肖 洋，歐陽志云，徐衛(wèi)華，肖 燚，肖 強

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室， 北京 100085 2 中國科學(xué)院研究生院， 北京 100039

基于GIS重慶土壤侵蝕及土壤保持分析

肖 洋1, 2，歐陽志云1, *，徐衛(wèi)華1，肖 燚1，肖 強1

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室， 北京 100085 2 中國科學(xué)院研究生院， 北京 100039

土壤侵蝕作為一個重大的全球環(huán)境問題，嚴(yán)重地威脅著區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和社會經(jīng)濟。在考慮植被覆蓋度與土壤侵蝕關(guān)系的前提下，通過查表法，構(gòu)建不同土地覆蓋類型和不同植被覆蓋度下的C值圖層，并基于地理信息技術(shù)(GIS)和通用土壤侵蝕方程(USLE)估算了重慶地區(qū)土壤侵蝕量，土壤保持量和土壤保持價值。結(jié)果表明：重慶地區(qū)2010年土壤侵蝕量約為2.23 億t/a；土壤保持量約為14.69 億t/a。利用市場價值法，機會成本法和影子工程法評價了各類生態(tài)系統(tǒng)土壤保持的生態(tài)價值。研究區(qū)2010年土壤保持價值相對于2006年有所提升，2010年生態(tài)系統(tǒng)因防止土壤侵蝕而產(chǎn)生的土壤保持總價值約為6.18×105萬元，其中保持土壤養(yǎng)分的價值為5.44×105萬元；減少廢棄地的價值為2.65×104萬元；減輕泥沙淤積災(zāi)害的價值為4.78×104萬元。各生態(tài)系統(tǒng)類型中，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價值量最大，單位面積價值最高。

通用土壤流失方程；土壤侵蝕；土壤保持；生態(tài)價值

土壤侵蝕被認為是當(dāng)今全球土壤退化的主要形式之一，也是中國面臨的主要環(huán)境問題之一[1]，它不僅破壞土地資源，引起土地生產(chǎn)力下降，而且造成泥沙淤積于河湖塘庫中，加劇流域洪澇和干旱等災(zāi)害的發(fā)生，嚴(yán)重地威脅著人類的生存和發(fā)展。針對土壤侵蝕區(qū)域，土壤保持定量研究為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)管理和減緩區(qū)域土壤侵蝕提供科學(xué)支持。隨著土壤侵蝕研究方法和技術(shù)的成熟[2- 4]，生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的評估也越來越精確，目前已成為生態(tài)學(xué)研究的熱點。

根據(jù)遙感調(diào)查，我國現(xiàn)有土壤侵蝕面積為360 萬km2，占國土面積的37%，每年土壤侵蝕量可達50 億t[5]。由于我國西部地區(qū)地貌類型多樣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，山地丘陵較多，大部地區(qū)植被稀少，土壤侵蝕嚴(yán)重且形式多樣，已成為我國土壤侵蝕的主要集中區(qū)域[6]。重慶市位于我國西部地區(qū)的腹心地帶，三峽庫區(qū)的上游，是長江流域重要的生態(tài)屏障和全國水資源戰(zhàn)略儲備中心，地理位置十分重要，其水土流失狀況不僅影響三峽水利樞紐工程的安全運行，而且對整個長江流域生態(tài)安全起著舉足輕重的作用。

近些年來隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，土地覆蓋類型和植被生長狀況發(fā)生著巨大的變化。這些變化必然會影響重慶市的土壤侵蝕和土壤保持狀況，進而影響了重慶市經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，定量分析重慶地區(qū)土壤侵蝕量和土壤保持，客觀認識重慶市生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能，確定重點水土保護區(qū)域以及減緩下游的三峽水庫潛在威脅，實現(xiàn)重慶市的可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

