鄭雪慧, 楊 志, 任正龑, 魏小燕, 程金花

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院, 北京 100083; 2.寧夏水土保持監(jiān)測總站, 銀川 750021)

土壤侵蝕導致區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化與生態(tài)平衡失調，嚴重阻礙社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，一直是全球普遍關注的環(huán)境問題[1-2]。近年來，隨著“3S”技術的發(fā)展，使突破徑流小區(qū)[3]、坡面[4]尺度開展更大尺度的土壤侵蝕評價研究成為熱點，基于USLE，RUSLE[5]、CSLE等[6]土壤侵蝕經驗模型的土壤侵蝕敏感性評價應用廣泛。

土壤侵蝕敏感性評價是以土壤侵蝕方程為基礎來識別自然條件下容易形成土壤侵蝕的區(qū)域[7]。國外學者Terranova[8]，Nekhay[9]等借助GIS和RS技術和通用土壤侵蝕方程分別在地中海區(qū)域和西班牙山區(qū)開展土壤侵蝕定量評價研究；國內學者龔雪梅[10]、楊青林[11]、張恩偉[7]等也分別在岷江上游、川西北地區(qū)、滇池流域開展土壤侵蝕敏感性的研究。另一方面，隨著景觀生態(tài)學[12]發(fā)展，景觀格局指數逐漸應用到土壤侵蝕的研究中。景觀生態(tài)風險[13]是根據土地利用的空間格局探究人類社會因素所造成的生態(tài)環(huán)境風險。高艷麗等[1]在漢江流域開展景觀格局變化對土壤侵蝕影響的研究；王計平等[14]在黃土丘陵區(qū)開展景觀格局對土壤侵蝕過程影響的研究，發(fā)現流域景觀格局和土壤侵蝕過程特征存在明顯空間分異和相對差異；劉希朝等[15]基于土地利用數據構建黃河流域生態(tài)風險評價模型，探究景觀格局變化下的生態(tài)風險變化趨勢。土壤侵蝕是過程，土地利用空間分布為格局，格局決定過程，同時過程也會促進格局的改變[16]。目前，對于土壤侵蝕敏感性和景觀生態(tài)風險的研究大多是獨立展開的，無法識別自然和社會綜合因素下的土壤侵蝕風險。因此，將兩者結合構建土壤侵蝕和景觀綜合生態(tài)風險評價體系，開展區(qū)域土壤侵蝕及其景觀生態(tài)風險研究，不僅能夠綜合反映自然與人為相互作用下對生態(tài)環(huán)境產生的不利影響，而且能夠為區(qū)域精準化識別土壤侵蝕的敏感區(qū)和進行高質量的綜合治理提供理論支撐。

寧夏全境位于黃河流域，是我國西北的綠色屏障，承擔著維護西北乃至全國生態(tài)安全的重要使命。據《2019寧夏回族自治區(qū)水土保持公報》顯示，目前寧夏仍有土壤侵蝕面積1.59×104km2，占國土面積的23.93%。為了探究寧夏全區(qū)潛在土壤侵蝕區(qū)域的空間差異，識別土壤侵蝕敏感性區(qū)域，在寧夏開展土壤侵蝕敏感性和景觀生態(tài)風險的綜合研究，實現對寧夏全區(qū)土壤侵蝕情況的基礎摸排，為推進流域精準治理提供科學支撐。同時，為寧夏水土保持規(guī)劃、水土保持措施布設提供參考依據，對寧夏實現黃河流域生態(tài)保護與高質量發(fā)展先行區(qū)的目標有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)總面積6.64×104km2，地處黃河上游及沙漠與黃土高原的交接地帶，東、西、北三面被毛烏素、騰格里、烏蘭布和三大沙漠包圍，是我國西北重要的生態(tài)屏障區(qū)。地理位置介于35°14′—39°23′N，104°17′—107°39′E，地勢從西南向東北逐漸傾斜，平均海拔1 000 m以上。地貌復雜，山地迭起，盆地錯落，大體可分為：黃土高原，鄂爾多斯臺地，洪積沖積平原和六盤山、羅山、賀蘭山南北中三段山地。屬溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年均氣溫為6～10℃，年均降水量南多北少，大都集中在夏季，年降雨量在300 mm左右，蒸發(fā)量卻在1 000 mm以上。除黃河干流過境外，還有清水河、苦水河、葫蘆河、涇河、祖厲河等主要河流。土壤類型主要為灰漠土、灌淤土、綿土、灰褐土、栗鈣土等。全區(qū)草原綜合植被蓋度為53.5%，森林覆蓋率為15.2%。土地利用以草地、耕地為主，兩者合計面積占比為69.7%[17]。

