土壤侵蚀被认为是当今全球土壤退化的主要形式之一，也是中国面临的主要环境问题之一^[1]，它不仅破坏土地资源，引起土地生产力下降，而且造成泥沙淤积于河湖塘库中，加剧流域洪涝和干旱等灾害的发生，严重地威胁着人类的生存和发展。针对土壤侵蚀区域，土壤保持定量研究为区域生态系统的科学管理和减缓区域土壤侵蚀提供科学支持。随着土壤侵蚀研究方法和技术的成熟^{[2, 3, 4]}，生态系统土壤保持功能的评估也越来越精确，目前已成为生态学研究的热点。

根据遥感调查，我国现有土壤侵蚀面积为360 万km²，占国土面积的37%，每年土壤侵蚀量可达50 亿t^[5]。由于我国西部地区地貌类型多样，地质构造复杂，山地丘陵较多，大部地区植被稀少，土壤侵蚀严重且形式多样，已成为我国土壤侵蚀的主要集中区域^[6]。重庆市位于我国西部地区的腹心地带，三峡库区的上游，是长江流域重要的生态屏障和全国水资源战略储备中心，地理位置十分重要，其水土流失状况不仅影响三峡水利枢纽工程的安全运行，而且对整个长江流域生态安全起着举足轻重的作用。

近些年来随着经济高速发展，土地覆盖类型和植被生长状况发生着巨大的变化。这些变化必然会影响重庆市的土壤侵蚀和土壤保持状况，进而影响了重庆市经济和环境的可持续发展。因此，定量分析重庆地区土壤侵蚀量和土壤保持，客观认识重庆市生态系统的土壤保持功能，确定重点水土保护区域以及减缓下游的三峡水库潜在威胁，实现重庆市的可持续发展具有重要现实意义。

重庆市位于我国内陆西南部，长江上游，四川盆地东南部，地跨东经105°11′—110°11′、北纬28°10′—32°13′之间。东西长470 km，南北宽450 km，幅员面积8.24 万km²。地形以丘陵和山地为主，山地(中山和低山)面积6.24 万km²，占幅员面积的75.8%，丘陵面积为1.49 万km²，占幅员面积的18.2%^[7]。重庆地区属亚热带季风性湿润气候，年均气温在18 ℃左右，年日照总时数1000—1200 h，雨量充沛，常年降雨量为1000—1450 mm，年内降水分配不均，但雨热同步。区域植被丰富多样，植被自然分区特征表现为常绿阔叶林、暖性针叶林、竹林和常绿阔叶灌丛等类型，以亚热带常绿阔叶林表现特征最为明显。重庆土壤类型多样，包括水稻土、新积土、紫色土、黄壤、黄棕壤、石灰岩土、红壤、山地草旬土8个土类，其中黄壤是地带性土壤，占重庆总土地面积的24.2%。由于山地多、坡度大，再加之降水季节分配不均，土类空间差异，导致区域土壤侵蚀较为强烈。

研究使用的遥感影像选用Landsat5/TM，包括2006和2010两个时期，获取时间为6月至9月，通常为研究区植被生长的最佳季节。影像的预处理流程包括几何纠正、辐射定标、大气校正、地形校正四部分。土地覆盖类型数据通过TM影像目视解译得到，分类精度达到80%以上。土壤数据来源于中科院南京土壤研究所提供的 1∶25 万数字化土壤图。降雨资料是收集重庆及其周边 15个气象站 1980—2005年的逐月降水资料。数字高程模型DEM，空间分辨率为30 m,来源于国际科学数据服务平台。植被覆盖度数据是基于像元二分模型^{[8, 9]}通过TM影像反演得到。

基于“地表覆被替换假设”研究模式，即运用修正的通用土壤侵蚀方程(USLE)来估算潜在土壤侵蚀量和现实土壤侵蚀量，两者之差即为生态系统土壤保持量^{[4, 10]}。现实土壤侵蚀量指当前地表覆盖和水土保持因素下的土壤侵蚀量，潜在土壤侵蚀量则是生态系统在没有植被覆盖和水土保持措施情况下可能产生的土壤侵蚀量(C=1，P=1)，土壤保持量即为：

降雨侵蚀力因子(R)反映了降雨因素对土壤的潜在侵蚀作用，是导致土壤侵蚀的主要动力因素。本文采用史东梅、卢喜平等基于人工模拟降雨的手段建立的重庆地区降雨侵蚀力计算的月雨量模型^[11]：