重慶市位于我國內(nèi)陸西南部，長江上游，四川盆地東南部，地跨東經(jīng)105°11′—110°11′、北緯28°10′—32°13′之間。東西長470 km，南北寬450 km，幅員面積8.24 萬km2。地形以丘陵和山地為主，山地(中山和低山)面積6.24 萬km2，占幅員面積的75.8%，丘陵面積為1.49 萬km2，占幅員面積的18.2%[7]。重慶地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均氣溫在18 ℃左右，年日照總時數(shù)1000—1200 h，雨量充沛，常年降雨量為1000—1450 mm，年內(nèi)降水分配不均，但雨熱同步。區(qū)域植被豐富多樣，植被自然分區(qū)特征表現(xiàn)為常綠闊葉林、暖性針葉林、竹林和常綠闊葉灌叢等類型，以亞熱帶常綠闊葉林表現(xiàn)特征最為明顯。重慶土壤類型多樣，包括水稻土、新積土、紫色土、黃壤、黃棕壤、石灰?guī)r土、紅壤、山地草旬土8個土類，其中黃壤是地帶性土壤，占重慶總土地面積的24.2%。由于山地多、坡度大，再加之降水季節(jié)分配不均，土類空間差異，導(dǎo)致區(qū)域土壤侵蝕較為強烈。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究使用的遙感影像選用Landsat5/TM，包括2006和2010兩個時期，獲取時間為6月至9月，通常為研究區(qū)植被生長的最佳季節(jié)。影像的預(yù)處理流程包括幾何糾正、輻射定標(biāo)、大氣校正、地形校正四部分。土地覆蓋類型數(shù)據(jù)通過TM影像目視解譯得到，分類精度達到80%以上。土壤數(shù)據(jù)來源于中科院南京土壤研究所提供的 1∶25 萬數(shù)字化土壤圖。降雨資料是收集重慶及其周邊 15個氣象站 1980—2005年的逐月降水資料。數(shù)字高程模型DEM，空間分辨率為30 m, 來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。植被覆蓋度數(shù)據(jù)是基于像元二分模型[8- 9]通過TM影像反演得到。

2 研究方法

基于“地表覆被替換假設(shè)”研究模式，即運用修正的通用土壤侵蝕方程(USLE)來估算潛在土壤侵蝕量和現(xiàn)實土壤侵蝕量，兩者之差即為生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量[4, 10]?，F(xiàn)實土壤侵蝕量指當(dāng)前地表覆蓋和水土保持因素下的土壤侵蝕量，潛在土壤侵蝕量則是生態(tài)系統(tǒng)在沒有植被覆蓋和水土保持措施情況下可能產(chǎn)生的土壤侵蝕量(C=1，P=1)，土壤保持量即為：

Ac=R×K×LS×(1-C×P)

式中，Ac為土壤保持量(t hm-2a-1)；R為降雨侵蝕力指標(biāo)；K為土壤可蝕性因子；LS為坡長坡度因子；C為地表植被覆蓋因子；P為土壤保持措施因子。

2.1 R因子估算

降雨侵蝕力因子(R)反映了降雨因素對土壤的潛在侵蝕作用，是導(dǎo)致土壤侵蝕的主要動力因素。本文采用史東梅、盧喜平等基于人工模擬降雨的手段建立的重慶地區(qū)降雨侵蝕力計算的月雨量模型[11]：

Ryear=5.249×F1.205

式中，R為年降雨侵蝕力(MJ mm hm-2h-1a-1)；P為年降雨量(mm)，Pi為第i月降雨量(mm)。

2.2 K因子估算

土壤可蝕性因子(K)反映了不同類型土壤所具有的不同侵蝕速度。K因子計算如下[12]：

式中,K為土壤可蝕性因子(t hm2h MJ-1hm-2mm-1)，ms為砂粒含量，msilt為粉粒含量，mc為粘粒含量，orgC為有機質(zhì)含量。

2.3 LS因子估算

坡長坡度因子(LS)反映了地形地貌特征(坡長和坡度)對土壤侵蝕的影響，到目前為止的關(guān)系仍不確定。然而，在一定范圍內(nèi)，坡長越長流量積累越大和坡度越陡徑流速度越快，然而當(dāng)坡度達到一定閾值時土壤侵蝕速率將停止增加。本文基于Hickey 和Van Remortel[13]的方法通過Arc Macro Language(AML)腳本語言，ArcInfo Workstation9.3 軟件計算得到。

