長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶坡面土壤保持服務(wù)功能時(shí)空格局及其變化特征

吳 丹, 鄒長(zhǎng)新, 林乃峰, 曹 巍

(1.環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210042; 2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101)

20世紀(jì)90年代以來，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)已成為當(dāng)今國(guó)際生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的前言和熱點(diǎn)[1-5]。“土壤保持”作為一項(xiàng)重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，也開始受到格外關(guān)注[6-8]。生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)功能是指地被物和凋落物層層截留降水，降低水滴對(duì)表土的沖擊和地表徑流的侵蝕作用，防止土壤崩塌瀉溜，減少土壤肥力損失以及改善土壤結(jié)構(gòu)的功能[9-10]。土壤保持服務(wù)功能的發(fā)揮，不僅為人類的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和提高農(nóng)作物生產(chǎn)力提供了基礎(chǔ)，還為減少洪澇風(fēng)險(xiǎn)、抑制生態(tài)環(huán)境惡化和全球氣候變暖等提供了保障。目前，服務(wù)于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理和決策的土壤保持服務(wù)功能綜合評(píng)估已經(jīng)具備較好的研究基礎(chǔ)[11-13]。GIS和RS技術(shù)的發(fā)展及其在生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合評(píng)估提供了技術(shù)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息支持[14-16]。

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶作為中國(guó)重要的生態(tài)屏障，由于人口密度大、開發(fā)強(qiáng)度高等原因，國(guó)土生態(tài)空間保護(hù)面臨巨大壓力，生態(tài)系統(tǒng)退化，水土流失等問題嚴(yán)峻。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶涉及7個(gè)國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)，8個(gè)國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，其自然生態(tài)土壤保持功能亟待加強(qiáng)。因此，開展長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)功能時(shí)空格局及其變化特征研究，對(duì)于探討提升長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全保障能力具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶(21°08′45″—34°56′47″N，97°31′50″—121°53′23″E)覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州11個(gè)省(市)，面積約2.05×106km2，人口和生產(chǎn)總值均超過全國(guó)的40%。從主體功能分區(qū)上看，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶國(guó)家級(jí)優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點(diǎn)開發(fā)區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)面積分別為4.06×104,2.02×105,6.22×105,5.86×105km2，占長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶總面積的1.99%,9.93%,30.54%和28.74%。其中，優(yōu)化開發(fā)區(qū)主要分布于長(zhǎng)三角地區(qū)，重點(diǎn)開發(fā)區(qū)主要分布于長(zhǎng)江中游、成渝、黔中和滇中等地區(qū)，農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)主要分布于太湖、巢湖、鄱陽湖、洞庭湖、漢江、江淮和成都等平原地區(qū)，重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)主要分布于長(zhǎng)江中上游地區(qū)。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤保持量估算 基于修正的通用水土流失方程[17](revised universal soil loss equation， RUSLE)計(jì)算在一定耕作方式和經(jīng)營(yíng)管理制度下，因坡面侵蝕而產(chǎn)生的單位面積水土流失量，即土壤侵蝕模數(shù)。通

用水土流失方程中包含6大因子，降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)、坡長(zhǎng)因子(L)、坡度因子(S)、植被覆蓋因子(C)以及土壤保持措施因子(P)，表達(dá)式為：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中：A——單位面積土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕;R——降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;K——土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕;L——坡長(zhǎng)因子；S——坡度因子；C——植被覆蓋因子；P——土壤保持措施因子。L，S，C，P無量綱。

潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量的差值即為土壤保持量。潛在土壤侵蝕量為沒有植被覆蓋和任何土壤保持措施時(shí)的土壤侵蝕量，即C=1，P=1；實(shí)際土壤侵蝕量為考慮地表植被覆蓋和土壤保持措施下的土壤侵蝕量。表達(dá)式為：

Ac=Ap-Ar

(2)

式中：Ac——土壤保持量〔t/(hm2·a)〕；Ap——潛在土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕；Ar——實(shí)際土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕。

(1) 降雨侵蝕力因子(R)。降雨侵蝕力是土壤侵蝕的驅(qū)動(dòng)因子，與土壤侵蝕強(qiáng)度有直接關(guān)系。本研究采用章文波等[18]的全國(guó)日降雨量擬合模型來估算降雨侵蝕力，表達(dá)式為：

(3)

式中：Mi——某半月時(shí)段的降雨侵蝕力值〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；Dj——半月時(shí)段內(nèi)第j天的侵蝕性日雨量(要求日雨量大于等于12 mm，否則以0計(jì)算，閾值12 mm與中國(guó)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)一致)；k——半月時(shí)段內(nèi)的天數(shù)，半月時(shí)段的劃分以每月第15 d為界，每月前15 d作為一個(gè)半月時(shí)段，該月剩下部分作為另一個(gè)半月時(shí)段，將全年依次劃分為24個(gè)時(shí)段。

