生态学报  2014, Vol. 34 Issue (12): 3198-3210

文章信息

喻锋, 李晓兵, 王宏
YU Feng, LI Xiaobing, WANG Hong
生态安全条件下土地利用格局优化——以皇甫川流域为例
Optimization of land use pattern based on eco-security:a case study in the huangfuchuan watershed
生态学报, 2014, 34(12): 3198-3210
Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(12): 3198-3210
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201307011807

文章历史

收稿日期:2013-7-1
修订日期:2014-2-24
生态安全条件下土地利用格局优化——以皇甫川流域为例
喻锋1, 2, 李晓兵1 , 王宏1    
1. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室, 资源学院, 北京 100875;
2. 国土资源部信息中心, 国土资源部国土资源战略研究重点实验室, 北京 100812
摘要:在人类活动导致的生态环境问题中,土地利用格局变化对区域生态安全起着决定性作用。选择我国乃至在世界上都罕见的多沙、粗沙、强烈水土流失的黄河皇甫川流域作为研究区域,针对土壤侵蚀和生态用水这两大影响流域生态安全的关键问题,开展土地利用变化模拟、土壤侵蚀3S监测、适宜植被盖度估算、土壤侵蚀情景模拟、土地利用格局优化等方面的综合研究。结果表明:(1) 土地利用格局变化是导致土壤侵蚀变化的重要因素。从1987年到2015年,建筑用地、林地和灌丛面积增加,水域、沙地和裸砒砂岩面积减少,导致流域年平均土壤侵蚀模数由16160.72 t km-2 a-1降至9710.72 t km-2 a-1。(2) 土地利用类型与土壤侵蚀模数密切相关并存在一定规律。6种不同土地利用类型多年平均土壤侵蚀模数的大小顺序为:裸砒砂岩 > 沙地 > 耕地 > 草地 > 林地 > 灌丛,表明灌、林措施是流域植被恢复和土壤侵蚀减少的首选。(3) 土地利用结构和空间格局优化有助于提升区域生态安全水平。在优化格局下,2007年和2015年土壤侵蚀模数比优化前分别减少5469.57 t km-2 a-1和5432.77 t km-2 a-1,优化后2015年土壤侵蚀模数仅为4277.95 t km-2 a-1,低于流域自然侵蚀临界值或允许土壤侵蚀模数5300 t km-2 a-1,优化土地利用格局成为加强流域生态环境建设的重要途径。
关键词生态安全    土地利用    土壤侵蚀    适宜植被盖度    格局优化    
Optimization of land use pattern based on eco-security:a case study in the huangfuchuan watershed
YU Feng1, 2, LI Xiaobing1 , WANG Hong1    
1. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, College of Resources Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
2. Information Center of Ministry of Land and Resources, Beijing 100812, China
Abstract:In terms of ecological and environmental problems caused by human activities, changes in the pattern of land use play a decisive role in regional eco-security. In recent years, ecological considerations have been an important limiting factor and optimization goal, with the concept of eco-security reflected in land use pattern optimization. Supported by 3S technology, we chose the Huangfuchuan watershed of the Yellow River basin as the study area-a rare, sandy, gritty, intense erosion area of the world, where soil erosion and ecological water are important factors determining regional eco-security. Here we carried out comprehensive research that involved the monitoring and forecasting of change in land use, soil erosion simulation, estimation of appropriate vegetation coverage, and optimization of land use. The results were as follows. (1) Over the last 10 years, there has been a general change in land use in the Huangfuchuan watershed, with the proportion of construction land, woodland, cropland and shrub increasing gradually over time (although the rate of increase has slowed), and the proportion of water, grassland, sand and bare rock decreasing, most markedly in water resources. During this course of development, the watershed pattern of land use has been under tremendous pressure from the conflict between rapid urbanization, economic development and the conservation and rebuilding of the ecological environment. This scenario looks set to continue for some time in the future, and moreover, the distinct decline in water area would be the main obstacle in the above conflict. (2) Change in the pattern of land use was an important factor in the course of soil erosion, the annual modulus of soil erosion decreased rapidly from 16160.72 t/km2 in 1987 to 9710.72 t/km2 in 2015. To a degree, soil erosion was closely related to type of land use. According to the annual modulus of soil erosion in the same year, different types of land use impacted on soil erosion with the following order of magnitude: bare rock > sand > cropland > grassland > woodland > shrub, indicating that woodland and shrub were the preferred measures for vegetation restoration and a reduction in soil erosion. Furthermore, the alteration of sand and bare rock would be critical to the comprehensive control of soil erosion, a fact that could not be ignored. (3) The effect of soil and water conservation has been significant over the last 10 years; however, owing to the high proportion of sand and bare rock and the proliferating cropland in the watershed, the annual modulus of soil erosion remained higher than the permissible degree of soil erosion, namely 5300 t/km2. Land use pattern optimization can help to improve ecosystem services in the Huangfuchuan watershed, and achieve the goal of promoting eco-security. After optimization, the annual modulus of soil erosion could decrease by 5469.57 t/km2 and 5432.77 t/km2 in 2007 and 2015, with 4277.95 t/km2 in 2015, which is considerably below the permissible degree of soil erosion. Generally, our paper has emphasized the impact of different types and patterns of land use on soil erosion, highlighted the adjustment or optimization in pattern of land use, and suggested improvements in the scientific assessment of soil erosion for the simulation and forecasting of land use change, which has broad future applications.
Key words: eco-security    land use change    soil erosion evaluation    appropriate vegetation coverage    pattern optimization    

