康惠惠, 潘 韜, 蓋艾鴻, 劉玉潔

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所， 中國(guó)科學(xué)院 陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101)

生態(tài)退化與恢復(fù)對(duì)三江源區(qū)土壤保持功能的影響

康惠惠1,2, 潘 韜2, 蓋艾鴻1, 劉玉潔2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所， 中國(guó)科學(xué)院 陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101)

[目的] 探討生態(tài)退化與恢復(fù)對(duì)土壤保持功能的影響及其作用機(jī)理，為三江源區(qū)生態(tài)保護(hù)與建設(shè)決策提供一定依據(jù)。[方法] 通過(guò)構(gòu)建土地覆被狀況等來(lái)表征三江源區(qū)宏觀生態(tài)系統(tǒng)變化，定量分析生態(tài)系統(tǒng)變化對(duì)土壤保持功能的影響，并探討其主要機(jī)制。[結(jié)果] 三江源地區(qū)從2000—2010年的生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷了顯著的退化和恢復(fù)過(guò)程。不同覆被類型下土壤保持能力依次為：林地>耕地>高覆蓋度草地>中覆蓋度草地>低覆蓋度草地>濕地>未利用地。在研究區(qū)生態(tài)退化及恢復(fù)的過(guò)程中，2000—2010年的單位面積潛在流失量從1.25×104t/hm2增加到1.50×104t/hm2，單位面積實(shí)際流失量從2000年的3 200 t/hm2增加到2005年的3 500 t/hm2，至2010年持續(xù)增加到3 800 t/hm2。在生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中，三江源區(qū)高覆蓋度草地及濕地面積增加，從一定程度上減輕生態(tài)系統(tǒng)退化的趨勢(shì)，三江源區(qū)單位面積土壤保持量從2000年的9 300 t/hm2，增加到2005年的1.03×104t/hm2，直至2010年三江源區(qū)單位面積土壤保持量為1.11×104t/hm2。[結(jié)論] 土地覆被類型及植被覆蓋程度對(duì)土壤保持功能有重要影響，三江源的生態(tài)退化與恢復(fù)過(guò)程與源區(qū)土壤保持功能變化聯(lián)系緊密。

生態(tài)退化; 生態(tài)恢復(fù); 三江源區(qū); 土壤保持; 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

文獻(xiàn)參數(shù)： 康惠惠, 潘韜, 蓋艾鴻, 等.生態(tài)退化與恢復(fù)對(duì)三江源區(qū)土壤保持功能的影響[J].水土保持通報(bào)，2017,37(3)：7-14.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.002； Kang Huihui, Pan Tao, Gai Aihong， et al. Effects of ecological degradation and restoration on soil conservation function in Three Rivers Headwater region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：7-14.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.002

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)形成和所維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用，它是通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的功能直接或間接得到的產(chǎn)品和服務(wù)，不僅可以維持人類賴以生存的環(huán)境和空間，而且對(duì)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展也至關(guān)重要。土壤保持作為一項(xiàng)重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，不僅是土壤形成、植被固著、水源涵養(yǎng)等的重要基礎(chǔ)，也是維持區(qū)域生態(tài)安全的重要保障[1-5]。

近年來(lái)，隨著人口的持續(xù)增加和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，人類在過(guò)度開采和利用自然資源過(guò)程中造成一系列生態(tài)環(huán)境惡化、生物多樣性喪失等問(wèn)題，使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)生嚴(yán)重退化，例如：嚴(yán)重的水土流失致使土壤沙化、人地矛盾增強(qiáng)；植被覆蓋率降低，生態(tài)功能減弱；生物多樣性遭到嚴(yán)重破壞，許多珍貴物種瀕臨滅絕等等[5-6]。隨著對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要程度認(rèn)識(shí)的加深，人們也愈發(fā)重視生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)的作用。自50年代開始直至今，中國(guó)各級(jí)政府在農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)、風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)、干旱荒漠區(qū)、濕地等進(jìn)行了大量退化或脆弱生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)重建工作[7-8]，后期評(píng)估結(jié)果表明，這些工作大多取得了很好的成效[9-10]。

