多重生态服务功能目标下的生产建设项目土壤流失控制值研究——以北京市为例

王志刚, 王家乐, 韩 培, 杨 坤, 张 超, 王 可, 张平仓

(1.长江水利委员会长江科学院, 湖北 武汉 430010; 2.北京市水土保持工作总站, 北京 100036; 3.水利部 山洪地质灾害防治工程技术研究中心, 湖北 武汉 430010)

当前生产建设项目水土流失防治工作中，尚未对土壤流失控制值进行明确定义，仅对土壤流失控制比进行了定义。本文参考土壤流失控制比的定义，将土壤流失控制值定义为生产建设项目水土流失防治责任范围内治理后每1 km2年平均土壤流失量应达到的值，其量纲与土壤侵蚀模数相同。该值主要用于指导生产建设项目水土保持设计、评价和管理等。现行《生产建设项目水土流失防治标准(GB/T50434-2018)》中土壤流失控制值主要通过土壤流失控制比和容许土壤流失量确定。其中土壤流失控制比主要根据水土保持敏感程度、水土流失影响程度和水土保持区划一级分区确定，并在此基础上按背景土壤侵蚀强度差异进行调整[1]。土壤流失控制比对背景侵蚀强度的调整以中度侵蚀为基准，轻度和微度的上调到1及以上，中度以上的可以下调0.1～0.2。这种调整的程度主要依据经验确定，是否满足实际需求还需要科学论证。容许土壤流失量按《土壤侵蚀分类分级标准(SL190-2007)》执行，是从保持土壤肥力和维持土地生产力基本稳定的角度出发制定的[2-4]，主要反映水土保持的食物、纤维、薪材等供给服务功能。总体来说现行标准下土壤流失控制值的确定侧重的是水土保持的供给服务功能，对其他服务功能考虑的程度较弱。但是，生产建设项目除为人类提供农林物质资料外，更多的是提供工业物质资料和满足人类的生活质量、健康、文化、福利事业等需要。因此，生产建设项目水土保持需要达到的目标更加多元化。特别是当前中国城市化进程仍快速发展，城市建设等工程项目导致的人为水土流失仍在加剧，成为人民对美好环境需要的障碍因素之一[5]。

水土保持生态服务指水土保持在生态系统服务方面满足人类福祉的各种作用和效能，主要包括支持服务、供给服务、调节服务、文化服务。近年来，随着生态文明建设的不断推进和对生态系统服务功能和水土保持生态服务功能研究的深入，人们对水土保持生态服务的需求越来越多元化[6-9]，为确定维护多重服务功能，满足多元目标的生产建设项目土壤流失控制值提供了理论基础。本文以北京市为例，旨在探讨现有土壤流失控制值确定方法能否满足多元的现实需求，寻找可以维护多重生态服务功能的生产建设项目土壤流失控制值确定方法。

1 研究区概况

北京市是中国首都，是全国政治、文化中心和交通运输的枢纽，其生态系统具有非常多元化的服务功能，在全国具有较强的借鉴意义。刘宝元教授等在北京市开展了大量容许土壤流失量研究，形成了系统的容许土壤流失量成果[4]。北京市地形西北高、东南低(图1a)，西部为西山，北部和东北部为军都山，东南部属华北平原[10]。气候为典型的北温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。多年平均降雨量483.9 mm，降水季节分配很不均匀，全年降水的80%集中在夏季6—8月，7—8月有大雨。根据沈汉的研究结果，北京市共有19个土壤亚类，山区土壤主要为棕壤、山地褐土，丘陵平原区土壤主要为普通褐土、潮土。地带性植被类型是暖温带落叶阔叶林并间有温性针叶林的分布。

