黄土高原土壤保持生态服务功能价值估算及其时空变化研究

邱春霞 毛琴琴 董乾坤

摘要 基于 RS、GIS 技术，应用修正后的通用土壤流失方程，计算潜在土壤侵蚀量和现实土壤侵蚀量，两者差值得到土壤保持量，再应用市场价值法、影子工程法和机会成本法从保护土壤肥力、减少泥沙淤积和减少土地废弃价值3个方面来评价土壤保持价值。探索评估黄土高原重要生态功能区生态系统土壤保持功能及其经济价值，以期为该区生态系统土壤保持功能的保护与管理提供一定的理论支撑。

关键词 土壤侵蚀量;土壤保持量;土壤保持价值

中图分类号 S157文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）33-0104-04

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[1]。结合遥感数据、气象数据以及地面数据，应用通用的土壤流失方程RUSLE（revised universal soil loss equation）对县南沟流域土壤的保持价值进行评价。

1 土壤保持价值的研究方法

以黄土高原中一个小流域县南沟作为研究对象，对县南流域土壤保持沟生态系统服务功能价值进行初步的研究，从而得到县南沟流域土壤保持生态系统服务功能的价值，技术路线如图1所示。

1.1 土壤侵蚀量与保持量估算 生态系统土壤保持功能用土壤保持量表示。运用通用的土壤流失方程来估算县南沟流域的土壤保持量[2]。采用广泛应用的RUSLE来估算流域潜在土壤侵蚀量和现实土壤侵蚀量，二者之差即为生态系统土壤保持量。潜在土壤侵蚀量为没有植被覆盖和任何水土保持措施时的土壤侵蚀量，即C=1，P=1;现实土壤侵蚀量为考虑地表植被覆盖和水土保持措施下的土壤侵蝕量。

式中，Ap为潜在土壤侵蚀量，单位为[t/（hm2·a）];Ar为现实土壤侵蚀量，单位为[t/（hm2·a）];Ac为土壤保持量，单位为[t/（hm2·a）];R为降雨侵蚀力因子，单位为[MJ·mm/（hm2·h·a）];K为土壤可蚀性因子，单位为[t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）];L为坡长因子;S为坡度因子;C为植被覆盖因子;P为水土保持措施因子。L、S、C、P为无量纲。

1.1.1 降雨侵蚀力（R）。R的估算主要有2种方法。一种是通过年雨量或汛期雨量与年最大30 min雨强的乘积估算年R值;二是采用月雨量与年雨量比值系数的方法估算年 R 值。采用渭北地区估算降雨侵蚀力指标R计算式[3]。论文采用该研究方法，R的计算公式如下：

1.1.2 土壤可蚀性因子（K）。

土壤可蚀性因子（K）表征土壤性质对侵蚀敏感程度的指标。中国的可蚀性因子获取有2种途径，一种是利用实测数据计算，而另一种则是根据诺谟图计算，从美国制订的诺谟图上查出不同土样的K值，我国黄土的K值为0.43[4]。

1.1.3 坡度坡长因子（LS）。地形是导致土壤侵蚀发生的直接诱导因子，坡长坡度因子（LS）也称地形因子，反映地形坡度和坡长对土壤侵蚀的影响。其算法公式为[4-8]：

根据相关文献在RUSLE以及中国黄土高原地区相关研究基础上建立了研究区黄土坡度因子（S），根据实测任一坡度下的土壤流失量和标准坡度下的土壤流失量之比，在陕北安塞县的实验，坡度指数为1.308，计算公式为：

1.1.4 植被覆盖因子（C）。

获取植被覆盖因子的方法是根据植被的各个类型的面积得到不同植被覆盖度，然后根据黄土高原不同植被覆盖度的C值得到植被覆盖因子。C值见表1。

1.1.5 水土保持措施因子（P）。水土保持因子为采取水土保持措施后土壤流失量与顺坡种植时土壤流失量比值。查阅相关文件之后，参考前人的研究成果，引用黄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分别为1.00、1.00、0.65，其他土地利用耕作因子P为1.00。

1.2 减少土地废弃的价值

根据土壤保持量和土壤表土平均厚度（0.6 m）推算因土壤侵蚀而造成的废弃土地面积，再根据机会成本法计算因土地废弃而失去的年经济价值。

土壤的容重为1.200 t/m3。

1.3 减少泥沙淤积的价值

根据蓄水成本计算损失价值[8]。该方法指在环境破坏后，人工建造一个工程来代替原来的环境功能，以该工程的投资成本作为环境污染的损失。

1.4 保护土壤肥力的价值

通过市场价值法，利用因环境质量变化引起的产值和利润的变化来计量环境质量变化的经济效益或者经济损失[9]。具体是利用氮、磷、钾的市场价格来计算其价值。

2 数据准备

2.1 研究区概况

县南沟流域位于我国陕西省延安市安塞县沿河湾镇，是一个沿河的小流域，北距安塞县城15 km，南距延安市25 km，沟口即为包茂高速、黄延高速和延志吴高速的交汇处（图2）。流域范围在 36°41′24″～36°46′12″N， 109°12′12″～109°22′12″E。流域面积44.11 km2，全长39.48 km。县南沟坡度见图3。

