饒恩明,肖 燚,歐陽(yáng)志云,孔令橋

1 四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院, 成都 610101 2 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)是生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過(guò)程所形成和維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用[1—2],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受益者則是從生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和服務(wù)中受益的群體或個(gè)人[3],生態(tài)系統(tǒng)條件和過(guò)程只有對(duì)受益者產(chǎn)生效用才能成為服務(wù)[4—6]。近年來(lái),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究強(qiáng)調(diào)了生態(tài)系統(tǒng)及其受益者之間空間連接的重要性[7]；但迄今為止,大多數(shù)評(píng)估都側(cè)重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給[8—9],對(duì)受益者或受益地區(qū)考慮不足[3, 5, 10]。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成和使用普遍存在空間分離[11],加上受益者空間分布的不均勻性,大大降低了側(cè)重服務(wù)供給的傳統(tǒng)研究結(jié)果在提升保護(hù)效率和人類福祉方面的有效性。因此,僅僅從生態(tài)系統(tǒng)角度評(píng)估其提供服務(wù)的能力已不能滿足研究和管理的需要,亟需加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)與受益者之間的連接,從受益者角度開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究[10]。

土壤保持是生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)其結(jié)構(gòu)與過(guò)程減少由于降水所導(dǎo)致的土壤侵蝕的作用,是生態(tài)系統(tǒng)重要調(diào)節(jié)服務(wù)之一[12—13]。生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能狀況直接影響區(qū)域水土流失的面積和強(qiáng)度。作為全球性環(huán)境問(wèn)題之一,水土流失一方面會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力下降、作物減產(chǎn)[14—15],威脅當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至糧食安全[16]；另一方面,流失土壤可能導(dǎo)致下游水體污染、湖庫(kù)泥沙淤積,增大下游的洪水風(fēng)險(xiǎn)[17—18],甚至對(duì)全球碳平衡產(chǎn)生影響[19—20]。可見(jiàn),土壤保持服務(wù)的供給區(qū)和受益區(qū)存在明顯空間分離[5],評(píng)估時(shí)需要將生態(tài)系統(tǒng)的供給和受益者的需求相結(jié)合[21]。

洞庭湖是我國(guó)第二大淡水湖,也是長(zhǎng)江流域重要的調(diào)蓄湖泊和水源地,對(duì)長(zhǎng)江中游地區(qū)防洪起著十分重要的作用[22]。但中上游水土流失引起的泥沙淤積以及上世紀(jì)開(kāi)展的大規(guī)模圍湖墾殖活動(dòng)導(dǎo)致洞庭湖調(diào)蓄能力下降,湖區(qū)洪澇災(zāi)害頻發(fā)[23—24]。近年來(lái),隨著退耕還林、天然林保護(hù)等生態(tài)保護(hù)工程的開(kāi)展以及三峽工程投入使用,湖區(qū)泥沙淤積現(xiàn)象有所減輕[25],但作為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成,長(zhǎng)江中游城市群的建設(shè)以及人口的大量集聚對(duì)洞庭湖流域的水土保持工作提出了更高的要求。因此,運(yùn)用通用土壤流失方程(USLE)和流域水文路徑分析,從受益者角度對(duì)洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)進(jìn)行量化,揭示其土壤保持重要區(qū)域,為流域水土保持和生態(tài)保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持,為提升土壤保持服務(wù)對(duì)人類福祉的支撐作用提供參考。

1 研究區(qū)域

洞庭湖流域位于長(zhǎng)江中游南岸,107°16′—114°15′E和 24°38′—30°24′N之間,由湘、資、沅、澧四水及洞庭湖區(qū)組成,總面積約26萬(wàn)km2,覆蓋湖南大部以及湖北、重慶、貴州、廣西、江西等局部地區(qū)(圖1)。流域西南東三面環(huán)山,西為武陵-雪峰山脈,南為南嶺山脈,東為幕阜-羅霄山脈,中部為丘陵型盆地,北部為洞庭湖平原,地勢(shì)由南逐漸向中部及東北部?jī)A斜[26]。區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)類型多樣,以森林、農(nóng)田和灌叢為主,各占流域總面積的43.36%、29.14%和16.49%,濕地和城鎮(zhèn)則各占總面積的3.47%和3.34%。流域具有典型亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,雨熱同季且充沛,是我國(guó)重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。

