用RS和GIS技術(shù)評價(jià)福建省長汀縣土壤保持功能對生態(tài)系統(tǒng)變化的響應(yīng)

武國勝，林惠花，曾宏達(dá)

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院， 福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 福州 350007

用RS和GIS技術(shù)評價(jià)福建省長汀縣土壤保持功能對生態(tài)系統(tǒng)變化的響應(yīng)

武國勝1,2,*，林惠花1,2，曾宏達(dá)1,2

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院， 福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 福州 350007

人類活動直接影響生態(tài)系統(tǒng)的變化,而生態(tài)系統(tǒng)變化又改變著其土壤保持功能。通過對生態(tài)系統(tǒng)及其土壤保持量變化的對比分析可以發(fā)現(xiàn)兩者間響應(yīng)機(jī)制,分析水土保持工作的得失,并進(jìn)而為下一步治理提供指導(dǎo)。基于eCognition平臺利用landsat影像解釋出長汀縣2000、2010和2016年的生態(tài)系統(tǒng)類型,并利用RULSE模型定量評估土壤保持功能,探討土壤保持量相對于生態(tài)系統(tǒng)變化的響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明：2000—2016年間,長汀縣生態(tài)系統(tǒng)變化主要表現(xiàn)為兩大特征：其一是低覆蓋類型向高覆蓋類型轉(zhuǎn)變,表現(xiàn)為稀疏林大量地轉(zhuǎn)為常綠闊葉林和常綠針葉林,研究期內(nèi)稀疏林減少14729.38hm2(減幅56.75%),而常綠闊葉林和常綠針葉林分別增加6791.50hm2(增幅23.21%)、10228.07hm2(增幅5.80%)；其二是受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動,大量耕地和常綠針葉林轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)和茶果園,研究期內(nèi)城鎮(zhèn)、茶果園分別增加4469.14hm2(增幅85.43%)、1949.32hm2(增幅69.38%)。研究期內(nèi)全縣土壤保持量顯著提高,單位面積土壤保持量從2000年217.32t hm-2a-1提高2016年246.02t hm-2a-1。各生態(tài)系統(tǒng)中,常綠闊葉灌叢和常綠闊葉林土壤功能最強(qiáng),單位面積土壤保持量大于277t hm-2a-1,而城鎮(zhèn)土壤保護(hù)功能最弱,單位面積土壤保持量低于65t hm-2a-1；研究期內(nèi)大部分生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持能力有不同程度提高,只有城鎮(zhèn)和茶果園下降,單位面積土壤保持量分別減小21.03t hm-2a-1和16.74t hm-2a-1,這說明城鎮(zhèn)和茶果園迅速擴(kuò)張可能引發(fā)新的水土流失。從空間上看,土壤保持量提高的區(qū)域占全縣96.5%,其中東北部森林區(qū)和中南部增幅最顯著,說明了十幾年的水土流失綜合治理工作極具成效；另一方面土壤保持量下降的區(qū)域散布于人類活動較頻繁的各個(gè)山間盆谷,其中汀州、大同最為集中,迅速的城鎮(zhèn)化與茶果園開發(fā)是造成保土功能下降的主要原因。

生態(tài)系統(tǒng)；土壤保持功能；響應(yīng)；長汀縣

土壤保持功能是生態(tài)系統(tǒng)重要的服務(wù)功能之一[1-4],在維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全中具有重要作用[5],它是在水土保持過程中所采用的各項(xiàng)措施對保護(hù)和改良人類及人類賴以生存的自然環(huán)境條件的綜合效用[6]。水土流失治理工作的目的在于增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的水土保持功能,從而降低水土流失的危害。人類活動導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的變化,而不同的生態(tài)系統(tǒng)類型下地表徑流和土壤侵蝕差異顯著,也就是說生態(tài)系統(tǒng)類型與其土壤保持功能之間存在密切關(guān)系[7-8]。生態(tài)系統(tǒng)的變化必然導(dǎo)致水土保持功能的反應(yīng),人類的水土保持工作很大程度上是通過改變生態(tài)系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)提高其水土保持功能。因此通過對生態(tài)系統(tǒng)及其土壤保持功能時(shí)空變化對比研究可以找出兩者間作用機(jī)制,分析前期水土保持工作的得失,并進(jìn)而為今后治理提供指導(dǎo)。