三江源區(qū)位于青藏高原腹地，生態(tài)本底脆弱，嚴(yán)重的土壤侵蝕會(huì)使土壤層變薄，含蓄水能力降低，甚至對(duì)源區(qū)及流域中下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。研究表明，20世紀(jì)90年代以來(lái)三江源區(qū)長(zhǎng)期過(guò)度放牧、亂墾濫挖等不合理的人類活動(dòng)導(dǎo)致的草地嚴(yán)重退化是造成三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤侵蝕加劇的主要因素；三江源區(qū)水土流失嚴(yán)重，土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)性在不斷增大[11-14]，需要加強(qiáng)監(jiān)督、管理和遏制區(qū)域土壤侵蝕的發(fā)展。自2005年起三江源生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程啟動(dòng)以來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者的評(píng)估結(jié)果表明生態(tài)保護(hù)工程對(duì)生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)生積極影響。邵全琴等[11]在評(píng)估三江源生態(tài)建設(shè)一期工程成果后認(rèn)為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化趨勢(shì)被初步遏制，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸向良性方向發(fā)展；杜加強(qiáng)等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，近30 a三江源區(qū)植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)。因此開展生態(tài)與退化恢復(fù)過(guò)程對(duì)土壤保持功能的影響分析對(duì)于生態(tài)保護(hù)與建設(shè)具有重要的參考意義。然而，前期大多數(shù)研究著重于價(jià)值評(píng)估[16-18]，對(duì)于生態(tài)退化與恢復(fù)過(guò)程中的土壤保持功能定量變化及其影響機(jī)制研究仍不多見(jiàn)。

鑒于此，本研究擬基于三江源區(qū)2000—2010年土地利用與覆被數(shù)據(jù)，構(gòu)建土地覆被指數(shù)，調(diào)查研究區(qū)在此10 a間的生態(tài)退化與恢復(fù)狀況；利用InVEST模型定量模擬土壤保持功能的變化，分析其變化特征、趨勢(shì)及空間格局，探討生態(tài)退化與恢復(fù)對(duì)土壤保持功能的影響及其作用機(jī)理。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源區(qū)位于青藏高原的腹地、青海省南部，平均海拔3 500～4 800 m，面積約3.63×105km2；區(qū)內(nèi)河流密布、湖泊、沼澤眾多，雪山冰川廣布，被譽(yù)為“中華水塔”。區(qū)域地形復(fù)雜多樣，中西部和北部多寬闊而平坦的灘地，東南部是高山峽谷；氣候特征表現(xiàn)為典型的高原大陸性氣候，植被以高寒草甸和高寒草原為主。近年來(lái)，土地荒漠化速度加快，人類過(guò)度放牧、亂墾濫挖導(dǎo)致森林與草地植被類型的破壞而引起草場(chǎng)退化,直接影響到了生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持能力。2005年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)《青海三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)總體規(guī)劃》，在三江源自然保護(hù)區(qū)開展生態(tài)保護(hù)和建設(shè)1期工程，初步遏制了生態(tài)環(huán)境惡化，植被覆蓋度有所恢復(fù)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

土地利用數(shù)據(jù)(2000，2005，2010年)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)，該土地利用數(shù)據(jù)是由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所、遙感應(yīng)用研究所組織全國(guó)各區(qū)科研力量，通過(guò)解譯100 m分辨率TM/ETM遙感影像得到并通過(guò)大量控制點(diǎn)驗(yàn)證；流域范圍氣象數(shù)據(jù)(包括氣溫、降水等)來(lái)源于中國(guó)氣象局中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥www.escience.gov.cn/metdata/page/index.html)。本文選取2個(gè)時(shí)段(2000—2005，2005—2010年)將所需數(shù)據(jù)輸入模型。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為1 km。

1.3 方 法

1.3.1 生態(tài)退化與恢復(fù)的表征 采用土地覆被狀況及土地覆被轉(zhuǎn)類途徑及面積來(lái)表征生態(tài)退化與恢復(fù)背景下，土地覆被在不同階段的變化。土地覆被狀況的表達(dá)式為:

Z=(Ci/A)×100%

(1)

式中：Z——土地覆被狀況；Ci——某一覆被類型的面積(km2)；A——研究區(qū)的總面積(km2)，研究采用這個(gè)指標(biāo)來(lái)獲取不同時(shí)期不同類型用地覆被結(jié)構(gòu)及其面積比例大小。

利用轉(zhuǎn)移矩陣的方法，通過(guò)定量分析在2000—2010年兩期不同時(shí)段、不同土地覆被類型之間的轉(zhuǎn)移途徑及幅度來(lái)表征三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的變化方向。