洞庭湖流域總?cè)丝?329.92萬(wàn)人,平均人口密度281.70人/km2,空間分布不勻,主要集中于中東部的長(zhǎng)株潭城市群、北部的環(huán)洞庭湖經(jīng)濟(jì)圈以及衡陽(yáng)、邵陽(yáng)、萍鄉(xiāng)、懷化等城市中心區(qū)域,整體表現(xiàn)為中東部、北部高,西部、南部低,平原區(qū)人口密度高,山丘區(qū)人口密度低的空間格局(圖2)。

2 研究方法

2.1 土壤保持評(píng)價(jià)模型

生態(tài)系統(tǒng)可以通過(guò)改變侵蝕營(yíng)力和土體抵抗力的相對(duì)大小,減少或避免土壤侵蝕發(fā)生,從而實(shí)現(xiàn)土壤資源的保護(hù)和土壤侵蝕的控制,為人類提供強(qiáng)大的土壤保持服務(wù)。以土壤保持量(即生態(tài)系統(tǒng)減少的土壤侵蝕量)表征生態(tài)系統(tǒng)提供土壤保持服務(wù)的能力；以受益人口量化土壤保持服務(wù)受益者的規(guī)模；以土壤保持量與受益人口的乘積量化土壤保持服務(wù)對(duì)人類受益者產(chǎn)生的效用。生態(tài)系統(tǒng)提供土壤保持服務(wù)的能力越強(qiáng),受益人口越多,則生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際發(fā)揮的土壤保持價(jià)值越大。

(1)土壤保持量

用潛在土壤侵蝕與實(shí)際土壤侵蝕的差值來(lái)計(jì)算土壤保持量,以評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)供給能力。綜合考慮尺度、 模型復(fù)雜性和數(shù)據(jù)可獲得性,土壤侵蝕量采用通用土壤流失方程(USLE)進(jìn)行估算。模型形式如下:

SC=SEp-SEa

SEp=R×K×LS

SEa=R×K×LS×C

式中,SC為土壤保持量(t hm-2a-1),SEp和SEa分別表示潛在土壤侵蝕量(t hm-2a-1)和實(shí)際土壤侵蝕量(t hm-2a-1),R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1),K為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1),LS為地形因子,C為植被覆蓋因子。各參數(shù)計(jì)算及賦值方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[27—28]。

(2)受益人口

受益人口是通過(guò)使用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)而獲益的人口數(shù)量,可以反映人類受益者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求程度[6, 10]。對(duì)土壤保持服務(wù)而言,受益人口是生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)持留土壤,減輕水土流失導(dǎo)致的土地退化、泥沙淤積和水體污染等危害而獲益的人口數(shù)量。由于流域內(nèi)土壤保持服務(wù)主要沿水流路徑傳輸[7, 29],采用水文分析中的水流長(zhǎng)度工具,以網(wǎng)格人口數(shù)據(jù)作權(quán)重,沿水流路徑進(jìn)行累加得出土壤保持服務(wù)的受益人口。模型形式如下：

PBi=∑(Di×Pi)

式中,PBi表示柵格i的受益人口(人),Di表示柵格i沿流路徑的單元長(zhǎng)度(m),Pi表示柵格i沿流路徑上單元長(zhǎng)度的人口數(shù)量(人/m)。

分析得出,洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)的受益人口為0—59397人,平均為23127人?？臻g上整體表現(xiàn)為東南部高,西北部低的分布特征(圖2)。受人口分布格局影響,湘江流域土壤保持服務(wù)的平均受益人口遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他流域。

圖2 洞庭湖流域人口及土壤保持服務(wù)受益人口空間分布Fig.2 Spatial pattern of population and beneficiaries of soil conservation service in Dongting Lake Watershed

2.2 土壤保持重要性分級(jí)

