水土保持弹性景观功能模型及应用

2020-12-30杨硕果刘江侠吴卿

人民黄河 2020年12期

杨硕果刘江侠吴卿

摘要：为了给水电工程建设水土保持弹性景观功能研究提供案例，运用景观生态学静态研究思想和中性模型建模方法，以土壤流失量、生态保护指标、净第一性生产力为参数，构建了水土保持弹性景观功能模型，用其计算的水土保持弹性景观功能ET值阈限为0～5，ET值越大表明土壤侵蚀越轻微、生态环境越优良、生态生产功能越强。以出山店水库大坝以上至92 m水位库区尾水上游第一条流域面积大于100 km2的支流为研究区进行实例计算，结果表明研究区水土保持弹性景观功能ET最大值、最小值、现状值分别为4.162、2.505、3.994，均超过ET值阈限平均值2.5，说明研究区水土流失相对轻微、生态环境良好、生态生产功能较强，但仍须进一步防治水土流失、保护生态环境。

关键词：水土保持;弹性景观功能;模型;出山店水库

中图分类号：S157.2;TV62 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.015

Abstract： In order to provide a case for the study of soil and water conservation elastic landscape function in the construction of hydro power projects， the idea of landscape ecology and neutral modeling method were used， taking soil loss， ecological protection index and net primary productivity as parameters， the elastic landscape function model of soil and water conservation was constructed. The ET threshold of soil and water conservation elastic landscape function was 0-5. The larger ET value indicated the smaller soil erosion， the better ecological environment and the stronger ecological production function. Taking the first tributary of the upper reaches of the tailwater in the upper reaches of the reservoir area above the dam to 92 m of the Chushandian Reservoir as an example， the results show that the maximum， the minimum and present values ET elastic landscape function in the study area are 4.162，2.505 and 3.994 respectively，which all exceeding the threshold average of ET 2.5， indicating that the soil and water loss in the study area is relatively slight， the ecological environment is good and the ecological production function is strong， however， further control of soil and water loss and protection of ecological environment are still needed.

Key words： soil and water conservation; elastic landscape function; model; Chushandian Reservoir

水利水电工程开发建设对推动社会经济发展、优化能源结构、应对全球氣候变化等方面具有重要作用，但对生态环境的影响具有两面性。秦佳伟[1]研究了中小型水库建设对周边生态环境的影响，认为其在合理配置区域水资源的同时也会造成水土流失与生态系统失衡等;徐琳瑜等[2]在确定水库生态补偿标准和水库生态服务功能价值的基础上，分析了厦门市莲花水库生态补偿额度。在对河流生态环境影响以及应采取对策方面，贾建辉等[3]系统论述了水利水电工程建设对河流生态环境影响的研究进展，认为当前研究以大中型水利水电工程、局部尺度、宏观定性研究为主，而对小型水利水电工程、河流流域尺度的定量研究较少;周科等[4]从地域文化、水生态系统、景观规划等方面，提出自然生态和人文历史相结合的河南登封隐士湖水库景观规划设计方法;谢祥财等[5]基于水土保持与景观营建相结合的方法，对安徽茨淮新河水利风景区规划方法进行了研究;刘志强等[6]对水库景观功能开发利用的社会、生态、经济意义进行了分析;胡向红等[7]认为可充分利用水库水工建筑物与自然环境，创造优美水库工程环境和视觉景观;李书娟等[8]系统分析了景观空间动态模型研究现状，认为未来景观空间动态模型研究的重点是模型算法的优化、尺度转换、检验与评价等。

防治人为水土流失与保护生态环境是水电工程建设需要重视的两个方面。水土保持与景观功能两者之间关系密切，关于水电工程生态景观方面的研究较多，而关于水土保持弹性景观功能的研究则鲜见报道。笔者以河南省出山店水库为研究对象，构建基于防治水土流失、改善生态、生态生产功能目标的水土保持弹性景观功能模型，进行水土保持弹性景观功能阈值计算，以期为研究区水土流失综合治理与生态保护提供技术支撑、为水电工程建设水土保持弹性景观功能研究提供案例。