2.2 数据来源

遥感数据来自于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/），用于得到土地利用图和植被覆盖因子;气象数据来自于国家气象科学数据共享服务平台（http：//data.cma.cn/），用于得到降雨侵蚀因子;地面数据和遥感数据一样也是来自于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/），用于得到坡度坡长因子，分辨率为30m。影像都统一为墨卡托投影，以上数据为论文提供相应的支持。

2.3 数据处理 为了得到土壤流失方程用因子，获取的数据经ArcGIS和ENVI为技术平台处理，得到坡长坡度因子和土地利用图。

2.3.1  气象数据。

通过国家气象科学数据共享服务平台获取的降雨数据通过Excel统计得到1996、2003、2013年降雨总量和每年6—9月的降雨量和。根据前人研究的方法公式计算得到降雨侵蚀因子。

2.3.2 地面数据。在地理空间数据云里获得到的DEM数据，通过ArcGIS 10.2软件处理数字高程数据得到论文需要的坡度坡长因子，根据公式5、公式6、公式7、公式8可得知需要通过数字高程数据先得到栅格单元的水平坡长λ、坡长指数m、细沟侵蚀和细沟间侵蚀的比率β和坡度θ。

2.3.3 遥感数据。采用2013年资三数据遥感影像，对影像进行前期预处理。主要包括遥感影像几何校正、全色和多光谱遥感影像融合、影像裁剪以及影像解译。

2.3.4 土地利用面积的统计。土地利用面积的统计，在土地利用图中建立面状shp文件，首先打开文件的属性表，在字段中添加一个字段，名字为Shape_Area，字段类型为双精度。在属性表尾部有一个新添的字段，右击字段名，在弹出的菜单栏中选择统计，统计每种土地利用类型的面积。

再利用统计工具计算每个土地类型的比例。

3 结论与讨论

3.1 土壤侵蚀量与土壤保持量 以ArcGIS 10.2為技术平台，利用栅格计算器得到降雨侵蚀因子、土壤可蚀性因子、地形因子、植被覆盖因子和水土保持因子这5个因子，根据USLE 方程得到1996、2003、2013年黄土高原地区县南沟流域潜在土壤侵蚀量和现实土壤侵蚀量，从而得到土壤保持量。基于统计分析工具估算1996、2003、2013 年单位面积的各地类的土壤潜在侵蚀总量、现实侵蚀总量和保持总量见表2。

3.2 县南沟土壤保持生态功能价值

应用市场价值法、机会成本法及影子工程对县南沟流域 1996、2003、2013 年的单位面积土壤保持各项价值量进行统计，结果见表3、4。

3.3 土壤保持生态功能价值时空变化

在县南沟流域生态系统土壤保持价值研究中，1996、2003和2013年土壤保持总价值分别为795.84万、1 395.21万和7 480.98万元。其中1996年的林地生态系统的土壤保持价值占总价值的54.72%，草地生态系统价值占总价值的26.86%，林地和草地生态系统总共占服务总价值的81.57%。林地和草地生态系统的土壤保持价值在本年的土壤保持总价值中占重要地位。由图4可以得知，2003年的林地生态系统的土壤保持价值占总价值的59%，草地生态系统的土壤保持价值占总价值的22%，耕地和园地生态系统的土壤保持价值占总价值的19%，2013年的林地生态系统的土壤保持价值占总价值的77%，草地生态系统价值占总价值的15%，林地和草地的土壤保持价值占总价值的92%。随着林地和草地生态系统在县南沟土地利用整个生态系统中占的比重越来越大，土壤保持生态系统价值也越来越大。

4 结语

以陕西省延安市安塞县县南沟流域为黄土高原研究对象，运用通用的水土流失方程（RUSLE）研究黄土高原土壤保

持量。再从保持土壤肥力价值、土地废弃价值和减少泥沙淤积价值3个方面，得到县南沟的土壤保持生态系统服务功能的价值及其价值的时空分布。

参考文献

[1] 姬桂珍.区域生态系统服务功能及其公益价值研究：以南平市为例[J].国土与自然资源研究， 2007（4）：55-56.

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[3] 王万忠，焦菊英.中国的土壤侵蚀因子定量评价研究[J].水土保持通报，1996，16（5）：1-20.

[4] 李晶，任志远.基于GIS的陕北黄土高原土地生态系统水土保持价值评价[J].中国农业科学，2007，40（12）：2796-2803.

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[6] 孔亚平，张科利，曹龙熹.土壤侵蚀研究中的坡长因子评价问题[J].水土保持研究，2008，15（4）：43-47，52.

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[8] 于格，鲁春霞，谢高地，等.基于RS和GIS的青藏高原草地生态系统土壤水分保持功能及其经济价值评估：以生长季为例[J].山地学报， 2006， 24（4）：498-503.