马 琪, 李 婷, 贺成民

(1.西安外国语大学 旅游学院·人文地理研究所, 西安 710128;2.西安科技大学 测绘科学与技术学院, 西安710054; 3.陕西省水文水资源勘测中心, 西安 710068)

生态保护红线是我国生态环境保护的重要制度创新。土壤侵蚀敏感红线作为生态保护红线体系的重要构成，对国土空间各类规划、区划的有序融合和衔接具有重要作用[1]，其关键环节在于土壤侵蚀敏感性评价和阈值判定。土壤侵蚀敏感性评价是土壤侵蚀发生的可能性以及在考虑自然因素时形成的易受土壤侵蚀影响区域的识别[2]。国内外土壤侵蚀模型主要分为经验模型(USLE，RUSLE，CSLE)[3-5]和物理模型(WEPP，EUROSEM，ANSWERS，LISEM)两类[6-10]。目前，在生态保护红线划定中土壤侵蚀敏感红线划分多根据经验模型为理论基础[11-12]，选择研究区适宜的敏感评价因子，采用几何平均数或加权叠加进行区域土壤侵蚀敏感性综合评价[13]，最终根据《生态功能区划暂行规程》或《生态保护红线划定指南》等规范文件，确定敏感评价因子分级和阈值设置，将评价结果中极敏感区划分为红线[11,14]。该方法因机制简单，参数容易获取，应用广泛[15]。然而，面对地理环境复杂的地区，由于敏感评价指标选择和因子图层绘制的不确定性，加之分级标准不完全统一，若不加甄别地采用自然断点法或累积阈值法，过度概括或阈值简单化判定敏感性级别，忽略生态标准的时空局限性[16-17]，将导致评价结果存在误差，与实际不否。徐卫华等指出生态承载力是预防土地沙化、水土流失和石漠化等生态问题的能力[18]。目前，“生态承载力”的概念被越来越多地纳入各类空间规划与发展研究当中，并为其提供科学指引。例如，周侃等通过综合考虑水资源承载力能够为宁夏西海固地区空间规划与发展提供科学建议[19]；刘孟浩等通过地区生态承载力核算，服务于多类型保护地经济建设规模、结构与布局的优化[20]；张学渊等基于对生态承载力的动态评估开展对西北干旱地区的生态安全区划分研究[21]。上述研究表明，将生态承载力预警评估纳入生态保护红线划定过程，能够为提高红线划分的科学性和准确性提供一定思路。

当前，我国正处在新一轮国土空间规划体系构建的关键时期，生态保护红线的科学划分成为提升国土空间治理体系和治理能力的核心关键。本研究以陕西省土壤侵蚀敏感红线划分为例，基于生态承载力预警的空间指引，形成具有推广应用价值的土壤侵蚀敏感红线划分技术框架，以期为生态保护红线中土壤侵蚀敏感红线的划定及国土空间规划提供科学参考。

1 研究区概况

陕西省地处中国内陆中心，是全国水土流失最严重的省份之一。境内地貌复杂，整体呈南北高、中间低的特征，由北向南依次为黄土高原、关中平原和秦巴山地，素有“三秦大地”之称，秦岭是黄河与长江两大流域中游的分水岭。秦岭以北属于黄河流域，以温带大陆性季风气候为主，主要有子午岭生物多样性保护优先区；秦岭以南属于长江流域，属于北亚热带季风气候，境内生物多样性极其丰富。全省年均降水量约653 mm，年均气温为11.6℃[22]。全国土壤侵蚀类型分区显示，陕南秦巴山地属于西南土石山水力侵蚀区，其余地区属于西北黄土高原水力侵蚀区。