1.2 數據來源

氣象數據源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)下載的中國地面累年值日值數據集；土壤質地數據來源于中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)；DEM數據(Digital elevation model，數字高程數據)為地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)提供的30 m分辨率原始高程數據；寧夏行政區(qū)劃、土地利用、植被覆蓋等基礎數據由寧夏水土保持監(jiān)測總站提供。其中，土地利用數據解譯所需的遙感影像時間為2019年，空間分辨率30 m；植被覆蓋度所需的遙感影像數據為2019年MODIS歸一化植被指數(NDVI)產品，時間分辨率為每半月1期，共24期，空間分辨率為30 m。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤侵蝕敏感性評價 基于RUSLE通用土壤流失方程中降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形起伏度和植被覆蓋度因子構建土壤侵蝕敏感性評價方程[18](公式1)，經柵格計算獲得評價結果。

(1)

式中:SSi為土壤侵蝕敏感性指數；Ri為降雨侵蝕力；Ki為土壤質地因子；LSi為地形起伏度；Ci為植被覆蓋度。各評價因子的獲取方法以及具體分級標準[19]見表1—2。

表1 土壤侵蝕敏感性評價因子獲取方法

表2 土壤侵蝕敏感性評價因子分級標準

1.3.2 景觀生態(tài)風險評價 景觀格局的變化是決定土壤侵蝕程度的關鍵因素[15]，診斷寧夏景觀格局及生態(tài)風險對促進黃河流域高質量發(fā)展具有重要意義。景觀生態(tài)風險由外部的擾動強度和內部的脆弱性來衡量，景觀生態(tài)風險評價包括景觀格局指數選取、生態(tài)風險小區(qū)劃分、生態(tài)風險評價模型構建3個過程。首先，在參照相關景觀生態(tài)風險評價研究[23-24]和綜合考慮寧夏實際情況及各景觀格局指數的生態(tài)學意義的基礎上，選取景觀破碎度(Ci)、景觀分離度(Ni)、景觀分維數(FDi)、景觀干擾度(Si)、景觀脆弱度(Fi)、景觀損失度(Ri)共6種景觀格局指數。各景觀指數的數值可由預處理后的土地利用數據經Fragstats 4.2軟件計算獲得，具體計算公式和參數含義見表3。其次，在充分考慮寧夏景觀空間異質性、斑塊大小和面積的基礎上，利用ArcGIS 10.2軟件數據管理模塊下的Create Fishnet功能，將研究區(qū)劃分為10 km×10 km的網格單元，共劃分風險小區(qū)617個。最終，根據景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數構建評價模型，計算得到各小區(qū)景觀生態(tài)風險指數ERIk(公式2)，并采用ArcGIS 10.2的Geostatistical Analyst模塊下Kriging插值對小區(qū)樣點的風險值進行球狀擬合，獲得研究區(qū)的景觀生態(tài)風險指數。

表3 景觀格局指數計算方法

(2)

式中:ERIk為評價單元k的生態(tài)風險指數;n為景觀類型的數量;Aki為景觀生態(tài)風險評價單元k中第i類景觀的面積(km2);Ak為景觀生態(tài)風險評價單元k的面積(km2);Ri為景觀損失度指數。

1.3.3 土壤侵蝕景觀綜合生態(tài)風險評價 基于土壤侵蝕敏感性和景觀生態(tài)風險評價結果構建區(qū)域綜合生態(tài)風險評價模型(SERI)，即土壤侵蝕敏感性指數與景觀損失度指數的關系特征函數式(公式3)[18]。運用ArcGIS 10.2中柵格計算器計算，并采用自然分界法劃分為5個風險等級，獲得寧夏綜合生態(tài)風險評價結果。

SERI=SSi·ERIk

(3)

式中:SERI為土壤侵蝕的景觀生態(tài)風險值；SSi和ERIk同上。

2 結果與分析

2.1 寧夏風險評價結果的空間分布

總的來說，寧夏土壤侵蝕敏感性等級以無敏感和輕度敏感為主，二者共計面積占比在60%以上；中度及以上敏感區(qū)隨敏感性等級升高面積占比減小。其中，無敏感區(qū)面積19 555 km2，面積占比為29.45%；輕度敏感區(qū)面積20 817.88 km2，面積占比為31.35%；中度敏感區(qū)面積13 371.70 km2，面積占比為20.14%；高度敏感區(qū)面積8 163.35 km2，面積占比為12.29%；極敏感區(qū)面積4 492.07 km2，面積占比為6.77%。此外，從空間格局上看(圖1A)，高度、極敏感區(qū)主要分布在寧夏南部山區(qū)；中度敏感區(qū)分布相對分散，主要分布在鹽池、海原、沙坡頭以及大武口區(qū)等地；無敏感和輕度敏感區(qū)則主要分布在中部干旱帶和北部的引黃灌區(qū)。

