基于RWEQ模型的内蒙古高原土壤风蚀研究

迟文峰 ，白文科，刘正佳，党晓宏，匡文慧*

中国北方生态系统退化严重，水土流失、沙漠化等生态系统问题突出，威胁着国家生态安全。在生态环境问题日趋严重的情况下，中国政府于1998年后陆续启动了一系列旨在保护环境，遏制生态持续退化的三北防护林、退牧还草、退耕还林还草等重大工程。随着联合国千年生态系统评估计划（MA）和一系列生态评估工作在全球范围的广泛开展（Capistrano et al.，2005），生态系统服务功能已成为重大生态工程评估的理论依据和重要指标（Feng et al.，2016；傅伯杰等，2017）。生态系统服务研究是当前国际生态学领域研究的前沿课题（傅伯杰等，2017），而土壤风蚀作为中国北方生态系统土壤保持服务功能的研究内容之一，既是气候变化的响应者，同时也对生态环境产生反馈作用，是生态环境监测、生态风险、生态脆弱评价的重要指标（Fu et al.，2013；江凌等，2016）。因此，揭示内蒙古高原土壤风蚀时空演变特征及其归因就显得尤为重要和迫切。

中国北方气候呈暖干趋势，土地利用活动主要以土地开垦、草地连续高强度放牧为特征，伴随而来的是土壤侵蚀加剧、草地退化、土地沙化、沙地活化，土壤保持服务功能逐年下降；但随着生态恢复工程及人类干预活动等影响，地表植被覆盖度有所提高，生态环境质量有了明显改善。已有研究指出，过去30年中国北方地区土地利用、覆被变化（LUCC）及植被覆盖变化显著，土壤风蚀已得到了有效缓解（Liu et al.，2008；刘纪远等，2014）。通过数据模型反演、地面观测实验与数据挖掘，开展区域大尺度、长时间序列的土壤风蚀变化监测，快速获取中国北方生态系统土壤保持服务功能变化的相关知识，及时提出国土开发和气候变化适应性的宏观策略对国家生态环境可持续发展具有重要的战略意义（Herrick et al.，2012；Jin et al.，2013；Feng et al.，2016；Wang et al.，2016）。

内蒙古高原作为中国北方生态屏障的重要组成地理单元，是中国生态环境和生态系统较为脆弱的敏感带（林长存等，2016），受脆弱的自然环境、人类不合理的土地利用活动等因素的综合影响，表现出了土地沙化、荒漠化及土壤风蚀等一系列严重的生态环境问题（汪芳甜等，2015）。中国1/3面积的沙漠和沙地分布于内蒙古高原（肖洪浪等，1999；董光荣等，1999），大面积的沙源和高频发的大风使内蒙古高原土壤风蚀过程加剧。土壤风蚀是干旱与半干旱地区广泛存在的严重环境问题之一（Buschiazzo et al.，2008），内蒙古高原表现最为突出（江凌等，2016）。土壤风蚀导致的土地沙漠化和土地退化导致土壤的生产力降低，削弱了土壤保持服务功能（Callot et al.，2000；Pimentel et al.，1998），严重威胁区域经济发展、粮食安全和人类福祉（Luca，2015）。基于此，利用长时间序列土壤风蚀模数数据集，分析20世纪90年代以来内蒙古高原土壤风蚀变化格局的异同，揭示1990—2015年内蒙古高原土壤风蚀变化的主要特征及影响因素，了解区域生态环境变化特征，评价生态工程成效，对促进地区生态文明建设和区域可持续发展具有重要的科学意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古高原位于中国北部，是中国的第二大高原，东起大兴安岭和苏克斜鲁山，西至马鬃山，南界祁连山麓和长城，北接蒙古人民共和国，介于北纬 36º16′～52º99′，东经 92º68′～125º83′。研究区面积约1.25×106km²，共涉及133个县域。结合生态系统宏观结构（刘纪远等，2014）、水土保持区划（赵岩等，2013）、气候区划（郑景云等，2010）、生态区划（谢高地等，2012）、地貌区划（李炳元等，2013）等将本研究区划分为东部（图1a）、中部（图1b）、西部区域（图1c）。研究区平均海拔约1000 m，属于干旱与半干旱气候；以草地生态系统和荒漠生态系统为主体，分别占土地面积的 40.34%和30.24%。