1.3.2 InVEST模型 InVEST(integrated valuation of ecosystem services and trade-offs)是由自然資本資助項(xiàng)目開發(fā)、用以量化模擬不同土地利用變化情景下多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(如生物多樣性、碳儲(chǔ)存與吸收、產(chǎn)水量、土壤保持等)變化的評(píng)估模型[19]。其中，土壤保持子模型則是采用像元尺度的通用土壤流失方程，基于土地利用數(shù)據(jù)、土壤性質(zhì)、DEM、降雨和氣象數(shù)據(jù)等，計(jì)算一定區(qū)域的土壤侵蝕速率和侵蝕量，土壤侵蝕量越小，土壤保持功能越好。土壤流失量用下列方程計(jì)算：

USLE=R·K·LS·C·P

(2)

RKLS=R·K·LS

(3)

式中：USLE——柵格的實(shí)際土壤侵蝕量(t)； RKLS——柵格的潛在土壤流失量(t);R——降雨侵蝕力因子；K——土壤可蝕性因子；LS——坡度和坡長(zhǎng)因子；C——植被覆蓋因子；P——管理因子。降雨侵蝕力表征了降雨引起土壤發(fā)生侵蝕的潛在能力，本文采用水文站的降雨量資料計(jì)算出年平均降雨侵蝕力〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕，采用插值得出降雨侵蝕力分布圖。土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/( MJ·hm2·mm)〕通常用標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上單位降雨侵蝕力所引起的土壤流失量來(lái)表示，采用EPIC模型中的公式進(jìn)行計(jì)算，對(duì)全國(guó)第2次普查數(shù)據(jù)得到的土壤數(shù)據(jù)，每種土類賦予土壤可蝕性K值，即獲得了三江源地區(qū)土壤可蝕性因子K值空間分布數(shù)據(jù)并根據(jù)已有的研究對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正。對(duì)于坡度坡長(zhǎng)因子，InVEST模型中對(duì)LS的取值采取緩坡、陡坡分段計(jì)算，坡度閾值默認(rèn)為25°。當(dāng)坡度小于邊坡閾值時(shí)，方法如下：

(4)

當(dāng)坡度大于邊坡閾值時(shí)

(5)

式中：LS——坡長(zhǎng)坡度因子;Fa和Cs——柵格匯流量和柵格分辨率;S和PS——坡度和百分?jǐn)?shù)坡度;n——坡長(zhǎng)指數(shù)。

地表覆蓋管理因子C及土壤保持措施因子P可以反映植被或作物以及管理措施對(duì)土壤流失的影響，介于0～1。本研究通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料、借鑒相近區(qū)域研究情況進(jìn)行取值獲得不同植被類型的C值，p值。本研究的地理數(shù)據(jù)空間分析和數(shù)據(jù)處理主要在ArcGIS 10.3中完成。

2 結(jié)果分析

2.1 三江源地區(qū)生態(tài)退化與恢復(fù)的時(shí)空格局

2.1.1 土地覆被狀況的變化 從表1的三江源區(qū)2000—2011年土地覆被狀況變化可以發(fā)現(xiàn)，三江源區(qū)中覆蓋度及低覆蓋度草地的面積較大，占研究區(qū)總面積的1/2以上，未利用地次之，為21.16%；耕地及建設(shè)用地的面積最小。

分析2000—2010年土地覆被狀況變化情況可以看出，在生態(tài)退化背景下，林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地及低覆蓋度草地的面積呈減少趨勢(shì)。其中，中覆蓋度草地及低覆蓋度草地的面積比例變化幅度較大，分別為0.071%，0.108%；同時(shí)未利用地的面積增加了56 563 hm2，相應(yīng)的面積比例增加了0.163%。而在生態(tài)恢復(fù)階段，研究區(qū)內(nèi)耕地、高覆蓋度草地、濕地面積均有所增加，其中高覆蓋度草地面積比例變化幅度最大，為0.017 6%，耕地及濕地面積增加比例依次為0.002 9%，0.006 7%；未利用地的面積減少了8 117 hm2，呈下降趨勢(shì)；林地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地雖然面積減少，但相較于生態(tài)退化階段的變化幅度，恢復(fù)階段的面積比例減少幅度大大降低。

