土壤侵蚀，即水力等外营力对土壤及其母质的剥蚀、破坏、搬运和沉积等作用^[1]，使被侵蚀的区域表土流失、土壤质量恶化。流失的土壤在水流的搬运作用下淤积于水体中，引起江河、湖泊等河床抬高、水体污染、洪涝灾害加剧等^[2]，对农业生产和生态安全造成严重威胁^[3]。土壤保持是生态系统提供的减少土壤侵蚀的调节服务，在保护区域生态环境及维持社会经济可持续发展等方面发挥重要作用。

人类对土地利用需求的日益增强，土地利用方式和利用程度发生深刻变化，使人类活动对土壤侵蚀和土壤保持的影响愈发显著^[4]。目前，评估土壤侵蚀和土壤保持主要采用实地调查和模型模拟2种方式，随着USLE、RUSLE等模型研究的深入及其与“3S”技术的交融，土壤侵蚀时空分布的遥感动态监测已成为区域土壤侵蚀与水土保持研究的重要方式^[5-6]。

河湟谷地地处黄河流域中上游的青藏高原与黄土高原过渡带，是青海省重要的生态屏障区，同时也是全省经济、人口和农业生产的中心，对整个甘青宁黄土丘陵国家级水土流失重点治理区乃至黄河上游地区的侵蚀调控功能具有重要意义^[7]。该区梁峁纵横、千沟万壑，大面积陡坡开垦、过度放牧使生态环境脆弱。区域内土壤侵蚀以水力侵蚀为主，曾是全省水上流失最严重的地区^[8]，虽经过多年的综合治理取得成效，但水土流失状况仍不容乐观。近年来，退耕还林/草工程实施以及城市化、工业化等多方因素导致河湟谷地耕地变化剧烈^[9]。针对近年来的土地利用变化的土壤保持效应鲜有研究；因此，笔者以USLE模型为基础，对河湟谷地近20 a来土壤保持进行定量评估，并立足于青海省重要农业区的功能定位，围绕耕地资源，分析其土壤保持功能及其动态的土壤保持效应，以期为当地国土空间规划及水土保持方案设计、政策管理提供科学依据。

河湟谷地位于青海省东部(E 100°51′~103°04′, N 35°01′~38°)(图 1)，是由湟水河和黄河冲积形成的河谷地区组成，流域地貌类型可分为川水区(河谷平原)、浅山区(海拔2 200~2 800 m的低山丘陵区)和脑山区(海拔2 800~3 200 m的半低山丘陵区)^[8]，平均海拔为3 095.4 m。年降水量166.4~646.5 mm，降水主要集中于5—10月，雨热同期，农业区位与资源优势明显(图 1)。区域内水资源自南向北分布主要有黄河干流及其支流湟水河，土壤侵蚀以水蚀为主，由于河流、沟道沿岸岩体破碎，受暴雨侵蚀后极易形成崩塌、滑坡、泥石流灾害^[10]。其以青海省不到5%的面积承载全省3/4的人口和80%的耕地，是青海省开发历史最久、开发强度最高的地区。其行政区划由西往东依次为湟水谷地的门源县、湟源县、湟中县、大通县、西宁市市辖四区(城北、城西、城中和城东)、互助县、平安区、乐都区、民和县和黄河谷地的贵德县、尖扎县、同仁县、化隆县、循化县，国土面积约3万5 273.77 km²。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区的区位及气象站分布 Fig. 1 Location of the Yellow River-Huangshui River Valley (YHV) and distribution of meteorological stations

根据USLE模型的基本框架，本研究所用数据包括：

1) 土地利用数据以地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)获取的Landsat影像通过监督分类和人工目视解译校正后获取。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个一级类型。时间节点为2000、2010和2018年，空间分辨率为30 m。Kappa系数0.85以上，精度满足本研究需要。

2) 归一化差异植被指数数据(normalized difference vegetation index，NDVI)以地理空间数据云网站获取的Landsat遥感影像，经辐射定标、大气校正后计算得到，空间分辨率为30 m，时间节点为2000、2010、2011、2017和2018年，时相为4—10月；

