ＤＯＩ：１０．３９６９／Ｊ．ＩＳＳＮ．１６７２ ７９８３．２０２１．０１．０１０
朱建佳１ａ，彭晓伟１ｂ，刘耀亮１ｃ，刘金铜２
（１河北科技师范学院ａ园艺科技学院，ｂ农学与生物科技学院，ｃ工商管理学院，河北秦皇岛，０６６６００；
２中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心） 摘要：为系统了解太行山区土壤侵蚀与土壤保持的空间分布特征及影响因素，应用ＩｎＶＥＳＴ模型模拟太行山
区的土壤侵蚀与土壤保持现状，并分析了土壤保持与土地利用类型、海拔、坡度等影响因素的相关关系。结果
表明：（１）２００５～２０１４年，太行山区多年平均土壤侵蚀总量为０．３７×１０８ｔ，平均土壤侵蚀强度为４．３ｔ／ｈｍ２，全
区侵蚀强度以微度和轻度为主，空间上土壤侵蚀强度自南向北逐渐增高；（２）２００５～２０１４年，太行山区土壤保
持总量平均为４．５８×１０８ｔ，单位面积土壤保持量为４０．２２ｔ／ｈｍ２；（３）太行山区土壤保持服务高值区主要集中
在海拔和坡度较大的高山区，土地利用类型以林地和草地为主，该区域同时也是土壤侵蚀相对严重区；在合理
保护高山区土壤保持服务的基础上，提高中低山区土地利用的空间异质性，有利于水土流失的缓解。我们爱讲冷笑话
关键词：太行山区；土壤侵蚀；土壤保持；影响因素；ＩｎＶＥＳＴ模型
中图分类号：Ｓ１５７．１ 文献标志码：Ａ文章编号：１６７２ ７９８３（２０２１）０１ ００５８ ０９
早在２０世纪６０年代，美国水土保持学家Ｗｉｓｃｈｍｅｉｅｒ率先提出了通用土壤流失方程（ＴｈｅＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｏｉｌＬｏｓｓＥｑｕａｔｉｏｎ，ＵＳＬＥ），对区域土壤侵蚀和生态系统服务的研究具有重大意义［１］。该方程经过２次修正后得到修正的通用土壤流失方程ＲＵＳＬＥ，与ＵＳＬＥ的结构相同，但引入了土壤侵蚀过程的概念，改进了各因子的含义和算法，因而使用 范围更加广泛［２］。然而，ＲＵＳＬＥ只有在美国境内参数才不用调整，且忽略了上游地块自身的泥沙截留能力。由美国斯坦福大学、大自然保护协会和世界自然基金会共同开发的生态系统服务价值与权衡综合评价工具———ＩｎＶＥＳＴ模型（ｔｈｅＩｎｔｅｇｒａｔｅＶａｌｕａｔｉｏｎｏｆＥｃｏｓｙｓｔｅｍＳｅｒｖｉｃｅｓａｎｄＴｒａｄｅｏｆｆｓＴｏｏｌ），旨在通过模拟不同土地利用下生态系统服务物质量和价值量的变化，为决策者权衡人类活动的影响和效益提供科学依据。ＩｎＶＥＳＴ模型的出现，弥补了ＵＳＬＥ和ＲＵＳＬＥ的上述缺陷。
近年来，ＩｎＶＥＳＴ模型已经广泛应用到我国不同地区土壤保持模拟的研究中。例如，李苒［３］研究表明，榆林市土壤保持效益与土地利用方式、流域内部地形地貌、生态系统类型、植被覆盖等因素有很大关系；王敏等［４］发现，福建宁德水土保持功能与社会经济发展密切相关；智长贵等［５］对河南淅川县土壤保持功能进行评估，得出有林地土壤保持量最大、未成林地土壤保持量最小的结论；陈童尧等［６］分析了不同土地利用、海拔高度、坡度以及土壤类型下祁连山国家级自然保护区的土壤保持状况，得出草地和栗钙土的土壤保持量最高。以上研究表明，土壤侵蚀与土壤保持的空间分布特征受多种人为和自然因素的影响，然而，这种空间异质性以及影响因素在山区表现尤为明显和复杂。因此，笔者拟在以上研究的基础上，探究山区土壤保持的垂直分布特征，试图明晰其与土地利用、地形等因素的相关关系。