2 研究方法与数据来源

2.1 技术流程

一定时间范围内生态阈值判定取决于空间尺度的选择，生态承载力预警评估可为特定空间尺度下土壤侵蚀敏感红线的阈值确定提供依据[19,23]。本文“生态承载力”的概念即狭义的水土承载力，表征土壤水力侵蚀风险的大小。国家和省域国土空间规划以生态安全格局构建为主要目标，可在生态承载力预警评估和土壤侵蚀敏感性评价的基础上综合辨识土壤侵蚀敏感红线备选区。区域生态承载力与土壤侵蚀敏感红线划分关联的生态学过程和相互作用机理为：生态承载力低的区域，土壤侵蚀风险高，土壤侵蚀强度大，需要预警并划定土壤侵蚀敏感红线以严格保护脆弱的生态系统；生态承载力中等的区域，土壤侵蚀风险中等，土壤侵蚀强度中等，为临界预警，需重视土壤侵蚀敏感问题以遏制脆弱环境的恶化；生态承载力高的区域，土壤侵蚀风险低，土壤侵蚀强度低、土壤保持功能强，则无需预警且无需划定土壤侵蚀敏感红线[18]。土壤侵蚀敏感红线备选区需要进一步综合其他类型红线，衔接其他区划、规划形成生态保护红线落地方案，研究框图详见图1。

2.2 研究方法

(1) 土壤侵蚀敏感性评估方法。土壤侵蚀敏感性指在自然状况下发生土壤侵蚀的潜在可能性及其程度[24]。本文利用通用土壤流失方程估算土壤侵蚀[3]。公式如下：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中:A为实际土壤侵蚀量〔t/(km2·a)〕；R为降雨侵蚀力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;K为土壤可蚀性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕;LS表示坡长坡度因子;C为植被覆盖与管理因子;P为水土保持措施因子。

图1 基于生态承载力的土壤侵蚀敏感红线划分流程

(2) 生态承载力预警评估方法。本文采用水土流失指数作为生态承载力预警指标进行评估，单位面积土壤侵蚀量与该区域的容许土壤流失量比值为水土流失指数，表征土壤侵蚀风险，根据水土流失指数的大小进行承载力预警等级划分[18]。

(2)

式中:Si为水土流失指数;A为土壤侵蚀量〔t/(km2·a)〕;Ar为容许土壤流失量〔t/(km2·a)〕。陕北黄土高原区和陕南土石山区Ar取值见表1。

(3) 分级标准。土壤侵蚀敏感性分级参考《生态保护红线划定指南》中阈值划分，按照不同侵蚀类型区分别对土壤侵蚀量由大到小排序后计算栅格的累加侵蚀量，将累加侵蚀量占土壤侵蚀总量比例的50%与80%所对应的栅格值，作为极敏感、敏感和一般敏感的分界点[25]。

生态承载力预警分级阈值参考《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)[26]中不同侵蚀类型区土壤侵蚀强度分级和文献[18]中的预警分级阈值确定(表1)。土壤侵蚀强度〔t/(km2·a)〕分级按水力侵蚀强度分级标准进行划分，中度(2500，5000]、强烈(5000，8000]、极强烈(8000，15000]、剧烈(15000，+∞)；陕北黄土高原区：微度[0，1000]、轻度(1000，2500]；陕南土石山区：微度[0，500]、轻度(500，2500]。坡度分级按土壤侵蚀强度面蚀分级指标进行划分，坡度(°)区间依次划分为：[0,5]，(5，8]，(8，15]，(15，25]，(25，35]，(35，90]。

表1 各侵蚀类型区容许土壤流失量及预警分级阈值

2.3 数据来源及预处理

降雨侵蚀力因子(R)值利用基于日降雨资料的年降雨侵蚀力计算方法[27]，利用2000—2010年陕西省及周边45个站点逐日降雨量数据计算各站点降雨侵蚀力，然后经过空间插值生成R因子图层。

土壤可蚀性因子(K)依据中国土志、中国土壤、第二次土壤普查数据集等资料采用EPIC模型中的K值公式估算[28]，然后根据张科利等[29]的研究结合实测值进行订正。

