水土保持彈性景觀功能模型及應(yīng)用

楊碩果 劉江俠 吳卿

摘 要：為了給水電工程建設(shè)水土保持彈性景觀功能研究提供案例，運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)靜態(tài)研究思想和中性模型建模方法，以土壤流失量、生態(tài)保護(hù)指標(biāo)、凈第一性生產(chǎn)力為參數(shù)，構(gòu)建了水土保持彈性景觀功能模型，用其計(jì)算的水土保持彈性景觀功能ET值閾限為0～5，ET值越大表明土壤侵蝕越輕微、生態(tài)環(huán)境越優(yōu)良、生態(tài)生產(chǎn)功能越強(qiáng)。以出山店水庫大壩以上至92 m水位庫區(qū)尾水上游第一條流域面積大于100 km2的支流為研究區(qū)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，結(jié)果表明研究區(qū)水土保持彈性景觀功能ET最大值、最小值、現(xiàn)狀值分別為4.162、2.505、3.994，均超過ET值閾限平均值2.5，說明研究區(qū)水土流失相對(duì)輕微、生態(tài)環(huán)境良好、生態(tài)生產(chǎn)功能較強(qiáng)，但仍須進(jìn)一步防治水土流失、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：水土保持;彈性景觀功能;模型;出山店水庫

中圖分類號(hào)：S157.2;TV62 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.015

Abstract： In order to provide a case for the study of soil and water conservation elastic landscape function in the construction of hydro power projects， the idea of landscape ecology and neutral modeling method were used， taking soil loss， ecological protection index and net primary productivity as parameters， the elastic landscape function model of soil and water conservation was constructed. The ET threshold of soil and water conservation elastic landscape function was 0-5. The larger ET value indicated the smaller soil erosion， the better ecological environment and the stronger ecological production function. Taking the first tributary of the upper reaches of the tailwater in the upper reaches of the reservoir area above the dam to 92 m of the Chushandian Reservoir as an example， the results show that the maximum， the minimum and present values ET elastic landscape function in the study area are 4.162，2.505 and 3.994 respectively，which all exceeding the threshold average of ET 2.5， indicating that the soil and water loss in the study area is relatively slight， the ecological environment is good and the ecological production function is strong， however， further control of soil and water loss and protection of ecological environment are still needed.

Key words： soil and water conservation; elastic landscape function; model; Chushandian Reservoir

水利水電工程開發(fā)建設(shè)對(duì)推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、應(yīng)對(duì)全球氣候變化等方面具有重要作用，但對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響具有兩面性。秦佳偉[1]研究了中小型水庫建設(shè)對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響，認(rèn)為其在合理配置區(qū)域水資源的同時(shí)也會(huì)造成水土流失與生態(tài)系統(tǒng)失衡等;徐琳瑜等[2]在確定水庫生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)和水庫生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值的基礎(chǔ)上，分析了廈門市蓮花水庫生態(tài)補(bǔ)償額度。在對(duì)河流生態(tài)環(huán)境影響以及應(yīng)采取對(duì)策方面，賈建輝等[3]系統(tǒng)論述了水利水電工程建設(shè)對(duì)河流生態(tài)環(huán)境影響的研究進(jìn)展，認(rèn)為當(dāng)前研究以大中型水利水電工程、局部尺度、宏觀定性研究為主，而對(duì)小型水利水電工程、河流流域尺度的定量研究較少;周科等[4]從地域文化、水生態(tài)系統(tǒng)、景觀規(guī)劃等方面，提出自然生態(tài)和人文歷史相結(jié)合的河南登封隱士湖水庫景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)方法;謝祥財(cái)?shù)萚5]基于水土保持與景觀營建相結(jié)合的方法，對(duì)安徽茨淮新河水利風(fēng)景區(qū)規(guī)劃方法進(jìn)行了研究;劉志強(qiáng)等[6]對(duì)水庫景觀功能開發(fā)利用的社會(huì)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)意義進(jìn)行了分析;胡向紅等[7]認(rèn)為可充分利用水庫水工建筑物與自然環(huán)境，創(chuàng)造優(yōu)美水庫工程環(huán)境和視覺景觀;李書娟等[8]系統(tǒng)分析了景觀空間動(dòng)態(tài)模型研究現(xiàn)狀，認(rèn)為未來景觀空間動(dòng)態(tài)模型研究的重點(diǎn)是模型算法的優(yōu)化、尺度轉(zhuǎn)換、檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)等。