α，β為模型待定參數(shù)：

(4)

α=21.586β-7.189 1

(5)

式中：Pd12——日雨量12 mm以上(包括12 mm)的日平均雨量；Py12——日雨量12 mm以上(包括12 mm)的年平均雨量。

(2) 土壤可蝕性因子(K)。土壤是土壤侵蝕發(fā)生的主體，土壤可蝕性是表征土壤性質(zhì)對(duì)侵蝕敏感程度的指標(biāo)。本研究采用Williams等[19]的侵蝕生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型EPIC估算土壤可蝕性，表達(dá)式為：

式中：SAN，SIL和CLA——砂粒、粉粒、黏粒含量(%)；C——土壤有機(jī)碳含量(%)；SNI=1-SAN/100；0.131 7為美制向公制的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

(3) 坡長(zhǎng)坡度因子(LS)。地形是導(dǎo)致土壤侵蝕發(fā)生的直接誘導(dǎo)因子，坡長(zhǎng)坡度因子(LS)反映了地形坡長(zhǎng)和坡度對(duì)土壤侵蝕的影響。本研究坡長(zhǎng)坡度因子的算法建立在McCool 等[20]和劉寶元等[21]研究的基礎(chǔ)之上，核心算法為：

L=(λ22.13)m

(7)

m=β/(1+β)

(8)

β=(sinθ/0.089 6)/〔3.0×(sinθ)0.8+0.56〕

(9)

S={10.8sinθ+0.03(θ<9%)

16.8sinθ-0.50 (9%≤θ≤18%)

21.91sinθ-0.96(θ>18%)

(10)

式中：γ——坡長(zhǎng)(m)；m——無量綱常數(shù)，取決于坡度百分比值(θ)；S——坡度，單位為弧度。

(4) 植被覆蓋因子(C)。植被覆蓋因子反映植被覆蓋對(duì)土壤侵蝕的影響，其值界于0～1之間。本研究采用蔡崇法等[22]提出的算法，表達(dá)式為：

C={1(f=0)0.650 8-0.313 6lgf(078.3)

(11)

式中：f——植被覆蓋度(%)。

植被覆蓋度基于歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，公式如下：

f=NDVI-NDVIsoilNDVIveg-NDVIsoil

(12)

式中：NDVI——該像元的歸一化植被指數(shù)； NDVIveg——純植被像元的NDVI值； NDVIsoil——完全無植被覆蓋像元的NDVI值。

(5) 土壤保持措施因子(P)。土壤保持措施因子是指采取水保措施后，坡面土壤侵蝕量相對(duì)于順坡種植時(shí)土壤侵蝕量的比例，其值界于0～1之間。本研究依據(jù)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶長(zhǎng)期以來耕作習(xí)慣以及不同地形條件下的等高耕作措施，對(duì)P數(shù)據(jù)進(jìn)行了分區(qū)賦值(表1)。

表1 研究區(qū)不同土地利用方式的耕作措施因子P

1.2.2 土壤保持服務(wù)功能保有率估算 土壤保持服務(wù)功能保有率指被評(píng)價(jià)區(qū)域某類生態(tài)系統(tǒng)坡面土壤保持量達(dá)到同類最優(yōu)生態(tài)系統(tǒng)坡面土壤保持量的水平[23]，公式如下：

SP=SKSKg×100%

(13)

式中：SP——評(píng)估單元的某類生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)功能保有率(%); SK——評(píng)估單元上某類生態(tài)系統(tǒng)的坡面土壤保持量(t); SKg——研究區(qū)同類最優(yōu)生態(tài)系統(tǒng)的坡面土壤保持量(t)。

1.3 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

氣象數(shù)據(jù)來源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http:∥data.cma.cn/)，包括長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶234個(gè)和周邊156個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站2010—2015年逐日降雨量資料。土地利用、地形、土壤數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥resdc.cn/)。歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)來源于MODIS 1km月最大合成數(shù)據(jù)產(chǎn)品。主體功能區(qū)數(shù)據(jù)來源于《全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃》。主體功能區(qū)按層級(jí)分為國(guó)家級(jí)和省級(jí)兩個(gè)層面，本研究只考慮國(guó)家級(jí)主體功能區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶坡面土壤保持服務(wù)功能的基本特征