地形因子坡长(L)、坡度(S)根据杨勤科等[30]开发的LS计算工具(LS-Reg)实现陕西省坡度坡长因子专题图层的自动计算。数字高程数据为水平分辨率约90 m的SRTM数据来源于国际地球科学共享中心。

植被覆盖与管理因子(C)用来表示植被覆盖和管理措施对土壤侵蚀的影响[31]；水土保持措施因子(P)为采取水土保持措施后土壤流失量与顺坡种植时土壤流失量比值[9]。在前人研究基础上[9-10,32]，结合大尺度的土壤侵蚀研究和陕西实际，依据土地利用数据分别对C和P进行赋值(表2)。2010年土地利用分类数据来源于陕西省生态环境十年变化(2000—2010年)遥感调查与评估数据集。

表2 不同土地利用类型的C值和P值

红线内土地利用现状遥感监测数据来源于中国科学院资源环境数据云平台(http:∥www.resdc.cn)，2015年土地利用类型包括6个一级类型(耕地、林地、草地、水域、城乡居民工矿用地、未利用地)以及25个二级类型，空间分辨率为30 m。

各因子专题图层统一坐标系后按50 m空间分辨率重采样后参与模型最终运算。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀强度的空间异质性特征

通用土壤流失方程估算结果显示(图2)，全省土壤侵蚀强度以微度和轻度侵蚀为主，占到全省国土面积的55.15%，中度侵蚀以上面积占比为44.95%；其中陕北黄土高原区各强度等级比例依次为：微度(36.01%)>中度(17.65%)>轻度(15.32%)>强烈(12.72%)>极强烈(11.89%)>剧烈(6.41%)；陕南土石山区轻度侵蚀面积最大，占比为34.86%；其次是微度侵蚀，面积占比达26.92%，中度侵蚀以上面积占比为38.22%。空间上看，陕西省南北土壤侵蚀强度差异较大，整体呈现出由北向南逐渐加剧的特征，与降雨侵蚀力空间格局相匹配。水力侵蚀强度微弱的区域集中分布于陕北风沙滩区、关中平原以及西秦岭的中高山地区；强烈侵蚀以上的区域广布于陕北黄土丘陵沟壑区，其中渭北塬区一带较为突出，涉及宝鸡市、咸阳市、渭南市的北部以及铜川市的大部分区域；陕南秦巴土石山区以微度和轻度侵蚀为主，但东南部的中低山区土壤侵蚀强度较大，其中安康市尤为明显。

图2 陕西省土壤侵蚀强度分级

3.2 土壤侵蚀敏感分级结果

土壤侵蚀敏感性分级结果显示(图3)，陕西省土壤侵蚀敏性以一般敏感性为主，面积为151 115.97 km2，占全省国土面积的74.40%，主要分布于关中平原以南的大部分地区，其次集中于榆林市北部风沙滩区。极敏感和敏感区面积分别为24 148.62 km2，27 852.80 km2，占比分别为11.89%和13.71%，二者在空间上整体分布趋势一致，呈现相互交错分布状。其中，73.44%的极敏感区主要位于陕北黄土高原地区的延安市，其次是渭北塬区，涉及宝鸡市、咸阳市、渭南市的北部以及铜川市的大部，榆林市东南部的黄土丘陵沟壑区有少量分布。陕南秦巴土石山区极敏感区面积占全省极敏感区的26.56%，零散分布于汉丹江河谷低山丘陵区。从各侵蚀类型分区来看，面积分布均呈现一般敏感区>敏感区>极敏感区的特征；陕北黄土高原极敏感区面积17 734.36 km2，占到该区域总面积的13.76%；陕南土石山区极敏感区面积6 414.26 km2，仅占到8.64%；陕北黄土高原极敏感区面积占比明显大于陕南土石山区。