LS公式如下[14]：

L=(λ/22.13)m

式中，22.13 是USLE標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡長(m)，S為坡度因子，θ為坡度，L為坡長因子，λ為像元坡長，m為坡長指數(shù)，水平方向坡長λ的計算式如下：

λi=Di/cosθi

式中，Di為沿徑流方向每像元坡長的水平投影距(在柵格圖像中為兩相鄰像元中心距，隨方向而異)，θi為每個像元的坡度(°)，i為自山脊像元至待求像元個數(shù)。

2.4 C因子估算

植被覆蓋因子(C)反映了不同地面植被覆蓋狀況對土壤侵蝕的影響。本文基于遙感反演的植被覆蓋度和土地覆蓋類型圖，通過查詢USLE中C值表[15- 16]，將結(jié)果C值賦給對應(yīng)類型的像元。

表1 不同土地覆蓋類型和植被覆蓋度對應(yīng)的C值Table1 The C value in different land cover types and vegetation coverage

2.5 P因子估算

土壤保持措施因子(P)是指特定保持措施下的土壤流失量與未實施保持措施之前相應(yīng)地塊順坡耕作時的土壤流失量之比值。本研究由于缺少相關(guān)數(shù)據(jù)，不考慮P因子影響，P值為1。

2.6 生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價值估算

運用市場價值法、機會成本法和影子工程法從保護土壤養(yǎng)分、減少土地廢棄和減輕泥沙淤積3個方面來評價生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價值。

土壤養(yǎng)分保持價值估算：土壤侵蝕致使大量的土壤營養(yǎng)物質(zhì)流失，主要是土壤中N、P、K。不同類型土壤中的N、P、K 含量不同，運用GIS 技術(shù)計算重慶不同生態(tài)系統(tǒng)類型N、P、K的平均含量，再依據(jù)下式估算保持土壤養(yǎng)分的經(jīng)濟價值。

式中，Va為保持土壤養(yǎng)分價值(元/a)，i為土壤中養(yǎng)分種類氮、磷、鉀(N，P，K)，Ci為土壤中N，P，K純含量(%)；Ti為某種養(yǎng)分純量換算成化肥量的系數(shù)，這里碳酸氫銨取 5.882，過磷酸鈣取3.373，氯化鉀 1.667[17]；Pi為某種化肥的市場價格，2010年3種化肥的市場價格分別為每噸820.45，612.60和3100元。

減少土地廢棄價值估算：依據(jù)土壤保持量除以土壤表層平均厚度來推算因土壤侵蝕而造成的廢棄土地面積，再用機會成本法計算因土地廢棄而失去的年經(jīng)濟價值:

Vb=Ac×B/(ρ×h×10000)

式中，Vb為減少土地廢棄的經(jīng)濟價值(元/a)，B為林業(yè)年均收益，約1500元/hm2，ρ為土壤容重，約1.25 g/cm3，h為土壤表層厚度，取0. 6 m[18]。

減輕泥沙淤積價值估算：按照我國主要流域的泥沙運動規(guī)律，全國土壤侵蝕流失的泥沙有24%淤積于水庫、江河、湖泊，造成水庫、江河、湖泊蓄水量下降[19- 20]。根據(jù)蓄水成本來計算生態(tài)系統(tǒng)減輕泥沙淤積災(zāi)害的經(jīng)濟效益，公式如下：

Vc=(Ac/ρ)×24%×Cc

式中,Cc為單位庫容造價(元/m3)，取1.88 元/m3。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕估算

