长江经济带坡面土壤保持服务功能时空格局及其变化特征

吴 丹, 邹长新, 林乃峰, 曹 巍

(1.环境保护部 南京环境科学研究所, 江苏 南京 210042; 2.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室, 北京 100101)

20世纪90年代以来，生态系统服务已成为当今国际生态学和经济学研究的前言和热点[1-5]。“土壤保持”作为一项重要的生态系统服务，也开始受到格外关注[6-8]。生态系统土壤保持服务功能是指地被物和凋落物层层截留降水，降低水滴对表土的冲击和地表径流的侵蚀作用，防止土壤崩塌泻溜，减少土壤肥力损失以及改善土壤结构的功能[9-10]。土壤保持服务功能的发挥，不仅为人类的农业生产和提高农作物生产力提供了基础，还为减少洪涝风险、抑制生态环境恶化和全球气候变暖等提供了保障。目前，服务于区域生态系统管理和决策的土壤保持服务功能综合评估已经具备较好的研究基础[11-13]。GIS和RS技术的发展及其在生态领域的应用为生态系统服务功能综合评估提供了技术和实时动态信息支持[14-16]。

长江经济带作为中国重要的生态屏障，由于人口密度大、开发强度高等原因，国土生态空间保护面临巨大压力，生态系统退化，水土流失等问题严峻。长江经济带涉及7个国家级水土流失重点预防区，8个国家级水土流失重点治理区，其自然生态土壤保持功能亟待加强。因此，开展长江经济带生态系统土壤保持服务功能时空格局及其变化特征研究，对于探讨提升长江经济带生态安全保障能力具有重要意义。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

长江经济带(21°08′45″—34°56′47″N，97°31′50″—121°53′23″E)覆盖上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、云南、贵州11个省(市)，面积约2.05×106km2，人口和生产总值均超过全国的40%。从主体功能分区上看，长江经济带国家级优化开发区、重点开发区、农产品主产区和重点生态功能区面积分别为4.06×104,2.02×105,6.22×105,5.86×105km2，占长江经济带总面积的1.99%,9.93%,30.54%和28.74%。其中，优化开发区主要分布于长三角地区，重点开发区主要分布于长江中游、成渝、黔中和滇中等地区，农产品主产区主要分布于太湖、巢湖、鄱阳湖、洞庭湖、汉江、江淮和成都等平原地区，重点生态功能区主要分布于长江中上游地区。

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)计算在一定耕作方式和经营管理制度下，因坡面侵蚀而产生的单位面积水土流失量，即土壤侵蚀模数。通

用水土流失方程中包含6大因子，降雨侵蚀力因子(R)、土壤可蚀性因子(K)、坡长因子(L)、坡度因子(S)、植被覆盖因子(C)以及土壤保持措施因子(P)，表达式为：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中：A——单位面积土壤侵蚀量〔t/(hm2·a)〕;R——降雨侵蚀力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;K——土壤可蚀性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕;L——坡长因子；S——坡度因子；C——植被覆盖因子；P——土壤保持措施因子。L，S，C，P无量纲。

潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值即为土壤保持量。潜在土壤侵蚀量为没有植被覆盖和任何土壤保持措施时的土壤侵蚀量，即C=1，P=1；实际土壤侵蚀量为考虑地表植被覆盖和土壤保持措施下的土壤侵蚀量。表达式为：

Ac=Ap-Ar

(2)

式中：Ac——土壤保持量〔t/(hm2·a)〕；Ap——潜在土壤侵蚀量〔t/(hm2·a)〕；Ar——实际土壤侵蚀量〔t/(hm2·a)〕。

(1) 降雨侵蚀力因子(R)。降雨侵蚀力是土壤侵蚀的驱动因子，与土壤侵蚀强度有直接关系。本研究采用章文波等[18]的全国日降雨量拟合模型来估算降雨侵蚀力，表达式为：

(3)

