土壤保持功能是生态系统重要的服务功能之一^[1-4], 在维护区域生态安全中具有重要作用^[5], 它是在水土保持过程中所采用的各项措施对保护和改良人类及人类赖以生存的自然环境条件的综合效用^[6]。水土流失治理工作的目的在于增强生态系统的水土保持功能, 从而降低水土流失的危害。人类活动导致区域生态系统的变化, 而不同的生态系统类型下地表径流和土壤侵蚀差异显著, 也就是说生态系统类型与其土壤保持功能之间存在密切关系^[7-8]。生态系统的变化必然导致水土保持功能的反应, 人类的水土保持工作很大程度上是通过改变生态系统从而实现提高其水土保持功能。因此通过对生态系统及其土壤保持功能时空变化对比研究可以找出两者间作用机制, 分析前期水土保持工作的得失, 并进而为今后治理提供指导。

当前对水土保持生态服务功能的研究多集中于对其价值量的评估^[9-12], 在研究方法多依赖统计数据或监测数据^[13-15], 难以反映水土保持功能的空间变化特征。利用GIS与RS技术从时空演变的角度探讨生态系统与土壤保持功能相互关系的研究则较为少见^{[2-4, 16-21]}。

福建省长汀县是我国典型的南方丘陵红壤侵蚀区, 历史上水土流失历史长, 面积大, 程度重。自20世纪40年代就开展了水土流失治理工作, 但治理效果却时有反复。从2000年开始福建省政府将长汀县水土流失综合治理列为福建省为民办实事项目之一, 每年拨巨额资金对该地区水土流失进行持续攻坚治理。十多年来该地区土壤侵蚀问题得到根本性好转, 生态系统也发生了巨大的变化。分析生态系统类型及土壤保持功能时空变化规律, 揭示土壤保持功能对生态系统变化响应规律, 对巩固现有的治理成效, 减少不当的人类行为具有重要的现实意义。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

长汀县为福建省西部内陆山区县, 位于东经116°02′-116°40′, 北纬25°04′-26°02′之间, 处武夷山脉南端东侧, 汀江上游, 土地面积3099km²。境内地形破碎, 岭谷相间, 低山、丘陵占71%。属湿润亚热带季风气候, 年均降水量约1700mm, 3-6月降水量占全年60%以上。由花岗岩发育的红壤分布广, 抗蚀力弱。由于长期受人为活动影响, 原始植被几乎全部为次生森林植被所代替, 常见的为针叶林、次生常绿阔叶林、灌木林等。

1.2 数据与处理

数据包括长汀及周边各雨量站近30年月降水量数据, 研究区第二次土壤普查图(1991年), 林业调查小班数据(2009年、2011年), 1 : 5万地形图和行政区图, 将其中纸质图数字化, 而后全部数据统一转换为WGS-84坐标。遥感数据来自中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云(http://www.gscloud.cn), 分别是2000年1月27日的ETM、2010年1月14日的TM和2016年3月3日OLI, 对经几何精校正、辐射校正后, 利用像元二分法计算出植被覆盖度；另外基于易康软件(eCognition), 借助实地调查、林业调查辅助数据, 经建立判读标志、影像分割、建立分类规则集、初始分类、人机交互修改后得到生态系统类型数据, 经检验2010年和2016年总精度达91%以上, 2000年达89%以上。

1.3 研究方法

生态系统土壤保持功能可通过其土壤保持量来反映, 而土壤侵蚀量直接影响土壤保持量。目前国内外评估土壤保持量的模型主要有：通用土壤流失方程(USLE)、修正的通用土壤流失方程(RUSLE)、生态系统服务和交易的综合评价模型(In VEST)、风蚀预报模型(WEPP)、荷兰模型(LISEM)和欧洲水蚀预报模型(EROSEM)等模型, 其中利用USLE和RUSLE模型评价土壤保持功能较多, 应用也比较成熟。USLE模型是经验性模型, 不能描述土壤侵蚀的物理过程, 存在一定的局限性, 而RUSLE模型纠正了USLE分析中的错误, 采用独立参数方法, 打破了繁琐的参数计算, 方便简捷, 预测结果更准确, 实用性较强。于博威^[16]、蒋春丽^[17]、张静等^[18-20]众多学者利用RUSLE模型评估土壤保持量均取得较好效果。因此本研究采用RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation)模型计算生态系统土壤保持量, 以评估其土壤保持功能强弱。土壤保持量为潜在侵蚀量与实际侵蚀量的差值, 公式为：

