海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能空間特征及影響因素

饒恩明，肖 燚，歐陽志云，鄭 華

(中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ)［1］;土壤保持，作為生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)之一，在預(yù)防全球性環(huán)境問題——土壤侵蝕，維持區(qū)域生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。早在20世紀(jì)80年代初，學(xué)術(shù)界已開始關(guān)注農(nóng)田侵蝕對農(nóng)業(yè)發(fā)展乃至糧食安全的嚴(yán)重威脅［2］，廣泛開展了農(nóng)田侵蝕損失評估［3-4］。隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的興起與不斷深入，人們逐漸將重心轉(zhuǎn)移到生態(tài)系統(tǒng)抑制土壤侵蝕所避免的損失，即土壤保持價值上來，代表性研究如Costanza對全球生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能價值的估算［5］。然而，早期基于統(tǒng)計資料的評估對于需要詳盡空間特征的管理與決策過程顯得有些力不從心，于是以通用土壤流失方程(USLE)為代表的基于GIS與RS的模型方法應(yīng)運而生［6-11］。近年來，美國斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會和世界自然基金會聯(lián)合開發(fā)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值化和權(quán)衡得失綜合評價工具(InVEST)［12］，其中土壤保持模塊(Avoided Reservoir Sedimentation)在USLE基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，使土壤保持功能評估的合理性和準(zhǔn)確性均得到提升。該模型已成功應(yīng)用于美國賓夕法尼亞州阿勒格尼縣東南［13］與北京山區(qū)［14］土壤侵蝕的模擬以及白洋淀流域［15］和長江上游［16］生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的研究。

海南島是我國熱帶雨林、季雨林的重要分布區(qū)(生物多樣性異常豐富)，同時也是水土流失敏感性極高的地區(qū)［17］，生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能在海南島土壤資源保護(hù)、生物多樣性維持以及生態(tài)安全保障方面發(fā)揮著極為重要的作用。然而，隨著人口的急劇增長以及經(jīng)濟的快速發(fā)展，海南島生態(tài)系統(tǒng)正在遭受人類活動強烈干擾，天然林面積日益減少，低海拔地區(qū)原生植被破壞殆盡［18-19］，土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)正在發(fā)生退化［20］。與此同時，作為我國第一個生態(tài)省，海南高度重視環(huán)境保護(hù)與生態(tài)建設(shè)，并于2005年規(guī)劃實施了海南中部山區(qū)國家級生態(tài)功能保護(hù)區(qū)［21］，為海南生態(tài)環(huán)境的保護(hù)作出了不懈努力。本文以InVEST模型為工具，對海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的空間特征及其影響因素進(jìn)行深入分析與探討，以期為海南島土壤保持功能的保育與管理提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

海南島位于我國廣東雷州半島以南，北緯18°10'04″至20°0'40″，東經(jīng)108°30'43″至111°2'33″之間，行政上包括2個地級市，6個縣級市，4個縣，6個民族自治縣和1個經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，總面積3.39萬km2。其地形地貌復(fù)雜，由山地、丘陵、臺地、平原等形成以中部高山為核心，向四周逐漸遞降的梯級結(jié)構(gòu)［22］，由此形成了獨特的放射狀入海水系。因地處熱帶北緣，海南島全年氣溫高(年均氣溫22—26℃)，終年無霜凍。受海洋性季風(fēng)氣候影響，區(qū)內(nèi)雨水資源充沛(年均降雨量1639 mm)，但時空差異大，中部山地的屏障作用導(dǎo)致降水量在東部迎風(fēng)區(qū)(2000—2400 mm)遠(yuǎn)大于西部背風(fēng)區(qū)(1000—1200 mm)。由于地形、氣候等因素影響，土壤分布具有明顯的垂直地帶性和地域性，由沿海至山地依次為濱海沼澤化鹽土、濱海砂土、磚紅壤(西南為燥紅土)、山地赤紅壤、山地黃壤等，地帶性土壤為磚紅壤［23］。