1 研究区概况

出山店水库是淮河干流上的一座以防洪为主的大（1）型水利枢纽工程，控制流域面积2 900 km2，总库容12.51亿m3。研究区为该水库大坝以上至92 m水位库区尾水上游第一条流域面积大于100 km2的支流，面积为958.09 km2。以小流域（面积大于5 km2）或小流域片（面积小于5 km2的几条小流域连片）为单元，将研究区划分为33个水土保持弹性景观单元（其中：水库92 m水位对应库区作为1个单元，称为库区;库区左岸上游小流域及小流域片称为左岸，共15个单元;库区右岸上游小流域及小流域片称为右岸，共17个单元）。研究区地貌类型主要为低山、丘陵、岗地和河谷，属北亚热带湿润型气候区，年降水量800～1 200 mm，多年平均气温15.0 ℃，土壤类型主要有水稻土和黄棕壤，植被以落叶针阔叶林为主、常绿针阔叶林与落叶针阔叶林并存，区域生态系统主要有森林、灌丛、草地、农田、河流、村镇等，土壤侵蚀以水力侵蚀为主，轻度及以上土壤侵蚀面积占总面积的11.49%。

2 水土保持弹性景观功能模型

2.1 模型的理论基础

景观生态学静态研究思想主要是针对特定的景观结构以及一定景观结构控制下的景观功能开展研究，在景观结构特定状态详细说明的基础上，揭示景观生态功能与景观格局之间的相关关系，引用描述胶体与玻璃类物质物理特性的渗透理论中的临界阈限，确定景观生态过程及功能的临界阈值（其对于合理规划和管理景观具有重要作用）。中性模型是以渗透理论为基础构建的模型，在景观生态过程与景观功能研究中广泛应用，建模时通过对经验数据的分析，推测某一种景观格局可能是某种过程控制的结果，是一种不包含地形变化、历史干扰、空间聚集性、其他生态学过程与影响的模型。本文运用景观生态学静态研究思想和中性模型建模方法，构建水土保持弹性景观功能模型。

2.2 模型的构建

土壤侵蚀是水土流失发生发展及其产生危害的基础。水土流失导致地形破碎、土层变薄、养分流失、生产力下降，植被退化、功能降低、涵养水源能力下降，进而使生态环境恶化、自然植被净第一性生产力下降。土壤侵蚀是水土保持景观格局的重要制约因素，参考中国土壤流失方程CSLE[9]、《美丽中国建设评估指标体系及实施方案》[10]、自然植被净第一性生产力模型[11]，以耕地、林地、草地、水域为水土保持弹性景观要素，以水土保持弹性景观单元土壤流失量SW、生态保护指标EP、净第一性生产力NPP为参数，建立如下水土保持弹性景观功能模型：

式中：ET为水土保持弹性景观功能，阈限为0～5，其值越大表明土壤侵蚀越轻微、生态环境越优良、生态生产功能越强，其值越小说明土壤侵蚀越严重、生态环境越恶劣、生态生产功能越弱;SWij为第i个水土保持弹性景观单元第j类弹性景观要素的土壤流失量，t/a;EPih为第i个水土保持弹性景观单元第h个生态保护指标值;NPPij为第i个水土保持弹性景观单元第j类弹性景观要素的净第一性生产力，kg/（hm2·a）;n为水土保持弹性景观单元数，本研究n=33;m为水土保持彈性景观要素数，本研究m=4;k为生态保护功能指标数，本研究k=5。

式中：FCi为第i个水土保持弹性景观单元林草覆盖率，%;WLi为第i个水土保持弹性景观单元水域保护率，即弹性景观单元内受保护的水域面积占水域总面积的百分数，%;WSi为第i个水土保持弹性景观单元水土保持率，即弹性景观单元内水土保持措施面积占总面积的百分数，%;NRi为第i个水土保持弹性景观单元自然保护地占总土地面积的比例，即弹性景观单元内自然保护地面积占陆域面积的百分数，%;BSi为第i个水土保持弹性景观单元重点生物保护率，即弹性景观单元内重点保护的物种数占应重点保护物种总数的百分数，%。

2.3 模型有关数据

2.3.1 基础数据

（1）土地利用数据。采用分辨率为30 m的Landsat TM、Landsat OLI卫星遥感影像数据和分辨率为2 m的夏态时相GF-2卫星遥感影像数据，利用ERDAS IMAGE和ARCGIS软件，通过人机交互解译和野外调查验证，获取研究区2000年、2005年、2010年、2015年、2018年耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地面积等数据。

（2）地形特征数据。利用全要素地形图和GF-2卫星遥感影像数据，采用3S技术获得研究区1∶5万DEM数据，依据DEM数据获取自然流域（沟道）、水土保持弹性景观单元的地形特征基础数据。

（3）土壤侵蚀数据。利用高分辨率卫星遥感影像解译资料、DEM数据等，基于ArcGIS技术，获得土壤流失方程CSLE中各土壤侵蚀因子数据。

（4）生物量数据。通过现场样方调查获得不同水土保持弹性景观要素生物量数据。

（5）景观要素数据。以小流域或小流域片为单元，把研究区划分为33个水土保持弹性景观单元。基于3S技术，获得耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地景观要素图斑16 686个，见表1。

