黃土高原土壤保持生態服務功能價值估算及其時空變化研究

邱春霞 毛琴琴 董乾坤

摘要?基于 RS、GIS 技術，應用修正后的通用土壤流失方程，計算潛在土壤侵蝕量和現實土壤侵蝕量，兩者差值得到土壤保持量，再應用市場價值法、影子工程法和機會成本法從保護土壤肥力、減少泥沙淤積和減少土地廢棄價值3個方面來評價土壤保持價值。探索評估黃土高原重要生態功能區生態系統土壤保持功能及其經濟價值，以期為該區生態系統土壤保持功能的保護與管理提供一定的理論支撐。

關鍵詞?土壤侵蝕量;土壤保持量;土壤保持價值

中圖分類號?S157文獻標識碼 A文章編號?0517-6611（2018）33-0104-04

生態系統服務功能是指生態系統與生態過程形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[1]。結合遙感數據、氣象數據以及地面數據，應用通用的土壤流失方程RUSLE（revised universal soil loss equation）對縣南溝流域土壤的保持價值進行評價。

1?土壤保持價值的研究方法

以黃土高原中一個小流域縣南溝作為研究對象，對縣南流域土壤保持溝生態系統服務功能價值進行初步的研究，從而得到縣南溝流域土壤保持生態系統服務功能的價值，技術路線如圖1所示。

1.1?土壤侵蝕量與保持量估算?生態系統土壤保持功能用土壤保持量表示。運用通用的土壤流失方程來估算縣南溝流域的土壤保持量[2]。采用廣泛應用的RUSLE來估算流域潛在土壤侵蝕量和現實土壤侵蝕量，二者之差即為生態系統土壤保持量。潛在土壤侵蝕量為沒有植被覆蓋和任何水土保持措施時的土壤侵蝕量，即C=1，P=1;現實土壤侵蝕量為考慮地表植被覆蓋和水土保持措施下的土壤侵蝕量。

式中，Ap為潛在土壤侵蝕量，單位為[t/（hm2·a）];Ar為現實土壤侵蝕量，單位為[t/（hm2·a）];Ac為土壤保持量，單位為[t/（hm2·a）];R為降雨侵蝕力因子，單位為[MJ·mm/（hm2·h·a）];K為土壤可蝕性因子，單位為[t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）];L為坡長因子;S為坡度因子;C為植被覆蓋因子;P為水土保持措施因子。L、S、C、P為無量綱。

1.1.1?降雨侵蝕力（R）。R的估算主要有2種方法。一種是通過年雨量或汛期雨量與年最大30 min雨強的乘積估算年R值;二是采用月雨量與年雨量比值系數的方法估算年 R 值。采用渭北地區估算降雨侵蝕力指標R計算式[3]。論文采用該研究方法，R的計算公式如下：

1.1.2?土壤可蝕性因子（K）。

土壤可蝕性因子（K）表征土壤性質對侵蝕敏感程度的指標。中國的可蝕性因子獲取有2種途徑，一種是利用實測數據計算，而另一種則是根據諾謨圖計算，從美國制訂的諾謨圖上查出不同土樣的K值，我國黃土的K值為0.43[4]。

1.1.3?坡度坡長因子（LS）。地形是導致土壤侵蝕發生的直接誘導因子，坡長坡度因子（LS）也稱地形因子，反映地形坡度和坡長對土壤侵蝕的影響。其算法公式為[4-8]：

根據相關文獻在RUSLE以及中國黃土高原地區相關研究基礎上建立了研究區黃土坡度因子（S），根據實測任一坡度下的土壤流失量和標準坡度下的土壤流失量之比，在陜北安塞縣的實驗，坡度指數為1.308，計算公式為：

1.1.4?植被覆蓋因子（C）。

獲取植被覆蓋因子的方法是根據植被的各個類型的面積得到不同植被覆蓋度，然后根據黃土高原不同植被覆蓋度的C值得到植被覆蓋因子。C值見表1。

1.1.5?水土保持措施因子（P）。水土保持因子為采取水土保持措施后土壤流失量與順坡種植時土壤流失量比值。查閱相關文件之后，參考前人的研究成果，引用黃土高原不同土地利用耕作因子P[30]，其中林地、草地、耕地的利用耕作因子P分別為1.00、1.00、0.65，其他土地利用耕作因子P為1.00。

