海南岛生态系统土壤保持功能空间特征及影响因素

饶恩明，肖 燚，欧阳志云，郑 华

(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

生态系统服务是人类生存与发展的基础［1］;土壤保持，作为生态系统调节服务之一，在预防全球性环境问题——土壤侵蚀，维持区域生态安全与可持续发展中发挥重要作用。早在20世纪80年代初，学术界已开始关注农田侵蚀对农业发展乃至粮食安全的严重威胁［2］，广泛开展了农田侵蚀损失评估［3-4］。随着生态系统服务研究的兴起与不断深入，人们逐渐将重心转移到生态系统抑制土壤侵蚀所避免的损失，即土壤保持价值上来，代表性研究如Costanza对全球生态系统土壤保持功能价值的估算［5］。然而，早期基于统计资料的评估对于需要详尽空间特征的管理与决策过程显得有些力不从心，于是以通用土壤流失方程(USLE)为代表的基于GIS与RS的模型方法应运而生［6-11］。近年来，美国斯坦福大学、大自然保护协会和世界自然基金会联合开发了生态系统服务价值化和权衡得失综合评价工具(InVEST)［12］，其中土壤保持模块(Avoided Reservoir Sedimentation)在USLE基础上加以改进，使土壤保持功能评估的合理性和准确性均得到提升。该模型已成功应用于美国宾夕法尼亚州阿勒格尼县东南［13］与北京山区［14］土壤侵蚀的模拟以及白洋淀流域［15］和长江上游［16］生态系统土壤保持功能的研究。

海南岛是我国热带雨林、季雨林的重要分布区(生物多样性异常丰富)，同时也是水土流失敏感性极高的地区［17］，生态系统土壤保持功能在海南岛土壤资源保护、生物多样性维持以及生态安全保障方面发挥着极为重要的作用。然而，随着人口的急剧增长以及经济的快速发展，海南岛生态系统正在遭受人类活动强烈干扰，天然林面积日益减少，低海拔地区原生植被破坏殆尽［18-19］，土壤保持等生态系统服务正在发生退化［20］。与此同时，作为我国第一个生态省，海南高度重视环境保护与生态建设，并于2005年规划实施了海南中部山区国家级生态功能保护区［21］，为海南生态环境的保护作出了不懈努力。本文以InVEST模型为工具，对海南岛生态系统土壤保持功能的空间特征及其影响因素进行深入分析与探讨，以期为海南岛土壤保持功能的保育与管理提供科学指导。

1 研究区概况

海南岛位于我国广东雷州半岛以南，北纬18°10'04″至20°0'40″，东经108°30'43″至111°2'33″之间，行政上包括2个地级市，6个县级市，4个县，6个民族自治县和1个经济开发区，总面积3.39万km2。其地形地貌复杂，由山地、丘陵、台地、平原等形成以中部高山为核心，向四周逐渐递降的梯级结构［22］，由此形成了独特的放射状入海水系。因地处热带北缘，海南岛全年气温高(年均气温22—26℃)，终年无霜冻。受海洋性季风气候影响，区内雨水资源充沛(年均降雨量1639 mm)，但时空差异大，中部山地的屏障作用导致降水量在东部迎风区(2000—2400 mm)远大于西部背风区(1000—1200 mm)。由于地形、气候等因素影响，土壤分布具有明显的垂直地带性和地域性，由沿海至山地依次为滨海沼泽化盐土、滨海砂土、砖红壤(西南为燥红土)、山地赤红壤、山地黄壤等，地带性土壤为砖红壤［23］。

海南中部山区国家级生态功能保护区(以下简称功能区)位于海南岛中南部，包括五指山市、琼中县的全部以及三亚、东方、白沙、昌江、乐东、陵水、保亭7个市县的部分乡镇，面积0.87万km2，占海南岛国土面积的25.64%，是海南岛的生态屏障、主要江河发源地、重要水源涵蓄区和水土保持重点预防保护区。

2 研究方法与数据来源

2.1 基本原理

根据InVEST模型中土壤保持模块［12］的计算原理，生态系统土壤保持量包含侵蚀减少量和泥沙持留量两部分。前者反映各地块对自身潜在侵蚀的减少，以潜在侵蚀与实际侵蚀的差表示;后者表示该地块对进入它的上坡来沙的持留，以来沙量与泥沙持留效率的乘积表示。

