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基于InVEST模型的长江河流流域水土保持评价

摘要：研究和揭示土壤流失的空间分布在水土保持中发挥重要作用。在这项研究中，地理信息系统（GIS）技术和生态系统服务综合评估和权衡工具（InVEST）模型使用了土壤流失量和土壤保持能力评估长江上游主要生态系统（UYRB）。结果表明：（1）年度潜在水土流失为

92.92times;108 t/年。年平均土壤损失面积低于500km²/年占有35.08％，高于500km²/年占有36.8％。 （2）年实际水土流失为12.30times;10⁸t，轻度和中度的土壤流失占多数，大约为68.15％处于中等程度。 （3）年度土壤保持年均为80.61times;10⁸t，主要个体生态系统的百分比如下：森林占46.11％，草地占24.21％。森林生态系统在土壤保持方面做得最好。

关键词：长江上游（UYRB），USLE，GIS，水土流失，土壤保护

1介绍

土壤侵蚀永远是长江上游生态环境破坏最严重的问题之一。 严重的水土流失不仅限制了长江上游地区的经济和社会发展，而且对长江中下游河道防洪和水资源综合利用带来不利影响。 根据2000年土壤侵蚀遥感调查数据，UYRB土壤侵蚀面积（中等强度侵蚀面积）为43.83times;10⁴ km²，占长江上游地区面积的43.6％^[2]。 研究和揭示土壤侵蚀分布特征和原因，将对防治上长江水土流失发挥重要作用。

传统的土壤侵蚀调查方法耗时长，难以正确评估中大流域水土流失。 使用模型大规模评估土壤流失是一个很好的方法，然而，它们中的大多数存在着不同程度的复杂性。斯坦福大学，世界自然基金会（WWF）和跨国公司（The Nature Conservancy）发展的生态系统服务和权衡综合评估模型（nVEST）^[3]是一个简单实用的数学模型。 其模拟效果精度高，输出量大，易于理解。 在本研究中，以GIS为研究平台，根据实际情况，选择合理参数，采用InVEST模型评估潜在的土壤侵蚀和实际土壤侵蚀量，计算长江上游地区中不同生态系统的土壤保持量。 揭示土壤侵蚀分布特征，为发展土地利用规划，流域生态系统管理提供参考，为政府部门的重大决策提供科学依据。

2研究区

长江，中国最长的河，其源自青藏高原，从源头到宜昌市的上游，位于24°00rsquo;到35°00rsquo; 和90°00rsquo;到112°00rsquo;E 。长江包括闽江，嘉陵江，吴江等支流；长度为4511km，约占长江总长的70％。 主要流经青海，西藏，云南，四川，湖北，重庆等城市，流域面积105.4times;10⁴km²，占长江流域的58.9％。

长江上游地区跨越中国的第一和第二梯度。 其特征是地形大，海拔差异大，气候特征多样，气候特征丰富，降水充沛但分布不均，土壤类型多样，土壤稀薄。 所有这些特征都可能导致严重的土壤侵蚀。世界上最重要的生态环境问题可以在全国范围内找到，这是全国的缩影。

3方法与数据

在InVEST模型中，土壤保持量通过量的差异来测量潜在和实际的水土流失。 差值是由下式计算：

Ac = Ap – Ar

式中 Ac 为土壤保护量， Ap为潜在的水土流失，Ar为实际水土流失。

在该模型中，USLE方程^[4]评估了潜在和实际的水土流失，其发展利用了美国农业部农业研究局收集的实验现场观察40多年的数据。 USLE方程描述为：

A = R times; K times; LS times; C times; P

式中A为水土流失，R为降雨侵蚀因子，K为土壤侵蚀因子，LS为地形因子，C为地表利用状况，P为实际保护因子。

这个方程是基于美国大量实验的经验模型。 所以，当这个模型在中国使用时，关键是选择正确的公式来计算其因子的值。根据实际情况，潜在的土壤侵蚀意味着裸露的土地流失，没有保护处理。所以，C因子和P都是不变的。

1. 降雨侵蚀

根据张文波等的研究，在不同类型降水数据下估算的降水侵蚀性不同。 比较了降雨侵蚀力年均降水量，平均每日降水量，年降水量，月降雨量的五种模型，每日降水侵蚀模型明显优于其他四个模型。 每日降水侵蚀模型的方程式描述如下：

式中为第一个半月的侵蚀性，K为半个月的日期，半个月来的第一次侵蚀性降雨，为平均每日降雨量，为年平均降雨量。

使用361个气象站的降水资料2005年UYRB计算降雨侵蚀性公式，然后通过GIS空间分析插值结果得到整个盆地降水侵蚀性图。结果表明，在西北和北部UYRB，降雨侵蚀度最弱，，四川盆地及周边地区降水侵蚀性最大。

