黃土高原土壤保持生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值估算及其時(shí)空變化研究

邱春霞 毛琴琴 董乾坤

摘要?基于 RS、GIS 技術(shù)，應(yīng)用修正后的通用土壤流失方程，計(jì)算潛在土壤侵蝕量和現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量，兩者差值得到土壤保持量，再應(yīng)用市場(chǎng)價(jià)值法、影子工程法和機(jī)會(huì)成本法從保護(hù)土壤肥力、減少泥沙淤積和減少土地廢棄價(jià)值3個(gè)方面來評(píng)價(jià)土壤保持價(jià)值。探索評(píng)估黃土高原重要生態(tài)功能區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，以期為該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的保護(hù)與管理提供一定的理論支撐。

關(guān)鍵詞?土壤侵蝕量;土壤保持量;土壤保持價(jià)值

中圖分類號(hào)?S157文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào)?0517-6611（2018）33-0104-04

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程形成及維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[1]。結(jié)合遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及地面數(shù)據(jù)，應(yīng)用通用的土壤流失方程RUSLE（revised universal soil loss equation）對(duì)縣南溝流域土壤的保持價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1?土壤保持價(jià)值的研究方法

以黃土高原中一個(gè)小流域縣南溝作為研究對(duì)象，對(duì)縣南流域土壤保持溝生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值進(jìn)行初步的研究，從而得到縣南溝流域土壤保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值，技術(shù)路線如圖1所示。

1.1?土壤侵蝕量與保持量估算?生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能用土壤保持量表示。運(yùn)用通用的土壤流失方程來估算縣南溝流域的土壤保持量[2]。采用廣泛應(yīng)用的RUSLE來估算流域潛在土壤侵蝕量和現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量，二者之差即為生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量。潛在土壤侵蝕量為沒有植被覆蓋和任何水土保持措施時(shí)的土壤侵蝕量，即C=1，P=1;現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量為考慮地表植被覆蓋和水土保持措施下的土壤侵蝕量。

式中，Ap為潛在土壤侵蝕量，單位為[t/（hm2·a）];Ar為現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量，單位為[t/（hm2·a）];Ac為土壤保持量，單位為[t/（hm2·a）];R為降雨侵蝕力因子，單位為[MJ·mm/（hm2·h·a）];K為土壤可蝕性因子，單位為[t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）];L為坡長(zhǎng)因子;S為坡度因子;C為植被覆蓋因子;P為水土保持措施因子。L、S、C、P為無量綱。

1.1.1?降雨侵蝕力（R）。R的估算主要有2種方法。一種是通過年雨量或汛期雨量與年最大30 min雨強(qiáng)的乘積估算年R值;二是采用月雨量與年雨量比值系數(shù)的方法估算年 R 值。采用渭北地區(qū)估算降雨侵蝕力指標(biāo)R計(jì)算式[3]。論文采用該研究方法，R的計(jì)算公式如下：

1.1.2?土壤可蝕性因子（K）。

土壤可蝕性因子（K）表征土壤性質(zhì)對(duì)侵蝕敏感程度的指標(biāo)。中國(guó)的可蝕性因子獲取有2種途徑，一種是利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，而另一種則是根據(jù)諾謨圖計(jì)算，從美國(guó)制訂的諾謨圖上查出不同土樣的K值，我國(guó)黃土的K值為0.43[4]。

1.1.3?坡度坡長(zhǎng)因子（LS）。地形是導(dǎo)致土壤侵蝕發(fā)生的直接誘導(dǎo)因子，坡長(zhǎng)坡度因子（LS）也稱地形因子，反映地形坡度和坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕的影響。其算法公式為[4-8]：

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)在RUSLE以及中國(guó)黃土高原地區(qū)相關(guān)研究基礎(chǔ)上建立了研究區(qū)黃土坡度因子（S），根據(jù)實(shí)測(cè)任一坡度下的土壤流失量和標(biāo)準(zhǔn)坡度下的土壤流失量之比，在陜北安塞縣的實(shí)驗(yàn)，坡度指數(shù)為1.308，計(jì)算公式為：

1.1.4?植被覆蓋因子（C）。

獲取植被覆蓋因子的方法是根據(jù)植被的各個(gè)類型的面積得到不同植被覆蓋度，然后根據(jù)黃土高原不同植被覆蓋度的C值得到植被覆蓋因子。C值見表1。

1.1.5?水土保持措施因子（P）。水土保持因子為采取水土保持措施后土壤流失量與順坡種植時(shí)土壤流失量比值。查閱相關(guān)文件之后，參考前人的研究成果，引用黃土高原不同土地利用耕作因子P[30]，其中林地、草地、耕地的利用耕作因子P分別為1.00、1.00、0.65，其他土地利用耕作因子P為1.00。

1.2?減少土地廢棄的價(jià)值

根據(jù)土壤保持量和土壤表土平均厚度（0.6 m）推算因土壤侵蝕而造成的廢棄土地面積，再根據(jù)機(jī)會(huì)成本法計(jì)算因土地廢棄而失去的年經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

土壤的容重為1.200 t/m3。

1.3?減少泥沙淤積的價(jià)值

根據(jù)蓄水成本計(jì)算損失價(jià)值[8]。該方法指在環(huán)境破壞后，人工建造一個(gè)工程來代替原來的環(huán)境功能，以該工程的投資成本作為環(huán)境污染的損失。

1.4?保護(hù)土壤肥力的價(jià)值

通過市場(chǎng)價(jià)值法，利用因環(huán)境質(zhì)量變化引起的產(chǎn)值和利潤(rùn)的變化來計(jì)量環(huán)境質(zhì)量變化的經(jīng)濟(jì)效益或者經(jīng)濟(jì)損失[9]。具體是利用氮、磷、鉀的市場(chǎng)價(jià)格來計(jì)算其價(jià)值。

