郑雪慧, 杨 志, 任正龑, 魏小燕, 程金花

(1.北京林业大学 水土保持学院, 北京 100083; 2.宁夏水土保持监测总站, 银川 750021)

土壤侵蚀导致区域生态环境恶化与生态平衡失调，严重阻碍社会经济的可持续发展，一直是全球普遍关注的环境问题[1-2]。近年来，随着“3S”技术的发展，使突破径流小区[3]、坡面[4]尺度开展更大尺度的土壤侵蚀评价研究成为热点，基于USLE，RUSLE[5]、CSLE等[6]土壤侵蚀经验模型的土壤侵蚀敏感性评价应用广泛。

土壤侵蚀敏感性评价是以土壤侵蚀方程为基础来识别自然条件下容易形成土壤侵蚀的区域[7]。国外学者Terranova[8]，Nekhay[9]等借助GIS和RS技术和通用土壤侵蚀方程分别在地中海区域和西班牙山区开展土壤侵蚀定量评价研究；国内学者龚雪梅[10]、杨青林[11]、张恩伟[7]等也分别在岷江上游、川西北地区、滇池流域开展土壤侵蚀敏感性的研究。另一方面，随着景观生态学[12]发展，景观格局指数逐渐应用到土壤侵蚀的研究中。景观生态风险[13]是根据土地利用的空间格局探究人类社会因素所造成的生态环境风险。高艳丽等[1]在汉江流域开展景观格局变化对土壤侵蚀影响的研究；王计平等[14]在黄土丘陵区开展景观格局对土壤侵蚀过程影响的研究，发现流域景观格局和土壤侵蚀过程特征存在明显空间分异和相对差异；刘希朝等[15]基于土地利用数据构建黄河流域生态风险评价模型，探究景观格局变化下的生态风险变化趋势。土壤侵蚀是过程，土地利用空间分布为格局，格局决定过程，同时过程也会促进格局的改变[16]。目前，对于土壤侵蚀敏感性和景观生态风险的研究大多是独立展开的，无法识别自然和社会综合因素下的土壤侵蚀风险。因此，将两者结合构建土壤侵蚀和景观综合生态风险评价体系，开展区域土壤侵蚀及其景观生态风险研究，不仅能够综合反映自然与人为相互作用下对生态环境产生的不利影响，而且能够为区域精准化识别土壤侵蚀的敏感区和进行高质量的综合治理提供理论支撑。

宁夏全境位于黄河流域，是我国西北的绿色屏障，承担着维护西北乃至全国生态安全的重要使命。据《2019宁夏回族自治区水土保持公报》显示，目前宁夏仍有土壤侵蚀面积1.59×104km2，占国土面积的23.93%。为了探究宁夏全区潜在土壤侵蚀区域的空间差异，识别土壤侵蚀敏感性区域，在宁夏开展土壤侵蚀敏感性和景观生态风险的综合研究，实现对宁夏全区土壤侵蚀情况的基础摸排，为推进流域精准治理提供科学支撑。同时，为宁夏水土保持规划、水土保持措施布设提供参考依据，对宁夏实现黄河流域生态保护与高质量发展先行区的目标有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏回族自治区总面积6.64×104km2，地处黄河上游及沙漠与黄土高原的交接地带，东、西、北三面被毛乌素、腾格里、乌兰布和三大沙漠包围，是我国西北重要的生态屏障区。地理位置介于35°14′—39°23′N，104°17′—107°39′E，地势从西南向东北逐渐倾斜，平均海拔1 000 m以上。地貌复杂，山地迭起，盆地错落，大体可分为：黄土高原，鄂尔多斯台地，洪积冲积平原和六盘山、罗山、贺兰山南北中三段山地。属温带大陆性干旱半干旱气候，年均气温为6～10℃，年均降水量南多北少，大都集中在夏季，年降雨量在300 mm左右，蒸发量却在1 000 mm以上。除黄河干流过境外，还有清水河、苦水河、葫芦河、泾河、祖厉河等主要河流。土壤类型主要为灰漠土、灌淤土、绵土、灰褐土、栗钙土等。全区草原综合植被盖度为53.5%，森林覆盖率为15.2%。土地利用以草地、耕地为主，两者合计面积占比为69.7%[17]。

