赣南地区土壤保持功能的时空变化特征

罗诚康, 杜思敏, 郑博福, 谢泽阳, 吴之见, 朱锦奇

(1.南昌大学 资源环境与化工学院 江西生态文明研究院, 江西 南昌 330031; 2.江西财经职业学院, 江西 九江 332000)

InVEST(integrated valuation of environmental services and tradeoffs)模型通过使用地貌、气候、植被覆盖率和管理实践的信息来估计地块保留沉积物的能力，是在USLE模型[6]基础上加以改进，考虑了土壤自身拦截沉积物的能力，并加入了水库数据，使土壤保持功能评价得更加合理与准确。目前该模型已经相对成熟，在国内生态系统服务评估中是一个不断发展完善、不断趋于多元化的一个过程[7]，早期研究主要是应用于北京山区和长江流域，并探讨了不同森林类型之间土壤保持功能的差异[8]；2013年之后，InVEST模型在中国的应用区域越来越广泛[9-10]。 InVEST模型可以快速简便地量化生态系统服务土壤保持功能，评估结果直观体现土壤保持功能的重要程度和空间格局，使生态系统服务功能综合管理和决策有了坚实的保障[11]。

赣南地区是中国典型的南方山地丘陵区，地处南岭山脉、武夷山脉、罗霄山脉三大山脉交界地区，位于鄱阳湖流域赣江源头区和珠江支流东江源头区，具有水源涵养土壤保持等生态系统服务功能，是中国“两屏三带”生态安全战略格局的重要组成部分[12]。赣南地区多为酸性红壤，抗侵蚀力较差[13]，再加上人为乱砍滥伐，陡坡开荒、植被破坏等不合理操作，造成区域水土流失、土壤肥力降低[14]。作为中国重要的南方丘陵生态保护区和脐橙种植地，赣南地区土壤保持功能是影响民生与人类福祉的重要服务指标。本研究运用InVEST模型，对赣南地区2000—2018年土壤保持功能进行时空变化特征分析，通过GeoDa软件进行空间相关性分析，为当地政府及相关部门的产业布局与生态建设提供理论依据[15]。

1 研究区概况

赣南地区位于江西南部，主要由地级赣州市下辖的3区13县2县级市组成，地处东经113°54′—116°38′，北纬24°29′—27°09′，总面积约为3.94×104km2，占江西省总面积的23.6%(图1)。赣南地区属于中亚热带，呈亚热带季风性湿润气候，光照充足，雨量充沛，多年平均降雨量1 605.2 mm，多年平均温度18.9 ℃。地形复杂，以山地、丘陵、盆地为主。

图1 赣南地区地形及降雨监测点分布

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

高程(DEM)数据来自地理空间数据云ASTER GDEM(http:∥www.gscloud.cn/)，分辨率为30 m。降雨气候数据来源于中国气象数据网在赣南地区的17个气象站点多年平均降雨量插值。土壤数据基于世界土壤数据库(Harmonized World Soil Database, HWSD)的中国数据集，来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心(http:∥data.casnw.net)，中国境内数据源为第二次全国土地调查南京土壤所提供1∶100万土壤数据。土地利用数据和NDVI来源于中国科学院资源环境科学数据中心(https:∥www.resdc.cn/)。社会经济数据来源于《赣州统计年鉴》。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤保持功能计算 土壤保持功能采用InVEST模型中泥沙输移比模块(SDR)进行计算，该模块以基于像元尺度的USLE计算方法为基础，集土地利用数据、土壤属性以及DEM数据、降雨数据、植被覆盖因子和水土保持措施因子等数据一起，以栅格为计算单元而实现运行，并产生基于流域及栅格单元的两种评估结果[16]。

SEDRETx=RKLSx-USLEx+SEDRx

在部分高校中，存在着一些畸形现象，学生跑两步路就气喘吁吁；开大会经常出现中暑、晕倒的现象。这些现象引起了广大社会群众的关注，广大的家长和教育工作者就有一些疑问:“我们的教育到底是怎么了？”“学生这样的花样年华为什么身体素质却这么差呢？”