以往的研究多是基于植被類型的最大蓋度計算C值，進而核算生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持價值時，就導(dǎo)致土壤保持量偏大，進而可能高估生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價值。本文基于植被覆蓋度和土地覆蓋類型圖，通過查表法，構(gòu)建每個像元在不同土地覆蓋類型和不同植被覆蓋度下的C值圖層。與單一的用土地覆蓋類型圖賦C值法相比較，本文選用的方法充分考慮了植被覆蓋密度對土壤侵蝕的影響，更接近實際。如圖1所示，TM(R:5， G:4， B:3)假彩色合成圖像，土地覆蓋類型圖和相應(yīng)的植被覆蓋度圖。通過對比分析各圖，發(fā)現(xiàn)各土地覆蓋類型的實際植被覆蓋狀況并不是均一的，而是隨空間和時間而變化。森林類型的植被覆蓋度明顯存在空間上的異質(zhì)性，山區(qū)的森林類型的覆蓋狀況明顯優(yōu)于地勢平坦區(qū)域的森林類型。山區(qū)的森林類型郁閉度大，林下枯落物和雜草豐厚，具有一定的截持降雨能力，大氣降雨的雨滴不能直接掉落到裸土表面，從而避免了雨滴直接擊濺土壤，并且根系發(fā)達使其具有更好的保土性能。因此通過結(jié)合植被覆蓋圖計算C值，能反映出更多的細節(jié)，使土壤侵蝕結(jié)果更加精確。

圖1 植被覆蓋度與土地覆蓋類型對照圖Fig.1 Sub-image of the TM showing the resulting land-cover map and vegetation cover

根據(jù)各個因子估算公式，運用GIS軟件得到重慶地區(qū)的R因子、K因子、LS因子和C因子圖層。然后將各因子圖層轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的坐標(biāo)體系，空間分辨率為30 m×30 m。根據(jù)土壤侵蝕方程，將各因子連乘后，估算各個像元的土壤侵蝕量，得到研究區(qū)土壤侵蝕量。將模擬土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)R2=0.8509，本文基于USLE模擬土壤侵蝕適宜。

重慶地區(qū)土壤侵蝕量較低的區(qū)域主要分布在地勢平坦、植被覆蓋高的渝西和渝中地區(qū)，多為河谷階地或緩丘平壩；土壤侵蝕較嚴(yán)重的地區(qū)則主要分布在植被稀疏、坡度大、坡長長的山區(qū)，如三峽庫區(qū)、渝東北、渝東南的低山丘陵區(qū)。總之，重慶土壤侵蝕呈現(xiàn)由西向東加重的趨勢。

圖2 土壤侵蝕模擬結(jié)果驗證Fig.2 Validation of soil erosion

根據(jù)水利部頒布的土壤侵蝕分級標(biāo)準(zhǔn)，對重慶市土壤侵蝕進行分類，將其分為微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈侵蝕6類。結(jié)果表明，重慶地區(qū)2010年土壤侵蝕量為2.23 億t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)為2710.59 t km-2a-1。約有一半以上的面積為微度侵蝕；其次為輕度侵蝕面積，約占19.11%；中度侵蝕和強度侵蝕面積相當(dāng)，都在6.50左右；極強度侵蝕面積比率較大，約占8.66%；劇烈侵蝕面積最小，約為4.06%。極強度侵蝕所占面積比例較大，該區(qū)域主要位于東北部和東南部植被覆蓋度低或無植被的山區(qū)，加上常年多雨氣候，土壤侵蝕風(fēng)險較大?？紤]到土壤流失量，約有11.05%土壤流失發(fā)生在微度和輕度侵蝕區(qū)域；約有60.65%土壤流失發(fā)生在極強度和劇烈侵蝕區(qū)域。統(tǒng)計結(jié)果說明，管理措施應(yīng)該主要集中在極強度和劇烈侵蝕區(qū)域，提高該區(qū)域的植被覆蓋度，才能有效減緩?fù)寥狼治g。

3.2 土壤保持及其動態(tài)