模型基本形式如下:

式中，SEDRETx和SEDRx分别为栅格x的土壤保持量和泥沙持留量，USLEx和USLEy分别为栅格x及其上坡栅格y的实际侵蚀量，Rx、Kx、LSx、Cx和Px分别为栅格x的降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、地形因子、覆盖管理因子和水土保持措施因子，SEx为栅格x的泥沙持留效率。

2.2 参数准备

2.2.1 降雨侵蚀力因子(R)

降雨是引起土壤侵蚀的主要驱动力，降雨侵蚀力表征了降雨引起土壤发生侵蚀的潜在能力［24-25］。鉴于海南岛与福建省雨型特征的相似性，本研究采用周伏建等根据福建省实测数据建立的R值计算式［26］:

式中，R为多年平均降雨侵蚀力(MJ·mm·hm－2·h－1·a－1)，Pi为月均降雨量(mm)。

2.2.2 土壤可蚀性因子 (K)

土壤可蚀性衡量了土壤颗粒被水力分离和搬运的难易程度，是反映土壤对侵蚀敏感程度的指标［27］，通常用标准小区上单位降雨侵蚀力所引起的土壤流失量来表示［24］。土壤性质中的土壤质地、有机质含量、土体结构、渗透性等决定了土壤可蚀性的大小。本文采用EPIC模型中的公式进行计算，并根据张科利的研究对结果进行校正［27］。

式中，K为土壤可蚀性(t·hm·2h·hm－·2MJ－·1mm－1)，ms、msilt、mc和orgC分别为砂粒(0.05—2.0 mm)、粉粒(0.002—0.05 mm)、粘粒(＜0.002 mm)和有机碳百分含量。

2.2.3 地形因子 (LS)

地形因子是在相同条件下，每单位面积坡面土壤流失量与标准小区(坡长22.13 m，坡度9%)流失量的比值，反映坡长、坡度等对土壤侵蚀的影响［24］。

InVEST模型中对LS的取值采取缓坡、陡坡分段计算，坡度阈值默认为25°。

缓坡(＜25°):

陡坡(＞25°):

式中，LS为地形因子，FA和CS分别为栅格汇流量和栅格分辨率，S和PS分别为坡度(°)和百分数坡度(%)，m为坡长指数。

2.2.4 覆盖管理因子 (C)

覆盖管理因子定义为特定植被覆盖与管理状态下土壤侵蚀量与实施清耕的连续休闲地土壤侵蚀量的比值［24］。它是控制土壤侵蚀的积极因素，反映了植被类型、覆盖度等对土壤侵蚀的影响。本研究通过查阅文献资料获得不同植被类型的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时的土壤侵蚀量与不采取任何措施的顺坡耕作时相应侵蚀量的比值［24］。海南岛的水稻种植多采用等高耕作，因此水田的P值取0.15，其余基本上没有采取水土保持措施，取值为 1.00［23］。

2.2.6 泥沙持留效率(SE)

泥沙持留效率反映了侵蚀产生的泥沙在输移过程中因植被过滤、拦截等作用而发生沉积的过程［28-32］;被拦截泥沙比例越大，则持留效率越高。不同类型植被因结构、生物量等的差异而具有不同的持留能力。本文参照InVEST模型数据库获得不同植被类型的泥沙持留效率。

2.3 统计分析

在数据处理与结果分析中主要使用了ArcGIS 9.3、SPSS 17.0以及SigmaPlot 11.0。

2.4 数据来源

本研究使用的降雨数据来自中国生态系统研究网络(CERN)共享数据平台;DEM(30m)来自全球科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站;行政区划、土壤数据来自海南省环境科学研究院;经济、人口等统计数据来自《海南统计年鉴2008》［33］;生态系统图则由2008年海南TM影像解译获得(经野外验证，分类精度约85%，卡帕系数约94%)，结合区域特点，将海南岛生态系统分为天然林、红树林、橡胶林、浆纸林、防护林、灌丛、草地、热作园、水田、旱地等类型。

3 研究结果

3.1 土壤保持功能的空间特征

运用InVEST模型计算得到海南岛生态系统土壤保持总量为8.16×108t，其中侵蚀减少量为7.50×108t，泥沙持留量为0.66×108t，平均单位面积土壤保持量为247.28 t·hm－2·a－1，空间上呈现中部高四周低的分布格局(图1)。

