内蒙古锡林河流域草地生态系统土壤保持功能及其空间分布

张雪峰，牛建明，2*，张 庆，董建军，张 靖，3

（1．内蒙古大学生命科学学院，内蒙古呼和浩特010021；2．内蒙古大学中美生态、能源与可持续性科学研究中心，内蒙古呼和浩特010021；3．大连民族学院环境与资源学院，辽宁大连116600）

内蒙古锡林河流域草地生态系统土壤保持功能及其空间分布

张雪峰1，牛建明1，2*，张 庆1，董建军1，张 靖1，3

（1．内蒙古大学生命科学学院，内蒙古呼和浩特010021；2．内蒙古大学中美生态、能源与可持续性科学研究中心，内蒙古呼和浩特010021；3．大连民族学院环境与资源学院，辽宁大连116600）

草地生态系统是陆地表面最大的生态系统类型，其土壤保持功能对于维持敏感而脆弱的草地生态系统服务具有重要意义。在遥感和GIS技术支持下，采用改进的通用土壤流失方程（RUSLE）对内蒙古锡林河流域的土壤保持功能及其空间分布特征进行了研究。结果表明，全流域年土壤保持总量为1．65×108t／a，单位面积土壤保持量为168．18 t／hm2；流域土壤保持功能从上游至下游呈递减趋势；草甸草原的土壤保持功能最高，农田和典型草原其次，沙地植被和草甸最差；草地生态系统的土壤保持功能随植被覆盖度的增加呈非线性增长。可见，提高草地植被覆盖度，保持典型草原生态系统的结构与功能的完整性，有助于维持锡林河流域草地生态系统服务和区域生态安全。

草地生态系统服务；土壤保持功能；土壤侵蚀；锡林河流域

草地生态系统服务是指草地生态系统结构与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的环境条件与效用［1］。草地生态系统是陆地表面最大的生态系统类型，约占陆地总面积的20%，在陆地生态系统中占有极其重要的地位［2-3］。草地生态系统为人类提供肉类、奶类和毛皮制品等供给服务的同时，还提供防风固沙、涵养水源、保持土壤、调节气候和保护生物多样性等调节和支持服务［4-6］。当前，由于人类对草地生态系统供给服务的过分追逐导致了如草地生态系统退化、物种多样性减少、水土流失等一系列生态环境问题。因此，评价草地生态系统服务，对于制定区域生态保护和草地资源持续利用具有重要意义。

土壤保持功能是草地生态系统服务中一项重要的调节服务，近年来日益受到重视。由于在区域尺度上获取土壤侵蚀数据难度较大，目前多基于土壤流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）对区域土壤保持功能和价值进行研究与评价。许多学者分别对我国的海南岛、青藏高原和黄土高原等区域的生态系统土壤保持功能空间分布及经济价值进行了评估［7-11］，提高了人们对土壤保持功能及其价值的认识。近几年，由于生态系统服务的研究热点逐渐转向其相互作用机理和指标模型［12］，因而，生态系统土壤保持功能的研究也开始重视其空间定量化。陈龙等［13］在区域尺度上应用改进的通用土壤流失方程（Revised Universal Soil Loss Equation，RUSLE）对澜沧江流域生态系统的土壤保持功能及其空间分布进行了分析，取得了良好的效果；潘影等［14］在研究泾河流域生态系统服务相互关系时，得出土壤保持服务与粮食供给服务呈极显著负相关的结论；Wu等［15］在对北京周边土壤保持等五项景观服务空间定量化的同时，对其相互关系也进行了分析，结果显示土壤保持服务与生境保护服务存在极显著正相关性。这些研究都证实了土壤保持功能和价值在生态系统服务中的重要性。就草地生态系统而言，前人大多注重对草地生态系统土壤保持功能价值量的估算，而对其物质量的估算以及空间分布特征的分析研究存在不足［16-18］。本文在生态系统服务理论指导下，采用国际上应用广泛的改进通用土壤流失方程（RUSLE）和GIS技术，以内蒙古锡林河流域为对象，通过测算该区域草地生态系统的土壤保持量，分析不同草地植被类型及植被覆盖度对土壤保持功能的影响，试图阐明天然草地生态系统土壤保持功能与空间分布特征，旨在为锡林河流域草地生态系统服务评价和生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