B. 土壤侵蚀因子

通过以下方式来计算K：

式中SAN为土壤含沙量，SIL为淤泥含量，CLA为粘土含量，C是碳含量，根据式子，用土壤类型数据进行土壤测量数据的计算研究区域的K因子。

C. 地形因子

用DEM计算LS因子，方程：

式中，为坡长，在该模型中计算斜率长度的方法是根据DEM数据，根据梯度比修改流向，然后使用修改的流向来提取坡度长度。 最终获得LS因子的分布图。

D．作物管理因素（C）和保护实践因子（P）

作物管理因子（C）是在相同的降雨条件下，在相同的土壤和坡度下，从特定条件下的耕地到土地损失的土壤损失的预期比例。 保护作业因子（P）是土壤流失的一个特殊支撑因子，与上下坡耕作相对应的损失有关。当地面完全暴露时，C为1; 当地面覆盖良好时，C接近0，可以给出最小值。 虽然值在0和1之间，但是有大的幅度。 当地面没有采取任何水保护措施，P为1。在本研究中，植被类型和土地覆盖数据的研究区域和一些相关文献资料[9-13]用于计算作物管理因子（C）和保护实践因子（P）（表1）。

表1 UYRB不同类型土地利用的C和P因子值

4结果与讨论

基于ArcGIS的空间分析功能，InVEST模型和上述公式计算和输出潜在的土壤侵蚀，实际土壤侵蚀和土壤保护分布图。 此外，据水利部发布的“土壤”侵蚀分类标准“（SL190-96），排名土壤侵蚀，得到土壤侵蚀强度的空间分布。具体细节参见表和图：

表2 UYRB的土壤流失和土壤保持

图1不同程度的土壤流失和土壤保持面积百分比

1. 潜在的土壤侵蚀

年度潜在水土流失量为92.92times;108 t yr^-1年平均土壤流失为9555.01 t km^-2 yr^-1。 年平均土地损失面积在500 km^-2 yr^-1以下的面积占35.08％，5000 km^-2 yr^-1以上的面积占36.8％（表2）。 图2是潜在土壤侵蚀的分布图。在三峡库区，四川盆地及其云南东北部的山区，由于陡坡和高原雨量，土壤侵蚀非常容易，土壤流失强度最大; 其值超过5000 t km^-2 yr^-1。 四川丘陵地区，平均潜在水土流失大，达到2500t km^-2 a^-1以上。 在长江上游地区的北，西北，相对平坦的地形，降雨量较少，潜在的土壤侵蚀较低; 其值小于2500 t km^-2 a^-1。

图2 UYRB平均每年潜在水土流失空间分布

1. 实际土壤侵蚀

年实际水土流失量为12.30times;108 t yr^-1，年平均土壤流失为1250.70 t km^-2 yr^-1。 轻度和中度的土壤流失占多数，其中流域面积的68.15％被认为处于适度侵蚀阶层。

图3 UYRB年平均实际水土流失空间分布

1985年长江水土保持委员会调查资料显示，本研究结果表明，固体物质平均寿命为15.68times;108 t yr^{-1 [18]}。 主要原因是：（1）USLE模型无法计算其他类型的侵蚀水分侵蚀。 （2）在研究区域，土壤侵蚀类型多种多样，如水土流失，沟壑侵蚀，冻融侵蚀，重力侵蚀等，但侵蚀类型为水土流失，因此在此计算了水土流失。 （3）近年来，国家对水土保持重视，已经制定了许多保护农业生态环境的法律法规，如转基因耕地，退耕还草，耕地等措施。 长江土壤养护，减少土壤进入河流。

1. 土壤保护

土壤保持的空间分布如图4所示。 年度土壤保持量为80.61times;108t yr^-1，区域差异显着。 四川盆地东北部及四川西南部的周边山区，土壤保持能力强。 那是因为虽然这些地区潜在的水土流失很大，但是水土保持覆盖面也很高，实际的水土流失很低。然而，在四川丘陵地区，由于高密度种群，高栽培指数的地广泛分布 土壤保持能力较弱。长江上游地区的西北部，土壤保持能力最强。 主要原因是侵蚀占据了高原寒冷地区（这里是高原寒冷地区），但在这个研究中只是计算了水蚀。 在江苏南部，土壤保持能力很强; 价值在5000 t km ^-2yr^-1和8000 t km ^-2yr^-1之间。

图4 UYRB平均年度土壤保持空间分布

D. 不同生态系统的土壤保持

不同生态系统的土壤保持功能通过叠加分析潜在的土壤侵蚀分布图，实际土壤侵蚀分布图和土壤保持分布图分别与土地利用图。

表3不同生态系统的土壤保持

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