北京市在土壤侵蚀类型区上属北方土石山区。土壤侵蚀强度较高的区域主要分布在西部和北部山区(见图1b—1c，数据来源于2020年北京市水土流失动态监测)[11]，对应的水土保持功能主要为土壤侵蚀控制和地表水源涵养(见图1d)[12]，土壤侵蚀模数一般高于容许土壤流失量[10-11]；土壤侵蚀强度较低的区域主要分布在东南部平原区，对应水土保持功能主要为维护城市人居环境和首都功能，土壤侵蚀模数一般低于容许土壤流失量。

2 研究方法

根据北京市水土保持重点防治区、敏感区和背景土壤侵蚀模数，按照《生产建设项目水土流失防治标准(GB/T50434-2018)》的规定，确定生产建设项目的土壤流失控制比。分别用容许土壤流失量(数据来源于2010年《北京土壤流失方程》)和背景土壤侵蚀模数(数据来源于2020年北京市水土流失动态监测)除以土壤流失控制比，计算出基于容许土壤流失量和背景土壤侵蚀模数的北京市土壤流失控制值。然后对比两者的差异，探讨它们与水土保持多种生态服务功能的关系，分析其适宜性，选取两者中可以维护更多生态服务功能的值作为最终的北京市生产建设项目土壤流失控制值。

注：1为石景山； 2为西城区； 3为东城区。下同

3 结果分析

3.1 土壤流失控制比

北京市全域皆属国家级或市级水土流失重点防治区(图2a,2b)[12-13]。同时部分区域属于饮用水水源保护区、水功能一级区的保护区和保留区、自然保护区、世界文化和自然遗产地、风景名胜区、地质公园、森林公园、重要湿地以及县级及以上城市区域[14]。根据《生产建设项目水土流失防治标准(GB/T50434-2018)》，生产建设项目均执行水土流失防治一级标准(见图2c)。北京市轻度和微度侵蚀区域生产建设项目到设计水平年土壤流失控制比均大于等于1，中度侵蚀区域为0.9，中度以上侵蚀区域大于等于0.7。从图2d可知，北京市大部分区域的土壤流失控制比大于等于1，仅山区与平原之间过渡带的少量区域土壤流失控制比小于1。

3.2 基于容许土壤流失量的土壤流失控制值

通过容许土壤流失量[4,10]除以土壤流失控制比(图2d)，得到基于容许土壤流失量确定的北京市土壤流失控制值。其中，山区较低，大部分为100～150 t/(km2·a)；山区和平原之间的过渡区较高，大部分为150～200 t/(km2·a)；平原区较高，大部大于300 t/(km2·a)(图3)。采用这种方法确定的土壤流失控制值具备保持土壤肥力和维持土地生产力基本稳定的作用，可以维护生态系统的供给服务功能。另外，在山区及其与平原之间过渡区，背景土壤侵蚀模数大多在200 t/(km2·a)以上(图1c)，高于土壤流失控制值，以此值控制生产建设项目治理后的土壤侵蚀模数，工程建成后的土壤侵蚀不会较建设前加重，不会影响城市景观面貌，维护了生态系统的文化服务功能。但是在一些水土保持敏感区，如官厅水库和密云水库周边，由于地势平坦、土壤条件较好，容许土壤流失量较高，计算的土壤流失控制值高于其他区域，甚至大于200 t/(km2·a)，可能不能充分满足保护水源的要求。在平原区背景土壤侵蚀模数大部分在100 t/(km2·a)以下(图1c)，低于容许土壤流失量[4,10]。基于容许土壤流失量确定的土壤流失控制值也高于背景土壤侵蚀模数，不能起到将工程建成后土壤流失强度限制在背景土壤侵蚀模数以下的作用，会出现工程建成后土壤侵蚀加重而降低城市景观面貌的现象。

图2 北京市水土流失重点防治区与土壤流失控制比

由于北京市是中国首都，平原区分布着首都功能核心区、城市功能拓展区和城市发展新区[14]，其生态系统具有重要的文化服务价值。从这个角度出发北京市不允许出现大量工程建设活动导致土壤流失大于背景值，应该将工程建成后的土壤流失控制在背景土壤侵蚀模数以下。因此，基于容许土壤流失量确定的土壤流失控制值，可以起到维护了生态系统供给服务功能的作用，在背景土壤侵蚀模数较高的山区也能起到维护生态系统文化服务功能的作用，但是在平原区不能满足维护生态系统文化服务功能的需求，在部分水土保持敏感区不能充分满足维护生态系统调节服务功能的需求(表1)。

