吳 丹, 鄒長新, 林乃峰, 曹 巍

(1.環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210042; 2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101)

20世紀(jì)90年代以來，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)已成為當(dāng)今國際生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的前言和熱點[1-5]?！巴寥辣３帧弊鳛橐豁椫匾纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)，也開始受到格外關(guān)注[6-8]。生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)功能是指地被物和凋落物層層截留降水，降低水滴對表土的沖擊和地表徑流的侵蝕作用，防止土壤崩塌瀉溜，減少土壤肥力損失以及改善土壤結(jié)構(gòu)的功能[9-10]。土壤保持服務(wù)功能的發(fā)揮，不僅為人類的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和提高農(nóng)作物生產(chǎn)力提供了基礎(chǔ)，還為減少洪澇風(fēng)險、抑制生態(tài)環(huán)境惡化和全球氣候變暖等提供了保障。目前，服務(wù)于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理和決策的土壤保持服務(wù)功能綜合評估已經(jīng)具備較好的研究基礎(chǔ)[11-13]。GIS和RS技術(shù)的發(fā)展及其在生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合評估提供了技術(shù)和實時動態(tài)信息支持[14-16]。

長江經(jīng)濟(jì)帶作為中國重要的生態(tài)屏障，由于人口密度大、開發(fā)強(qiáng)度高等原因，國土生態(tài)空間保護(hù)面臨巨大壓力，生態(tài)系統(tǒng)退化，水土流失等問題嚴(yán)峻。長江經(jīng)濟(jì)帶涉及7個國家級水土流失重點預(yù)防區(qū)，8個國家級水土流失重點治理區(qū)，其自然生態(tài)土壤保持功能亟待加強(qiáng)。因此，開展長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)功能時空格局及其變化特征研究，對于探討提升長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全保障能力具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

長江經(jīng)濟(jì)帶(21°08′45″—34°56′47″N，97°31′50″—121°53′23″E)覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州11個省(市)，面積約2.05×106km2，人口和生產(chǎn)總值均超過全國的40%。從主體功能分區(qū)上看，長江經(jīng)濟(jì)帶國家級優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點開發(fā)區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)面積分別為4.06×104,2.02×105,6.22×105,5.86×105km2，占長江經(jīng)濟(jì)帶總面積的1.99%,9.93%,30.54%和28.74%。其中，優(yōu)化開發(fā)區(qū)主要分布于長三角地區(qū)，重點開發(fā)區(qū)主要分布于長江中游、成渝、黔中和滇中等地區(qū)，農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)主要分布于太湖、巢湖、鄱陽湖、洞庭湖、漢江、江淮和成都等平原地區(qū)，重點生態(tài)功能區(qū)主要分布于長江中上游地區(qū)。

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)計算在一定耕作方式和經(jīng)營管理制度下，因坡面侵蝕而產(chǎn)生的單位面積水土流失量，即土壤侵蝕模數(shù)。通

用水土流失方程中包含6大因子，降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)、坡長因子(L)、坡度因子(S)、植被覆蓋因子(C)以及土壤保持措施因子(P)，表達(dá)式為：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中：A——單位面積土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕;R——降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;K——土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕;L——坡長因子；S——坡度因子；C——植被覆蓋因子；P——土壤保持措施因子。L，S，C，P無量綱。

潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值即為土壤保持量。潛在土壤侵蝕量為沒有植被覆蓋和任何土壤保持措施時的土壤侵蝕量，即C=1，P=1；實際土壤侵蝕量為考慮地表植被覆蓋和土壤保持措施下的土壤侵蝕量。表達(dá)式為：

Ac=Ap-Ar

(2)

式中：Ac——土壤保持量〔t/(hm2·a)〕；Ap——潛在土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕；Ar——實際土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕。

(1) 降雨侵蝕力因子(R)。降雨侵蝕力是土壤侵蝕的驅(qū)動因子，與土壤侵蝕強(qiáng)度有直接關(guān)系。本研究采用章文波等[18]的全國日降雨量擬合模型來估算降雨侵蝕力，表達(dá)式為：

(3)

式中：Mi——某半月時段的降雨侵蝕力值〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；Dj——半月時段內(nèi)第j天的侵蝕性日雨量(要求日雨量大于等于12 mm，否則以0計算，閾值12 mm與中國侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)一致)；k——半月時段內(nèi)的天數(shù)，半月時段的劃分以每月第15 d為界，每月前15 d作為一個半月時段，該月剩下部分作為另一個半月時段，將全年依次劃分為24個時段。

