內蒙古錫林河流域草地生態系統土壤保持功能及其空間分布

張雪峰，牛建明，2*，張 慶，董建軍，張 靖，3

（1．內蒙古大學生命科學學院，內蒙古呼和浩特010021；2．內蒙古大學中美生態、能源與可持續性科學研究中心，內蒙古呼和浩特010021；3．大連民族學院環境與資源學院，遼寧大連116600）

內蒙古錫林河流域草地生態系統土壤保持功能及其空間分布

張雪峰1，牛建明1，2*，張 慶1，董建軍1，張 靖1，3

（1．內蒙古大學生命科學學院，內蒙古呼和浩特010021；2．內蒙古大學中美生態、能源與可持續性科學研究中心，內蒙古呼和浩特010021；3．大連民族學院環境與資源學院，遼寧大連116600）

草地生態系統是陸地表面最大的生態系統類型，其土壤保持功能對于維持敏感而脆弱的草地生態系統服務具有重要意義。在遙感和GIS技術支持下，采用改進的通用土壤流失方程（RUSLE）對內蒙古錫林河流域的土壤保持功能及其空間分布特征進行了研究。結果表明，全流域年土壤保持總量為1．65×108t／a，單位面積土壤保持量為168．18 t／hm2；流域土壤保持功能從上游至下游呈遞減趨勢；草甸草原的土壤保持功能最高，農田和典型草原其次，沙地植被和草甸最差；草地生態系統的土壤保持功能隨植被覆蓋度的增加呈非線性增長。可見，提高草地植被覆蓋度，保持典型草原生態系統的結構與功能的完整性，有助于維持錫林河流域草地生態系統服務和區域生態安全。

草地生態系統服務；土壤保持功能；土壤侵蝕；錫林河流域

草地生態系統服務是指草地生態系統結構與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的環境條件與效用［1］。草地生態系統是陸地表面最大的生態系統類型，約占陸地總面積的20%，在陸地生態系統中占有極其重要的地位［2-3］。草地生態系統為人類提供肉類、奶類和毛皮制品等供給服務的同時，還提供防風固沙、涵養水源、保持土壤、調節氣候和保護生物多樣性等調節和支持服務［4-6］。當前，由于人類對草地生態系統供給服務的過分追逐導致了如草地生態系統退化、物種多樣性減少、水土流失等一系列生態環境問題。因此，評價草地生態系統服務，對于制定區域生態保護和草地資源持續利用具有重要意義。

土壤保持功能是草地生態系統服務中一項重要的調節服務，近年來日益受到重視。由于在區域尺度上獲取土壤侵蝕數據難度較大，目前多基于土壤流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）對區域土壤保持功能和價值進行研究與評價。許多學者分別對我國的海南島、青藏高原和黃土高原等區域的生態系統土壤保持功能空間分布及經濟價值進行了評估［7-11］，提高了人們對土壤保持功能及其價值的認識。近幾年，由于生態系統服務的研究熱點逐漸轉向其相互作用機理和指標模型［12］，因而，生態系統土壤保持功能的研究也開始重視其空間定量化。陳龍等［13］在區域尺度上應用改進的通用土壤流失方程（Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE）對瀾滄江流域生態系統的土壤保持功能及其空間分布進行了分析，取得了良好的效果；潘影等［14］在研究涇河流域生態系統服務相互關系時，得出土壤保持服務與糧食供給服務呈極顯著負相關的結論；Wu等［15］在對北京周邊土壤保持等五項景觀服務空間定量化的同時，對其相互關系也進行了分析，結果顯示土壤保持服務與生境保護服務存在極顯著正相關性。這些研究都證實了土壤保持功能和價值在生態系統服務中的重要性。就草地生態系統而言，前人大多注重對草地生態系統土壤保持功能價值量的估算，而對其物質量的估算以及空間分布特征的分析研究存在不足［16-18］。本文在生態系統服務理論指導下，采用國際上應用廣泛的改進通用土壤流失方程（RUSLE）和GIS技術，以內蒙古錫林河流域為對象，通過測算該區域草地生態系統的土壤保持量，分析不同草地植被類型及植被覆蓋度對土壤保持功能的影響，試圖闡明天然草地生態系統土壤保持功能與空間分布特征，旨在為錫林河流域草地生態系統服務評價和生態環境保護提供科學依據。

