海南島生態系統土壤保持功能空間特征及影響因素

饒恩明，肖 燚，歐陽志云，鄭 華

(中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085)

生態系統服務是人類生存與發展的基礎［1］;土壤保持，作為生態系統調節服務之一，在預防全球性環境問題——土壤侵蝕，維持區域生態安全與可持續發展中發揮重要作用。早在20世紀80年代初，學術界已開始關注農田侵蝕對農業發展乃至糧食安全的嚴重威脅［2］，廣泛開展了農田侵蝕損失評估［3-4］。隨著生態系統服務研究的興起與不斷深入，人們逐漸將重心轉移到生態系統抑制土壤侵蝕所避免的損失，即土壤保持價值上來，代表性研究如Costanza對全球生態系統土壤保持功能價值的估算［5］。然而，早期基于統計資料的評估對于需要詳盡空間特征的管理與決策過程顯得有些力不從心，于是以通用土壤流失方程(USLE)為代表的基于GIS與RS的模型方法應運而生［6-11］。近年來，美國斯坦福大學、大自然保護協會和世界自然基金會聯合開發了生態系統服務價值化和權衡得失綜合評價工具(InVEST)［12］，其中土壤保持模塊(Avoided Reservoir Sedimentation)在USLE基礎上加以改進，使土壤保持功能評估的合理性和準確性均得到提升。該模型已成功應用于美國賓夕法尼亞州阿勒格尼縣東南［13］與北京山區［14］土壤侵蝕的模擬以及白洋淀流域［15］和長江上游［16］生態系統土壤保持功能的研究。

海南島是我國熱帶雨林、季雨林的重要分布區(生物多樣性異常豐富)，同時也是水土流失敏感性極高的地區［17］，生態系統土壤保持功能在海南島土壤資源保護、生物多樣性維持以及生態安全保障方面發揮著極為重要的作用。然而，隨著人口的急劇增長以及經濟的快速發展，海南島生態系統正在遭受人類活動強烈干擾，天然林面積日益減少，低海拔地區原生植被破壞殆盡［18-19］，土壤保持等生態系統服務正在發生退化［20］。與此同時，作為我國第一個生態省，海南高度重視環境保護與生態建設，并于2005年規劃實施了海南中部山區國家級生態功能保護區［21］，為海南生態環境的保護作出了不懈努力。本文以InVEST模型為工具，對海南島生態系統土壤保持功能的空間特征及其影響因素進行深入分析與探討，以期為海南島土壤保持功能的保育與管理提供科學指導。

1 研究區概況

海南島位于我國廣東雷州半島以南，北緯18°10'04″至20°0'40″，東經108°30'43″至111°2'33″之間，行政上包括2個地級市，6個縣級市，4個縣，6個民族自治縣和1個經濟開發區，總面積3.39萬km2。其地形地貌復雜，由山地、丘陵、臺地、平原等形成以中部高山為核心，向四周逐漸遞降的梯級結構［22］，由此形成了獨特的放射狀入海水系。因地處熱帶北緣，海南島全年氣溫高(年均氣溫22—26℃)，終年無霜凍。受海洋性季風氣候影響，區內雨水資源充沛(年均降雨量1639 mm)，但時空差異大，中部山地的屏障作用導致降水量在東部迎風區(2000—2400 mm)遠大于西部背風區(1000—1200 mm)。由于地形、氣候等因素影響，土壤分布具有明顯的垂直地帶性和地域性，由沿海至山地依次為濱海沼澤化鹽土、濱海砂土、磚紅壤(西南為燥紅土)、山地赤紅壤、山地黃壤等，地帶性土壤為磚紅壤［23］。

海南中部山區國家級生態功能保護區(以下簡稱功能區)位于海南島中南部，包括五指山市、瓊中縣的全部以及三亞、東方、白沙、昌江、樂東、陵水、保亭7個市縣的部分鄉鎮，面積0.87萬km2，占海南島國土面積的25.64%，是海南島的生態屏障、主要江河發源地、重要水源涵蓄區和水土保持重點預防保護區。

2 研究方法與數據來源

2.1 基本原理

根據InVEST模型中土壤保持模塊［12］的計算原理，生態系統土壤保持量包含侵蝕減少量和泥沙持留量兩部分。前者反映各地塊對自身潛在侵蝕的減少，以潛在侵蝕與實際侵蝕的差表示;后者表示該地塊對進入它的上坡來沙的持留，以來沙量與泥沙持留效率的乘積表示。