當(dāng)前對水土保持生態(tài)服務(wù)功能的研究多集中于對其價(jià)值量的評估[9-12],在研究方法多依賴統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或監(jiān)測數(shù)據(jù)[13-15],難以反映水土保持功能的空間變化特征。利用GIS與RS技術(shù)從時(shí)空演變的角度探討生態(tài)系統(tǒng)與土壤保持功能相互關(guān)系的研究則較為少見[2-4,16-21]。

福建省長汀縣是我國典型的南方丘陵紅壤侵蝕區(qū),歷史上水土流失歷史長,面積大,程度重。自20世紀(jì)40年代就開展了水土流失治理工作,但治理效果卻時(shí)有反復(fù)。從2000年開始福建省政府將長汀縣水土流失綜合治理列為福建省為民辦實(shí)事項(xiàng)目之一,每年撥巨額資金對該地區(qū)水土流失進(jìn)行持續(xù)攻堅(jiān)治理。十多年來該地區(qū)土壤侵蝕問題得到根本性好轉(zhuǎn),生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的變化。分析生態(tài)系統(tǒng)類型及土壤保持功能時(shí)空變化規(guī)律,揭示土壤保持功能對生態(tài)系統(tǒng)變化響應(yīng)規(guī)律,對鞏固現(xiàn)有的治理成效,減少不當(dāng)?shù)娜祟愋袨榫哂兄匾默F(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長汀縣為福建省西部內(nèi)陸山區(qū)縣,位于東經(jīng)116°02′—116°40′,北緯25°04′—26°02′之間,處武夷山脈南端東側(cè),汀江上游,土地面積3099km2。境內(nèi)地形破碎,嶺谷相間,低山、丘陵占71%。屬濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候,年均降水量約1700mm,3—6月降水量占全年60%以上。由花崗巖發(fā)育的紅壤分布廣,抗蝕力弱。由于長期受人為活動影響,原始植被幾乎全部為次生森林植被所代替,常見的為針葉林、次生常綠闊葉林、灌木林等。

1.2 數(shù)據(jù)與處理

數(shù)據(jù)包括長汀及周邊各雨量站近30年月降水量數(shù)據(jù),研究區(qū)第二次土壤普查圖(1991年),林業(yè)調(diào)查小班數(shù)據(jù)(2009年、2011年),1∶5萬地形圖和行政區(qū)圖,將其中紙質(zhì)圖數(shù)字化,而后全部數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標(biāo)。遙感數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),分別是2000年1月27日的ETM、2010年1月14日的TM和2016年3月3日OLI,對經(jīng)幾何精校正、輻射校正后,利用像元二分法計(jì)算出植被覆蓋度；另外基于易康軟件(eCognition),借助實(shí)地調(diào)查、林業(yè)調(diào)查輔助數(shù)據(jù),經(jīng)建立判讀標(biāo)志、影像分割、建立分類規(guī)則集、初始分類、人機(jī)交互修改后得到生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù),經(jīng)檢驗(yàn)2010年和2016年總精度達(dá)91%以上,2000年達(dá)89%以上。