重慶2006年生態(tài)系統(tǒng)土壤保持總量約為14.36 億t/a，土壤保持量較高區(qū)域集中在植被覆蓋度高的渝東北、渝東南、渝中高山地區(qū)。森林生態(tài)系統(tǒng)在土壤保持中效果明顯，占整個重慶土壤保持總量的54.62%，灌叢和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)次之，占總土壤保持比例分別為24.51%和18.57%。單位面積土壤保持量較大的主要生態(tài)系統(tǒng)類型為森林，其次為灌叢和草地。森林生態(tài)系統(tǒng)土壤保持作用最為突出，是因為森林生態(tài)系統(tǒng)能對降水的進行攔截，在一定程度上降低降水的勢能。降落到森林中的雨水，首先達到濃密的林冠層，減弱雨滴的動能，緩和降水對森林地表的直接擊濺和沖刷[21]。穿過林冠或從林冠滴下的雨水，與林冠下層植被(灌木、草本和苔蘚層)接觸而被截留。林地上的枯枝落葉層也具有較大的水分截持能力[22]，能夠吸收和截留經(jīng)由林冠、下層植被截留后落到地表的部分雨水。森林截留能力大小主要受降水特性(降水量、降水強度與降水的時空分布)、樹木特征(樹種、 樹齡、枝葉結(jié)構(gòu)和干燥程度)和林型結(jié)構(gòu)(郁閉度和林冠層次)等多種因素的影響。一般而言，植被覆蓋度越高的森林生態(tài)系統(tǒng)，其截留能力越強。

重慶2010年生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量約為14.69 億t/a。森林、灌叢和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的年均土壤保持量較大，占總土壤保持比例分別為57.59%、24.72%和15.32%。近5年的時間，重慶土壤保持量由14.36 億t/a增加到14.69 億t/a，提高了約0.33 億t/a，約為2006年的2%。與2006年相比，重慶2010年森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持能力與保持總量均有所提高，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤保持能力增加了640.13 t km-2a-1，土壤保持總量提高了0.59 億t/a。研究區(qū)森林類型面積由2006年的36.12%增長到2010年的38.91%，同時植被覆蓋度的也呈增長趨勢，森林面積與覆蓋度的增加導(dǎo)致了森林生態(tài)系統(tǒng)土壤保持能力的增強。從2000年生態(tài)工程的實施，重慶森林覆蓋度逐年提高，土壤保持生態(tài)效益進一步增強，這對改善和提高重慶整體生態(tài)效應(yīng)具有重要意義。

3.3 土壤保持價值分析

3.3.1 土壤保持量價值估算

依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價值估算方法，計算了重慶各生態(tài)系統(tǒng)類型因減緩?fù)寥狼治g而產(chǎn)生的生態(tài)經(jīng)濟價值，包括保持土壤養(yǎng)分、減少廢棄地和減輕泥沙淤3個方面。重慶生態(tài)系統(tǒng)因防止土壤侵蝕而產(chǎn)生的保持土壤養(yǎng)分的價值為5.44×105萬元，其中 N 為5.26×104萬元，P 為0.87×104萬元，K 為4.83×105萬元；減少廢棄地的價值為2.65×104萬元；減輕泥沙淤積災(zāi)害的價值為4.78×104萬元。重慶2010年生態(tài)系統(tǒng)土壤保持的總經(jīng)濟價值為三者之和，約為6.18×105萬元，其中森林生態(tài)系統(tǒng)為3.33×105萬元，約為總量的53.93%。假設(shè)各公式價格指數(shù)不變，與2006 年相比，2010年生態(tài)系統(tǒng)土壤保持的總經(jīng)濟價值增長了近3.66×104萬元。

隨著生態(tài)系統(tǒng)類型和植被覆蓋度的不同、各類生態(tài)系統(tǒng)類型對土壤保持價值的差別很大。由結(jié)果分析可見：重慶2010年森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積土壤保持價值最高，為1097.44 元 hm-2a-1，其次為灌叢生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，分別為1079.16、976.10 元 hm-2a-1和347.26 元 hm-2a-1。結(jié)果表明在重慶獨有的地形條件和自然氣候下，森林生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域土壤保持有著巨大的經(jīng)濟價值，應(yīng)進行科學(xué)的管理和保護。相對于2006年，重慶2010年森林生態(tài)系統(tǒng)土壤保持總價值和單位面積價值均有所提高，分別增長了2.21×104萬元和7.42 元 hm-2a-1，說明重慶2010年森林面積和覆蓋度增長迅速，植被生長狀況良好，土壤保持的經(jīng)濟效益得到增強。