模型基本形式如下:

式中，SEDRETx和SEDRx分別為柵格x的土壤保持量和泥沙持留量，USLEx和USLEy分別為柵格x及其上坡柵格y的實際侵蝕量，Rx、Kx、LSx、Cx和Px分別為柵格x的降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、覆蓋管理因子和水土保持措施因子，SEx為柵格x的泥沙持留效率。

2.2 參數準備

2.2.1 降雨侵蝕力因子(R)

降雨是引起土壤侵蝕的主要驅動力，降雨侵蝕力表征了降雨引起土壤發生侵蝕的潛在能力［24-25］。鑒于海南島與福建省雨型特征的相似性，本研究采用周伏建等根據福建省實測數據建立的R值計算式［26］:

式中，R為多年平均降雨侵蝕力(MJ·mm·hm－2·h－1·a－1)，Pi為月均降雨量(mm)。

2.2.2 土壤可蝕性因子 (K)

土壤可蝕性衡量了土壤顆粒被水力分離和搬運的難易程度，是反映土壤對侵蝕敏感程度的指標［27］，通常用標準小區上單位降雨侵蝕力所引起的土壤流失量來表示［24］。土壤性質中的土壤質地、有機質含量、土體結構、滲透性等決定了土壤可蝕性的大小。本文采用EPIC模型中的公式進行計算，并根據張科利的研究對結果進行校正［27］。

式中，K為土壤可蝕性(t·hm·2h·hm－·2MJ－·1mm－1)，ms、msilt、mc和orgC分別為砂粒(0.05—2.0 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)、粘粒(＜0.002 mm)和有機碳百分含量。

2.2.3 地形因子 (LS)

地形因子是在相同條件下，每單位面積坡面土壤流失量與標準小區(坡長22.13 m，坡度9%)流失量的比值，反映坡長、坡度等對土壤侵蝕的影響［24］。

InVEST模型中對LS的取值采取緩坡、陡坡分段計算，坡度閾值默認為25°。

緩坡(＜25°):

陡坡(＞25°):

式中，LS為地形因子，FA和CS分別為柵格匯流量和柵格分辨率，S和PS分別為坡度(°)和百分數坡度(%)，m為坡長指數。

2.2.4 覆蓋管理因子 (C)

覆蓋管理因子定義為特定植被覆蓋與管理狀態下土壤侵蝕量與實施清耕的連續休閑地土壤侵蝕量的比值［24］。它是控制土壤侵蝕的積極因素，反映了植被類型、覆蓋度等對土壤侵蝕的影響。本研究通過查閱文獻資料獲得不同植被類型的C值［23，25］。

2.2.5 水土保持措施因子 (P)

水土保持措施因子是指采取特定水土保持措施時的土壤侵蝕量與不采取任何措施的順坡耕作時相應侵蝕量的比值［24］。海南島的水稻種植多采用等高耕作，因此水田的P值取0.15，其余基本上沒有采取水土保持措施，取值為 1.00［23］。

2.2.6 泥沙持留效率(SE)

泥沙持留效率反映了侵蝕產生的泥沙在輸移過程中因植被過濾、攔截等作用而發生沉積的過程［28-32］;被攔截泥沙比例越大，則持留效率越高。不同類型植被因結構、生物量等的差異而具有不同的持留能力。本文參照InVEST模型數據庫獲得不同植被類型的泥沙持留效率。

2.3 統計分析

在數據處理與結果分析中主要使用了ArcGIS 9.3、SPSS 17.0以及SigmaPlot 11.0。

2.4 數據來源

本研究使用的降雨數據來自中國生態系統研究網絡(CERN)共享數據平臺;DEM(30m)來自全球科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站;行政區劃、土壤數據來自海南省環境科學研究院;經濟、人口等統計數據來自《海南統計年鑒2008》［33］;生態系統圖則由2008年海南TM影像解譯獲得(經野外驗證，分類精度約85%，卡帕系數約94%)，結合區域特點，將海南島生態系統分為天然林、紅樹林、橡膠林、漿紙林、防護林、灌叢、草地、熱作園、水田、旱地等類型。

