基于InVEST模型的北三河流域土壤保持功能研究

赵欣悦，王金凤*，李庆，李文静

（1 山西师范大学地理科学学院，山西 临汾 041000；2 河北省科学院地理科学研究所/河北省地理信息开发应用工程技术研究中心，河北 石家庄 050011）

生态系统通过自身与外部环境的物质和能量交换，发挥多种功能，为人类提供各种服务。其服务功能是人类社会生存和发展的基础，在维持生命支持系统与环境的动态平衡方面具有不可替代的作用[1-2]。土壤侵蚀控制和沉积物保持是生态系统服务的重要功能之一，过量的土壤侵蚀与沉积会造成水土流失、土壤肥力下降、河流泥沙沉积等后果，进而造成严重的自然灾害和经济损失[3-5]。水土保持作为人类干预生态系统的有效手段，其生态服务功能也越来越受到重视[6-7]。研究土壤侵蚀规律，制定有效的土壤保持措施对流域生态系统的稳定具有重要意义[8-9]。

土壤侵蚀是降水、土壤、土地利用、地形、耕作管理等因素相互影响和制约的综合结果[10]。基于上述影响因素，Wischmeier等[11]提出了通用土壤流失方程（USLE），在此后的土壤侵蚀研究中广泛应用。然而，USLE在计算水土保持量时没有考虑上游地块拦截泥沙的能力，影响了水土保持量计算结果的准确性[12]。为应对这一问题，InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs）模型的沉积物保留模型不断发展，最新版本已在USLE基础框架上考虑了地块自身拦截上游沉积物的能力[13]。模型可以帮助人们了解不同自然条件、农业活动和水土保持措施下的平均水土流失量，为决策者权衡人类活动的效益和影响提供科学依据，尽可能减少水土流失[14]。近年来，基于InVEST模型的海河流域及其周边生态系统服务功能评估研究不断涌现。周彬等[15]对北京山区不同森林类型的土壤保持功能进行研究，发现天然混交针叶林保土能力最高。白杨等[16]对白洋淀流域生物多样性、水源涵养、土壤保持和固碳释氧等生态系统服务功能进行了评估，通过政策情景与保护情景分析，探讨了农业直接经济收入与生态服务功能之间的关系。刘晓娜等[17]对北京市门头沟区不同土地利用/覆被类型的单位面积土壤保持功能进行了估算，发现除耕地外，其他地类的土壤保持总量均呈增加趋势。

北三河流域地跨北京、天津、河北三省（市），流域内植被覆盖度较高，对减少下游地区河流淤积、防止风沙危害具有重要作用，是京津冀地区重要的生态安全屏障。开展北三河流域土壤保持功能的研究，不仅有利于流域防风固沙，而且对京津冀地区的生态安全和生态保护至关重要。现有研究多为单一时间尺度，缺乏持续性的关注。因此，以北三河流域为研究区，基于2000—2017年的降水、土地利用、土壤和DEM等数据，运用InVEST模型，对流域土壤保持功能的时空变化进行定量分析，探析土壤保持功能的变化规律及驱动因素，以期为北三河流域水土保持及生态管理提供决策依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

北三河地跨北京、天津、河北三省（市），地理位置介于38°58′～41°37′N，115°25′～118°27′E之间。其北部为华北地区的燕山山脉，包括燕山和军都山，东南部为广阔平原。北三河是海河流域北部的北运、潮白和蓟运3条河系的总称，介于永定河和滦河水系之间，流域面积约38 400 km2。北三河流域分为白河、黑河、汤河、潮河、潮白河、温榆河、泃河、北运河、潮白新河、还乡河、永定河、永定新河、蓟运河和北京排污河共14个子流域。其中潮白河流域面积最大，为6 330 km2，潮白新河流域面积最小，为730 km2。流域属于温带东亚季风气候区，多年平均降水量约600 mm，80%～85%的年降水量都集中在汛期[18]。研究区内植被覆盖率较高，河流纵横，湖泊众多，其生态系统在保持水土方面发挥着重要作用。近20年来，人类不合理的生产和生活方式使流域生态环境遭到一定程度的破坏，表现为河流径流显著减少、水域萎缩、森林面积缩减等，上述问题严重制约了生态系统服务功能的发挥[19]。