1.2 模型方法与数据

1.2.1 RWEQ 模型及防风固沙功能物质量估算方法

防风固沙服务功能是指在地表无植被（裸土）状况下的土壤风蚀量与植被覆盖条件下的土壤风蚀量的差值，是内蒙古高原土壤保持服务功能的重要表现形式（巩国丽等，2014；江凌等，2016）。土壤风蚀是特定空间区位上多因素共同作用的结果，主要包括气候因素（风、风向、降水、积雪、湿度等），植被（植被类型、植被覆盖），土壤性状（理化性状等），土地利用、覆盖结构，地形与地貌等要素交互作用，是大气（气流）与土壤界面相互作用机制的连续动力学过程。本研究采用RWEQ（Revised Wind Erosion Equation）模型（Fryrear et al.，1994；Fryrear et al.，2000），融合内蒙古高原多源数据估算生态系统潜在风蚀SQ和实际土壤风蚀量SL，以两者之差G代表防风固沙服务功能的变化量。在充分考虑不同时间尺度下气候条件、植被、土壤特性、粗糙度等要素的状况下，结合地面验证数据，RWEQ模型可较好地定量评估土壤侵蚀模数，模型基本形式（郭中领，2012；巩国丽等，2014；江凌等，2016；Oro et al.，2016）为：

图1 研究区概况及气象站点分布Fig. 1 Study area and the distribution of meteorological station

式中，G 为防风固沙量(t·hm-2·a-1)；SQ为潜在风蚀量(t·hm-2·a-1)；SL为实际土壤风蚀量(t·hm-2·a-1)；Qmax_Q为潜在转运量(kg·m-1)；S为关键地块长度（m）（Fryrear et al.，2000；Gong et al.，2014；江凌等，2016）；z为下风向最大风蚀出现距离（m）（Gong et al.，2014；江凌等，2015）；WF为气候因子(kg·m-1)；EF为土壤可蚀性因子；SCF为土壤结皮因子；K′地表粗糙度因子；COG植被因子（生长植被、枯萎植被、农作物及其他植被残茬）。

（1）气象因子WF，即风速、温度、降水、雪盖因子等多气象因子对土壤风蚀综合作用（Bilbro et al.，1994），公式如下：

式中，WF为气象因子（kg·m-1）；U2为2 m处风速（m·s-1）；Ut为 t m处风速（m·s-1），假定为 5 m·s-1）（Gong et al.，2014）；ρ为空气密度（kg·m-3）；EL为海拔高度（km）；T为绝对温度（K）；N和 Nd分别代表风速和实验的天数；SW为土壤湿度因子（无量纲）；ETp为潜在相对蒸发量（mm）（Samani et al.，1986）；R 为降雨量（mm）；I为灌溉量（mm）；Rd为降雨或灌溉天数；Nd2为各月风速大于5 m·s-1天数；SR为太阳辐射总量(cal·cm-2)（Allen et al.，1998）；DT 为平均温度（℃）；SD为雪盖因子；Hsnow为雪覆盖深度（mm）。

气象因子数据通过中国气象科学数据共享服务网获取，要素包括日均降水、气温、日照数、风速（http://cdc.cma.gov.cn/home.do）等，采用ANUSPLIN软件对长时间序列进行插值处理；雪盖因子利用中国西部环境与生态科学数据中心（http://westdc.westgis.ac.cn）下载的中国雪深长时间序列数据集来计算。