(1)

RKLSx=Rx·Kx·LSx

(2)

USLEx=Rx·Kx·LSx·Cx·Px

(3)

(4)

式中：SEDRETx为栅格x的土壤保持量(t)。SEDRx为栅格x泥沙持留量(t)。RKLSx为栅格x的土壤潜在侵蚀量(t)。USLEx和USLEy分别为栅格x及其上坡栅格y的实际侵蚀量(t)。Rx因子表示降雨侵蚀力因子；Kx表示土壤可蚀性因子;L表示坡长因子；Sx表示坡度因子；Cx表示植被覆盖因子(无量纲)；Px表示保持措施因子(无量纲)。SEx为栅格x的泥沙持留效率。

2.2.2 参数选取 降雨是影响土壤侵蚀的一个重要因素，降雨侵蚀力表征了降雨引起土壤发生侵蚀的潜在能力。根据研究区实际情况，R值计算，选取章文波[17]对于全国降雨侵蚀量研究建立的R值计算模型，为降低误差，采用多年平均降雨量，将每一个站点逐日降雨量与年平均降雨量进行计算[17]，并选用IDW插值法得到研究区降雨侵蚀力图[18]；土壤可蚀性因子计算，使用Wischmeier[6]建立的土壤可蚀性K值计算模型。坡长坡度因子(LS)采取缓坡、陡坡分段计算，坡度阈值默认为 25°[4]。对于植被覆盖和作物管理因子(C)，参考赣南地区相关研究成果[19-20]，对不同土地利用类型的植被覆盖和作物管理因子进行赋值(表1)。对于保持措施因子(P)，结合赣南地区的相关研究文献和农事活动情况，同时考虑到赣南地区目前不同生态系统的强弱程度，对不同土地利用类型的P因子进行本地化赋值[21](表1)。

表1 不同土地利用类型C值和P值

2.2.3 数据分析 基于2000，2010，2018年3期土地利用数据，分析赣南地区土地利用类型变化及驱动因素。利用InVEST模型与ArcGIS软件，计算赣南地区土壤保持强度与土壤保持量，通过土地利用类型、高程、坡度、县域的尺度进行时间与空间分析。利用Geo Da软件中单变量局部Moran’sI指数分析2000，2010，2018年土壤保持强度的空间自相关性。运用全局Moran’sI指数和双变量局部Moran’sI指数分析2000，2010，2018年土壤保持强度与NDVI指数的空间相关性，并绘制LISA(Local Indicators of Spatial Association)图，分析判断两者空间集聚性和特征性。LISA集聚图依据评价单元与相邻单元的Moran’sI指数平均值的关系，把集聚区域划分为高高积聚、高低集聚、低高集聚、低低集聚和不显著5种类型[22-23]。

3 结果与分析

3.1 赣南地区土地利用分布及其变化

林地是赣南地区主要覆盖类型(2000年林地覆盖度为74.40%，2010年为74.66%，2018年为76.20%)，其次为水田和旱地，其他土地利用类型占比均较少。在时间变化上，灌林地、疏林地、水田、旱地、水域和未利用土地面积处于减少趋势，有林地、其他林地、草地、湿地、城镇用地和农村居民地面积呈增长趋势，其中疏林地减少面积最高，其次是灌木林，未利用土地减少的面积最低；城镇用地与农村居民点面积增长速率最大(表2)。随着经济的高速发展，人民对建设的需求增大和城市的急剧扩展，用地量增加，城镇用地面积的迅速扩张，其中大多由低海拔低坡度的疏林地和水田旱地转化而来；由于自然生长，部分海拔和坡度较大的受人为活动干扰比较小的灌木林和疏林地向有林地转换。水田和旱地由于受到退耕还林还草政策的影响，向有林地和其他林地进行了转化；但2010—2018年之间，部分有林地退化向草地，人为干扰因素导致的毁林开垦、未批先占、少批多占的现象依然存在，使得有林地总面积减小。