1 材料與方法

1．1 研究區概況

錫林河流域地處內蒙古高原東部（43°26′－44°39′N，115°32′－117°12′E），流域總面積約9786 km2（圖1）［19］。流域地勢東南高西北低，東南部錫林河上游，最高處海拔為1505．6 m，西北部錫林河下游，最低處為902 m。本區氣候屬于大陸性溫帶半干旱氣候，夏季較為暖濕，冬季寒冷干燥。年平均氣溫0℃左右，年平均降水量約350 mm，主要集中于6－8月［20］。本區土壤類型由東南向西北呈現出有規律的更替分布，即黑鈣土帶－暗栗鈣土亞帶－淡栗鈣土亞帶［20-21］。流域內植被以典型草原為主，約占植被總面積的78%，草甸草原也有分布。從空間上看，錫林河上游主要為貝加爾針茅（Stipa baicalensis）草原和線葉菊（Filifolium sibiricum）草原，中游為羊草（Leymus chinensis）草原和大針茅（S.grandis）草原，下游為克氏針茅（S.krylovii）草原和冷蒿（Artemisia frigida）草原。此外，境內還有沙地的分布［19，22］。

1．2 數據來源

錫林河流域年均降水量數據和月均降水量數據都來源于World Clim網站（http：／／worldclim．org）；錫林河流域土壤圖（1∶20萬）及土壤數據源于中國科學院植物研究所內蒙古草原生態系統定位研究站所測量的數據；DEM數據來自ASTER衛星圖像的30 m×30 m數字高程模型；NDVI數據源于經過輻射定標、大氣校正和幾何校正的流域兩景Landsat TM圖像（2011年8月2日）。根據2009－2011年對錫林河流域進行野外植被調查時在127個樣地采集的270個樣方數據，建立錫林河流域植被分類系統（表1）和解譯標志；使用eCognition 8軟件對流域Landsat TM圖像進行多尺度分割，經ArcGIS人機交互解譯獲得錫林河流域植被類型的空間分布。

1．3 研究方法

1．3．1 土壤保持量的計算 土壤保持功能可以用土壤保持量表示。采用廣泛應用的RUSLE分別估算了錫林河流域現實土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量。二者之差即為土壤保持量。da

潛在土壤侵蝕量是指假設無植被覆蓋和水土保持措施時土壤的侵蝕量。不考慮地表覆蓋因子和土壤保持措施因子，即C＝1，P＝1，此時，RUSLE的計算公式為：

現實土壤侵蝕量考慮了地表覆蓋因子和土壤保持措施因子，其計算公式為：

由式（1）和（2），可計算土壤保持量為：

式中，Ap為潛在土壤侵蝕量（t／hm2·a）；Ar為現實土壤侵蝕量（t／hm2·a）；Ac為土壤保持量（t／hm2·a）；R是降雨侵蝕力因子（MJ·mm／hm2·h·a）；K是土壤可蝕性因子（t·hm2·h／MJ·hm2·mm）；LS分別是坡長和坡度因子，無量綱；C為植被覆蓋和經營管理因子，無量綱；P為土壤保持措施因子，無量綱。各因子統一柵格單元為30 m×30 m，利用ENVI 4．7和ArcGIS 10．0軟件計算和分析。各因子所采用的計算方法如下。

1．3．2 降雨侵蝕力因子（R） 降雨侵蝕力因子反映的是由降雨引起土壤潛在侵蝕能力的大小，是導致土壤侵蝕的首要因子。本文采用Wischmeier和Smith［23］提出的月尺度公式，對Hijmans等［24］建立的全球降雨量柵格數據進行計算，以獲取降雨侵蝕力因子數據。

1．3．3 土壤可蝕性因子（K） 土壤可蝕性因子K是用來反映在坡面降雨過程中土壤性狀對土壤流失量的影響，是指標準小區上單位降雨侵蝕力所引起的土壤流失率［25］。在流域尺度上，只需要土壤的顆粒組成和有機碳數據，先在MATLAB軟件中完成土壤粒徑轉換［26］，再利用Sharpley和Williams［27］建立的土壤可蝕性因子K值的估算方法，完成土壤可蝕性因子K的空間化。

1．3．4 坡長坡度因子（LS） 坡長坡度因子也稱地形因子，可以反映地形地貌特征對土壤侵蝕的作用。在流域尺度上，可以通過數字高程模型（DEM）來計算LS。本文采用Van Remortel等［28］開發的計算坡度和坡長的模型從DEM中提取LS因子。