图3 陕西省土壤侵蚀敏感分级

3.3 生态承载力预警评估结果

生态承载力预警评估结果显示(图4)，陕西省生态承载力预警状态格局分明，分为预警、临界预警、不预警3个级别，且以预警和临界预警状态为主；不预警区分布较少，仅分布于关中平原，涉及西安市北部区县以及西咸新区等地。陕西省一半以上县区处于预警状态，水土承载力低、土壤侵蚀风险高，土壤侵蚀强度大，总面积约105 108.83 km2，占全省国土面积的51.13%。其中，陕北黄土高原呈预警状态县区主要包括榆林市的清涧县和吴堡县，以及延安市黄陵县和黄龙县除外的大部分区域；渭北塬区呈预警状态县区涉及铜川市全部，以及宝鸡市、咸阳市和渭南市的北部区县；秦巴山区的东南部，涉及商洛市的南部、汉中市的东部以及安康市的大部分地区亦呈预警状态。此外，陕西省近40%的县区处于临界预警状况，这些县区土壤保持功能及水土承载力均属中等水平，总面积97 989.09 km2，面积占比为47.67%；陕北地区临界预警区涉及延安市北部的吴起县和子长县，以及榆林市的大部；陕南临界预警区主要涉及秦岭分水岭两侧及汉中盆地周围的区县，关中平原大部分县区均处于临界预警状态。

图4 陕西省生态承载力预警分布

3.4 土壤侵蚀敏感红线

基于生态承载力预警评估结果划分得到的土壤侵蚀敏感红线备选区见图5，总面积为19 641.66 km2，占陕西省国土面积的9.67%，红线空间分布集中在黄土高原的渭北塬区及延安市的大部，陕南土石山区主要集中于秦巴山区的东南区域。从各地市土壤侵蚀敏感红线面积大小来看，延安市(6 274.23 km2)>安康市(3 300.16 km2)>渭南市(2 148.02 km2)>宝鸡市(2 042.11 km2)>咸阳市(1 996.97 km2)>汉中市(1 435.17 km2)>铜川市(1 168.98 km2)>商洛市(922.75 km2)。进一步分析红线内土地利用、坡度状况发现，从土地利用类型上来看，红线内以草地和耕地为主，分别占到整个红线的45.79%和33.03%；林地面积占比约20.01%，其他用地均不足1%，可见土壤侵蚀敏感程度与农牧业活动关系密切。从地形上来看，红线内坡度主要介于8°～15°和15°～25°，面积占比分别达到34.77%和29.43%；约70%位于陕北丘陵沟壑区，可见陕北丘陵沟壑区是土壤侵蚀敏感性的高发区。

图5 陕西省土壤侵蚀敏感红线分布

4 讨论与结论

4.1 讨 论

基于生态承载力预警状况进行土壤侵蚀敏感红线的划分实质是区域生态阈值的判定问题。生态阈值判定是生态保护红线划定的关键，若未考虑区域生态承载力，生态保护红线划分的阈值在生态学描述中就没有意义[16]。面对各省及各地区存在生态保护红线阈值精准识别的困难，若生态保护红线的阈值设定忽略生态承载力所限定的空间范围，可能会造成红线落地具有较大误差难以有效实施，或对国土空间各类规划衔接融合产生反作用[17]。本研究结果分析显示，土壤侵蚀极敏感区面积为24 148.62 km2，最终划定的土壤侵蚀敏感红线备选区面积为19 641.66 km2。考虑区域水土承载力状况与土壤侵蚀风险后土壤侵蚀敏感红线备选区的面积较未考虑水土承载力减少了4 506.96 km2，减少的区域主要分布于土壤侵蚀风险较低，无需预警和临界预警的区域。由此可见，将生态承载力的预警评估纳入土壤侵蚀敏感性红线划定过程可有效避免不预警和临界预警区域红线划定过程中产生的“过度保护”问题，亦可规避仅依靠专家经验确定红线阈值的主观问题，为提高土壤侵蚀敏感红线划分的科学性和准确性提供了思路。此外，该方法在约束、规范和引导国土空间各类规划布局的同时，也有助于有限生态保护资金的精准投放。