1.3 研究方法

生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能可通過其土壤保持量來反映,而土壤侵蝕量直接影響土壤保持量。目前國內(nèi)外評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)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和交易的綜合評價(jià)模型(In VEST)、風(fēng)蝕預(yù)報(bào)模型(WEPP)、荷蘭模型(LISEM)和歐洲水蝕預(yù)報(bào)模型(EROSEM)等模型,其中利用USLE和RUSLE模型評價(jià)土壤保持功能較多,應(yīng)用也比較成熟。USLE模型是經(jīng)驗(yàn)性模型,不能描述土壤侵蝕的物理過程,存在一定的局限性,而RUSLE模型糾正了USLE分析中的錯誤,采用獨(dú)立參數(shù)方法,打破了繁瑣的參數(shù)計(jì)算,方便簡捷,預(yù)測結(jié)果更準(zhǔn)確,實(shí)用性較強(qiáng)。于博威[16]、蔣春麗[17]、張靜等[18-20]眾多學(xué)者利用RUSLE模型評估土壤保持量均取得較好效果。因此本研究采用RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)模型計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量,以評估其土壤保持功能強(qiáng)弱。土壤保持量為潛在侵蝕量與實(shí)際侵蝕量的差值,公式為：

SC=SEp-SEa=R·K·LS·(1-P·C)

(1)

式中,SC為土壤保持量(t hm-2a-1)；SEp為潛在土壤侵蝕量(t hm-2a-1)；SEa為實(shí)際土壤侵蝕量(t hm-2a-1)；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1)；LS為地形因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

1.3.1 降水侵蝕力(R)

降水侵蝕力表征了降水引起土壤發(fā)生侵蝕的潛在能力,很多學(xué)者根據(jù)其研究區(qū)特點(diǎn)提出降水侵蝕力計(jì)算模型。為反映本研究區(qū)特點(diǎn),本文采用周伏建等[22]建立的適用于福建省的R值計(jì)算公式：

(2)

式中,Pi為多年月均降雨量(mm),由于原公式為英制單位,因此需乘以單位轉(zhuǎn)換系數(shù)17.02,以轉(zhuǎn)換成公制單位。

1.3.2 土壤可蝕性因子(k)

土壤可蝕因子反映土壤性質(zhì)對侵蝕敏感程度。不同的土壤類型K值大小不同,其估算方法很多,應(yīng)用較廣泛的是Williams等提出的EPIC計(jì)算模型[23]。方綱清等人[24]利用該模型成功地計(jì)算出福建省主要土壤K值,并被眾多學(xué)者采用。因此本研究參考福建土壤普查資料采用該模型并估算研究區(qū)土壤可蝕因子,公式為：

(3)

式中,SAN、SIL、CLA、C分別是砂粒、粉粒、粘粒和有機(jī)碳含量(%),SNI=1-SAN/100。原公式K值為美制單位,這里乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.1317,得到公制單位土壤可蝕因子。

1.3.3 坡長-坡度因子(LS)

坡長-坡度因子是影響土壤侵蝕的基本地理特征要素,大區(qū)域的坡長坡度因子只能通過DEM數(shù)據(jù)提取。由于RUSLE模型中對該因子的計(jì)算方法不適合坡度大于11.3°的地區(qū),而長汀縣有很多區(qū)域坡度大于11.3°。因此本文對該因子計(jì)算參考McCool[25]和劉寶元等人[26-27]的坡長-坡度的修正公式,公式為：

(4)

式中,S為坡度因子；L為坡長因子；θ為坡度(°)；λ為坡長(m)。

1.3.4 植被覆蓋與管理因子(C)

植被覆蓋與管理因子反映植被覆蓋和作物管理措施對土壤侵蝕的影響,界于0—1之間。由于植被覆蓋度和該因子之間有較強(qiáng)的相關(guān)性,本文利用蔡崇法的坡面產(chǎn)沙與植被覆蓋度的關(guān)系式[28]計(jì)算C值,公式為：

(5)

