大理河流域退耕還林工程對生態系統服務功能的影響

楊殊桐, 時 鵬, 李占斌,2, 李 鵬, 張 祎, 鐘少華

(1.西安理工大學, 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室, 西安 710048;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

我國是世界上水土流失最嚴重的國家，黃土高原是我國水土流失最嚴重的地區[1]，也是我國水土保持和生態建設的重點區域。黃土高原植被稀少、土壤疏松、夏季多暴雨，嚴重的水土流失帶走了地表土壤，同時向黃河中下游輸送了大量泥沙，使河道整治和防洪工作愈加困難。而實施退耕還林工程是從保護和改善生態環境的角度出發，防止黃土高原地區水土流失，改善當地生態環境的有效途徑[2]。因此，20世紀80年代以后，國家先后開展了一系列生態工程，對土壤侵蝕控制、生態建設等均起到了良好作用[3]。

在我國退耕還林工程實施后，專家學者們對各個地區的生態服務功能進行了探索，并得出許多成果。張琨等[4]通過分析黃土高原典型區土地利用變化，對其各項生態服務功能進行定量評估；李屹峰等[5]通過研究密云水庫流域土地利用變化對生態系統服務功能的影響，得出研究期內土壤保持功能和固碳服務分別增加了46%和19%；陳海鵬等[6]對云南小江流域生態系統碳儲量進行了評估；胡勝等[7]通過InVEST模型，研究無定河的源頭營盤山庫區的土壤保持能力及其空間格局特征；李天宏等[8]以延河流域為研究區，采用RUSLE模型計算逐年土壤侵蝕量；包玉斌等[9]基于InVEST水源涵養功能評價模塊，定量評價陜北黃土高原退耕還林工程背景下土地利用/土地覆被變化對研究區水源涵養的影響；余新曉等[10]應用InVEST模型評估了北京山區森林生態系統的水源涵養功能。

但是，基于大理河流域土地利用變化進行的生態服務功能研究還比較罕見，因此本文以黃土高原中部的大理河流域作為研究區。大理河是黃河支流無定河的最大支流，20世紀80年代初，大理河流域已被列為無定河重點治理區，其治理措施主要有造林、種草、修建梯田、淤地壩和水庫等水利水保措施，治理面積約667.8 km2，占流域總面積的17.1%。水土保持措施實施以后，流域內生態環境狀況明顯改善，攔蓄了大量泥沙，減少了水土流失量。隨著退耕還林工程的進一步實施，在大理河流域基于土地利用變化進行生態服務功能綜合評價，對了解黃土高原地區生態服務功能的變化具有參考價值，為該區域未來科學地推進退耕還林工作提供科學參考。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

大理河流域位于陜西省北部，榆林地區南部，地處東經109°14′—110°13′，北緯37°30′—37°56′[11]。大理河發源于靖邊縣中部白于山東延的五臺山南側喬溝灣，東南流經橫山縣、子洲縣、綏德縣，在綏德縣城東北部注入無定河，是無定河的最大支流，全長159.9 km，在行政區劃上涉及靖邊縣、安塞縣、子長縣、橫山縣、米脂縣、綏德縣、子洲縣7個縣，2010年末7個縣總人口203.16萬人。流域總面積3 904.24 km2，占無定河流域總面積的12.9%，陜西省總面積的1.2%，主要有小理河、岔巴溝、駝耳巷溝、槐樹岔溝等11條支流。該流域屬于暖溫帶半干旱的大陸性季風氣候，植被較稀疏，氣候較干燥，年均降水量約420 mm。流域土壤類型以黃綿土、新積土為主，整體地勢西高東低，地形起伏較大，海拔高程796～1 744 m。

1.2 數據分析

1.2.1 土地利用數據 本研究土地利用/土地覆被數據分1980年、1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年7期，研究區土地利用/土地覆被情況，由大理河流域遙感影像資料進行解譯分析而來，各期影像資料空間分辨率均為30 m×30 m。

