基于RUSLE模型的山西省生态系统土壤保持功能重要性评估

宁 婷, 郭新亚, 荣月静, 杜世勋, 李 超

(1.山西省生态环境研究中心, 山西 太原 030009; 2.北京山海础石信息技术有限公司, 北京 100012)

土壤保持是生态系统(如森林、草地等)通过其结构与过程减少由于水蚀所导致的土壤侵蚀的作用，是生态系统提供的重要调节服务之一[1]。土壤保持功能重要性评估是指针对典型区域生态系统，分析区域土壤保持功能分异规律，明确土壤保持功能的重要区域[2]，可为确定生态保护关键区、开展土壤保持功能区划、划定土壤保持功能保护红线等提供科学依据。通常以土壤保持量，即潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值，作为生态系统土壤保持功能的评估指标。其中，土壤侵蚀量多采用通用水土流失方程(universal soil and water loss equation， USLE)和修正通用水土流失方程(modified universal soil and water loss equation， RUSLE)进行计算。USLE和RUSLE是美国农业部开发的预报坡地年均土壤流失量的经验模型，随着GIS和RS技术的发展，现已广泛应用于流域、区域尺度土壤流失预测，适用性与准确性均较强[3-4]。国内学者们在黄土高原[5]、青海湖[6]、三江源[7]、三峡库区[8]等区域(流域)，贵州省[9]、辽宁省[10]等省份以及一些重点生态功能区[1]均开展过生态系统土壤保持功能评估工作，揭示了所在地区土壤保持功能重要性及其时空动态变化，但针对山西省域的相关研究目前还较少，也缺乏对该省土壤保持影响因素的系统分析。山西省地处黄河中游，华北西部的黄土高原地带，担负着维护黄河中游生态状况和保障环京津地区生态安全的任务，生态地位十分重要。但境内80%以上的面积为山地、丘陵区，沟壑纵横，山高坡陡，水流湍急，破坏力强，加之大多数地区为黄土覆盖区，土质疏松，极易流失，致使山西成为全国水土流失最为严重的省份之一。严重的水土流失和脆弱的生态环境，始终是制约山西经济社会发展的重要因素，也是山区贫困的根源所在。

当前，全国各地正全面开展“三线一单”(生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线和环境准入负面清单)编制和国土空间规划工作。生态功能重要性评估是划定生态保护红线和生态空间的前提，而土壤保持功能保护红线是山西省生态保护红线的重要组成。为此，本文基于RUSLE模型开展了山西省土壤保持服务功能重要性评估，并对评估分级标准问题进行了一定探讨，以期为生态保护红线划定及国土空间规划提供参考。

1 研究区概况

山西省位于黄河中游东岸，华北平原以西的黄土高原，地理位置为34°31′—40°44′N和110°15′—114°32′E之间，面积1.57×105km2。地形地貌以山地、丘陵为主，海拔大都在1 000 m以上。境内河流较多，主要包括汾河、沁河、涑水河、桑干河、滹沱河、漳河等，大部分河流为季节性河流。气候属温带半湿润半干旱大陆性季风气候，基本特点为冬季较长且寒冷干燥，夏季炎热雨水集中，春季气候多变，风沙较多；秋季短暂，气温差较大。年降水量360～660 mm，自西北向东南递增。年均气温在4～14 ℃之间。植被类型以落叶阔叶林、干旱草原和次生落叶灌丛为主，森林覆盖率20.50%。土壤类型主要是褐土、栗钙土和粗骨土。山西省水土流失面积达1.08×105km2，占国土总面积近70%，共有76个县地处国家级水土流失重点治理区。近年来，以晋北风沙区、吕梁山水土流失严重区和汾河流域为重点，山西大力开展集中连片水保生态建设，成效明显。截至2018年9月底，山西省共治理水土流失面积6.67×104km2，水土流失治理度达到61.8%，水土流失蔓延局面得到有效控制，生态系统土壤保持功能逐年增强。

2 数据与方法

2.1 评估模型

采用《生态保护红线划定指南》[11]推荐的基于修正通用水土流失方程(RUSLE)的土壤保持服务模型开展评价，计算公式为：

Ap=R·K·L·S

Ar=R·K·L·S·C·P

Ac=Ap-Ar=R·K·L·S·(1-C·P)

式中：Ac——土壤保持强度〔t/(hm2·a)〕；Ap——潜在土壤侵蚀量〔t/(hm2·a)〕；Ar——实际土壤侵蚀量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蚀力因子〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕；K——土壤可蚀性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕 ；L，S——地形因子；L——坡长因子；S——坡度因子；C——植被覆盖因子；P——土壤保持因子。山西省生态类用地占近70%，生态系统以自然生态系统为主，本次评估中P因子统一赋值为1。