土壤保持重要性評(píng)價(jià)是基于土壤保持服務(wù)及其空間分布特征,評(píng)價(jià)不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)在土壤保持方面對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的保障作用和重要性程度的過(guò)程。受流域地形、氣候、土壤和植被等空間格局影響,洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)提供土壤保持服務(wù)的能力具有明顯的空間異質(zhì)性；人口分布的不均衡進(jìn)一步加劇了土壤保持服務(wù)格局的復(fù)雜性。為揭示洞庭湖流域土壤保持服務(wù)重要性格局,識(shí)別土壤保持重要區(qū)域,我們從生態(tài)系統(tǒng)和受益者兩個(gè)角度進(jìn)行評(píng)價(jià),按其對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的重要程度劃分為極重要、較重要、中等重要、一般4個(gè)等級(jí),具體劃分步驟可參見(jiàn)文獻(xiàn)[30]。在此基礎(chǔ)上采用最大值合成法,綜合生態(tài)系統(tǒng)角度和受益者角度的土壤保持重要性評(píng)價(jià)結(jié)果,得出洞庭湖流域土壤保持服務(wù)重要性格局。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用的數(shù)據(jù)主要包括：2015年洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)類型和植被覆蓋度；數(shù)字高程模型(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)；第二次全國(guó)土壤普查數(shù)據(jù)(土壤機(jī)械組成、土壤有機(jī)質(zhì)含量)；通過(guò)日雨量模型計(jì)算得出的多年均降雨侵蝕力站點(diǎn)數(shù)據(jù)；2010年網(wǎng)格人口數(shù)據(jù)(表1)。數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出統(tǒng)一采用90 m×90 m的空間分辨率。

表1 洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持評(píng)價(jià)及分析數(shù)據(jù)表

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤保持格局(生態(tài)系統(tǒng)角度)

2015年,洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持總量為131.99億噸,以沅江流域最高(54.23億噸),約占洞庭湖流域總量的41.09%,其次是湘江流域(48.88億噸),約占總量的37.03%。平均土壤保持強(qiáng)度為507.26 t hm-2a-1,以沅江流域(599.55 t hm-2a-1)和資水流域(587.66 t hm-2a-1)最大?？臻g上,土壤保持重要性整體表現(xiàn)為西部、南部高,中部、北部低,山丘區(qū)高,平原區(qū)低的分布特征。土壤保持重要區(qū)域(極重要區(qū))面積2.80萬(wàn)km2,約占流域總面積的10.77%(表2),主要分布于湘江流域和沅江流域,各占土壤保持重要區(qū)域面積的39.73%和38.14%(圖3)。

圖3 洞庭湖流域土壤保持服務(wù)格局(生態(tài)系統(tǒng)角度)Fig.3 Spatial pattern of soil conservation service in Dongting Lake Watershed (ecosystem perspective)

表2 洞庭湖流域土壤保持服務(wù)重要性構(gòu)成

3.2 土壤保持格局(受益者角度)

結(jié)合土壤保持量和受益人口,2015年洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)總量為332.79億噸/萬(wàn)人,以湘江流域最高(222.89億噸/萬(wàn)人),約占洞庭湖流域總量的66.98%,其次是沅江流域(70.38億噸/萬(wàn)人),約占總量的21.15%。平均土壤保持服務(wù)量為1278.94噸 萬(wàn)人 hm-2a-1,以湘江流域最高(2366.71噸 萬(wàn)人 hm-2a-1),其次是資水流域(1151.27噸 萬(wàn)人 hm-2a-1)。空間上,土壤保持重要性整體表現(xiàn)為東南高、西北低的分布特征。土壤保持重要區(qū)域(極重要區(qū))面積1.57萬(wàn)km2,約占流域總面積的6.05%(表2),主要集中在湘江流域,約占土壤保持重要區(qū)域面積的92.95%(圖4)。

圖4 洞庭湖流域土壤保持服務(wù)格局(受益者角度)Fig.4 Spatial pattern of soil conservation service in Dongting Lake Watershed (beneficiary perspective)