3.3.2 土壤保持量價值空間格局

通過對重慶地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價值的定量評估，基本勾勒了該區(qū)域2010年生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價值的空間格局和大致數(shù)量(圖3)，這對充分認識生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能以及科學(xué)管理都是極為重要的。由于生態(tài)系統(tǒng)類型和植被覆蓋度的空間差異，重慶地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保持土壤養(yǎng)分、減少廢棄地和減輕泥沙淤積總價值也呈現(xiàn)出地區(qū)差異。如圖4所示，土壤保持總價值大于2×104萬元的市縣為巫溪縣、城口縣、奉節(jié)縣、酉陽縣、開縣、云陽縣、巫山縣、彭水縣、石柱縣、萬州區(qū)、武隆縣、黔江區(qū)、豐都縣，其價值分別為6.17×104萬元、5.49×104萬元、4.43×104萬元、4.27×104萬元、3.78×104萬元、3.44×104萬元、3.32×104萬元、3.11×104萬元、3.09×104萬元、3.00×104萬元、2.38×104萬元、2.16×104萬元、2.01×104萬元，價值之和約占整個重慶土壤保持總價值的75.70%。該區(qū)域土壤保持價值之所以較高，主要是因為這些市縣多為自然保護區(qū)集中地，植被覆蓋狀況較好，森林生態(tài)系統(tǒng)類型所占面積比例較大，對土壤保持的貢獻率也較高。由此可見，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤保持對本區(qū)社會和經(jīng)濟發(fā)展有著重要作用。

圖3 重慶2010年土壤保持價值空間分布圖Fig.3 Spatial distribution map of the value of the soil conservation in Chongqing in 2010

圖4 重慶各市縣2010年土壤保持價值Fig.4 The value of the soil conservation service located in different regions of Chongqing

4 結(jié)論

(1)通用土壤侵蝕方程作為經(jīng)驗?zāi)Ｐ捅粡V泛的用于區(qū)域土壤侵蝕定量研究，但是本研究區(qū)域地形復(fù)雜和植被覆蓋密度空間差異較大，簡單的用USLE不能充分考慮了植被覆蓋密度對土壤侵蝕的影響。本文基于植被覆蓋度和土地覆蓋類型圖，通過查表法，構(gòu)建像元在不同土地覆蓋類型和不同植被覆蓋度下的C值圖層。改進的C因子包含更多的數(shù)據(jù)信息，能夠使土壤侵蝕結(jié)果更加精確。

(2)通過改進的USLE估算重慶地區(qū)2010年土壤侵蝕量，約為2.23 億t/a，平均土壤侵蝕模數(shù)為2710.59 t km-2a-1?？臻g分布上，土壤侵蝕強度呈現(xiàn)由西向東加重的趨勢。極強度和劇烈侵蝕面積所占比重不大，但其土壤流失量所占比重較大，約為60.65%。說明管理措施應(yīng)該主要集中在極強度和劇烈侵蝕區(qū)域，提高該區(qū)域的植被覆蓋度，才能有效減緩?fù)寥狼治g。

(3)重慶地區(qū)2010年土壤保持量由2006年的14.36 億t/a增加到14.69 億t/a。其中森林生態(tài)系統(tǒng)在土壤保持效果最為明顯，土壤保持總量和單位面積土壤保持量均大于其他生態(tài)系統(tǒng)類型。近年來重慶地區(qū)土壤保持能力的持續(xù)增強，主要是因為森林生態(tài)系統(tǒng)面積的增長和植被生長狀況的轉(zhuǎn)好。

(4)生態(tài)系統(tǒng)在土壤保持中發(fā)揮了巨大的作用，2010年重慶地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持的總經(jīng)濟價值約為6.18×105萬元，其中森林生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價值量最大，約占總量的53.93%。相對于2006年，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤保持總價值和單位面積價值均有所提高，進一步表明研究區(qū)森林面積和覆蓋度增長迅速，植被生長狀況良好，土壤保持的經(jīng)濟效益得到增強。土壤保持單位價值量較高且具有明顯的空間差異，高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的東部山區(qū)(城口縣—秀山縣)，主要是由于地區(qū)的人口密度低，森林覆蓋率高；低值區(qū)主要分布在研究區(qū)的西部平原區(qū)，主要是由農(nóng)田和建設(shè)用地分布廣泛，自然生境破碎化較嚴(yán)重造成。

