干旱内陆河流域土壤保持服务流空间模拟——以石羊河流域为例

生态系统服务流在供给端与受益端之间建立时空连接，对生态系统服务的形成、输送、转化和维持有重要作用，其空间量化研究有利于系统地揭示生态系统服务转移过程，然而目前静态的生态系统服务评估研究忽略了由供给区与受益区在空间上的不均衡特征所引起的生态系统服务流动，降低了生态系统服务在生态保护建设工作中的指导作用。本文以石羊河流域为研究区，利用GIS空间分析技术结合地表过程模型，在空间上对土壤保持服务流进行量化模拟，绘制其流动路径和方向，进行空间描述，分析其时空变化特征。结果显示：2005–2020年，石羊河流域土壤保持服务流量呈南高北低的空间格局，流量波动上升，呈上游缓慢增长，中下游逐渐退缩的变化特征。土壤保持服务流总量为114.27–206.53万t，在时间上表现为先减后增的变化趋势，在空间上由东南向西北汇流。流域下游的土壤保持服务流逐渐退缩，上游缓慢增长。流域水土保持服务流路径短，受益区位于中上游，供应区域与受益区域交叉分布。草地是石羊河流域水土保持服务流的主要贡献者。本研究有助于从空间上精准地评估实际生态系统服务，对实施生态系统保护、生态补偿等生态管理政策具有重要意义。

石羊河是中国西北典型的内陆河，长约250 km，发源于祁连山北麓，由西大河、东大河等8条河流汇流形成。流域范围介于37°02′–39°17′N，100°57′–104°12′E，北邻巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠，南靠祁连山脉，东接黄河流域，西临黑河流域，面积约4.12万km²。流域地势南高北低，自西南向东北倾斜。属于典型的温带大陆性气候，年均气温2~8 ℃，年降水量50~700 mm，年蒸发量700~2600 mm。

图1 研究区概况图

本文使用的方法框架如图2所示。

图2  研究框架

1 土壤保持服务量计算

采用RUSLE来估算研究区潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量之差, 即土壤保持量。潜在土壤侵蚀量为没有植被覆盖和任何水土保持措施时的土壤侵蚀量；实际土壤侵蚀量为考虑地表植被覆盖和水土保持措施下的土壤侵蚀量，具体估算方法和计算过程详见原文。

2 土壤保持服务空间流动模拟

不考虑河道侵蚀以及重力侵蚀等，根据各栅格的土壤保持服务和泥沙运输能力，以实际可被输移的土壤保持服务为土壤保持服务流量（由于土壤保持服务而实际被避免产生并运往下游的量）。泥沙在到达河流前，先被地上径流携带，从较高的地方移动到较低的地方，然后汇入河流，被携带到中下游，所以河道为土壤保持服务流的最主要载体，因此，水流路径即为土壤保持服务流动路径，其径流流向则为主要流向。

由于泥沙的可传输量并不只和立地产沙量有关，还取决于运输能力，因此，本文以二者最小值为实际可传输量。输沙能力采用WaTEM/SEDEM模型中的计算公式：

传输能力系数Ktc指的是均一坡度和径流条件下产生足够的泥沙以达到栅格传输能力所需的上坡距离。其值由Ktc_high和Ktc_low两个参数构成。Cs¹³⁷示踪法得到的土壤侵蚀量是多年平均数值，与本文需求不符，遂选择流域观测数据，将土地利用数据划分为具有Ktc_high的低植被覆盖类型（耕地、建设用地、未利用地、水域）和具有Ktc_low的高植被覆盖区（林地、草地）来试验适合石羊河流域的传输能力系数。利用试错法，结合前人研究经验，在[0, 50]这一区间手动改变这两个参数值，计算不同组合下的研究区产沙量，并通过Nash-Sutcliffe效率系数NS，与水文站观测值来判定组合是否满足需求。

1 土壤侵蚀量时空分布特征

1.1 潜在土壤侵蚀量

石羊河流域潜在土壤侵蚀严重的区域主要分布在上游以及流域西侧的山区，中下游的潜在土壤侵蚀状况良好（图3）。2005–2020年，石羊河流域潜在土壤侵蚀的空间分布变化不大，西侧山区在2005–2015年间潜在侵蚀程度略有减轻，而上游在2015–2020年间潜在侵蚀程度有一定的恶化，特别是祁连山区，剧烈侵蚀区域面积有扩张趋势。

图3 2005–2020年石羊河流域潜在土壤侵蚀分布

1.2 实际土壤侵蚀量

实际土壤侵蚀格局与潜在土壤侵蚀格局大致相同，主要集中在2个区域（图4）：西部龙首山地区和南部祁连山地区。侵蚀量较高的区域在空间上相对集中，轻度侵蚀区域则零散分布于龙首山南北两侧。2005–2020年，石羊河流域实际侵蚀量空间分布差异变化较小，大多都表现为先降低后上升的趋势，东北部的侵蚀状况有明显改善。至2020年，流域东北部基本都降为微度侵蚀，仅有流域东南部部分区域由微度侵蚀上升至了轻度侵蚀，古浪县的水土流失风险有加剧态势。