表1 三江源區(qū)2000-2010年土地覆被狀況變化

2.1.2 土地覆被轉(zhuǎn)類途徑和面積 如表2所示，2000—2005年期間，三江源區(qū)土地覆被轉(zhuǎn)類途徑主要為高覆蓋度草地有77.47 km2轉(zhuǎn)為耕地、中覆蓋度草地，中覆蓋度草地分別有48.29 km2轉(zhuǎn)為低覆蓋草地，306.55 km2轉(zhuǎn)為未利用地，低覆蓋度草地轉(zhuǎn)為未利用地，面積為395.28 km2。總體上，2000—2005時(shí)段三江源區(qū)土地覆被退化趨勢(shì)較為明顯，而且主要表現(xiàn)為由高生態(tài)級(jí)別向低生態(tài)級(jí)別轉(zhuǎn)移。

表2 三江源區(qū)2000-2005年各類土地覆被轉(zhuǎn)類途徑及面積

表3給出了三江源區(qū)2005—2010年各類土地覆被轉(zhuǎn)類途徑及面積。從表3中可以看出，在2005—2010年，三江源區(qū)各土地覆被類型面積變化不大，中覆蓋度草地有63.26 km2轉(zhuǎn)為高覆蓋度草地，低覆被蓋草地86.73 km2轉(zhuǎn)為中覆蓋度草地。未利用地轉(zhuǎn)為低覆蓋度草地、濕地的面積分別為49.45，83.66 km2。整體來(lái)看，相較于2000—2005年土地覆被變化主要表現(xiàn)為退化情形，2005—2010年土地覆被變化主要表現(xiàn)為高覆被度草地及濕地面積總量呈增加而未利用地面積呈降低的趨勢(shì)。

表3 三江源區(qū)2000-2005年各類土地覆被轉(zhuǎn)類途徑及面積

從表3可以看出在2005—2010年，三江源區(qū)各土地覆被類型面積變化不大，中覆蓋度草地有63.26 km2轉(zhuǎn)為高覆蓋度草地，低覆被蓋草地86.73 km2轉(zhuǎn)為中覆蓋度草地。未利用地轉(zhuǎn)為低覆蓋度草地、濕地的面積分別為49.45，83.66 km2。整體來(lái)看，相較于2000—2005年土地覆被退化情形，2005—2010年期間土地覆被變化主要表現(xiàn)為高覆被度草地及濕地面積總量呈增加而未利用地面積呈降低的趨勢(shì)。

2.2 土壤保持功能變化

三江源區(qū)2000年的單位面積潛在流失量為1.25×104t/hm2，總的潛在流失量為4.31×109t；到2005年，分別增加為1.39×104t/hm2及4.74×109t。直至2010年，研究區(qū)的單位面積潛在流失量及總的潛在流失量繼續(xù)增加到1.50×104t/hm2及5.15×109t。實(shí)際土壤流失指在土地利用/覆被和工程措施的作用下產(chǎn)生的土壤流失。三江源區(qū)2000年的單位面積實(shí)際流失量為3 200 t/hm2，總的實(shí)際流失量為1.11×109t。到2005年分別增加到3500 t/hm2，1.20×109t。2010年，研究區(qū)的單位面積實(shí)際流失量及實(shí)際流失總量分別增加到3 800 t/hm2及1.31×109t。

由圖1可以看出，低覆蓋度草地及中覆蓋度草地的土壤侵蝕總量較大，其次是未利用地。其中低覆蓋度草地因?yàn)榉植济娣e廣使得土壤侵蝕總量也相對(duì)于其他覆被類型較高；耕地的單位面積流失量雖然較高達(dá)到5 200 t/hm2，但因?yàn)槠涿娣e比例小，其土壤侵蝕總量也相對(duì)較小。濕地的單位面積土壤侵蝕量在所有的土地覆被類型中最小，說(shuō)明濕地的土壤保持力較強(qiáng)。可以發(fā)現(xiàn)，2000—2010年期間，三江源區(qū)土壤侵蝕量不斷遞增。

圖1 不同時(shí)期不同覆被類型的三江源區(qū)土壤侵蝕量及土壤保持量變化

因此2000年三江源區(qū)單位面積土壤保持量為9 300 t/hm2，土壤保持總量為3.18×109t。到2005年三江源區(qū)單位面積土壤保持量為1.03×104t/hm2，土壤保持總量為3.51×109t。同時(shí)得出2010年三江源區(qū)單位面積土壤保持量為1.11×104t/hm2，土壤保持總量為3.82×109t。