锡林河流域地处内蒙古高原东部（43°26′－44°39′N，115°32′－117°12′E），流域总面积约9786 km2（图1）［19］。流域地势东南高西北低，东南部锡林河上游，最高处海拔为1505．6 m，西北部锡林河下游，最低处为902 m。本区气候属于大陆性温带半干旱气候，夏季较为暖湿，冬季寒冷干燥。年平均气温0℃左右，年平均降水量约350 mm，主要集中于6－8月［20］。本区土壤类型由东南向西北呈现出有规律的更替分布，即黑钙土带－暗栗钙土亚带－淡栗钙土亚带［20-21］。流域内植被以典型草原为主，约占植被总面积的78%，草甸草原也有分布。从空间上看，锡林河上游主要为贝加尔针茅（Stipa baicalensis）草原和线叶菊（Filifolium sibiricum）草原，中游为羊草（Leymus chinensis）草原和大针茅（S.grandis）草原，下游为克氏针茅（S.krylovii）草原和冷蒿（Artemisia frigida）草原。此外，境内还有沙地的分布［19，22］。

1．2 数据来源

锡林河流域年均降水量数据和月均降水量数据都来源于World Clim网站（http：／／worldclim．org）；锡林河流域土壤图（1∶20万）及土壤数据源于中国科学院植物研究所内蒙古草原生态系统定位研究站所测量的数据；DEM数据来自ASTER卫星图像的30 m×30 m数字高程模型；NDVI数据源于经过辐射定标、大气校正和几何校正的流域两景Landsat TM图像（2011年8月2日）。根据2009－2011年对锡林河流域进行野外植被调查时在127个样地采集的270个样方数据，建立锡林河流域植被分类系统（表1）和解译标志；使用eCognition 8软件对流域Landsat TM图像进行多尺度分割，经ArcGIS人机交互解译获得锡林河流域植被类型的空间分布。

1．3 研究方法

1．3．1 土壤保持量的计算 土壤保持功能可以用土壤保持量表示。采用广泛应用的RUSLE分别估算了锡林河流域现实土壤侵蚀量和潜在土壤侵蚀量。二者之差即为土壤保持量。da

潜在土壤侵蚀量是指假设无植被覆盖和水土保持措施时土壤的侵蚀量。不考虑地表覆盖因子和土壤保持措施因子，即C＝1，P＝1，此时，RUSLE的计算公式为：

现实土壤侵蚀量考虑了地表覆盖因子和土壤保持措施因子，其计算公式为：

由式（1）和（2），可计算土壤保持量为：

式中，Ap为潜在土壤侵蚀量（t／hm2·a）；Ar为现实土壤侵蚀量（t／hm2·a）；Ac为土壤保持量（t／hm2·a）；R是降雨侵蚀力因子（MJ·mm／hm2·h·a）；K是土壤可蚀性因子（t·hm2·h／MJ·hm2·mm）；LS分别是坡长和坡度因子，无量纲；C为植被覆盖和经营管理因子，无量纲；P为土壤保持措施因子，无量纲。各因子统一栅格单元为30 m×30 m，利用ENVI 4．7和ArcGIS 10．0软件计算和分析。各因子所采用的计算方法如下。

1．3．2 降雨侵蚀力因子（R） 降雨侵蚀力因子反映的是由降雨引起土壤潜在侵蚀能力的大小，是导致土壤侵蚀的首要因子。本文采用Wischmeier和Smith［23］提出的月尺度公式，对Hijmans等［24］建立的全球降雨量栅格数据进行计算，以获取降雨侵蚀力因子数据。

1．3．3 土壤可蚀性因子（K） 土壤可蚀性因子K是用来反映在坡面降雨过程中土壤性状对土壤流失量的影响，是指标准小区上单位降雨侵蚀力所引起的土壤流失率［25］。在流域尺度上，只需要土壤的颗粒组成和有机碳数据，先在MATLAB软件中完成土壤粒径转换［26］，再利用Sharpley和Williams［27］建立的土壤可蚀性因子K值的估算方法，完成土壤可蚀性因子K的空间化。

1．3．4 坡长坡度因子（LS） 坡长坡度因子也称地形因子，可以反映地形地貌特征对土壤侵蚀的作用。在流域尺度上，可以通过数字高程模型（DEM）来计算LS。本文采用Van Remortel等［28］开发的计算坡度和坡长的模型从DEM中提取LS因子。