α，β為模型待定參數(shù)：

(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) 土壤可蝕性因子(K)。土壤是土壤侵蝕發(fā)生的主體，土壤可蝕性是表征土壤性質(zhì)對侵蝕敏感程度的指標(biāo)。本研究采用Williams等[19]的侵蝕生產(chǎn)力評價模型EPIC估算土壤可蝕性，表達(dá)式為：

式中：SAN，SIL和CLA——砂粒、粉粒、黏粒含量(%)；C——土壤有機(jī)碳含量(%)；SNI=1-SAN/100；0.131 7為美制向公制的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

(3) 坡長坡度因子(LS)。地形是導(dǎo)致土壤侵蝕發(fā)生的直接誘導(dǎo)因子，坡長坡度因子(LS)反映了地形坡長和坡度對土壤侵蝕的影響。本研究坡長坡度因子的算法建立在McCool 等[20]和劉寶元等[21]研究的基礎(chǔ)之上，核心算法為：

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——坡長(m)；m——無量綱常數(shù)，取決于坡度百分比值(θ)；S——坡度，單位為弧度。

(4) 植被覆蓋因子(C)。植被覆蓋因子反映植被覆蓋對土壤侵蝕的影響，其值界于0～1之間。本研究采用蔡崇法等[22]提出的算法，表達(dá)式為：

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

(11)

式中：f——植被覆蓋度(%)。

植被覆蓋度基于歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)計算得到，公式如下：

f=NDVI-NDVIsoilNDVIveg-NDVIsoil

(12)

式中：NDVI——該像元的歸一化植被指數(shù)； NDVIveg——純植被像元的NDVI值； NDVIsoil——完全無植被覆蓋像元的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，坡面土壤侵蝕量相對于順坡種植時土壤侵蝕量的比例，其值界于0～1之間。本研究依據(jù)長江經(jīng)濟(jì)帶長期以來耕作習(xí)慣以及不同地形條件下的等高耕作措施，對P數(shù)據(jù)進(jìn)行了分區(qū)賦值(表1)。

表1 研究區(qū)不同土地利用方式的耕作措施因子P

1.2.2 土壤保持服務(wù)功能保有率估算 土壤保持服務(wù)功能保有率指被評價區(qū)域某類生態(tài)系統(tǒng)坡面土壤保持量達(dá)到同類最優(yōu)生態(tài)系統(tǒng)坡面土壤保持量的水平[23]，公式如下：

SP=SKSKg×100%

(13)

式中：SP——評估單元的某類生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)功能保有率(%); SK——評估單元上某類生態(tài)系統(tǒng)的坡面土壤保持量(t); SKg——研究區(qū)同類最優(yōu)生態(tài)系統(tǒng)的坡面土壤保持量(t)。

1.3 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http:∥data.cma.cn/)，包括長江經(jīng)濟(jì)帶234個和周邊156個國家氣象臺站2010—2015年逐日降雨量資料。土地利用、地形、土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥resdc.cn/)。歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)來源于MODIS 1km月最大合成數(shù)據(jù)產(chǎn)品。主體功能區(qū)數(shù)據(jù)來源于《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》。主體功能區(qū)按層級分為國家級和省級兩個層面，本研究只考慮國家級主體功能區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長江經(jīng)濟(jì)帶坡面土壤保持服務(wù)功能的基本特征

2010—2015年，長江經(jīng)濟(jì)帶年均坡面土壤保持量為1.88×1010t/a，單位面積土壤保持量為91.54 t/(hm2·a)。不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持服務(wù)功能表現(xiàn)出較大差異(圖1)。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量最低，年均土壤保持量為2.49×109t/a，單位面積土壤保持量為40.38 t/(hm2·a)。草地生態(tài)系統(tǒng)次之，年均土壤保持量為3.76×109t/a，單位面積土壤保持量是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的2.76倍。林地生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的土壤保持能力，年均土壤保持量為1.21×1010t/a，單位面積土壤保持量最大，分別為農(nóng)田、草地生態(tài)系統(tǒng)的3.20，1.16倍。