1.2.2 碳儲量 InVEST碳儲量服務功能評價包括4個方面碳儲量。計算公式如下[9]：

Cstored=Cabove+Cbelow+Cdead+Csoil

(1)

式中：Cstored為流域總碳儲量(t/hm2)；Cabove為地上物質碳儲量(t/hm2)；Cbelow為地下物質碳儲量(t/hm2)；Cdead為凋落物碳儲量(t/hm2)；Csoil為土壤碳儲量(t/hm2)。

InVEST碳儲存模型所需數據包括土地利用/土地覆被類型圖，以及研究區4個部分碳密度值。計算4個部分碳儲量參數(表1)根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》轉化計算獲得。

表1 不同土地利用類型碳儲量參數 t/hm2

1.2.3 土壤保持 InVEST模型中土壤保持評估方法對傳統的土壤流失方程進行了改進，能夠對生態系統中的土壤保持量和土壤侵蝕量進行量化，本論文首先計算土壤潛在侵蝕量，具體計算公式如下[12]：

RKLS=R×K×L×S

(2)

式中：RKLS表示土壤潛在侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為坡長坡度因子。

然后，根據土壤流失方程(USLE)計算得出研究區土壤實際侵蝕量計算公式如下：

USLE=R×K×L×S×C×P

(3)

式中：USLE表示土壤實際侵蝕量；C為覆蓋與管理因子；P為土壤保持措施因子。

土壤保持量即是由土壤潛在侵蝕量(RKLS)減去土壤實際侵蝕量(USLE)得到。

本研究降雨侵蝕力因子通過流域內各水文站點獲得的降雨數據，利用降雨侵蝕力數據進行整理計算，結果通過克里金插值法獲得；土壤可蝕性數據通過流域內土壤質地和有機質含量計算獲得；植被覆蓋與管理因子[13]由植被利用覆蓋度計算得到；管理措施因子從文獻[14]中查得。

表2 不同土地利用類型C值

表3 不同土地利用類型P值

1.2.4 水源涵養 InVEST水源涵養模型通過水循環原理，利用降雨、地面蒸發、植物蒸騰等參數經過模型計算獲得產水量，再用地形指數、土壤飽和導水率和流速系數等進行修正得到水源涵養量[9]：

(4)

式中：R為水源涵養量(mm)；V為流速系數；T為地形指數，無量綱；K為土壤飽和導水率(cm/d)；Y為產水量。降雨量數據由大理河流域及其周邊57個水文站各年平均降雨量利用克里金插值法獲得；潛在蒸散量[15-16]通過陜西省各縣各年的潛在蒸散量數據獲得研究區的年均蒸散量空間分布數據；植物可利用含水率[17]通過土壤質地計算獲得；最大根系深度[18-19]根據植被覆蓋類型查閱相關文獻獲得。

2 結果與分析

2.1 大理河流域土地利用時空演變

2.1.1 土地利用/土地覆被數量變化分析 研究區

耕地所占面積比重最大(約53%)，草地和林地次之，水域和建設用地面積很小，其中耕地與草地面積之和占總面積的90%以上(表4)。1980—2010年，林地與建設用地面積均有不同程度的增加，其中林地面積增加31.52 km2，增幅最大；建設用地增加約0.65 km2。耕地、草地以及水域面積有不同程度的減少，耕地減少2.49 km2；草地減少約27 km2；水域約減少2.36 km2。在1995—2000年和2005—2010年，出現了兩次耕地面積略有增加的現象，是由于研究區水土流失十分嚴重，為了攔截泥沙、保持水土，自20世紀80年代以來，黃土高原地區建造了大量淤地壩，用以淤地造田、增產糧食、加快當地群眾脫貧致富[20]。分析以上數據變化，得出大理河流域30年來退耕還林頗有成果，耕地面積略有下降，林地面積有所增加。

2.1.2 土地利用/土地覆被空間轉移變化分析 土地利用/植被覆蓋轉移矩陣是在系統分析中對于系統狀態及其轉移的定量描述，有助于研究者們了解各類型土地的去向[12]，便于分析研究期間各類型土地面積的相互轉化情況。