3.3 考慮受益者前后的比較

將考慮受益人口前(生態(tài)系統(tǒng)角度)后(受益者角度)的土壤保持服務(wù)格局進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)考慮受益人口后,大部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持重要性維持不變(75.33%),其余地區(qū)的重要性則表現(xiàn)為不同程度地升高或降低(圖5)。分析表明,約有4.76萬(wàn)km2地區(qū)土壤保持重要性有所降低,其中包含1.71萬(wàn)km2的土壤保持重要區(qū)域,主要集中在沅江流域(1.05萬(wàn)km2),包括武陵山、雪峰山等地。相反,約有1.66萬(wàn)km2地區(qū)土壤保持重要性有所提升,其中有0.48萬(wàn)km2被識(shí)別為新增土壤保持重要區(qū)域,主要集中在湘江流域(0.47萬(wàn)km2),包括南嶺、羅霄山脈等。

圖5 洞庭湖流域土壤保持服務(wù)格局變化Fig.5 Changes in spatial pattern of soil conservation service in Dongting Lake Watershed

3.4 土壤保持重要性格局

將考慮受益人口前后的土壤保持格局進(jìn)行疊加,重要性不一致時(shí)取等級(jí)較高者,綜合得出洞庭湖流域土壤保持重要性格局。結(jié)果表明,土壤保持重要區(qū)域(極重要區(qū))面積3.28萬(wàn)km2,約占洞庭湖流域面積的12.61%,主要分布于西部的武陵山、雪峰山,南部的南嶺山脈、陽(yáng)明山以及東部的羅霄山脈、幕連九山脈等山地區(qū)(圖6)。從流域分布來(lái)看,以湘江流域和沅江流域分布面積最大,各占土壤保持重要區(qū)域面積的48.36%和32.58%。從地市分布來(lái)看,以湖南永州、懷化、郴州、邵陽(yáng)、廣西桂林和貴州黔東南等地市分布最多。

圖6 洞庭湖流域土壤保持服務(wù)重要性格局Fig.6 Importance pattern of soil conservation service in Dongting Lake Watershed

4 討論

洞庭湖流域位于我國(guó)中東部典型季風(fēng)氣候區(qū),降水豐富且雨強(qiáng)大、多暴雨,加上流域內(nèi)山丘比例高,花崗巖、石灰?guī)r廣布,水土流失風(fēng)險(xiǎn)較高[26, 31—32]。2015年,洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持總量為131.99億噸,約占全國(guó)土壤保持總量的6.63%,占長(zhǎng)江流域土壤保持總量的18.29%,其平均土壤保持強(qiáng)度約507.26 t hm-2a-1,遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平(210.00 t hm-2a-1)和長(zhǎng)江流域平均水平(405.24 t hm-2a-1)。說(shuō)明從生態(tài)系統(tǒng)角度,洞庭湖流域提供土壤保持服務(wù)的能力較強(qiáng),在控制土壤侵蝕方面發(fā)揮著重要作用；特別是植被覆蓋較好的山地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)提供土壤保持服務(wù)的潛力較大。

洞庭湖流域水土流失危害嚴(yán)重[32],主要表現(xiàn)為流失泥沙淤積江河湖庫(kù),導(dǎo)致下游洪澇災(zāi)害加劇[33]。一方面,洞庭湖流域墾殖歷史悠久,是我國(guó)重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū),每年因洪澇災(zāi)害遭受巨大的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失[24]；另一方面,在長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃中,洞庭湖流域是長(zhǎng)江中游城市群的重點(diǎn)建設(shè)區(qū),是實(shí)施促進(jìn)中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略、全方位深化改革開(kāi)放和推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的重點(diǎn)區(qū)域?？梢?jiàn),洞庭湖流域?qū)档秃闉?zāi)風(fēng)險(xiǎn)的需求較高；從受益者角度,生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)在減輕洞庭湖流域(特別是城市密布、人口集聚的湘江流域)泥沙淤積以及洪澇災(zāi)害方面具有重要價(jià)值。

圖7 洞庭湖流域土壤保持重要區(qū)域面積Fig.7 Important area of soil conservation service in Dongting Lake Watershed

