青海省天保工程土壤保持效益评价研究

梁梓澳,王祥福,王维枫*,闫 珂,李愿会,董文婷,王荣女

(1.南京林业大学生态与环境学院,江苏 南京 210037;2. 国家林业和草原局西北调查规划院,旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室,陕西 西安 710048)

土地资源是人类社会赖以生存和发展的基本生产资料,土壤侵蚀导致土壤营养物质极大损失,对土地的破坏已经严重阻碍了人类社会的可持续发展[1-4]。目前众多学者基于广泛应用的通用土壤流失方程(universal soil loss equation,USLE)模型对不同区域尺度的土壤保持功能进行研究,如肖洋等[5]基于USLE模型估算重庆市的土壤侵蚀量和保持量;陆建忠等[6]将USLE模型和地理信息科学 (geographic information science,GIS)技术相结合,对鄱阳湖的土壤侵蚀量进行计算;杨波等[7]利用USLE模型定量评估退耕还林(草)工程在黄土高原核心区的土壤保持能力。

青海省境内山脉高耸、地形多样、土壤侵蚀严重,水土流失面积和土壤侵蚀强度还在不断增加[8]。为了保护天然林生态系统功能和结构的完整性,从根本上遏制生态环境恶化,自2000年开始青海省实施天然林保护工程(天保工程)。目前,学者对于青海省的水土保持相关研究集中在三江源、祁连山等地区,对青海省土壤保持量系统的评估研究较少,尤其对青海省对天保工程土壤保持功能的影响研究鲜见报道。鉴于此,本研究基于USLE模型和GIS技术,结合基础地理信息、降水量等数据,对降水、植被及地形等各影响因子进行量化,评估天保工程实施下青海省土壤保持量及其空间分布特征,分析土壤保持量与土地利用类型、行政区及地形等因子间的关系,为确定土壤保持关键因子及开展生态恢复与保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

青海省位于我国西北内陆(89°35′～103°04′E,31°36′～39°19′N),总面积72.23万km2,地形复杂。属青藏高原地域,平均海拔在3 000 m以上,西部海拔高峻,向东倾斜,呈梯形下降;东部地区为青藏高原向黄土高原过渡地带,海拔较低。青海省属高原大陆性气候,境内各地区年平均气温为-5.1～9.0 ℃,雨热同季,全省年降雨量呈现由东南向西北逐渐减少的趋势,年降水量为15～750 mm。青海省生态环境脆弱,拥有三江源、青海湖、祁连山等重要生态敏感区,是国家绿色发展生态轮廓中的重要一环,在全国生态文明建设中占据着重要地位[9]。

1.2 数据处理

1)土地利用数据。利用MODIS遥感影像进行监督分类,其结果根据野外调查数据进行精度检验,每期分类总体精度在85%以上,分辨率为1 km。本研究采用3级分类系统将土地利用形式分为11种,分别为耕地、乔木林地、灌木林地、疏林地、草地、水体、冰川及永久雪地、建设用地、裸地、荒漠化及沙化土地、湿地。

2)地形数据来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/),分辨率为1 km,用于获取地形参数。

3)降雨数据利用中国气象数据网(http://data.cma.cn/)提供的研究区域及周边37个气象站点的多年平均降雨量数据,运用ArcGIS 10.6对数据进行克里金插值,计算研究区降雨量空间数据。

4)土壤类型数据来自寒区旱区科学数据中心网站(https://geodata.pku.edu.cn/),分辨率为1 km,用于计算土壤可蚀性因子。所有图层分辨率统一为1 km,坐标系统一为WGS 1984 UTM Zone 47N。

1.3 通用土壤流失方程

运用通用土壤流失方程(USLE)进行评估,其基本形式如下:

A=R×K×L×S×C×P。

(1)

式中:A为土壤侵蚀模数,t/(hm2·a);R为降雨侵蚀力因子,(MJ·mm)/(hm2·h·a);K为土壤可蚀性因子,(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm);L、S为地形因子(L为坡长因子,S为坡度因子);C为植被覆盖及作物管理因子;P为水土保持措施因子。