3) DEM数据来源于地理空间数据云ASTER GDEM 30 m数字高程产品；

4) 土壤机械组成及有机碳含量来自国家冰川冻土沙漠科学数据中心(http://www.ncdc.ac.cn)的1∶100万中国土壤数据集；

5) 河湟谷地及周边共11个气象站点1996—2020年月尺度降雨数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/)。

笔者在进行相关分析之前利用几何配准与重采样，将所有数据坐标系统统一为投影坐标系统，数据栅格大小统一为30 m×30 m。

以河湟谷地2000年土地利用分布图为基准，分别叠加2010和2018年土地利用，若发生耕地向草地和林地土地利用的转移，则将其初步判定为退耕草地和退耕林地。但因耕地转移至草地包括退耕、撂荒和休闲3种方式，为移除耕地短期休耕的影响，本研究将以NDVI的年内变化特征对退耕草地进行进一步辨别。

首先，以2000年耕地为范围，分别提取2010和2018年的疑似退耕草地地块，作为本底数据^[11]；其次，基于Google高分辨率影像分别选取不同研究时段内300个以上耕地和退耕草地样点，以2个研究时段末期相邻年份(2011和2017年)为判定年，分析其年内NDVI月度变化特征^[12]，设定退耕草地与耕地的辨别标准(表 1)；最后，以第一步提取的疑似退耕草地为范围，根据辨别标准提取出非退耕草地，即短期撂荒休闲耕地，将其合并到对应研究年份的耕地中，形成新的2010和2018年耕地分布数据，在后续数据处理与分析中，通过叠加分析即可获得退耕地数据。

表 1(Tab. 1)

表 1 河湟谷地不同时期撂荒地及耕地判定规则 Tab. 1 Judgment rules for abandoned cropland and cropland in the YHV in different years 土地利用类型 Land use type 2010 2018 NDVI判定标准 Criteria judged by the NDVI 精度 Precision NDVI判定标准 Criteria judged by the NDVI 精度 Precision 耕地Cropland 极差>0.45且极值>0.65 Max-Min >0.45 & extremum >0.65 99% (339/342) 极差>0.48且极值>0.70 Max-Min >0.48 & extremum >0.70 93% (234/251) 撂荒地 Abandonment cropland 极差 < 0.45或极值≤0.65 Max-Min < 0.45 or extremum ≤0.65 96% (105/109) 极差 < 0.48或极值≤0.70 Max-Min < 0.48 or extremum ≤0.70 97% (105/108)

表 1 河湟谷地不同时期撂荒地及耕地判定规则 Tab. 1 Judgment rules for abandoned cropland and cropland in the YHV in different years

采用通用土壤流失方程(USLE)，估算河湟谷地的土壤侵蚀量与土壤保持量。计算公式如下：

式中：A_c为单位面积土壤保持量，t/(km²·a)；A_r为单位面积实际土壤侵蚀量，t/(km²·a)；A_p为单位面积潜在土壤侵蚀量，t/(km²·a)；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm²·h·a)，以Wischmeier月尺度公式^[13]计算；K为土壤可蚀性因子，t·hm²·h/(MJ·mm·hm²)，以EPIC模型中的方法^[14]计算；LS为由坡长和坡度组成的地形因子，计算公式见相关文献^{[13, 15-16]}；C为植被覆盖和管理因子，量纲为1，采用蔡崇法公式^[17]计算；P为水土保持措施因子，量纲为1，结合前人研究^[18-19]，将耕地设为0.35，建设用地及水域P值设为0，林地、草地以及未利用地的P值均为1。

分析河湟谷地2000、2010和2018年不同土地利用类型数量及分布(图 2)，可以看出：2000年河湟谷地土地利用类型以草地为主，占全区面积的56.67%；耕地次之，为18.34%，主要环绕着水域，呈树枝状分布于建设用地周围低海拔地区；林地占比14.29%，分布在海拔较高的山地丘陵区；未利用地主要包括祁连山、拉脊山等高山处常年覆盖的冰川和积雪以及河谷两侧谷坡的裸岩石质地或裸土地；建设用地数量较少，主要分布于湟水、黄河等河流河谷，且以西宁市为重心；水域面积最小，主要包括以黄河、湟水河等为主的河流以及若干规模不等的水库。

图 2(Fig. 2)