2.2 数据来源

根据评估模型，土壤保持功能重要性评估所需数据包括高程数据、气象数据和土壤数据等，其来源和获取方法详见表1。

表1 土壤保持功能重要性评估数据

2.3 评估因子计算方法

(1) 降雨侵蚀力因子(R)指降雨引发土壤侵蚀的潜在能力，通过多年平均年降雨侵蚀力因子反映，计算公式为：

α=21.586β-7.189 1

式中：Pd12——日降雨量≥12 mm的日平均雨量(mm)；Py12——日降雨量≥12 mm的年侵蚀性雨量(mm)。

(2) 土壤可蚀性因子(K)指土壤颗粒被水力分离和搬运的难易程度，主要与土壤质地、有机质含量、土体结构、渗透性等土壤理化性质有关，计算公式为：

K=(-0.013 83+0.515 75KEPIC)×0.131 7

KEPIC={0.2+0.3exp〔-0.025 6ms(1-msilt/100)〕}×〔msilt/(mc+msilt)〕0.3×{1-0.25Corg/〔Corg+exp

(3.72-2.95Corg)〕}×{1-0.7(1-ms/100)/{(1-ms/100)+exp〔-5.51+22.9(1-ms/100)〕}}

式中：KEPIC——修正前的土壤可蚀性因子；K——修正后的土壤可蚀性因子；mc，msilt，ms，Corg——黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)和有机碳的百分比含量(%)，数据来源于中国1∶100万土壤数据库。

(3) 地形因子(LS)L表示坡长因子，S表示坡度因子，是反映地形对土壤侵蚀影响的两个因子。对于较大尺度的区域研究，坡度、坡长等地形因子难以计算准确，因此本次评估采用地形起伏度因子(D)，即地面一定距离范围内的最大高差，来反映地形因素对土壤侵蚀的影响。邻域计算单元取3×3。

(4) 植被覆盖因子(C)反映了生态系统对土壤侵蚀的影响，是控制土壤侵蚀的积极因素。基于NDVI的大尺度植被覆盖因子估算方法可有效反映C值的时空变异。湿地、城镇和荒漠参照N-SPECT模型(non-point source pollution and erosion comparison tool)的参数分别赋值为0，0.01，0.7。N-SPECT模型是由美国NOAA海岸带服务中心于2004年开发的用于水文—水环境模拟的半分布式集总模型，子模块也是基于RUSLE对土壤侵蚀量进行模拟。旱地按植被覆盖度换算，计算公式为：

C旱=0.221-0.595lgc1

式中：C旱——旱地的植被覆盖因子；c1——小数形式的植被覆盖度。

其余生态系统类型按不同植被覆盖度进行赋值，如表2所示。植被覆盖度由归一化植被指数转换得来，计算公式为：

c1=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中：c1——植被覆盖度；NDVIveg——完全植被覆盖地表所贡献的信息，NDVIsoil——无植被覆盖地表所贡献的信息。NDVI数据来自山西省生态环境十年(2000—2010年)变化遥感调查与评估成果。

将R因子采用考虑高程的协同克里金法、其他3个因子采用克里金法进行空间内插，并重采样为250 m分辨率的栅格。在ArcGIS 10.3栅格计算器中，根据模型计算生态系统土壤保持量。

表2 山西省不同生态系统植被覆盖因子赋值

3 结果与分析

3.1 评估因子空间分布特征

(1) 降雨侵蚀力因子(R)。降雨是导致土壤侵蚀的主要动力因素[12]。山西省降水分布的不均匀性，形成了降水引发水土流失的能力差异。降雨侵蚀力取值范围在663.05～2 810.32 (MJ·mm)/(hm2·h·a)之间，平均为1 628.71 (MJ·mm)/(hm2·h·a)。山西省侵蚀性降雨量的空间分布规律与年降雨量空间分布呈现一致性，整体呈现从东南向西北递减趋势。晋东南地区年降雨量丰富，其降雨侵蚀力远大于西北地区。此外，山地地区R值整体较高。

(2) 土壤可蚀性因子(K)。土壤可蚀性是土壤自身性质对外营力、气候等综合作用所反映出的复杂土壤特性[12]，物理意义为标准小区单位降雨侵蚀力引起的单位面积上的土壤侵蚀量。其强弱主要取决于土壤机械组成和团聚体含量。一般来说，土壤中黏粒含量越高，土壤抵抗侵蚀的能力越强，K值越小；粉粒含量越高，越易发生侵蚀，K值越大。团聚体含量则与土壤可蚀性成反比。山西省除大同、忻州、太原、临汾、运城、长治等六大盆地K值相对较低，其他区域K值均较高。

(3) 地形起伏度因子(D)。地形因子是构成水土流失的动力条件，影响降雨和外营力再分配，改变地表物质的分离、搬运和堆积的过程与速度，决定着地表径流对水土流失的能量分配。山西地处黄土高原地区，地势起伏不平，空间差异明显，河流和谷地横穿而过，地势东西高，中间低，山地和丘陵等中小起伏地形占多数。本次评估中，山西省地形起伏度在0～284 m之间。