（2）土壤可蚀性因子（EF）是土壤理化、机械组成等因素下作用土壤风蚀（Skidmore et al.，1990），公式如下：

式中，EF为土壤可蚀性因子（无量纲）；Sa为土壤粗砂含量（%）；Si为土壤粉砂含量（%）；Cl为土壤粘粒含量（%）；OM为有机质含量（%）；CaCO3为碳酸钙含量（%）。土壤类型、有机质含量、砂粒和粘粒含量数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心（http://westdc.westgis.ac.cn）提供的 1꞉100万土壤图及所附土壤属性（Wei et al.，2012）；CaCO3来自于地球系统科学数据共享服务网（http://www.geodata.cn）的1꞉400万土壤碳酸钙含量数据。

（3）土壤结皮因子SCF表征土壤表层的坚硬结皮有效抵抗风蚀能力的大小（Hagen et al.，1992），公式如下：

式中，CL为土壤粘粒含量（%）；OM为有机质含量（%）。

（4）植被因子COG表示一定植被覆盖条件下对土壤风蚀的抑制程度（Bilbro et al.，1994），公式如下：

式中，SC为植被覆盖度（%）。

植被因子主要根据土地利用、覆盖数据和NDVI数据综合处理获取，NDVI数据来源于美国国家航空航天局网站（NASA: https://ecocast.arc.nasa.gov）。

（5）地表粗糙度因子K′是由地形引起的土地表面粗糙程度对土壤风蚀的影响（Bilbro et al.，1994），公式如下：

式中，Crr为随机粗糙度因子（cm）；Kr为地形粗糙度因子（cm）；L为地势起伏参数；ΔH为离L范围内的海拔高程差（m）。

1.2.2 土地利用、覆盖数据及参数修正

本研究土地利用、覆盖数据来源于中国科学院应用覆盖全国的Landsat MSS/TM/ETM/OLI8遥感影像发展的1990年、2000年、2010年、2015年数据集，并提取不同时期动态变化数据，数据综合精度达 91.2%（Zhang et al.，2014；刘纪远等，2014）。为了使 RWEQ模拟结果更趋近于内蒙古高原下垫面真实状况，提高模型模拟精度，将各时期（1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年）耕地、林地、草地等22类土地利用、覆盖类型面积比例处理到1 km×1 km栅格上（图2a），将土壤风蚀植被因子、地表粗糙度因子等计算到每个参数图层中，并以加权方式获取土地覆盖因子参与计算下的土壤风蚀综合影响因子。

式中，M代表参与计算的土地利用、覆盖类型结构的影响因子；LUCn为各土地利用、覆盖类型公里格网面积成分数据；xn为土壤风蚀计算因子。

本文利用野外直尺测定方法（张胜宾等，2016）测定不同植被覆盖类型的地表粗糙度（图2b），并将野外实际测算值赋值于土地利用、覆盖类型数据（式18）。植被在不同季节反映了不同的结构特征，对土壤风蚀过程影响不同，不同作物及土地利用、覆盖类型对土壤风蚀的影响程度差异较大；本文充分考虑了不同季节的植被特征，设定枯萎植被、直立残茬、生长植被等不同的计算模式，综合土地利用、覆盖数据，野外观测数据与植被覆盖度遥感数据加权估算不同季节枯萎植被地表覆盖率（图 2c和图2d），利用回归方程对不同时间分辨率遥感数据进行校正处理。野外和室内的土壤风蚀监测主要包括风洞试验、插钎法、土壤剖面分析、剖面粒度分析、137Cs测定、集沙仪测定法等，本研究基于RWEQ模型模拟的土壤风蚀模数采用已有137Cs样点采样监测结果验证。

2 结果与分析

2.1 RWEQ 模型精度验证

图2 土壤风蚀模型参数野外采样与精度验证Fig. 2 Parameter field sampling and accuracy verification of soil wind erosion model