土壤可蚀性因子(K)反映了不同类型土壤所具有的不同侵蚀速度。K因子计算如下^[12]：

坡长坡度因子(LS)反映了地形地貌特征(坡长和坡度)对土壤侵蚀的影响，到目前为止的关系仍不确定。然而，在一定范围内，坡长越长流量积累越大和坡度越陡径流速度越快，然而当坡度达到一定阈值时土壤侵蚀速率将停止增加。本文基于Hickey 和Van Remortel^[13]的方法通过Arc Macro Language(AML)脚本语言，ArcInfo Workstation9.3 软件计算得到。

LS公式如下^[14]：

植被覆盖因子(C)反映了不同地面植被覆盖状况对土壤侵蚀的影响。本文基于遥感反演的植被覆盖度和土地覆盖类型图，通过查询USLE中C值表^{[15, 16]}，将结果C值赋给对应类型的像元。

土壤保持措施因子(P)是指特定保持措施下的土壤流失量与未实施保持措施之前相应地块顺坡耕作时的土壤流失量之比值。本研究由于缺少相关数据，不考虑P因子影响，P值为1。

运用市场价值法、机会成本法和影子工程法从保护土壤养分、减少土地废弃和减轻泥沙淤积3个方面来评价生态系统土壤保持价值。

土壤养分保持价值估算：土壤侵蚀致使大量的土壤营养物质流失，主要是土壤中N、P、K。不同类型土壤中的N、P、K 含量不同，运用GIS 技术计算重庆不同生态系统类型N、P、K的平均含量，再依据下式估算保持土壤养分的经济价值。

减少土地废弃价值估算：依据土壤保持量除以土壤表层平均厚度来推算因土壤侵蚀而造成的废弃土地面积，再用机会成本法计算因土地废弃而失去的年经济价值:

减轻泥沙淤积价值估算：按照我国主要流域的泥沙运动规律，全国土壤侵蚀流失的泥沙有24%淤积于水库、江河、湖泊，造成水库、江河、湖泊蓄水量下降^{[19, 20]}。根据蓄水成本来计算生态系统减轻泥沙淤积灾害的经济效益，公式如下：

以往的研究多是基于植被类型的最大盖度计算C值，进而核算生态系统的土壤保持价值时，就导致土壤保持量偏大，进而可能高估生态系统土壤保持价值。本文基于植被覆盖度和土地覆盖类型图，通过查表法，构建每个像元在不同土地覆盖类型和不同植被覆盖度下的C值图层。与单一的用土地覆盖类型图赋C值法相比较，本文选用的方法充分考虑了植被覆盖密度对土壤侵蚀的影响，更接近实际。如图1所示，TM(R:5，G:4，B:3)假彩色合成图像，土地覆盖类型图和相应的植被覆盖度图。通过对比分析各图，发现各土地覆盖类型的实际植被覆盖状况并不是均一的，而是随空间和时间而变化。森林类型的植被覆盖度明显存在空间上的异质性，山区的森林类型的覆盖状况明显优于地势平坦区域的森林类型。山区的森林类型郁闭度大，林下枯落物和杂草丰厚，具有一定的截持降雨能力，大气降雨的雨滴不能直接掉落到裸土表面，从而避免了雨滴直接击溅土壤，并且根系发达使其具有更好的保土性能。因此通过结合植被覆盖图计算C值，能反映出更多的细节，使土壤侵蚀结果更加精确。

图 1 植被覆盖度与土地覆盖类型对照图 Fig.1 Sub-image of the TM showing the resulting land-cover map and vegetation cover

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根据各个因子估算公式，运用GIS软件得到重庆地区的R因子、K因子、LS因子和C因子图层。然后将各因子图层转换成统一的坐标体系，空间分辨率为30 m×30 m。根据土壤侵蚀方程，将各因子连乘后，估算各个像元的土壤侵蚀量，得到研究区土壤侵蚀量。将模拟土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量做相关性分析，发现R²=0.8509，本文基于USLE模拟土壤侵蚀适宜。

重庆地区土壤侵蚀量较低的区域主要分布在地势平坦、植被覆盖高的渝西和渝中地区，多为河谷阶地或缓丘平坝；土壤侵蚀较严重的地区则主要分布在植被稀疏、坡度大、坡长长的山区，如三峡库区、渝东北、渝东南的低山丘陵区。总之，重庆土壤侵蚀呈现由西向东加重的趋势。

