基于RUSLE模型的吉林省濕地土壤保持服務(wù)功能研究

卞大偉,李洪偉，燕 紅，李偉東，李杰玲，陳 玲，張 然，馬瓊芳

(1.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130033；2.農(nóng)安縣開安鎮(zhèn)林業(yè)站,吉林 長春 130200；3.吉林省林業(yè)和草原局，吉林 長春 130021)

濕地植被的根系及堆積的植物體對濕地土壤有穩(wěn)固作用，濕地植被可以削減水流的沖力，攔蓄沉降沉積物。茂密的植被，加之地表有積水層或長期濕潤，水流緩慢，使?jié)竦赝寥烂馐茱L(fēng)蝕和水蝕的侵害[1]。土壤保持功能是濕地生態(tài)系統(tǒng)通過植被消減雨水的侵蝕能量，增加土壤抗蝕性，從而減輕土壤侵蝕，減少土壤流失，保持土壤的功能。土壤侵蝕可導(dǎo)致土壤和養(yǎng)分的流失、土地貧瘠、土層變薄、宜耕地減少等問題，土壤保持在維護區(qū)域生態(tài)安全中具有重要作用[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對土壤侵蝕量的研究層出不窮，從最初的定性評價向定量化計算邁進。其中，將“3S”技術(shù)與RUSLE結(jié)合對流域土壤侵蝕量的定量化評估是現(xiàn)階段研究的焦點[3,4]。自中國引入RUSLE模型以來，基于此模型的土壤侵蝕研究在小區(qū)域和小流域上有很多的應(yīng)用，而大尺度的研究相對較少[5]。土壤保持功能是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的一個重要方面，它為土壤形成、植被固著、水源涵養(yǎng)等提供了重要基礎(chǔ)，同時也為生態(tài)安全和系統(tǒng)服務(wù)提供了保障。本文基于修訂的通用水土流失方程(RUSLE)，結(jié)合GIS和RS技術(shù)，以Arcgis軟件作為平臺，遙感數(shù)據(jù)LandsatTM8和DEM為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)，定量化評估2013年和2017年吉林省濕地土壤保持服務(wù)功能，為吉林濕地保護和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

吉林省位于我國東北地區(qū)中部，地理位置40°52′～46°18′N，121°38′～131°19′E。地勢由東南向西北傾斜，東部山地、中部丘陵臺地、西部平原，呈東南高、西北低的特征。東部以森林為主，主要土壤類型有暗棕壤、棕壤、白漿土和泥炭土等；西部平原以草原和草甸草原為主，主要土壤類型有黑土、黑鈣土、栗鈣土以及草甸土、鹽土、堿土、風(fēng)沙土和沼澤土等。受西伯利亞氣候影響，屬顯著的北溫帶大陸性季風(fēng)氣候。全年平均氣溫3.5 ℃，年降水量為400～1 300 mm，由西北向東南逐步增加。吉林省是東北地區(qū)主要江河的河源省份，松花江、圖們江、鴨綠江、東遼河和綏芬河五大水系均發(fā)源于此。

吉林省濕地資源較為豐富，據(jù)2009年全省第二次濕地資源調(diào)查統(tǒng)計，全省共有濕地面積170.07萬hm2，濕地總面積占全省國土面積的9.08 %，除了水稻田，濕地面積99.76萬hm2，占全省土地總面積的5.5 %。濕地類型分為4類16型，河流濕地面積22.35萬hm2，包括永久性河流、季節(jié)性河流、洪泛平原濕地3型，占總面積的13 %；湖泊濕地面積11.20萬hm2，包括永久性淡水湖、永久性咸水湖、季節(jié)性咸水湖3型，占總面積的7 %；沼澤濕地面積52.74萬hm2，包括草本沼澤、灌叢沼澤、森林沼澤、內(nèi)陸鹽沼、季節(jié)性咸水沼澤、沼澤化草甸6型，占總面積的31 %；人工濕地面積83.77萬hm2，包括庫塘、輸水河、水產(chǎn)養(yǎng)殖場、稻田4型，占總面積的49 %，其中，水稻田面積70.31萬hm2，且年際間面積變化較大。

2材料與方法

2.1評估對象及時間

除水稻田外，所有的吉林省濕地類型都在本次評估范圍內(nèi)，包括河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地、人工濕地，面積共99.76萬hm2。第一次評估基準年為2013年，第二次評估基準年是2017年。