式中,fc為植被覆蓋度,注意計(jì)算時(shí)只保留一個(gè)小數(shù)。

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,土壤侵蝕量相對于順坡種植時(shí)土壤侵蝕量的比例,其值在0—1之間;一般采用經(jīng)驗(yàn)賦值,楊冉冉[29]、傅水龍[21]等人利用此方法計(jì)算出長汀縣不同土地類型P值。長汀縣是全國重點(diǎn)水土流失綜合治理區(qū),全境范圍內(nèi)實(shí)施多種水保措施治理水土流失問題,且涉及各種生態(tài)系統(tǒng)類型。鑒于這種情況,本文選取熟悉研究區(qū)水保工作情況的學(xué)者,利用德爾菲法對當(dāng)?shù)夭煌纳鷳B(tài)系統(tǒng)類型進(jìn)行P因子賦值,結(jié)果為：常綠闊葉林0.2、常綠針葉林0.4、稀疏林0.7、常綠灌木0.7、草0.7、茶果園0.4、水田0.01、旱地0.4、城鎮(zhèn)1、裸地1、濕地0。

按上述方法計(jì)算出各因子圖層,并轉(zhuǎn)換為柵格大小為30m×30m的GRID數(shù)據(jù),應(yīng)用ArcGIS柵格計(jì)算功能,得到土壤保持量SC(t hm-2a-1)(圖1)。

圖1 長汀縣2000、2010、2016年單位面積土壤保持量分布圖Fig.1 The distribution of soil retention in Changting County form 2000 to 2016

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)類型構(gòu)成及變化

遙感解譯結(jié)果顯示，研究期內(nèi)長汀縣生態(tài)系統(tǒng)以常綠針葉林為主,2016年面積186424.85hm2,占國土總面積的60.07%；常綠闊葉林其次,面積36057.61hm2,比重11.62%,如加上稀疏林則比例達(dá)75.31%,可見研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成以森林為主體；裸地和濕地的面積較小,分別為153.92hm2和2052.96hm2,占0.05%和0.66%。

研究期內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)面積持續(xù)增加的有：常綠針葉林、常綠闊葉林、城鎮(zhèn)、茶果園,其中增量最大的是常綠針葉林,增加10288.07hm2,增幅5.80%,其次為常綠闊葉林6791.50hm2,增幅23.21%。另外城鎮(zhèn)和茶果園雖然面積增加量不是最大,但增幅卻分居第一和第二,分別為85.42%(4469.14 hm2)、69.38%(1949.32 hm2)；面積變化表現(xiàn)為持續(xù)減少的有：稀疏林、常綠闊葉灌叢、草地、水田、旱地、濕地,其中減量最大的是稀疏林,面積減少14729.38hm2,降幅達(dá)56.75%,其次是闊葉灌叢和草地,分別為4257.04、3309.99hm2,減幅分別是13.22%和46.14%；面積變化表現(xiàn)為波動型的只有裸地,2000—2010年間增加8.01 hm2,2010—2016年間減少42.37 hm2(表1)。

表1 長汀縣2000年至2016年生態(tài)系統(tǒng)類型構(gòu)成與變化

2.2 生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換特征

從2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移矩陣可以看出：常綠闊葉林面積擴(kuò)張,主要源于草地、常綠闊葉灌叢和稀疏林的轉(zhuǎn)入,面積分別3056.76、1980.27hm2和1734.03hm2；常綠針葉林作為10年來面積增加最大生態(tài)系統(tǒng)類型,主要是由于稀疏林、常綠闊葉灌叢和草地的轉(zhuǎn)入,分別是6558.75、1891.53hm2和1576.35hm2；城鎮(zhèn)擴(kuò)張侵占了大量的水田和常綠針葉林,分別為2905.56 hm2和1095.93hm2；而茶果園侵占了大量的水田和草地,分別是943.56、358.02hm2,面積增幅較大；稀疏林轉(zhuǎn)入較少,但卻大量地轉(zhuǎn)為常綠針葉林、水田和常綠闊葉林,其中僅水田就達(dá)3678.03hm2,成為面積減少最大的生態(tài)類型；草地也由于大量轉(zhuǎn)移為常綠闊葉林和針葉林,面積迅速減小(表2)。