海南中部山區(qū)國家級生態(tài)功能保護(hù)區(qū)(以下簡稱功能區(qū))位于海南島中南部，包括五指山市、瓊中縣的全部以及三亞、東方、白沙、昌江、樂東、陵水、保亭7個市縣的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積0.87萬km2，占海南島國土面積的25.64%，是海南島的生態(tài)屏障、主要江河發(fā)源地、重要水源涵蓄區(qū)和水土保持重點預(yù)防保護(hù)區(qū)。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 基本原理

根據(jù)InVEST模型中土壤保持模塊［12］的計算原理，生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量包含侵蝕減少量和泥沙持留量兩部分。前者反映各地塊對自身潛在侵蝕的減少，以潛在侵蝕與實際侵蝕的差表示;后者表示該地塊對進(jìn)入它的上坡來沙的持留，以來沙量與泥沙持留效率的乘積表示。

模型基本形式如下:

式中，SEDRETx和SEDRx分別為柵格x的土壤保持量和泥沙持留量，USLEx和USLEy分別為柵格x及其上坡柵格y的實際侵蝕量，Rx、Kx、LSx、Cx和Px分別為柵格x的降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、覆蓋管理因子和水土保持措施因子，SEx為柵格x的泥沙持留效率。

2.2 參數(shù)準(zhǔn)備

2.2.1 降雨侵蝕力因子(R)

降雨是引起土壤侵蝕的主要驅(qū)動力，降雨侵蝕力表征了降雨引起土壤發(fā)生侵蝕的潛在能力［24-25］。鑒于海南島與福建省雨型特征的相似性，本研究采用周伏建等根據(jù)福建省實測數(shù)據(jù)建立的R值計算式［26］:

式中，R為多年平均降雨侵蝕力(MJ·mm·hm－2·h－1·a－1)，Pi為月均降雨量(mm)。

2.2.2 土壤可蝕性因子 (K)

土壤可蝕性衡量了土壤顆粒被水力分離和搬運的難易程度，是反映土壤對侵蝕敏感程度的指標(biāo)［27］，通常用標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上單位降雨侵蝕力所引起的土壤流失量來表示［24］。土壤性質(zhì)中的土壤質(zhì)地、有機質(zhì)含量、土體結(jié)構(gòu)、滲透性等決定了土壤可蝕性的大小。本文采用EPIC模型中的公式進(jìn)行計算，并根據(jù)張科利的研究對結(jié)果進(jìn)行校正［27］。

式中，K為土壤可蝕性(t·hm·2h·hm－·2MJ－·1mm－1)，ms、msilt、mc和orgC分別為砂粒(0.05—2.0 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)、粘粒(＜0.002 mm)和有機碳百分含量。

2.2.3 地形因子 (LS)

地形因子是在相同條件下，每單位面積坡面土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)(坡長22.13 m，坡度9%)流失量的比值，反映坡長、坡度等對土壤侵蝕的影響［24］。

InVEST模型中對LS的取值采取緩坡、陡坡分段計算，坡度閾值默認(rèn)為25°。

緩坡(＜25°):

陡坡(＞25°):

式中，LS為地形因子，F(xiàn)A和CS分別為柵格匯流量和柵格分辨率，S和PS分別為坡度(°)和百分?jǐn)?shù)坡度(%)，m為坡長指數(shù)。

2.2.4 覆蓋管理因子 (C)

覆蓋管理因子定義為特定植被覆蓋與管理狀態(tài)下土壤侵蝕量與實施清耕的連續(xù)休閑地土壤侵蝕量的比值［24］。它是控制土壤侵蝕的積極因素，反映了植被類型、覆蓋度等對土壤侵蝕的影響。本研究通過查閱文獻(xiàn)資料獲得不同植被類型的C值［23，25］。

2.2.5 水土保持措施因子 (P)

水土保持措施因子是指采取特定水土保持措施時的土壤侵蝕量與不采取任何措施的順坡耕作時相應(yīng)侵蝕量的比值［24］。海南島的水稻種植多采用等高耕作，因此水田的P值取0.15，其余基本上沒有采取水土保持措施，取值為 1.00［23］。