3 研究結果

3.1 土壤保持功能的空間特征

運用InVEST模型計算得到海南島生態系統土壤保持總量為8.16×108t，其中侵蝕減少量為7.50×108t，泥沙持留量為0.66×108t，平均單位面積土壤保持量為247.28 t·hm－2·a－1，空間上呈現中部高四周低的分布格局(圖1)。

海南中部山區國家級生態功能保護區與土壤保持功能空間分布的疊加分析表明(表1):功能區面積占研究區總面積的25.64%，土壤保持量的比重則高達46.74%，功能區內單位面積土壤保持量約為功能區外的2.5倍。

圖1 海南島生態系統土壤保持功能空間格局Fig.1 The spatial pattern of soil conservation service in Hainan Island

表1 海南中部山區國家級生態功能保護區土壤保持功能特征Table 1 Characteristics of soil conservation service in Mountainous Area of Central Hainan National Ecological Function Conservation Area(NEFCA)

3.2 不同生態系統類型的土壤保持功能特征

海南島生態系統類型以森林、農田為主，灌叢、草地比例較小，呈零星分布。將土壤保持量按生態系統類型進行分區統計，結果見表2。

表2 不同生態系統類型的土壤保持功能Table 2 The soil conservation service of various ecosystems

土壤保持功能在不同生態系統類型間具有明顯差異，按平均單位面積土壤保持量從大到小進行排序:灌叢＞天然林＞草地＞橡膠林＞漿紙林＞熱作園＞水田＞旱地＞紅樹林＞防護林，其中天然林、灌叢、草地均在400 t·hm－2·a－1以上，而旱地則在100 t·hm－2·a－1以下。就土壤保持總量而言，天然林、橡膠林、熱作園構成了海南島生態系統土壤保持功能的主體(三者土壤保持量之和占總量的83.6%)。

3.3 土壤保持功能的影響因素

為探明人類活動對生態系統土壤保持功能的影響，進而采取相應的保育與管理對策，結合海南島的區域特征，選取了單位面積地區生產總值、單位面積第一產業生產總值、人口密度、農田比例、橡膠林比例等能表征海南島經濟發展水平和人類活動強度的因子，與能反映生態系統土壤保持功能狀況的單位面積土壤保持量進行統計學分析。為便于數據收集與整理，此處以縣級行政區(海口、三亞、儋州、文昌、東方、瓊海、萬寧、五指山、臨高、澄邁、定安、屯昌、昌江、白沙、瓊中、樂東、保亭、陵水)作為統計單元。

結果表明，各影響因素與生態系統土壤保持功能具有顯著相關關系;其中單位面積地區生產總值、單位面積第一產業生產總值、人口密度以及農田比例與單位面積土壤保持量顯著負相關(P＜0.05)，橡膠林比例與土壤侵蝕強度顯著正相關(P＜0.01)(圖2)。

圖2 人類活動對生態系統土壤保持功能的影響Table 2 The impact of human activities on soil conservation service

4 討論

生態系統是控制土壤侵蝕的積極因素［34］，它通過冠層、地被層和土壤層共同作用，阻止侵蝕的發生和發展，其作用過程主要體現為減少侵蝕和阻攔泥沙［34］。與僅考慮“減少侵蝕”的通用土壤流失方程(USLE)相比，本研究采用的InVEST模型納入了這兩個過程，使評估更為全面和準確。

中部山區國家級生態功能保護區是海南島原始森林的集中分布區和生物多樣性富集區，同時也是南渡江、昌化江、萬泉河等海南主要河流的發源地、水源涵養區和水土保持敏感區，戰略地位極為重要。通過比較，功能區內的土壤保持功能明顯優于功能區外;區內土壤保持量高達3.81×108t，占總量的46.74%，功能區生態系統的破壞意味著土壤資源的大量流失與河流水庫的嚴重淤積。由此，中部山區在維護海南生態安全方面的重要性不言而喻，生態功能保護區建立的必要性和有效性也得以充分體現。

