楊殊桐, 時 鵬, 李占斌,2, 李 鵬, 張 祎, 鐘少華

(1.西安理工大學(xué), 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710048;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

我國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家，黃土高原是我國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)[1]，也是我國水土保持和生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域。黃土高原植被稀少、土壤疏松、夏季多暴雨，嚴(yán)重的水土流失帶走了地表土壤，同時向黃河中下游輸送了大量泥沙，使河道整治和防洪工作愈加困難。而實(shí)施退耕還林工程是從保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā)，防止黃土高原地區(qū)水土流失，改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的有效途徑[2]。因此，20世紀(jì)80年代以后，國家先后開展了一系列生態(tài)工程，對土壤侵蝕控制、生態(tài)建設(shè)等均起到了良好作用[3]。

在我國退耕還林工程實(shí)施后，專家學(xué)者們對各個地區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了探索，并得出許多成果。張琨等[4]通過分析黃土高原典型區(qū)土地利用變化，對其各項生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行定量評估；李屹峰等[5]通過研究密云水庫流域土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響，得出研究期內(nèi)土壤保持功能和固碳服務(wù)分別增加了46%和19%；陳海鵬等[6]對云南小江流域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量進(jìn)行了評估；胡勝等[7]通過InVEST模型，研究無定河的源頭營盤山庫區(qū)的土壤保持能力及其空間格局特征；李天宏等[8]以延河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用RUSLE模型計算逐年土壤侵蝕量；包玉斌等[9]基于InVEST水源涵養(yǎng)功能評價模塊，定量評價陜北黃土高原退耕還林工程背景下土地利用/土地覆被變化對研究區(qū)水源涵養(yǎng)的影響；余新曉等[10]應(yīng)用InVEST模型評估了北京山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能。

但是，基于大理河流域土地利用變化進(jìn)行的生態(tài)服務(wù)功能研究還比較罕見，因此本文以黃土高原中部的大理河流域作為研究區(qū)。大理河是黃河支流無定河的最大支流，20世紀(jì)80年代初，大理河流域已被列為無定河重點(diǎn)治理區(qū)，其治理措施主要有造林、種草、修建梯田、淤地壩和水庫等水利水保措施，治理面積約667.8 km2，占流域總面積的17.1%。水土保持措施實(shí)施以后，流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況明顯改善，攔蓄了大量泥沙，減少了水土流失量。隨著退耕還林工程的進(jìn)一步實(shí)施，在大理河流域基于土地利用變化進(jìn)行生態(tài)服務(wù)功能綜合評價，對了解黃土高原地區(qū)生態(tài)服務(wù)功能的變化具有參考價值，為該區(qū)域未來科學(xué)地推進(jìn)退耕還林工作提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

大理河流域位于陜西省北部，榆林地區(qū)南部，地處東經(jīng)109°14′—110°13′，北緯37°30′—37°56′[11]。大理河發(fā)源于靖邊縣中部白于山東延的五臺山南側(cè)喬溝灣，東南流經(jīng)橫山縣、子洲縣、綏德縣，在綏德縣城東北部注入無定河，是無定河的最大支流，全長159.9 km，在行政區(qū)劃上涉及靖邊縣、安塞縣、子長縣、橫山縣、米脂縣、綏德縣、子洲縣7個縣，2010年末7個縣總?cè)丝?03.16萬人。流域總面積3 904.24 km2，占無定河流域總面積的12.9%，陜西省總面積的1.2%，主要有小理河、岔巴溝、駝耳巷溝、槐樹岔溝等11條支流。該流域?qū)儆谂瘻貛О敫珊档拇箨懶约撅L(fēng)氣候，植被較稀疏，氣候較干燥，年均降水量約420 mm。流域土壤類型以黃綿土、新積土為主，整體地勢西高東低，地形起伏較大，海拔高程796～1 744 m。

1.2 數(shù)據(jù)分析

1.2.1 土地利用數(shù)據(jù) 本研究土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)分1980年、1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年7期，研究區(qū)土地利用/土地覆被情況，由大理河流域遙感影像資料進(jìn)行解譯分析而來，各期影像資料空間分辨率均為30 m×30 m。

1.2.2 碳儲量 InVEST碳儲量服務(wù)功能評價包括4個方面碳儲量。計算公式如下[9]：

Cstored=Cabove+Cbelow+Cdead+Csoil

(1)

式中：Cstored為流域總碳儲量(t/hm2)；Cabove為地上物質(zhì)碳儲量(t/hm2)；Cbelow為地下物質(zhì)碳儲量(t/hm2)；Cdead為凋落物碳儲量(t/hm2)；Csoil為土壤碳儲量(t/hm2)。