1．3．5 植被覆盖和经营管理因子（C） 植被覆盖和经营管理因子C是指在其他条件相同的情况下，有植被覆盖或田间管理的土地土壤流失量与同等条件下裸地土壤流失量的比值，反映植被覆盖和田间管理措施对土壤侵蚀的影响，与土壤侵蚀量呈反比，对土壤侵蚀起抑制作用，其值介于0～1之间。由于C值与植被覆盖度之间具有良好的相关性，因此，本文利用NDVI值计算出流域内覆盖度，然后根据蔡崇法等［29］建立的覆盖度与C值的关系来计算。

1．3．6 土壤保持措施因子（P） 土壤保持措施因子P是指采取特定土壤保持措施下的坡地土壤流失量与相应未实施任何土壤保持措施的土壤流失量的比值，它反映的是水土保持措施对于土壤侵蚀的抑制作用。本文参考相关学者的研究结果结合当地的实际情况对P因子进行赋值［30］。耕地、建设用地、城镇及居民点、水域的P值分别为0．4，0．2，0，0，其余土地利用方式基本上没有采取土壤保持措施，因此取值为1。

2 结果与分析

2．1 锡林河流域土壤保持功能各因子空间分布

按照上述研究方法计算得出各因子的空间分布（图2）。可见，降雨侵蚀力因子从东南向西北方向逐渐减小（图2a）；土壤可蚀性因子在区域上沿锡林河两岸向外逐渐增大（图2b）；坡长坡度因子总体上无明显变化特征（图2c）；植被覆盖和管理因子与降雨侵蚀力因子的变化趋势相反，沿锡林河上游到下游逐渐变高（图2d）；土壤保持措施因子在流域中游地区变化较大，上游和下游基本没有变化（图2e）。

2．2 锡林河流域土壤保持功能空间分布

将锡林河流域土壤保持功能各因子代入改进的通用土壤流失方程中，计算得到流域土壤保持功能空间分布（图3）。结果显示，锡林河流域土壤保持总量为1．65×108t／a，单位面积土壤保持量为168．18 t／hm2。根据子流域的统计结果（表2），锡林河流域上游的土壤保持总量为81．61×106t／a，占全流域总土壤保持量的49．58%，远高于中游和下游。单位面积土壤保持量从上游到下游呈递减趋势（图3）。其中，上游的单位面积土壤保持量达到289．60 t／hm2，是中游和下游单位面积土壤保持量的近两倍。

2．3 不同类型草地植被的土壤保持功能

在锡林河流域各植被类型中，典型草原和草甸草原的土壤保持总量贡献最大，达到82．79%（表3）。其中，典型草原的土壤保持量为123．19×106t／a，占土壤保持总量的74．84%；其次为草甸草原，为13．09× 106t／a，占土壤保持总量的7．95%。不同草地植被类型土壤保持功能由强到弱依次为草甸草原＞农田＞典型草原＞沙地植被＞草甸＞其他。其中，草甸草原的单位面积土壤保持量最高，为670．15 t／hm2，其次为农田和典型草原，分别为308．76和160．04 t／hm2。

从图4中可以看出，克氏针茅草原的土壤保持量最高，为63．49×106t／a，占土壤保持总量的38．57%，其次为大针茅草原和羊草草原，分别为28．74×106t／a和22．76×106t／a，分别占土壤保持总量的17．47%和13．77%。单位面积土壤保持量以中生杂类草草甸草原最高，达到670．15 t／hm2，其次为羊草草原，为466．71t／hm2。此外，农田也具有一定的土壤保持能力，为308．76 t／hm2，高于大针茅草原和克氏针茅草原等其他草地植被类型。

总体来看，锡林河流域草地生态系统的土壤保持能力较强，但草地生态系统内部土壤保持功能差距明显。典型草原是流域草地生态系统的主体，占流域总面积的78．65%，但其单位面积土壤保持量却只有草甸草原的1／4。因此，提高典型草原的单位面积土壤保持能力成为流域土壤侵蚀防治的重要措施。典型草原内部土壤保持能力差异较大，羊草草原单位面积土壤保持量是大针茅草原的近2倍，大针茅草原单位面积土壤保持量是克氏针茅草原的近2倍。引起这种差异的原因可能是流域典型草原的退化和人类高强度放牧利用［31-35］。