随着全球性环境问题的日益显著,生态安全问题越来越受到人类的普遍关注。近十多年来,国内外生态安全研究主要集中在基因工程生物的生态风险与生态安全、生态入侵、生态系统健康评价、生态安全评价方法及模型和生态安全预警等方面[1]。区域生态安全状况受自然因素和人类活动双重影响,而在人类活动导致的生态环境问题中,土地利用变化过程又对区域生态安全起着决定性作用[2]。从土地利用或土地生态系统视角来探讨区域生态安全问题,成为土地利用/覆盖变化研究和生态安全研究的热点。

土地利用格局优化,即不同类型土地利用单元在时间和空间尺度上的优化配置,可以协调生态效益、经济效益和社会效益三者之间的关系。长期以来,土地利用格局研究侧重于对土地利用类型和数量的优化配置以实现经济效益的最大化,即追求生态安全中的经济生态安全目标。近年来,生态因素已成为土地利用优化配置的重要约束条件和优化目标,生态安全的理念也开始在土地利用结构优化中得以体现:Herrmann等[3]应用系统工程方法,从土壤肥力、地下水质量、地表水、群落生境和景观五方面选取指标作为生态约束条件,开展乡村土地利用结构优化设计;Makowski等[4]以欧共体农用土地资源面临的最主要的污染问题为导向,以氮流失量最小为规划目标,建立了欧共体农业土地利用结构优化模型;徐学选等[5]应用线性规划模型,以土壤侵蚀量作为生态约束条件,探讨了黄土丘陵区生态建设中农林牧土地结构的优化模式;林彰平[6]提出了生态安全条件下土地利用模式优化研究的概念框架,并采用灰色线性规划模型,探讨了东北农牧交错带土地利用结构优化方法;刘艳芳等[7]对基于绿当量的最佳森林覆盖率标准的生态优化方法进行了探讨,对土地利用优化中关于生态标准的量化研究有着重要的启发意义;苏伟等[8]建立了土地利用格局优化模拟模型LUOS,基于GLP方法和CA模型,得出了中国北方农牧交错带在6种情景下的土地利用优化方案;吕红峰等[9]对呼伦贝尔沙地北部海拉尔沙带的土地利用进行了生态安全评价和优化,建立了海拉尔沙带生态安全条件下的土地利用结构优化方案;粱伟恒等[10]运用主成分分析法、聚类分析法和灰色线性规划法,提出了重庆市开县的土地利用优化模式。

为此,本文选择我国乃至在世界上都罕见的多沙、粗沙、强烈水土流失的黄河皇甫川流域作为研究区域,针对土壤侵蚀和生态用水两大影响流域生态安全的关键问题,以土地利用变化模拟、土壤侵蚀3S监测、适宜植被盖度估算、土壤侵蚀情景模拟、土地利用格局优化等为重点,开展生态安全条件下土地利用格局优化研究,有利于为合理开发国土空间、科学配置“三生”(生产、生活和生态)空间提供科学依据,对大力推进生态文明建设、实现区域可持续发展具有重要战略意义。

1 研究区

皇甫川流域位于E110.3°—111.2°,N39.2°—39.9°之间,地跨鄂尔多斯高原与黄土高原,流域全长约125 km,总面积约为3240 km2。皇甫川流域属温带半干旱大陆性气候,年平均气温6.2—7.2 ℃;年平均降雨量在379—420 mm之间,主要集中在夏季,6—8月份的降雨量占总降水量的61%。流域内砒砂岩大面积裸露,原生植被破坏殆尽,再加上较大的地势高差和较强的暴雨冲刷导致水土流失十分严重,年平均向黄河输送约0.5 亿t泥沙,深刻影响着当地的生态环境和农牧业生产条件。土壤母质类型为砒砂岩土类、黄土类、风沙土类、冲积土类,分别占流域面积的39.8%、41.3%、17.0%、1.9%,土壤类型相应为栗钙土、黄绵土、风沙土、草甸土和潮土,其中大部分属于易侵蚀类型,这也决定了该区域的土壤侵蚀比较强烈。

