饒恩明,肖 燚,歐陽(yáng)志云,鄭 華
(中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085)
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類(lèi)生存與發(fā)展的基礎(chǔ)[1];土壤保持,作為生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)之一,在預(yù)防全球性環(huán)境問(wèn)題——土壤侵蝕,維持區(qū)域生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。早在20世紀(jì)80年代初,學(xué)術(shù)界已開(kāi)始關(guān)注農(nóng)田侵蝕對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展乃至糧食安全的嚴(yán)重威脅[2],廣泛開(kāi)展了農(nóng)田侵蝕損失評(píng)估[3-4]。隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的興起與不斷深入,人們逐漸將重心轉(zhuǎn)移到生態(tài)系統(tǒng)抑制土壤侵蝕所避免的損失,即土壤保持價(jià)值上來(lái),代表性研究如Costanza對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能價(jià)值的估算[5]。然而,早期基于統(tǒng)計(jì)資料的評(píng)估對(duì)于需要詳盡空間特征的管理與決策過(guò)程顯得有些力不從心,于是以通用土壤流失方程(USLE)為代表的基于GIS與RS的模型方法應(yīng)運(yùn)而生[6-11]。近年來(lái),美國(guó)斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)和世界自然基金會(huì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化和權(quán)衡得失綜合評(píng)價(jià)工具(InVEST)[12],其中土壤保持模塊(Avoided Reservoir Sedimentation)在USLE基礎(chǔ)上加以改進(jìn),使土壤保持功能評(píng)估的合理性和準(zhǔn)確性均得到提升。該模型已成功應(yīng)用于美國(guó)賓夕法尼亞州阿勒格尼縣東南[13]與北京山區(qū)[14]土壤侵蝕的模擬以及白洋淀流域[15]和長(zhǎng)江上游[16]生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的研究。
海南島是我國(guó)熱帶雨林、季雨林的重要分布區(qū)(生物多樣性異常豐富),同時(shí)也是水土流失敏感性極高的地區(qū)[17],生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能在海南島土壤資源保護(hù)、生物多樣性維持以及生態(tài)安全保障方面發(fā)揮著極為重要的作用。然而,隨著人口的急劇增長(zhǎng)以及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,海南島生態(tài)系統(tǒng)正在遭受人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈干擾,天然林面積日益減少,低海拔地區(qū)原生植被破壞殆盡[18-19],土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)正在發(fā)生退化[20]。與此同時(shí),作為我國(guó)第一個(gè)生態(tài)省,海南高度重視環(huán)境保護(hù)與生態(tài)建設(shè),并于2005年規(guī)劃實(shí)施了海南中部山區(qū)國(guó)家級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)[21],為海南生態(tài)環(huán)境的保護(hù)作出了不懈努力。本文以InVEST模型為工具,對(duì)海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的空間特征及其影響因素進(jìn)行深入分析與探討,以期為海南島土壤保持功能的保育與管理提供科學(xué)指導(dǎo)。
海南島位于我國(guó)廣東雷州半島以南,北緯18°10'04″至20°0'40″,東經(jīng)108°30'43″至111°2'33″之間,行政上包括2個(gè)地級(jí)市,6個(gè)縣級(jí)市,4個(gè)縣,6個(gè)民族自治縣和1個(gè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū),總面積3.39萬(wàn)km2。其地形地貌復(fù)雜,由山地、丘陵、臺(tái)地、平原等形成以中部高山為核心,向四周逐漸遞降的梯級(jí)結(jié)構(gòu)[22],由此形成了獨(dú)特的放射狀入海水系。因地處熱帶北緣,海南島全年氣溫高(年均氣溫22—26℃),終年無(wú)霜凍。受海洋性季風(fēng)氣候影響,區(qū)內(nèi)雨水資源充沛(年均降雨量1639 mm),但時(shí)空差異大,中部山地的屏障作用導(dǎo)致降水量在東部迎風(fēng)區(qū)(2000—2400 mm)遠(yuǎn)大于西部背風(fēng)區(qū)(1000—1200 mm)。由于地形、氣候等因素影響,土壤分布具有明顯的垂直地帶性和地域性,由沿海至山地依次為濱海沼澤化鹽土、濱海砂土、磚紅壤(西南為燥紅土)、山地赤紅壤、山地黃壤等,地帶性土壤為磚紅壤[23]。