1.2 数据来源

气象数据源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)下载的中国地面累年值日值数据集；土壤质地数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)；DEM数据(Digital elevation model，数字高程数据)为地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)提供的30 m分辨率原始高程数据；宁夏行政区划、土地利用、植被覆盖等基础数据由宁夏水土保持监测总站提供。其中，土地利用数据解译所需的遥感影像时间为2019年，空间分辨率30 m；植被覆盖度所需的遥感影像数据为2019年MODIS归一化植被指数(NDVI)产品，时间分辨率为每半月1期，共24期，空间分辨率为30 m。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤侵蚀敏感性评价 基于RUSLE通用土壤流失方程中降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形起伏度和植被覆盖度因子构建土壤侵蚀敏感性评价方程[18](公式1)，经栅格计算获得评价结果。

(1)

式中:SSi为土壤侵蚀敏感性指数；Ri为降雨侵蚀力；Ki为土壤质地因子；LSi为地形起伏度；Ci为植被覆盖度。各评价因子的获取方法以及具体分级标准[19]见表1—2。

表1 土壤侵蚀敏感性评价因子获取方法

表2 土壤侵蚀敏感性评价因子分级标准

1.3.2 景观生态风险评价 景观格局的变化是决定土壤侵蚀程度的关键因素[15]，诊断宁夏景观格局及生态风险对促进黄河流域高质量发展具有重要意义。景观生态风险由外部的扰动强度和内部的脆弱性来衡量，景观生态风险评价包括景观格局指数选取、生态风险小区划分、生态风险评价模型构建3个过程。首先，在参照相关景观生态风险评价研究[23-24]和综合考虑宁夏实际情况及各景观格局指数的生态学意义的基础上，选取景观破碎度(Ci)、景观分离度(Ni)、景观分维数(FDi)、景观干扰度(Si)、景观脆弱度(Fi)、景观损失度(Ri)共6种景观格局指数。各景观指数的数值可由预处理后的土地利用数据经Fragstats 4.2软件计算获得，具体计算公式和参数含义见表3。其次，在充分考虑宁夏景观空间异质性、斑块大小和面积的基础上，利用ArcGIS 10.2软件数据管理模块下的Create Fishnet功能，将研究区划分为10 km×10 km的网格单元，共划分风险小区617个。最终，根据景观干扰度指数和景观脆弱度指数构建评价模型，计算得到各小区景观生态风险指数ERIk(公式2)，并采用ArcGIS 10.2的Geostatistical Analyst模块下Kriging插值对小区样点的风险值进行球状拟合，获得研究区的景观生态风险指数。

表3 景观格局指数计算方法

(2)

式中:ERIk为评价单元k的生态风险指数;n为景观类型的数量;Aki为景观生态风险评价单元k中第i类景观的面积(km2);Ak为景观生态风险评价单元k的面积(km2);Ri为景观损失度指数。

1.3.3 土壤侵蚀景观综合生态风险评价 基于土壤侵蚀敏感性和景观生态风险评价结果构建区域综合生态风险评价模型(SERI)，即土壤侵蚀敏感性指数与景观损失度指数的关系特征函数式(公式3)[18]。运用ArcGIS 10.2中栅格计算器计算，并采用自然分界法划分为5个风险等级，获得宁夏综合生态风险评价结果。

SERI=SSi·ERIk

(3)

式中:SERI为土壤侵蚀的景观生态风险值；SSi和ERIk同上。

2 结果与分析

2.1 宁夏风险评价结果的空间分布

总的来说，宁夏土壤侵蚀敏感性等级以无敏感和轻度敏感为主，二者共计面积占比在60%以上；中度及以上敏感区随敏感性等级升高面积占比减小。其中，无敏感区面积19 555 km2，面积占比为29.45%；轻度敏感区面积20 817.88 km2，面积占比为31.35%；中度敏感区面积13 371.70 km2，面积占比为20.14%；高度敏感区面积8 163.35 km2，面积占比为12.29%；极敏感区面积4 492.07 km2，面积占比为6.77%。此外，从空间格局上看(图1A)，高度、极敏感区主要分布在宁夏南部山区；中度敏感区分布相对分散，主要分布在盐池、海原、沙坡头以及大武口区等地；无敏感和轻度敏感区则主要分布在中部干旱带和北部的引黄灌区。