由結(jié)果可知，中覆蓋度草地的單位面積土壤保持力相對(duì)低覆蓋度草地較高，即使覆被面積較低覆蓋度草地小，但其土壤保持總量高于低覆蓋度草地的土壤保持總量。總體來(lái)看2000—2010年土壤保持量呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這表明三江源區(qū)的土壤保持功能在往好的方向發(fā)展。

2000—2010年土壤保持變化量有增有減，這說(shuō)明部分地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)土壤保持能力增強(qiáng)，而還有些地區(qū)的土壤保持能力減弱。從圖2可以看出，土壤保持量呈現(xiàn)出由東向西逐漸遞減的趨勢(shì)，土壤保持量增強(qiáng)的高值集中分布在研究區(qū)中部的玉樹東北部、稱多縣西南部，及東部的甘德、瑪沁、同德及興?？h南部，說(shuō)明這些地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)得到較好的保護(hù)和恢復(fù)并發(fā)揮了其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

圖2 2000-2010年三江源區(qū)土壤保持量空間變化

土壤保持量降低的地區(qū)主要集中在研究區(qū)西部的囊謙縣及雜多縣的南部。綜合來(lái)看2000—2010年土壤保持變化量呈現(xiàn)增加的地區(qū)占研究區(qū)總面積的一半以上，說(shuō)明研究區(qū)2010年土壤保持量增加的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于減少的面積，該期間增強(qiáng)是研究區(qū)土壤保持功能變化的主要趨勢(shì)。

2.3 土地覆被變化與土壤保持功能的關(guān)系

2.3.1 土地覆被類型與土壤保持的關(guān)系 表4給出了三江源區(qū)不同時(shí)期不同覆被類型的單位面積土壤保持量。由表4可以看出，從2000—2010年，隨著時(shí)間的推移不同覆被類型的單位面積土壤保持量呈上升趨勢(shì)，土壤保持功能增強(qiáng)。林地的單位面積土壤保持量最高，耕地次之；高中低覆蓋度草地的土壤保持能力依次降低，未利用地最低為50.65 t。

表4 三江源區(qū)不同時(shí)期不同覆被 類型的單位面積土壤保持量 t

2.3.2 不同縣域土地覆被變化與土壤侵蝕量的關(guān)系 圖3為2000—2010年的各縣土壤侵蝕量變化結(jié)果，從圖3中可以看出，三江源區(qū)東部同德、澤庫(kù)等縣的土壤侵蝕量較西部治多、雜多縣的土壤侵蝕量低，土壤保持量的變化呈現(xiàn)出由東向西逐漸遞減的趨勢(shì)，各縣不同時(shí)期的土壤侵蝕量也各有增減。

注：1為同德縣； 2為澤庫(kù)縣； 3為久治縣； 4為囊謙縣； 5為治多縣； 6為興?？h； 7為曲麻萊縣； 8為瑪多縣； 9為瑪沁縣； 10為河南蒙古自治縣； 11為稱多縣； 12為甘德縣； 13為達(dá)日縣； 14為雜多縣； 15為玉樹縣； 16為班瑪縣； 17為唐古拉鄉(xiāng)。

圖3 2000-2010年三江源區(qū)各縣土壤侵蝕量

在2000—2005年期間瑪多高、中低覆蓋度草地面積減少1 056 hm2，濕地面積增加894 hm2，2005—2010期間中覆蓋度草地面積減少1 799 hm2；稱多縣前期中覆蓋度草地面積減少217 hm2，低覆蓋度草地及濕地面積增加226 hm2，而后期高中覆蓋度草地減少3 288 hm2；玉樹、雜多縣前期土地覆被面積變化很小，后期高、低覆蓋度草地面積減少1 284 hm2，中覆蓋度草地面積減少625 hm2從而導(dǎo)致2005—2010年期間土壤侵蝕量增加幅度較2000—2005年期間大。曲麻萊、澤庫(kù)、久治、治多、唐古拉等大部分縣土壤侵蝕量均有所上升，且在2000—2005期間土壤侵蝕增加量均高于2005—2010年的侵蝕量。結(jié)合土地覆被面積變化來(lái)看，曲麻萊縣2000—2005年高、中低覆蓋度草地面積減少261，25 309，38 998 hm2，且未利用地面積大幅增加，2005—2010年期間土地覆被面積變化較小；澤庫(kù)縣前期高、中低覆蓋度草地及濕地面積減少1 681 hm2，后期面積減少幅度變小土壤侵蝕增加量有所減緩；唐古拉鄉(xiāng)、治多縣濕地面積各增加284，213 hm2，其土壤侵蝕量相較2000—2005年增加量減少一半。囊謙縣高覆蓋度草地及中覆蓋度草地面積在2000—2005，2005—2010期間各增加1 606，2 846 hm2，土壤侵蝕量持續(xù)減少。說(shuō)明在土地覆被好轉(zhuǎn)的情況下，土壤保持功能得到較好的保護(hù)并發(fā)揮了其功能。