2.2數(shù)據(jù)來源

采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：覆蓋吉林省范圍的44幅30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)、20幅覆蓋吉林省LandsatTM8影像數(shù)據(jù)，行列號為：115/29、115/30、115/31、116/30、116/31、117/29、117/30、117/31、118/28、118/29、118/30、118/31、118/32、119/28、119/29、119/30、120/28、120/29、120/30、121/28，數(shù)據(jù)質(zhì)量好，投影為UTM/WGS84，數(shù)據(jù)為美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey，USGS)提供。吉林省濕地小班矢量圖，數(shù)據(jù)由吉林省林業(yè)廳(現(xiàn)吉林省林業(yè)和草原局)提供。吉林省土壤類型圖、土種數(shù)據(jù)、土壤樣品數(shù)據(jù)查詢于科學(xué)數(shù)據(jù)庫-中國土壤數(shù)據(jù)庫管理與共享平臺，各基礎(chǔ)圖件經(jīng)過幾何校正及重采樣后，用Arcgis10.0中的空間分析模塊進行計算。

2.3評估方法

2.3.1土壤保持量計算

土壤保持量采用修正的通用土壤侵蝕方程(RUSLE)，估算潛在的土壤侵蝕量和現(xiàn)實侵蝕量。潛在的土壤侵蝕量是指生態(tài)系統(tǒng)在沒有植被覆蓋和土壤保持措施情況下的土壤侵蝕量，現(xiàn)實土壤侵蝕量則是在現(xiàn)有植被覆蓋情況下，考慮土壤保持措施下的土壤侵蝕量[6,7]，二者之差即為土壤侵蝕強度差異量(M)。計算公式如下：

M=A0-A

A=B×K×LS×C×P

A0=B×K×LS

式中：A0為潛在侵蝕量；A為現(xiàn)實侵蝕量；B為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為地形坡長坡度因子；C為植被覆蓋因子；P為土壤保持措施因子。

各因子的計算方法如下：

降雨侵蝕力因子(B)值估算：降雨侵蝕力因子反應(yīng)降雨對土壤的擊濺作用和降雨引起的徑流對土壤的侵蝕作用，計算公式如下：

式中：Pi為月降雨量。

月降雨量數(shù)據(jù)來源于2017年統(tǒng)計年鑒，經(jīng)計算，吉林省各地區(qū)B值數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 吉林省各地區(qū)B值數(shù)據(jù)

土壤可蝕性因子(K)值估算：土壤可蝕性因子K值是對某一特定土壤固有可蝕性的一種定量描述，指單位降雨侵蝕力在標(biāo)準小區(qū)上所造成的侵蝕量，反映土壤侵蝕速度、土壤自身物理和化學(xué)性質(zhì)。土壤的K值是土壤屬性的反映，它也反映了土壤的抗蝕性能，K值大，土壤抗蝕性差，反之則強。本研究K值估算根據(jù)吉林省土壤普查數(shù)據(jù)和已發(fā)表的K值數(shù)據(jù)得到[8]。

地形因子(LS)值估算：LS是一個無量綱的復(fù)合地形因子，反映了坡長、坡度等地形因子對土壤侵蝕的綜合影響。坡長、坡度計算公式如下：

L=(λ/22.13)m

m=β(1+β)

β=(sinθ/0.089 6)/[3.0(sinθ)0.8+0.56]

式中：L為坡長因子；λ為柵格單元水平投影長度；m為坡長指數(shù)；β為細溝侵蝕和細溝間侵蝕的比率；θ為單元格的坡度；S為坡度因子。

L和S的乘積即為地形因子的值，坡度值由吉林省DEM圖獲得，以上所有的計算均在Arcgis10軟件的空間分析模塊中進行。

植被覆蓋度因子(C)值估算：植被對土壤侵蝕的影響與土地利用類型、植被覆蓋度關(guān)系密切，植被是影響土壤保持功能的敏感性因子，其防止土壤侵蝕的作用主要包括對降雨動量的削減作用、保水作用和抗侵蝕作用。C值估算采用如下公式：

一般認為，歸一化植被指數(shù)(NDVI)能比較真實反映植被的分布，植被覆蓋度與植被指數(shù)的回歸方程為[9]：

fc=108.49NDVI+0.717

式中：fc為植被覆蓋度/%；NDVI為歸一化指數(shù)。

土壤保持措施因子(P)：土壤保持措施因子是在其他條件相同的情況下，采取某一土壤保持措施的坡耕地土壤流失量與無任何土壤保持措施的坡耕地土壤流失量之比值，不同的土壤保持措施對坡地土壤流失量的控制作用是不同的。無任何土壤保持措施的P值為1，吉林省土壤保持價值只評價了自然濕地，土壤保持措施很少，所有P值統(tǒng)一賦為1。