表2 2000—2018年赣南地区不同土地利用类型面积变化

3.2 不同土地利用类型的土壤保持强度与土壤保持量

2018年赣南地区平均土壤保持强度为190.50 t/(hm2·a)，土壤保持总量为7.47×108t。有林地土壤保持强度为262.03 t/(hm2·a)，土壤保持总量为5.44×108t，均为所有地类中最高(表 3)，说明有林地在土壤保持过程中起着重要作用。裸土地没有任何水土保持措施和植被覆盖，土壤保持强度最低。

表3 2000—2018年不同土地利用类型的土壤保持强度及土壤保持量变化

2000—2018年期间，赣南地区的各种土地利用类型土壤保持强度均有一定变化，其中疏林地下降了3.55 t/(hm2·a)，为2000年土壤保持强度的2.68%；其他林地下降了17.81 t/(hm2·a)，为2000年土壤保持强度的10.15%。研究区土壤保持总量变化不大，各种土地利用类型土壤保持总量变化均由面积变化引起。

3.3 不同海拔的土壤保持变化特征

基于ArcGIS 10.4中DEM高程分析，将赣南地区分为6个梯度，并与土壤保持强度栅格进行叠加分析，得到研究区不同海拔的土壤保持强度分布情况(图2)。随着海拔的上升，土壤保持强度持续上升。其中在0—150 m的海拔高度范围土壤保持强度为最低〔27.37 t/(hm2·a)〕，此后土壤保持强度不断增长，并在海拔处于1 000—1 500 m时达到最大值〔528.47 t/(hm2·a)〕，在海拔高于1 500 m后土壤保持强度降低。其中海拔150—300 m区域为赣南地区总面积占比最大，为39.36%，其土壤保持量为1.66×108t/a，仅占总土壤保持量的22.27%；其次是300—500 m区域，面积占比为34.72%，土壤保持量为3.13×108t/a，占总土壤保持量的42.10%，为土壤保持量最大海拔区间。在海拔高度为300—500 m区域土壤保持效果为最好。在时间变化上，在0—150，150—300，300—500 m区间的土壤保持强度部分升高，在500—100，100—1 500，>1 500 m区间的土壤保持强度有部分降低，变化并不显著。

图2 基于海拔的土壤保持强度及平均土壤保持量变化

3.4 不同坡度的土壤保持变化特征

坡度可以直接影响土壤的抗雨滴击打能力以及土壤保持强度，计算不同坡度的土壤保持强度，能够清晰地反映赣南地区土壤保持强度的坡度分异规律[24]。根据土壤保持坡度等级划分标准[25]，结合赣南地区实际情况，将研究区坡度分为6个等级：0°～5°为平坡，5°～15°为缓坡，15°～25°为斜坡，25°～40°为陡坡，40°～45°为急坡，45°以上为险坡[26]。统计各等级坡度的土壤保持强度情况(图3)，土壤保持强度随着坡度增大而上升。在0°～5°之间，土壤保持强度为最低〔26.26 t/(hm2·a)〕，此后土壤保持强度随坡度增加而快速增长，并在坡度 > 45°时，土壤保持强度达到最高值〔787.39 t/(hm2·a)〕。其中坡度5°～15°区域其面积占总面积46.01%，土壤保持量占总量的35.82%；其次是0°～5°区域，其面积占总面积23.87%，土壤保持量占总量的3.29%，然后是15°～25°区域，其面积占比23.30%，土壤保持量占总量的41.37%。坡度范围在15°～25°区域土壤保持效果最好。

图3 基于坡度的土壤保持强度及平均土壤保持量变化

3.5 2000—2018年赣南地区各县(市、区)土壤保持时空分布

2000—2018年赣南地区土壤保持强度整体为增长趋势，2000年整个地区平均土壤保持强度为189.93 t/(hm2·a)，2010年为190.69 t/(hm2·a)，2018年为190.51 t/(hm2·a)。土壤保持强度空间集聚类型丰富(图4)。