图4 2005–2020年石羊河流域实际土壤侵蚀分布

2 土壤保持量时空分布特征

图5为石羊河流域土壤保持服务空间分布图，可以看出，2005–2020年，土壤保持服务空间分布大体呈现出南高北低的分布态势，地表植被覆盖度相对偏高是这些地区土壤保持服务量较高的主要原因。

图5 2005–2020年石羊河流域土壤保持服务分布

2005–2020年，石羊河流域的土壤保持保有率逐年增长，与流域的土壤保持总量和单位面积土壤保持量变化趋势截然不同。这意味着石羊河流域真实的土壤保持能力是持续缓慢增长的。在空间分布上，土壤保持服务保有率基本格局与土壤保持服务量一致，均为南高北低（图6）。

图6 2005–2020年石羊河流域土壤保持服务保有率分布

3 泥沙传输能力

2005–2020年，石羊河流域的泥沙传输能力为南高北低的空间格局（图7）。石羊河流域的平均泥沙传输能力持续降低，且降幅较大，泥沙传输能力整体得到削减，在2020年又有一定的回升。传输能力主要受降雨侵蚀力因子的影响，它的大小和空间分布格局与降雨关系密切，降雨势能越大，能够搬运泥沙的能力就越强。上游的降水呈先减少后增加的趋势。此外，尽管下游的降雨逐年减少，但由于其以沙地为主，即使降水量发生变化，搬运作用力也非常弱，对研究区的土壤保持服务传输作用较小。下游以沙地为主，搬运作用力非常弱，即使降雨逐年减少，降水量发生变化，对研究区的土壤保持服务传输作用较小。

 图7 2005–2020年石羊河流域泥沙传输能力空间分布

4 土壤保持服务流时空特征

4.1 土壤保持服务流在栅格与子流域尺度的流向与路径

自然条件下，泥沙以水为介质，水资源的流动性使得泥沙能够随地形从上游经过流动区到达下游，对流动区及下游带来危害。土壤保持服务流随着自然流动的水完成服务的传输过程。流动路径为空间上纵横密布的河网。栅格尺度下的流向为基于DEM的自然流向（图8），子流域尺度的流向为其在空间上有上下游关系的主要河道的流向（图9）。

图8 栅格尺度土壤保持服务流流向示例

图9 子流域尺度土壤保持服务流流向示意

4.2 土壤保持服务流流量时空变化特征

土壤保持服务流中的减轻泥沙淤积服务流的流量为区域因自身土壤保持功能的发挥而减少向其它区域的泥沙输出量，从而减少其它区域因泥沙淤积造成的损害，传输的不是直接给予的物质，而是减少的向下游流动的泥沙量。

在流动模式下（图10），石羊河流域土壤保持服务沿自然水流向下游流动。土壤保持服务流总量呈先增后减再增的波动变化趋势。

图10 2005–2020年石羊河流域土壤保持服务流空间分布

2005–2020年，下游的土壤保持服务流在空间上出现显著的退缩，至2020年，下游民勤县境内几乎全部降至10 t·km^-2以下，而上游西侧的流量有大量的斑块呈现减少趋势，东侧呈增加趋势（图11）。

图11 2005–2020年石羊河流域土壤保持服务流空间变化

5 土壤保持服务流供给区与受益区的空间格局与空间关系

在分别综合考虑泥沙输入减少量和泥沙输出减少量的分布情况后，采用调整过的分位数法，对石羊河流域土壤保持服务供给区和受益区进行级别划分（图12、图13）。

图12 2005–2020年石羊河流域土壤保持服务供给区

图13 2005–2020年石羊河流域土壤保持服务受益区

有部分区域既属于供给区也属于受益区，进行提取之后得到图14，将供给量大于受益量的区域记为净供给区，其给下游带来的土壤保持服务效益大于接收的来自上游的效益，反之记为净受益区。

图14 2005–2020年石羊河流域土壤保持服务受益区

(1) 2005年至2020年期间，石羊河流域的土壤保持服务储量在2.1124万至3.818万吨之间波动。这表明其随时间的变化趋势为先下降后上升，并且南部的集中度较高，北部的集中度较低。上游的高植被覆盖区是主要的高价值区。在同一时间跨度内，土壤保持率从25.65%增长至26.27%，空间上保持相对稳定。流域生态系统的土壤保护作用正逐步增强。
     (2) 2005年至2020年期间，石羊河流域的土壤保持服务流量从东南部向西北部汇集。研究期间的流量在114.27万至2065.3万吨之间波动，呈现出先增长、后减少、然后再次增加的模式。超过90%的土壤保持服务流量发生在上游，高价值区经历了显著的增长，而无流量区迅速减少。供应和受益区域在地理上是分离的，传输路径相对较短。
      (3) 模拟结果准确地描绘了干旱内陆河流域生态系统服务为人类带来福祉的整个地理过程，追踪了人类在微观层面上实际享受到的福利。宏观规划和准确实施分别受益于在网格尺度上的过程建模研究结果和在区域尺度上的宏观评估研究结果。