太行山是我国华北地区主要山系之一，由于太行山的特殊地理位置，人口急骤增加，工农业的发展和
战争的连年爆发，原始森林破坏殆尽，造成该区生态环境恶化，水土流失严重，自然灾害频繁。源自太行山的诸河流，雨季水势猛，泥沙含量高，酿成泥沙泛滥；旱季又干旱无雨，河流干涸，造成该区农业生产长期低而不稳，对华北平原和京津地区的经济建设和安全带来极大的威胁［７］。本次研究以太行山区为研究区域，利用ＩｎＶＥＳＴ模型探究太行山区的土壤保持空间分布特征及其影响因素，并分析空间上的土壤侵蚀强度，有助于决策者明晰土壤侵蚀的主要影响因素，从而更好的防止水土流失，有利于区域生态
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（项目编号：２０１５ＣＢ４５２７０５）；河北省自然科学基金项目（项目编号：Ｄ２０２０４０７００２）；大学生创新创业训练计划项目（项目编号：２０１８０７）。
通讯作者，男，博士，研究员。主要研究方向：脆弱生态系统修复与生态工程。Ｅ ｍａｉｌ：ｊｔｌｉｕ＠ｓｊｚｉａｍ．ａｃ．ｃｎ。
收稿日期：２０２０ ０６ ０３；修改稿收到日期：２０２１ ０１ １１
系统平衡。
１ 研究区概况
太行山位于北纬３４°３５′～４０°１９′，东经１１０°１５′～１１６°２７′，包括山西、河北、北京、河南等省市共计１０１个县（区）（表１），海河和黄河２个一级流域，４个二级流域和１１个三级流域（表２），总面积１２．７８
万ｋｍ２（图１）。太行山地处我国中纬度的温带和暖温带，气候温和，降雨量集中，光照充足，属于大陆性气候［８］。太行山是一个以山地为主，拥有黄土丘陵、山间盆地分布的复合山地地貌，为综合发展农林牧
副生产提供了有利条件，同时也为林业发展提供了良好基地。太行山区土壤主要为褐土带，一般较低地带为山地褐土，海拔较高山地分布有淋溶褐土、山地棕壤及粗骨性土等，海拔２０００ｍ以上还分布有山地草甸土和亚高山草甸土。由于气候条件的分异，太行山植被从南到北也存在一定的差异，全区主要为
暖温带落叶阔叶林带［
７］
。表１ 太行山区行政区划
９
５ ４期 朱建佳等 基于ＩｎＶＥＳＴ模型的太行山区土壤侵蚀与土壤保持
图１ 太行山区位置及地形
表２ 太行山区一、二、三级流域
一级流域
二级流域三级流域海河
海河北系
北三河永定河下永定河上海河南系
大清河子牙河漳卫河黄河
龙门至三门峡
汾河
龙门至三门峡三门峡至花园口
沁丹河
三门峡至小浪底小浪底至花园口
２ 材料与方法
２．１ 数据来源
本次研究使用的ＴＭ卫星图像来源于美国地质调查局网站（ｈｔｔｐｓ：／／ｅａｒｔｈｅｘｐｌｏｒｅｒ．ｕｓｇｓ．ｇｏｖ／），采用
目视解译得到研究区土地利用图，数据精度为８７．９６％。３０ｍ分辨率ＤＥＭ来源于地理空间数据云（ｗｗｗ．ｇｓｃｌｏｕｄ．ｃｎ／），用于研究区地形分析和流域划分。２００５～２０１４年日降水量来源于中国气象数据网（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｍｉｃ．ｃｎ／），用于计算降水侵蚀力因子Ｒ。土壤机械组成、有机碳含量来源于国家地球系统科学数据中心（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｅｏｄａｔａ．ｃｎ／），用于计算土壤可蚀性因子Ｋ。典型流域径流输沙量来源于《中华人民共和国水文年鉴》，用于土壤保持模型结果的验证。２．２ ＩｎＶＥＳＴ模型原理