1．3．5 植被覆蓋和經營管理因子（C） 植被覆蓋和經營管理因子C是指在其他條件相同的情況下，有植被覆蓋或田間管理的土地土壤流失量與同等條件下裸地土壤流失量的比值，反映植被覆蓋和田間管理措施對土壤侵蝕的影響，與土壤侵蝕量呈反比，對土壤侵蝕起抑制作用，其值介于0～1之間。由于C值與植被覆蓋度之間具有良好的相關性，因此，本文利用NDVI值計算出流域內覆蓋度，然后根據蔡崇法等［29］建立的覆蓋度與C值的關系來計算。

1．3．6 土壤保持措施因子（P） 土壤保持措施因子P是指采取特定土壤保持措施下的坡地土壤流失量與相應未實施任何土壤保持措施的土壤流失量的比值，它反映的是水土保持措施對于土壤侵蝕的抑制作用。本文參考相關學者的研究結果結合當地的實際情況對P因子進行賦值［30］。耕地、建設用地、城鎮及居民點、水域的P值分別為0．4，0．2，0，0，其余土地利用方式基本上沒有采取土壤保持措施，因此取值為1。

2 結果與分析

2．1 錫林河流域土壤保持功能各因子空間分布

按照上述研究方法計算得出各因子的空間分布（圖2）。可見，降雨侵蝕力因子從東南向西北方向逐漸減小（圖2a）；土壤可蝕性因子在區域上沿錫林河兩岸向外逐漸增大（圖2b）；坡長坡度因子總體上無明顯變化特征（圖2c）；植被覆蓋和管理因子與降雨侵蝕力因子的變化趨勢相反，沿錫林河上游到下游逐漸變高（圖2d）；土壤保持措施因子在流域中游地區變化較大，上游和下游基本沒有變化（圖2e）。

2．2 錫林河流域土壤保持功能空間分布

將錫林河流域土壤保持功能各因子代入改進的通用土壤流失方程中，計算得到流域土壤保持功能空間分布（圖3）。結果顯示，錫林河流域土壤保持總量為1．65×108t／a，單位面積土壤保持量為168．18 t／hm2。根據子流域的統計結果（表2），錫林河流域上游的土壤保持總量為81．61×106t／a，占全流域總土壤保持量的49．58%，遠高于中游和下游。單位面積土壤保持量從上游到下游呈遞減趨勢（圖3）。其中，上游的單位面積土壤保持量達到289．60 t／hm2，是中游和下游單位面積土壤保持量的近兩倍。

2．3 不同類型草地植被的土壤保持功能

在錫林河流域各植被類型中，典型草原和草甸草原的土壤保持總量貢獻最大，達到82．79%（表3）。其中，典型草原的土壤保持量為123．19×106t／a，占土壤保持總量的74．84%；其次為草甸草原，為13．09× 106t／a，占土壤保持總量的7．95%。不同草地植被類型土壤保持功能由強到弱依次為草甸草原＞農田＞典型草原＞沙地植被＞草甸＞其他。其中，草甸草原的單位面積土壤保持量最高，為670．15 t／hm2，其次為農田和典型草原，分別為308．76和160．04 t／hm2。

從圖4中可以看出，克氏針茅草原的土壤保持量最高，為63．49×106t／a，占土壤保持總量的38．57%，其次為大針茅草原和羊草草原，分別為28．74×106t／a和22．76×106t／a，分別占土壤保持總量的17．47%和13．77%。單位面積土壤保持量以中生雜類草草甸草原最高，達到670．15 t／hm2，其次為羊草草原，為466．71t／hm2。此外，農田也具有一定的土壤保持能力，為308．76 t／hm2，高于大針茅草原和克氏針茅草原等其他草地植被類型。

總體來看，錫林河流域草地生態系統的土壤保持能力較強，但草地生態系統內部土壤保持功能差距明顯。典型草原是流域草地生態系統的主體，占流域總面積的78．65%，但其單位面積土壤保持量卻只有草甸草原的1／4。因此，提高典型草原的單位面積土壤保持能力成為流域土壤侵蝕防治的重要措施。典型草原內部土壤保持能力差異較大，羊草草原單位面積土壤保持量是大針茅草原的近2倍，大針茅草原單位面積土壤保持量是克氏針茅草原的近2倍。引起這種差異的原因可能是流域典型草原的退化和人類高強度放牧利用［31-35］。