防治人為水土流失與保護(hù)生態(tài)環(huán)境是水電工程建設(shè)需要重視的兩個(gè)方面。水土保持與景觀功能兩者之間關(guān)系密切，關(guān)于水電工程生態(tài)景觀方面的研究較多，而關(guān)于水土保持彈性景觀功能的研究則鮮見報(bào)道。筆者以河南省出山店水庫為研究對(duì)象，構(gòu)建基于防治水土流失、改善生態(tài)、生態(tài)生產(chǎn)功能目標(biāo)的水土保持彈性景觀功能模型，進(jìn)行水土保持彈性景觀功能閾值計(jì)算，以期為研究區(qū)水土流失綜合治理與生態(tài)保護(hù)提供技術(shù)支撐、為水電工程建設(shè)水土保持彈性景觀功能研究提供案例。

1 研究區(qū)概況

出山店水庫是淮河干流上的一座以防洪為主的大（1）型水利樞紐工程，控制流域面積2 900 km2，總庫容12.51億m3。研究區(qū)為該水庫大壩以上至92 m水位庫區(qū)尾水上游第一條流域面積大于100 km2的支流，面積為958.09 km2。以小流域（面積大于5 km2）或小流域片（面積小于5 km2的幾條小流域連片）為單元，將研究區(qū)劃分為33個(gè)水土保持彈性景觀單元（其中：水庫92 m水位對(duì)應(yīng)庫區(qū)作為1個(gè)單元，稱為庫區(qū);庫區(qū)左岸上游小流域及小流域片稱為左岸，共15個(gè)單元;庫區(qū)右岸上游小流域及小流域片稱為右岸，共17個(gè)單元）。研究區(qū)地貌類型主要為低山、丘陵、崗地和河谷，屬北亞熱帶濕潤型氣候區(qū)，年降水量800～1 200 mm，多年平均氣溫15.0 ℃，土壤類型主要有水稻土和黃棕壤，植被以落葉針闊葉林為主、常綠針闊葉林與落葉針闊葉林并存，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)主要有森林、灌叢、草地、農(nóng)田、河流、村鎮(zhèn)等，土壤侵蝕以水力侵蝕為主，輕度及以上土壤侵蝕面積占總面積的11.49%。

2 水土保持彈性景觀功能模型

2.1 模型的理論基礎(chǔ)

景觀生態(tài)學(xué)靜態(tài)研究思想主要是針對(duì)特定的景觀結(jié)構(gòu)以及一定景觀結(jié)構(gòu)控制下的景觀功能開展研究，在景觀結(jié)構(gòu)特定狀態(tài)詳細(xì)說明的基礎(chǔ)上，揭示景觀生態(tài)功能與景觀格局之間的相關(guān)關(guān)系，引用描述膠體與玻璃類物質(zhì)物理特性的滲透理論中的臨界閾限，確定景觀生態(tài)過程及功能的臨界閾值（其對(duì)于合理規(guī)劃和管理景觀具有重要作用）。中性模型是以滲透理論為基礎(chǔ)構(gòu)建的模型，在景觀生態(tài)過程與景觀功能研究中廣泛應(yīng)用，建模時(shí)通過對(duì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，推測(cè)某一種景觀格局可能是某種過程控制的結(jié)果，是一種不包含地形變化、歷史干擾、空間聚集性、其他生態(tài)學(xué)過程與影響的模型。本文運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)靜態(tài)研究思想和中性模型建模方法，構(gòu)建水土保持彈性景觀功能模型。