海南中部山區(qū)國(guó)家級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)功能區(qū))位于海南島中南部,包括五指山市、瓊中縣的全部以及三亞、東方、白沙、昌江、樂(lè)東、陵水、保亭7個(gè)市縣的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn),面積0.87萬(wàn)km2,占海南島國(guó)土面積的25.64%,是海南島的生態(tài)屏障、主要江河發(fā)源地、重要水源涵蓄區(qū)和水土保持重點(diǎn)預(yù)防保護(hù)區(qū)。
根據(jù)InVEST模型中土壤保持模塊[12]的計(jì)算原理,生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量包含侵蝕減少量和泥沙持留量?jī)刹糠?。前者反映各地塊對(duì)自身潛在侵蝕的減少,以潛在侵蝕與實(shí)際侵蝕的差表示;后者表示該地塊對(duì)進(jìn)入它的上坡來(lái)沙的持留,以來(lái)沙量與泥沙持留效率的乘積表示。
模型基本形式如下:
式中,SEDRETx和SEDRx分別為柵格x的土壤保持量和泥沙持留量,USLEx和USLEy分別為柵格x及其上坡柵格y的實(shí)際侵蝕量,Rx、Kx、LSx、Cx和Px分別為柵格x的降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、覆蓋管理因子和水土保持措施因子,SEx為柵格x的泥沙持留效率。
2.2.1 降雨侵蝕力因子(R)
降雨是引起土壤侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)力,降雨侵蝕力表征了降雨引起土壤發(fā)生侵蝕的潛在能力[24-25]。鑒于海南島與福建省雨型特征的相似性,本研究采用周伏建等根據(jù)福建省實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的R值計(jì)算式[26]:
式中,R為多年平均降雨侵蝕力(MJ·mm·hm-2·h-1·a-1),Pi為月均降雨量(mm)。
2.2.2 土壤可蝕性因子 (K)
土壤可蝕性衡量了土壤顆粒被水力分離和搬運(yùn)的難易程度,是反映土壤對(duì)侵蝕敏感程度的指標(biāo)[27],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[24]。土壤性質(zhì)中的土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土體結(jié)構(gòu)、滲透性等決定了土壤可蝕性的大小。本文采用EPIC模型中的公式進(jìn)行計(jì)算,并根據(jù)張科利的研究對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正[27]。
式中,K為土壤可蝕性(t·hm·2h·hm-·2MJ-·1mm-1),ms、msilt、mc和orgC分別為砂粒(0.05—2.0 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)、粘粒(<0.002 mm)和有機(jī)碳百分含量。
2.2.3 地形因子 (LS)
地形因子是在相同條件下,每單位面積坡面土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)(坡長(zhǎng)22.13 m,坡度9%)流失量的比值,反映坡長(zhǎng)、坡度等對(duì)土壤侵蝕的影響[24]。
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°。
緩坡(<25°):
陡坡(>25°):
式中,LS為地形因子,F(xiàn)A和CS分別為柵格匯流量和柵格分辨率,S和PS分別為坡度(°)和百分?jǐn)?shù)坡度(%),m為坡長(zhǎng)指數(shù)。
2.2.4 覆蓋管理因子 (C)
覆蓋管理因子定義為特定植被覆蓋與管理狀態(tài)下土壤侵蝕量與實(shí)施清耕的連續(xù)休閑地土壤侵蝕量的比值[24]。它是控制土壤侵蝕的積極因素,反映了植被類(lèi)型、覆蓋度等對(duì)土壤侵蝕的影響。本研究通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料獲得不同植被類(lèi)型的C值[23,25]。
2.2.5 水土保持措施因子 (P)
水土保持措施因子是指采取特定水土保持措施時(shí)的土壤侵蝕量與不采取任何措施的順坡耕作時(shí)相應(yīng)侵蝕量的比值[24]。海南島的水稻種植多采用等高耕作,因此水田的P值取0.15,其余基本上沒(méi)有采取水土保持措施,取值為 1.00[23]。
2.2.6 泥沙持留效率(SE)
泥沙持留效率反映了侵蝕產(chǎn)生的泥沙在輸移過(guò)程中因植被過(guò)濾、攔截等作用而發(fā)生沉積的過(guò)程[28-32];被攔截泥沙比例越大,則持留效率越高。不同類(lèi)型植被因結(jié)構(gòu)、生物量等的差異而具有不同的持留能力。本文參照InVEST模型數(shù)據(jù)庫(kù)獲得不同植被類(lèi)型的泥沙持留效率。