(1)

式中, SC为土壤保持量(t hm^-2 a^-1)；SE_p为潜在土壤侵蚀量(t hm^-2 a^-1)；SE_a为实际土壤侵蚀量(t hm^-2 a^-1)；R为降雨侵蚀力因子(MJ mm hm^-2 h^-1 a^-1)；K为土壤可蚀性因子(t hm² h hm^-2 MJ^-1 mm^-1)；LS为地形因子；C为植被覆盖因子；P为水土保持措施因子。

1.3.1 降水侵蚀力(R)

降水侵蚀力表征了降水引起土壤发生侵蚀的潜在能力, 很多学者根据其研究区特点提出降水侵蚀力计算模型。为反映本研究区特点, 本文采用周伏建等^[22]建立的适用于福建省的R值计算公式：

(2)

式中, P_i为多年月均降雨量(mm), 由于原公式为英制单位, 因此需乘以单位转换系数17.02, 以转换成公制单位。

1.3.2 土壤可蚀性因子(k)

土壤可蚀因子反映土壤性质对侵蚀敏感程度。不同的土壤类型K值大小不同, 其估算方法很多, 应用较广泛的是Williams等提出的EPIC计算模型^[23]。方纲清等人^[24]利用该模型成功地计算出福建省主要土壤K值, 并被众多学者采用。因此本研究参考福建土壤普查资料采用该模型并估算研究区土壤可蚀因子, 公式为：

(3)

式中, SAN、SIL、CLA、C分别是砂粒、粉粒、粘粒和有机碳含量(%), SNI=1-SAN/100。原公式K值为美制单位, 这里乘以转换系数0.1317, 得到公制单位土壤可蚀因子。

1.3.3 坡长-坡度因子(LS)

坡长-坡度因子是影响土壤侵蚀的基本地理特征要素, 大区域的坡长坡度因子只能通过DEM数据提取。由于RUSLE模型中对该因子的计算方法不适合坡度大于11.3°的地区, 而长汀县有很多区域坡度大于11.3°。因此本文对该因子计算参考McCool^[25]和刘宝元等人^[26-27]的坡长-坡度的修正公式, 公式为：

(4)

式中, S为坡度因子；L为坡长因子；θ为坡度(°)；λ为坡长(m)。

1.3.4 植被覆盖与管理因子(C)

植被覆盖与管理因子反映植被覆盖和作物管理措施对土壤侵蚀的影响, 界于0-1之间。由于植被覆盖度和该因子之间有较强的相关性, 本文利用蔡崇法的坡面产沙与植被覆盖度的关系式^[28]计算C值, 公式为：

(5)

式中, f_c为植被覆盖度, 注意计算时只保留一个小数。

1.3.5 水土保持措施因子(P)

水土保持措施因子指采取水保措施后, 土壤侵蚀量相对于顺坡种植时土壤侵蚀量的比例, 其值在0-1之间; 一般采用经验赋值, 杨冉冉^[29]、傅水龙^[21]等人利用此方法计算出长汀县不同土地类型P值。长汀县是全国重点水土流失综合治理区, 全境范围内实施多种水保措施治理水土流失问题, 且涉及各种生态系统类型。鉴于这种情况, 本文选取熟悉研究区水保工作情况的学者, 利用德尔菲法对当地不同的生态系统类型进行P因子赋值, 结果为：常绿阔叶林0.2、常绿针叶林0.4、稀疏林0.7、常绿灌木0.7、草0.7、茶果园0.4、水田0.01、旱地0.4、城镇1、裸地1、湿地0。