本研究基于RWEQ模型在内蒙古高原区域尺度进行了土壤风蚀模数反演，为验证模型模拟结果的准确性，收集了已有的在内蒙古高原以137Cs法推算土壤风蚀模数的研究成果（刘纪远等，2007；严平等，2000；齐永青，2008），并与本研究反演成果进行对比（表1）。结果显示，模型反演结果与野外监测成果显示了较好的拟合性（R²=0.83，P＜0.01），说明 RWEQ 模型在区域尺度上具有理论可行性。然而，运用该模型进行大范围研究需根据不同的自然地理条件和土地利用、覆盖开展长期的实验和监测工作，不断根据野外试验数据对模型参数进行修正和调整，以提高RWEQ模型的准确性。

表1 模型模拟验证结果对比Table 1 Comparison results of the model with measurement

2.2 土壤风蚀时间变化特征

基于RWEQ模型获取内蒙古高原区域1990—2015年土壤风蚀模数。研究表明，20世纪90年代以来，土壤风蚀模数总体呈下降趋势（Slope1990—2015=-0.34 t·hm-2·a-1），从 1990 年的 34.76 t·hm-2·a-1下降到 2015 年 27.68 t·hm-2·a-1，年变化波动较大。以2000年为节点，表现出先增加后降低的态势，1990—2000年土壤风蚀模数呈增加趋势（Slope1990—2000=0.41 t·hm-2·a-1），2001—2015 年土壤风蚀模数呈稳定下降趋势（Slope2001—2015=0.87 t·hm-2·a-1，P＜0.05）。这一现象表明，随着 1998年生态退耕政策的实施，土壤风蚀得到有效抑制（图3）。

2.3 土壤风蚀空间变化特征

20世纪90年代以来，研究区土壤风蚀模数空间分布特征基本不变，土壤风蚀模数总体呈下降趋势。2000—2015年，研究区87.85%的区域土壤风蚀模数呈下降态势，局部区域土壤风蚀量降低幅度较大。依据水利部《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190—2007）风蚀分级标准对结果进行了风蚀强度分级（图 4），中度以上土壤风蚀发生面积减少4.73×104km²，侵蚀面积随强度的增加而减小，土壤风蚀强度向微度和轻度转变。空间变化上，西部区（图1c）土壤风蚀得到有效抑制，土壤风蚀模数从 86.92 t·hm-2·a-1降低到 59.46 t·hm-2·a-1；中部（图1b）土壤风蚀量明显减少，土壤风蚀模数降低了14.68 t·hm-2·a-1；东部（图 1a）空间变化不明显。内蒙古高原西部以荒漠生态系统为主，植被覆盖状况较差，该区域分布的植被类型主要为荒漠与荒漠化草原；中部河套平原与典型草原土壤风蚀减少明显，人类干预恢复生态作用（农田生态系统与生态环境保护区）明显；同时，受降水、土壤、地形、资源开发等综合因素的影响，中部局地区域土壤风蚀呈增加趋势，资源开发造成生态破坏尤为突出；东部区以森林生态系统为主，一些地区属于典型草原向草甸草原过渡，植被长势良好，东部区域土壤风蚀不明显（图4）。

图3 内蒙古高原1990—2015年土壤风蚀模数变化统计Fig. 3 The soil wind erosion changes of Inner Mongolia plateau in 1990—2015

图4 内蒙古高原1990—2015年土壤风蚀模数空间分布Fig. 4 The spatial distribution of soil wind erosion in Inner Mongolia plateau in 1990—2015