由图1B可知，宁夏景观生态风险评价空间差异显著，较低风险区面积占比最高，达28.10%，主要分布在中部的盐池、利通等地；中等风险区面积占比次之，为25.42%，主要分布在北部平罗周边、中部中宁海原等地；较高风险区面积占比第三，为21.22%，分布在原州、同心以及金凤区周围；高风险和低风险面积占比较小且接近，分别为12.64%，12.62%，其中低风险区在大武口、灵武、沙坡头西北部等地，高风险区则主要集中在彭阳、西吉。

整体看来(图1C)，土壤侵蚀与景观生态风险综合评价分区面积由高到低依次为：较低风险区、低风险区、中等风险区、较高风险区、高风险区，依次为22 280.94，23 217.2，9 979.05，7 681.28，3 241.53 km2。其中，高风险区面积占比不足5%，集中分布在西吉、彭阳、隆德部分地区；较高风险区面积占比为11.57%，分布在南部山区及盐池最南部；中等风险区面积占比15.03%，主要分布在海原、同心等地；低、较低风险分布范围广泛，共计占比为68.52%。

图1 土壤侵蚀敏感、景观生态风险评价、综合生态风险评价空间分布

2.2 宁夏风险评价结果的空间差异

从县域尺度上看，土壤侵蚀敏感性等级在各县(区)分布差异较大(图2)。无敏感区所占面积的比重大于60%的地区有金凤区、兴庆区、利通区、红寺堡区，面积占比依次为69.41%，62.78%，62.61%，61.30%；轻度敏感区面积占比最大的前5名依次为：盐池县、惠农区、灵武市、青铜峡市、永宁县，面积占比均在40%以上；中度敏感区面积占比前5名为大武口区、彭阳县、西吉县、海原县、原州区；高度敏感区面积占比前5名为原州区、西吉县、海原县、彭阳县、泾源县；存在极敏感区的县(区)有隆德县、泾源县、彭阳县、原州区、西吉县、海原县、同心县，其面积占比依次为70.93%，48.21%，26.69%，21.57%，19.67%，6.34%，1.28%。

图2 宁夏各县(区)土壤侵蚀敏感性等级分布

从图3各县(区)景观生态风险评价结果看，高风险区仅存在于西吉县、彭阳县、原州区、隆德县、盐池县、海原县地区，其中，西吉县面积占比为88.39%，彭阳县面积占比为79.94%；较高风险区面积占比前5名为金凤区、原州区、兴庆区、贺兰县、永宁县，面积比重均达到50%，其中，金凤区较高风险区面积比重为96.89%；中等风险区面积占比前5名为平罗县、西夏区、中宁县、永宁县、海原县；低、较低风险区面积共计所占比重大于70%的地区有大武口区、泾源县、灵武市、利通县、青铜峡市、沙坡头区，占比依次为92.48%，80.13%，78.24%，77.81%，75.32%，70.75%。

图3 宁夏各县(区)景观生态风险评价等级分布

从图4综合评价结果来看，高风险区仅存在于西吉县、隆德县、彭阳县、原州区、海原县和盐池县，面积占比依次为36.19%，27.10%，25.98%，12.31%，1.82%，0.72%。较高风险区面积占比大于40%的地区有原州区、隆德县、西吉县。高、较高风险区共计面积占比达60%以上的有西吉县、隆德县、彭阳县、原州区，占比依次为76.68%，74.78%，63.89%，60.65%。中等风险区面积占比前3名为泾源县、海原县、彭阳县，面积占比分别为45.35%，42.38%，35.48%。低、较低风险区面积占比达90%的地区有大武口区、利通区、青铜峡市、灵武市、惠农区、平罗县、西夏区、沙坡头区、中宁县、红寺堡寺区、永宁县、兴庆区、金凤区。其中，利通区和大武口区低、较低风险区面积共计占比为100%，无更高风险等级；西吉县、彭阳县、隆德县、原州区则无低风险区，土壤侵蚀与景观综合生态风险较大。