图4 2000—2018年赣南地区土壤保持强度变化局部空间自相关LISA集聚特征

2000—2018年期间，赣南地区土壤保持强度高高集聚区分布在崇义县、上犹县、大余县，土壤保持强度分别为332.21 t/(hm2·a)，266.58 t/(hm2·a)，226.00 t/(hm2·a)，表明这3个县土壤保持强度较高并且具有较好的空间集聚性，林地占比分别为88.30%，76.5%，76.2%。高低集聚区由兴国县和宁都县向整个研究区而转变，表明赣南地区土壤保持强度在持续稳步上升。低低集聚区主要分布在章贡区、南康区、信丰县和瑞金市，土壤保持强度分别为88.61 t/(hm2·a)，94.54 t/(hm2·a)，117.46 t/(hm2·a)，169.32 t/(hm2·a)，林地占比分别为55.16%，59.5%，70.33%，75.60%。表明赣南地区各县(市、区)土壤保持强度与林地占比成强协同关系。

对于土壤保持总量， 2000—2010年龙南县、于都县、兴国县土壤保持量均为增长趋势，分别增长了其土壤保持总量的2.55%，1.16%，0.83%；其余各县(市、区)升降效果不明显。2010—2018年各县(市、区)土壤保持量均为降低趋势，其中大余县、章贡区降低趋势较明显，分别降低了其土壤保持总量的0.47%，0.35%。从整个时间跨度来看，赣南地区土壤保持总量呈现上升趋势，增长了2000年土壤总量的0.30%，其中龙南县、于都县、兴国县上升趋势较为明显，分别为其土壤保持总量的2.52%，1.11%，0.85%。

3.6 土壤保持强度与NDVI空间相关性

通过ArcGIS 10.4和GeoDa软件计算得到的土壤保持强度与NDVI全局自相关性数据(表 4)分析，2000—2018年赣南地区土壤保持强度与NDVI呈现显著正相关。根据空间自相关理论，高高积聚区代表土壤保持强度高的区域，其周围区域NDVI值也高，其他空间集聚类型含义与之类似。土壤保持强度与NDVI的局部空间集聚效应与显著性结果(图5—6)显示，2000—2018年赣南地区发生集聚效果的面积占比分别为54.43%，61.39%，62.73%，其中高高积聚区面积占比和变化均最大，由2000年的42.04%升至2018年的49.27%，其他4类集聚区变化不明显。

表4 2000-2018年赣南地区土壤保持强度与 NDVI的Moran’s I指数及显著性检验结果

图5 2000—2018年赣南地区土壤保持强度与NDVI局部空间自相关显著性

图6 2000—2018年赣南地区土壤保持强度与NDVI局部空间自相关LISA特征

赣南地区辖区面积广，地形、土壤、降雨因子具有空间差异性，对土壤保持强度空间格局具有一定的控制作用，并且NDVI指数的空间差异性也导致土壤保持强度的空间分布不同。2000年高高集聚区主要分布在研究区南部和东部；2010年主要分布在研究区西部、南部和东部；2018年主要分布在研究区西部、南部和东部。2000—2018年增加了上犹县、崇义县、大余县，且显著性不断增强，说明2000—2018年上犹县、崇义县、大余县植被覆盖度和土壤保持强度同时提升，体现退耕还林还草任务和水土保持措施执行效果较好。上犹县、崇义县、大余县、安远县、会昌县、全南县、龙南县、定南县、寻乌县在2016年9月入选国家第一批重点生态功能区名单，生态基础较好，为增强生态服务功能，构建国家生态安全屏障提供重要支撑。高低集聚区主要分布在于都县，表明该县在NDVI值较低的情况下依然保持高土壤保持强度，于都县虽然林地面积占比较小，但地势平坦，水田旱地面积较大，导致土壤保持强度较高。低低集聚区在章贡区、赣县区、南康区和其他县(市、区)的城区，这些区域多为人为干扰严重的低海拔低坡度高经济区域，植被覆盖度和土壤保持强度较低。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