(4) 植被覆盖因子(C)。植被覆盖是控制土壤侵蚀的积极因素。RUSLE模型中只有植被分布是受自然因素和人类活动共同作用的产物，其他因子纯粹是由自然力所控制。C因子取值范围为0～1，C值越大说明所对应土地利用类型的土壤侵蚀越严重[13]。C的大小不仅与植被覆盖度直接相关，与生态系统类型也有密切的关系。对于相同的植被覆盖度，C因子赋值规律大致表现为：森林<灌丛<草地<园地。山西省平均C值为0.16，植被覆盖情况总体一般。晋西、晋北和六大盆地地区自然植被覆盖度较低，C值较高，林、灌生态系统分布的广大山地地区C值则较低。

山西省土壤保持功能评估因子制备结果如图1所示。各评估因子中，以地形因子和植被覆盖因子对水土流失最为敏感，相差2～3个数量级，对RUSLE模型整体有效性的作用最为显著，这与前人研究结论一致[14]。

图1 山西省生态系统土壤保持功能评估因子空间分布

3.2 土壤保持强度Ac及其空间分布特征

山西省生态系统土壤保持强度Ac取值范围在0～10 645.9 t/(hm2·a)之间，绝大多数地区在20～1 500 t/(hm2·a)之间，平均约为416.10 t/(hm2·a)(图2)。山西省土壤保持总量约为6.52×109t/a。土壤保持强度整体表现为“西北低、东南高，盆地低，山区和丘陵高”的空间分布特征。太行山、吕梁山两大山脉Ac值普遍较高，六大盆地和晋西北地区则较低。这是降水、土壤、地形、植被等共同作用的结果，其中又以地形因子和植被覆盖因子为主导。

图2 山西省生态系统土壤保持强度Ac空间分布

3.3 土壤保持功能重要性分级

对土壤保持功能重要性进行分级，核心工作是明确分级标准，得到分界点。将山西省土壤保持强度值按从高到低的顺序排列，得到累加土壤保持量占山西省生态系统土壤保持量比例，记为P1，对应的土壤保持功能极重要区占国土面积的比例记为P2。统计结果显示，当P1=1%时，P2约为0.13%，这表示排序以后Ac数值最高的0.13%的区域就可以维持全省1%的土壤保持量。当P1分别取5%，10%，15%，…，90%，95%和100%时，P1与P2之间的变化关系如图3所示。由图3可知，二者之间呈指数函数关系，可用方程P2=0.021 6e3.939 7P1表示，相关系数达到0.933 5。

《生态保护红线划定指南》建议将土壤保持能力值按从高到低的顺序排列后，用累加土壤保持量占生态系统土壤保持量比例的50%和80%对应的栅格值，作为土壤保持功能评估分级的分界值。考虑到山西省水土流失现状与生态保护需求，依据图3中面积比例关系，本研究将该标准提高至55%和85%，以624和292 t/(hm2·a)为分界值，将山西省生态系统土壤保持功能重要性分为3级，分级结果如图4所示。

图3 土壤保持比例(P1)与国土面积比例(P2)的变化

图4 山西省生态系统土壤保持功能重要性分级

山西省土壤保持功能极重要区、重要区、一般重要区对应面积为3.62×104km2，4.44×104km2和7.61×104km2，分别占山西省国土面积的23.10%，28.33%和48.57%。其中，极重要区主要分布在太行山、吕梁山、恒山、五台山、太岳山、中条山等组成的“多”字形山地地区。这些山区山高坡陡，植被类型多样，覆盖度高，在保持土壤方面发挥了重要作用。晋西黄土丘陵沟壑区黄土堆积深厚，地表切割破碎[15]，水土流失严重，是国家级重点生态功能区，生态系统土壤保持功能也极为重要。重要区则主要分布在上述极重要区周边，以晋西黄土丘陵沟壑区和中南部低山地区分布相对广泛。晋北地区和其他盆地、平原地区为土壤保持功能一般重要区。

4 讨论与结论

本文基于RUSLE模型的土壤保持功能评估结果与山西省实地相符，以地形因子、植被因子对模型的整体有效性作用最为显著。山西省生态系统土壤保持强度平均为416.10 t/(hm2·a)，土壤保持总量为6.52×109t/a。土壤保持强度在空间上呈现“西北低、东南高和盆地低、丘陵和山地高”的分布格局。

土壤保持功能重要性的分级必须结合当地水土流失问题的严重程度和生态保护需求情况。将土壤保持强度值按从高到低的顺序排列，用累加土壤保持量占山西省生态系统土壤保持量比例的55%和85%对应的栅格值作为评估分级的分界值，将山西省生态系统土壤保持功能重要性分为极重要、重要和一般重要3级，分别占山西省国土面积的23.10%，28.33%和48.57%。其中，极重要区主要分布在太行山、吕梁山、恒山、五台山、太岳山、中条山等组成的“多”字形山地地区，在晋西黄土丘陵沟壑区也有一定分布。这与《山西省主体功能区规划》、《山西省生态功能区划》中土壤保持生态功能区范围基本一致。对上述区域的良好保护能确保山西省1/2以上的生态系统土壤保持功能得到保育。