根据水利部颁布的土壤侵蚀分级标准，对重庆市土壤侵蚀进行分类，将其分为微度、轻度、中度、强度、极强度和剧烈侵蚀6类。结果表明，重庆地区2010年土壤侵蚀量为2.23 亿t/a，平均土壤侵蚀模数为2710.59 t km^-2 a^-1。约有一半以上的面积为微度侵蚀；其次为轻度侵蚀面积，约占19.11%；中度侵蚀和强度侵蚀面积相当，都在6.50左右；极强度侵蚀面积比率较大，约占8.66%；剧烈侵蚀面积最小，约为4.06%。极强度侵蚀所占面积比例较大，该区域主要位于东北部和东南部植被覆盖度低或无植被的山区，加上常年多雨气候，土壤侵蚀风险较大。考虑到土壤流失量，约有11.05%土壤流失发生在微度和轻度侵蚀区域；约有60.65%土壤流失发生在极强度和剧烈侵蚀区域。统计结果说明，管理措施应该主要集中在极强度和剧烈侵蚀区域，提高该区域的植被覆盖度，才能有效减缓土壤侵蚀。

图 2 土壤侵蚀模拟结果验证 Fig.2 Validation of soil erosion

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重庆2006年生态系统土壤保持总量约为14.36 亿t/a，土壤保持量较高区域集中在植被覆盖度高的渝东北、渝东南、渝中高山地区。森林生态系统在土壤保持中效果明显，占整个重庆土壤保持总量的54.62%，灌丛和农田生态系统次之，占总土壤保持比例分别为24.51%和18.57%。单位面积土壤保持量较大的主要生态系统类型为森林，其次为灌丛和草地。森林生态系统土壤保持作用最为突出，是因为森林生态系统能对降水的进行拦截，在一定程度上降低降水的势能。降落到森林中的雨水，首先达到浓密的林冠层，减弱雨滴的动能，缓和降水对森林地表的直接击溅和冲刷^[21]。穿过林冠或从林冠滴下的雨水，与林冠下层植被(灌木、草本和苔藓层)接触而被截留。林地上的枯枝落叶层也具有较大的水分截持能力^[22]，能够吸收和截留经由林冠、下层植被截留后落到地表的部分雨水。森林截留能力大小主要受降水特性(降水量、降水强度与降水的时空分布)、树木特征(树种、 树龄、枝叶结构和干燥程度)和林型结构(郁闭度和林冠层次)等多种因素的影响。一般而言，植被覆盖度越高的森林生态系统，其截留能力越强。

重庆2010年生态系统土壤保持量约为14.69 亿t/a。森林、灌丛和农田生态系统的年均土壤保持量较大，占总土壤保持比例分别为57.59%、24.72%和15.32%。近5年的时间，重庆土壤保持量由14.36 亿t/a增加到14.69 亿t/a，提高了约0.33 亿t/a，约为2006年的2%。与2006年相比，重庆2010年森林生态系统的土壤保持能力与保持总量均有所提高，森林生态系统土壤保持能力增加了640.13 t km^-2 a^-1，土壤保持总量提高了0.59 亿t/a。研究区森林类型面积由2006年的36.12%增长到2010年的38.91%，同时植被覆盖度的也呈增长趋势，森林面积与覆盖度的增加导致了森林生态系统土壤保持能力的增强。从2000年生态工程的实施，重庆森林覆盖度逐年提高，土壤保持生态效益进一步增强，这对改善和提高重庆整体生态效应具有重要意义。

依据生态系统土壤保持价值估算方法，计算了重庆各生态系统类型因减缓土壤侵蚀而产生的生态经济价值，包括保持土壤养分、减少废弃地和减轻泥沙淤3个方面。重庆生态系统因防止土壤侵蚀而产生的保持土壤养分的价值为5.44×10⁵ 万元，其中 N 为5.26×10⁴ 万元，P 为0.87×10⁴ 万元，K 为4.83×10⁵ 万元；减少废弃地的价值为2.65×10⁴ 万元；减轻泥沙淤积灾害的价值为4.78×10⁴ 万元。重庆2010年生态系统土壤保持的总经济价值为三者之和，约为6.18×10⁵ 万元，其中森林生态系统为3.33×10⁵ 万元，约为总量的53.93%。假设各公式价格指数不变，与2006 年相比，2010年生态系统土壤保持的总经济价值增长了近3.66×10⁴ 万元。