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GIS-based spatial analysis of soil erosion and soil conservation in Chongqing,China

XIAO Yang1, 2, OUYANG Zhiyun1,*, XU Weihua1, XIAO Yi1, XIAO Qiang1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China

Soil erosion is an important global environmental problem that signicantly impacts regional environmental quality and the social economy. Ecosystems protect soil from water and wind erosion and thereby provide “soil erosion control services,” which is one of the most fundamental ecosystem services that safeguard human welfare. Chongqing Region is one of the most important ecological zones in China, and is located on the upper reaches of the Three Gorges Reservoir Area (TGRA), which is the largest dam project worldwide. The status of the ecosystem functions in Chongqing Region directly affects the TGRA. Recently, the ecological environment of this region has rapidly changed because of extensive change in land cover, due to rapid population growth and economic development. In addition to climate change mitigation and adaption, global changes in climate have highlighted the role of ecosystems in soil conservation. Owing to a combination of natural factors and recent human activities, soil erosion in certain parts of the Chongqing Region is becoming increasingly serious. However, few studies have focused on the quantitative estimates of the soil conservation service and its ecological value in the Chongqing Region.This study aimed to construct theCvalue layer of different land cover types and different vegetation coverage based on the table lookup method. In addition, soil loss and soil conservation services in Chongqing Region were evaluated by geographic information system (GIS) technology and the universal soil loss equation (USLE) with localized parameters. The spatial patterns of the soil conservation service and its ecological value were revealed. The results of the study indicate that, compared to the single land cover assignment method, the improvedCvalue layer containing more spatial information enhances the accuracy of soil erosion results. To verify that this model may be reliability applied, we validated the model results based on observed data and statistical data based on average annual estimates between 2006 and 2010. Simulations of average annual soil erosion rates agreed well with the observation-based data (R2=0.85,P=0.000), which indicated that the simulated models may be used to infer soil erosion levels in this study. The results of the models showed that the total amount of soil loss and soil conservation services in Chongqing Region are 2.23×108t/a and 14.69×108t/a, respectively. Furthermore, we found that the soil conservation service improved from 2006 to 2010 as a result of vegetation restoration. Moreover, market valuation, opportunity cost, and shadow engineering methods were used to evaluate the ecological value of the soil conservation service. The total value of the soil conservation service in 2010 was about 6.18×109yuan (RMB) /a, of which, about 5.44×109yuan was of holding nutrients for N, P and K, about 2.65×108yuan was of decreasing soil loss, and about 4.78×108yuan was reducing reservoir silt. In addition, ecosystems located in the counties of Wuxi, Chengkou, and Fengjie (i.e., the east mountain areas), had much better erosion control than ecosystems in the west, and generally displayed much higher ecological value than the west with a capacity of >2×108yuan/a. Among all ecosystem types, forests were superior in the total amount and capacity of soil conservation service value. These results provide specific information that is necessary for strengthening public awareness about protecting and restoring ecosystems.

USLE; soil erosion; soil conservation service; ecological value

國家自然科學(xué)基金重點項目(40901289);國家科技支撐計劃課題(2011BAC09B08-02)

2013- 09- 15;

日期:2015- 04- 14

10.5846/stxb201309152278

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zyouyang@rcees.ac.cn

肖洋，歐陽志云，徐衛(wèi)華，肖燚,肖強.基于GIS重慶土壤侵蝕及土壤保持分析.生態(tài)學(xué)報,2015,35(21):7130- 7138.

Xiao Y, Ouyang Z Y, Xu Wei H, Xiao Y, Xiao Q.GIS-based spatial analysis of soil erosion and soil conservation in Chongqing, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(21):7130- 7138.