海南中部山区国家级生态功能保护区与土壤保持功能空间分布的叠加分析表明(表1):功能区面积占研究区总面积的25.64%，土壤保持量的比重则高达46.74%，功能区内单位面积土壤保持量约为功能区外的2.5倍。

图1 海南岛生态系统土壤保持功能空间格局Fig.1 The spatial pattern of soil conservation service in Hainan Island

表1 海南中部山区国家级生态功能保护区土壤保持功能特征Table 1 Characteristics of soil conservation service in Mountainous Area of Central Hainan National Ecological Function Conservation Area(NEFCA)

3.2 不同生态系统类型的土壤保持功能特征

海南岛生态系统类型以森林、农田为主，灌丛、草地比例较小，呈零星分布。将土壤保持量按生态系统类型进行分区统计，结果见表2。

表2 不同生态系统类型的土壤保持功能Table 2 The soil conservation service of various ecosystems

土壤保持功能在不同生态系统类型间具有明显差异，按平均单位面积土壤保持量从大到小进行排序:灌丛＞天然林＞草地＞橡胶林＞浆纸林＞热作园＞水田＞旱地＞红树林＞防护林，其中天然林、灌丛、草地均在400 t·hm－2·a－1以上，而旱地则在100 t·hm－2·a－1以下。就土壤保持总量而言，天然林、橡胶林、热作园构成了海南岛生态系统土壤保持功能的主体(三者土壤保持量之和占总量的83.6%)。

3.3 土壤保持功能的影响因素

为探明人类活动对生态系统土壤保持功能的影响，进而采取相应的保育与管理对策，结合海南岛的区域特征，选取了单位面积地区生产总值、单位面积第一产业生产总值、人口密度、农田比例、橡胶林比例等能表征海南岛经济发展水平和人类活动强度的因子，与能反映生态系统土壤保持功能状况的单位面积土壤保持量进行统计学分析。为便于数据收集与整理，此处以县级行政区(海口、三亚、儋州、文昌、东方、琼海、万宁、五指山、临高、澄迈、定安、屯昌、昌江、白沙、琼中、乐东、保亭、陵水)作为统计单元。

结果表明，各影响因素与生态系统土壤保持功能具有显著相关关系;其中单位面积地区生产总值、单位面积第一产业生产总值、人口密度以及农田比例与单位面积土壤保持量显著负相关(P＜0.05)，橡胶林比例与土壤侵蚀强度显著正相关(P＜0.01)(图2)。

图2 人类活动对生态系统土壤保持功能的影响Table 2 The impact of human activities on soil conservation service

4 讨论

生态系统是控制土壤侵蚀的积极因素［34］，它通过冠层、地被层和土壤层共同作用，阻止侵蚀的发生和发展，其作用过程主要体现为减少侵蚀和阻拦泥沙［34］。与仅考虑“减少侵蚀”的通用土壤流失方程(USLE)相比，本研究采用的InVEST模型纳入了这两个过程，使评估更为全面和准确。

中部山区国家级生态功能保护区是海南岛原始森林的集中分布区和生物多样性富集区，同时也是南渡江、昌化江、万泉河等海南主要河流的发源地、水源涵养区和水土保持敏感区，战略地位极为重要。通过比较，功能区内的土壤保持功能明显优于功能区外;区内土壤保持量高达3.81×108t，占总量的46.74%，功能区生态系统的破坏意味着土壤资源的大量流失与河流水库的严重淤积。由此，中部山区在维护海南生态安全方面的重要性不言而喻，生态功能保护区建立的必要性和有效性也得以充分体现。