2.4 土壤风蚀变化的因素分析

2.4.1 气象因子分析

基于 RWEQ模型分析可知，气象因子是影响土壤风蚀强度的主要因素之一。内蒙古高原地处干旱与半干旱区域，生态环境脆弱。风场强度从物理动力学角度影响风沙的起降，风速和沙尘暴是沙漠化的动力（陆均天等，2003；殷海军，2007）。本研究利用 69个气象站点记录的沙尘暴起止时间核算每一个站点的持续时间，以年为单位统计每个站点发生沙尘暴的平均次数（图5a）。通过研究发现，内蒙古高原沙尘暴频数呈下降趋势，且沙尘暴最大风速下降明显，沙尘暴发生频次与土壤风蚀模数变化趋势相关（R²=0.78，P＜0.05）；2001年沙尘暴发生频率出现峰值，2006年达到第二次波峰，变化规律与土壤风蚀模数一致。风速作为土壤风蚀模型直接参与计算的气候驱动数据，直接影响土壤侵蚀量强弱；内蒙古高原1990—2015年平均风速为2.91 m·s-1，研究区年平均风速呈显著（R²=0.58，P＜0.001）下降趋势（图5b），平均风速与土壤风蚀模数变化呈显著相关（P＜0.001）。

图5 内蒙古高原1980—2008年沙尘暴频数统计及1990—2015年平均风速统计Fig. 5 The sandstorm frequency in 1980—2008 and average wind speed of Inner Mongolia Plateau in 1990—2015

2.4.2 土地利用、覆盖变化对防风固沙的作用

2000—2015年，研究区土地利用、覆盖变化主要特点是城市扩张、林地增加和草地与水体资源减少；耕地面积总量略微增长，主要表现为耕地空间上的剧烈更替，耕地主体转换为建设用地以及退耕为林灌草等类型；林地面积得到一定程度的增加，荒漠总面积减少；草地主要表现为不同覆盖度类型内部转化剧烈，受矿产开发、城市扩张、干旱等因素影响导致区域草地面积减少（表2）。

内蒙古高原土壤风蚀发生了较为显著的变化，防风固沙服务功能量较 15年前增长了 25.49%，2015年达到89.42×108t；荒漠周边及植被低覆盖区域防风固沙服务功能显著提升，植被恢复对防风固沙具有重要的作用（图6）。土地利用、覆盖变化导致区域防风固沙服务功能量总体增加 0.14×108t。影响防风固沙服务功能的土地利用、覆盖类型转换主要发生在林灌草等类型与耕地、沙地、建设用地之间；生态退耕、荒漠化治理与防治、草地覆盖度提高等转换方式在防风固沙服务功能量的提升中的贡献率为 90.62%；中、低覆盖度草地、旱地等土地利用类型在向林地转换的过程中，固沙能力有所降低（表3）。综合而言，植被覆盖是有效抑制土壤风蚀，提升防风固沙服务功能的有效途径。

表2 内蒙古高原2000—2015年土地利用类型转移矩阵Table 2 Transferring matrix of land use type in Inner Mongolia in 2000—2015

图6 典型区人为扰动对防风固沙量的影响特征Fig. 6 The influence of perturbation on the amount of Sand Fix function in the typical area

2.4.3 人为扰动对土壤风蚀的影响

内蒙古高原地处农牧交错区，人为扰动集中体现在耕地与林地、草地的动态变化，滥垦会加剧农牧交错区土壤风蚀过程，植被恢复有效抑制土壤风蚀（图6a）；过度放牧对内蒙古高原土地沙化的形成具有重要的影响，开展禁牧是有效恢复植被覆盖的重要形式（图6b）；独立工矿开发对生态环境造成一定的破坏，露天矿对植被覆盖的破坏尤其严重，可加剧土壤风蚀（图6e和图6f）。基于遥感监测统计，近15年，研究区沙地面积呈缩减趋势，2015年较2000年缩减了676.44 km²（刘纪远等，2014；宁佳等，2018），在沙漠治理工程建设的作用下，土壤风蚀在区域尺度上也得到了缓解（图6c和图6d），内蒙古高原沙地治理以植被恢复建设、草方格沙障等措施为主，其中草方格沙障措施在固定沙丘的同时，为植被的恢复奠定了基础。