在數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析中主要使用了ArcGIS 9.3、SPSS 17.0以及SigmaPlot 11.0。
本研究使用的降雨數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)共享數(shù)據(jù)平臺(tái);DEM(30m)來(lái)自全球科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站;行政區(qū)劃、土壤數(shù)據(jù)來(lái)自海南省環(huán)境科學(xué)研究院;經(jīng)濟(jì)、人口等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自《海南統(tǒng)計(jì)年鑒2008》[33];生態(tài)系統(tǒng)圖則由2008年海南TM影像解譯獲得(經(jīng)野外驗(yàn)證,分類(lèi)精度約85%,卡帕系數(shù)約94%),結(jié)合區(qū)域特點(diǎn),將海南島生態(tài)系統(tǒng)分為天然林、紅樹(shù)林、橡膠林、漿紙林、防護(hù)林、灌叢、草地、熱作園、水田、旱地等類(lèi)型。
運(yùn)用InVEST模型計(jì)算得到海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持總量為8.16×108t,其中侵蝕減少量為7.50×108t,泥沙持留量為0.66×108t,平均單位面積土壤保持量為247.28 t·hm-2·a-1,空間上呈現(xiàn)中部高四周低的分布格局(圖1)。
海南中部山區(qū)國(guó)家級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)與土壤保持功能空間分布的疊加分析表明(表1):功能區(qū)面積占研究區(qū)總面積的25.64%,土壤保持量的比重則高達(dá)46.74%,功能區(qū)內(nèi)單位面積土壤保持量約為功能區(qū)外的2.5倍。
圖1 海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能空間格局Fig.1 The spatial pattern of soil conservation service in Hainan Island
表1 海南中部山區(qū)國(guó)家級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)土壤保持功能特征Table 1 Characteristics of soil conservation service in Mountainous Area of Central Hainan National Ecological Function Conservation Area(NEFCA)
海南島生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型以森林、農(nóng)田為主,灌叢、草地比例較小,呈零星分布。將土壤保持量按生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的土壤保持功能Table 2 The soil conservation service of various ecosystems
土壤保持功能在不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型間具有明顯差異,按平均單位面積土壤保持量從大到小進(jìn)行排序:灌叢>天然林>草地>橡膠林>漿紙林>熱作園>水田>旱地>紅樹(shù)林>防護(hù)林,其中天然林、灌叢、草地均在400 t·hm-2·a-1以上,而旱地則在100 t·hm-2·a-1以下。就土壤保持總量而言,天然林、橡膠林、熱作園構(gòu)成了海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的主體(三者土壤保持量之和占總量的83.6%)。
為探明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的影響,進(jìn)而采取相應(yīng)的保育與管理對(duì)策,結(jié)合海南島的區(qū)域特征,選取了單位面積地區(qū)生產(chǎn)總值、單位面積第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、人口密度、農(nóng)田比例、橡膠林比例等能表征海南島經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的因子,與能反映生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能狀況的單位面積土壤保持量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。為便于數(shù)據(jù)收集與整理,此處以縣級(jí)行政區(qū)(海口、三亞、儋州、文昌、東方、瓊海、萬(wàn)寧、五指山、臨高、澄邁、定安、屯昌、昌江、白沙、瓊中、樂(lè)東、保亭、陵水)作為統(tǒng)計(jì)單元。