应用ＩｎＶＥＳＴ模型以及ＡｒｃＧＩＳ１０．５平台对太行山区的土壤侵蚀与土壤保持进行了模拟，土壤保持为栅格单元土壤潜在侵蚀减去实际侵蚀。土壤潜在侵蚀为裸地的土壤侵蚀量ＲＫＬＳ，其计算公式为：
ＲＫＬＳ＝Ｒ·Ｋ·ＬＳ
（１）土壤实际侵蚀为自然状态下的侵蚀量ＵＳＬＥ，其计算公式为：
ＵＳＬＥ＝Ｒ·Ｋ·ＬＳ·Ｐ·Ｃ
（２）ＳＲ＝ＲＫＬＳ－ＵＳＬＥ
（３）
式中：Ｒ为降雨侵蚀力因子［ＭＪ·ｍｍ／（ｈｍ
２
·ｈ）］；Ｋ为土壤可蚀性因子［ｔ·ｈ／（ＭＪ·ｍｍ）］；ＬＳ为地形因子；Ｃ为植被覆盖因子；Ｐ为水土保持措施因子；ＳＲ为土壤保持量（ｔ／ｈｍ２）；ｈ为时间。
２．３ 模型所需参数
２．３．１ 降雨侵蚀力因子Ｒ 采用基于日降水量的计算方法［９］
。
Ｍｉ＝α∑ｋ
ｊ＝１（Ｄｊ
）β
（４）
式中：Ｍｉ为第ｉ个半月时段的侵蚀力值；ｋ为该半月时段内的时间，Ｄｊ为半月时段内第ｊ天的侵蚀性日雨量，要求日雨量大于等于１２ｍｍ，否则以０计算；α和β为模型待定参数。分别以每个气象站资
料进行回归分析，由于不同站点得到的α和β不同，α和β
的公式为：α＝２１．５８６×β
－７．１８９１
（５）β＝０．８３６３＋１８．１４４×Ｐ－１ｄ１２＋２４．４５５×Ｐ－１
ｙ１２
（６）
式中：Ｐｄ１２为日降雨量≥１２ｍｍ的日平均雨量；Ｐｙ１２
为日降雨量≥１２ｍｍ的年平均雨量。２．３．２ 土壤可蚀性因子Ｋ 采用ＥＰＩＣ模型［
１０］
进行Ｋ值的计算。０
６河北科技师范学院学报 ３５卷
Ｋ＝０．２＋０．３ｅｘｐ－０．０２５６×ＳＡＮ１－
ＳＩＬ
()[
]{
}１００×ＳＩＬＣＬＡ＋()
ＳＩＬ０．３
×
１－０．０２５×
ＣＣ＋ｅｘｐ（３．７２－２．９５Ｃ[
]
）×１－０．７×
ＳＮ１
２２．９ＳＮ１－
５．()
欧v客车
５１（７）ＳＮ１＝
１－ＳＡＮ
１００
（８）
其中：
ＳＡＮ，ＳＩＬ，ＣＬＡ分别为沙粒、粉粒、粘粒的质量分数（％）；Ｃ为有机碳质量分数（％）。２．３．３ 地形因子ＬＳ 在地形要素中，坡度、坡长是形成有侵蚀能力径流的最主要因素，反映了地形地貌对土壤侵蚀的影响。ＬＳ指单位面积坡面流失与标准侵蚀小区（坡度为９％，坡长为２２．１２ｍ）的比值。
在小流域和区域尺度上，往往通过目标区域ＤＥＭ来提取该因子［１１］
。
对于坡度较缓的区域（＜２５％）：
ＬＳ＝ｆｌｏｗａｃｃ×ｃｅｌｌｓｉｚｅ２２．()１３ｍ×ｓｉｎ
ｓｌｏｐｅ×０．０１７４５
０．()０９
１．[]４
×１
．６ｍ＝０
．５（ｓｌｏｐｅ≥５．０％）０．４（３．５％＜ｓｌｏｐｅ＜５．０％）０．３（１．０％＜ｓｌｏｐｅ≤３．５％）０．２（ｓｌｏｐｅ≤１
．０％
）（９）
式中：
中国梦想秀2012
ｆｌｏｗａｃｃ为栅格的汇流量，用栅格数量表示；ｃｅｌｌｓｉｚｅ为栅格大小，本次研究为１ｋｍ２
；ｓｌｏｐｅ为坡度。对于坡度较陡的地区（≥２
５％）：ＬＳ＝０．０８λ０．３５×ｐｒｃｔｓｌｏｐｅ
０．６λ＝
ｃｅｌｌｓｉｚｅ（流向＝１，４，１６，６４）１．４×ｃｅｌｌｓｉｚｅ（其他流向{
）
（１０）
式中：ｆｌｏｗａｃｃ为栅格的汇流量，用栅格数量表示；ｃｅｌｌｓｉｚｅ为栅格大小，本次研究为１ｋｍ２
；ｍ为坡长指
数；ｓｌｏｐｅ为坡度；ｐｒｃｔｓｌｏｐｅ为栅格百分坡度。
２．３．４ Ｃ，Ｐ因子 植被覆盖因子Ｃ是在某种条件下有作物种植地块上的土壤流失量与对应的无作物种植地块上流失量的比值，一般介于０与１之间；