式中：Mi——某半月时段的降雨侵蚀力值〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；Dj——半月时段内第j天的侵蚀性日雨量(要求日雨量大于等于12 mm，否则以0计算，阈值12 mm与中国侵蚀性降雨标准一致)；k——半月时段内的天数，半月时段的划分以每月第15 d为界，每月前15 d作为一个半月时段，该月剩下部分作为另一个半月时段，将全年依次划分为24个时段。

α，β为模型待定参数：

(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) 土壤可蚀性因子(K)。土壤是土壤侵蚀发生的主体，土壤可蚀性是表征土壤性质对侵蚀敏感程度的指标。本研究采用Williams等[19]的侵蚀生产力评价模型EPIC估算土壤可蚀性，表达式为：

式中：SAN，SIL和CLA——砂粒、粉粒、黏粒含量(%)；C——土壤有机碳含量(%)；SNI=1-SAN/100；0.131 7为美制向公制的转化系数。

(3) 坡长坡度因子(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)反映了地形坡长和坡度对土壤侵蚀的影响。本研究坡长坡度因子的算法建立在McCool 等[20]和刘宝元等[21]研究的基础之上，核心算法为：

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——坡长(m)；m——无量纲常数，取决于坡度百分比值(θ)；S——坡度，单位为弧度。

(4) 植被覆盖因子(C)。植被覆盖因子反映植被覆盖对土壤侵蚀的影响，其值界于0～1之间。本研究采用蔡崇法等[22]提出的算法，表达式为：

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

(11)

式中：f——植被覆盖度(%)。

植被覆盖度基于归一化植被指数(NDVI)数据计算得到，公式如下：

f=NDVI-NDVIsoilNDVIveg-NDVIsoil

(12)

式中：NDVI——该像元的归一化植被指数； NDVIveg——纯植被像元的NDVI值； NDVIsoil——完全无植被覆盖像元的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，坡面土壤侵蚀量相对于顺坡种植时土壤侵蚀量的比例，其值界于0～1之间。本研究依据长江经济带长期以来耕作习惯以及不同地形条件下的等高耕作措施，对P数据进行了分区赋值(表1)。

表1 研究区不同土地利用方式的耕作措施因子P

1.2.2 土壤保持服务功能保有率估算 土壤保持服务功能保有率指被评价区域某类生态系统坡面土壤保持量达到同类最优生态系统坡面土壤保持量的水平[23]，公式如下：

SP=SKSKg×100%

(13)

式中：SP——评估单元的某类生态系统土壤保持服务功能保有率(%); SK——评估单元上某类生态系统的坡面土壤保持量(t); SKg——研究区同类最优生态系统的坡面土壤保持量(t)。

1.3 数据基础

气象数据来源于国家气象科学数据共享服务平台(http:∥data.cma.cn/)，包括长江经济带234个和周边156个国家气象台站2010—2015年逐日降雨量资料。土地利用、地形、土壤数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥resdc.cn/)。归一化植被指数(NDVI)数据来源于MODIS 1km月最大合成数据产品。主体功能区数据来源于《全国主体功能区规划》。主体功能区按层级分为国家级和省级两个层面，本研究只考虑国家级主体功能区。

2 结果与分析

2.1 长江经济带坡面土壤保持服务功能的基本特征

2010—2015年，长江经济带年均坡面土壤保持量为1.88×1010t/a，单位面积土壤保持量为91.54 t/(hm2·a)。不同生态系统的土壤保持服务功能表现出较大差异(图1)。

农田生态系统土壤保持量最低，年均土壤保持量为2.49×109t/a，单位面积土壤保持量为40.38 t/(hm2·a)。草地生态系统次之，年均土壤保持量为3.76×109t/a，单位面积土壤保持量是农田生态系统的2.76倍。林地生态系统具有较强的土壤保持能力，年均土壤保持量为1.21×1010t/a，单位面积土壤保持量最大，分别为农田、草地生态系统的3.20，1.16倍。

图1 研究区不同生态系统土壤保持量统计

从空间分布上看，江淮平原、鄱阳湖平原、两湖平原、四川盆地等农田集中分布区的坡面土壤保持服务功能较弱，川西高原草地集中分布区以及云贵高原、江南丘陵山地等林地集中分布区的坡面土壤保持服务功能较强(附图15)。