從生態(tài)系統(tǒng)角度和受益者角度得出的土壤保持服務(wù)格局差異較大。統(tǒng)計(jì)表明,從生態(tài)系統(tǒng)角度,土壤保持重要區(qū)域主要分布于湘江流域(39.73%)和沅江流域(38.14%)；從受益者角度,土壤保持重要區(qū)域則主要集中于湘江流域(92.95%)。除部分(1.10萬(wàn)km2)重疊外,有0.48萬(wàn)km2被識(shí)別為新增土壤保持重要區(qū)域,這些地區(qū)提供土壤保持服務(wù)的能力不算很強(qiáng),但因平均受益人口眾多(53628人),實(shí)際發(fā)揮的土壤保持價(jià)值很大,值得重點(diǎn)關(guān)注和保護(hù)；另有1.71萬(wàn)km2的土壤保持重要區(qū)域因平均受益人口較少(12362人),土壤保持價(jià)值未能得到充分發(fā)揮(圖7)。由于本研究局限于洞庭湖流域,長(zhǎng)江流域下游的受益人口并未納入分析,將尺度擴(kuò)大后,這部分土壤保持強(qiáng)度較大,但區(qū)內(nèi)受益人口較少的地區(qū)可能對(duì)長(zhǎng)江流域下游產(chǎn)生重要影響,需要繼續(xù)加以保護(hù)。因此,將考慮受益者前后的土壤保持重要區(qū)域進(jìn)行合并,綜合得出洞庭湖流域土壤保持重要區(qū)域。

洞庭湖流域土壤保持服務(wù)受益人口呈東南高、西北低的空間特征,受益者主要集中在湘江流域。受此影響,洞庭湖流域土壤保持重要區(qū)域向湘江流域轉(zhuǎn)移和集中?？梢?jiàn),受益者的空間分布在土壤保持服務(wù)格局中具有重要作用。王麗霞等在基于生態(tài)供受體理論研究全國(guó)水土保持重要區(qū)時(shí)也強(qiáng)調(diào)了受體(人口)的重要性,但她僅考慮了土壤保持對(duì)當(dāng)?shù)厥芤嬲叩挠绊?未對(duì)下游受益人口進(jìn)行分析[34]。研究得出,洞庭湖流域土壤保持服務(wù)平均受益人口(23127人/柵格),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均人口密度(2.28人/柵格),說(shuō)明土壤保持服務(wù)的受益者主要在下游,而不是當(dāng)?shù)?。本研究在水文路徑分析中河流兩?cè)的受益人口以及泥沙沉降等問(wèn)題還沒(méi)有得到充分的考慮,將在以后的工作中繼續(xù)深入。另外,受益人口及其所反映的需求程度會(huì)隨時(shí)間、空間而變化[35],人口遷移、城鎮(zhèn)化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素都可能通過(guò)改變受益者的空間分布,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局發(fā)生變化。因此,適時(shí)評(píng)估和監(jiān)測(cè)土壤保持服務(wù)的供給和使用狀態(tài),及時(shí)調(diào)整土壤保持重要區(qū)域,是提升土壤保持服務(wù)對(duì)人類福祉支持作用的必要保證。

5 結(jié)論

本研究運(yùn)用通用土壤流失方程(USLE)和流域水文路徑分析,從受益者角度對(duì)洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)進(jìn)行量化,揭示其土壤保持重要性格局。結(jié)果表明：(1)洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)供給能力較強(qiáng),受益人口眾多,土壤保持服務(wù)在防止土地退化、減輕泥沙淤積、降低洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等方面發(fā)揮著重要作用；(2)從生態(tài)系統(tǒng)角度和受益者角度得出的土壤保持服務(wù)格局差異較大,前者主要分布于土壤保持服務(wù)供給能力較強(qiáng)的地區(qū),后者則主要集中于受益人口較多的地區(qū),評(píng)估中需要將生態(tài)系統(tǒng)和受益者相結(jié)合,全面識(shí)別土壤保持重要區(qū)域；(3)綜合生態(tài)系統(tǒng)角度和受益者角度,洞庭湖流域土壤保持重要區(qū)域面積3.28萬(wàn)km2,主要分布于西部的武陵山、雪峰山,南部的南嶺山脈、陽(yáng)明山以及東部的羅霄山脈、幕連九山脈等山地區(qū)。研究強(qiáng)調(diào)了將受益者納入土壤保持服務(wù)評(píng)估的必要性,揭示了洞庭湖流域土壤保持重要區(qū)域,可為流域水土保持和生態(tài)保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持,為提升土壤保持服務(wù)對(duì)人類福祉的支撐作用提供參考。