皇甫川流域属于农牧交错带,主要的土地利用类型为耕地、草地和林地,形成了以草地利用为主、耕地镶嵌、小片林地星散分布、侵蚀沟网嵌套的土地利用格局。其中,流域中西部和北部人口较为稀少,又有大面积连片分布的天然草地,适合于开展草地畜牧业;而东南部人口相对稠密,具备了开展农业生产的劳动力资源,加之地形破碎、土地开垦程度高,经济发展以农业为主。耕地主要集中在流域内沙圪堵乡、纳林乡与府谷县境内,其中坡耕地占到耕地总面积的46%,但大多数坡耕地土壤含水量差、淋溶作用强、土壤肥力低、平均单产低。

2 方法 2.1 土地利用变化模拟 2.1.1 数量结构——Markov模型

作为一种基于栅格的空间概率模型,在假设当前社会经济模式发展不变情况下,通过计算土地利用变化的转移概率矩阵,Markov(马尔柯夫)模型可以预测特定情景下土地利用数量的未来变化趋势。传统的Markov模型可表示为:

式中,P(0)和P(n)分别表示初始时刻和任何时刻土地利用的状态概率向量;P为土地利用类型之间相互转化的转移概率矩阵,也可以把它看成是多个时段的平均转移概率向量,即:

式中,P1…Pn为各个时段的转移概率矩阵,n1…nn为各个时段的步长。

本文通过计算1987—1995年、1995—2000年、2000—2007年3个时段的平均转移概率矩阵,预测未来直至2015年皇甫川流域土地利用的变化趋势。

2.1.2 空间格局——Bayes模型

Bayes(贝叶斯)模型能弥补Markov模型不能准确刻画未来土地利用空间格局的缺陷。基于Bayes最大似然概率原则,该模型考虑某一栅格转化为不同土地利用类型的可能性,从而最终确定土地利用的未来空间格局。其计算方法为:

式中,t时刻土地利用类型为i的栅格,在t+Δt时刻转化为类型j的概率;P j,t 为t时刻此栅格周围土地利用类型j的分布概率;Pij为土地利用类型i转变为j的转移概率;Qijt时刻此栅格周围土地利用类型ij的共生概率。

本文采用5×5的栅格窗口计算每一栅格转变为不同土地利用类型的概率,基于“耕地—草地—灌丛—林地—水域—建筑用地—裸砒砂岩—沙地”的顺序,按照概率的高低依次确定各土地利用类型栅格的空间位置,直至满足Markov模型预测后的数量要求为止,最终确定皇甫川流域2015年土地利用空间格局。

2.2 土壤侵蚀变化模拟[11]

黄土高原地区地表破碎且降雨集中,水蚀起着关键作用;此外,重力侵蚀与水蚀相互复合,也是造成当地沟蚀强烈的重要动力。研究成果表明[12, 13]:水蚀和重力侵蚀约占皇甫川流域土壤侵蚀总量的83%;其中,当坡度小于35°时,重力侵蚀可以忽略不计,而当坡度大于35°时,重力侵蚀才显著增大,约为水蚀量的30%。因此,基于计算土壤水蚀的USLE(通用土壤侵蚀方程),皇甫川流域土壤侵蚀模型的表达式为:

式中,E为年均土壤侵蚀量(t hm-2a-1);R为降雨侵蚀力因子(MJ mm hm-2 h-1 a-1);K为土壤可蚀性因子(t hm2 h hm-2 MJ-1 mm-1);L为坡长因子;S为坡度因子;C为地表覆盖因子;P为水土保持措施因子;θ为地表坡度。

上述6个参数分别有不同的计算方法(表 1)。在预测未来土地利用情景下的土壤侵蚀时,参数C是在未来时点土地利用格局和现状时点植被盖度状况的基础上得到的,参数R则采用流域的多年平均值。

表 1 皇甫川流域土壤侵蚀模型参数计算[13, 14, 15] Table 1 Parameters calculation of soil erosion model in Huangfuchuan watershed
参数 Parameters计算方法 Methods for calculation说明 Illumination
降雨侵蚀力因子
Rainfall wash factor
R=2.18P-51.45P为降雨量
土壤可蚀性因子
Soil erodibility factor
K={0.2+0.3exp[-0.0256Sd(1-Si/100)]}×[Si/(Cl+Si)]0.3×{1.0-0.25C/[C+exp(3.72-2.95C)]}×[1.0-0.7(1-Sd/100)]/{1-Sd/100+exp[-5.51+22.9(1-Sd/100)]}Sd为砂粒含量;Si为粉粒含量;Cl为粘粒含量;C为有机碳含量
坡长因子
Slope length factor
λ为任意坡长小区的水平投影长度
坡度因子
Slope factor
S1=0.0974θ1.30
S2=0.774θ1.45 ;
S3=65.41sin2θ+4.56sinθ+0.065
θ为坡度;S1为黄土坡地的坡度因子;S2为砒砂岩坡地的坡度因; S3为其他类型坡地的坡度因子
地表覆盖因子
Steepness factor
V为年平均植被盖;C1为耕地的地表覆盖因子;C2为林地、灌丛和草地的地表覆盖因子
水土保持措施因子
Soil and water conservation
practice factor
草地 0.3
灌丛 0.3 坡面水平沟、鱼鳞坑等水保措施
林地 0.2
水域 0
建筑用地0
裸砒砂岩1 无水保措施
沙地 1
耕地 0.75 非等高耕作
等高耕作
0.6>10°
0.55°—10°
0.3 <5°
2.3 适宜植被盖度计算[16, 17]