2．4 植被覆盖度对草地生态系统土壤保持功能的影响

锡林河流域的气候、地形地貌、土壤质地、草地生态系统结构和功能等因素都对流域草地生态系统的土壤保持功能有着重要的影响，植被覆盖度尤为重要，两者具有非常显著的相关性（图5）。整体上看，锡林河流域草地生态系统土壤保持功能随植被盖度的增加呈非线性增长。当植被覆盖度小于35%时，单位面积土壤保持量随植被覆盖度的增大而缓慢增加；当植被覆盖度维持在35%～70%之间时，草地生态系统的单位面积土壤保持量随植被覆盖度的增加而基本维持在100 t／hm2左右；当植被覆盖度大于70%时，土壤保持功能随植被覆盖度的增加而急剧增大。因此，大幅度地增加植被覆盖度有利于提高草地生态系统土壤保持功能，促进生态系统服务的维持与发挥。

3 讨论

锡林河流域草地生态系统具有很强的土壤保持能力。研究结果显示，本区草地生态系统土壤保持量与青藏高原草地生态系统的平均单位面积土壤保持量相当，低于澜沧江流域，而大于海南岛［7-8，10，13］。与青藏高原草地生态系统土壤保持相当的主要原因是锡林河流域地处蒙古高原，两者都以草地生态系统为主，生态系统的结构具有一定的相似性；小于澜沧江流域的原因可能是本流域年平均降水量较低，地形起伏较小，生态系统的结构较西南地区简单，潜在土壤侵蚀量普遍较西南地区低；大于海南岛的原因是海南地处热带地区，以热带雨林生态系统为主，但降水量丰富，地形复杂，现实土壤侵蚀量大，因而土壤保持功能相对较低。可见，内蒙古温带草原区的土壤保持功能在内蒙古乃至国家北方生态屏障建设中具有相当重要的地位。从土壤保持的机制来看，植被覆盖和经营管理因子是本区土壤保持的重要因素之一。土壤保持功能受综合因素影响，但植被通过改变地表粗糙度、地表水分环境和各种动力场的时空变化来减弱土壤侵蚀动力强度，从而起到土壤保持的作用［36］。在RUSLE模型的各因子中，从流域尺度上看，降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡度和坡长因子，在一定时间内可以认为相对稳定，草地也未采取任何土壤保持措施，只有植被覆盖和经营管理因子易受到人类活动的干扰，使植被覆盖度、植物群落组成和植被结构发生改变，而对流域土壤保持造成影响。因此，实际工作中，可依据土壤保持的机制，因地制宜，采取有针对性的防治措施来提高研究区的土壤保持能力。

锡林河流域上游的土壤保持功能对于全流域草地生态系统服务和生态安全都起到非常重要的作用。从其草地生态系统土壤保持功能的空间特征来看，土壤保持功能从上游到下游呈下降趋势。其中，上游的土壤保持量占流域总土壤保持量的49．58%，远高于中游和下游。从植被分布上看，锡林河上游主要分布着大针茅草原和羊草草原，这些植被类型一旦遭到破坏，土壤侵蚀将会剧增，从而严重削弱锡林河流域草地生态系统服务。另一方面，锡林河流域上游是联合国教科文组织认定的国际生物保护区的核心区，因此，着重对锡林河流域上游草地生态系统结构与功能的保护，有利于全流域草地生态系统服务的维持和可持续利用。

增加植被覆盖度是该区域控制土壤侵蚀，提高生态系统土壤保持功能的有效途径之一。研究发现，草地生态系统土壤保持功能随植被覆盖度的增加呈现非线性增长的趋势，当草原群落植被的覆盖度在70%～80%之间时，其平均单位面积土壤保持量可达到160．04 t／hm2，可见提高植被覆盖度可以显著提升草地生态系统土壤保持能力。另一方面，加强退化草地生态系统的恢复对于提高流域生态系统土壤保持功能也具有重要作用。研究表明，草地生态系统的结构对于土壤保持功能影响显著，草地退化以后，其单位面积土壤保持量明显降低，以典型草原为例，克氏针茅草原单位面积土壤保持量明显低于大针茅草原和羊草草原。然而从图4可知，克氏针茅草原的土壤保持量在流域占有重要地位，是该区域土壤保持总量的38．57%，究其原因，主要是由于其分布面积最大所导致的。可见，合理地保护与利用不同类型的草地资源，加快流域退化草地生态系统的恢复进程，有助于改善草地生态系统的结构，加强土壤保持功能。总之，就生态系统土壤保持功能而言，当前牧区推行的草畜平衡、休牧禁牧、生态补偿奖励机制等政策与措施，均能够从提高植被覆盖度和改善群落结构两个方面增强草原生态系统的土壤保持能力，因此对于锡林河流域生态系统服务的维持乃至区域生态安全都至关重要［37］。