2000—2018年赣南地区土壤保持强度和土壤保持量呈上升趋势，与贾芳芳等[27]在赣江流域的研究结果基本一致。对海拔高程的土壤保持强度分析，土壤保持强度随海拔高度变化先升高再降低。低海拔地区多为平原丘陵，易于城镇化开发与利用，交通与经济较为发达，市政建设较多，人为活动较为严重且聚集，林地与草地面积分布较少，占比分别为29.77%和12.53%，植被覆盖度较低，对于降雨的截留作用比较弱，土壤侵蚀比较严重，土壤保持强度较弱。随着海拔的升高，城镇化和人为活动逐渐减少，植被覆盖度、土层厚度、物种丰富度都随之升高，在海拔500～1 000 m时林地占比达到92.80%，土壤保持强度与土壤保持量均较强。在海拔达到1 500 m以上，林地面积减少，草地面积增大，占比高达23.90%，土壤保持强度有所下降。

不同坡度上生态系统土壤保持功能受到不同因素影响，包括重力因素、地类因素、人为活动影响等。坡度越大，坡面受斜坡重力切向分力影响随之增加导致坡面土壤不稳定性增加[28]，水土流失概率增大，导致土壤侵蚀越严重；但是随着坡度变大，林地面积由44.29%上升到93.01%，植被冠层对降雨的截留能力和根系对土壤的固结能力也随之增强[24]，使地表植被对土壤潜在侵蚀的阻力增强，土壤保持强度也随之增强[10]。坡度越大，人为活动越少，对土壤的破坏变小，最后土壤保持强度随着坡度增大。在高坡度地区，生态系统具有多样性，有助于遏制水土保持功能的退化。

由土壤保持强度的空间自相关分析表明，高低集聚区面积所占比例不断扩大，主要是中国在南方丘陵山地带实施了各种生态保护工程措施，比如天然林保护工程、长江长治长江上中游水土保持重点防治工程和退耕还林还草政策，使得赣南地区整体土壤保持强度有所提升。高高集聚区崇义、上犹、大余3个县，大部分区域处于高海拔高坡度地区，属于国家重点生态功能区中的南岭山地森林及生物多样性生态功能区，是国家重要的生态安全屏障[29]，在水土保持重点建设工程的基础上，实施了更为严格的管理制度，如严格控制开发强度、加强产业发展引导、全面划定生态红线、加强生态功能评估、强化生态环境监管、健全生态补偿机制等。低低集聚区的章贡区、南康区、信丰县和瑞金市，地处海拔较低区域，地势较为平坦，2018年在赣州市GDP排行分别为第一、第二 、第四和第九，说明低低集聚区经济建设发展较好，但经济建设带来的负面影响，如建设用地扩张明显、占用草地与林地面积、植被结构单一、土地利用度较高等，降低整体土壤保持强度。上述现象说明各县(市、区)土壤保持强度与其所处的海拔和坡度分布具有一致性。2000—2018年赣南地区土壤保持强度与土壤保持总量均呈上升趋势，其中2000—2010年龙南、于都、兴国县上升趋势比较明显。2005年龙南县提出结合安全生产、矿山资源、新农村建设、和谐创业、全县创建文明公路、城市建设共“6个结合”抓水土流失整治并取得较好成效[30]。1998年以来，于都县进入水土保持重点治理第二阶段，并在1999—2001年被列为国家生态环境建设县，综合治理取得显著效果[31]。2000年起兴国县第二期水土流失国家重点治理工程项目实施，通过提升森林生态系统质量及服务功能，提升山区水土流失治理综合效益，遏制山区资源二次开发利用的水土流失风险，创建水土流失综合治理信息化监管平台与决策支持系统，水土流失治理综合效益逐步显现[32]。

与传统的数理相关分析相比，双变量空间自相关分析对识别两个地理要素在空间上的同向/异向分布特征，揭示其空间分布结构具有独特优势[33]。大多数研究中，NDVI值越高，土壤对于沉积物的截留作用越明显，两者具有比较大的关联性[34-35]。本研究中土壤保持强度与NDVI具有较好的相关关系，LISA集聚图在空间上验证了上述观点，表明NDVI是土壤保持强度的重要影响因子。这与李理等[36]在淇河流域所做的研究结果保持一致，也有研究表明NDVI对土壤保持强度的影响较小[37]，与本研究中高低集聚区的于都县结果一致。在NDVI值较低的情况下能够保持较高的土壤把持强度，表明NDVI不是影响土壤保持强度的唯一因素。在未来研究中应当考虑更多因子对土壤保持强度的影响，例如GDP、降雨、人为干扰度、景观破碎度等，并研究不同因子相互之间的影响和对土壤保持强度的影响。