2．4 植被覆蓋度對草地生態系統土壤保持功能的影響

錫林河流域的氣候、地形地貌、土壤質地、草地生態系統結構和功能等因素都對流域草地生態系統的土壤保持功能有著重要的影響，植被覆蓋度尤為重要，兩者具有非常顯著的相關性（圖5）。整體上看，錫林河流域草地生態系統土壤保持功能隨植被蓋度的增加呈非線性增長。當植被覆蓋度小于35%時，單位面積土壤保持量隨植被覆蓋度的增大而緩慢增加；當植被覆蓋度維持在35%～70%之間時，草地生態系統的單位面積土壤保持量隨植被覆蓋度的增加而基本維持在100 t／hm2左右；當植被覆蓋度大于70%時，土壤保持功能隨植被覆蓋度的增加而急劇增大。因此，大幅度地增加植被覆蓋度有利于提高草地生態系統土壤保持功能，促進生態系統服務的維持與發揮。

3 討論

錫林河流域草地生態系統具有很強的土壤保持能力。研究結果顯示，本區草地生態系統土壤保持量與青藏高原草地生態系統的平均單位面積土壤保持量相當，低于瀾滄江流域，而大于海南島［7-8，10，13］。與青藏高原草地生態系統土壤保持相當的主要原因是錫林河流域地處蒙古高原，兩者都以草地生態系統為主，生態系統的結構具有一定的相似性；小于瀾滄江流域的原因可能是本流域年平均降水量較低，地形起伏較小，生態系統的結構較西南地區簡單，潛在土壤侵蝕量普遍較西南地區低；大于海南島的原因是海南地處熱帶地區，以熱帶雨林生態系統為主，但降水量豐富，地形復雜，現實土壤侵蝕量大，因而土壤保持功能相對較低。可見，內蒙古溫帶草原區的土壤保持功能在內蒙古乃至國家北方生態屏障建設中具有相當重要的地位。從土壤保持的機制來看，植被覆蓋和經營管理因子是本區土壤保持的重要因素之一。土壤保持功能受綜合因素影響，但植被通過改變地表粗糙度、地表水分環境和各種動力場的時空變化來減弱土壤侵蝕動力強度，從而起到土壤保持的作用［36］。在RUSLE模型的各因子中，從流域尺度上看，降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度和坡長因子，在一定時間內可以認為相對穩定，草地也未采取任何土壤保持措施，只有植被覆蓋和經營管理因子易受到人類活動的干擾，使植被覆蓋度、植物群落組成和植被結構發生改變，而對流域土壤保持造成影響。因此，實際工作中，可依據土壤保持的機制，因地制宜，采取有針對性的防治措施來提高研究區的土壤保持能力。

錫林河流域上游的土壤保持功能對于全流域草地生態系統服務和生態安全都起到非常重要的作用。從其草地生態系統土壤保持功能的空間特征來看，土壤保持功能從上游到下游呈下降趨勢。其中，上游的土壤保持量占流域總土壤保持量的49．58%，遠高于中游和下游。從植被分布上看，錫林河上游主要分布著大針茅草原和羊草草原，這些植被類型一旦遭到破壞，土壤侵蝕將會劇增，從而嚴重削弱錫林河流域草地生態系統服務。另一方面，錫林河流域上游是聯合國教科文組織認定的國際生物保護區的核心區，因此，著重對錫林河流域上游草地生態系統結構與功能的保護，有利于全流域草地生態系統服務的維持和可持續利用。

增加植被覆蓋度是該區域控制土壤侵蝕，提高生態系統土壤保持功能的有效途徑之一。研究發現，草地生態系統土壤保持功能隨植被覆蓋度的增加呈現非線性增長的趨勢，當草原群落植被的覆蓋度在70%～80%之間時，其平均單位面積土壤保持量可達到160．04 t／hm2，可見提高植被覆蓋度可以顯著提升草地生態系統土壤保持能力。另一方面，加強退化草地生態系統的恢復對于提高流域生態系統土壤保持功能也具有重要作用。研究表明，草地生態系統的結構對于土壤保持功能影響顯著，草地退化以后，其單位面積土壤保持量明顯降低，以典型草原為例，克氏針茅草原單位面積土壤保持量明顯低于大針茅草原和羊草草原。然而從圖4可知，克氏針茅草原的土壤保持量在流域占有重要地位，是該區域土壤保持總量的38．57%，究其原因，主要是由于其分布面積最大所導致的。可見，合理地保護與利用不同類型的草地資源，加快流域退化草地生態系統的恢復進程，有助于改善草地生態系統的結構，加強土壤保持功能。總之，就生態系統土壤保持功能而言，當前牧區推行的草畜平衡、休牧禁牧、生態補償獎勵機制等政策與措施，均能夠從提高植被覆蓋度和改善群落結構兩個方面增強草原生態系統的土壤保持能力，因此對于錫林河流域生態系統服務的維持乃至區域生態安全都至關重要［37］。

