四川省生態系統土壤保持功能空間特征及其影響因素

饒恩明,肖 燚

1 四川師范大學地理與資源科學學院,成都 610101 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085

土壤侵蝕是全球性環境問題之一,嚴重威脅國家與區域生態安全。一方面,嚴重的土壤侵蝕會導致侵蝕地土地資源破壞、生產力下降、糧食減產,威脅區域糧食安全[1]；另一方面,大量流失泥沙造成水環境污染、江河湖庫淤積、洪澇災害加劇,威脅下游城市安全[2-3]。據估計全球每年因土壤侵蝕而流失的土壤高達750億t(其中約2/3淤積于河流湖泊中),由此而喪失的耕地多達10萬km2[4]；三峽水庫(長江流域)自蓄水以來已淤積泥沙16.38億t,年均泥沙淤積量約為1.21億t[5]；小浪底水庫(黃河流域)僅2015年的淤積量則多達1.32億m3[5]。

土壤保持是生態系統通過其結構與過程減少由于降水所導致的土壤侵蝕的作用[6],是生態系統重要調節服務之一[7-8]。研究表明,近幾十年來黃土高原的輸沙量有所減少[9-10],90年代以前主要歸功于庫壩、梯田等工程措施,2000年以后隨著退耕還林還草工程的實施,植被措施成為土壤保持的主要貢獻者(占57%),且隨著庫壩等工程措施攔沙能力的逐漸下降,維持一個可持續的生態系統對于控制黃河泥沙具有更為重要的作用[11]。在人地關系緊張,發展與保護難以調和的當下,掌握區域生態系統土壤保持功能的空間格局,識別維持土壤保持功能的關鍵區域[12],對于協調人地關系、提高保護效率具有十分重要的理論和實踐指導意義。

四川省位于青藏高原東緣、長江流域上游,地勢起伏、山地面積大,降水豐沛且強度大,水土流失敏感性高[13],是我國水土流失嚴重的省區之一[14]；同時,四川省涉及我國兩大生態安全屏障區,即青藏高原生態屏障和黃土高原-川滇生態屏障,是長江上游生態屏障建設的戰略要地[14],是整個長江流域生態安全的重要保障[15]?？茖W評估四川省生態系統土壤保持功能現狀,揭示其空間分布格局以及影響因素,是實施生態屏障建設的重要基礎。本研究采用通用土壤流失方程(USLE, Universal Soil Loss Equation)和統計學方法,對四川省生態系統土壤保持功能展開評價和分析,從土壤保持功能角度揭示了保障四川省乃至整個長江流域生態安全的關鍵區域,研究結果可為四川省的生態保護和侵蝕控制提供科學依據。

1 研究區域

四川省位于中國西南,地處長江上游, 92°21′—108°12′E、26°03′—34°19′N之間,總面積48.6萬km2,轄21個市(州),183個縣(市、區)。區內地形復雜,山地、高原、丘陵、盆地、平原類型齊全,以山地和丘陵為主；地勢西高東低,高差懸殊,西部為高原、山地,東部為盆地、丘陵。東部四川盆地平均海拔500 m左右,屬亞熱帶濕潤季風氣候,年降水量900—1200 mm；西北部川西北高原,屬青藏高原東南一隅,平均海拔3000—5000 m,屬高寒氣候；西南部為橫斷山脈北段,山高谷深,山河相間,氣候植被垂直分帶特征明顯。

研究區土壤類型豐富,共包含24個土類、66個亞類,以高山草甸土、紫色土和亞高山草甸土分布面積最大,各占全省土壤總面積的19.29%、16.42%和10.30%[16]。生態系統類型以森林、草地和農田為主,各占研究區總面積的29.57%、24.23%和21.53%。其中,森林生態系統主要分布于四川盆地西緣以及川西南山地；草地生態系統主要集中在川西北高原；農田生態系統則主要分布于四川盆地(圖1)。

圖1 研究區生態系統類型分布Fig.1 Land cover distribution for study area

2 研究方法

2.1 土壤保持評價模型

以潛在土壤侵蝕與實際土壤侵蝕的差值來表征生態系統土壤保持功能。綜合考慮尺度、模型復雜性和數據可獲得性,土壤侵蝕量采用通用土壤流失方程(USLE)進行估算。模型形式如下：