2.2 模型的構(gòu)建

土壤侵蝕是水土流失發(fā)生發(fā)展及其產(chǎn)生危害的基礎(chǔ)。水土流失導(dǎo)致地形破碎、土層變薄、養(yǎng)分流失、生產(chǎn)力下降，植被退化、功能降低、涵養(yǎng)水源能力下降，進(jìn)而使生態(tài)環(huán)境惡化、自然植被凈第一性生產(chǎn)力下降。土壤侵蝕是水土保持景觀格局的重要制約因素，參考中國土壤流失方程CSLE[9]、《美麗中國建設(shè)評(píng)估指標(biāo)體系及實(shí)施方案》[10]、自然植被凈第一性生產(chǎn)力模型[11]，以耕地、林地、草地、水域?yàn)樗帘３謴椥跃坝^要素，以水土保持彈性景觀單元土壤流失量SW、生態(tài)保護(hù)指標(biāo)EP、凈第一性生產(chǎn)力NPP為參數(shù)，建立如下水土保持彈性景觀功能模型：

式中：ET為水土保持彈性景觀功能，閾限為0～5，其值越大表明土壤侵蝕越輕微、生態(tài)環(huán)境越優(yōu)良、生態(tài)生產(chǎn)功能越強(qiáng)，其值越小說明土壤侵蝕越嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境越惡劣、生態(tài)生產(chǎn)功能越弱;SWij為第i個(gè)水土保持彈性景觀單元第j類彈性景觀要素的土壤流失量，t/a;EPih為第i個(gè)水土保持彈性景觀單元第h個(gè)生態(tài)保護(hù)指標(biāo)值;NPPij為第i個(gè)水土保持彈性景觀單元第j類彈性景觀要素的凈第一性生產(chǎn)力，kg/（hm2·a）;n為水土保持彈性景觀單元數(shù)，本研究n=33;m為水土保持彈性景觀要素?cái)?shù)，本研究m=4;k為生態(tài)保護(hù)功能指標(biāo)數(shù)，本研究k=5。

式中：FCi為第i個(gè)水土保持彈性景觀單元林草覆蓋率，%;WLi為第i個(gè)水土保持彈性景觀單元水域保護(hù)率，即彈性景觀單元內(nèi)受保護(hù)的水域面積占水域總面積的百分?jǐn)?shù)，%;WSi為第i個(gè)水土保持彈性景觀單元水土保持率，即彈性景觀單元內(nèi)水土保持措施面積占總面積的百分?jǐn)?shù)，%;NRi為第i個(gè)水土保持彈性景觀單元自然保護(hù)地占總土地面積的比例，即彈性景觀單元內(nèi)自然保護(hù)地面積占陸域面積的百分?jǐn)?shù)，%;BSi為第i個(gè)水土保持彈性景觀單元重點(diǎn)生物保護(hù)率，即彈性景觀單元內(nèi)重點(diǎn)保護(hù)的物種數(shù)占應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)物種總數(shù)的百分?jǐn)?shù)，%。

2.3 模型有關(guān)數(shù)據(jù)

2.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（1）土地利用數(shù)據(jù)。采用分辨率為30 m的Landsat TM、Landsat OLI衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和分辨率為2 m的夏態(tài)時(shí)相GF-2衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，利用ERDAS IMAGE和ARCGIS軟件，通過人機(jī)交互解譯和野外調(diào)查驗(yàn)證，獲取研究區(qū)2000年、2005年、2010年、2015年、2018年耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地面積等數(shù)據(jù)。

（2）地形特征數(shù)據(jù)。利用全要素地形圖和GF-2衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，采用3S技術(shù)獲得研究區(qū)1∶5萬DEM數(shù)據(jù)，依據(jù)DEM數(shù)據(jù)獲取自然流域（溝道）、水土保持彈性景觀單元的地形特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）土壤侵蝕數(shù)據(jù)。利用高分辨率衛(wèi)星遙感影像解譯資料、DEM數(shù)據(jù)等，基于ArcGIS技術(shù)，獲得土壤流失方程CSLE中各土壤侵蝕因子數(shù)據(jù)。

（4）生物量數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場(chǎng)樣方調(diào)查獲得不同水土保持彈性景觀要素生物量數(shù)據(jù)。