3 讨论

土壤风蚀强度变化是诸多要素共同作用的结果，气象因子、下垫面粗糙度、植被覆盖、土壤含水量等因素制约着土壤风蚀强度的差异（董光荣等，1999；江凌等，2015），土地利用、覆盖变化是影响土壤风蚀的重要因子。土地利用、覆盖变化主要通过影响植被覆盖、下垫面粗糙度和对气流的阻抗等影响对地表的侵蚀作用。土地利用、覆盖变化决定和影响植被盖度、高度等因素，增加植被覆盖可以有效增加空气动力学粗糙度，缓解气流对地表的侵蚀作用，减少土壤风蚀速率，实现对地表土壤的保护（董治宝等，1996；张春来等，2003）。根据本研究区土地利用、覆盖变化信息的提取与分析及其他相关研究成果（刘纪远等，2014；江凌等，2016），内蒙古高原自启动退耕还林（草）政策以来，植被覆盖面积增加明显，植被覆盖状况的改善是土壤风蚀模数下降和防风固沙服务功能量提升的主要原因（表3），在强人工干预的生态治理区效果显尤其著（图6）。

气象因子是影响土壤风蚀强度的另一个重要因素之一。研究表明，风速变化是内蒙古高原典型区土壤风蚀强度变化的最主要原因（高尚玉等，2012）。本研究西部区域土壤风蚀模数高于中部与东部（图1和图4）。根据时空风速累积数据统计，西部区域历年临界侵蚀风速（Fryrear et al.，1994）以上各级风速的累积时间明显高于中部和东部，风力等级高于疾风（13·9 m·s-1）的累计时间最为明显；土壤风蚀模数变化波动与风速变化波动一致性较高（图5）。因此，在植被盖度没有明显提高的情况下，风力的增强会加剧土壤风蚀作用，并超过植被盖度的提高对土壤风蚀的削弱作用。

本研究重点分析内蒙古高原土壤风蚀时空格局变化，在土壤风蚀防治措施方面未进行深入分析，土壤风蚀防治对防风固沙服务功能及生态环境建设具有重要的意义。同时，应针对不同程度荒漠化，尤其是不同大面积沙地区域开展防风固沙功能区划，摸清潜在风蚀、正在风蚀、风蚀治理区域；深入开展野外调查，分析生物与工程措施作用，构建区域防风固沙对策体系。如何分离气候变化与人类活动对土壤风蚀量变化的影响依然是亟待解决的科学问题。此外，本文仅关注了气候变化对土壤风蚀的影响，然而土壤风蚀变化对局地气候的反馈机制也是环境效应研究的重要内容，需要进一步研究。

4 结论

（1）本研究利用高精度土地利用、覆盖数据改进模型参数，利用该研究区已有137Cs示踪技术监测成果对 RWEQ模型反演的土壤风蚀模数进行验证，结果表明两种结果具有较好的拟合性（R²=0.83，P＜0.01），说明 RWEQ模型在区域尺度上具有理论可行性。

表3 不同土地利用转变类型固沙物质量变化及其占比Table 3 The change amount and rate of sand fixation in different land use transformation types

（2）1990—2015年，内蒙古高原土壤风蚀模数总体呈下降趋势，期间波动较大，即 1990—2000年土壤风蚀模数呈增加态势，2001—2015年土壤风蚀模数呈稳定下降趋势。

（3）研究期内，中度以上土壤风蚀发生面积减少4.73×104km²，侵蚀面积随强度的增加而减小；空间变化上，西部区土壤风蚀得到有效抑制，土壤风蚀模数从 86.92 t·hm-2·a-1降低到 59.46 t·hm-2·a-1，中部土壤风蚀量明显减少，土壤风蚀模数降低了14.68 t·hm-2·a-1，东部空间变化不明显。

（4）在影响因素中，气象因子是内蒙古高原土壤风蚀模数降低的重要因素，极端天气沙尘暴次数、年平均风速与土壤风蚀模数变化显著相关（P＜0.001）；退耕还林灌草等土地利用、覆盖变化对降低土壤风蚀模数，提高区域防风固沙功能具有关键作用。

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