2.3.3 降雨侵蝕力及各縣土壤侵蝕量空間變化的分布格局 降雨侵蝕力與土壤侵蝕量基本成相對(duì)應(yīng)關(guān)系[20]，從圖4中2000—2010年降雨侵蝕力及各縣土壤侵蝕量空間變化的分布格局來(lái)看,隨著降雨侵蝕力的增強(qiáng)，土壤侵蝕量也有所增加。三江源區(qū)南部降水量豐富，降雨侵蝕力因子遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，潛在土壤侵蝕量較高。北部及西北地區(qū)分布著大片荒漠及灘地，生態(tài)環(huán)境更為脆弱，降雨侵蝕力較低，但受風(fēng)力侵蝕較為嚴(yán)重。各市縣之間土壤保持能力差異較大，東部的久治、瑪沁縣及東南部的囊謙、玉樹縣均受降雨侵蝕力的影響較大，雖然植被覆蓋度有所好轉(zhuǎn)，但是該地區(qū)降雨強(qiáng)度較大，對(duì)土壤的沖擊力和破壞程度大，致使該地區(qū)土壤侵蝕量較高。

為了進(jìn)一步分析氣候與土地利用在三江源區(qū)土壤保持功能變化中的相對(duì)作用，假設(shè)研究區(qū)氣候條件不變，而只有土地利用變化的情況計(jì)算土壤侵蝕量的變化情況如表5所示。可以看出土壤侵蝕量的增長(zhǎng)幅度較低且對(duì)植被覆蓋度低的土地覆被類型影響較大，耕地、低覆蓋度草地、濕地及未利用地的土壤侵蝕量均有所增加，而林地及高中覆蓋度草地的侵蝕量減少，可見(jiàn)其對(duì)土壤侵蝕的影響力相對(duì)與土地覆被變化對(duì)土壤侵蝕的影響較弱。

表5 氣候不變情況下三江源區(qū)2000-2010年 不同覆被類型的土壤侵蝕量 106 t

圖4 三江源區(qū)2000-2010年降雨侵蝕力及縣域平均土壤侵蝕量分布

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

土壤保持功能不僅與生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，同時(shí)受到植被、氣候、土壤和人為活動(dòng)等因素的共同影響。InVEST模型綜合考慮了上述主要因素，評(píng)價(jià)結(jié)果較為符合研究區(qū)實(shí)際狀況。三江源地區(qū)土壤保持總量從2 000的3.18×109t上升到2005的3.51×109t，至2010年增加到3.82×109t。研究將模型得出的結(jié)果與土地覆被變化相結(jié)合進(jìn)行分析，2000—2010年期間，各縣土壤侵蝕量有增有減。

本研究采取方法數(shù)據(jù)也存在一定的不確定性。例如研究采用模型所需的各因子在計(jì)算過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。模型中參數(shù)的選擇也會(huì)使運(yùn)算中產(chǎn)生誤差，如計(jì)算R值時(shí)，水文站點(diǎn)分布不均勻，插值計(jì)算精度有限，模型所需的參數(shù)表中C值、p值及泥沙截留率通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料、借鑒相近區(qū)域研究情況進(jìn)行取值獲得不同植被類型相應(yīng)取值。然而，這樣的參數(shù)確定放法，應(yīng)用到三江源地區(qū)時(shí)可能產(chǎn)生不可避免的誤差。