圖1 研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量統(tǒng)計

從空間分布上看，江淮平原、鄱陽湖平原、兩湖平原、四川盆地等農(nóng)田集中分布區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能較弱，川西高原草地集中分布區(qū)以及云貴高原、江南丘陵山地等林地集中分布區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能較強(qiáng)(附圖15)。

2.2 不同主體功能分區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能的基本特征

2010—2015年，長江經(jīng)濟(jì)帶不同主體功能分區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能亦表現(xiàn)不同，總體體現(xiàn)不同主體功能布局的梯級開發(fā)特征。國家級優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點開發(fā)區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能較弱，單位面積土壤保持量分別為27.93，47.17 t/(hm2·a)。農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)次之，單位面積土壤保持量為63.10 t/(hm2·a)。重點生態(tài)功能區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能較強(qiáng)，單位面積土壤保持量為133.89 t/(hm2·a)。優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點開發(fā)區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)2010—2015年生態(tài)系統(tǒng)年均坡面土壤保持量分別為1.12×108，9.54×108，2.48×109，7.84×109t/a。

2.3 長江經(jīng)濟(jì)帶坡面土壤保持服務(wù)功能保有率的變化特征

2010—2015年，長江經(jīng)濟(jì)帶森林、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年均坡面土壤保持服務(wù)功能保有率依次降低，分別為88.82%，80.50%，74.21%。從變化斜率上看，森林、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)坡面土壤保持服務(wù)功能保有率的趨勢斜率分別為0.33/a，0.52/a，0.34/a。5 a間，長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)系統(tǒng)坡面土壤保持服務(wù)功能保有率總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢。保有率保持基本穩(wěn)定的面積占全區(qū)面積的48.51%；有所上升的面積占比為28.53%；有所下降的面積占比較小，為22.96%(表2)。從空間分布上看，貴州、重慶、云南東部、湖南中南部的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率上升態(tài)勢較為明顯，而云南中西部、江蘇、安徽、上海、湖北等地的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率有所下降(附圖16)。

表2 2010-2015年長江經(jīng)濟(jì)帶坡面土壤保持服務(wù)功能保有率變化

從各主體功能分區(qū)內(nèi)的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率的變化斜率看，重點生態(tài)功能區(qū)保持基本穩(wěn)定的面積占比最高，為63.24%；下降的面積比例亦最小，為18.09%。其他3個區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率變化保持基本穩(wěn)定的面積比例均低于全區(qū)平均值。優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點開發(fā)區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率有所下降的面積比例分別為26.75%,25.42%和28.52%(圖2)。

圖2 研究區(qū)不同類型主體功能區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能保有率變化斜率面積比例

3 結(jié)論與討論

本研究采用RUSLE模型，通過模型模擬與GIS空間分析相結(jié)合的方法分析了長江經(jīng)濟(jì)帶2010—2015年坡面土壤保持服務(wù)功能的時空格局及其變化特征。

2010—2015年，長江經(jīng)濟(jì)帶年均坡面土壤保持量為1.88×1010t/a，單位面積土壤保持量為91.54 t/(hm2·a)。森林、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持能力依次降低，單位面積土壤保持量依次為129.09，111.47，40.38 t/(hm2·a)。5 a間，長江經(jīng)濟(jì)帶坡面土壤保持服務(wù)功能保有率總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢。土壤保持服務(wù)功能保有率消除了年際間降水波動對模擬結(jié)果的影響，其結(jié)果集中體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)由于自身變化而導(dǎo)致的服務(wù)功能的變化。退耕還林還草、封山育林等土壤保持措施的實施在一定程度上促進(jìn)了區(qū)域植被的生長與恢復(fù)，提升了生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能。

長江經(jīng)濟(jì)帶國家級優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點開發(fā)區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點生態(tài)功能區(qū)的坡面土壤保持服務(wù)功能依次增強(qiáng)，基本符合主體功能區(qū)規(guī)劃的梯級開發(fā)理念。重點生態(tài)功能區(qū)以提供生態(tài)產(chǎn)品為主體功能，生態(tài)用地面積占比大，故其坡面土壤保持服務(wù)功能最強(qiáng)。主體功能區(qū)戰(zhàn)略的實施對國土空間開發(fā)和區(qū)域生態(tài)安全起到了積極作用。

對于水土流失問題突出，生態(tài)功能退化嚴(yán)重的區(qū)域需進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，確保“共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)”，從而有效提升長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)安全保障能力。