2.2.6 泥沙持留效率(SE)

泥沙持留效率反映了侵蝕產(chǎn)生的泥沙在輸移過程中因植被過濾、攔截等作用而發(fā)生沉積的過程［28-32］;被攔截泥沙比例越大，則持留效率越高。不同類型植被因結(jié)構(gòu)、生物量等的差異而具有不同的持留能力。本文參照InVEST模型數(shù)據(jù)庫獲得不同植被類型的泥沙持留效率。

2.3 統(tǒng)計分析

在數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析中主要使用了ArcGIS 9.3、SPSS 17.0以及SigmaPlot 11.0。

2.4 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的降雨數(shù)據(jù)來自中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)共享數(shù)據(jù)平臺;DEM(30m)來自全球科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站;行政區(qū)劃、土壤數(shù)據(jù)來自海南省環(huán)境科學(xué)研究院;經(jīng)濟、人口等統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自《海南統(tǒng)計年鑒2008》［33］;生態(tài)系統(tǒng)圖則由2008年海南TM影像解譯獲得(經(jīng)野外驗證，分類精度約85%，卡帕系數(shù)約94%)，結(jié)合區(qū)域特點，將海南島生態(tài)系統(tǒng)分為天然林、紅樹林、橡膠林、漿紙林、防護(hù)林、灌叢、草地、熱作園、水田、旱地等類型。

3 研究結(jié)果

3.1 土壤保持功能的空間特征

運用InVEST模型計算得到海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持總量為8.16×108t，其中侵蝕減少量為7.50×108t，泥沙持留量為0.66×108t，平均單位面積土壤保持量為247.28 t·hm－2·a－1，空間上呈現(xiàn)中部高四周低的分布格局(圖1)。

海南中部山區(qū)國家級生態(tài)功能保護(hù)區(qū)與土壤保持功能空間分布的疊加分析表明(表1):功能區(qū)面積占研究區(qū)總面積的25.64%，土壤保持量的比重則高達(dá)46.74%，功能區(qū)內(nèi)單位面積土壤保持量約為功能區(qū)外的2.5倍。

圖1 海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能空間格局Fig.1 The spatial pattern of soil conservation service in Hainan Island

表1 海南中部山區(qū)國家級生態(tài)功能保護(hù)區(qū)土壤保持功能特征Table 1 Characteristics of soil conservation service in Mountainous Area of Central Hainan National Ecological Function Conservation Area(NEFCA)

3.2 不同生態(tài)系統(tǒng)類型的土壤保持功能特征

海南島生態(tài)系統(tǒng)類型以森林、農(nóng)田為主，灌叢、草地比例較小，呈零星分布。將土壤保持量按生態(tài)系統(tǒng)類型進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 不同生態(tài)系統(tǒng)類型的土壤保持功能Table 2 The soil conservation service of various ecosystems

土壤保持功能在不同生態(tài)系統(tǒng)類型間具有明顯差異，按平均單位面積土壤保持量從大到小進(jìn)行排序:灌叢＞天然林＞草地＞橡膠林＞漿紙林＞熱作園＞水田＞旱地＞紅樹林＞防護(hù)林，其中天然林、灌叢、草地均在400 t·hm－2·a－1以上，而旱地則在100 t·hm－2·a－1以下。就土壤保持總量而言，天然林、橡膠林、熱作園構(gòu)成了海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的主體(三者土壤保持量之和占總量的83.6%)。

3.3 土壤保持功能的影響因素

為探明人類活動對生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的影響，進(jìn)而采取相應(yīng)的保育與管理對策，結(jié)合海南島的區(qū)域特征，選取了單位面積地區(qū)生產(chǎn)總值、單位面積第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、人口密度、農(nóng)田比例、橡膠林比例等能表征海南島經(jīng)濟發(fā)展水平和人類活動強度的因子，與能反映生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能狀況的單位面積土壤保持量進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。為便于數(shù)據(jù)收集與整理，此處以縣級行政區(qū)(?？?、三亞、儋州、文昌、東方、瓊海、萬寧、五指山、臨高、澄邁、定安、屯昌、昌江、白沙、瓊中、樂東、保亭、陵水)作為統(tǒng)計單元。