表1 利用不同方法确定的北京市土壤流失控制值维护生态服务功能分析

3.3 基于背景土壤侵蚀模数的土壤流失控制值

将背景土壤侵蚀模数(图1)除以土壤流失控制比(图2)，得到基于背景土壤侵蚀模数确定的北京市土壤流失控制值。其中，山区及其与平原间的过渡区较高，一般高于200 t/(km2·a)；平原区较低，大部小于100 t/(km2·a)(图4)。采用这种方法确定的土壤流失控制值，可以将生产建设项目建成后的土壤流失限制在背景土壤侵蚀模数以下，工程建成后的土壤侵蚀不会较建设前加重，不会影响城市景观面貌，能起到维护生态系统文化服务功能的作用。

另外，基于背景土壤侵蚀模数确定的官厅水库和密云水库周边土壤流失控制值大部分低于100 t/(km2·a)，较基于容许土壤流失量确定的土壤流失控制值小，可以更好地起到保护水源的作用。但是，在山区及其与平原之间的过渡区，因为背景土壤侵蚀模数大，确定的土壤流失控制值大部分大于300 t/(km2·a)，比容许土壤流失量一般低于150 t/(km2·a)[10])高(图3)，不能充分满足保持土壤肥力和土地生产力稳定的要求。因此，基于背景土壤侵蚀模数确定的土壤流失控制值，可以满足维护文化服务功能的需求，但在山区不能满足维护供给服务功能的要求(表1)。

3.4 维护多重生态服务功能的土壤流失控制值

从以上研究结果可以发现，由于不同区域间水土流失特征差异和人们对水土保持生态服务功能需求的不同，单独基于容许土壤流失量或者背景土壤侵蚀模数确定的土壤流失控制值都不能完全满足现实需求。北京市山区及其与平原间过渡区大部分区域的背景土壤侵蚀模数大于容许土壤流失量，水土保持的主要功能为控制土壤侵蚀，维护土地生产力和地表水源涵养[11]。将生产建设项目土壤流失控制在较低的容许土壤流失量以下可以更好地达到这些目的。因此通过容许土壤流失量确定土壤流失控制值更为合理。然而，在官厅水库、密云水库周边等背景土壤侵蚀模数低于容许土壤流失量的区域，应将生产建设项目土壤流失控制在背景土壤侵蚀模数以下，以更好地涵养地表水源。北京市平原区大部分区域的背景土壤侵蚀模数小于容许土壤流失量，水土保持的主要功能为维护城市人居环境和首都功能，将生产建设项目土壤流失控制在较低的背景土壤侵蚀模数以下可以更好地满足人们对城市优美生活环境的需求，充分体现水土保持的文化服务功能。通过背景土壤侵蚀模数确定的土壤流失控制值更为合理。因此，将基于容许土壤流失量和背景土壤侵蚀模数两种方法结合起来，取两者中较小的值作为依据，确定的北京市生产建设项目土壤流失控制值(图5)，能够维护不同区域更多的生态系统服务功能(表1)。

