徐偉紅,肖 泱

(山東省濰坊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,山東 濰坊 261041)

土地資源是人類賴以生存和發(fā)展的基本資源,但由于人類在發(fā)展過(guò)程中對(duì)土地保護(hù)的忽視,破壞土地的活動(dòng)已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的喪失很大原因是由于土壤侵蝕導(dǎo)致的[1,2]。目前,眾多學(xué)者對(duì)不同區(qū)域尺度的土壤保持功能進(jìn)行了研究[3-5]。

本文以遙感和地面調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能,分析其空間格局和變化情況,以便了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化趨勢(shì)[6,7]。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

濰坊市位于山東半島西部,居半島城市群中心位置,濰坊市域地貌自北向南,由低到高,形成幾個(gè)臺(tái)階,大體上分為低地、平原及低山丘陵3個(gè)地貌區(qū)及18個(gè)地貌類型。濰坊市域?qū)俦睖貛Ъ撅L(fēng)區(qū),背陸面海。受歐亞大陸和太平洋的共同影響,大陸度在50%以上,是暖溫帶季風(fēng)型半濕潤(rùn)大陸性氣候,其氣候特點(diǎn)為冬冷夏熱,四季分明。

生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量表示研究區(qū)內(nèi)潛在土壤侵蝕量和實(shí)際土壤侵蝕量的差值,表征研究區(qū)內(nèi)土壤抗侵蝕能力的強(qiáng)弱。土壤保持量評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)源主要包括濰坊市2015～2020年生態(tài)系統(tǒng)類型與分布遙感解譯數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),并綜合運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),以及有關(guān)生物多樣性、水土保持、生態(tài)水文等學(xué)術(shù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù),部分?jǐn)?shù)據(jù)直接從氣象站點(diǎn)、網(wǎng)站下載和樣方調(diào)查獲取,部分?jǐn)?shù)據(jù)由遙感數(shù)據(jù)反演計(jì)算得到[8]。

2 評(píng)估方法

圖1為生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量的反演流程圖,指標(biāo)反演的主要源數(shù)據(jù)包括降雨量數(shù)據(jù)、土壤侵蝕數(shù)據(jù)、DEM高程數(shù)據(jù)、植被覆蓋度數(shù)據(jù)和生態(tài)系統(tǒng)分類解譯數(shù)據(jù)。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量反演流程

基于修正土壤流失方程(RUSLE)計(jì)算:

Qsr=Qse_p-Qse_a

(1)

Qse_p=R×K×L×S

(2)

Qse_a=R×K×L×S×C

(3)

式中:Qsr為土壤保持量,t·hm-2a-1;Qse_p為潛在土壤侵蝕量,t·hm-2a-1;Qse_a為實(shí)際土壤侵蝕量,t·hm-2a-1;R為降雨侵蝕力因子,MJmmhm-2h-1a-1;K為土壤可蝕性因子,thm2hhm-2MJ-1mm-1;L為坡長(zhǎng)因子,無(wú)量綱;S為坡度因子,無(wú)量綱;C為植被覆蓋因子,無(wú)量綱。

降雨侵蝕力因子R、土壤可蝕性因子K、坡長(zhǎng)坡度因子L、S及植被覆蓋因子C的計(jì)算方法如下,降雨侵蝕力因子(R)是降雨引發(fā)土壤侵蝕的潛在能力。

(4)

(5)

降雨侵蝕力空間數(shù)據(jù)可以根據(jù)全國(guó)范圍內(nèi)氣象站點(diǎn)多年的逐日降雨量資料,通過(guò)插值獲得。

土壤可蝕性因子(K)反映了土壤顆粒被水力分離和搬運(yùn)的難易程度,是評(píng)價(jià)土壤對(duì)侵蝕敏感程度的重要指標(biāo),主要與土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土體結(jié)構(gòu)、滲透性等土壤理化性質(zhì)有關(guān)。采用如下公式進(jìn)行計(jì)算。