從2010—2016年生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移矩陣來看：常綠針葉林的增加,主要是由于稀疏林、常綠闊葉林的轉(zhuǎn)入所造成,面積分別為2820.06、1856.7hm2；常綠闊葉林的增加,主要來源于闊葉灌叢和常綠針葉林的轉(zhuǎn)入,分別為1598.31hm2和1467.72hm2；城鎮(zhèn)由于侵占大量的水田(1100.97hm2)而迅速擴(kuò)張；茶果園則主要侵占了大量的常綠針葉林(889.83hm2)、水田(544.5hm2)而增加(表3)。

表3 研究區(qū)2010—2016年生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移矩陣

通過上述分析可以看出,長汀縣生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成以森林類為主體,其中常綠針葉林和闊葉林比重最高。16年來生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化表現(xiàn)兩個(gè)明顯特點(diǎn)：1)常綠針葉林和闊葉林這些植被覆蓋度較高的類型面積逐步擴(kuò)大,而稀疏林這類覆蓋度較低的類型面積大幅度減少,這正是治理水土流失,改造低效林,改善森林結(jié)構(gòu)的成效體現(xiàn)；2)受城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)使,城鎮(zhèn)迅速擴(kuò)張,而在農(nóng)村農(nóng)民為了追求經(jīng)濟(jì)效益,大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)林,致使茶果園增幅顯著。

2.3 各生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量變化特征

研究期內(nèi)長汀縣生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量逐步提高,單位面積土壤保持量2000年為217.32t hm-2a-1,2010年235.16t hm-2a-1,2016年則增加到246.02t hm-2a-1,同期年土壤保持量分別為6743.95、7287.57、7634.58萬t,總增幅為13.21%。

從各生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量來看,單位面積土壤保持量以常綠闊葉灌叢和常綠闊葉林最高,2016年分別為321.66、285.75t hm-2a-1,最低是城鎮(zhèn),僅為44.59t hm-2a-1,其次為裸地,為76.54t hm-2a-1。需要特別指出的是水田單位面積土壤保持量表現(xiàn)較低,是由于本研究所采用的遙感數(shù)據(jù)是1—3月初,這個(gè)時(shí)期水田基本無植被覆蓋,致使其土壤保持量偏低。而實(shí)際上由于水田均有田埂包圍,發(fā)生水土流失的程度很低,因此不將它與其他生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行對比(表4)。

表4 長汀縣2000—2016年各生態(tài)系統(tǒng)類型土壤保持量

從研究期內(nèi)單位面積土壤保持量變化來看,除城鎮(zhèn)和茶果園外,其它生態(tài)類型均有不同程度提升,其中以稀疏林最突出,增加67.49t hm-2a-1。這說明16年來長汀水土流失治理工作取得了顯著成效,大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)類型植被覆蓋度升高,土壤保持功能增強(qiáng)。而與此相反,城鎮(zhèn)和茶果園的單位面積土壤保持量下降,分別降低了21.03t hm-2a-1和16.74t hm-2a-1,這是由于研究期內(nèi)這兩類生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)張迅速,大量的新建設(shè)城鎮(zhèn)和新開墾茶果園,地形條件較差,植被覆蓋度較低,致使其平均土壤保持功能有所下降。

從年土壤保持量來看,常綠針葉林無論是年保土總量還是增加量(666.12萬t)均居首位,這是由于它的面積最大同時(shí)面積增量也最大所造成的；第二位是常綠闊葉林,研究期內(nèi)年土壤保持量增加了218.81萬t,這兩類生態(tài)系統(tǒng)對長汀土壤保持起主要作用。而稀疏林、草地和常綠闊葉灌叢的年土壤保持總量表現(xiàn)為減少,正是它們的面積大幅度減少的結(jié)果。城鎮(zhèn)和茶果園在單位面積土壤保持量下降情況下,年土壤保持總量卻有所上升,恰恰反映了研究期內(nèi)它們的面積大幅增長。