2.3.2土壤保持價值估算

土壤保持價值包括防止土壤流失和減少土壤肥力流失兩個方面。減少土壤流失價值主要通過土壤保持量、植被面積、土壤容重計算，土壤保持量采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)估算潛在土壤侵蝕量和現(xiàn)實土壤侵蝕量計算，減少土壤肥力流失則通過土壤C/N/P/K元素含量和土壤保持量計算[1]。

土壤保持價值計算方法如下：

V=V1+V2

式中：V為土壤保持價值；V1為濕地板塊固土效益；V2為吉林省濕地保持土壤營養(yǎng)物質(zhì)價值。

2.3.2.1固土價值計算

采用土壤侵蝕強度差異量、植被斑塊面積、土壤容重和購買土壤造價計算濕地固土價值，具體公式如下：

V1=M÷R×S植被×Vsoil

式中：V1為濕地板塊固土效益；M為土壤侵蝕強度差異量；R為實測土壤容重；S植被為斑塊的植被面積；Vsoil為購買土壤的造價(根據(jù)工程土方單價8元·m-3)[10,11]。

2.3.2.2保持土壤營養(yǎng)物質(zhì)價值計算

土壤侵蝕時會將土壤中的總氮、總磷及總鉀帶走，保持土壤營養(yǎng)物質(zhì)價值的計算，以濕地保護下的土壤發(fā)生侵蝕后剩余的物質(zhì)元素價值作為濕地保持土壤營養(yǎng)物質(zhì)的價值。

V2=M×S植被×Y×T×Vhf

式中：V2為吉林省濕地保持土壤營養(yǎng)物質(zhì)價值；M為土壤侵蝕強度差異量；S植被為斑塊的植被面積；Y為實測土壤總氮、總磷及總鉀含量；T為調(diào)整系數(shù)，是指土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀折算為硫酸銨、過磷酸鈣和氯化鉀的系數(shù)，折算后的系數(shù)分別為4.762、3.737和1.667；Vhf為營養(yǎng)物質(zhì)的市場價格。

3結(jié)果與分析

3.1吉林省濕地土壤保持價值

經(jīng)估算，吉林省濕地土壤保持量為22.02萬t，土壤保持總價值為56.03億元，其中固土價值為15.15億元，保持營養(yǎng)物質(zhì)價值為40.88億元。

3.2吉林省各濕地類型土壤保持價值

圖1 吉林省各類型濕地土壤保持量

統(tǒng)計結(jié)果顯示(圖1)，一級濕地類型土壤保持量(t，占全省濕地土壤保持量百分比)排序為河流濕地(9.12萬t，41.42 %)>沼澤濕地(7.90萬t，35.88 %)>人工濕地(2.99萬t，13.58 %)>湖泊濕地(2.01萬t，9.12 %)。土壤保持價值(元，占全省濕地土壤保持價值百分比)排序為河流濕地(22.68億元，40.48 %)>沼澤濕地(18.29億元，32.64 %)>人工濕地(9.72億元，17.35 %)>湖泊濕地(5.34億元，9.53 %)。

表2 吉林省各類型濕地土壤保持價值

從表2中可以看出，濕地土壤保持量偏高的三個二級濕地類型是永久性河流、季節(jié)性咸水沼澤和庫塘，分別為8.84萬t、3.46萬t及2.32萬t，分別占全省濕地土壤保持量的40.15 %、15.71 %及10.54 %；濕地土壤保持量偏低的三個二級濕地類型是內(nèi)陸鹽沼、水產(chǎn)養(yǎng)殖場和洪泛平原濕地，分別為0.05萬t、0.05萬t及0.11萬t，分別占全省濕地土壤保持量的0.23 %、0.23 %和0.50 %。二級濕地類型土壤保持價值以永久性河流最高，為21.96億元，占全省濕地大氣組分調(diào)節(jié)總價值的39.19 %，其次是庫塘，為7.56億元(13.49 %)，季節(jié)性河流和季節(jié)性咸水湖偏低，分別為0.19億元(0.34 %)和0.17億元(0.30 %)。