（5）景觀要素?cái)?shù)據(jù)。以小流域或小流域片為單元，把研究區(qū)劃分為33個(gè)水土保持彈性景觀單元?；?S技術(shù)，獲得耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地景觀要素圖斑16 686個(gè)，見表1。

2.3.2 模型指標(biāo)數(shù)據(jù)

研究區(qū)的有關(guān)模型數(shù)據(jù)取值范圍如下。

（1）防治水土流失指標(biāo)。年降雨侵蝕力因子R，3 915.5～5 510.21 MJ·mm/（hm2·h·a）;土壤可蝕性因子K，0～0.006 9 t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）;地形因子LS，0～31.566 2;植被覆蓋因子B，耕地取1、林地草地取0.01、水域取0.001、建設(shè)用地取0.01～0.025、未利用地取1;水土保持工程措施因子E，取值為1;耕作措施因子T，耕地取0.372，其他地類取1。

（2）改善生態(tài)指標(biāo)。林草覆蓋率FC，36.21%;水域保護(hù)率WL，100%;水土保持率SW，88.51%;自然保護(hù)地面積比例NR，0;重點(diǎn)生物保護(hù)率BS，0。

（3）生態(tài)生產(chǎn)指標(biāo)。年降水量，800～1 200 mm;多年平均年降水量，1 000 mm;多年平均氣溫，15.0 ℃;自然植被凈第一性生產(chǎn)力，8 360～11 090 kg/（hm2·a），耕地、林地、草地、水域水土保持彈性景觀要素凈第一性生產(chǎn)力分別為6 140、12 510、5 200、4 000 kg/（hm2·a）。

2.4 水土保持彈性景觀功能計(jì)算結(jié)果

利用式（1）～式（8）對(duì)研究區(qū)水土保持彈性景觀功能ET進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

出山店水庫庫區(qū)左岸水土保持彈性景觀功能ET最大值、最小值、現(xiàn)狀值分別為4.040、2.053、3.722，右岸水土保持彈性景觀功能ET最大值、最小值、現(xiàn)狀值分別為4.166、2.384、 4.047，說明右岸土壤侵蝕程度輕于左岸、生態(tài)狀況優(yōu)于左岸。研究區(qū)整體范圍的水土保持彈性景觀功能ET最大值、最小值、現(xiàn)狀值分別為4.162、2.505、3.994，均超過ET值閾限平均值2.5，說明研究區(qū)水土流失相對(duì)輕微、生態(tài)環(huán)境良好、生態(tài)生產(chǎn)功能較強(qiáng)，但仍須進(jìn)一步防治水土流失、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

3 結(jié) 語

運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)靜態(tài)研究思想和中性模型建模方法，以土壤流失量與改善生態(tài)指標(biāo)和凈第一性生產(chǎn)力為參數(shù)，構(gòu)建了水土保持彈性景觀功能模型。用其計(jì)算的水土保持彈性景觀功能ET值閾限為0～5，ET值越大表明土壤侵蝕越輕微、生態(tài)環(huán)境越優(yōu)良、生態(tài)生產(chǎn)功能越強(qiáng)。對(duì)出山店水庫區(qū)域進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，結(jié)果表明研究區(qū)水土保持彈性景觀功能ET最大值、最小值、現(xiàn)狀值分別為4.162、2.505、3.994，均超過ET值閾限平均值2.5，說明研究區(qū)水土流失相對(duì)輕微、生態(tài)環(huán)境良好、生態(tài)生產(chǎn)功能較強(qiáng)，但仍須進(jìn)一步防治水土流失、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

土壤侵蝕、改善生態(tài)、生態(tài)生產(chǎn)均是復(fù)雜的系統(tǒng)，影響因素眾多，水土保持彈性景觀功能模型3個(gè)參數(shù)的確定均與多個(gè)定量化、定性化、半定量半定性化的因子有關(guān)，因此對(duì)于模型指標(biāo)選擇及計(jì)算方法還需進(jìn)一步深入研究。

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