結(jié)果表明,各影響因素與生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能具有顯著相關(guān)關(guān)系;其中單位面積地區(qū)生產(chǎn)總值、單位面積第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、人口密度以及農(nóng)田比例與單位面積土壤保持量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),橡膠林比例與土壤侵蝕強(qiáng)度顯著正相關(guān)(P<0.01)(圖2)。
圖2 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的影響Table 2 The impact of human activities on soil conservation service
生態(tài)系統(tǒng)是控制土壤侵蝕的積極因素[34],它通過(guò)冠層、地被層和土壤層共同作用,阻止侵蝕的發(fā)生和發(fā)展,其作用過(guò)程主要體現(xiàn)為減少侵蝕和阻攔泥沙[34]。與僅考慮“減少侵蝕”的通用土壤流失方程(USLE)相比,本研究采用的InVEST模型納入了這兩個(gè)過(guò)程,使評(píng)估更為全面和準(zhǔn)確。
中部山區(qū)國(guó)家級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)是海南島原始森林的集中分布區(qū)和生物多樣性富集區(qū),同時(shí)也是南渡江、昌化江、萬(wàn)泉河等海南主要河流的發(fā)源地、水源涵養(yǎng)區(qū)和水土保持敏感區(qū),戰(zhàn)略地位極為重要。通過(guò)比較,功能區(qū)內(nèi)的土壤保持功能明顯優(yōu)于功能區(qū)外;區(qū)內(nèi)土壤保持量高達(dá)3.81×108t,占總量的46.74%,功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的破壞意味著土壤資源的大量流失與河流水庫(kù)的嚴(yán)重淤積。由此,中部山區(qū)在維護(hù)海南生態(tài)安全方面的重要性不言而喻,生態(tài)功能保護(hù)區(qū)建立的必要性和有效性也得以充分體現(xiàn)。
根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過(guò)程-功能關(guān)系,土壤保持功能的強(qiáng)弱與生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型和覆蓋度密切相關(guān)。不同生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的土壤保持功能以森林最強(qiáng),灌叢、草地次之,牧草、作物最差[34],森林中混交林優(yōu)于純林[35];就覆蓋度而言,植被覆蓋度越高,土壤保持功能越強(qiáng)[34,36-38]。但同時(shí)也不乏草地優(yōu)于森林[39-41]、灌叢優(yōu)于林地[42-43],甚至農(nóng)田優(yōu)于灌叢[41]的報(bào)道。這充分說(shuō)明實(shí)際發(fā)揮的土壤保持功能不單由生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型和覆蓋度決定,還會(huì)因生態(tài)系統(tǒng)年齡以及氣候、地形等環(huán)境條件不同而發(fā)生改變,充分體現(xiàn)了土壤保持功能的綜合性與復(fù)雜性[35]。海南島灌叢生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出較高的單位面積土壤保持量,這可能與其恰好處于降雨中心,潛在侵蝕較高,土壤保持功能得以充分發(fā)揮有關(guān)。橡膠林、漿紙林等人工林因群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且人類(lèi)活動(dòng)頻繁,其土壤保持功能較之天然林明顯降低。紅樹(shù)林雖為天然林,但因地處沿海灘涂,地勢(shì)平坦,潛在侵蝕極低,保土功能無(wú)法充分施展,可以認(rèn)為,獨(dú)特的環(huán)境條件限制了紅樹(shù)林土壤保持功能的發(fā)揮。
除自然因素外,生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能還受到人為因素的強(qiáng)烈影響[20,39,44-45]。土地開(kāi)墾、森林采伐等人類(lèi)活動(dòng)都可能通過(guò)改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能[44]。作為我國(guó)唯一的熱帶海島,海南具有充足的光照和水熱資源,為農(nóng)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了優(yōu)越條件,使其成為海南大部分地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè);但農(nóng)業(yè)耕作對(duì)土壤層的頻繁擾動(dòng)以及農(nóng)田土壤的季節(jié)性裸露使其成為侵蝕產(chǎn)沙的重要來(lái)源,而少數(shù)民族地區(qū)沿用的刀耕火種更是造成了局部地區(qū)原始森林的毀滅性破壞[18],可見(jiàn)農(nóng)田擴(kuò)張會(huì)直接削弱生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能。