研究中生态承载力预警区内土壤侵蚀敏感红线空间分布与《全国生态功能区划(修编版)》中陕西生态敏感性综合特征基本一致，与《全国主体功能区规划》、《陕西省主体功能区规划》相得益彰。生态保护红线划分是主体功能区战略的具体落实和区域国土空间规划的重要基础性工作，市县尺度重在土壤侵蚀敏感红线备选区的勘界落地，这就需要进一步综合国土开发适宜性评价结果、全国第三次土地调查结果进行红线边界的修正和优化。生态承载力预警区土壤侵蚀敏感红线斑块破碎化严重，从不预警区和临界预警区极敏感斑块形态分析来看，生态斑块大小平均为0.018 km2，64.28%的面积属于较低斑块集中度水平；按照生态重要性、生态敏感性斑块越大，集中度越高，破碎化程度越低，生态保护价值越大的评价准则[33]，不预警和临界预警区内大部分极敏感斑块不适宜纳入生态保护红线的体系中。因此，需进一步在国土开发适宜性评价结果基础上通过人工目视优化修正，甚至公众参与，以保证土壤侵蚀敏感红线内部具有良好的联通性和合理的外部边界[34]。

陕西省土壤侵蚀敏感红线在黄河中上游生态安全方面起到至关重要的作用，红线内分布着33.03%的耕地，农用地向来被认为是侵蚀产沙的主要来源[34-35]，黄土高原农牧业活动频繁，农田的土壤侵蚀潜在危险度最高；加之地形破碎，且是国家煤炭和油气资源储量丰富地区，土壤侵蚀风险较高，人类的生产建设项目很容易扰动原生地表，进而引发水土流失和泥石流灾害。因此，国土空间规划开发中需要限制大规模的城镇化和工业化，避免土地利用强烈变化和扰动，在基本农田保障粮食安全的前提下，土壤侵蚀敏感红线内耕地需继续开展生态恢复工程，提高土壤保持功能。生产建设项目水土保持措施需严格实行“三同时”制度，注重施工前的表土剥离，施工过程中需加大水土流失监测的频次，加强生物措施，避免大规模的工程措施，降低土壤侵蚀潜在风险的发生。虽然陕西重大生态恢复工程的生态效益已逐渐有所显现，土壤侵蚀模数整体减弱[35]，但不预警和临界预警区内仍存在4 506.96 km2的土壤侵蚀极敏感区，需要水利部门予以重点关注、实地核查，做好必要的水土流失预防和治理。

4.2 结 论

(1) 陕西省土壤侵蚀以微度和轻度侵蚀为主，占比55.15%，空间上土壤侵蚀南北差异较大，整体呈现出由北向南逐渐加剧特征；全省生态承载力以预警和临界预警为主，一半以上县区生态承载力低，土壤侵蚀风险高，处于预警状态，临界预警区主要分布于关中平原及黄土高原的北部。

(2) 陕西省土壤侵蚀敏感红线总面积为19 641.66 km2，集中分布于渭北塬以北的黄土高原，并零散分布于陕南秦巴土石山区的东南部，占全省国土面积的9.67%；红线内以草地和耕地为主，占比分别为45.79%和33.03%，红线内的坡度主要介于8°～25°，是陕北黄土高原土壤侵蚀高发坡度范围。

(3) 科学合理的生态承载力预警评估有助于提高国土空间规划中土壤侵蚀敏感红线划分的准确性。基于生态承载力预警的土壤侵蚀敏感红线划分技术框架可适用于不同自然地域单元以生态敏感性识别为基础的生态保护红线划分。

致谢：本文部分数据成果来源于西北大学和陕西省生态环境厅联合实施的“陕西省生态环境十年变化(2000—2010)遥感调查与评估”项目，感谢项目组共享数据成果。