由圖1B可知，寧夏景觀生態(tài)風險評價空間差異顯著，較低風險區(qū)面積占比最高，達28.10%，主要分布在中部的鹽池、利通等地；中等風險區(qū)面積占比次之，為25.42%，主要分布在北部平羅周邊、中部中寧海原等地；較高風險區(qū)面積占比第三，為21.22%，分布在原州、同心以及金鳳區(qū)周圍；高風險和低風險面積占比較小且接近，分別為12.64%，12.62%，其中低風險區(qū)在大武口、靈武、沙坡頭西北部等地，高風險區(qū)則主要集中在彭陽、西吉。

整體看來(圖1C)，土壤侵蝕與景觀生態(tài)風險綜合評價分區(qū)面積由高到低依次為：較低風險區(qū)、低風險區(qū)、中等風險區(qū)、較高風險區(qū)、高風險區(qū)，依次為22 280.94，23 217.2，9 979.05，7 681.28，3 241.53 km2。其中，高風險區(qū)面積占比不足5%，集中分布在西吉、彭陽、隆德部分地區(qū)；較高風險區(qū)面積占比為11.57%，分布在南部山區(qū)及鹽池最南部；中等風險區(qū)面積占比15.03%，主要分布在海原、同心等地；低、較低風險分布范圍廣泛，共計占比為68.52%。

圖1 土壤侵蝕敏感、景觀生態(tài)風險評價、綜合生態(tài)風險評價空間分布

2.2 寧夏風險評價結果的空間差異

從縣域尺度上看，土壤侵蝕敏感性等級在各縣(區(qū))分布差異較大(圖2)。無敏感區(qū)所占面積的比重大于60%的地區(qū)有金鳳區(qū)、興慶區(qū)、利通區(qū)、紅寺堡區(qū)，面積占比依次為69.41%，62.78%，62.61%，61.30%；輕度敏感區(qū)面積占比最大的前5名依次為：鹽池縣、惠農區(qū)、靈武市、青銅峽市、永寧縣，面積占比均在40%以上；中度敏感區(qū)面積占比前5名為大武口區(qū)、彭陽縣、西吉縣、海原縣、原州區(qū)；高度敏感區(qū)面積占比前5名為原州區(qū)、西吉縣、海原縣、彭陽縣、涇源縣；存在極敏感區(qū)的縣(區(qū))有隆德縣、涇源縣、彭陽縣、原州區(qū)、西吉縣、海原縣、同心縣，其面積占比依次為70.93%，48.21%，26.69%，21.57%，19.67%，6.34%，1.28%。

圖2 寧夏各縣(區(qū))土壤侵蝕敏感性等級分布

從圖3各縣(區(qū))景觀生態(tài)風險評價結果看，高風險區(qū)僅存在于西吉縣、彭陽縣、原州區(qū)、隆德縣、鹽池縣、海原縣地區(qū)，其中，西吉縣面積占比為88.39%，彭陽縣面積占比為79.94%；較高風險區(qū)面積占比前5名為金鳳區(qū)、原州區(qū)、興慶區(qū)、賀蘭縣、永寧縣，面積比重均達到50%，其中，金鳳區(qū)較高風險區(qū)面積比重為96.89%；中等風險區(qū)面積占比前5名為平羅縣、西夏區(qū)、中寧縣、永寧縣、海原縣；低、較低風險區(qū)面積共計所占比重大于70%的地區(qū)有大武口區(qū)、涇源縣、靈武市、利通縣、青銅峽市、沙坡頭區(qū)，占比依次為92.48%，80.13%，78.24%，77.81%，75.32%，70.75%。

圖3 寧夏各縣(區(qū))景觀生態(tài)風險評價等級分布

從圖4綜合評價結果來看，高風險區(qū)僅存在于西吉縣、隆德縣、彭陽縣、原州區(qū)、海原縣和鹽池縣，面積占比依次為36.19%，27.10%，25.98%，12.31%，1.82%，0.72%。較高風險區(qū)面積占比大于40%的地區(qū)有原州區(qū)、隆德縣、西吉縣。高、較高風險區(qū)共計面積占比達60%以上的有西吉縣、隆德縣、彭陽縣、原州區(qū)，占比依次為76.68%，74.78%，63.89%，60.65%。中等風險區(qū)面積占比前3名為涇源縣、海原縣、彭陽縣，面積占比分別為45.35%，42.38%，35.48%。低、較低風險區(qū)面積占比達90%的地區(qū)有大武口區(qū)、利通區(qū)、青銅峽市、靈武市、惠農區(qū)、平羅縣、西夏區(qū)、沙坡頭區(qū)、中寧縣、紅寺堡寺區(qū)、永寧縣、興慶區(qū)、金鳳區(qū)。其中，利通區(qū)和大武口區(qū)低、較低風險區(qū)面積共計占比為100%，無更高風險等級；西吉縣、彭陽縣、隆德縣、原州區(qū)則無低風險區(qū)，土壤侵蝕與景觀綜合生態(tài)風險較大。