降雨侵蚀力因子(R)是衡量由降雨形成的地表径流能够剥蚀和搬运土壤量多少的指标,为土壤侵蚀的外在动力,受降雨量、降雨动能等降水特性的影响[10-12]。采用降雨月值和年总降雨量计算R的方法,对气象数据采集要求较低且有较好的准确度[13]。

土壤可蚀性因子(K)表示土壤发生侵蚀的难易程度,反映土壤对侵蚀外营力剥离和搬运的敏感性[14-15]。采用Williams等[16]提出的EPIC模型,其模型由于K值计算公式使用方便而受到广泛应用。

地形因子分为坡长因子(L)和坡度因子(S)。坡度、坡长因子反映了地形起伏变化对土壤侵蚀速率的影响[17],坡度、坡长因子的计算使用Desmet等[18]提出的二维地表计算方法。

植被覆盖及作物管理因子(C),在通用土壤流失方程中定义为有植物覆盖或者有作物管理的土地土壤流失量与相同条件下无管理措施的土地土壤流失量之比[19-20],取值为0～1,即植被覆盖度因子与土壤侵蚀模数成反比。采用查表赋值的方法对不同土地利用类型进行赋值,根据土地利用类型,查找相关地区文献[21-23]得到青海省植被覆盖度因子赋值表(表1)。

表1 青海省植被覆盖及作物管理因子和 水土保持措施因子参数

水土保持措施因子(P)是指在其他条件相同的情况下,实施了水土保持措施的地块土壤侵蚀量与标准小区土壤侵蚀量的比值[1],取值为0～1。本研究结合土地利用类型查找文献[21-23],获得不同土地利用类型的P因子值(表1)。

潜在土壤侵蚀量(Ac)是指在无植被和作物覆盖,无水土保持措施的情况下的土壤侵蚀量,即C因子和P因子都赋值为1,此时潜在土壤侵蚀量方程式中不予采纳植被覆盖及作物管理因子C和水土保持措施因子P。具体表达式为:

Ac=R×K×L×S。

(2)

由式(2)和式(1)相减可计算出土壤保持量,即潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量之差。

本研究通用土壤流失方程中唯一变量为2000—2020年的土地利用变化,经由不同地类赋值得到植被覆盖及作物管理因子(C)和水土保持措施因子(P),以此评估青海省天保工程土壤保持效益。

2 结果与分析

2.1 青海省主要土地利用变化特征

研究发现,青海省主要土地利用类型以草地和裸地为主(图1a、1b)。在主要土地利用类型的面积转换中,2020年草地的面积为399 327 km2,占主要土地利用类型总面积的65.05%,草地在青海省各个地区均有大量分布,仅在西北地区分布较少(图1b)。2020年裸地面积为112 877 km2,占主要土地利用类型总面积的18.39%,裸地则主要分布于青海省西北地区。从空间上看,由于天保工程的实施,青海省东部大面积灌木林地和草地转化为乔木林地,来自草地和灌木林地的转入量占乔木林地全部转入量的90.87%(图1c),因此草地和灌木林地是乔木林地面积增长的主要来源。西北地区大面积的裸地转化为草地,该区域生态环境得到明显改善。由此看出,青海省林地面积显著增加,天保工程取得了明显的效益。

底图审图号:青S(2022)第029号。下同。The same below.图1 2000—2020年青海省土地利用变化情况示意Fig. 1 Land use change in Qinghai Province from 2000 to 2020

青海省2000—2020年的土地利用结构变化,主要表现在乔灌林地面积的扩张和裸地面积的减少(表2)。灌木林地面积增加最多,由2000年的35 283.74 km2增加到2020年的48 118.80 km2,增加了12 835.06 km2;乔木林地由2000年的4 479.03 km2增加到2020年的6 157.29 km2,增加了1 678.26 km2;裸地面积减少最多,由2000年的130 410.53 km2减少到2020年的112 876.80 km2,减少了17 533.73 km2。

表2 青海省2000—2020年主要土地利用类型转移矩阵

2.2 土壤保持变化分析

青海省2000年和2020年土壤保持量分别为3.942 30×109t和3.947 25×109t,20年间土壤保持总量增加了4.950×106t,天保工程的实施显著提高了青海省土壤保持功能。土壤保持量的变化主要受土地利用类型变化的影响[24],不同土地利用类型中植被覆盖度越高,单位面积土壤保持量就越高[25]。20年间,青海省乔木林地和灌木林地面积增长明显,因此土壤保持量增长显著(图2)。