图 2 河湟谷地2000、2010和2018年土地利用空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of land use in the YHV in 2000, 2010 and 2018

近20 a来，河湟谷地各土地利用类型面积均有不同程度的变化，以耕地和草地减少以及林地和建设用地增多为主要特征(表 2)。耕地面积持续缩减，在2000—2010年和2010—2018年2个阶段分别减少1 375和770 km²，减幅略有下降；研究初期建设用地面积约287 km²，仅占全区域总面积的0.81%，在2000—2018年主要于河谷内扩张，面积约增长511 km²，年均动态度达9.89%；林地在原有林带基础上填充，在近20 a来平稳增长，面积扩大2 846 km²；其余4种地类面积、分布格局的时序变化较小。

表 2(Tab. 2)

表 2 河湟谷地2000、2010和2018年土地利用面积变化特征 Tab. 2 Characteristics of land use area change in the YHV in 2000, 2010 and 2018 土地利用类型 Land use type 2000 2010 2018 面积 Area/102 km2 比例 Proportion/% 面积 Area/102 km2 比例 Proportion/% 面积 Area/102 km2 比例 Proportion/% 耕地Cropland 64.66 18.34 50.91 14.44 43.21 12.26 林地Forest 50.36 14.29 60.96 17.29 78.82 22.35 草地Grassland 199.78 56.67 200.37 56.83 187.22 53.10 水体Water 1.59 0.45 1.95 0.55 2.55 0.72 未利用地Unused land 33.29 9.44 33.24 9.43 32.81 9.31 建设用地Construction land 2.87 0.81 5.16 1.46 7.98 2.26

表 2 河湟谷地2000、2010和2018年土地利用面积变化特征 Tab. 2 Characteristics of land use area change in the YHV in 2000, 2010 and 2018

2002年后，受退耕还林工程推动，河湟谷地耕地大量流出，主要转移至林地和草地。将耕地的主要变化类型，即耕地转移至草地及耕地转移至林地的类型单独提出，得到2000—2010年和2010—2018年耕地不同变化类型的分布图(图 3)。分析耕地在不同时段的变化情况，结果表明：2000—2010年，退耕草地集中连片地分布于湟水一线及化隆县，退耕林地较少。2010—2018年耕地转出同样以草地为主，主要发生在门源、大通、互助、湟源、平安、乐都和循化，整体向更高海拔的地域蔓延；而耕地转出至林地的部分主要分布于拉脊山、达板山等山脉周边。近20 a，耕地转移重心逐渐变化，由浅山区向脑山区靠拢。

图 3(Fig. 3)

图 3 2000—2010年和2010—2018年耕地不同变化类型分布及其各区(县)数量统计 Fig. 3 Distribution of different change types of cropland from 2000 to 2010 and 2010 to 2018 and its amount statistics in different districts (county)

根据土壤保持量计算公式得到2000、2010和2018年河湟谷地土壤侵蚀模数分别为2 047.96、1 259.16、1 855.87 t/(km²·a)，呈先减小后增大的状态；单位面积土壤保持量分别为9 978.33、11 158.99和16 490.21 t/(km²·a)，总体土壤保持量分别为3.52亿、3.93亿和5.81亿t/a，呈逐渐增长的趋势。

按土地利用类型对河湟谷地2000、2010和2018年土壤保持量进行统计(表 3)。结果表明：土壤保持功能在不同土地利用类型间具有明显差异，按单位面积土壤保持量从大到小进行排序: 林地 > 草地 > 耕地 > 未利用地 > 水体 > 建设用地。自坡改梯、小流域综合治理、造林种草等生态工程的实施，河湟谷地植被覆盖率逐年提高，各地类在2000—2018年间单位面积土壤保持量整体均呈增大的状态，水土保持工作取得显著成效。其中，林地和草地土壤保持量之和占研究区土壤保持总量84%以上，构成河湟谷地土壤保持功能的主体。

表 3(Tab. 3)