皇甫川流域属于干旱半干旱地区,水分是植物生长的主要限制因子。经过长期的水土流失综合治理,流域植被盖度有明显增加,但随之植被需水量也日益增加。因此,植被与水的矛盾,即水分生态安全成为影响流域生态安全的重要因素。研究流域的水分生态安全,应考虑目前植被的正常生长能否维持或能维持多久,不同林、灌、草等土地利用配置模式的水分丰欠差异,以及主要植物种的种群密度是否合理等。适宜植被盖度是指在适宜的状态下,即植物群落的水分输入和输出达到平衡时,群落中主要植被的盖度。研究适宜植被盖度是解决水分生态安全问题的重要突破口,有助于优化皇甫川流域的能量流动和物质循环,缓解水土流失。

皇甫川流域乔灌木和半灌木的适宜植被盖度的计算公式为:

皇甫川流域小半灌木和草本植物的计算公式为:

式中,冠幅面积是当植物冠幅的垂直投影区为椭圆形时所对应的面积。

单位土壤面积上的有效水分值按两种假设条件计算:(1) 无效降水量及蒸发量占降水量的10%,其余降水量均可被植物利用,无地下水补给;(2) 无效降水量及蒸发量占降水量的10%,年降水量的20%作为径流流失,无地下水补给。

2.4 土壤侵蚀情景模拟

将皇甫川流域土地利用的可能情景简化为全林地、全灌丛、全草地、全耕地这4种单一类型覆盖格局,分别模拟其在植被覆盖现状和水分平衡(即各植被类型盖度为其适宜植被盖度)条件下所对应的土壤侵蚀,从而为下一步基于土壤侵蚀量进行土地利用格局空间优化提供定量依据。主要步骤包括:

(1) 从现有植被类型与盖度出发,分别计算出各栅格单元在全林地、全灌丛、全草地、全耕地4种情况下的土壤侵蚀。

(2) 根据其现有水分条件和植被的实际蒸腾量,分别推算各栅格单元作为林地、灌丛、草地和耕地时各自的适宜盖度(采用2.3的计算结果)。

(3) 根据适宜植被盖度的计算结果,分别计算出水分平衡条件下不同土地利用格局情景下(全林地、全灌丛、全草地、全耕地)所对应的土壤侵蚀模数。

2.5 土地利用格局优化 2.5.1 土地利用类型总量控制

土地利用类型的总量控制主要考虑四个方面的约束条件:一是强制约束性因素,即要满足强制性边界条件要求,如湿地、森林公园、地质公园等自然保护区(本文不存在),以及湖泊和水库等不允许或不能进行覆被调整的地区;二是政策导向性因素,如坡度大于25°的陡坡耕地实施退耕还林还草及城镇扩展等规划建设用地需求等;三是经济协调性因素,即要满足粮食安全、畜牧业和林果业发展、增加农民纯收入等的要求,既确保较为稳定的耕地面积,同时适当提高林地、草地的比例;四是生态保障性因素,即满足生态优化和生物多样性要求,如考虑林地、灌丛、草地的适宜比例,同时减少裸砒砂岩和沙地的面积。

2.5.2 土地利用类型空间优化

空间格局优化主要依据图像中各栅格单元对不同覆被类型的归属概率而进行。归属概率是指某一栅格,从有利于生态安全(本文主要考察减少土壤侵蚀)的角度出发,转化为不同植被类型的可能性,其计算方法如下[18]

式中,Pij·k是栅格(i,j为行列号)转化为k种覆被类型时的归属概率;k表示可能的植被覆盖类型(k=1,2,3,4,分别对应于林地、灌丛、草地和耕地);Sk表示栅格为k种类型时对应的可能的土壤侵蚀模数;RN代表对于约束条件N的标准化值,WN是该因素的权重(N=1,2,3,4);是一系列二值变量的乘积,表示对地表覆被类型改变的各种强制性约束因素,如果Cr=0,则该单元可能是河流、湖泊或其它被保护土地,假定它们在模型中不发生变化。