InVEST碳儲存模型所需數(shù)據(jù)包括土地利用/土地覆被類型圖，以及研究區(qū)4個部分碳密度值。計算4個部分碳儲量參數(shù)(表1)根據(jù)《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》轉(zhuǎn)化計算獲得。

表1 不同土地利用類型碳儲量參數(shù) t/hm2

1.2.3 土壤保持 InVEST模型中土壤保持評估方法對傳統(tǒng)的土壤流失方程進(jìn)行了改進(jìn)，能夠?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)中的土壤保持量和土壤侵蝕量進(jìn)行量化，本論文首先計算土壤潛在侵蝕量，具體計算公式如下[12]：

RKLS=R×K×L×S

(2)

式中：RKLS表示土壤潛在侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為坡長坡度因子。

然后，根據(jù)土壤流失方程(USLE)計算得出研究區(qū)土壤實(shí)際侵蝕量計算公式如下：

USLE=R×K×L×S×C×P

(3)

式中：USLE表示土壤實(shí)際侵蝕量；C為覆蓋與管理因子；P為土壤保持措施因子。

土壤保持量即是由土壤潛在侵蝕量(RKLS)減去土壤實(shí)際侵蝕量(USLE)得到。

本研究降雨侵蝕力因子通過流域內(nèi)各水文站點(diǎn)獲得的降雨數(shù)據(jù)，利用降雨侵蝕力數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計算，結(jié)果通過克里金插值法獲得；土壤可蝕性數(shù)據(jù)通過流域內(nèi)土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量計算獲得；植被覆蓋與管理因子[13]由植被利用覆蓋度計算得到；管理措施因子從文獻(xiàn)[14]中查得。

表2 不同土地利用類型C值

表3 不同土地利用類型P值

1.2.4 水源涵養(yǎng) InVEST水源涵養(yǎng)模型通過水循環(huán)原理，利用降雨、地面蒸發(fā)、植物蒸騰等參數(shù)經(jīng)過模型計算獲得產(chǎn)水量，再用地形指數(shù)、土壤飽和導(dǎo)水率和流速系數(shù)等進(jìn)行修正得到水源涵養(yǎng)量[9]：

(4)

式中：R為水源涵養(yǎng)量(mm)；V為流速系數(shù)；T為地形指數(shù)，無量綱；K為土壤飽和導(dǎo)水率(cm/d)；Y為產(chǎn)水量。降雨量數(shù)據(jù)由大理河流域及其周邊57個水文站各年平均降雨量利用克里金插值法獲得；潛在蒸散量[15-16]通過陜西省各縣各年的潛在蒸散量數(shù)據(jù)獲得研究區(qū)的年均蒸散量空間分布數(shù)據(jù)；植物可利用含水率[17]通過土壤質(zhì)地計算獲得；最大根系深度[18-19]根據(jù)植被覆蓋類型查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 大理河流域土地利用時空演變

2.1.1 土地利用/土地覆被數(shù)量變化分析 研究區(qū)

耕地所占面積比重最大(約53%)，草地和林地次之，水域和建設(shè)用地面積很小，其中耕地與草地面積之和占總面積的90%以上(表4)。1980—2010年，林地與建設(shè)用地面積均有不同程度的增加，其中林地面積增加31.52 km2，增幅最大；建設(shè)用地增加約0.65 km2。耕地、草地以及水域面積有不同程度的減少，耕地減少2.49 km2；草地減少約27 km2；水域約減少2.36 km2。在1995—2000年和2005—2010年，出現(xiàn)了兩次耕地面積略有增加的現(xiàn)象，是由于研究區(qū)水土流失十分嚴(yán)重，為了攔截泥沙、保持水土，自20世紀(jì)80年代以來，黃土高原地區(qū)建造了大量淤地壩，用以淤地造田、增產(chǎn)糧食、加快當(dāng)?shù)厝罕娒撠氈赂籟20]。分析以上數(shù)據(jù)變化，得出大理河流域30年來退耕還林頗有成果，耕地面積略有下降，林地面積有所增加。

2.1.2 土地利用/土地覆被空間轉(zhuǎn)移變化分析 土地利用/植被覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣是在系統(tǒng)分析中對于系統(tǒng)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移的定量描述，有助于研究者們了解各類型土地的去向[12]，便于分析研究期間各類型土地面積的相互轉(zhuǎn)化情況。