2.2 不同主体功能分区的坡面土壤保持服务功能的基本特征

2010—2015年，长江经济带不同主体功能分区的坡面土壤保持服务功能亦表现不同，总体体现不同主体功能布局的梯级开发特征。国家级优化开发区、重点开发区的坡面土壤保持服务功能较弱，单位面积土壤保持量分别为27.93，47.17 t/(hm2·a)。农产品主产区次之，单位面积土壤保持量为63.10 t/(hm2·a)。重点生态功能区的坡面土壤保持服务功能较强，单位面积土壤保持量为133.89 t/(hm2·a)。优化开发区、重点开发区、农产品主产区和重点生态功能区2010—2015年生态系统年均坡面土壤保持量分别为1.12×108，9.54×108，2.48×109，7.84×109t/a。

2.3 长江经济带坡面土壤保持服务功能保有率的变化特征

2010—2015年，长江经济带森林、草地、农田生态系统年均坡面土壤保持服务功能保有率依次降低，分别为88.82%，80.50%，74.21%。从变化斜率上看，森林、草地、农田生态系统坡面土壤保持服务功能保有率的趋势斜率分别为0.33/a，0.52/a，0.34/a。5 a间，长江经济带生态系统坡面土壤保持服务功能保有率总体呈现上升态势。保有率保持基本稳定的面积占全区面积的48.51%；有所上升的面积占比为28.53%；有所下降的面积占比较小，为22.96%(表2)。从空间分布上看，贵州、重庆、云南东部、湖南中南部的坡面土壤保持服务功能保有率上升态势较为明显，而云南中西部、江苏、安徽、上海、湖北等地的坡面土壤保持服务功能保有率有所下降(附图16)。

表2 2010-2015年长江经济带坡面土壤保持服务功能保有率变化

从各主体功能分区内的坡面土壤保持服务功能保有率的变化斜率看，重点生态功能区保持基本稳定的面积占比最高，为63.24%；下降的面积比例亦最小，为18.09%。其他3个区的坡面土壤保持服务功能保有率变化保持基本稳定的面积比例均低于全区平均值。优化开发区、重点开发区、农产品主产区的坡面土壤保持服务功能保有率有所下降的面积比例分别为26.75%,25.42%和28.52%(图2)。

图2 研究区不同类型主体功能区的坡面土壤保持服务功能保有率变化斜率面积比例

3 结论与讨论

本研究采用RUSLE模型，通过模型模拟与GIS空间分析相结合的方法分析了长江经济带2010—2015年坡面土壤保持服务功能的时空格局及其变化特征。

2010—2015年，长江经济带年均坡面土壤保持量为1.88×1010t/a，单位面积土壤保持量为91.54 t/(hm2·a)。森林、草地、农田生态系统的土壤保持能力依次降低，单位面积土壤保持量依次为129.09，111.47，40.38 t/(hm2·a)。5 a间，长江经济带坡面土壤保持服务功能保有率总体呈现上升态势。土壤保持服务功能保有率消除了年际间降水波动对模拟结果的影响，其结果集中体现了生态系统由于自身变化而导致的服务功能的变化。退耕还林还草、封山育林等土壤保持措施的实施在一定程度上促进了区域植被的生长与恢复，提升了生态系统的土壤保持功能。

长江经济带国家级优化开发区、重点开发区、农产品主产区和重点生态功能区的坡面土壤保持服务功能依次增强，基本符合主体功能区规划的梯级开发理念。重点生态功能区以提供生态产品为主体功能，生态用地面积占比大，故其坡面土壤保持服务功能最强。主体功能区战略的实施对国土空间开发和区域生态安全起到了积极作用。

对于水土流失问题突出，生态功能退化严重的区域需进一步加强生态保护与修复，统筹山水林田湖草系统治理，确保“共抓大保护，不搞大开发”，从而有效提升长江经济带生态安全保障能力。