1.2?減少土地廢棄的價值

根據土壤保持量和土壤表土平均厚度（0.6 m）推算因土壤侵蝕而造成的廢棄土地面積，再根據機會成本法計算因土地廢棄而失去的年經濟價值。

土壤的容重為1.200 t/m3。

1.3?減少泥沙淤積的價值

根據蓄水成本計算損失價值[8]。該方法指在環境破壞后，人工建造一個工程來代替原來的環境功能，以該工程的投資成本作為環境污染的損失。

1.4?保護土壤肥力的價值

通過市場價值法，利用因環境質量變化引起的產值和利潤的變化來計量環境質量變化的經濟效益或者經濟損失[9]。具體是利用氮、磷、鉀的市場價格來計算其價值。

2?數據準備

2.1?研究區概況

縣南溝流域位于我國陜西省延安市安塞縣沿河灣鎮，是一個沿河的小流域，北距安塞縣城15 km，南距延安市25 km，溝口即為包茂高速、黃延高速和延志吳高速的交匯處（圖2）。流域范圍在 36°41′24″～36°46′12″N， 109°12′12″～109°22′12″E。流域面積44.11 km2，全長39.48 km。縣南溝坡度見圖3。

2.2?數據來源

遙感數據來自于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/），用于得到土地利用圖和植被覆蓋因子;氣象數據來自于國家氣象科學數據共享服務平臺（http：//data.cma.cn/），用于得到降雨侵蝕因子;地面數據和遙感數據一樣也是來自于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/），用于得到坡度坡長因子，分辨率為30m。影像都統一為墨卡托投影，以上數據為論文提供相應的支持。

2.3?數據處理?為了得到土壤流失方程用因子，獲取的數據經ArcGIS和ENVI為技術平臺處理，得到坡長坡度因子和土地利用圖。

2.3.1??氣象數據。

通過國家氣象科學數據共享服務平臺獲取的降雨數據通過Excel統計得到1996、2003、2013年降雨總量和每年6—9月的降雨量和。根據前人研究的方法公式計算得到降雨侵蝕因子。

2.3.2?地面數據。在地理空間數據云里獲得到的DEM數據，通過ArcGIS 10.2軟件處理數字高程數據得到論文需要的坡度坡長因子，根據公式5、公式6、公式7、公式8可得知需要通過數字高程數據先得到柵格單元的水平坡長λ、坡長指數m、細溝侵蝕和細溝間侵蝕的比率β和坡度θ。

2.3.3?遙感數據。采用2013年資三數據遙感影像，對影像進行前期預處理。主要包括遙感影像幾何校正、全色和多光譜遙感影像融合、影像裁剪以及影像解譯。

2.3.4?土地利用面積的統計。土地利用面積的統計，在土地利用圖中建立面狀shp文件，首先打開文件的屬性表，在字段中添加一個字段，名字為Shape_Area，字段類型為雙精度。在屬性表尾部有一個新添的字段，右擊字段名，在彈出的菜單欄中選擇統計，統計每種土地利用類型的面積。

再利用統計工具計算每個土地類型的比例。

3?結論與討論

3.1?土壤侵蝕量與土壤保持量?以ArcGIS 10.2為技術平臺，利用柵格計算器得到降雨侵蝕因子、土壤可蝕性因子、地形因子、植被覆蓋因子和水土保持因子這5個因子，根據USLE 方程得到1996、2003、2013年黃土高原地區縣南溝流域潛在土壤侵蝕量和現實土壤侵蝕量，從而得到土壤保持量。基于統計分析工具估算1996、2003、2013 年單位面積的各地類的土壤潛在侵蝕總量、現實侵蝕總量和保持總量見表2。

3.2?縣南溝土壤保持生態功能價值

應用市場價值法、機會成本法及影子工程對縣南溝流域 1996、2003、2013 年的單位面積土壤保持各項價值量進行統計，結果見表3、4。

3.3?土壤保持生態功能價值時空變化

在縣南溝流域生態系統土壤保持價值研究中，1996、2003和2013年土壤保持總價值分別為795.84萬、1 395.21萬和7 480.98萬元。其中1996年的林地生態系統的土壤保持價值占總價值的54.72%，草地生態系統價值占總價值的26.86%，林地和草地生態系統總共占服務總價值的81.57%。林地和草地生態系統的土壤保持價值在本年的土壤保持總價值中占重要地位。由圖4可以得知，2003年的林地生態系統的土壤保持價值占總價值的59%，草地生態系統的土壤保持價值占總價值的22%，耕地和園地生態系統的土壤保持價值占總價值的19%，2013年的林地生態系統的土壤保持價值占總價值的77%，草地生態系統價值占總價值的15%，林地和草地的土壤保持價值占總價值的92%。隨著林地和草地生態系統在縣南溝土地利用整個生態系統中占的比重越來越大，土壤保持生態系統價值也越來越大。

4?結語

以陜西省延安市安塞縣縣南溝流域為黃土高原研究對象，運用通用的水土流失方程（RUSLE）研究黃土高原土壤保

持量。再從保持土壤肥力價值、土地廢棄價值和減少泥沙淤積價值3個方面，得到縣南溝的土壤保持生態系統服務功能的價值及其價值的時空分布。

參考文獻

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[8] 于格，魯春霞，謝高地，等.基于RS和GIS的青藏高原草地生態系統土壤水分保持功能及其經濟價值評估：以生長季為例[J].山地學報， 2006， 24（4）：498-503.