2.3.2 模型指标数据

研究区的有关模型数据取值范围如下。

（1）防治水土流失指标。年降雨侵蚀力因子R，3 915.5～5 510.21 MJ·mm/（hm2·h·a）;土壤可蚀性因子K，0～0.006 9 t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）;地形因子LS，0～31.566 2;植被覆盖因子B，耕地取1、林地草地取0.01、水域取0.001、建设用地取0.01～0.025、未利用地取1;水土保持工程措施因子E，取值为1;耕作措施因子T，耕地取0.372，其他地类取1。

（2）改善生态指标。林草覆盖率FC，36.21%;水域保护率WL，100%;水土保持率SW，88.51%;自然保护地面积比例NR，0;重点生物保护率BS，0。

（3）生态生产指标。年降水量，800～1 200 mm;多年平均年降水量，1 000 mm;多年平均气温，15.0 ℃;自然植被净第一性生产力，8 360～11 090 kg/（hm2·a），耕地、林地、草地、水域水土保持弹性景观要素净第一性生产力分别为6 140、12 510、5 200、4 000 kg/（hm2·a）。

2.4 水土保持弹性景观功能计算结果

利用式（1）～式（8）对研究区水土保持弹性景观功能ET进行计算，结果见表2。

出山店水库库区左岸水土保持弹性景观功能ET最大值、最小值、现状值分别為4.040、2.053、3.722，右岸水土保持弹性景观功能ET最大值、最小值、现状值分别为4.166、2.384、 4.047，说明右岸土壤侵蚀程度轻于左岸、生态状况优于左岸。研究区整体范围的水土保持弹性景观功能ET最大值、最小值、现状值分别为4.162、2.505、3.994，均超过ET值阈限平均值2.5，说明研究区水土流失相对轻微、生态环境良好、生态生产功能较强，但仍须进一步防治水土流失、保护生态环境。

3 结语

运用景观生态学静态研究思想和中性模型建模方法，以土壤流失量与改善生态指标和净第一性生产力为参数，构建了水土保持弹性景观功能模型。用其计算的水土保持弹性景观功能ET值阈限为0～5，ET值越大表明土壤侵蚀越轻微、生态环境越优良、生态生产功能越强。对出山店水库区域进行实例计算，结果表明研究区水土保持弹性景观功能ET最大值、最小值、现状值分别为4.162、2.505、3.994，均超过ET值阈限平均值2.5，说明研究区水土流失相对轻微、生态环境良好、生态生产功能较强，但仍须进一步防治水土流失、保护生态环境。

土壤侵蚀、改善生态、生态生产均是复杂的系统，影响因素众多，水土保持弹性景观功能模型3个参数的确定均与多个定量化、定性化、半定量半定性化的因子有关，因此对于模型指标选择及计算方法还需进一步深入研究。

参考文献：

[1] 秦佳伟.中小型水库工程生态环境效益的研究[J].建材与装饰，2017（10）：279-280.

[2] 徐琳瑜，杨志峰，帅磊，等.基于生态服务功能价值的水库工程生态补偿研究[J].中国人口·资源与环境，2006，16（4）：125-128.

[3] 贾建辉，陈建耀，龙晓君.水电开发对河流生态环境影响及对策的研究进展[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2019，40（2）：62-69.

[4] 周科，周振民.河南登封隐士湖水库景观规划设计[J].中国农村水利水电，2011（9）：27-29.

[5] 谢祥财，王忠静，徐枫，等.基于水土保持与景观营建相结合的水利风景区规划方法探讨：以安徽茨淮新河为例[J].中国农村水利水电，2011（4）：69-70.

[6] 刘志强，洪亘伟.水库保护与综合利用的景观规划对策研究[J].四川建筑科学研究，2009（2）：234-237.

[7] 胡向红，刘正刚.利用水库资源创建生态景观[J].中国水利，2003（4）：76-77.

[8] 李书娟，曾辉，夏洁，等.景观空间动态模型研究现状和应重点解决的问题[J].应用生态学报，2004，15（4）：701-706.

[9] 刘宝元，毕小刚，符素华，等.北京土壤流失方程[M].北京：科学出版社，2010：7-13.

[10] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.美丽中国建设评估指标体系及实施方案：发改环资〔2020〕296号[Z].北京：国家发展和改革委员会，2020：2-4.