KEPIC={0.2+0.3exp[-0.025 6ms(1-msilt/100)]}×

[msilt/(mc+msilt)]0.3×

{1-0.25 orgC/[orgC+exp(3.72-2.95 orgC)]}×

{1-0.7(1-ms/100)/{1-ms/100+

exp[-5.51+22.9(1-ms/100)]}}

(6)

K=(-0.013 83+0.515 75KEPIC)×0.131 7

(7)

式中:K為土壤可蝕性因子,t·hm2hhm-2MJ-1mm-1;mc為粘粒(<0.002 mm)百分含量,%;msilt為粉粒(0.002～0.05 mm)百分含量,%;ms為砂粒(0.05～2 mm)百分含量,%;orgC為有機(jī)碳的百分含量,%。

坡長(zhǎng)和坡度因子(L、S)反映了坡長(zhǎng)、坡度等對(duì)土壤侵蝕的影響,按照如下公式計(jì)算。

(8)

m=β/(1+β)

(9)

β=(sinθ/0.089)/[3.0×(sinθ)s0.8+0.56]

(10)

(11)

式中:L為坡長(zhǎng)因子;S為坡度因子;m為坡長(zhǎng)指數(shù);θ為坡度,(°);λ為坡長(zhǎng),m。

植被覆蓋因子(C)反映了生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤侵蝕的影響,是控制土壤侵蝕的積極因素。水田、濕地、城鎮(zhèn)和荒漠分別賦值為0,0,0.01和0.7,其余各生態(tài)系統(tǒng)類型按不同植被覆蓋度進(jìn)行賦值(見(jiàn)表1)。旱地的植被覆蓋因子按照以下公式計(jì)算:

C=0.221-0.595logc

(12)

式中:C為旱地的植被覆蓋因子;c為小數(shù)形式的植被覆蓋度。

表1 不同植被覆蓋的C值

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤保持量主要影響因子分析

3.1.1降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力因子是降雨引發(fā)土壤侵蝕的潛在能力。2015～2020年,濰坊市降雨侵蝕力因子的分布存在明顯的空間異質(zhì)性,且年際變化明顯?？臻g分布上總體呈現(xiàn)出中部、西南部和東南部降雨侵蝕力因子較高、其余地區(qū)相對(duì)較低的分布態(tài)勢(shì)。2015～2017年的降雨侵蝕力因子相對(duì)偏低,在33.1～44.9 MJ mm hm-2h-1a-1之間,以2015年最低。2018～2020年明顯升高,都在79 MJ mm hm-2h-1a-1以上,以2018年最高,達(dá)到了99.6 MJ mm hm-2h-1a-1(見(jiàn)圖2)。

圖2 2015～2020年濰坊市逐年平均降雨侵蝕力因子

2015年以來(lái)濰坊市平均降雨侵蝕力因子變化趨勢(shì)詳情見(jiàn)圖3。依據(jù)2020年與2015年降雨侵蝕力因子變化量,將變化程度分為輕微減少、輕微增加和顯著增加三個(gè)等級(jí)。相較于2015年,2020年濰坊市大部地區(qū)土壤侵蝕力因子都有所增加,東南部地區(qū)增加較為明顯,東北部少量地區(qū)降雨侵蝕力因子存在輕微減少現(xiàn)象。

圖3 2015～2020年濰坊市平均降雨侵蝕力因子變化程度分布

3.1.2土壤可侵蝕性因子

土壤可蝕性因子反映了土壤顆粒被水力分離和搬運(yùn)的難易程度,是評(píng)價(jià)土壤對(duì)侵蝕敏感程度的重要指標(biāo),主要與土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土體結(jié)構(gòu)、滲透性等土壤理化性質(zhì)有關(guān)。2015～2020年,濰坊市土壤可侵蝕性因子分布總體上呈現(xiàn)出高值與低值區(qū)域交叉分布的態(tài)勢(shì)。其中,北部沿海地區(qū)較高,最高可達(dá)到0.78 t hm2h hm-2MJ-1mm-1,其余高值區(qū)域則零散分布在中南部和東南部地區(qū),西南部較低。