結(jié)果表明，各影響因素與生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能具有顯著相關(guān)關(guān)系;其中單位面積地區(qū)生產(chǎn)總值、單位面積第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、人口密度以及農(nóng)田比例與單位面積土壤保持量顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，橡膠林比例與土壤侵蝕強度顯著正相關(guān)(P＜0.01)(圖2)。

圖2 人類活動對生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的影響Table 2 The impact of human activities on soil conservation service

4 討論

生態(tài)系統(tǒng)是控制土壤侵蝕的積極因素［34］，它通過冠層、地被層和土壤層共同作用，阻止侵蝕的發(fā)生和發(fā)展，其作用過程主要體現(xiàn)為減少侵蝕和阻攔泥沙［34］。與僅考慮“減少侵蝕”的通用土壤流失方程(USLE)相比，本研究采用的InVEST模型納入了這兩個過程，使評估更為全面和準(zhǔn)確。

中部山區(qū)國家級生態(tài)功能保護(hù)區(qū)是海南島原始森林的集中分布區(qū)和生物多樣性富集區(qū)，同時也是南渡江、昌化江、萬泉河等海南主要河流的發(fā)源地、水源涵養(yǎng)區(qū)和水土保持敏感區(qū)，戰(zhàn)略地位極為重要。通過比較，功能區(qū)內(nèi)的土壤保持功能明顯優(yōu)于功能區(qū)外;區(qū)內(nèi)土壤保持量高達(dá)3.81×108t，占總量的46.74%，功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的破壞意味著土壤資源的大量流失與河流水庫的嚴(yán)重淤積。由此，中部山區(qū)在維護(hù)海南生態(tài)安全方面的重要性不言而喻，生態(tài)功能保護(hù)區(qū)建立的必要性和有效性也得以充分體現(xiàn)。

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能關(guān)系，土壤保持功能的強弱與生態(tài)系統(tǒng)類型和覆蓋度密切相關(guān)。不同生態(tài)系統(tǒng)類型的土壤保持功能以森林最強，灌叢、草地次之，牧草、作物最差［34］，森林中混交林優(yōu)于純林［35］;就覆蓋度而言，植被覆蓋度越高，土壤保持功能越強［34，36-38］。但同時也不乏草地優(yōu)于森林［39-41］、灌叢優(yōu)于林地［42-43］，甚至農(nóng)田優(yōu)于灌叢［41］的報道。這充分說明實際發(fā)揮的土壤保持功能不單由生態(tài)系統(tǒng)類型和覆蓋度決定，還會因生態(tài)系統(tǒng)年齡以及氣候、地形等環(huán)境條件不同而發(fā)生改變，充分體現(xiàn)了土壤保持功能的綜合性與復(fù)雜性［35］。海南島灌叢生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出較高的單位面積土壤保持量，這可能與其恰好處于降雨中心，潛在侵蝕較高，土壤保持功能得以充分發(fā)揮有關(guān)。橡膠林、漿紙林等人工林因群落結(jié)構(gòu)簡單且人類活動頻繁，其土壤保持功能較之天然林明顯降低。紅樹林雖為天然林，但因地處沿海灘涂，地勢平坦，潛在侵蝕極低，保土功能無法充分施展，可以認(rèn)為，獨特的環(huán)境條件限制了紅樹林土壤保持功能的發(fā)揮。