土地利用类型空间优化的具体步骤如下:

(1) 首先维持现有的水域空间格局不发生变化,同时满足对建筑用地空间分配的预期要求。

(2) 从流域现有植被覆盖与土地利用类型出发,推算水分供给条件,以此作为进行土地覆盖优化布局的关键约束因子之一。

(3) 对于25°以上的坡地,根据其现有水分条件和植被实际蒸腾量,分别推算栅格作为林地、灌丛、草地时各自的覆盖度,并且确保其盖度不超过各自类型的适宜盖度。从减少土壤侵蚀模数的角度,分别计算出栅格被赋于上述3种类型的归属概率。

(4) 同理,对于25°以下的坡地,推算栅格为林地、灌丛、草地、耕地时各自覆盖度,并分别计算出栅格被赋于上述四种类型的归属概率。

(5) 按照不同土地利用类型的赋值顺序(耕地-草地-灌丛-林地),在适宜盖度范围内按各栅格的归属概率从大到小进行属性分配,直至满足各土地利用类型的总量控制条件为止。

(6) 将剩余的栅格赋值为沙地和裸砒砂岩,考虑其原有空间位置及土壤侵蚀模数大小以满足总量控制所确定的面积。

(7) 考察优化后的土地利用格局所对应的土壤侵蚀模数和植被盖度,讨论是否满足生态安全条件。

3 结果及分析 3.1 土地利用变化

从1987年到2007年(表 2图 1),流域土地利用发生了显著变化:灌丛、林地和建筑用地面积均呈现持续增长,所占比例分别增长了11.96、4.93和0.12个百分点,而主要位于流域中部的裸砒砂岩和沙地面积则持续减少,到2007年所占比例分别下降至13.11%和1.37%,表明经过近20年的水土保持综合治理,流域生态恢复的效果明显;城镇化和经济发展也推动了建筑用地的剧烈扩张;水域面积由8.05%减至2.06%,减少了194.08 km2,对流域未来植被恢复以及农业生产等极为不利。此外,由于不合理的土地利用行为不断加剧,流域西北部草地面积大幅减少,转变为沙地或者造成砒砂岩裸露。从2007年到2015年(表 2图 1),建筑用地和耕地的面积仍将以26.67%和14.89%的速度保持增长,而水域面积则继续缩减,进一步加深人-水、畜-水矛盾,成为阻碍当地经济发展、社会安定和生态恢复的瓶颈性因素;沙地和裸砒砂岩面积存在反弹趋势,流域生态环境可能面临再次恶化的局面。

图 1 皇甫川流域1987—2015年土地利用格局 Fig.1 Land use patterns from 1987 to 2015 in Huangfuchuan watershed 1987、1995、2000和2007分别为当年的土地利用现状格局,2015(F)为2015年土地利用预测格局
表 2 皇甫川流域土地利用变化模拟与预测 Table 2 Simulation and forecasting of land use change in Huangfuchuan watershed
土地利用类型
Land use type
19871995200020072015
比例/%
Proportion
比例/%
Proportion
Δ1987—
1995
/%
比例/%
Proportion
1995—
2000
/%
比例/%
Proportion
2000—
2007
/%
比例/%
Proportion
2007—
2015
/%
林地Woodland3.545.0843.506.8033.868.4724.567.55-10.86
灌丛Shrub25.8833.3828.9834.232.5537.8410.5537.02-2.17
草地Grassland35.6230.89-13.2827.07-12.3727.531.7026.29-4.50
耕地Cropland5.958.8749.0811.0925.039.47-14.6110.8814.89
沙地Sand5.994.73-21.044.17-11.841.37-67.152.93113.87
裸砒砂岩Soft rock14.9414.19-5.0213.68-3.5913.11-4.1713.180.53
建筑用地Construction land0.030.0566.670.0980.000.1566.670.1926.67
水域Water8.052.81-65.092.872.142.06-28.221.96-4.85

从土地利用类型间变化来看(表 3图 1),建筑用地扩张主要是通过占用灌丛和草地而来,而对耕地的占用相对较少,说明当地重视耕地保护的同时把建筑用地的需求转移到灌丛和草地上面;林地面积增加159.73 km2,灌丛对其贡献最大,其次是裸砒砂岩和草地,反映出在流域综合治理中发展林果业成效不错,其中灌丛和草地上主要栽种经济林,裸砒砂岩则以生态林为主;减少的水域主要转变为耕地、草地和裸砒砂岩,表明流域降水条件并不理想,同时大面积的植被恢复也消耗了大量的水分;而对裸砒砂岩的治理基本上灌、草措施为主,同时加强耕作措施的维护。此外,沙地的治理效果也非常明显,其中有144.37 km2的沙地被治理成草地。

