际土壤水力侵蚀总量的19.48%，乌拉特中旗占14.58%，武川县占13.12%。

研究区土壤水力侵蚀主要发生在草地和耕地上，2000年耕地潜在土壤水力侵蚀量和实际土壤水力侵蚀量分别为2.5×107t和5.6×106t；草地潜在土壤水力侵蚀量和实际土壤水力侵蚀量分别为6.28×107t和 5.27×107t；林地潜在土壤水力侵蚀量和实际土壤水力侵蚀量分别为2.16×106t和1.63×106t。2015年耕地潜在土壤水力侵蚀量和实际土壤水力侵蚀量分别为4.05×107t和1.03×107t；草地潜在土壤水力侵蚀量和实际土壤水力侵蚀量分别为9.35×107t和8.03×107t；林地潜在土壤水力侵蚀量和实际土壤水力侵蚀量分别为4.56×106t和3.49×106t。

3.2 土壤保持量

运行模型计算得到2000年阴山北麓农牧交错区土壤保持量为4.33×107t（表3）。其中武川县占17.04%，察哈尔右翼中旗占15.43%，四子王旗占14.01%，多伦县占11.52%，固阳县占11.45%，武川县和察哈尔右翼中旗单位面积土壤保持量较高，分别为 17.53 t/（hm2·a）和 17.39 t/（hm2·a）；2015年阴山北麓农牧交错区土壤保持量为6.45×107t（表3），其中察哈尔右翼中旗占18.22%，武川县占17.48%，四子王旗占15.43%，固阳县占11.33%，多伦县占8.54%，太仆寺旗占7.17%，察哈尔右翼中旗和武川县的单位面积土壤保持量较高，分别为 30.58 t/（hm2·a）和 26.77 t/（hm2·a）。

表3 阴山北麓农牧交错区土壤保持能力Table 3 Soil Conservation ability in north piedmont of Yinshan Mountain Mt

4 结论与讨论

4.1 讨论

阴山北麓地区是我国土壤侵蚀最严重的地区之一[36]，本研究计算结果显示，2000—2015年间阴山北麓农牧交错区水力侵蚀以微度侵蚀和中度侵蚀为主，从空间分布来看，多伦县、太仆寺旗、察哈尔右翼中旗、武川县潜在土壤水力侵蚀量和实际土壤水力侵蚀量较高，这主要是由于区域降水特征及土地利用方式造成的。阴山北麓农牧交错区地处半干旱偏旱气候区，年降水量200～400 mm，夏季降水占全年降水的60%以上，年降水量最南部可以达到400 mm，北部不足200 mm，多伦县、太仆寺旗、察哈尔右翼中旗和武川县位于阴山北麓的南端，且土地经营方式以农田为主，阵性降水对丘陵旱坡地可造成明显的水土流失，因此这些地区潜在土壤水力侵蚀量和实际土壤水力侵蚀量高于北部其他旗县。从时间序列来看，2015年潜在土壤水力侵蚀量、实际土壤水力侵蚀量较2000年都有大幅度增加，从降雨侵蚀力和土壤可蚀性的计算结果来看，2015年区域降雨侵蚀力显著高于2000年，土壤可蚀性的计算结果差异并不显著，因此可以认为2015年降雨侵蚀力的增加是导致土壤水力侵蚀量增加的主要自然因素。另外，土壤侵蚀强度除了与区域自然因素相关，土地经营方式的影响不容忽视，分析2000年、2015年研究区土地利用类型图可知，阴山北麓农牧交错区土地利用方式以旱地和草地为主，2000年旱地占18.00%，草地占68.04%；2015年旱地占17.44%，草地占66.26%。由2期土地利用转移矩阵可知，2000年至2015年间，耕地转化为林地的面积为118.19 km2，耕地转化为草地的面积为1736.12 km2，耕地转化为未利用地的面积为191.63 km2；草地转化为耕地的面积为2028.15 km2，草地转化为林地的面积为285.27 km2，草地转化为居民工矿用地的面积为235.16 km2，草地转化为未利用地的面积为1521.18 km2。由于耕地和草地所占比例较大，因此在整个区域土壤侵蚀加剧的过程中所起的作用较为明显，同时耕地数量的减少使农作物大幅度减产，当地居民为了生计不得不开荒或经营畜牧业，开荒或超载放牧造成草地的大面积退化，生态环境愈加恶化，严重制约社会经济的发展。水土流失导致贫困，而贫困又加剧水土流失，这也是干旱贫困地区社会经济和生态环境恶性循环的基本模式。由此可以认为，降雨分布的不均和土地经营方式是引起土壤水力侵蚀空间分布特征的主要制约因素，而不合理的农牧业活动是导致土壤侵蚀加剧的主要动因。

2000年、2015年全区土壤保持总量分别为4.33×107t和6.45×107t，武川县、察哈尔右翼中旗和固阳县的土壤保持量较高。2000年旱地土壤保持量为2.74×107t，林地土壤保持量为1.11×106t，草地土壤保持量为1.43×107t；2015年旱地土壤保持量为4.19×107t，林地土壤保持量为2.26×106t，草地土壤保持量为1.93×107t。而从土地利用类型变化来看2000年到2015年间旱地减少了532.92 km2，林地增加了356.61 km2，草地减少了1712.18 km2。由此看出，农牧业的发展和土壤保持量之间并不是呈负相关关系，在发展生产的同时，如果能够加大水土保持工程措施建设并合理地采用保护性耕作制度，完全可以实现生产发展与水土保持的双赢。

阴山北麓属于风力-水力复合侵蚀区，南部以水力侵蚀为主，兼有风力侵蚀；北部以风力侵蚀为主，兼有水力侵蚀。水力侵蚀主要发生在夏季，而风力侵蚀主要发生在冬春两季。风蚀和水蚀在空间上与时间上交错、叠加，造成表土大量流失。InVEST模型的土壤保持模块是以通用土壤流失方程（USLE）为基础并加以改进，通用土壤流失方程是水动力土壤侵蚀研究领域应用广泛的经验模型，因此本研究计算结果仅为基于降水、土壤性质、地形、植被覆盖和管理因子的水土流失，未将风力侵蚀计算在内，今后将深入研究该区域的复合侵蚀。另外，鉴于InVEST模型在该区域应用较少，各地类泥沙持留率数据取值于模型数据库，没有根据实际情况以及前人研究成果加以修正，因此计算结果可能存在一定误差，对于该模型的运用还应进一步完善。

4.2 结论

1）经计算，2000年、2015年阴山北麓农牧交错区土壤潜在水力侵蚀量分别为9.37×107t和1.46×108t，实际土壤水力侵蚀量分别为6.31×107t和1.01×108t，全区水力侵蚀以微度侵蚀和中度侵蚀为主。

2）从空间分布来看，南部多伦县、太仆寺旗、察哈尔右翼中旗、武川县潜在土壤水力侵蚀量和实际土壤水力侵蚀量较高，这和南部地区阵性降水量比北部地区大且土地经营方式以农耕地为主有直接关系。

3）从时间序列来看，2015年潜在土壤水力侵蚀量、实际土壤水力侵蚀量较2000年都有大幅度增加，鉴于2015年区域降雨侵蚀力显著高于2000年，土壤可蚀性的计算结果差异并不显著，因此可以认为2015年区域年降水量增加是导致土壤水力侵蚀量增加的主要因素。同时，不合理的农牧业活动是导致土壤侵蚀加剧的主要动因。

4）2000年和2015年全区土壤保持总量分别为4.33×107t和6.45×107t，武川县、察哈尔右翼中旗和固阳县的土壤保持量较高。