图1 北三河流域概况（审图号：GS（2022）3264号）

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1 数据来源

本研究的基础数据包括降水、土地利用、土壤和DEM等资料。降水数据为2000—2017年北三河流域内部及周边28个国家气象站资料，来源于中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn/home.do）。土地利用数据为2000、2005、2010和2015年4期中国土地利用现状遥感监测资料（空间分辨率100×100 m），而土壤属性的原始数据集为中国科学院南京土壤所完成的中国1∶100万土壤数据库，二者均来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/）。覆盖流域的数字高程模型（DEM）为SRTM 90 m分辨率数据，来源于中国科学院地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）。

1.2.2 模型原理

InVEST模型中土壤保持模块包括土壤侵蚀减少量和泥沙持留量两部分，前者为潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值，后者表示该地块对进入它的上坡来沙的持留，以来沙量与泥沙持留率的乘积表示[17]。模型计算公式如下：

SEDRETx=Rx×Kx×LSx×（1-Cx×Px）+

SEDRx。

（1）

（2）

USLEx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px。

（3）

式中，SEDRETx和SEDRx分别为栅格x的土壤保持量和泥沙持留量；USLEx和USLEy分别为栅格x及其上坡栅格y的实际土壤侵蚀量；SEx代表栅格x的泥沙持留效率；Rx、Kx、LSx、Cx和Px分别代表栅格x的降水侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡度坡长因子、植被与经营管理因子和水土保持措施因子。

1.2.3 参数计算

1.2.3.1 降水侵蚀性因子R

降水侵蚀性因子R是土壤侵蚀的主要驱动因子之一，表示由降水引起的土壤侵蚀[20]。其计算采用Wischmeier[21]的月尺度公式：

（4）

式中，P表示年平均降水量（mm），Pi表示月平均降水量（mm），R的单位为MJ·mm·（hm2·h·a）-1。

1.2.3.2 土壤可蚀性因子K

土壤可蚀性因子K表示在其他条件都相同的情况下，由于土壤本身性质不同所引起的侵蚀量差异[14,22]，其计算采用Williams等[23]提出的计算方法：

K=0.131 7×{0.2+0.3exp[-0.025 6SAN（1-

（5）

（6）

式中，SAN、SIL和CLA分别为砂粒、粉粒和粘粒的含量值大小（%），c表示有机碳含量值大小（%），K的单位为t·hm-2·h·（hm2·MJ·mm）-1。

1.2.3.3 坡度坡长因子LS

坡度坡长因子LS反映了坡度与地表状况之间的关系，它本质上是雨滴或泥沙流动直到能量消失为止的距离，坡度越陡，坡长越长，则越容易发生侵蚀危害。InVEST模型对于不同坡度，能自动计算LS因子的值，本文参照已有研究成果，将边坡阈值设为25°[15]。

当坡度小于边坡阈值时，坡度坡长的计算公式为：

（7）

（8）

当坡度大于边坡阈值时，坡度坡长的计算公式为：

LS=0.08β0.35s0.6。

（9）

（10）

式中，Fa为汇水累积阈值，Cs为栅格大小，s为坡度，n为与坡度有关的参数，β为根据流向确定的栅格大小值。

1.2.3.4 植被与经营管理因子C和水土保持措施因子P

C和P是侵蚀动力的抑制因子, 起着保持水土的作用[24]。植被与经营管理因子C表示在不同植被覆盖情况下的土壤保持功能，为地表有植被时的土壤流失量与地表裸露时的土壤流失量之比，其值介于0～1之间。水土保持措施因子P是采取一定水土保持措施后的土壤侵蚀量与不采取水土保持措施顺坡种植时相应的土壤侵蚀量的比值。P值也介于0～1之间，极值0表示该区域土地表面采取了极好的水土保持措施，极值1表示该区域土地没有采取任何水土保持措施。本研究根据海河流域相关研究[25]，对C、P因子赋值。