表 3 皇甫川流域土地利用变化年平均转移概率矩阵 Table 3 Annual mean matrix of land use change in Huangfuchuan watershed
土地利用类型
Land use type
林地
Woodland
灌丛
Shrub
草地
Grassland
耕地
Croplan
沙地
Sand
裸砒砂岩
Soft rock
建筑用地
Construction
land
水域
Water
林地Woodland0.214540.367010.126430.076700.009660.198670.000370.00662
灌丛Shrub0.084140.496980.177100.130970.027960.070690.000860.01130
草地Grassland0.034110.282860.478480.042610.044560.101580.000270.01553
耕地Cropland0.095450.387170.099510.335730.006530.057260.000580.01777
沙地Sand0.023410.338100.391700.031360.173970.037810.001420.00223
裸砒砂岩Soft rock0.055490.212700.270590.029680.003630.413240.000410.01426
建筑用地Construction land0.018250.087020.079850.015850.007750.082170.695490.01362
水域Water0.040720.198240.199640.097720.009510.098940.000480.35475
3.2 土壤侵蚀变化

1987年、1995年、2000年、2007年和2015年的年平均土壤侵蚀模数分别为16160.72、14939.42、13943.32、11354.03 t/km2和9710.72 t/km2。在此基础上,根据《土壤侵蚀分类分级标准(SLl90—2007)》[19]进行土壤侵蚀强度划分。

从1987年到2000年(表 4图 2),微度侵蚀和轻度侵蚀的面积分别由1066.15 km2和558.85 km2增加到了1546.16 km2和704.85 km2,中度侵蚀一直到极剧烈侵蚀的面积都呈减少态势,流域南部地区剧烈侵蚀和极剧烈侵蚀的面积显著减少,均反映出水土流失综合治理取得良好成效。从2000年到2015年(表 4图 2),微度侵蚀面积持续减少,轻度侵蚀面积比例在22%上下波动,虽然两者面积总和在2015年将保持在2016.58 km2,但流域总体生态环境仍比较脆弱:中度、强度和剧烈侵蚀面积均有所回升,三者之和将超过总面积的四分之一。

表 4 皇甫川流域土壤侵蚀变化情况 Table 4 Soil erosion change in Huangfuchuan watershed
侵蚀等级
Erosion class
19871995200020072015
面积/km2
Area
比例/%
Proportion
面积/km2
Area
比例/%
Proportion
面积/km2
Area
比例/%
Proportion
面积/km2
Area
比例/%
Proportion
面积/km2
Area
比例/%
Proportion
微度侵蚀
Weak erosion
1066.1532.911170.61 36.13 1546.1647.721331.32 41.09 1288.55 39.77
轻度侵蚀
Slight erosion
558.8517.25717.01 22.13 704.8521.76750.71 23.17 728.03 22.47
中度侵蚀
Moderate erosion
520.1516.05532.98 16.45 349.1110.78499.28 15.41 506.41 15.63
强度侵蚀
Intensive erosion
301.079.29211.90 6.54 98.263.03184.35 5.69 211.25 6.52
剧烈侵蚀
Very intensive erosion
246.637.61115.02 3.55 71.742.2195.58 2.95 147.09 4.54
极剧烈侵蚀
Severe erosion
547.1516.89492.48 15.20 469.8814.50378.76 11.69 358.67 11.07
图 2 皇甫川流域1987—2015年土壤侵蚀格局 Fig.2 Soil erosion patterns from 1987 to 2015 in Huangfuchuan watershed 1987、1995、2000和2007分别为当年的土壤侵蚀现状格局,2015(F)为2015年土壤侵蚀预测格局

从不同土地利用类型的年平均土壤侵蚀模数来看(表 5),从1987年到2007年,除沙地的侵蚀模数增长80.42%外,其余均呈下降态势,其中裸砒砂岩减少了15467.27 t/km2,其次为草地和灌丛,分别减少了1250.44 t/km2和1047.50 t/km2,林地则减少了996.21 t/km2。到2015年,虽然沙地和裸砒砂岩的受蚀程度明显减弱,但耕地和草地的侵蚀模数将出现大幅反弹,林地和灌丛也将回复到2000年的水平。此外,6种不同土地利用类型多年平均土壤侵蚀模数的大小顺序为:裸砒砂岩>沙地>耕地>草地>林地>灌丛,表明灌、林措施是流域植被恢复和土壤侵蚀减少的首选,草地减蚀的效果也比较明显,而沙地尤其是分布面积较广的裸砒砂岩则是水土流失综合治理的难题和关键。