根据生态系统结构-过程-功能关系，土壤保持功能的强弱与生态系统类型和覆盖度密切相关。不同生态系统类型的土壤保持功能以森林最强，灌丛、草地次之，牧草、作物最差［34］，森林中混交林优于纯林［35］;就覆盖度而言，植被覆盖度越高，土壤保持功能越强［34，36-38］。但同时也不乏草地优于森林［39-41］、灌丛优于林地［42-43］，甚至农田优于灌丛［41］的报道。这充分说明实际发挥的土壤保持功能不单由生态系统类型和覆盖度决定，还会因生态系统年龄以及气候、地形等环境条件不同而发生改变，充分体现了土壤保持功能的综合性与复杂性［35］。海南岛灌丛生态系统呈现出较高的单位面积土壤保持量，这可能与其恰好处于降雨中心，潜在侵蚀较高，土壤保持功能得以充分发挥有关。橡胶林、浆纸林等人工林因群落结构简单且人类活动频繁，其土壤保持功能较之天然林明显降低。红树林虽为天然林，但因地处沿海滩涂，地势平坦，潜在侵蚀极低，保土功能无法充分施展，可以认为，独特的环境条件限制了红树林土壤保持功能的发挥。

除自然因素外，生态系统土壤保持功能还受到人为因素的强烈影响［20，39，44-45］。土地开垦、森林采伐等人类活动都可能通过改变生态系统结构影响生态系统土壤保持功能［44］。作为我国唯一的热带海岛，海南具有充足的光照和水热资源，为农业的发展创造了优越条件，使其成为海南大部分地区的支柱性产业;但农业耕作对土壤层的频繁扰动以及农田土壤的季节性裸露使其成为侵蚀产沙的重要来源，而少数民族地区沿用的刀耕火种更是造成了局部地区原始森林的毁灭性破坏［18］，可见农田扩张会直接削弱生态系统的土壤保持功能。人口增加是导致海南岛生态系统土壤保持功能降低的又一重要原因。资料显示，海南人口增长较快，第五次人口普查与第四次相比，年均增长率为1.78%，高于全国平均增长率1.07%，第六次与第五次相比，增长速度有所减缓，但仍高于全国平均水平。人口数量的攀升不仅直接加剧了人类活动对生态系统的干扰［11］，还驱动了农田的扩张，造成人类对生态系统土壤保持功能的压力和负作用明显增加［46］。此外，为满足经济发展与国防建设的双重需要，自20世纪50年代以来，海南大面积掀起橡胶种植的热潮，橡胶林面积迅速上升，由此导致的开荒、毁林现象十分严重［18］。作为取代热带天然林和热带草地后形成的人工生态系统，橡胶林具有群落结构简单、物种组成单一、耗肥耗水和人为干扰频繁等特点，土壤保持功能较之热带雨林相差甚远［47］，建立在毁林基础上的橡胶林扩张必然导致海南岛生态系统土壤保持功能的退化。

综上所述，生态系统土壤保持功能对于维持海南岛的生态平衡至关重要，为加强生态系统管理与保护，遏制土壤保持功能退化，特提出以下建议:

(1)继续加强中部山区的保护 中部山区为海南岛的土壤保持做出了重要贡献(面积约为海南岛国土面积的1/4，土壤保持量的比重为46.74%)，对该区域的保护能有效控制土壤侵蚀，防止土地退化与河流淤积，维护海南岛的生态安全。

(2)严格保护天然林天然林具有强大的土壤保持能力(单位面积土壤保持量447.43 t·hm－2·a－1，约为橡胶林的1.5倍，旱地的6.3倍)，保土量约占海南岛土壤保持总量的37.45%，其生态效益显著高于橡胶林、农田等，以牺牲生态效益换取经济效益的做法是不明智的。另外，海南岛地区具有较强的植被恢复能力［48］，对于已发生植被退化的区域，可减少人为干扰，促进植被天然更新，迅速恢复其保持土壤的能力。

(3)取缔传统耕作方式，提高农业集约化程度 淘汰刀耕火种的耕作模式，通过间作、套种、轮作等提高复种指数，充分利用海南岛的气候资源，提高土地产出的同时增加农田植被覆盖，抑制农田扩张，达到经济效益与生态效益双赢。此外，复合农林业(如橡胶林下种植南药等)也具有较好的发展前景。

(4)权衡经济发展与土壤保持功能的关系 海南岛的经济发展和人口增长削弱了生态系统土壤保持功能(单位面积地区生产总值、单位面积第一产业生产总值、人口密度以及农田比例与单位面积土壤保持量显著负相关(P＜0.05)，橡胶林比例与土壤侵蚀强度显著正相关(P＜0.01))。在可持续发展与生态省建设的旗帜下，决策者大力发展经济的同时，不应忽略对土壤保持功能的保护。

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