表4 大理河流域各年土地利用情況

表5為研究區(qū)土地利用/土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣，1980—2010年大理河流域土地利用類型的轉(zhuǎn)變顯著，除了水域和建設(shè)用地之間從沒有相互轉(zhuǎn)化外，各個土地利用類型之間都有不同程度的相互轉(zhuǎn)移變化。林地面積增加最為明顯，且基本都來源于耕地和草地；有19.01 km2的耕地轉(zhuǎn)移為林地，31.49 km2的草地轉(zhuǎn)移為林地，0.23 km2的水域轉(zhuǎn)移為林地，轉(zhuǎn)移變化的結(jié)果是林地面積大幅度增加，共約31.52 km2，退耕還林工作效果顯著。同時，有0.51 km2的水域轉(zhuǎn)移為耕地，有2.69 km2的水域轉(zhuǎn)移為草地，0.66 km2的耕地轉(zhuǎn)移成為了建設(shè)用地，水域和建設(shè)用地所占面積比例較小，且30年間水域和建設(shè)用地之間從沒有相互轉(zhuǎn)化，這也比較符合現(xiàn)實(shí)情況。

表5 研究區(qū)1980-2010年土地利用/土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.2 大理河流域碳儲量功能評估

運(yùn)行InVEST碳儲存模型，并將其輸出結(jié)果通過空間統(tǒng)計工具對各類土地利用/土地覆被類型碳儲存量進(jìn)行分析(表6)。結(jié)果顯示，研究區(qū)的碳儲存量呈穩(wěn)定增長趨勢。

研究期內(nèi)，研究區(qū)碳儲存量值略有增加，2010年總碳儲量值比1980年增加2萬t，林地面積不到全流域的7%，碳儲量值從1980年的25.68萬t增長到2010年的29.11萬t，占整個流域碳儲存量的14%～19%，體現(xiàn)了林地對于生態(tài)系統(tǒng)固碳的重要意義。而草地的碳儲量略有減少，約為1.4萬t，主要由于草地面積略有減少；耕地、水域和建設(shè)用地建設(shè)用地的碳儲存量變化并不明顯。碳儲存能力從大到小分別為林地、草地、耕地。

InVEST碳儲存模型不僅能夠得出各土地利用/土地覆被類型的碳儲存量，同時也輸出了研究區(qū)各年的碳儲存量的空間分布情況(圖1)。將碳儲存量的空間分布情況與土地利用/土地覆被類型進(jìn)行對比，可以看出固碳量較大的區(qū)域與林地基本相吻合，水域和建設(shè)用地基本沒有固碳量。林地各年的碳儲存量均十分可觀，遠(yuǎn)大于其他土地利用類型，草地與耕地次之。

表6 研究區(qū)各土地利用類型碳儲存量

2.3 大理河流域土壤保持功能評估

表7為研究區(qū)各土地利用類型土壤保持量情況，研究期內(nèi)，不同土地利用/土地覆被類型的土壤保持量不同，其中林地各年土壤保持量約占整個流域土壤保持量的50%～60%，體現(xiàn)了林地對于生態(tài)系統(tǒng)土壤保持的重要意義；此外，草地在研究期內(nèi)的土壤保持量增加明顯；耕地在研究期內(nèi)各年的土壤保持能力明顯低于林地和草地。土壤保持量的增加，說明了土壤侵蝕流失量的減少，即水土流失情況得到有效治理。表現(xiàn)了退耕還林工作的實(shí)施對研究區(qū)生態(tài)建設(shè)起到了積極推進(jìn)作用。

大理河流域各年土壤保持量的空間分布情況(圖2)。分析研究區(qū)各年土壤保持量分布圖，可以看出，土壤保持量的分布十分不均勻，不僅與土地利用類型相關(guān)，還有一定的地域性因素，并且與當(dāng)年降雨侵蝕力等因素有關(guān)。從圖2中可以看出，1980年流域下游的土壤保持量明顯高于上游，1985年流域土壤保持量較為均衡，1990年橫山縣西北部的土壤保持密度在整個流域內(nèi)最大，1995年流域下游的土壤保持量整體高于流域上游，2000年流域土壤保持量的分布較為雜亂，2005年流域上游的土壤保持量又整體高于流域下游區(qū)域，2010年流域中部的土壤保持量較小。與此同時，林地的土壤保持量遠(yuǎn)高于其他土地利用類型。

表7 研究區(qū)各土地利用類型土壤保持量

2.4 大理河流域水源涵養(yǎng)時空變化

表8為研究區(qū)各土地利用類型水源涵養(yǎng)量情況，可以看出，研究期內(nèi)不同土地利用/土地覆被類型的水源涵養(yǎng)量各不相同，且除建設(shè)用地外均有不同程度的減少趨勢。在林地面積整體增加的情況下，研究區(qū)水源涵養(yǎng)總量略有減小，說明了退耕還林工程在恢復(fù)研究區(qū)植被的同時，增加了其地面蒸散量，使得水源涵養(yǎng)量減少。