表4 大理河流域各年土地利用情況

表5為研究區土地利用/土地覆被轉移矩陣，1980—2010年大理河流域土地利用類型的轉變顯著，除了水域和建設用地之間從沒有相互轉化外，各個土地利用類型之間都有不同程度的相互轉移變化。林地面積增加最為明顯，且基本都來源于耕地和草地；有19.01 km2的耕地轉移為林地，31.49 km2的草地轉移為林地，0.23 km2的水域轉移為林地，轉移變化的結果是林地面積大幅度增加，共約31.52 km2，退耕還林工作效果顯著。同時，有0.51 km2的水域轉移為耕地，有2.69 km2的水域轉移為草地，0.66 km2的耕地轉移成為了建設用地，水域和建設用地所占面積比例較小，且30年間水域和建設用地之間從沒有相互轉化，這也比較符合現實情況。

表5 研究區1980-2010年土地利用/土地覆被轉移矩陣 km2

2.2 大理河流域碳儲量功能評估

運行InVEST碳儲存模型，并將其輸出結果通過空間統計工具對各類土地利用/土地覆被類型碳儲存量進行分析(表6)。結果顯示，研究區的碳儲存量呈穩定增長趨勢。

研究期內，研究區碳儲存量值略有增加，2010年總碳儲量值比1980年增加2萬t，林地面積不到全流域的7%，碳儲量值從1980年的25.68萬t增長到2010年的29.11萬t，占整個流域碳儲存量的14%～19%，體現了林地對于生態系統固碳的重要意義。而草地的碳儲量略有減少，約為1.4萬t，主要由于草地面積略有減少；耕地、水域和建設用地建設用地的碳儲存量變化并不明顯。碳儲存能力從大到小分別為林地、草地、耕地。

InVEST碳儲存模型不僅能夠得出各土地利用/土地覆被類型的碳儲存量，同時也輸出了研究區各年的碳儲存量的空間分布情況(圖1)。將碳儲存量的空間分布情況與土地利用/土地覆被類型進行對比，可以看出固碳量較大的區域與林地基本相吻合，水域和建設用地基本沒有固碳量。林地各年的碳儲存量均十分可觀，遠大于其他土地利用類型，草地與耕地次之。

表6 研究區各土地利用類型碳儲存量

2.3 大理河流域土壤保持功能評估

表7為研究區各土地利用類型土壤保持量情況，研究期內，不同土地利用/土地覆被類型的土壤保持量不同，其中林地各年土壤保持量約占整個流域土壤保持量的50%～60%，體現了林地對于生態系統土壤保持的重要意義；此外，草地在研究期內的土壤保持量增加明顯；耕地在研究期內各年的土壤保持能力明顯低于林地和草地。土壤保持量的增加，說明了土壤侵蝕流失量的減少，即水土流失情況得到有效治理。表現了退耕還林工作的實施對研究區生態建設起到了積極推進作用。

大理河流域各年土壤保持量的空間分布情況(圖2)。分析研究區各年土壤保持量分布圖，可以看出，土壤保持量的分布十分不均勻，不僅與土地利用類型相關，還有一定的地域性因素，并且與當年降雨侵蝕力等因素有關。從圖2中可以看出，1980年流域下游的土壤保持量明顯高于上游，1985年流域土壤保持量較為均衡，1990年橫山縣西北部的土壤保持密度在整個流域內最大，1995年流域下游的土壤保持量整體高于流域上游，2000年流域土壤保持量的分布較為雜亂，2005年流域上游的土壤保持量又整體高于流域下游區域，2010年流域中部的土壤保持量較小。與此同時，林地的土壤保持量遠高于其他土地利用類型。