3.3吉林省各行政區(qū)土壤保持價值

吉林省濕地土壤保持量偏高的三個地區(qū)是延邊州、通化地區(qū)和白山地區(qū)，分別為5.16萬t、4.92萬t及4.36萬t，分別占全省濕地土壤保持量的23.45 %、22.36 %和19.82 %；其次為吉林地區(qū)、長春地區(qū)和遼源地區(qū)，分別為3.38萬t、1.74萬t及0.79萬t，分別占全省濕地土壤保持量的15.34 %、7.89 %和3.60 %；濕地土壤保持量偏低的三個地區(qū)是四平地區(qū)、松原地區(qū)和白城地區(qū)，分別為0.66萬t、0.54萬t及0.45萬t，分別占全省濕地土壤保持量的3.01 %、2.47 %和2.06 %(見圖2)。

圖2 吉林省各行政區(qū)濕地土壤保持量分布

濕地土壤保持價值偏高的四個地區(qū)是吉林地區(qū)、白山地區(qū)、通化地區(qū)和延邊州，分別為13.21億元、11.32億元、10.77億元及10.11億元，分別占全省濕地土壤保持價值的23.58 %、20.20 %、19.21 %和18.05 %；其次為長春地區(qū)、松原地區(qū)、白城地區(qū)、四平地區(qū)和遼源地區(qū)，分別為3.65億元、2.75億元、2.43億元、1.30億元及0.48億元，分別占全省濕地土壤保持價值的6.51 %、4.91 %、4.34 %、2.33 %和0.86 %(見圖3)。東部山區(qū)土壤保持價值明顯大于西部平原區(qū)，主要原因在于，與西部平原區(qū)相比，東部山區(qū)坡度大、降雨量大、植被覆蓋度較大，因此，土壤潛在侵蝕量大，濕地涵養(yǎng)植被使實際侵蝕量變小，致使東部山區(qū)濕地防止土壤侵蝕價值整體較高，而西部平原區(qū)潛在侵蝕強度低，土壤保持價值也相應(yīng)偏低。因此，可以通過控制放牧等植被恢復(fù)措施，提高吉林省濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能。

圖3 吉林省各行政區(qū)濕地土壤保持價值

3.4土壤保持價值變化情況

與第一次評估相比，第二次評估吉林省濕地土壤保持功能有較大幅度提升，土壤保持量增加了8.72萬t，相應(yīng)的價值量也從33.83億元增加到56.03億元(見表3)。

表3 土壤保持功能變化

4討論與結(jié)論

目前，對濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的估算依然處于探索階段，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與自然資本的價值核算問題是一個世界性的難題，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的識別、定義、分類與評價方法的完善與應(yīng)用，需要進一步研究和探索。

估算結(jié)果表明，吉林省濕地土壤保持量為22.02萬t，土壤保持總價值為56.03億元，其中固土價值為15.15億元，保持營養(yǎng)物質(zhì)價值為40.88億元。一級濕地類型土壤保持量和土壤保持價值排序均為河流濕地>沼澤濕地>人工濕地>湖泊濕地，濕地土壤保持價值偏高的四個地區(qū)是吉林地區(qū)、白山地區(qū)、通化地區(qū)和延邊州。研究發(fā)現(xiàn)，東部山區(qū)濕地防止土壤侵蝕量比西部平原區(qū)大，主要原因是，東部山區(qū)植被以森林為主，林地的土壤保持量大于草地、水域等類型，水蝕情況相對較輕，最低值低于每年0.2 t·hm-2[12]，而吉林省西部地區(qū)植被以草本為主，對應(yīng)的單位面積土壤保持量比東部地區(qū)小，森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)是土壤保持功能的主體。此外，氣候因素和地形因素是影響研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的主要因素，東部山區(qū)坡度大，降雨量大，導(dǎo)致潛在的侵蝕量大。

吉林省濕地土壤保持功能的提升說明吉林省濕地資源狀況在逐步提升，一方面，濕地土壤保持價值的大小取決于濕地固土能力和保持土壤養(yǎng)分的能力，價值變化的主要原因是各地區(qū)降雨量、植被覆蓋度、土壤養(yǎng)分含量的變化。因此，可以通過植樹造林、控制放牧等植被恢復(fù)措施，提高吉林省濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能。另一方面，居民生活水平的提高，居民消費價格指數(shù)上升，間接從濕地獲取的調(diào)節(jié)服務(wù)價值增加。此外，評估結(jié)果充分反映了吉林省濕地生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)和資源保護工作取得顯著成效，近幾年初步形成了有效的濕地保護管理體系，自然濕地保護率由5年前的35 %增加到現(xiàn)在的45 %，退化濕地修復(fù)工程成效顯著，濕地土壤保持功能提升。