表 3 河湟谷地不同土地利用类型的土壤保持量 Tab. 3 Soil conservation by different types of land use in the YHV 土地利用类型 Land use type 2000 2010 2018 单位面积量 Amount per unit area/(t·km-2·a-1) 总量 Gross/106 t 单位面积量 Amount per unit area/(t·km-2·a-1) 总量 Gross/106 t 单位面积量 Amount per unit area/(t·km-2·a-1) 总量 Gross/106 t 耕地Cropland 5 713.12 36.94 5 660.51 28.81 7 704.53 33.29 林地Forest 17 729.07 89.27 17 425.36 106.20 24 553.65 193.49 草地Grassland 10 925.22 218.12 11 694.53 234.19 17 230.50 322.36 水体Water 3 145.03 0.88 3 030.21 1.54 4 725.40 3.74 未利用地Unused land 1 811.96 6.03 6 633.95 22.03 8 284.25 27.14 建设用地Construction land 1 886.01 0.30 2 082.27 0.40 3 720.89 0.94

表 3 河湟谷地不同土地利用类型的土壤保持量 Tab. 3 Soil conservation by different types of land use in the YHV

对河湟谷地2种主要耕地转移模式的土壤保持功能进行分析。如表 4所示，在仅考虑耕地的耕作措施情况下，同一地块，不同年限的转移后林地土壤保持量均大于转移前，且呈持续增大的趋势，近20 a来单位面积土壤保持量增加4 394.44 t/(km²·a)；而耕地转移的草地则表现出土壤保持效益回报的滞后性，单位面积土壤保持量先减小后增大，近20 a总体增加3 767.50 t/(km²·a)。由此可见，农业用地转移至林、草生态用地的2种转移模式对土壤保持均具有一定的正效益，且与草地相比，耕地转移至林地具备更高的短期和长期土壤保持效益。

表 4(Tab. 4)

表 4 不同耕地转移模式的土壤保持功能 Tab. 4 Soil conservation functions of different cropland transferring patterns 年份 Year 转移年限 Year of transferring 耕地至草地Cropland to grassland 耕地至林地Cropland to forest 土壤保持量 Soil conservation amount/(t·km-2·a-1) 植被覆盖度 Vegetation coverage/% 土壤保持量 Soil conservation amount/(t·km-2·a-1) 植被覆盖度 Vegetation coverage/% 2000 转移前Before the transfer 6 973.23 35.68 6 271.41 59.60 2010 10 a以内Less than 10 years 6 529.95 37.73 6 363.36 66.28 2018 10 a以内Less than 10 years 9 414.68 56.15 10 424.40 78.08 10 a以上Over 10 years 10 740.73 50.42 10 665.85 79.19

表 4 不同耕地转移模式的土壤保持功能 Tab. 4 Soil conservation functions of different cropland transferring patterns

以不同年份同区县耕地土壤保持量为参照进行对比分析(图 4)。可以发现，河湟谷地退耕地土壤保持呈显著的空间分异性，并受地势和地形影响较大。2010和2018年，分布于河谷地和黄土塬上的退耕地土壤保持量低于同区耕地，而分布于低山丘陵的退耕地则发挥出更强的土壤保持功能。随着退耕地向脑山区的蔓延，具备更高土壤保持效益的退耕地块明显增多，包括门源、大通、互助、湟源、平安、乐都和循化等2010—2018年主要退耕区。

图 4(Fig. 4)

图 4 2010和2018年高于和低于各区(县)耕地土壤保持量的退耕地分布及数量对比 Fig. 4 Distribution of cropland transferring land above and below the soil conversation of cropland in different district (county) in 2010 and 2018 and its amount comparison

笔者利用监督分类工具，提取河湟谷地2000、2010和2018年土地利用分布数据，并基于耕地闲置或荒芜2年及以上耕地撂荒的定义^[11]，结合耕地和撂荒地NDVI时序变化特征，尽可能降低短期轮休地对单一时刻影像监督分类造成的误差。所得研究结论与青海省^[20]、海东地区^[21]等尺度的研究相同，且本研究重点的耕地及其流失的数量和分布与曾永年等^[21]针对海东地区1999—2009年的研究成果相似。此外，与青海省统计年鉴记录的地级市耕地面积进行对比，2017年海东市和西宁市耕地面积为3 664.77 km²，本研究2018年2市耕地面积共计3 557.60 km²，与统计数据大致相当。