除自然因素外，生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能還受到人為因素的強烈影響［20，39，44-45］。土地開墾、森林采伐等人類活動都可能通過改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能［44］。作為我國唯一的熱帶海島，海南具有充足的光照和水熱資源，為農(nóng)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了優(yōu)越條件，使其成為海南大部分地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè);但農(nóng)業(yè)耕作對土壤層的頻繁擾動以及農(nóng)田土壤的季節(jié)性裸露使其成為侵蝕產(chǎn)沙的重要來源，而少數(shù)民族地區(qū)沿用的刀耕火種更是造成了局部地區(qū)原始森林的毀滅性破壞［18］，可見農(nóng)田擴張會直接削弱生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能。人口增加是導(dǎo)致海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能降低的又一重要原因。資料顯示，海南人口增長較快，第五次人口普查與第四次相比，年均增長率為1.78%，高于全國平均增長率1.07%，第六次與第五次相比，增長速度有所減緩，但仍高于全國平均水平。人口數(shù)量的攀升不僅直接加劇了人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾［11］，還驅(qū)動了農(nóng)田的擴張，造成人類對生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的壓力和負(fù)作用明顯增加［46］。此外，為滿足經(jīng)濟發(fā)展與國防建設(shè)的雙重需要，自20世紀(jì)50年代以來，海南大面積掀起橡膠種植的熱潮，橡膠林面積迅速上升，由此導(dǎo)致的開荒、毀林現(xiàn)象十分嚴(yán)重［18］。作為取代熱帶天然林和熱帶草地后形成的人工生態(tài)系統(tǒng)，橡膠林具有群落結(jié)構(gòu)簡單、物種組成單一、耗肥耗水和人為干擾頻繁等特點，土壤保持功能較之熱帶雨林相差甚遠(yuǎn)［47］，建立在毀林基礎(chǔ)上的橡膠林?jǐn)U張必然導(dǎo)致海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的退化。

綜上所述，生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能對于維持海南島的生態(tài)平衡至關(guān)重要，為加強生態(tài)系統(tǒng)管理與保護(hù)，遏制土壤保持功能退化，特提出以下建議:

(1)繼續(xù)加強中部山區(qū)的保護(hù) 中部山區(qū)為海南島的土壤保持做出了重要貢獻(xiàn)(面積約為海南島國土面積的1/4，土壤保持量的比重為46.74%)，對該區(qū)域的保護(hù)能有效控制土壤侵蝕，防止土地退化與河流淤積，維護(hù)海南島的生態(tài)安全。

(2)嚴(yán)格保護(hù)天然林天然林具有強大的土壤保持能力(單位面積土壤保持量447.43 t·hm－2·a－1，約為橡膠林的1.5倍，旱地的6.3倍)，保土量約占海南島土壤保持總量的37.45%，其生態(tài)效益顯著高于橡膠林、農(nóng)田等，以犧牲生態(tài)效益換取經(jīng)濟效益的做法是不明智的。另外，海南島地區(qū)具有較強的植被恢復(fù)能力［48］，對于已發(fā)生植被退化的區(qū)域，可減少人為干擾，促進(jìn)植被天然更新，迅速恢復(fù)其保持土壤的能力。

(3)取締傳統(tǒng)耕作方式，提高農(nóng)業(yè)集約化程度 淘汰刀耕火種的耕作模式，通過間作、套種、輪作等提高復(fù)種指數(shù)，充分利用海南島的氣候資源，提高土地產(chǎn)出的同時增加農(nóng)田植被覆蓋，抑制農(nóng)田擴張，達(dá)到經(jīng)濟效益與生態(tài)效益雙贏。此外，復(fù)合農(nóng)林業(yè)(如橡膠林下種植南藥等)也具有較好的發(fā)展前景。

(4)權(quán)衡經(jīng)濟發(fā)展與土壤保持功能的關(guān)系 海南島的經(jīng)濟發(fā)展和人口增長削弱了生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能(單位面積地區(qū)生產(chǎn)總值、單位面積第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、人口密度以及農(nóng)田比例與單位面積土壤保持量顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，橡膠林比例與土壤侵蝕強度顯著正相關(guān)(P＜0.01))。在可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)省建設(shè)的旗幟下，決策者大力發(fā)展經(jīng)濟的同時，不應(yīng)忽略對土壤保持功能的保護(hù)。

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