2 结果与分析

2.1 时间变化特征分析

2000—2017年北三河流域实际和潜在土壤侵蚀量及土壤保持量的年际变化如图2。结果显示，流域近18年平均土壤保持量为5.90×108t，其年际变化呈现微弱减少趋势，减少率为0.03×108t·a-1，土壤保持量最大值出现在2004年，高达10.90×108t，最小值在2014年，仅为2.18×108t。

实际土壤侵蚀量和潜在土壤侵蚀量的多年平均值分别为0.07×108t和5.08×108t，其变化趋势与土壤保持量相似，均呈现微弱减少趋势，减少率分别为6.31×104t·a-1和0.03×108t·a-1。

图2 2000—2017年北三河流域土壤保持量、实际土壤侵蚀量和潜在土壤侵蚀量

图3展示了2000—2017年北三河各子流域的土壤保持量。其中，潮河（1.63×108t）和潮白河（1.57×108t）流域的土壤保持量较高，达到108t这一量级。其次为白河（0.88×108t）、黑河（0.44×108t）、汤河（0.43×108t）、泃河（0.41×108t）、温榆河（0.34×108t）和还乡河流域（0.17×108t），而永定新河（53.06×104t）、北运河（39.11×104t）和北京排污河（30.39×104t）等子流域土壤保持量较低。

从各子流域土壤保持量的年际变化趋势看，白河和汤河流域的变化最为显著，其土壤保持量均呈减少趋势，减少率分别为0.07×108t·a-1和0.04×108t·a-1。

图3 2000—2017年各子流域土壤保持量平均值及其变化

2.2 数量变化特征分析

鉴于北三河不同子流域的土壤保持功能具有明显差异，采用单位面积下的土壤保持量这一指标来衡量土壤保持能力的强弱。根据我国《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190—2007），将北三河流域的土壤侵蚀强度分为微度、轻度、中度、强度、极强度和剧烈侵蚀6个等级（图4，表1）。土壤侵蚀比较严重的地区主要分布于流域上游地区，包括白河、黑河、温榆河西北部、汤河、潮河、潮白河北部以及泃河和还乡河东北部等子流域。以上地区主要分布于北部山区，土地利用类型以林地、草地和耕地为主，地形起伏较大，加上人类对矿产资源的开发以及砍伐树木、开垦耕地，使这些地区易发生土壤侵蚀。对实际侵蚀强度分布进行统计（表1），发生微度侵蚀和轻度侵蚀的面积超过研究区总面积的99%，土壤侵蚀量占总侵蚀量的79.04%。而发生强度以上侵蚀的面积仅占0.16%，土壤侵蚀量占比为7.77%，说明北三河以微度和轻度侵蚀为主。对潜在侵蚀强度分布进行统计，发生微度侵蚀和轻度侵蚀的面积约占总面积的50%，而土壤侵蚀量占比仅为1.26%。发生强度以上侵蚀的面积占44.19%，而土壤侵蚀量占97.09%，说明北三河流域的土壤侵蚀存在较大的潜在风险。结合实际侵蚀的统计结果，植被和人工管理措施使潜在的较严重侵蚀的面积和强度都大幅下降，一定程度上减少了强烈侵蚀的隐患。

图4 2000—2017年北三河流域平均实际（a）和潜在土壤侵蚀强度（b）（审图号：GS（2022）3264号）

表1 土壤侵蚀面积和强度等级划分

2.3 空间变化特征分析

2.3.1 空间分布格局

图5为北三河流域2000、2005、2010和2015年4期土壤保持空间分布图。为消除气候异常对土壤保持结果造成不确定性，上述4期结果均为其相邻年份的平均值，其中2000为2000—2002年、2005为2003—2007年、2010为2008—2012年、2015为2013—2017年。结果显示，2000年土壤保持量为167.26 t·hm-2·a-1，2005年为169.16 t·hm-2·a-1，2010年为140.92 t·hm-2·a-1，2015年为144.25 t·hm-2·a-1，土壤保持量整体呈减少趋势。