在土壤保持功能計算過程中尚存在一些不足：首先，各因子初始數據精度不一致，可能會產生誤差。其次，各因子計算過程中產生的誤差，如計算降雨侵蝕力因子時，對降水量空間數據產品進行重采樣，數據精度有限；計算土壤可蝕性因子時，采用前人的土壤顆粒組成和有機碳數據成果［21］，數據現勢性不強。盡管存在上述問題，估算結果也有待于進一步驗證。但在區域尺度上開展土壤保持功能研究時，應用RUSLE模型、GIS和遙感技術，仍然是一種可行而有效的技術途徑［13］。

4 結論

研究表明，內蒙古錫林河流域草地生態系統具有很強的土壤保持能力，但土壤保持功能空間差異性明顯。從錫林河上游到下游土壤保持能力呈下降趨勢。其中，東南部上游土壤保持功能較強，西北部下游土壤保持功能較弱。流域內不同類型草地植被的土壤保持功能差異顯著，草甸草原的土壤保持功能最高，農田和典型草原次之，沙地植被和草甸最差。增加植被覆蓋度是提高流域土壤保持功能的有效途徑之一。下一步針對當前存在估算數據精度不一致以及結果驗證問題，一方面，加強相關數據的收集，提高初始數據精度；另一方面，加強實測數據監測，為驗證估算結果提供依據，使其能更科學的對流域草地生態系統土壤保持功能進行評估。

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Soil conservation function and its spatial distribution of grassland ecosystems in Xilin River Basin，Inner Mongolia

ZHANG Xuefeng1，NIU Jianming1，2*，ZHANG Qing1，DONG Jianjun1，ZHANG Jing1，3
1.College of Life Sciences，Inner Mongolia University，Hohhot 010021，China；2.Sino-US Center for Conservation，Energy，and Sustainability Science，Inner Mongolia University，Hohhot 010021，China；3.College of Environment and Resources，Dalian Nationalities University，Dalian 116600，China

Grasslands represent the most extensive ecosystems on earth．Soil conservation is vital for maintaining grassland ecosystem services．Using RS and GIS technologies，the soil conservation function and its spatial distribution characteristics in grassland ecosystems of the Xilin River Basin，Inner Mongolia，China，are assessed using the RUSLE model．The results show that the quantity of soil conserved was 168．18 t／ha，and 1．65×108t／a across the whole basin．The spatial variation of soil conservation capability reveals a declining trend from upper to lower catchment areas．The meadow steppe had the highest soil conservation capability，followed by farmland and typical steppe；sandy soils had the poorest capability．The soil conservation capability of grassland ecosystems increased non-linearly with increasing vegetation coverage．Sustaining grassland ecosystem services in the Xilin River Basin can be achieved by increasing vegetation coverage，while maintaining the structure and function of the typical steppe．

grassland ecosystem services；soil conservation function；soil erosion；Xilin River Basin

10．11686／cyxb20150103 http：／／cyxb．lzu．edu．cn

張雪峰，牛建明，張慶，董建軍，張靖．內蒙古錫林河流域草地生態系統土壤保持功能及其空間分布．草業學報，2015，24（1）：12-20．

Zhang X F，Niu J M，Zhang Q，Dong JJ，Zhang J．Soil conservation function and its spatial distribution of grassland ecosystems in Xilin River Basin，Inner Mongolia．Acta Prataculturae Sinica，2015，24（1）：12-20．

2013-12-18；改回日期：2014-02-25

國家重點基礎研究發展計劃（973）項目（2012CB722201），國家科技支撐計劃課題（2011BAC07B01），國家自然科學基金（31060320）和現代農業產業技術體系建設專項資金資助。

張雪峰（1983-），男，內蒙古包頭人，在讀博士。E-mail：xfzhang2003＠163．com *通訊作者Corresponding author．E-mail：jmniu2005＠163．com