根據生態系統結構-過程-功能關系，土壤保持功能的強弱與生態系統類型和覆蓋度密切相關。不同生態系統類型的土壤保持功能以森林最強，灌叢、草地次之，牧草、作物最差［34］，森林中混交林優于純林［35］;就覆蓋度而言，植被覆蓋度越高，土壤保持功能越強［34，36-38］。但同時也不乏草地優于森林［39-41］、灌叢優于林地［42-43］，甚至農田優于灌叢［41］的報道。這充分說明實際發揮的土壤保持功能不單由生態系統類型和覆蓋度決定，還會因生態系統年齡以及氣候、地形等環境條件不同而發生改變，充分體現了土壤保持功能的綜合性與復雜性［35］。海南島灌叢生態系統呈現出較高的單位面積土壤保持量，這可能與其恰好處于降雨中心，潛在侵蝕較高，土壤保持功能得以充分發揮有關。橡膠林、漿紙林等人工林因群落結構簡單且人類活動頻繁，其土壤保持功能較之天然林明顯降低。紅樹林雖為天然林，但因地處沿海灘涂，地勢平坦，潛在侵蝕極低，保土功能無法充分施展，可以認為，獨特的環境條件限制了紅樹林土壤保持功能的發揮。

除自然因素外，生態系統土壤保持功能還受到人為因素的強烈影響［20，39，44-45］。土地開墾、森林采伐等人類活動都可能通過改變生態系統結構影響生態系統土壤保持功能［44］。作為我國唯一的熱帶海島，海南具有充足的光照和水熱資源，為農業的發展創造了優越條件，使其成為海南大部分地區的支柱性產業;但農業耕作對土壤層的頻繁擾動以及農田土壤的季節性裸露使其成為侵蝕產沙的重要來源，而少數民族地區沿用的刀耕火種更是造成了局部地區原始森林的毀滅性破壞［18］，可見農田擴張會直接削弱生態系統的土壤保持功能。人口增加是導致海南島生態系統土壤保持功能降低的又一重要原因。資料顯示，海南人口增長較快，第五次人口普查與第四次相比，年均增長率為1.78%，高于全國平均增長率1.07%，第六次與第五次相比，增長速度有所減緩，但仍高于全國平均水平。人口數量的攀升不僅直接加劇了人類活動對生態系統的干擾［11］，還驅動了農田的擴張，造成人類對生態系統土壤保持功能的壓力和負作用明顯增加［46］。此外，為滿足經濟發展與國防建設的雙重需要，自20世紀50年代以來，海南大面積掀起橡膠種植的熱潮，橡膠林面積迅速上升，由此導致的開荒、毀林現象十分嚴重［18］。作為取代熱帶天然林和熱帶草地后形成的人工生態系統，橡膠林具有群落結構簡單、物種組成單一、耗肥耗水和人為干擾頻繁等特點，土壤保持功能較之熱帶雨林相差甚遠［47］，建立在毀林基礎上的橡膠林擴張必然導致海南島生態系統土壤保持功能的退化。

綜上所述，生態系統土壤保持功能對于維持海南島的生態平衡至關重要，為加強生態系統管理與保護，遏制土壤保持功能退化，特提出以下建議:

(1)繼續加強中部山區的保護 中部山區為海南島的土壤保持做出了重要貢獻(面積約為海南島國土面積的1/4，土壤保持量的比重為46.74%)，對該區域的保護能有效控制土壤侵蝕，防止土地退化與河流淤積，維護海南島的生態安全。

(2)嚴格保護天然林天然林具有強大的土壤保持能力(單位面積土壤保持量447.43 t·hm－2·a－1，約為橡膠林的1.5倍，旱地的6.3倍)，保土量約占海南島土壤保持總量的37.45%，其生態效益顯著高于橡膠林、農田等，以犧牲生態效益換取經濟效益的做法是不明智的。另外，海南島地區具有較強的植被恢復能力［48］，對于已發生植被退化的區域，可減少人為干擾，促進植被天然更新，迅速恢復其保持土壤的能力。

(3)取締傳統耕作方式，提高農業集約化程度 淘汰刀耕火種的耕作模式，通過間作、套種、輪作等提高復種指數，充分利用海南島的氣候資源，提高土地產出的同時增加農田植被覆蓋，抑制農田擴張，達到經濟效益與生態效益雙贏。此外，復合農林業(如橡膠林下種植南藥等)也具有較好的發展前景。

(4)權衡經濟發展與土壤保持功能的關系 海南島的經濟發展和人口增長削弱了生態系統土壤保持功能(單位面積地區生產總值、單位面積第一產業生產總值、人口密度以及農田比例與單位面積土壤保持量顯著負相關(P＜0.05)，橡膠林比例與土壤侵蝕強度顯著正相關(P＜0.01))。在可持續發展與生態省建設的旗幟下，決策者大力發展經濟的同時，不應忽略對土壤保持功能的保護。

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