2.4 土壤保持量變化的空間分布特征

將2000與2010、2016年的單位面積土壤保持量圖分別疊加分析,可以看出研究期內(nèi)單位土壤保持量增加的區(qū)域占全縣絕大部分,達(dá)96.5%?？臻g分布廣泛而均勻,但還是可以看出增加量高于30t hm-2a-1有兩個(gè)相對集中區(qū),一是東北部區(qū)域,這是全縣最重要的林區(qū),集中分布大量的常綠闊葉林和針葉林；二是中南部區(qū)域,這里是全縣水土流失治理項(xiàng)目最集中區(qū)。

單位面積土壤保持量下降的區(qū)域,面積較小,僅占全縣3.5%,空間分布上呈現(xiàn)大分散,小集中的特征。與地形圖對比會發(fā)現(xiàn),該區(qū)域主要分布于山間盆谷,這些都是人類社會經(jīng)濟(jì)活動集中區(qū),城鎮(zhèn)和茶果園多分布于此,其中北部的汀州和大同,土壤保持下降最顯著,而這里正是長汀縣城所在地,也是城鎮(zhèn)化最強(qiáng)烈的區(qū)域(圖2)。

圖2 長汀縣2000—2010年和2000—2016年單位面積土壤保持變化量Fig.2 The change of soil retention per unit area during 2000—2010 and 2000—2016

3 討論

(1)當(dāng)前,國內(nèi)外關(guān)于土壤保持功能評估的模型有很多類型,包括USLE、RUSLE、In VEST和WEEP等等,對于不同區(qū)域特征和不同的空間尺度,適用的模型也不同,實(shí)際運(yùn)用中必須根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r采用相應(yīng)的模型進(jìn)行估算,其中重點(diǎn)是各模型因子的算法選取以及模型參數(shù)能適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l件。本研究在分析研究區(qū)實(shí)際情況基礎(chǔ)上,經(jīng)過對比分析,選擇基于RUSLE模型的生態(tài)系統(tǒng)保土功能評價(jià)方法,并從眾多的因子算法中選定比較適合長汀的計(jì)算方法。將本研究的土壤保持量數(shù)據(jù)與福建省水土保持監(jiān)測站公布的2000、2010年長汀土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)對比,發(fā)現(xiàn)兩者在空間分布上存在較強(qiáng)負(fù)相關(guān),并且同筆者實(shí)地調(diào)查情況相吻合,說明了本研究方法是可行。

(2)本研究從生態(tài)系統(tǒng)變化角度探討了土壤保持功能對它的時(shí)空響應(yīng)特點(diǎn),這也是本研究特色。研究中發(fā)現(xiàn)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤保持能力有一定差異,表現(xiàn)為常綠闊葉灌叢>常綠闊葉林>草地>常綠針葉林>稀疏林、茶果園>旱地>城鎮(zhèn),城鎮(zhèn)和茶果園的土壤保持能力較弱。將旱地改造成茶果園有助于提高土壤保持量,但實(shí)際上茶果園的擴(kuò)張主要來自于常綠針葉林,而城鎮(zhèn)的擴(kuò)張主要靠侵占水田和常綠針葉林,這必然會導(dǎo)致這一部分區(qū)域的土壤保持功能減弱,可見快速城鎮(zhèn)化和大量開墾茶果園對于水土保持來說存在一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。另外常綠闊葉灌叢和草地的保土能力均優(yōu)于常綠針葉林。但這兩種生態(tài)類型的經(jīng)濟(jì)效益較低,而常綠針葉林多是用材林,具有較高經(jīng)濟(jì)效益。研究期內(nèi)就有1290.78hm2常綠闊葉灌叢轉(zhuǎn)變?yōu)槌＞G針葉林。這種為追求經(jīng)濟(jì)效益,人為毀掉灌草改植用材林的行為對水土保持并無益處。