2000—2015年北三河流域土壤保持量空间分布表现为北高南低的分布特征。土壤保持功能高值区（>150 t·hm-2·a-1）主要位于北部地区，包括白河、黑河、汤河、潮河、潮白河北部、温榆河西北部、泃河和还乡河北部等区域，面积占流域总面积的27%，平均土壤保持量高达493.30 t·hm-2·a-1。这些地区土壤保持功能较强的原因主要是：降雨强度较弱，对土壤的冲击和破坏较小，土地利用类型以林地和草地为主，植被覆盖度较高，起到一定的保护作用，相应的土壤质地可蚀性较弱。此外，2005年以来实施生态林补偿、矿山修复等生态修复工程[17]，加强了土壤的保持功能。

土壤保持功能低值区（<5 t·hm-2·a-1）主要位于流域南部，包括潮河与潮白河流域交界、永定新河北部、泃河南部，以及永定河西部和北京排污河东南部等地区，面积占比达43%，而平均土壤保持量仅为1.87 t·hm-2·a-1。这些地区土壤保持功能较低的原因主要是：强降雨较多，对土壤的冲击和破坏较大，土地利用类型多为水域和未利用地，植被覆盖度低，人工保护措施较少，导致土壤保持功能下降。

图5 2000（a）、2005（b）、2010（c）、2015（d）年北三河流域土壤保持空间分布图（审图号：GS（2022）3264号）

2.3.2 空间变化格局

北三河流域土壤保持量的变化特征具有明显的空间差异性（图6）。2000—2015年，流域年均土壤保持量由167.26 t·hm-2·a-1减少至144.25 t·hm-2·a-1，减少了约23 t·hm-2·a-1（13.76%）。土壤保持量呈现增加的区域占流域总面积的39.15%，而减少的区域占60.85%。其中，显著减少（<-30 t·hm-2·a-1）的区域最多，面积占比高达38.39%；其次是轻微增长（0～10 t·hm-2·a-1）和轻微减少（-10～0 t·hm-2·a-1）的区域，面积占比分别为32.80%和17.64%；其他变化区间的面积占比均低于5%。从空间变化格局看，北三河流域北部的白河、黑河、汤河、潮河和潮白河北部土壤保持量减少较多且集中，该地区土壤保持量的减少普遍超过30 t·hm-2·a-1。中部的温榆河西部、潮白河、潮河和泃河交界地区，以及东南部的潮白新河、还乡河和永定河等子流域土壤保持量呈轻微减少趋势，减少量多介于-10～0 t·hm-2·a-1之间。而西南部的北运河、永定河和蓟运河等子流域土壤保持量呈轻微增长趋势（0～10 t·hm-2·a-1）。从间隔5年的阶段性变化看，2000—2005年北三河流域土壤保持量变化不大，仅微弱增加了1.66 t·hm-2·a-1（0.74%），其增加区域主要分布在潮河南部、潮白河北部、温榆河西北部、泃河和还乡河北部。2005—2010年土壤保持量减少了6.09 t·hm-2·a-1（5.55%），其减少区域主要分布在潮河和汤河北部。2010—2015年土壤保持量增加了1.07 t·hm-2·a-1（1.01%），其增加区域主要分布在黑河、汤河和潮河北部。

图6 2000—2005（a）、2005—2010（b）、2010—2015（c）、2000—2015（d）年北三河流域土壤保持空间变化图（审图号：GS（2022）3264号）