3.2 結(jié) 論

三江源區(qū)土地覆被狀況和生態(tài)系統(tǒng)從2000—2010年，經(jīng)歷了先退化后恢復(fù)的階段。在生態(tài)退化過(guò)程中，林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地及低覆蓋度草地的面積呈減少趨勢(shì)；在生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中，研究區(qū)內(nèi)耕地、高覆蓋度草地、濕地面積均有所增加，相較于退化時(shí)期其余覆被類型的面積減少速率有所降低。這些土地利用與覆被的變化對(duì)土壤保持產(chǎn)生了較大影響。

三江源地區(qū)不同覆被類型下土壤保持能力依次為：林地>建設(shè)用地>耕地>高覆蓋度草地>中覆蓋度草地>低覆蓋度草地>濕地>未利用地，其中林地的單位面積土壤保持量最高，這可能與其分布于山地和降水豐富地區(qū)有關(guān)，其潛在土壤侵蝕較高，土壤保持功能可充分發(fā)揮。高、中覆蓋度草地土壤保持力也較高，三江源區(qū)東部的黃河源區(qū)覆蓋有高密度草地，良好的植被覆蓋為該地區(qū)提供了較強(qiáng)的土壤保持能力?？梢?jiàn)土壤保持功能的強(qiáng)弱與覆被類型和植被覆蓋程度密切相關(guān)；低覆蓋度草地雖然覆蓋程度較高，但因大部分分布于研究區(qū)西部地勢(shì)平坦的荒灘，潛在土壤侵蝕較低。

在生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中，結(jié)合實(shí)際人類活動(dòng)與土壤保持功能之間的聯(lián)系影響可以看出，通過(guò)三江源區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程的實(shí)施，退耕還林草、沙漠化防治及水土保持的政策手段對(duì)降低草地載畜壓力，減輕生態(tài)退化區(qū)退化趨勢(shì)及生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)生了積極的影響。自2005年后生態(tài)退化趨勢(shì)有所減緩，三江源區(qū)高覆蓋度草地及濕地面積增加，未利用地面積減少，中覆蓋度草地及低覆蓋度草地景觀破碎度降低，相應(yīng)的土壤保持量持續(xù)上升，生態(tài)系統(tǒng)土壤保持能力有所增強(qiáng)。

三江源區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱,草地覆蓋度占68%以上。生態(tài)退化造成的草地結(jié)構(gòu)退化所產(chǎn)生嚴(yán)重的土壤侵蝕會(huì)對(duì)源區(qū)及流域中下游地區(qū)乃至國(guó)內(nèi)外的生態(tài)環(huán)境安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生影響，因此加強(qiáng)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的管理與保護(hù)，遏制土壤保持功能退化十分必要。

[1] Costanza R, d’Arge R, De Groot R, et al. The value of the word’s ecosystem services and natural capital[J]. Ecological Economics, 1997,25(1):3-15.

[2] Daily G. Nature’s services: Societal dependence on natural ecosystems[M]. California: Island Press, 1997.

[3] 董全.生態(tài)功益:自然生態(tài)過(guò)程對(duì)人類的貢獻(xiàn)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1999,10(2):233-240.

[4] 黃和平,楊劼,智穎飆.皇甫川流域封育植被土壤保持功能及服務(wù)價(jià)值研究[J].水土保持通報(bào),2008,28(3):173-177.

[5] 王敏,阮俊杰,姚佳,等.基于InVEST模型的生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能研究:以福建寧德為例[J].水土保持研究,2014,21(4):184-189.

[6] 丁忠兵.論三江源地區(qū)的生態(tài)地位與可持續(xù)發(fā)展[J]. 青海社會(huì)科學(xué),2006(2):45-50.

[7] 劉敏超,李迪強(qiáng),溫琰茂,等.三江源地區(qū)土壤保持功能空間分析及其價(jià)值評(píng)估[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2005,25(5):627-631.

[8] 包維楷,劉照光,劉慶.生態(tài)恢復(fù)重建研究與發(fā)展現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題[J].世界科技研究與發(fā)展,2001,23(1):44-48.

[9] 於方,周昊,許申來(lái).生態(tài)恢復(fù)的環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境,2009,18(1):374-379.

[10] 胡云鋒,劉紀(jì)遠(yuǎn),齊永青,等.內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)工程成效實(shí)證調(diào)查和分析[J].地理研究,2010,29(8):1452-1460.