本研究虽采用土地利用二级分类标准，但由于果园区分难度大，未能将脐橙林单独分出，而是根据种植年限和郁闭度不同被划分为疏林地和其他林地，二者土壤保持强度降低表明脐橙林土壤保持强度整体下降。赣南地区果园面积由2000年的1.01×105hm2增长为2018年的1.65×105hm2，2018年脐橙林面积占果园总面积63.14%[3，38]，占疏林地和其他林地总面积的15.39%。大部分果园由于经营方式不同，疏于管理，没有采取一定水土保持措施，在脐橙生长过程中对果树使用大量的肥料，将果树周边的覆盖性草地与其他物种进行铲除，导致果园的物种单一，生物多样性较差，土壤板结，降低植被拦截径流和泥沙效果[39]。果园的土壤保持强度提升将是赣南地区水土保持未来主要研究方向之一。

为保证土壤保持强度与土壤保持量的稳步提升，赣南地区应当在保护高海拔高坡度地区土壤保持强度同时，提高低海拔低坡度地区土壤保护措施，提高中低山区土地利用类型的空间变异性，而对于土壤保持强度较低的区域，应当加强水土保持措施，改良地形环境，鼓励大量种林造草，修建拦蓄水工程，进一步缓解赣南地区水土流失保证山区生态安全。

4.2 结 论

生态系统土壤保持功能对赣南地区生态平衡的维持具有重要意义，对加强赣南地区生态系统的管理和保护具有重要意义。本研究基于InVEST模型，从土地利用类型对土壤保持强度进行横向空间分析，从海拔、坡度对土壤保持强度进行纵向空间分析，并利用Moran’sI指数对赣南地区2000—2018年土壤保持强度和土壤保持量进行空间自相关分析。

(1) 2000—2018年赣南地区部分草地、水田、旱地转化为林地，而低海拔低坡度的林地转化为城镇用地和农村居民点。不同土地利用类型的土壤保持强度为：有林地>灌木林>其他林地>疏林地>中覆盖度草地>高覆盖度草地>低覆盖度草地>旱地>其他建设用地>水田>湖泊>农村居民点>水库坑塘>城镇用地>河渠>滩地>裸岩石质地>裸土地。有林地的面积占比不断提升，在2018年达到52.93%，土壤保持量占比达到73.92%，是赣南地区土壤保持总量提升的主要原因。

(2) 土壤保持强度随海拔升高先升高后降低，随坡度升高而一直增强。在0—150 m时土壤保持强度为27.37 t/(hm2·a)，在1 000—1 500 m处达到最大值528.47 t/(hm2·a)，随后在>1 500 m时降为506.75 t/(hm2·a )。在0°～5°之间，土壤保持量为最低〔26.26 t/(hm2·a)〕，并在坡度>45°时，土壤保持量达到最高值〔787.39 t/(hm2·a)〕。

(3) 在时间分布上，赣南地区土壤保持强度增长比较平缓，土壤保持强度由2000年的189.93 t/(hm2·a)增长到2018年的190.50 t/(hm2·a)。在空间分布上，赣南地区土壤保持强度呈现四周高，中部低的分布格局，存在明显的空间集聚现象。从局部空间相关性来看，崇义、上犹、大余县呈现土壤保持强度高高集聚区，低低集聚区主要分布在信丰县、南康区、章贡区、瑞金市。

(4) 从全局空间相关性结果看来，赣南地区土壤保持强度与NDVI之间存在正相关关系。局部相关性结果表明两者存在极为显著的空间集聚效应，高高集聚的上犹、崇义、大余、安远、会昌、全南、龙南、定南、寻乌县和低低集聚的章贡区、赣县区、南康区能够较好地验证两者相关关系。