表7 研究區各土地利用類型土壤保持量

2.4 大理河流域水源涵養時空變化

表8為研究區各土地利用類型水源涵養量情況，可以看出，研究期內不同土地利用/土地覆被類型的水源涵養量各不相同，且除建設用地外均有不同程度的減少趨勢。在林地面積整體增加的情況下，研究區水源涵養總量略有減小，說明了退耕還林工程在恢復研究區植被的同時，增加了其地面蒸散量，使得水源涵養量減少。

表8 研究區各土地利用類型水源涵養量

圖3為大理河流域各年水源涵養量的空間分布情況。分析可得，水源涵養量的分布取決于許多因素，不僅與土地利用類型、地域性等因素有關，還取決于當年降雨量、蒸散量等因素。

從圖3中可以看出，1980年流域下游的水源涵養量略高于流域上游，而1985年流域的水源涵養量整體較為均衡，1990年橫山縣西北部的水源涵養深度在整個流域內最大，與流域土壤保持情況相一致，1995年流域下游的水源涵養量整體高于流域上游，2000年整個流域的水源涵養量較為均衡，2005年流域上游的水源涵養量又整體高于流域下游區域，2010年橫山縣的水源涵養深度在整個流域內最小，可以明顯得出，研究區水源涵養量與降雨量呈正相關關系。

圖1研究區碳儲存變化格局空間分布

圖2 研究區土壤保持變化格局空間分布

圖3 研究區水源涵養變化格局空間分布

3 討 論

隨著退耕還林政策的實施，大理河流域的土地利用情況發生了顯著改變，林地與建設用地面積增加，耕地、草地以及水域面積減少。1980—2010年，有19.01 km2的耕地轉移為林地，31.49 km2的草地轉移為林地，且整體上林地面積還是有不斷增加的趨勢，說明了退耕還林工程有效地促進了研究區的生態恢復。

研究區土地利用情況的改變，直接導致了其各項生態服務功能的變化。碳儲存功能的增強對于減少大氣的中CO2濃度，延緩全球變暖具有重要意義[21]，本研究中林地面積的大幅增加促使研究區的固碳量得到提升，與范建忠等[22]的研究結果一致。土壤保持量的提升直接表明水土流失情況得到有效治理，與亢偉[23]的研究結果一致。同時由于林地蒸散量大，流域內水資源供給跟隨林地面積的增加而略有減少[5]，即水源涵養量略有減少，這Su等[24]、包玉斌[9]的研究結果近似。

綜合來說，流域內林地面積的增加使流域生態得到了改善，但產水量的減少也不能忽視，因此，在未來推進退耕還林工作時應做好各個生態服務功能指標之間的權衡[25]以及人類發展與生態系統服務之間的權衡[26-27]，同時選擇合適的樹種對合適的區域進行改造，盡可能減小退耕還林工程對個別生態系統服務造成的損失。由于本研究中僅涉及3個生態系統服務功能指標，結果會具有一定程度的局限性。但依然可以體現出土地利用的轉變是各項生態服務變化的驅動因素，有助于為研究區土地利用科學管理決策提供參考。在日后的進一步研究中，應增加更多的生態系統服務功能進行綜合評估，使研究結果更加科學合理，貼近實際。

4 結 論

(1) 1980—2010年，研究區土地利用/土地覆被情況變化顯著，其中林地和建設用地面積分別增加了31.52 km2，0.65 km2，耕地、草地和水域的面積分別減少了2.49 km2，27.32 km2，2.36 km2；

(2) 研究區30年間碳儲量值略有增加，2010年總碳儲量值比1980年增加2萬t，林地的碳儲量增加最為明顯，30年間增加了約有4萬t，固碳效果顯著；不同土地利用類型碳儲存能力從大到小的排序分別為林地>草地>耕地。

(3) 研究區30年間土壤保持量整體上以增加為主，林地面積不到全流域的7%，其各年土壤保持量大約占整個流域的50%～60%，體現了林地對于生態系統土壤保持的重要意義；耕地土壤保持能力明顯低于林地和草地。

(4) 研究區30年間水源涵養量略有減少，不同土地利用/土地覆被類型的水源涵養量各有不同，且與當年降雨量關系密切。