图3 基于容许流失量计算的生产建设项目土壤流失控制值

4 讨 论

农业、林业水土保持更多地强调供给服务功能，而生产建设项目为人类提供的福祉更加多元化，其土壤流失控制值的制定需要从维护水土保持生态服务多项功能的角度进行考虑。水土保持维护的生态服务功能可以分为两个方面。一是维护支持服务。即从保护土壤本身出发，要求土壤流失控制值低于或等于土壤形成速率。土壤的形成速率取决于母质、地形、气候、生物等成土因素，因此这主要是从土壤的自然属性出发制定土壤流失控制值。二是从维护土壤满足人类需求角度出发，主要包括以下3项服务功能： ①供给服务。即土壤为人类提供粮食、纤维、薪材等的功能，需要控制土壤侵蚀模数低于能保持土壤肥力和维持土地生产力长期基本稳定的值； ②调节服务。即土壤为人类调节水资源、净化水源、净化空气、防洪减灾、调节气候、控制疾病等的功能，需要控制土壤侵蚀模数低于可能威胁到人类安全、健康和财产的值； ③文化服务。即土壤满足人类精神与宗教、消遣与生态旅游、美学、激励、教育、地方感、文化遗产保护等方面需求的功能，应将土壤侵蚀模数控制在可能危害生态系统文化服务的临界值以下，我们认为至少要低于背景土壤侵蚀模数。以往对于容许土壤流失量的研究，多是从保护土壤本身，维持土壤供给服务和少量调节服务功能角度出发的[15]，对维护生态系统文化和调节服务功能的考虑不够。

图4 基于背景土壤侵蚀模数计算的北京市生产建设项目土壤流失控制值

现行《生产建设项目水土流失防治标准(GB/T50434-2018)》基于容许土壤流失量来确定生产建设项目土壤流失控制值，其主要目的是保护土壤本身和维持土壤的供给服务。另外，通过调节防治标准级别来考虑不同区域水土保持敏感性的差异，通过浮动土壤流失控制比来考虑背景土壤侵蚀模数的差异，在一定程度上考虑了水土保持的调节服务。然而从本研究的结果看，通过调节土壤流失控制比的方法还不能充分满足需求，特别是对于大城市。例如，现行标准指出土壤流失控制比在轻度背景侵蚀为主的区域不应小于1，但是关于到底需要高出多少的问题没有给出明确的确定方法。在背景土壤侵蚀模数显著低于容许土壤流失量的区域，会出现土壤流失控制值高于背景土壤侵蚀模数的情况，不能满足维护文化服务功能的需求。因此，在具有维护文化服务功能需求的区域，除将土壤流失控制值限制在容许土壤流失量以下外，还要明确提出应该将其限制在背景土壤侵蚀模数以下。或者规定在具有维护文化服务功能需求的区域，当背景土壤侵蚀模数低于容许土壤流失量时，应将土壤流失控制比上浮到容许土壤流失量与背景土壤侵蚀模数之比或以上。

图5 北京市生产建设项目土壤流失控制值

综上所述，对于生产建设项目，特别是人口聚集度高的城市区域的生产建设项目，维护多重生态服务功能的土壤流失控制值弥补了基于容许土壤流失量的土壤流失控制值主要反映供给服务功能的不足，更广泛地满足人们对水土保持调节和文化服务功能的需求，可以更加有效地指导生产建设项目水土流失防治工作。

5 结 论

按照现行标准，生产建设项目土壤流失控制值主要根据容许土壤流失量制定，突出维护生态系统的供给服务功能。基于容许土壤流失量确定的土壤流失控制值一般在山区、丘陵区较低，在平原区较高。以它控制生产建设项目水土流失强度，可以起到维护生态系统供给服务功能的作用，但是在背景土壤侵蚀模数较低的平原区不能满足维护生态系统文化服务功能的需求，在部分水土保持敏感区不能充分满足维护生态系统调节服务功能的需求。基于背景土壤侵蚀模数确定的土壤流失控制值一般在山区、丘陵区较高，在平原区较低。以它控制生产建设项目水土流失强度，可以满足维护生态系统文化服务功能的需求，但在山区不能满足维护供给服务功能的要求。将基于容许土壤流失量和背景土壤侵蚀模数两种方法结合起来，选取两者中更为严格的值作为北京市生产建设项目土壤流失控制值，能够起到维护不同区域多重生态系统服务功能的作用。本研究提出的维护多重生态服务功能的土壤流失控制值确定方法可以为有关管理部门制定水土流失防治目标值提供有益的补充。