按上述方法计算出各因子图层, 并转换为栅格大小为30m×30m的GRID数据, 应用ArcGIS栅格计算功能, 得到土壤保持量SC(t hm^-2 a^-1)(图 1)。

2 结果与分析 2.1 生态系统类型构成及变化

遥感解译结果显示，研究期内长汀县生态系统以常绿针叶林为主, 2016年面积186424.85hm², 占国土总面积的60.07%；常绿阔叶林其次, 面积36057.61hm², 比重11.62%, 如加上稀疏林则比例达75.31%, 可见研究区生态系统构成以森林为主体；裸地和湿地的面积较小, 分别为153.92hm²和2052.96hm², 占0.05%和0.66%。

研究期内，生态系统面积持续增加的有：常绿针叶林、常绿阔叶林、城镇、茶果园, 其中增量最大的是常绿针叶林, 增加10288.07hm², 增幅5.80%, 其次为常绿阔叶林6791.50hm², 增幅23.21%。另外城镇和茶果园虽然面积增加量不是最大, 但增幅却分居第一和第二, 分别为85.42%(4469.14 hm²)、69.38%(1949.32 hm²)；面积变化表现为持续减少的有：稀疏林、常绿阔叶灌丛、草地、水田、旱地、湿地, 其中减量最大的是稀疏林, 面积减少14729.38hm², 降幅达56.75%, 其次是阔叶灌丛和草地, 分别为4257.04、3309.99hm², 减幅分别是13.22%和46.14%；面积变化表现为波动型的只有裸地, 2000-2010年间增加8.01 hm², 2010-2016年间减少42.37 hm² (表 1)。

2.2 生态系统类型转换特征

从2000-2010年生态系统类型转移矩阵可以看出：常绿阔叶林面积扩张, 主要源于草地、常绿阔叶灌丛和稀疏林的转入, 面积分别3056.76、1980.27hm²和1734.03hm²；常绿针叶林作为10年来面积增加最大生态系统类型, 主要是由于稀疏林、常绿阔叶灌丛和草地的转入, 分别是6558.75、1891.53hm²和1576.35hm²；城镇扩张侵占了大量的水田和常绿针叶林, 分别为2905.56 hm²和1095.93hm²；而茶果园侵占了大量的水田和草地, 分别是943.56、358.02hm², 面积增幅较大；稀疏林转入较少, 但却大量地转为常绿针叶林、水田和常绿阔叶林, 其中仅水田就达3678.03hm², 成为面积减少最大的生态类型；草地也由于大量转移为常绿阔叶林和针叶林, 面积迅速减小(表 2)。

从2010-2016年生态系统类型转移矩阵来看：常绿针叶林的增加, 主要是由于稀疏林、常绿阔叶林的转入所造成, 面积分别为2820.06、1856.7hm²；常绿阔叶林的增加, 主要来源于阔叶灌丛和常绿针叶林的转入, 分别为1598.31hm²和1467.72hm²；城镇由于侵占大量的水田(1100.97hm²)而迅速扩张；茶果园则主要侵占了大量的常绿针叶林(889.83hm²)、水田(544.5hm²)而增加(表 3)。

通过上述分析可以看出, 长汀县生态系统构成以森林类为主体, 其中常绿针叶林和阔叶林比重最高。16年来生态系统结构变化表现两个明显特点：

1)常绿针叶林和阔叶林这些植被覆盖度较高的类型面积逐步扩大, 而稀疏林这类覆盖度较低的类型面积大幅度减少, 这正是治理水土流失, 改造低效林, 改善森林结构的成效体现；

2)受城镇化和经济发展的驱使, 城镇迅速扩张, 而在农村农民为了追求经济效益, 大力发展经济林, 致使茶果园增幅显著。

2.3 各生态系统土壤保持量变化特征

研究期内长汀县生态系统土壤保持量逐步提高, 单位面积土壤保持量2000年为217.32t hm^-2 a^-1, 2010年235.16t hm^-2 a^-1, 2016年则增加到246.02t hm^-2 a^-1, 同期年土壤保持量分别为6743.95、7287.57、7634.58万t, 总增幅为13.21%。