人口增加是導(dǎo)致海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能降低的又一重要原因。資料顯示,海南人口增長(zhǎng)較快,第五次人口普查與第四次相比,年均增長(zhǎng)率為1.78%,高于全國(guó)平均增長(zhǎng)率1.07%,第六次與第五次相比,增長(zhǎng)速度有所減緩,但仍高于全國(guó)平均水平。人口數(shù)量的攀升不僅直接加劇了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾[11],還驅(qū)動(dòng)了農(nóng)田的擴(kuò)張,造成人類(lèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的壓力和負(fù)作用明顯增加[46]。此外,為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國(guó)防建設(shè)的雙重需要,自20世紀(jì)50年代以來(lái),海南大面積掀起橡膠種植的熱潮,橡膠林面積迅速上升,由此導(dǎo)致的開(kāi)荒、毀林現(xiàn)象十分嚴(yán)重[18]。作為取代熱帶天然林和熱帶草地后形成的人工生態(tài)系統(tǒng),橡膠林具有群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物種組成單一、耗肥耗水和人為干擾頻繁等特點(diǎn),土壤保持功能較之熱帶雨林相差甚遠(yuǎn)[47],建立在毀林基礎(chǔ)上的橡膠林?jǐn)U張必然導(dǎo)致海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的退化。
綜上所述,生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能對(duì)于維持海南島的生態(tài)平衡至關(guān)重要,為加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)管理與保護(hù),遏制土壤保持功能退化,特提出以下建議:
(1)繼續(xù)加強(qiáng)中部山區(qū)的保護(hù) 中部山區(qū)為海南島的土壤保持做出了重要貢獻(xiàn)(面積約為海南島國(guó)土面積的1/4,土壤保持量的比重為46.74%),對(duì)該區(qū)域的保護(hù)能有效控制土壤侵蝕,防止土地退化與河流淤積,維護(hù)海南島的生態(tài)安全。
(2)嚴(yán)格保護(hù)天然林天然林具有強(qiáng)大的土壤保持能力(單位面積土壤保持量447.43 t·hm-2·a-1,約為橡膠林的1.5倍,旱地的6.3倍),保土量約占海南島土壤保持總量的37.45%,其生態(tài)效益顯著高于橡膠林、農(nóng)田等,以犧牲生態(tài)效益換取經(jīng)濟(jì)效益的做法是不明智的。另外,海南島地區(qū)具有較強(qiáng)的植被恢復(fù)能力[48],對(duì)于已發(fā)生植被退化的區(qū)域,可減少人為干擾,促進(jìn)植被天然更新,迅速恢復(fù)其保持土壤的能力。
(3)取締傳統(tǒng)耕作方式,提高農(nóng)業(yè)集約化程度 淘汰刀耕火種的耕作模式,通過(guò)間作、套種、輪作等提高復(fù)種指數(shù),充分利用海南島的氣候資源,提高土地產(chǎn)出的同時(shí)增加農(nóng)田植被覆蓋,抑制農(nóng)田擴(kuò)張,達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益雙贏。此外,復(fù)合農(nóng)林業(yè)(如橡膠林下種植南藥等)也具有較好的發(fā)展前景。
(4)權(quán)衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土壤保持功能的關(guān)系 海南島的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)削弱了生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能(單位面積地區(qū)生產(chǎn)總值、單位面積第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、人口密度以及農(nóng)田比例與單位面積土壤保持量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),橡膠林比例與土壤侵蝕強(qiáng)度顯著正相關(guān)(P<0.01))。在可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)省建設(shè)的旗幟下,決策者大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí),不應(yīng)忽略對(duì)土壤保持功能的保護(hù)。
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