表8 研究區(qū)各土地利用類型水源涵養(yǎng)量

圖3為大理河流域各年水源涵養(yǎng)量的空間分布情況。分析可得，水源涵養(yǎng)量的分布取決于許多因素，不僅與土地利用類型、地域性等因素有關(guān)，還取決于當(dāng)年降雨量、蒸散量等因素。

從圖3中可以看出，1980年流域下游的水源涵養(yǎng)量略高于流域上游，而1985年流域的水源涵養(yǎng)量整體較為均衡，1990年橫山縣西北部的水源涵養(yǎng)深度在整個流域內(nèi)最大，與流域土壤保持情況相一致，1995年流域下游的水源涵養(yǎng)量整體高于流域上游，2000年整個流域的水源涵養(yǎng)量較為均衡，2005年流域上游的水源涵養(yǎng)量又整體高于流域下游區(qū)域，2010年橫山縣的水源涵養(yǎng)深度在整個流域內(nèi)最小，可以明顯得出，研究區(qū)水源涵養(yǎng)量與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系。

圖1研究區(qū)碳儲存變化格局空間分布

圖2 研究區(qū)土壤保持變化格局空間分布

圖3 研究區(qū)水源涵養(yǎng)變化格局空間分布

3 討 論

隨著退耕還林政策的實(shí)施，大理河流域的土地利用情況發(fā)生了顯著改變，林地與建設(shè)用地面積增加，耕地、草地以及水域面積減少。1980—2010年，有19.01 km2的耕地轉(zhuǎn)移為林地，31.49 km2的草地轉(zhuǎn)移為林地，且整體上林地面積還是有不斷增加的趨勢，說明了退耕還林工程有效地促進(jìn)了研究區(qū)的生態(tài)恢復(fù)。

研究區(qū)土地利用情況的改變，直接導(dǎo)致了其各項生態(tài)服務(wù)功能的變化。碳儲存功能的增強(qiáng)對于減少大氣的中CO2濃度，延緩全球變暖具有重要意義[21]，本研究中林地面積的大幅增加促使研究區(qū)的固碳量得到提升，與范建忠等[22]的研究結(jié)果一致。土壤保持量的提升直接表明水土流失情況得到有效治理，與亢偉[23]的研究結(jié)果一致。同時由于林地蒸散量大，流域內(nèi)水資源供給跟隨林地面積的增加而略有減少[5]，即水源涵養(yǎng)量略有減少，這Su等[24]、包玉斌[9]的研究結(jié)果近似。

綜合來說，流域內(nèi)林地面積的增加使流域生態(tài)得到了改善，但產(chǎn)水量的減少也不能忽視，因此，在未來推進(jìn)退耕還林工作時應(yīng)做好各個生態(tài)服務(wù)功能指標(biāo)之間的權(quán)衡[25]以及人類發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡[26-27]，同時選擇合適的樹種對合適的區(qū)域進(jìn)行改造，盡可能減小退耕還林工程對個別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)造成的損失。由于本研究中僅涉及3個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指標(biāo)，結(jié)果會具有一定程度的局限性。但依然可以體現(xiàn)出土地利用的轉(zhuǎn)變是各項生態(tài)服務(wù)變化的驅(qū)動因素，有助于為研究區(qū)土地利用科學(xué)管理決策提供參考。在日后的進(jìn)一步研究中，應(yīng)增加更多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行綜合評估，使研究結(jié)果更加科學(xué)合理，貼近實(shí)際。

4 結(jié) 論

(1) 1980—2010年，研究區(qū)土地利用/土地覆被情況變化顯著，其中林地和建設(shè)用地面積分別增加了31.52 km2，0.65 km2，耕地、草地和水域的面積分別減少了2.49 km2，27.32 km2，2.36 km2；

(2) 研究區(qū)30年間碳儲量值略有增加，2010年總碳儲量值比1980年增加2萬t，林地的碳儲量增加最為明顯，30年間增加了約有4萬t，固碳效果顯著；不同土地利用類型碳儲存能力從大到小的排序分別為林地>草地>耕地。

(3) 研究區(qū)30年間土壤保持量整體上以增加為主，林地面積不到全流域的7%，其各年土壤保持量大約占整個流域的50%～60%，體現(xiàn)了林地對于生態(tài)系統(tǒng)土壤保持的重要意義；耕地土壤保持能力明顯低于林地和草地。

(4) 研究區(qū)30年間水源涵養(yǎng)量略有減少，不同土地利用/土地覆被類型的水源涵養(yǎng)量各有不同，且與當(dāng)年降雨量關(guān)系密切。