基于受益人口的洞庭湖流域生態系統土壤保持服務重要性格局

饒恩明,肖 燚,歐陽志云,孔令橋

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

生態系統服務是生態系統與生態過程所形成和維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用[1—2],生態系統服務受益者則是從生態系統產品和服務中受益的群體或個人[3],生態系統條件和過程只有對受益者產生效用才能成為服務[4—6]。近年來,生態系統服務研究強調了生態系統及其受益者之間空間連接的重要性[7]；但迄今為止,大多數評估都側重生態系統服務的供給[8—9],對受益者或受益地區考慮不足[3, 5, 10]。由于生態系統服務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,大大降低了側重服務供給的傳統研究結果在提升保護效率和人類福祉方面的有效性。因此,僅僅從生態系統角度評估其提供服務的能力已不能滿足研究和管理的需要,亟需加強生態系統與受益者之間的連接,從受益者角度開展生態系統服務研究[10]。

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,是生態系統重要調節服務之一[12—13]。生態系統土壤保持功能狀況直接影響區域水土流失的面積和強度。作為全球性環境問題之一,水土流失一方面會導致土壤質量和生產力下降、作物減產[14—15],威脅當地農業生產甚至糧食安全[16]；另一方面,流失土壤可能導致下游水體污染、湖庫泥沙淤積,增大下游的洪水風險[17—18],甚至對全球碳平衡產生影響[19—20]。可見,土壤保持服務的供給區和受益區存在明顯空間分離[5],評估時需要將生態系統的供給和受益者的需求相結合[21]。

洞庭湖是我國第二大淡水湖,也是長江流域重要的調蓄湖泊和水源地,對長江中游地區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開展的大規模圍湖墾殖活動導致洞庭湖調蓄能力下降,湖區洪澇災害頻發[23—24]。近年來,隨著退耕還林、天然林保護等生態保護工程的開展以及三峽工程投入使用,湖區泥沙淤積現象有所減輕[25],但作為長江經濟帶的重要組成,長江中游城市群的建設以及人口的大量集聚對洞庭湖流域的水土保持工作提出了更高的要求。因此,運用通用土壤流失方程(USLE)和流域水文路徑分析,從受益者角度對洞庭湖流域生態系統土壤保持服務進行量化,揭示其土壤保持重要區域,為流域水土保持和生態保護提供數據支持,為提升土壤保持服務對人類福祉的支撐作用提供參考。

1 研究區域

洞庭湖流域位于長江中游南岸,107°16′—114°15′E和 24°38′—30°24′N之間,由湘、資、沅、澧四水及洞庭湖區組成,總面積約26萬km2,覆蓋湖南大部以及湖北、重慶、貴州、廣西、江西等局部地區(圖1)。流域西南東三面環山,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,地勢由南逐漸向中部及東北部傾斜[26]。區內生態系統類型多樣,以森林、農田和灌叢為主,各占流域總面積的43.36%、29.14%和16.49%,濕地和城鎮則各占總面積的3.47%和3.34%。流域具有典型亞熱帶季風濕潤氣候,雨熱同季且充沛,是我國重要農業生產區。

洞庭湖流域總人口7329.92萬人,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株潭城市群、北部的環洞庭湖經濟圈以及衡陽、邵陽、萍鄉、懷化等城市中心區域,整體表現為中東部、北部高,西部、南部低,平原區人口密度高,山丘區人口密度低的空間格局(圖2)。

2 研究方法

2.1 土壤保持評價模型

生態系統可以通過改變侵蝕營力和土體抵抗力的相對大小,減少或避免土壤侵蝕發生,從而實現土壤資源的保護和土壤侵蝕的控制,為人類提供強大的土壤保持服務。以土壤保持量(即生態系統減少的土壤侵蝕量)表征生態系統提供土壤保持服務的能力；以受益人口量化土壤保持服務受益者的規模；以土壤保持量與受益人口的乘積量化土壤保持服務對人類受益者產生的效用。生態系統提供土壤保持服務的能力越強,受益人口越多,則生態系統實際發揮的土壤保持價值越大。

(1)土壤保持量

用潛在土壤侵蝕與實際土壤侵蝕的差值來計算土壤保持量,以評估生態系統土壤保持服務供給能力。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:

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。各參數計算及賦值方法參見文獻[27—28]。

(2)受益人口

受益人口是通過使用生態系統服務而獲益的人口數量,可以反映人類受益者對生態系統服務的需求程度[6, 10]。對土壤保持服務而言,受益人口是生態系統通過持留土壤,減輕水土流失導致的土地退化、泥沙淤積和水體污染等危害而獲益的人口數量。由于流域內土壤保持服務主要沿水流路徑傳輸[7, 29],采用水文分析中的水流長度工具,以網格人口數據作權重,沿水流路徑進行累加得出土壤保持服務的受益人口。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沿流路徑的單元長度(m),Pi表示柵格i沿流路徑上單元長度的人口數量(人/m)。

分析得出,洞庭湖流域生態系統土壤保持服務的受益人口為0—59397人,平均為23127人。空間上整體表現為東南部高,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的平均受益人口遠遠高于其他流域。

圖2 洞庭湖流域人口及土壤保持服務受益人口空間分布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

土壤保持重要性評價是基于土壤保持服務及其空間分布特征,評價不同地區生態系統在土壤保持方面對區域生態安全的保障作用和重要性程度的過程。受流域地形、氣候、土壤和植被等空間格局影響,洞庭湖流域生態系統提供土壤保持服務的能力具有明顯的空間異質性；人口分布的不均衡進一步加劇了土壤保持服務格局的復雜性。為揭示洞庭湖流域土壤保持服務重要性格局,識別土壤保持重要區域,我們從生態系統和受益者兩個角度進行評價,按其對區域生態安全的重要程度劃分為極重要、較重要、中等重要、一般4個等級,具體劃分步驟可參見文獻[30]。在此基礎上采用最大值合成法,綜合生態系統角度和受益者角度的土壤保持重要性評價結果,得出洞庭湖流域土壤保持服務重要性格局。

2.3 數據來源

本研究使用的數據主要包括：2015年洞庭湖流域生態系統類型和植被覆蓋度；數字高程模型(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)；第二次全國土壤普查數據(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多年均降雨侵蝕力站點數據；2010年網格人口數據(表1)。數據分析和結果輸出統一采用90 m×90 m的空間分辨率。

表1 洞庭湖流域生態系統土壤保持評價及分析數據表

3 結果與分析

3.1 土壤保持格局(生態系統角度)

2015年,洞庭湖流域生態系統土壤保持總量為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。空間上,土壤保持重要性整體表現為西部、南部高,中部、北部低,山丘區高,平原區低的分布特征。土壤保持重要區域(極重要區)面積2.80萬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域面積的39.73%和38.14%(圖3)。

圖3 洞庭湖流域土壤保持服務格局(生態系統角度)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重要性構成

3.2 土壤保持格局(受益者角度)

結合土壤保持量和受益人口,2015年洞庭湖流域生態系統土壤保持服務總量為332.79億噸/萬人,以湘江流域最高(222.89億噸/萬人),約占洞庭湖流域總量的66.98%,其次是沅江流域(70.38億噸/萬人),約占總量的21.15%。平均土壤保持服務量為1278.94噸 萬人 hm-2a-1,以湘江流域最高(2366.71噸 萬人 hm-2a-1),其次是資水流域(1151.27噸 萬人 hm-2a-1)。空間上,土壤保持重要性整體表現為東南高、西北低的分布特征。土壤保持重要區域(極重要區)面積1.57萬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域面積的92.95%(圖4)。

圖4 洞庭湖流域土壤保持服務格局(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(生態系統角度)后(受益者角度)的土壤保持服務格局進行比較,發現考慮受益人口后,大部分地區生態系統土壤保持重要性維持不變(75.33%),其余地區的重要性則表現為不同程度地升高或降低(圖5)。分析表明,約有4.76萬km2地區土壤保持重要性有所降低,其中包含1.71萬km2的土壤保持重要區域,主要集中在沅江流域(1.05萬km2),包括武陵山、雪峰山等地。相反,約有1.66萬km2地區土壤保持重要性有所提升,其中有0.48萬km2被識別為新增土壤保持重要區域,主要集中在湘江流域(0.47萬km2),包括南嶺、羅霄山脈等。

圖5 洞庭湖流域土壤保持服務格局變化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行疊加,重要性不一致時取等級較高者,綜合得出洞庭湖流域土壤保持重要性格局。結果表明,土壤保持重要區域(極重要區)面積3.28萬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、陽明山以及東部的羅霄山脈、幕連九山脈等山地區(圖6)。從流域分布來看,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域面積的48.36%和32.58%。從地市分布來看,以湖南永州、懷化、郴州、邵陽、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中東部典型季風氣候區,降水豐富且雨強大、多暴雨,加上流域內山丘比例高,花崗巖、石灰巖廣布,水土流失風險較高[26, 31—32]。2015年,洞庭湖流域生態系統土壤保持總量為131.99億噸,約占全國土壤保持總量的6.63%,占長江流域土壤保持總量的18.29%,其平均土壤保持強度約507.26 t hm-2a-1,遠高于全國平均水平(210.00 t hm-2a-1)和長江流域平均水平(405.24 t hm-2a-1)。說明從生態系統角度,洞庭湖流域提供土壤保持服務的能力較強,在控制土壤侵蝕方面發揮著重要作用；特別是植被覆蓋較好的山地區,生態系統提供土壤保持服務的潛力較大。