图4 宁夏各县(区)土壤侵蚀与景观综合生态风险评价等级分布

2.3 土壤侵蚀景观综合生态风险与土地利用的关系

在耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地6个一级地类中，宁夏土地利用类型面积最大的为草地，面积为26 834.99 km2，面积占比为40.41%；面积第二大的是耕地，面积为19 447.55 km2，占比为29.29%；其次为林地，面积为11 843.59 km2，占比为17.84%；建设用地、水域、未利用土地面积共计占比为12.46%，面积依次为5 081.64，1 926.43，1 265.78 km2。

将2019年土地利用空间分布图和综合生态风险评价结果进行空间叠置分析，获得研究区不同土地利用类型的综合生态风险程度信息(图5)。由图5可知，不同土地利用类型土壤侵蚀与景观的综合生态风险面积占比差异较大。耕地、草地、建设用地中各风险区随等级升高面积占比减小，并且主要以低、较低风险为主，面积占比在50%以上。林地和水域这两种土地利用类型中除较低风险区面积占比最大外也符合上述规律，但是未利用土地与之相反，其面积占比最大的风险区为高风险区，占比达63.16%。

图5 宁夏不同土地利用类型的综合生态风险分布

3 讨 论

由人为干扰引起的土地利用变化往往造成严重的土壤侵蚀，分析不同土地利用类型与土壤侵蚀的关系意义重大[10]。对宁夏而言，未利用土地地区土壤侵蚀综合评价的风险等级更高，这与何君等[25]认为未利用地的土壤侵蚀敏感性最强结论一致。而邹琴英等[12]的研究则认为土壤侵蚀主要发生在耕地、有林地、草地，这与不同研究区内各类土地利用类型的面积占比有关，耕地、林地、草地在研究区内面积占比大，发生土壤侵蚀的绝对面积大，但是对同一土地利用来说，耕地、林地、草地中未发生土壤侵蚀的面积更大。

前人的研究往往通过比较单因子与综合因子敏感性评价结果，来确定土壤侵蚀的主要的影响因子，但土壤侵蚀是个复杂的过程，不同地区差异显著。例如，张恩伟等[7]在云南滇池流域和莫建飞等[26]在广西岩溶区的研究中都认为降雨侵蚀力因子是影响土壤侵蚀敏感性的最关键因子；而冉涛等[27]在北方生态脆弱区的研究中则认为土壤侵蚀力因子的敏感性被充分识别，降雨侵蚀力因子受站点数量和空间分布的影响作用被削弱。根据研究区自身特点建立不同的评价模型，成为今后研究趋势，莫建飞等[26]在研究中增加石漠化等级变化为影响因子构建了岩溶区水土流失敏感性评价模型。杨青林等[11]对川西北地区的土壤侵蚀敏感性评价研究时增加了沟壑密度为评价因子。结合宁夏干旱多风的特点增加“风”这一影响因子进行评价发现，增加风力因子后，无敏感、轻度、中度等级区面积分别减少1 661.87，2 115.83，388.72 km2，高、极高敏感区面积增加2 508.77，1 657.65 km2。目前的研究水力侵蚀与风力侵蚀是分开计算的，没有考虑水力侵蚀、风力侵蚀同时发生时的交互作用。宁夏存在大面积的水风蚀交错区，在今后研究中应对比总结风水交错的交互关系，同时增加研究的时间尺度，从而获得更加精准的结果，为水土流失的综合防治提供理论支撑。

4 结 论

(1) 从数值上看，在宁夏土壤侵蚀与景观生态风险综合评价中，高风险区面积占比不足5%，较高风险区面积占比为11.57%，中等风险区面积占比15.03%，低、较低风险分布范围广泛，共计占比为68.52%。

(2) 从空间分布上看，高风险区集中分布在西吉、彭阳、隆德部分地区；较高风险区分布在南部山区及盐池最南部；中等风险区主要分布在海原、同心等地，较低等级以下风险区在各县(区)均有分布。

(3) 在不同的土地利用类型中，各风险等级占比不同。耕地、草地、建设用地中低风险区面积占比最大，林地、水域中较低风险区占比最大，未利用土地中高风险区占比最大。