圖4 寧夏各縣(區(qū))土壤侵蝕與景觀綜合生態(tài)風險評價等級分布

2.3 土壤侵蝕景觀綜合生態(tài)風險與土地利用的關系

在耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地6個一級地類中，寧夏土地利用類型面積最大的為草地，面積為26 834.99 km2，面積占比為40.41%；面積第二大的是耕地，面積為19 447.55 km2，占比為29.29%；其次為林地，面積為11 843.59 km2，占比為17.84%；建設用地、水域、未利用土地面積共計占比為12.46%，面積依次為5 081.64，1 926.43，1 265.78 km2。

將2019年土地利用空間分布圖和綜合生態(tài)風險評價結果進行空間疊置分析，獲得研究區(qū)不同土地利用類型的綜合生態(tài)風險程度信息(圖5)。由圖5可知，不同土地利用類型土壤侵蝕與景觀的綜合生態(tài)風險面積占比差異較大。耕地、草地、建設用地中各風險區(qū)隨等級升高面積占比減小，并且主要以低、較低風險為主，面積占比在50%以上。林地和水域這兩種土地利用類型中除較低風險區(qū)面積占比最大外也符合上述規(guī)律，但是未利用土地與之相反，其面積占比最大的風險區(qū)為高風險區(qū)，占比達63.16%。

圖5 寧夏不同土地利用類型的綜合生態(tài)風險分布

3 討 論

由人為干擾引起的土地利用變化往往造成嚴重的土壤侵蝕，分析不同土地利用類型與土壤侵蝕的關系意義重大[10]。對寧夏而言，未利用土地地區(qū)土壤侵蝕綜合評價的風險等級更高，這與何君等[25]認為未利用地的土壤侵蝕敏感性最強結論一致。而鄒琴英等[12]的研究則認為土壤侵蝕主要發(fā)生在耕地、有林地、草地，這與不同研究區(qū)內各類土地利用類型的面積占比有關，耕地、林地、草地在研究區(qū)內面積占比大，發(fā)生土壤侵蝕的絕對面積大，但是對同一土地利用來說，耕地、林地、草地中未發(fā)生土壤侵蝕的面積更大。

前人的研究往往通過比較單因子與綜合因子敏感性評價結果，來確定土壤侵蝕的主要的影響因子，但土壤侵蝕是個復雜的過程，不同地區(qū)差異顯著。例如，張恩偉等[7]在云南滇池流域和莫建飛等[26]在廣西巖溶區(qū)的研究中都認為降雨侵蝕力因子是影響土壤侵蝕敏感性的最關鍵因子；而冉濤等[27]在北方生態(tài)脆弱區(qū)的研究中則認為土壤侵蝕力因子的敏感性被充分識別，降雨侵蝕力因子受站點數量和空間分布的影響作用被削弱。根據研究區(qū)自身特點建立不同的評價模型，成為今后研究趨勢，莫建飛等[26]在研究中增加石漠化等級變化為影響因子構建了巖溶區(qū)水土流失敏感性評價模型。楊青林等[11]對川西北地區(qū)的土壤侵蝕敏感性評價研究時增加了溝壑密度為評價因子。結合寧夏干旱多風的特點增加“風”這一影響因子進行評價發(fā)現，增加風力因子后，無敏感、輕度、中度等級區(qū)面積分別減少1 661.87，2 115.83，388.72 km2，高、極高敏感區(qū)面積增加2 508.77，1 657.65 km2。目前的研究水力侵蝕與風力侵蝕是分開計算的，沒有考慮水力侵蝕、風力侵蝕同時發(fā)生時的交互作用。寧夏存在大面積的水風蝕交錯區(qū)，在今后研究中應對比總結風水交錯的交互關系，同時增加研究的時間尺度，從而獲得更加精準的結果，為水土流失的綜合防治提供理論支撐。

4 結 論

(1) 從數值上看，在寧夏土壤侵蝕與景觀生態(tài)風險綜合評價中，高風險區(qū)面積占比不足5%，較高風險區(qū)面積占比為11.57%，中等風險區(qū)面積占比15.03%，低、較低風險分布范圍廣泛，共計占比為68.52%。

(2) 從空間分布上看，高風險區(qū)集中分布在西吉、彭陽、隆德部分地區(qū)；較高風險區(qū)分布在南部山區(qū)及鹽池最南部；中等風險區(qū)主要分布在海原、同心等地，較低等級以下風險區(qū)在各縣(區(qū))均有分布。

(3) 在不同的土地利用類型中，各風險等級占比不同。耕地、草地、建設用地中低風險區(qū)面積占比最大，林地、水域中較低風險區(qū)占比最大，未利用土地中高風險區(qū)占比最大。