(3)研究表明,在大部分生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能增強(qiáng)的情況下,城鎮(zhèn)和茶果園平均單位面積土壤保持量卻有不同程度下降。造成這現(xiàn)象的原因并不是這兩類用地水土保持措施標(biāo)準(zhǔn)降低了,事實(shí)上作為全國重點(diǎn)水土流失治理區(qū)的長汀縣一直對各類用地配套相應(yīng)有水保措施,但由于研究期內(nèi)城鎮(zhèn)、茶果園迅猛擴(kuò)張,大量新建設(shè)城鎮(zhèn)和園地地形條件較差,植被覆蓋也未跟上。據(jù)分析研究期內(nèi)城鎮(zhèn)的植被覆蓋度降低了3個(gè)百分點(diǎn),平均坡度升高了0.3°,茶果園平均坡度升高了1.3°。這樣就拉低了城鎮(zhèn)和茶果園的坡長-坡度因子及植被覆蓋因子條件,從而使單位面積平均保土量呈下降態(tài)勢。要改變這種情況就須及時(shí)提高它們植被覆蓋度,避免在地形條件較差的區(qū)域進(jìn)行開發(fā)建設(shè),另外對在坡度建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)適當(dāng)提高它們水保措施標(biāo)準(zhǔn)。

(4)本研究仍存在不足：對水保措施因子是采用相同的生態(tài)系統(tǒng)類型統(tǒng)一賦值的方法,事實(shí)上在不同的區(qū)域的同類生態(tài)系統(tǒng)水保措施是不一樣,最好應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對不同區(qū)域同類生態(tài)系統(tǒng)分別賦值；降水侵蝕力估算使用的雨量站點(diǎn)較少,如采用更多雨量站數(shù)據(jù),計(jì)算精度可進(jìn)一步提高；坡度因子計(jì)算是采用劉寶元計(jì)算模型,該方法是基于黃土高原坡面數(shù)據(jù)而得,運(yùn)用于南方丘陵區(qū),精度還需檢驗(yàn)。以上不足,將在進(jìn)一步實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上進(jìn)行完善。

4 結(jié)論

(1) 研究區(qū)在2000—2016年,生態(tài)系統(tǒng)類型結(jié)構(gòu)變化明顯,常綠針葉林、常綠闊葉林面積增長最大,達(dá)17019.57hm2,占國土面積比例提高了5個(gè)百分點(diǎn),而稀疏林面積下降最顯著,共減少14729.38 hm2,比例下降了近5個(gè)百分點(diǎn)。總體上表現(xiàn)為森林結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化,覆蓋率提高。另一方面受城鎮(zhèn)化和農(nóng)民經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動,城鎮(zhèn)和茶果園迅速擴(kuò)張,侵占大量的水田、常綠針葉林,面積共增加6418.46hm2,而且增幅居前二。

(2)16年來,研究區(qū)平均單位面積土壤保持量和年土壤保持總量均提高13.2%。除城鎮(zhèn)、茶果園外,各生態(tài)系統(tǒng)土壤保持能力均有不同程度提高,其中稀疏林最顯著,提高了43.37%。在長汀許多的稀疏林是以稀疏馬尾松(Pinusmassoniana)為主林分,植被結(jié)構(gòu)簡單,林下水土流失嚴(yán)重,土壤貧瘠,林木生長緩慢甚至嚴(yán)重退化,被稱為“小老頭樹”,長期以來對它的改造一直是水土流失治理的難點(diǎn)。而本研究結(jié)果說明了近年來水土流失綜合治理工作取得巨大的成效,主要生態(tài)系統(tǒng)抵抗侵蝕的能力增強(qiáng),困擾長汀多年的“小老頭松”林區(qū)土壤侵蝕問題有較大的改善。

(3) 城鎮(zhèn)、茶果園的單位面積土壤保持量分別下降了32.1%和9.2%,致使長汀縣各生態(tài)系統(tǒng)保土功能呈現(xiàn)“整體好轉(zhuǎn),局部惡化”[29]的現(xiàn)象,人類活動集中分布的山間盆谷特別是汀州、大同,土壤保持能力下降。必需及時(shí)完善相應(yīng)的水土保持措施,避免水土流失進(jìn)一步惡化。