潛在土壤侵蝕：SEp=R×K×LS

實際土壤侵蝕：SEa=R×K×LS×C

土壤保持：SC=SEp-SEa

式中,SEp和SEa分別表示潛在土壤侵蝕強度(t hm-2a-1)和實際土壤侵蝕強度(t hm-2a-1),SC表示土壤保持強度(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,本文中主要指生態系統保護土壤的作用。各參數計算及賦值方法參見文獻[17- 23]。

2.2 土壤保持重要性分級

受區域地形、氣候、土壤和植被等空間格局的影響,四川省生態系統土壤保持功能具有明顯的空間異質性。為明確不同地區生態系統土壤保持功能對區域生態安全的保障作用,進而辨識土壤保持重要區域,按其對區域生態安全的重要程度劃分為極重要、重要、中等重要、一般4個等級。

具體劃分步驟為：(1)基于土壤保持強度數據,計算各柵格土壤保持量在研究區土壤保持總量中所占比例；(2)按土壤保持強度從大到小排列,計算各柵格土壤保持累積比例；(3)土壤保持累積比例在0—50%之間的柵格對保持土壤極重要,介于50%—75%之間的為重要,介于75%—90%之間的為中等重要,介于90%—100%之間的重要性一般。

2.3 統計分析

土壤保持功能的空間格局是氣候、土壤、地形和植被幾大因素綜合作用的結果。為揭示區域尺度土壤保持空間差異的影響因素以及作用特征,采用逐步回歸方法進行分析,其中自變量取縣域尺度的降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子和植被覆蓋因子,因變量取縣域尺度的土壤保持強度。分析過程在SPSS 17.0中完成。

2.4 數據來源

本研究使用的數據主要包括：通過TM、ETM、MODIS等遙感影像解譯獲取的2015年四川省生態系統類型和植被覆蓋度；用于計算坡度、坡長的數字高程模型(SRTM, Shuttle Radar Topography Mission)；全國第二次土壤普查形成的土壤數據產品(土壤機械組成、土壤有機質含量)；通過日雨量模型計算得出的四川省及周邊氣象站點多年均降雨侵蝕力數據；四川省地級、縣級行政邊界數據(表1)。

3 結果與分析

3.1 土壤保持功能空間特征

3.1.1 總體特征

運用USLE模型運算得出,2015年四川省生態系統土壤保持總量為199.01億t,平均土壤保持強度(即單位面積土壤保持量)約409.43 t hm-2a-1?？臻g上,土壤保持強度較大的區域主要位于地形起伏明顯的盆周山地區,包括龍門山、邛崍山、大涼山和米倉山等,四川盆地以及川西北高原的土壤保持強度相對較小(圖2)。進一步基于土壤保持強度劃分土壤保持重要性,得出研究區土壤保持極重要區面積6.31萬km2,約占研究區總面積的12.99%；重要區面積7.19萬km2,約占總面積的14.79%(表2)。

表1 生態系統土壤保持功能評價及分析數據表

圖2 四川省生態系統土壤保持強度空間格局 Fig.2 The spatial pattern of soil conservation service in Sichuan Province

各類典型生態系統中,以森林生態系統土壤保持量最高(91.93億t),約占研究區土壤保持總量的46.19%；灌叢生態系統和農田生態系統次之,土壤保持量占比分別為21.66%和16.71%(表3)。各類生態系統的土壤保持強度差異較大,仍以森林生態系統和灌叢生態系統最高,分別為639.65 t hm-2a-1和485.54 t hm-2a-1(表3)。

3.1.2 地市分布

為明確各地市土壤保持功能狀況以及土壤保持重要區域的分布情況,通過分區統計對四川省21個地市的土壤保持強度以及土壤保持重要區域(極重要區和重要區)進行分析比較。結果表明,土壤保持強度以巴中、雅安、達州、廣元、攀枝花和樂山等地市較大(圖3),均高于600 t hm-2a-1；土壤保持總量則以3個民族自治州(甘孜州、阿壩州、涼山州)遙遙領先(圖3),合計約占研究區土壤保持總量的48.97%。