从各生态系统土壤保持量来看, 单位面积土壤保持量以常绿阔叶灌丛和常绿阔叶林最高, 2016年分别为321.66、285.75t hm^-2 a^-1, 最低是城镇, 仅为44.59t hm^-2 a^-1, 其次为裸地, 为76.54t hm^-2 a^-1。需要特别指出的是水田单位面积土壤保持量表现较低, 是由于本研究所采用的遥感数据是1-3月初, 这个时期水田基本无植被覆盖, 致使其土壤保持量偏低。而实际上由于水田均有田埂包围, 发生水土流失的程度很低, 因此不将它与其他生态系统进行对比(表 4)。

从研究期内单位面积土壤保持量变化来看, 除城镇和茶果园外, 其它生态类型均有不同程度提升, 其中以稀疏林最突出, 增加67.49t hm^-2 a^-1。这说明16年来长汀水土流失治理工作取得了显著成效, 大多数生态系统类型植被覆盖度升高, 土壤保持功能增强。而与此相反, 城镇和茶果园的单位面积土壤保持量下降, 分别降低了21.03t hm^-2 a^-1和16.74t hm^-2 a^-1, 这是由于研究期内这两类生态系统扩张迅速, 大量的新建设城镇和新开垦茶果园, 地形条件较差, 植被覆盖度较低, 致使其平均土壤保持功能有所下降。

从年土壤保持量来看, 常绿针叶林无论是年保土总量还是增加量(666.12万t)均居首位, 这是由于它的面积最大同时面积增量也最大所造成的；第二位是常绿阔叶林, 研究期内年土壤保持量增加了218.81万t, 这两类生态系统对长汀土壤保持起主要作用。而稀疏林、草地和常绿阔叶灌丛的年土壤保持总量表现为减少, 正是它们的面积大幅度减少的结果。城镇和茶果园在单位面积土壤保持量下降情况下, 年土壤保持总量却有所上升, 恰恰反映了研究期内它们的面积大幅增长。

2.4 土壤保持量变化的空间分布特征

将2000与2010、2016年的单位面积土壤保持量图分别叠加分析, 可以看出研究期内单位土壤保持量增加的区域占全县绝大部分, 达96.5%。空间分布广泛而均匀, 但还是可以看出增加量高于30t hm^-2 a^-1有两个相对集中区, 一是东北部区域, 这是全县最重要的林区, 集中分布大量的常绿阔叶林和针叶林；二是中南部区域, 这里是全县水土流失治理项目最集中区。

单位面积土壤保持量下降的区域, 面积较小, 仅占全县3.5%, 空间分布上呈现大分散, 小集中的特征。与地形图对比会发现, 该区域主要分布于山间盆谷, 这些都是人类社会经济活动集中区, 城镇和茶果园多分布于此, 其中北部的汀州和大同, 土壤保持下降最显著, 而这里正是长汀县城所在地, 也是城镇化最强烈的区域(图 2)。

3 讨论

(1)当前, 国内外关于土壤保持功能评估的模型有很多类型, 包括USLE、RUSLE、In VEST和WEEP等等, 对于不同区域特征和不同的空间尺度, 适用的模型也不同, 实际运用中必须根据当地情况采用相应的模型进行估算, 其中重点是各模型因子的算法选取以及模型参数能适应当地条件。本研究在分析研究区实际情况基础上, 经过对比分析, 选择基于RUSLE模型的生态系统保土功能评价方法, 并从众多的因子算法中选定比较适合长汀的计算方法。将本研究的土壤保持量数据与福建省水土保持监测站公布的2000、2010年长汀土壤侵蚀强度数据对比, 发现两者在空间分布上存在较强负相关, 并且同笔者实地调查情况相吻合, 说明了本研究方法是可行。