洞庭湖流域水土流失危害嚴重[32],主要表現為流失泥沙淤積江河湖庫,導致下游洪澇災害加劇[33]。一方面,洞庭湖流域墾殖歷史悠久,是我國重要農業生產區,每年因洪澇災害遭受巨大的農業經濟損失[24]；另一方面,在長江經濟帶發展規劃中,洞庭湖流域是長江中游城市群的重點建設區,是實施促進中部地區崛起戰略、全方位深化改革開放和推進新型城鎮化的重點區域。可見,洞庭湖流域對降低洪災風險的需求較高；從受益者角度,生態系統土壤保持服務在減輕洞庭湖流域(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害方面具有重要價值。

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

從生態系統角度和受益者角度得出的土壤保持服務格局差異較大。統計表明,從生態系統角度,土壤保持重要區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,土壤保持重要區域則主要集中于湘江流域(92.95%)。除部分(1.10萬km2)重疊外,有0.48萬km2被識別為新增土壤保持重要區域,這些地區提供土壤保持服務的能力不算很強,但因平均受益人口眾多(53628人),實際發揮的土壤保持價值很大,值得重點關注和保護；另有1.71萬km2的土壤保持重要區域因平均受益人口較少(12362人),土壤保持價值未能得到充分發揮(圖7)。由于本研究局限于洞庭湖流域,長江流域下游的受益人口并未納入分析,將尺度擴大后,這部分土壤保持強度較大,但區內受益人口較少的地區可能對長江流域下游產生重要影響,需要繼續加以保護。因此,將考慮受益者前后的土壤保持重要區域進行合并,綜合得出洞庭湖流域土壤保持重要區域。

洞庭湖流域土壤保持服務受益人口呈東南高、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域向湘江流域轉移和集中。可見,受益者的空間分布在土壤保持服務格局中具有重要作用。王麗霞等在基于生態供受體理論研究全國水土保持重要區時也強調了受體(人口)的重要性,但她僅考慮了土壤保持對當地受益者的影響,未對下游受益人口進行分析[34]。研究得出,洞庭湖流域土壤保持服務平均受益人口(23127人/柵格),遠遠大于平均人口密度(2.28人/柵格),說明土壤保持服務的受益者主要在下游,而不是當地。本研究在水文路徑分析中河流兩側的受益人口以及泥沙沉降等問題還沒有得到充分的考慮,將在以后的工作中繼續深入。另外,受益人口及其所反映的需求程度會隨時間、空間而變化[35],人口遷移、城鎮化、社會經濟發展等因素都可能通過改變受益者的空間分布,導致生態系統服務格局發生變化。因此,適時評估和監測土壤保持服務的供給和使用狀態,及時調整土壤保持重要區域,是提升土壤保持服務對人類福祉支持作用的必要保證。

5 結論

本研究運用通用土壤流失方程(USLE)和流域水文路徑分析,從受益者角度對洞庭湖流域生態系統土壤保持服務進行量化,揭示其土壤保持重要性格局。結果表明：(1)洞庭湖流域生態系統土壤保持服務供給能力較強,受益人口眾多,土壤保持服務在防止土地退化、減輕泥沙淤積、降低洪災風險等方面發揮著重要作用；(2)從生態系統角度和受益者角度得出的土壤保持服務格局差異較大,前者主要分布于土壤保持服務供給能力較強的地區,后者則主要集中于受益人口較多的地區,評估中需要將生態系統和受益者相結合,全面識別土壤保持重要區域；(3)綜合生態系統角度和受益者角度,洞庭湖流域土壤保持重要區域面積3.28萬km2,主要分布于西部的武陵山、雪峰山,南部的南嶺山脈、陽明山以及東部的羅霄山脈、幕連九山脈等山地區。研究強調了將受益者納入土壤保持服務評估的必要性,揭示了洞庭湖流域土壤保持重要區域,可為流域水土保持和生態保護提供數據支持,為提升土壤保持服務對人類福祉的支撐作用提供參考。