表2 四川省生態系統土壤保持重要性構成

表3 各類典型生態系統土壤保持功能狀況

圖3 四川省各地市土壤保持功能狀況(土壤保持強度)Fig.3 Soil conservation service (soil conservation intensity) in various prefecture-level cities

土壤保持極重要區以涼山州、阿壩州、甘孜州、雅安市、巴中市和達州市分布最多(圖4),其中涼山州分布的土壤保持極重要區面積約1.1萬km2,約占極重要區總面積的17.43%。土壤保持重要區則集中分布在甘孜州、阿壩州、涼山州(圖4),其中甘孜州的土壤保持重要區面積高達1.76萬km2,約占重要區總面積的24.28%。

圖4 四川省各地市土壤保持功能狀況(重要區域)Fig.4 Soil conservation service (importance for soil conservation) in various prefecture-level cities

3.2 土壤保持功能影響因素

土壤保持功能的空間格局是氣候、土壤、地形和植被幾大因素綜合作用的結果。逐步回歸分析表明,地形、氣候和土壤因素對研究區生態系統土壤保持功能具有顯著影響(P<0.01),其中地形因素和氣候因素貢獻較大,分別可解釋土壤保持空間變異的32.3%和38.3%,土壤因素的影響相對較小(方差貢獻率約5.1%)。相比之下,植被因素在該尺度上的影響不顯著(P<0.05)(表4)。

表4 逐步回歸分析結果

因變量為各縣平均土壤保持強度(SC_county,soil conservation capacity_county);LS_county：各縣平均地形因子,topographic factor_county；R_county：各縣平均降雨侵蝕力,rainfall erosivity factor_county；K_county：各縣平均土壤可蝕性,soil erodibility factor_county

4 討論

土壤保持是生態系統減少的土壤侵蝕,對保持土壤養分,防止土地退化,減輕河流泥沙淤積等具有重要作用。2015年四川省生態系統土壤保持總量為199.01億t,平均土壤保持強度約409.43 t hm-2a-1,遠高于全國平均水平(224.42 t hm-2a-1)[20],生態系統在抑制土壤侵蝕,保障三峽庫區乃至整個長江中下游地區生態安全方面發揮了重要作用。

受地形、氣候、土壤、植被等空間分異的影響,四川省生態系統土壤保持功能呈現高度空間異質性,土壤保持功能較強的區域主要分布于地形起伏明顯的盆周山地區,包括龍門山、邛崍山、大涼山和米倉山等。一方面,這些區域位于我國地勢一級階梯向二級階梯的過渡地帶,山高坡陡,地形變化劇烈,且構造活動頻繁[24]；另一方面,受太平洋季風、印度洋季風以及青藏高原阻擋影響,這一區域成為我國內陸地區降水最充沛的華西雨屏帶[25-26]。加之該區紫色土發育,可蝕性大[16,27],導致其潛在土壤侵蝕強度大,土壤侵蝕風險高。典型的亞熱帶濕潤季風氣候孕育了廣袤的森林生態系統,良好的植被覆蓋賦予其強大的土壤保持能力[28]。

根據保護目標的差異,土壤保持極重要區是維持50%的土壤保持功能需要保護的最小范圍,土壤保持極重要區與重要區之和是維持75%的土壤保持功能需要保護的最小范圍。重點生態功能區是承擔水源涵養、水土保持、生物多樣性維護等重要生態功能,維護區域生態安全,需要在國土空間開發中限制進行大規模高強度工業化城鎮化開發,以保持并提高生態產品供給能力的區域。根據《四川省主體功能區規劃》以及《四川省縣域經濟發展考核辦法(試行)》,四川省重點生態功能區涉及58個縣,面積31.9萬km2,約占四川省總面積的65.62%[15]。通過疊置分析,四川省土壤保持極重要區面積為6.31萬km2(約占土地總面積的12.99%),其中分布于重點生態功能區內的面積為3.54萬km2,保護比例約為56.01%；土壤保持重要區面積為7.19萬km2(約占土地總面積的14.79%),其中分布于重點生態功能區內的面積為4.85萬km2,保護比例約為67.55%?？傮w而言,半數以上的土壤保持重要區域得到了有效保護,但保護比例有待進一步提升。