2.4 不同土地利用类型的土壤保持功能

为衡量不同土地利用类型土壤保持功能的强弱，利用ArcGIS软件统计了北三河流域各土地利用类型的土壤保持量（图7）。

整体上，各土地利用类型单位面积土壤保持能力排序为林地（350.49 t·hm-2·a-1）>草地（213.41 t·hm-2·a-1）>耕地（40.30 t·hm-2·a-1）>水域（22.35 t·hm-2·a-1）>未利用地（17.02 t·hm-2·a-1）>建设用地（10.80 t·hm-2·a-1）。2000—2015年，各土地利用类型的单位面积土壤保持量均呈下降趋势，其中林地减少量最多，高达46.20 t·hm-2·a-1（12.31%），其次为草地和耕地，其土壤保持减少量分别为42 t·hm-2·a-1（17.54%）和5.70 t·hm-2·a-1（12.98%）。从间隔5年的阶段性变化看，2000—2005年，草地和耕地的单位面积土壤保持能力略有下降，其减少量分别为4.09 t·hm-2·a-1（<2%）和0.17 t·hm-2·a-1（<0.5%），除此之外，其他地类的保持能力都呈上升趋势，林地增加量最多，为9.25 t·hm-2·a-1（2.47%）。2005—2010年各土地利用类型的单位面积土壤保持能力均呈下降趋势，其中林地和草地的土壤保持减少量较多，分别为61.29 t·hm-2·a-1（15.94%）和46.86 t·hm-2·a-1（19.83%）。2010—2015年，除了建设用地的单位面积土壤保持量有轻微减少（0.37 t·hm-2·a-1）外，其他地类的土壤保持量均有所增加，尤其是草地，增加量为8.79 t·hm-2·a-1（4.64%）。

图7 不同土地利用类型的土壤保持能力

3 讨论与结论

3.1 讨论

北三河流域的土壤保持功能除了受自然因素的影响外，人为因素也占据重要比重。通过近18年研究区土地利用变化的对比分析，发现土壤保持功能较强的林地和草地的面积不断缩小，面积减少率分别为0.10×104hm2·a-1和0.09×104hm2·a-1，而土壤保持能力最弱的建设用地面积不断扩张，增长率高达3.11×104hm2·a-1。砍伐森林，挤占草地、耕地，使土壤性质较好的土地面积不断减小，土地质量逐渐下降，导致土壤可蚀性增大。植被覆盖对流域内土壤保持起到积极作用，但林草面积的缩小使植被覆盖措施难以有效地发挥作用。因此调整土地利用类型，加强林地的保护，严格控制森林砍伐与消耗，完善生态保护的管理机制，在社会发展的同时也要注重土壤保持功能的保护。

本研究利用InVEST模型对北三河流域的土壤保持功能进行了定量计算与动态分析，期间仍存在一些误差与不足：模型部分参数参考了InVEST模型数据库的参数，尤其是植被与经营管理因子C和水土保持措施因子P引用了流域附近地区的相关研究成果，可能与流域实际情况有出入，应用于北三河流域会产生一定的不确定性。此外，本研究关注的焦点为北三河流域的土壤侵蚀状况和土壤保持功能，并没有落实到生态系统服务价值上，有待进一步研究。

3.2 结论

本文基于InVEST模型沉积物保留模块，分析了2000—2017年北三河流域土壤侵蚀和保持量的时空变化特征，探讨了不同子流域和不同土地利用类型的土壤保持功能。主要结论如下：

（1） 2000—2017年北三河流域平均土壤保持量为5.90×108t，其年际变化呈现微弱减少趋势，减少率为0.03×108t·a-1。实际土壤侵蚀量与潜在土壤侵蚀量变化趋势与土壤保持量相似，均呈现微弱减少趋势，减少率分别为6.31×104t·a-1和0.03×108t·a-1。

（2） 北三河流域多年平均实际土壤侵蚀量与潜在土壤侵蚀量分别为0.07×108t和5.08×108t。实际土壤侵蚀以微度和轻度侵蚀为主，但潜在土壤侵蚀的数量与强度都较为严重，研究区存在强烈侵蚀隐患。

（3） 北三河流域土壤保持量空间分布表现为北高南低的空间分布特征，北部高植被覆盖度的山区平均土壤保持量高达493.30 t·hm-2·a-1，土壤保持量减少较多且集中，减少量普遍超过30 t·hm-2·a-1，而南部耕地及居民区平均土壤保持量仅为1.87 t·hm-2·a-1，且土壤保持量变化较小（±10 t·hm-2·a-1）。

（4） 北三河流域单位面积土壤保持能力较强的为林地（350.49 t·hm-2·a-1）和草地（213.41 t·hm-2·a-1），而耕地（40.30 t·hm-2·a-1）、水域（22.35 t·hm-2·a-1）、未利用地（17.02 t·hm-2·a-1）和建设用地（10.80 t·hm-2·a-1）均较弱。2000—2015年各土地利用类型的单位面积土壤保持量均呈下降趋势，尤其是林地，其次为草地和耕地。