[11] 邵全琴,樊江文,劉紀(jì)遠(yuǎn),等.青海三江源生態(tài)建設(shè)一期工程建設(shè)成效評(píng)估[J].地理學(xué)報(bào),2016,71(1):3-20.

[12] 劉紀(jì)遠(yuǎn),徐新良,邵全琴.近30 a來(lái)青海三江源地區(qū)草地退化的時(shí)空特征[J].地理學(xué)報(bào),2008,63(4):364-376.

[13] 吳萬(wàn)貞,周強(qiáng),于斌，等.三江源地區(qū)土壤侵蝕特點(diǎn)[J].山地學(xué)報(bào),2009,27(6):683-687.

[14] 黃麟,邵全琴,劉紀(jì)遠(yuǎn).近30 a來(lái)青海省三江源區(qū)草地的土壤侵蝕時(shí)空分析[J],地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2011,13(1):12-21.

[15] 杜加強(qiáng),賈爾恒,阿哈提,等.三江源區(qū)近30 a植被生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化特征分析[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2016,25(1):1-12.

[16] 饒恩明,肖燚,歐陽(yáng)志云,等.海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能空間特征及影響因素[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33((3):746-755.

[17] 吳秀芹,蔡運(yùn)龍.土地利用/土地覆蓋變化與土壤侵蝕關(guān)系研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2003,22(6):576-584.

[18] 賴敏,吳紹洪,戴爾阜,等.生態(tài)建設(shè)背景下三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化[J].山地學(xué)報(bào),2013,31(1):8-17.

[19] 徐新良,劉紀(jì)遠(yuǎn),邵全琴,等.30 a來(lái)青海三江源生態(tài)系統(tǒng)格局和空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化[J].地理研究,2008,27(4):829-839.

[20] 黃從紅,楊軍.基于 InVEST 模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2014.

Effects of Ecological Degradation and Restoration on Soil Conservation Function in Three Rivers Headwater Region

KANG Huihui1,2, PAN Tao2, GAI Aihong1， LIU Yujie2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China; 2.KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

[Objective] To explore the effect of ecological degradation and restoration on soil conservation function and its mechanism, and to provide a certain basis for decision making regarding ecological protection and construction in Three Rivers Headwater Region. [Methods] By building indices such as land cover condition to characterize the macro-ecosystem changes in headwater region, we quantitatively analyzed the effect of ecosystem changes on soil conservation function, and discussed its main mechanism. [Results] The ecosystems in headwater region experienced significant degradation and recovery process from 2000 to 2010. Soil conservation capacity of different types ranked as: forest land>cultivated land>high coverage grass>medium coverage grass>low coverage grassland>wetland>unused land. In the process of ecological degradation and recovery in the study area, the potential loss per unit area increased from 1.25×104t/hm2to 1.50×104t/hm2during 2000—2010, The actual loss per unit area increased from 3 200 t/hm2in 2000 to 3 500 t/hm2in 2005, and to 3 800 t/hm2in 2010. In the process of ecological restoration, the areas of high coverage grassland and wetland in Three Rivers Headwater Region increased, alleviating the trend of ecosystem degradation to some extent. Soil conservation quantity per unit area in Three River Headwater Region increased from 9 300 t/hm2in 2000 to 1.03×104t/hm2in 2005, and to 1.11×104t/hm2in 2010. [Conclusion] The types of land cover and vegetation coverage had important effects on soil conservation function, the ecological degradation and restoration of Three Rivers Headwaters Region were closely related to the change of soil conservation function.

ecological degradation; ecological restoration; Three Rivers Headwater Region; soil conservation; ecosystem service

2016-09-23

2016-10-16

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“黃河源區(qū)高寒草地退化對(duì)土壤水分影響的空間差異”(41671107)； 國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“高寒草甸不同退化程度下的水源涵養(yǎng)服務(wù)變化過(guò)程及機(jī)理研究”(41301092)； 中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員項(xiàng)目(2016049)

康惠惠(1991—),女(漢族)，甘肅省定西市人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥恋匦畔⒐芾?。E-mail:khhdyx@qq.com。

蓋艾鴻(1967—),男(漢族)，甘肅省平?jīng)鍪腥?博士，副教授,碩士生導(dǎo)師，主要主要從事制圖學(xué)及GIS應(yīng)用研究。E-mail:gaiah@gsau.edu.cn。

A

1000-288X(2017)03-0007-08

S158.3， Q149