图2 青海省土壤保持量空间分布Fig. 2 Spatial features of soil conservation in Qinghai Province

从空间上来看,2000年和2020年之间的土壤保持量总体分布格局相似。而土壤保持量空间分布不均,呈现东部和南部高、西北部低的态势。青海省南部和东部的主要土地利用类型为乔木和灌木林地,植被覆盖度较高,土壤保持量较高;而西北部以裸地和荒漠为主,植被覆盖度较低,土壤保持量较低。在中部地区裸地向草地的转化较显著,因此这部分地区的土壤保持量增加显著。

2.3 不同土地利用类型土壤保持特征

不同土地利用类型的单位面积土壤保持量不同(图3),单位面积土壤保持量最高的是乔木林地,2020年单位面积土壤保持量为413.73 t/hm2,远高于其他土地利用类型;耕地次之,2020年单位面积土壤保持量为129.47 t/hm2。20年间乔木林地和灌木林地的土壤保持量增加,裸地和草地的土壤保持量减少。灌木林地土壤保持总量增加最多,高达1.34×108t,乔木林地增加0.65×108t。由此可知,青海省土壤保持量的增长主要由于乔木林地和灌木林地面积的增加,天保工程的实施显著增强了青海省的土壤保持功能。

图3 2000和2020年青海省主要土地利用类型 土壤保持量及单位面积土壤保持量对比Fig. 3 The comparison of soil conservation amount and soil conservation per unit area of main land use types in 2000 and 2020

2.4 不同行政区土壤保持量时空分布特征

青海省不同州(市)土壤保持功能具有明显的差异(表3)。

表3 2000年和2020年青海省各州(市)土壤保持量

20年间,海东市、西宁市、海北州单位面积土壤保持量较高,这些州(市)均位于青海省东北部,林地面积占比大,植被覆盖度高,其中海东市最高。而海西州单位面积土壤保持量最低,海西州占地面积最大,但由于地处青海省西北地区,主要土地利用类型为裸地,林地面积占比极少。在20年土壤保持量的变化中,海东市、西宁市、海西州和黄南州由于林地面积大幅增加,土壤保持量增加较多。其中海东市由于乔灌林地面积增加量占海东市总面积的14.46%,其土壤保持量的增加量最多,增加了4.44×106t。青海省林地面积在空间上分布不均和州(市)面积差异是各州(市)土壤保持量差异巨大的根本原因。

2.5 地形因子土壤保持量时空分布特征

本研究利用自然间断点分级法对研究区的海拔进行分类,按间断点取整,将海拔分为[1 667,2 600 m)、[2 600,3 600) m、[3 600,4 600) m、[4 600,5 600) m、[5 600,6 445] m等5类。研究发现,20年间各海拔梯度的单位面积土壤保持量呈现随海拔升高而下降的趋势,海拔梯度[1 667,2 600) m的单位面积土壤保持量最高且远高于其他海拔分级,2020年为332.65 t/hm2,海拔梯度[1 667,2 600) m主要分布于青海省东部的小部分地区,这部分地区是乔木、灌木、疏林地分布最广的区域;海拔梯度[5 600,6 445] m的单位面积土壤保持量最低,2020年为22.22 t/hm2,高海拔地区位于青海省西南地区,其土地利用类型主要以荒漠化及沙化土地为主,导致单位面积土壤保持量最低。

根据《水土保持综合治理规划通则》[26],将地表坡度划分为6类,本研究在1 km尺度上没有出现≥35°的地带,因此在本研究中仅分为5类:微坡[0°,5°)、较缓坡[5°,8°)、缓坡[8°,15°)、较陡坡[15°,25°)、陡坡[25°,35°)等。单位面积土壤保持量随坡度的变大呈现增大的趋势,在坡度范围为较陡坡时单位面积土壤保持量变化量最大,为0.65 t/hm2。各坡度等级乔灌林地面积20年变化面积占总面积的比重也随坡度的增大而增大,乔灌林地的增加促使该坡度等级单位面积土壤保持量增加。在土壤保持量的年际变化中,所有坡度等级土壤保持量均以2020年较2000年增加,但不同坡度等级土壤保持量增加程度相差较大,其中微坡土壤保持量增加量最高,陡坡土壤保持量增加量最低,仅为53.82 t。不同坡度的坡面土壤保持增加量差异巨大,这与不同坡度等级的坡面类型面积大小和坡面乔灌林地面积占比变化量有直接关系。