在土壤保持功能计算过程中尚存在一些不足：首先，各因子初始数据精度不一致，可能会产生误差。其次，各因子计算过程中产生的误差，如计算降雨侵蚀力因子时，对降水量空间数据产品进行重采样，数据精度有限；计算土壤可蚀性因子时，采用前人的土壤颗粒组成和有机碳数据成果［21］，数据现势性不强。尽管存在上述问题，估算结果也有待于进一步验证。但在区域尺度上开展土壤保持功能研究时，应用RUSLE模型、GIS和遥感技术，仍然是一种可行而有效的技术途径［13］。

4 结论

研究表明，内蒙古锡林河流域草地生态系统具有很强的土壤保持能力，但土壤保持功能空间差异性明显。从锡林河上游到下游土壤保持能力呈下降趋势。其中，东南部上游土壤保持功能较强，西北部下游土壤保持功能较弱。流域内不同类型草地植被的土壤保持功能差异显著，草甸草原的土壤保持功能最高，农田和典型草原次之，沙地植被和草甸最差。增加植被覆盖度是提高流域土壤保持功能的有效途径之一。下一步针对当前存在估算数据精度不一致以及结果验证问题，一方面，加强相关数据的收集，提高初始数据精度；另一方面，加强实测数据监测，为验证估算结果提供依据，使其能更科学的对流域草地生态系统土壤保持功能进行评估。

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Soil conservation function and its spatial distribution of grassland ecosystems in Xilin River Basin，Inner Mongolia

ZHANG Xuefeng1，NIU Jianming1，2*，ZHANG Qing1，DONG Jianjun1，ZHANG Jing1，3
1.College of Life Sciences，Inner Mongolia University，Hohhot 010021，China；2.Sino-US Center for Conservation，Energy，and Sustainability Science，Inner Mongolia University，Hohhot 010021，China；3.College of Environment and Resources，Dalian Nationalities University，Dalian 116600，China

Grasslands represent the most extensive ecosystems on earth．Soil conservation is vital for maintaining grassland ecosystem services．Using RS and GIS technologies，the soil conservation function and its spatial distribution characteristics in grassland ecosystems of the Xilin River Basin，Inner Mongolia，China，are assessed using the RUSLE model．The results show that the quantity of soil conserved was 168．18 t／ha，and 1．65×108t／a across the whole basin．The spatial variation of soil conservation capability reveals a declining trend from upper to lower catchment areas．The meadow steppe had the highest soil conservation capability，followed by farmland and typical steppe；sandy soils had the poorest capability．The soil conservation capability of grassland ecosystems increased non-linearly with increasing vegetation coverage．Sustaining grassland ecosystem services in the Xilin River Basin can be achieved by increasing vegetation coverage，while maintaining the structure and function of the typical steppe．

grassland ecosystem services；soil conservation function；soil erosion；Xilin River Basin

10．11686／cyxb20150103 http：／／cyxb．lzu．edu．cn

张雪峰，牛建明，张庆，董建军，张靖．内蒙古锡林河流域草地生态系统土壤保持功能及其空间分布．草业学报，2015，24（1）：12-20．

Zhang X F，Niu J M，Zhang Q，Dong JJ，Zhang J．Soil conservation function and its spatial distribution of grassland ecosystems in Xilin River Basin，Inner Mongolia．Acta Prataculturae Sinica，2015，24（1）：12-20．

2013-12-18；改回日期：2014-02-25

国家重点基础研究发展计划（973）项目（2012CB722201），国家科技支撑计划课题（2011BAC07B01），国家自然科学基金（31060320）和现代农业产业技术体系建设专项资金资助。

张雪峰（1983-），男，内蒙古包头人，在读博士。E-mail：xfzhang2003＠163．com *通讯作者Corresponding author．E-mail：jmniu2005＠163．com