表 5 皇甫川流域不同土地利用类型年平均土壤侵蚀模数 Table 5 Annual mean modulus of soil erosion of different land use types in Huangfuchuan watershed (t km-2 a-1)
年份
Year
林地
Woodland
灌丛
Shrub
草地
Grassland
耕地
Cropland
沙地
Sand
裸砒砂岩
Soft rock
19872441.402217.433092.543125.3629178.6081677.53
19951434.981314.842006.702768.6744814.4879961.91
20001996.411576.442694.582874.8633070.0878179.74
20071445.191169.931842.102603.6952645.2166210.26
20151990.071464.593332.244057.6015568.8452316.37
年平均值Annual mean1861.611548.652593.633086.0435055.4471669.16
3.3 适宜植被盖度

经初步计算,皇甫川流域不同植被类型的适宜植被盖度为[6]:杨树37%—48%,油松36%—47%,沙柳46%—59%,柠条43%—55%,沙棘61%—79%,百里香68%—87%,沙打旺50%—65%,羊柴为54%—69%。根据本研究的具体目标,选定研究区4种主要的土地利用类型的植被适宜盖度为:林地42%,灌丛55%,草地77.5%,耕地40%,其中耕地的适宜植被盖度是通过与研究区其它植被类型生态用水的比较来进行估算的[7]

3.4 土壤侵蚀情景

从土壤侵蚀情景模拟结果来看(表 6),随着流域植被盖度的增加(2007年流域植被盖度约为40%,低于林、灌、草、耕各单一类型的适宜植被盖度),单一土地利用覆盖类型下流域的土壤侵蚀模数显著减小,其中草地和灌丛的提升空间较大,主要是因为其现有盖度与适宜盖度之间差异明显,且面积比例较大的缘故;其次为耕地,而林地通过增加植被盖度来减少土壤侵蚀的效果最差。虽然水分平衡条件下现状格局比土地利用现状格局的土壤侵蚀减少了近3900 t km-2 a-1,但仍远高于流域自然侵蚀临界值或土壤允许侵蚀量5300 t km-2 a-1,表明只提高植被盖度,而不从数量和空间位置上对土地利用进行调整,无法满足实现控制水土流失的生态安全目标。

表 6 皇甫川流域不同土地利用格局土壤侵蚀模数 Table 6 Modulus of soil erosion of different land use patterns in Huangfuchuan watershed
不同土地利用格局
Different land use pattern
土壤侵蚀模数/(t km-2 a-1)
Modulus of soil erosion
全林地+现有植被盖度格局
Pattern covered with woodland and realistic vegetation coverage
2042.79
全灌丛+现有植被盖度格局
Pattern covered with shrub and realistic vegetation coverage
3064.19
全草地+现有植被盖度格局
Pattern covered with grassland and realistic vegetation coverage
4085.57
全耕地+现有植被盖度格局
Pattern covered with cropland and realistic vegetation coverage
6183.55
全林地+适宜植被盖度格局
Pattern covered with woodland and suitable vegetation coverage
1352.90
全灌丛+适宜植被盖度格局
Pattern covered with shrub and suitable vegetation coverage
2029.35
全草地+适宜植被盖度格局
Pattern covered with grassland and suitable vegetation coverage
2705.80
全耕地+适宜植被盖度格局
Pattern covered with cropland and suitable vegetation coverage
3342.21
水分平衡条件下现状格局(土地利用现状+适宜植被盖度)
Pattern covered with realistic land use and vegetation coverage
7476.71
土地利用现状格局(土地利用现状+现有植被盖度)
Pattern covered with realistic land and vegetation coverage
11354.03
3.5 土地利用优化

2007年优化前后(表 7图 3),皇甫川流域土地利用格局由“灌—草—裸岩”型转变为优化格局下的“灌—草—耕”型,裸砒砂岩和沙地面积均减少了45%以上,草地和耕地则呈增加态势。从空间上看,流域中部的沙地基本上被草地所代替,中南部裸砒砂岩则大部分被治理成灌丛;东部灌丛变得相对破碎,而草地在其间隙中得到了较好的恢复和扩展;耕地则主要是依靠河道向两侧扩张。从效果上看,优化后流域土壤侵蚀模数由11354.03 t km-2 a-1减至5884.46 t km-2 a-1,考虑到生态恢复和重建周期长、难度大的特点,优化效果良好,但仍高出流域允许土壤侵蚀模数。

表 7 优化前后皇甫川流域土地利用格局及其土壤侵蚀模数 Table 7 Land use patterns and modulus of soil erosion before and after optimization in Huangfuchuan watershed
土地利用格局
Land use pattern
林地
Woodland
/%
灌丛
Shrub
/%
草地
Grassland
/%
耕地
Cropland
/%
沙地
Sand
/%
裸砒砂岩
Soft rock
/%
建筑用地
Construction
land
/%
水域
Water
/%
土壤侵蚀模数
Modulus of
soil erosion/
(t km-2 a-1)
2007年现状格局
Realistic pattern in 2007
8.4737.8427.539.471.3713.110.152.0611354.03
2007年优化格局
Optimized pattern in 2007
7.3837.8434.210.520.747.110.152.065884.46
2015年预测格局
Prediction pattern in 2015
7.5537.0226.2910.882.9313.180.191.969710.72
2015年优化格局
Optimized pattern in 2015
10.537.0230.529.241.98.570.192.064277.95
图 3 皇甫川流域1987年和2015年土地利用和土壤侵蚀优化格局 Fig.3 Optimized patterns of land use and soil erosion in 1987 and 2015 in Huangfuchuan watershed 2007(O)和2015(O)分别为2007年和2015年的土地利用和土壤侵蚀优化格局