(2)本研究从生态系统变化角度探讨了土壤保持功能对它的时空响应特点, 这也是本研究特色。研究中发现不同生态系统土壤保持能力有一定差异, 表现为常绿阔叶灌丛>常绿阔叶林>草地>常绿针叶林>稀疏林、茶果园>旱地>城镇, 城镇和茶果园的土壤保持能力较弱。将旱地改造成茶果园有助于提高土壤保持量, 但实际上茶果园的扩张主要来自于常绿针叶林, 而城镇的扩张主要靠侵占水田和常绿针叶林, 这必然会导致这一部分区域的土壤保持功能减弱, 可见快速城镇化和大量开垦茶果园对于水土保持来说存在一定的生态风险。另外常绿阔叶灌丛和草地的保土能力均优于常绿针叶林。但这两种生态类型的经济效益较低, 而常绿针叶林多是用材林, 具有较高经济效益。研究期内就有1290.78hm²常绿阔叶灌丛转变为常绿针叶林。这种为追求经济效益, 人为毁掉灌草改植用材林的行为对水土保持并无益处。

(3)研究表明, 在大部分生态系统土壤保持功能增强的情况下, 城镇和茶果园平均单位面积土壤保持量却有不同程度下降。造成这现象的原因并不是这两类用地水土保持措施标准降低了, 事实上作为全国重点水土流失治理区的长汀县一直对各类用地配套相应有水保措施, 但由于研究期内城镇、茶果园迅猛扩张, 大量新建设城镇和园地地形条件较差, 植被覆盖也未跟上。据分析研究期内城镇的植被覆盖度降低了3个百分点, 平均坡度升高了0.3°, 茶果园平均坡度升高了1.3°。这样就拉低了城镇和茶果园的坡长-坡度因子及植被覆盖因子条件, 从而使单位面积平均保土量呈下降态势。要改变这种情况就须及时提高它们植被覆盖度, 避免在地形条件较差的区域进行开发建设, 另外对在坡度建设项目应适当提高它们水保措施标准。

(4)本研究仍存在不足：对水保措施因子是采用相同的生态系统类型统一赋值的方法, 事实上在不同的区域的同类生态系统水保措施是不一样, 最好应根据实际情况对不同区域同类生态系统分别赋值；降水侵蚀力估算使用的雨量站点较少, 如采用更多雨量站数据, 计算精度可进一步提高；坡度因子计算是采用刘宝元计算模型, 该方法是基于黄土高原坡面数据而得, 运用于南方丘陵区, 精度还需检验。以上不足, 将在进一步实地调查基础上进行完善。

4 结论

(1)研究区在2000-2016年, 生态系统类型结构变化明显, 常绿针叶林、常绿阔叶林面积增长最大, 达17019.57hm², 占国土面积比例提高了5个百分点, 而稀疏林面积下降最显著, 共减少14729.38 hm², 比例下降了近5个百分点。总体上表现为森林结构趋于优化, 覆盖率提高。另一方面受城镇化和农民经济利益驱动, 城镇和茶果园迅速扩张, 侵占大量的水田、常绿针叶林, 面积共增加6418.46hm², 而且增幅居前二。

(2)16年来, 研究区平均单位面积土壤保持量和年土壤保持总量均提高13.2%。除城镇、茶果园外, 各生态系统土壤保持能力均有不同程度提高, 其中稀疏林最显著, 提高了43.37%。在长汀许多的稀疏林是以稀疏马尾松(Pinus massoniana)为主林分, 植被结构简单, 林下水土流失严重, 土壤贫瘠, 林木生长缓慢甚至严重退化, 被称为“小老头树”, 长期以来对它的改造一直是水土流失治理的难点。而本研究结果说明了近年来水土流失综合治理工作取得巨大的成效, 主要生态系统抵抗侵蚀的能力增强, 困扰长汀多年的“小老头松”林区土壤侵蚀问题有较大的改善。

(3)城镇、茶果园的单位面积土壤保持量分别下降了32.1%和9.2%, 致使长汀县各生态系统保土功能呈现“整体好转, 局部恶化”^[29]的现象, 人类活动集中分布的山间盆谷特别是汀州、大同, 土壤保持能力下降。必需及时完善相应的水土保持措施, 避免水土流失进一步恶化。