随着生态系统类型和植被覆盖度的不同、各类生态系统类型对土壤保持价值的差别很大。由结果分析可见：重庆2010年森林生态系统单位面积土壤保持价值最高，为1097.44 元 hm^-2 a^-1，其次为灌丛生态系统、草地生态系统和农田生态系统，分别为1079.16、976.10 元 hm^-2 a^-1和347.26 元 hm^-2 a^-1。结果表明在重庆独有的地形条件和自然气候下，森林生态系统对区域土壤保持有着巨大的经济价值，应进行科学的管理和保护。相对于2006年，重庆2010年森林生态系统土壤保持总价值和单位面积价值均有所提高，分别增长了2.21×10⁴ 万元和7.42 元 hm^-2 a^-1，说明重庆2010年森林面积和覆盖度增长迅速，植被生长状况良好，土壤保持的经济效益得到增强。

通过对重庆地区生态系统土壤保持价值的定量评估，基本勾勒了该区域2010年生态系统土壤保持价值的空间格局和大致数量(图3)，这对充分认识生态系统生态服务功能以及科学管理都是极为重要的。由于生态系统类型和植被覆盖度的空间差异，重庆地区生态系统保持土壤养分、减少废弃地和减轻泥沙淤积总价值也呈现出地区差异。如图4所示，土壤保持总价值大于2×10⁴ 万元的市县为巫溪县、城口县、奉节县、酉阳县、开县、云阳县、巫山县、彭水县、石柱县、万州区、武隆县、黔江区、丰都县，其价值分别为6.17×10⁴ 万元、5.49×10⁴ 万元、4.43×10⁴ 万元、4.27×10⁴ 万元、3.78×10⁴ 万元、3.44×10⁴ 万元、3.32×10⁴ 万元、3.11×10⁴ 万元、3.09×10⁴ 万元、3.00×10⁴ 万元、2.38×10⁴ 万元、2.16×10⁴ 万元、2.01×10⁴ 万元，价值之和约占整个重庆土壤保持总价值的75.70%。该区域土壤保持价值之所以较高，主要是因为这些市县多为自然保护区集中地，植被覆盖状况较好，森林生态系统类型所占面积比例较大，对土壤保持的贡献率也较高。由此可见，森林生态系统土壤保持对本区社会和经济发展有着重要作用。

图 3 重庆2010年土壤保持价值空间分布图 Fig.3 Spatial distribution map of the value of the soil conservation in Chongqing in 2010

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图 4 重庆各市县2010年土壤保持价值 Fig.4 The value of the soil conservation service located in different regions of Chongqing

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(1)通用土壤侵蚀方程作为经验模型被广泛的用于区域土壤侵蚀定量研究，但是本研究区域地形复杂和植被覆盖密度空间差异较大，简单的用USLE不能充分考虑了植被覆盖密度对土壤侵蚀的影响。本文基于植被覆盖度和土地覆盖类型图，通过查表法，构建像元在不同土地覆盖类型和不同植被覆盖度下的C值图层。改进的C因子包含更多的数据信息，能够使土壤侵蚀结果更加精确。

(2)通过改进的USLE估算重庆地区2010年土壤侵蚀量，约为2.23 亿t/a，平均土壤侵蚀模数为2710.59 t km^-2 a^-1。空间分布上，土壤侵蚀强度呈现由西向东加重的趋势。极强度和剧烈侵蚀面积所占比重不大，但其土壤流失量所占比重较大，约为60.65%。说明管理措施应该主要集中在极强度和剧烈侵蚀区域，提高该区域的植被覆盖度，才能有效减缓土壤侵蚀。

(3)重庆地区2010年土壤保持量由2006年的14.36 亿t/a增加到14.69 亿t/a。其中森林生态系统在土壤保持效果最为明显，土壤保持总量和单位面积土壤保持量均大于其他生态系统类型。近年来重庆地区土壤保持能力的持续增强，主要是因为森林生态系统面积的增长和植被生长状况的转好。

(4)生态系统在土壤保持中发挥了巨大的作用，2010年重庆地区生态系统土壤保持的总经济价值约为6.18×10⁵ 万元，其中森林生态系统土壤保持价值量最大，约占总量的53.93%。相对于2006年，森林生态系统土壤保持总价值和单位面积价值均有所提高，进一步表明研究区森林面积和覆盖度增长迅速，植被生长状况良好，土壤保持的经济效益得到增强。土壤保持单位价值量较高且具有明显的空间差异，高值区主要分布在研究区的东部山区(城口县—秀山县)，主要是由于地区的人口密度低，森林覆盖率高；低值区主要分布在研究区的西部平原区，主要是由农田和建设用地分布广泛，自然生境破碎化较严重造成。