3.1.3坡度坡長(zhǎng)因子

坡長(zhǎng)和坡度因子反映了坡長(zhǎng)、坡度等對(duì)土壤侵蝕的影響。2015～2020年,濰坊市坡度坡長(zhǎng)因子較高的地區(qū)主要分布在西南部的森林生態(tài)系統(tǒng)范圍,該區(qū)域地形主要以山地丘陵為主,地形起伏較明顯,因而坡度坡長(zhǎng)因子較高,最高可達(dá)到473.4;其他區(qū)域的地形以平原為主,地勢(shì)相對(duì)平坦,起伏較小,坡度坡長(zhǎng)因子極低。

3.2 土壤保持量變化分析

2015～2020年,濰坊市土壤保持量分布呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性。濰坊市土壤保持量較高的區(qū)域主要集中在西南部的森林生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域,該區(qū)域植被數(shù)量較多,種植密度較大,土壤的抗侵蝕能力較強(qiáng),土壤保持量遠(yuǎn)高于濰坊市其他地區(qū),最高土壤保持量可達(dá)到42 063.3 t·hm-2/a?？傮w看來(lái),2015～2020年濰坊市超過(guò)半數(shù)地區(qū)的土壤保持量處在中低水平,土壤防侵蝕能力有待提高。

2015～2020年,濰坊市土壤保持量呈先上升后小幅下降的趨勢(shì),總體呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)。其中,2017～2018年間土壤保持量總量大幅度升高,年度增幅高達(dá)131.7%,土壤抗侵蝕能力顯著增強(qiáng),至2019年土壤保持量總量增長(zhǎng)到近6年來(lái)最高值。2019～2020年,受長(zhǎng)時(shí)間、大范圍降水影響,濰坊市土壤保持量總量有所下降,但相較于2015年,2020年土壤保持量總量增加2.8×108t·hm-2/a(見(jiàn)圖4)。

圖4 2015～2020年濰坊市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能土壤保持量變化

將2020年與2015年土壤保持量變化程度分級(jí),依據(jù)變化量將變化程度分為輕微減少、輕微增加和顯著增加三個(gè)等級(jí)。由圖中可以看出,濰坊市大部分地區(qū)土壤保持量呈現(xiàn)輕微增長(zhǎng)的變化趨勢(shì),增長(zhǎng)較為顯著的區(qū)域主要集中在西南部地區(qū),而土壤保持量減少的區(qū)域面積較小,主要零散分布在北部地區(qū)(見(jiàn)圖5)。

圖5 2015～2020年濰坊市土壤保持量變化程度分布

4 結(jié)語(yǔ)

2015～2020年,濰坊市土壤保持量分布呈現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性,土壤保持量較高的區(qū)域主要集中在西南部的森林生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域,該區(qū)域植被數(shù)量較多,種植密度較大,土壤的抗侵蝕能力較強(qiáng),土壤保持量遠(yuǎn)高于濰坊市其他地區(qū);2015～2020年期間,濰坊市土壤保持量呈先上升后小幅下降的趨勢(shì),總體呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì),土壤抗侵蝕能力逐漸增強(qiáng)。其中,2017～2018年間土壤保持量總量大幅度升高,年度增幅高達(dá)131.7%,土壤抗侵蝕能力顯著增強(qiáng),至2019年土壤保持量總量增長(zhǎng)到近6年來(lái)最高值。2019～2020年,受長(zhǎng)時(shí)間、大范圍降水影響,濰坊市土壤保持量總量有所下降,但相較于2015年,2020年土壤保持量總量增加2.8×108t·hm-2/a,說(shuō)明濰坊土壤抗侵蝕能力總體呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)。