2015年优化前后(表 7图 3),皇甫川流域土地利用格局将由预测格局下的“灌—草—裸岩”型转变为优化格局下的“灌—草—林”型,裸砒砂岩和沙地面积减幅均在35%左右,林地则有近40%的快速增长。从空间上看,草地在流域北部和东侧面积有所增加;除在原有中西部地区有所扩张外,城镇居民点周围开始出现分布较为集中的林地;河道两侧的耕地则继续减少。对比2015年优化前后土地利用格局的土壤侵蚀模数可以发现,在加强林、灌、草植被建设(包括尽量增加其面积比例和满足其适宜植被盖度),适当缩减耕地面积,优化土地空间布局的基础上,土壤侵蚀模数降为4277.95 t km-2 a-1,低于流域允许土壤侵蚀模数,表明土地利用格局优化明显改善了生态环境状况,初步实现了流域生态安全的目标。

4 结论

基于土地利用/覆盖变化与适宜植被盖度,本文对皇甫川流域不同土地利用情景下的土壤侵蚀进行了定量评价,进而提出包括总量控制和空间配置在内的土地利用格局优化模式,较好地实现了以减少土壤侵蚀、增加植被覆盖为目标的区域生态安全。主要结论如下:

(1) 土地利用结构与植被覆盖变化是导致流域土壤侵蚀变化的重要因素。从1987年到2015年,随着建筑用地、林地和灌丛面积持续增加,水域、沙地和裸砒砂岩面积不断减少,年平均土壤侵蚀模数由16160.72 t km-2 a-1降至9710.72 t km-2 a-1;在水分平衡条件下,若使各主要植被类型达到其适宜植被盖度,2007年土壤侵蚀模数将由11354.03 t km-2 a-1降至7476.71 t km-2 a-1。两者仍远高于流域自然侵蚀临界值或土壤允许侵蚀量5300 t km-2 a-1,表明单纯调整土地利用数量结构或提高植被覆盖水平,而不从数量、空间、覆盖状况同步对土地利用进行调整,不能完全满足实现遏制流域水土流失的生态安全目标。

(2) 土地利用类型与土壤侵蚀密切相关并存在一定规律。皇甫川流域6种不同土地利用类型多年平均土壤侵蚀模数的大小顺序为:裸砒砂岩>沙地>耕地>草地>林地>灌丛,表明灌、林措施是流域植被恢复和减少土壤侵蚀的首选,草地减蚀的效果也比较明显,而沙地尤其是分布面积较广的裸砒砂岩则是土壤侵蚀综合治理的难题和关键。

(3) 土地利用格局优化有助于改善生态系统功能与服务,实现流域生态安全目标。在优化格局下,2007年和2015年皇甫川流域土壤侵蚀模数比优化前分别减少了5469.57 t km-2 a-1和5432.77 t km-2 a-1;2015年优化后,流域土地利用格局由“灌—草—裸岩”型转变“灌—草—林”型,土壤侵蚀模数仅为4277.95 t km-2 a-1,已经实现了低于流域允许土壤侵蚀模数的目标。

5 讨论

(1) 在土壤侵蚀模拟过程中,由于缺乏相关数据和野外实验的支持,某些参数的选取采用了前人在黄土高原其它地区的研究成果,虽然模拟精度仍有待提高,但对土壤侵蚀的总体趋势变化不会产生大的影响;而在预测过程中,由于无法获取流域未来时点下的植被盖度状况,2015年土壤侵蚀预测结果会有所偏差。

(2) 在适宜植被盖度估算中,文本仅对单一植被类型的适宜盖度进行了模拟,考虑到皇甫川流域存在的植被混合分布情况,下一步应该对由不同植被种类组成的植被群落适宜盖度进行分析和模拟。

(3) 在土地利用格局空间优化过程中,不同土地利用类型的分配顺序会对土地单元空间位置的确定产生影响,进而影响到土壤侵蚀模数的计算。本文采用的“耕地—草地—灌丛—林地”的分配顺序,基本上满足了流域生态安全目标实现过程中的“先生存条件安全、后生态环境安全”的要求,但就不同分配顺序对优化过程所产生的影响及其现实意义仍可作进一步的探讨。

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