3 讨 论

自天保工程实施以来,青海省土地利用类型发生巨大转变,在2000—2020年土地利用变化的总体趋势为乔灌林地的扩张和裸地面积的减少,森林面积大幅度增加。三江源地区处于青海省南部,与青海省情况相似,在本研究中提取三江源地区的土壤保持量与其他学者对三江源地区的研究结果相似[21, 27-30]。陶蕴之等[31]通过对西南地区天保工程进行生态成效评估发现,西南4省市天保工程年均植被覆盖度显著增加;胡会峰等[32]在中国天然林保护工程固碳能力的估算中,全国各地开展的天保工程为森林面积增长做出了巨大的贡献,这与天保工程实施的初衷相吻合。本研究与以上学者研究结果接近,这表明基于USLE模型的本研究计算结果是比较可靠的。

在天保工程实施的20年间,青海省土壤保持量增加了4.950×106t,森林生态系统逐渐恢复了土壤的水土保持功能,与肖洋等[5]基于USLE模型在重庆市开展的土壤侵蚀研究中得出的结论一致。森林生态系统在土壤保持中发挥了巨大的作用,改善了土壤流失状况,生态系统功能得到一定的修复,生态功能得到提升[5]。肖玉等[22]研究了青藏高原生态系统的土壤保持功能并评价了经济价值,结论中指出假如没有森林,人们至少需要花费395.66元/(hm2·a)去获取相等的土壤保持效益。刘璨等[33]以座谈和问卷调查的方式评估了四川省两县天保工程的生态、社会、经济效益,森林功能的发挥在土壤保持方面存在一定的政策时滞,但总体水土流失面积明显减少。不同土地利用类型之间的土壤保持能力有所不同。其中,乔木林地和灌木林地的土壤保持能力高于其他土地利用类型。这与孙文义等[34]在黄土高原不同生态系统的水土保持服务功能评价中对于不同土地利用类型土壤保持能力的观点一致。乔灌林地是青海省土壤保持量增加的主导类型,在实施了天保工程之后乔灌林地面积显著增加,有效地提升了青海省植被覆盖度和土壤保持量。在不同地理条件和行政区下,海东市、海拔梯度[1 667,2 600) m和较陡坡的生态系统土壤保持效果较好,值得重点保护,而对土壤保持较差的海西州、海拔梯度[5 600,6 400] m和微坡等生态系统需要进行针对性的治理,在合理的范围内防治土壤侵蚀。

青海省裸地、荒漠化及沙化土地面积庞大,容易发生土壤颗粒受风力影响的搬运、迁移和沉积。风力侵蚀容易导致土地退化,加剧荒漠化及沙化土地的扩张。由于本研究重点探究青海省天保工程引起的土地利用变化进而影响土壤保持功能,并没有考虑到天保工程对于防风固沙的影响。因此,在今后的研究中还需加强对青海省风力侵蚀时空变化格局以及生态工程对于防风固沙影响的研究。鉴于本研究所使用的USLE模型中植被覆盖及作物管理因子、水土保持措施因子的取值通常借鉴综合相关区域(例如三江源区)的研究,可能不适应于青海省全省的实际情况,未来研究仍需继续完善相关参数的量化。

天保工程的实施明显地改变了青海省的土地利用类型,提高了植被覆盖度,充分发挥森林在水土保持中的生态功能,减少了水土流失,20年的土壤保持量增加显著,在土壤保持方面起着巨大的积极作用。经过20多年的生态修复,青海省西北部分区域仍然存在生态环境脆弱、土壤侵蚀严重的现状,故应继续加强水土保持的治理,因地适宜地推动天保工程的发展,使天保工程的生态效益发挥到最大。在今后天保工程的实施中,应重点关注乔灌林地的土壤保持能力,在乔灌林适生区不断增加乔灌林地面积占比,提高各区域土壤保持能力,降低土壤侵蚀程度,提高环境质量。