2010—2015年，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶年均坡面土壤保持量為1.88×1010t/a，單位面積土壤保持量為91.54 t/(hm2·a)。不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持服務(wù)功能表現(xiàn)出較大差異(圖1)。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量最低，年均土壤保持量為2.49×109t/a，單位面積土壤保持量為40.38 t/(hm2·a)。草地生態(tài)系統(tǒng)次之，年均土壤保持量為3.76×109t/a，單位面積土壤保持量是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的2.76倍。林地生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的土壤保持能力，年均土壤保持量為1.21×1010t/a，單位面積土壤保持量最大，分別為農(nóng)田、草地生態(tài)系統(tǒng)的3.20，1.16倍。

圖1 研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量統(tǒng)計(jì)

從空間分布上看，江淮平原、鄱陽湖平原、兩湖平原、四川盆地等農(nóng)田集中分布區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能較弱，川西高原草地集中分布區(qū)以及云貴高原、江南丘陵山地等林地集中分布區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能較強(qiáng)(附圖15)。

2.2 不同主體功能分區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能的基本特征

2010—2015年，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶不同主體功能分區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能亦表現(xiàn)不同，總體體現(xiàn)不同主體功能布局的梯級(jí)開發(fā)特征。國(guó)家級(jí)優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點(diǎn)開發(fā)區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能較弱，單位面積土壤保持量分別為27.93，47.17 t/(hm2·a)。農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)次之，單位面積土壤保持量為63.10 t/(hm2·a)。重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能較強(qiáng)，單位面積土壤保持量為133.89 t/(hm2·a)。優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點(diǎn)開發(fā)區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)2010—2015年生態(tài)系統(tǒng)年均坡面土壤保持量分別為1.12×108，9.54×108，2.48×109，7.84×109t/a。

2.3 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶坡面土壤保持服務(wù)功能保有率的變化特征

2010—2015年，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶森林、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年均坡面土壤保持服務(wù)功能保有率依次降低，分別為88.82%，80.50%，74.21%。從變化斜率上看，森林、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)坡面土壤保持服務(wù)功能保有率的趨勢(shì)斜率分別為0.33/a，0.52/a，0.34/a。5 a間，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)坡面土壤保持服務(wù)功能保有率總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。保有率保持基本穩(wěn)定的面積占全區(qū)面積的48.51%；有所上升的面積占比為28.53%；有所下降的面積占比較小，為22.96%(表2)。從空間分布上看，貴州、重慶、云南東部、湖南中南部的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率上升態(tài)勢(shì)較為明顯，而云南中西部、江蘇、安徽、上海、湖北等地的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率有所下降(附圖16)。

表2 2010-2015年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶坡面土壤保持服務(wù)功能保有率變化

從各主體功能分區(qū)內(nèi)的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率的變化斜率看，重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)保持基本穩(wěn)定的面積占比最高，為63.24%；下降的面積比例亦最小，為18.09%。其他3個(gè)區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率變化保持基本穩(wěn)定的面積比例均低于全區(qū)平均值。優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點(diǎn)開發(fā)區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率有所下降的面積比例分別為26.75%,25.42%和28.52%(圖2)。

圖2 研究區(qū)不同類型主體功能區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率變化斜率面積比例

3 結(jié)論與討論

本研究采用RUSLE模型，通過模型模擬與GIS空間分析相結(jié)合的方法分析了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶2010—2015年坡面土壤保持服務(wù)功能的時(shí)空格局及其變化特征。

2010—2015年，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶年均坡面土壤保持量為1.88×1010t/a，單位面積土壤保持量為91.54 t/(hm2·a)。森林、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持能力依次降低，單位面積土壤保持量依次為129.09，111.47，40.38 t/(hm2·a)。5 a間，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶坡面土壤保持服務(wù)功能保有率總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。土壤保持服務(wù)功能保有率消除了年際間降水波動(dòng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，其結(jié)果集中體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)由于自身變化而導(dǎo)致的服務(wù)功能的變化。退耕還林還草、封山育林等土壤保持措施的實(shí)施在一定程度上促進(jìn)了區(qū)域植被的生長(zhǎng)與恢復(fù)，提升了生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能。

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶國(guó)家級(jí)優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點(diǎn)開發(fā)區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能依次增強(qiáng)，基本符合主體功能區(qū)規(guī)劃的梯級(jí)開發(fā)理念。重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)以提供生態(tài)產(chǎn)品為主體功能，生態(tài)用地面積占比大，故其坡面土壤保持服務(wù)功能最強(qiáng)。主體功能區(qū)戰(zhàn)略的實(shí)施對(duì)國(guó)土空間開發(fā)和區(qū)域生態(tài)安全起到了積極作用。

對(duì)于水土流失問題突出，生態(tài)功能退化嚴(yán)重的區(qū)域需進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，確保“共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)”，從而有效提升長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全保障能力。