在土地利用形成和发展的历史过程中，自然环境因素具有十分重要的地位。河湟谷地“三山夹两谷”的独特地理地貌，所夹河谷单元，尤其是湟水河谷，地形起伏度低、水资源丰富，成为生产空间和生活空间竞争的源头和载体。在各时期，河谷土地利用均主要为耕地和建设用地，但因社会经济和人口需要，2000—2018年，城镇于河谷地空间蔓延式大扩张，侵占了绝大部分的优质耕地，并因农村人口向城镇转移，土地弃耕、撂荒的现象增多。浅山区和脑山区则为研究区退耕还林(草)重点区域，且以土壤侵蚀最强烈的浅山区^[8]为主。

这一变化主要由城市化和退耕还林(草)2项工程主导，二者于不同地域空间建设，最终走势均是导致区域内耕地资源的大量流失，不仅可能会威胁到粮食安全等，也深刻地影响着区域土壤保持功能。

河湟谷地土壤保持量呈逐渐增大的趋势，与王晓峰等^[22]和孙应龙等^[23]的结论一致。2000—2018年，河湟谷地单位面积土壤保持量为1万2 542.51 t/(km²·a)，与黄土高原2000—2019年单位面积土壤保持量1万950 t/(km²·a)^[23]数值相当。研究发现，耕地的主要变化方向，即耕地转移至林、草生态用地的两种退耕模式对土壤保持均取得了一定的正效益，且植被覆盖度持续升高，这与前人研究^[24]结论相符。

近20 a来，不同年限、模式的退耕地土壤保持效益存在较大差异，这主要因为降雨、地形和植被覆盖因子三者之间存在一定的相互制约关系^[25]。2010年退耕林地、退耕草地分别分布于河谷和脑山区、浅山区，地理特征导致生态恢复能力差异大，因此退耕林地的土壤保持增益更为显著。2010—2018年，退耕重心向脑山区转移，且退耕林地向水源涵养林带靠拢，使这一时期退耕的土地在短时期内植被恢复好并发挥出极高的土壤保持效益，且退耕林地2018年土壤保持量明显超过退耕草地。这也说明干旱是河湟谷地植被修复的主要限制因素。

此外，土壤保持需求也是退耕地土壤保持功能发挥的限制因素。因需求量低，2010和2018年分布于河谷和黄土塬等地势平坦区域的少量退耕林地和退耕草地，土壤保持量甚至低于同区县耕地，不能发挥其土壤保持功能；而分布于浅山区和脑山区等水土流失区的退耕地，不仅土壤保持量高于同区县耕地，还在近20 a来提供了显著的土壤保持增益。

本研究立足于河湟谷地为青海省重要农业区和经济中心的功能定位，重点关注其耕地动态及其土壤保持效应，弥补了该区域研究的空缺，可为河湟谷地未来水土保持规划和土地利用调整提供理论依据。研究发现，城市化和生态建设是导致研究区近20 a来土地利用变化及其土壤保持效益连锁反应的主要原因。如何根据土地利用变化对土壤保持功能的影响，优化土地利用结构和空间布局，将成为未来影响甚至决定水土流失治理区水土保持功能的重点。保障生态空间，尤其是3条主要山脉水源涵养林的气候调节、蓄水拦沙等主体功能的长期、稳定发挥，是维护河湟谷地经济和农业可持续发展的基础和重要生态保障。同时，要避免城市扩张的空间失控，基于河湟谷地重要农业区的定位，划定保障粮食生产安全的农业底线，控制城市对耕地的过度侵占。并根据地块土壤保持需求，调整目前退耕草地和耕地布局，规划宜农区常年撂荒地复耕细则。此外，退耕还林工程区水土流失严重、水热资源匹配度差，树苗存活率低，需因水制宜，加强管护。

1) 2000—2018年，河湟谷地土地利用变化以耕地减少2 145 km²、林地和建设用地分别增多2 846和511 km²为主。并伴随以耕地向草地、林地和建设用地转移为代表的多种地类转变方式。

2) 林地和草地为研究区土壤保持功能主体，贡献研究区84%以上的土壤保持量，耕地转移至草地和林地均引起土壤保持的正效益。水资源是造成不同模式退耕地土壤保持效益差异的主要原因。两种退耕模式以退耕林地的短期和长期土壤保持效益更高，且脑山区的退耕效益优于川水区和浅山区。