水土保持措施因子Ｐ指的是某种水土保持措施支持下的土壤流失量与对应的顺坡耕作条件下流失量的比值，一般介于０与１之间［１］
。Ｃ，Ｐ因子反映的是土
壤流失与地块种植的植被、作物以及地块管理措施等因素之间的关系。本次研究通过查阅文献［１１～１４］，得到太行山区Ｃ，Ｐ的取值。２．４ 模型验证
选取太行山区域内８个水文站对２００５～２０１４年平均输沙量进行了验证。结果表明，８个子流域的
模拟输沙量总和为１９．６１×１０４ｔ，实际观测的输沙量总和为１９．６７×１０４ｔ，仅相差０．０６×１０４ｔ，模拟效果较好（表３）。而且，模拟的输沙量数值与实际输沙量数值具有显著的线性关系（ｙ＝０．８４ｘ＋０．３８，Ｒ２＝
０．９８，Ｐ＜０．００１），故本次研究对于土壤侵蚀和土壤保持的模拟结果具有很好的参考价值。
表３ 太行山区域内８个水文站控制子流域的集水面积、实际输沙量与模拟输沙量
水文站集水面积／ｈｍ
２
实际输沙量／１０４
ｔ
模拟输沙量／１０４
ｔ
壶流河水库１７１７０．０００．７１中唐梅３４８０４．０６３．３６野沟门水库５０００．０００．２５朱庄水库１２２００．０００．２９济胜桥８９３９８．３４６．９７南庄１１９３６６．６２６．７５盘陀（三）５３３０．２５０．５９山路平（二）
３０４９生物技术的应用
０．４１
０．６８
１
６ ４期 朱建佳等 基于ＩｎＶＥＳＴ模型的太行山区土壤侵蚀与土壤保持
３ 研究结果
３．１ ＵＳＬＥ各因子空间分布特征
太行山区ＵＳＬＥ各因子均表现出明显的空间分异特征，其中降雨侵蚀力因子Ｒ受气候条件影响，自东南向西北逐渐降低（图２）；其余４个因子表现出随海拔发生变化的垂直地带性，并与土地利用类型密切相关。土壤可蚀性因子Ｋ，植被覆盖因子Ｃ随海拔升高而降低；地形因子ＬＳ，水土保持措施因子Ｐ随海拔升高而升高。ＵＳＬＥ五大因子的空间分异规律共同决定了太行山区土壤侵蚀以及土壤保持的空间分布特征。
图２ 太行山区ＵＳＬＥ各因子空间分布
３．２ 土壤侵蚀空间分布特征
２００５～２０１４年，太行山区多年平均土壤侵蚀总量为０．３７×１０
８ｔ，平均土壤侵蚀强度为４．３ｔ／ｈｍ２
2011江苏高考语文
。参照《土壤侵蚀分类分级标准（ＳＬ１９０—２００７）》可将土壤侵蚀强度分为微度、轻度、中度、强度、极强度、
剧烈共６个等级［凯夫拉纤维
１５］
。太行山区土壤侵蚀以微度和轻度为主，各等级土壤侵蚀面积从微度到剧烈在全区所占的比例分别为７１．０８％，２７．０１％，１．２２％，０．３６％，０．２３％，０．１０％。太行山区土壤侵蚀强度自南向
北逐渐增高，在县域尺度上，河北省邢台、行唐，河南安阳、孟州土壤侵蚀强度较低，均低于０．１２ｔ／ｈｍ２
；山西省繁峙、平顺、五台、左权等县土壤侵蚀强度较高，均超过９ｔ／ｈｍ２
。在一级流域中，海河流域土壤侵蚀强度较高，达到了３．８４ｔ／ｈｍ２；黄河流域较低，为２．０６ｔ／ｈｍ２
。二级流域土壤侵蚀强度由高到低顺序依次为：海河南系（４．１６ｔ／ｈｍ２），海河北系（２．７９ｔ／ｈｍ２），龙门至三门峡（２．２８ｔ／ｈｍ２
），三门峡至花园口（１．７７ｔ／ｈｍ２
）。三级流域中，位于太行山区东北部的子牙河、北三河、大清河土壤侵蚀强度较高，均高于４．４２ｔ／ｈｍ
２；太行山区东南部的沁丹河、小浪底至花园口土壤侵蚀强度较低，约为１ｔ／ｈｍ２（图３）。图３ 太行山区土壤侵蚀空间分布
２６河北科技师范学院学报 ３５卷
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