2?數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1?研究區(qū)概況

縣南溝流域位于我國(guó)陜西省延安市安塞縣沿河灣鎮(zhèn)，是一個(gè)沿河的小流域，北距安塞縣城15 km，南距延安市25 km，溝口即為包茂高速、黃延高速和延志吳高速的交匯處（圖2）。流域范圍在 36°41′24″～36°46′12″N， 109°12′12″～109°22′12″E。流域面積44.11 km2，全長(zhǎng)39.48 km?？h南溝坡度見圖3。

2.2?數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），用于得到土地利用圖和植被覆蓋因子;氣象數(shù)據(jù)來自于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)（http：//data.cma.cn/），用于得到降雨侵蝕因子;地面數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)一樣也是來自于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），用于得到坡度坡長(zhǎng)因子，分辨率為30m。影像都統(tǒng)一為墨卡托投影，以上數(shù)據(jù)為論文提供相應(yīng)的支持。

2.3?數(shù)據(jù)處理?為了得到土壤流失方程用因子，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)ArcGIS和ENVI為技術(shù)平臺(tái)處理，得到坡長(zhǎng)坡度因子和土地利用圖。

2.3.1??氣象數(shù)據(jù)。

通過國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)獲取的降雨數(shù)據(jù)通過Excel統(tǒng)計(jì)得到1996、2003、2013年降雨總量和每年6—9月的降雨量和。根據(jù)前人研究的方法公式計(jì)算得到降雨侵蝕因子。

2.3.2?地面數(shù)據(jù)。在地理空間數(shù)據(jù)云里獲得到的DEM數(shù)據(jù)，通過ArcGIS 10.2軟件處理數(shù)字高程數(shù)據(jù)得到論文需要的坡度坡長(zhǎng)因子，根據(jù)公式5、公式6、公式7、公式8可得知需要通過數(shù)字高程數(shù)據(jù)先得到柵格單元的水平坡長(zhǎng)λ、坡長(zhǎng)指數(shù)m、細(xì)溝侵蝕和細(xì)溝間侵蝕的比率β和坡度θ。

2.3.3?遙感數(shù)據(jù)。采用2013年資三數(shù)據(jù)遙感影像，對(duì)影像進(jìn)行前期預(yù)處理。主要包括遙感影像幾何校正、全色和多光譜遙感影像融合、影像裁剪以及影像解譯。

2.3.4?土地利用面積的統(tǒng)計(jì)。土地利用面積的統(tǒng)計(jì)，在土地利用圖中建立面狀shp文件，首先打開文件的屬性表，在字段中添加一個(gè)字段，名字為Shape_Area，字段類型為雙精度。在屬性表尾部有一個(gè)新添的字段，右擊字段名，在彈出的菜單欄中選擇統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)每種土地利用類型的面積。

再利用統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算每個(gè)土地類型的比例。

3?結(jié)論與討論

3.1?土壤侵蝕量與土壤保持量?以ArcGIS 10.2為技術(shù)平臺(tái)，利用柵格計(jì)算器得到降雨侵蝕因子、土壤可蝕性因子、地形因子、植被覆蓋因子和水土保持因子這5個(gè)因子，根據(jù)USLE 方程得到1996、2003、2013年黃土高原地區(qū)縣南溝流域潛在土壤侵蝕量和現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量，從而得到土壤保持量。基于統(tǒng)計(jì)分析工具估算1996、2003、2013 年單位面積的各地類的土壤潛在侵蝕總量、現(xiàn)實(shí)侵蝕總量和保持總量見表2。

3.2?縣南溝土壤保持生態(tài)功能價(jià)值

應(yīng)用市場(chǎng)價(jià)值法、機(jī)會(huì)成本法及影子工程對(duì)縣南溝流域 1996、2003、2013 年的單位面積土壤保持各項(xiàng)價(jià)值量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3、4。

3.3?土壤保持生態(tài)功能價(jià)值時(shí)空變化

在縣南溝流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持價(jià)值研究中，1996、2003和2013年土壤保持總價(jià)值分別為795.84萬、1 395.21萬和7 480.98萬元。其中1996年的林地生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持價(jià)值占總價(jià)值的54.72%，草地生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值占總價(jià)值的26.86%，林地和草地生態(tài)系統(tǒng)總共占服務(wù)總價(jià)值的81.57%。林地和草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持價(jià)值在本年的土壤保持總價(jià)值中占重要地位。由圖4可以得知，2003年的林地生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持價(jià)值占總價(jià)值的59%，草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持價(jià)值占總價(jià)值的22%，耕地和園地生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持價(jià)值占總價(jià)值的19%，2013年的林地生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持價(jià)值占總價(jià)值的77%，草地生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值占總價(jià)值的15%，林地和草地的土壤保持價(jià)值占總價(jià)值的92%。隨著林地和草地生態(tài)系統(tǒng)在縣南溝土地利用整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中占的比重越來越大，土壤保持生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值也越來越大。

4?結(jié)語

以陜西省延安市安塞縣縣南溝流域?yàn)辄S土高原研究對(duì)象，運(yùn)用通用的水土流失方程（RUSLE）研究黃土高原土壤保

持量。再?gòu)谋３滞寥婪柿r(jià)值、土地廢棄價(jià)值和減少泥沙淤積價(jià)值3個(gè)方面，得到縣南溝的土壤保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值及其價(jià)值的時(shí)空分布。

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