農業用地向來被認為是侵蝕產沙的主要來源[29-30],據估計全球約3/4的土壤侵蝕來自農田[4],但它在為人類提供糧食、蔬菜、油料等農產品,保障區域糧食安全方面具有不可替代的作用[31]。作為中國四大盆地之一,四川盆地紫色土發育,鈣磷鉀等營養元素豐富,是我國最肥沃的自然土壤。盆地底部耕地連片,尤其是盆地西部的成都平原,為都江堰自流灌溉區,土地生產能力高,農業發達,是我國重要的商品糧基地[31]。研究表明,四川省農田生態系統的土壤保持量為33.25億噸,約占研究區土壤保持總量的16.71%,說明農田生態系統在為人類提供各種產品的同時,仍發揮了相當數量的土壤保持作用。進一步從農田分布的坡度組成分析得出,農田生態系統主要分布在緩坡地區(坡度≤5°的農田面積約占48.18%),但仍存在一定數量的陡坡耕地(坡度>15°的農田面積約占18.16%)；而土壤保持功能則主要由坡度>8°的農田提供(土壤保持量約占總量的77.63%),其中坡度>15°的農田土壤保持量約占農田土壤保持總量的48.71%(圖5)。這一方面說明,坡耕地具有相對較強的土壤保持能力和較大的潛在土壤侵蝕強度,頻繁的農業耕作活動使得坡耕地存在較高的土壤侵蝕風險,在確保區域糧食安全的前提下,應盡可能實現陡坡地退耕；另一方面,應進一步加強坡耕地的管理,并采取水土保持措施,降低農田土壤侵蝕的潛在威脅[27]。

圖5 農田生態系統及其土壤保持功能的坡度分布Fig.5 Cropland and its soil conservation service on various slopes

土壤侵蝕現象具有明顯的尺度效應[32],宏觀尺度上土壤侵蝕強度的空間分異主要受控于地帶性因素,同一自然地帶內則主要受控于非地帶性因素[33]。逐步回歸分析顯示,氣候因素和地形因素是影響研究區生態系統土壤保持功能的主要因素,土壤因素也表現出一定的影響,植被因素的作用則不顯著。這一方面說明生態系統土壤保持功能可能存在類似的尺度特征,四川省幅員面積廣,氣候、地形等宏觀因子的空間差異明顯,對區域土壤保持空間格局表現出明顯控制作用,植被因素或在局域尺度上發揮作用,此時氣候等宏觀因子的空間差異減小,作用降低,這可通過陜西省商洛市的相關研究結果得到印證[34]；另一方面則表明變量間可能存在多重共線性,植被本身是區域氣候、地形、土壤條件的產物,且植被因素對土壤保持功能的影響不僅與其自身的土壤保持能力有關,更受其所處環境條件即由氣候、地形、土壤決定的潛在土壤侵蝕影響[20],潛在土壤侵蝕越大,植被實際發揮的土壤保持作用越大。

5 結論

(1)2015年,四川省生態系統土壤保持總量為199.01億t,平均土壤保持強度約409.43 t hm-2a-1,生態系統在抑制土壤侵蝕,保障區域生態安全方面發揮了重要作用；

(2)森林和灌叢生態系統是研究區土壤保持功能的主體,而農田生態系統在為人類提供多種產品的同時,仍發揮了相當數量的土壤保持作用,但農業活動中需注意采取水土保持措施；

(3)空間上,土壤保持功能較強的區域主要位于地形起伏明顯的盆周山地區,以巴中市、雅安市、達州市、廣元市、攀枝花市、樂山市等地的平均土壤保持強度較高,以涼山州、阿壩州、甘孜州、雅安市、巴中市、達州市等地的土壤保持極重要區分布較廣；

(4)自然因素中,氣候和地形是影響研究區生態系統土壤保持功能的主要因素,土壤因素在區域尺度上也表現出一定的影響,植被因素則可能在局域尺度上發揮作用。