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Responses of soil conservation function to ecosystem changes: an assessment based on RS and GIS in Changting County, Fujian Province

WU Guosheng1,2,*, LIN Huihua1, 2, ZENG Hongda1, 2

1CollegeofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2StateKeyLaboratoryofSubtropicalMountainEcology(FoundedbyMinistryofScienceandTechnologyandFujianProvince),FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China

Soil conservation is one of the most important eco-services. Human activities which contain soil erosion control affect ecosystem changes, and ecosystem changes are also closely related to soil conservation. By comparative study of the changes of ecosystem and soil conservation, we can find out the interaction mechanism between them, understand the gain and loss of soil and water conservation work in the past, and provide guidance for further treatments. In the paper, the Landsat images are used to explain the ecosystem types of Changting County in 2000, 2010 and 2016, the whole study is based on the eCognition platform. Then a quantitative evaluation of soil conservation is conducted through the RULSE (Revised Universal Soil Loss Equation) model, in which, the quantity of soil conservation is the difference between the potential of soil erosion and the reality of soil erosion. Further, a statistical analysis is performed to explore deep reasons of soil conservation function changes from the perspective of ecosystem changes. Results show that there are mainly two characteristics of ecosystem changes during 2000 and 2016 in the county. One is the change from low cover types to high cover types, characterized by large quantity of sparse forest turning into evergreen broad-leaved forest and evergreen coniferous forest. During the years, the area of sparse forest decreased by 14729.38 hm2(-56.75%), and evergreen broad-leaved forest and evergreen coniferous forest increased by 6791.50 hm2(23.21%) and 10228.07 hm2(5.80%), respectively. The other is that a large number of cultivated lands, grasslands and evergreen coniferous forest, driven by economic interests, were turned into towns and tea orchards. During the study period, towns and tea orchard increased by 4469.14 hm2(85.43%) and 1949.32 hm2(69.38%), respectively, paddy field and dryland decreased by 707.85 hm2(-2.65%) and 344.31 hm2(-13.66%) respectively. Soil conservation quantity in the county increased significantly during the study period, and soil conservation quantity per unit area is 217.32 t hm-2a-1in 2000 and 246.02 t hm-2a-1in 2016, respectively. Among all the eco-systems, the evergreen broad-leaf shrub and evergreen broad-leaved forest soil possess the greatest soil conservation quantity, which are more than 277 t hm-2a-1per unit area, but the quantity per unit area of soil conservation of urban is the smallest, below 65 t hm-2a-1. Soil conservation per unit area of most of the ecological system has improved in different levels, while that of towns and tea orchards has slightly degraded, with soil conservation quantity per unit area decreasing by respectively 21.03t hm-2a-1and 16.74t hm-2a-1. It shows that a great expansion of towns and tea orchards may cause new soil and water loss. In terms of space, the areas with soil conservation improvement account for 96.5% of the county, the northeast forest area and the south-central region show the most significant improvement, suggesting that the comprehensive control of soil and water loss is highly effective; On the other hand, the area of degraded soil conservation scatters in those basins where human activity is frequent, among which Tingzhou and Datong is most prominent, suggesting that rapid urbanization and development of tea orchards is the main cause of soil conservation function decline.

ecosystem; soil conservation; responses; Changting County

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016J01183)

2016- 08- 02;

2016- 11- 20

10.5846/stxb201608021589

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wguosheng@163.com

武國勝，林惠花，曾宏達(dá).用RS和GIS技術(shù)評價(jià)福建省長汀縣土壤保持功能對生態(tài)系統(tǒng)變化的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(1):321- 330.

Wu G S, Lin H H, Zeng H D.Responses of soil conservation function to ecosystem changes: an assessment based on RS and GIS in Changting County, Fujian Province.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):321- 330.