卞大伟,李洪伟，燕 红，李伟东，李杰玲，陈 玲，张 然，马琼芳

(1.吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033；2.农安县开安镇林业站,吉林 长春 130200；3.吉林省林业和草原局，吉林 长春 130021)

湿地植被的根系及堆积的植物体对湿地土壤有稳固作用，湿地植被可以削减水流的冲力，拦蓄沉降沉积物。茂密的植被，加之地表有积水层或长期湿润，水流缓慢，使湿地土壤免受风蚀和水蚀的侵害[1]。土壤保持功能是湿地生态系统通过植被消减雨水的侵蚀能量，增加土壤抗蚀性，从而减轻土壤侵蚀，减少土壤流失，保持土壤的功能。土壤侵蚀可导致土壤和养分的流失、土地贫瘠、土层变薄、宜耕地减少等问题，土壤保持在维护区域生态安全中具有重要作用[2]。

近年来，国内外学者对土壤侵蚀量的研究层出不穷，从最初的定性评价向定量化计算迈进。其中，将“3S”技术与RUSLE结合对流域土壤侵蚀量的定量化评估是现阶段研究的焦点[3,4]。自中国引入RUSLE模型以来，基于此模型的土壤侵蚀研究在小区域和小流域上有很多的应用，而大尺度的研究相对较少[5]。土壤保持功能是生态系统服务功能的一个重要方面，它为土壤形成、植被固着、水源涵养等提供了重要基础，同时也为生态安全和系统服务提供了保障。本文基于修订的通用水土流失方程(RUSLE)，结合GIS和RS技术，以Arcgis软件作为平台，遥感数据LandsatTM8和DEM为主要数据源，结合调查数据，定量化评估2013年和2017年吉林省湿地土壤保持服务功能，为吉林湿地保护和管理提供科学依据。

1研究区概况

吉林省位于我国东北地区中部，地理位置40°52′～46°18′N，121°38′～131°19′E。地势由东南向西北倾斜，东部山地、中部丘陵台地、西部平原，呈东南高、西北低的特征。东部以森林为主，主要土壤类型有暗棕壤、棕壤、白浆土和泥炭土等；西部平原以草原和草甸草原为主，主要土壤类型有黑土、黑钙土、栗钙土以及草甸土、盐土、碱土、风沙土和沼泽土等。受西伯利亚气候影响，属显著的北温带大陆性季风气候。全年平均气温3.5 ℃，年降水量为400～1 300 mm，由西北向东南逐步增加。吉林省是东北地区主要江河的河源省份，松花江、图们江、鸭绿江、东辽河和绥芬河五大水系均发源于此。

吉林省湿地资源较为丰富，据2009年全省第二次湿地资源调查统计，全省共有湿地面积170.07万hm2，湿地总面积占全省国土面积的9.08 %，除了水稻田，湿地面积99.76万hm2，占全省土地总面积的5.5 %。湿地类型分为4类16型，河流湿地面积22.35万hm2，包括永久性河流、季节性河流、洪泛平原湿地3型，占总面积的13 %；湖泊湿地面积11.20万hm2，包括永久性淡水湖、永久性咸水湖、季节性咸水湖3型，占总面积的7 %；沼泽湿地面积52.74万hm2，包括草本沼泽、灌丛沼泽、森林沼泽、内陆盐沼、季节性咸水沼泽、沼泽化草甸6型，占总面积的31 %；人工湿地面积83.77万hm2，包括库塘、输水河、水产养殖场、稻田4型，占总面积的49 %，其中，水稻田面积70.31万hm2，且年际间面积变化较大。

2材料与方法

2.1评估对象及时间

除水稻田外，所有的吉林省湿地类型都在本次评估范围内，包括河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地、人工湿地，面积共99.76万hm2。第一次评估基准年为2013年，第二次评估基准年是2017年。

2.2数据来源

采用的基础数据包括：覆盖吉林省范围的44幅30 m分辨率的DEM数据、20幅覆盖吉林省LandsatTM8影像数据，行列号为：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，数据质量好，投影为UTM/WGS84，数据为美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS)提供。吉林省湿地小班矢量图，数据由吉林省林业厅(现吉林省林业和草原局)提供。吉林省土壤类型图、土种数据、土壤样品数据查询于科学数据库-中国土壤数据库管理与共享平台，各基础图件经过几何校正及重采样后，用Arcgis10.0中的空间分析模块进行计算。

2.3评估方法

2.3.1土壤保持量计算

土壤保持量采用修正的通用土壤侵蚀方程(RUSLE)，估算潜在的土壤侵蚀量和现实侵蚀量。潜在的土壤侵蚀量是指生态系统在没有植被覆盖和土壤保持措施情况下的土壤侵蚀量，现实土壤侵蚀量则是在现有植被覆盖情况下，考虑土壤保持措施下的土壤侵蚀量[6,7]，二者之差即为土壤侵蚀强度差异量(M)。计算公式如下：

M=A0-A

A=B×K×LS×C×P

A0=B×K×LS

式中：A0为潜在侵蚀量；A为现实侵蚀量；B为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；LS为地形坡长坡度因子；C为植被覆盖因子；P为土壤保持措施因子。

各因子的计算方法如下：

降雨侵蚀力因子(B)值估算：降雨侵蚀力因子反应降雨对土壤的击溅作用和降雨引起的径流对土壤的侵蚀作用，计算公式如下：

式中：Pi为月降雨量。

月降雨量数据来源于2017年统计年鉴，经计算，吉林省各地区B值数据如表1所示。

表1 吉林省各地区B值数据

土壤可蚀性因子(K)值估算：土壤可蚀性因子K值是对某一特定土壤固有可蚀性的一种定量描述，指单位降雨侵蚀力在标准小区上所造成的侵蚀量，反映土壤侵蚀速度、土壤自身物理和化学性质。土壤的K值是土壤属性的反映，它也反映了土壤的抗蚀性能，K值大，土壤抗蚀性差，反之则强。本研究K值估算根据吉林省土壤普查数据和已发表的K值数据得到[8]。

地形因子(LS)值估算：LS是一个无量纲的复合地形因子，反映了坡长、坡度等地形因子对土壤侵蚀的综合影响。坡长、坡度计算公式如下：

L=(λ/22.13)m

m=β(1+β)

β=(sinθ/0.089 6)/[3.0(sinθ)0.8+0.56]

式中：L为坡长因子；λ为栅格单元水平投影长度；m为坡长指数；β为细沟侵蚀和细沟间侵蚀的比率；θ为单元格的坡度；S为坡度因子。

L和S的乘积即为地形因子的值，坡度值由吉林省DEM图获得，以上所有的计算均在Arcgis10软件的空间分析模块中进行。

植被覆盖度因子(C)值估算：植被对土壤侵蚀的影响与土地利用类型、植被覆盖度关系密切，植被是影响土壤保持功能的敏感性因子，其防止土壤侵蚀的作用主要包括对降雨动量的削减作用、保水作用和抗侵蚀作用。C值估算采用如下公式：

一般认为，归一化植被指数(NDVI)能比较真实反映植被的分布，植被覆盖度与植被指数的回归方程为[9]：

fc=108.49NDVI+0.717

式中：fc为植被覆盖度/%；NDVI为归一化指数。

土壤保持措施因子(P)：土壤保持措施因子是在其他条件相同的情况下，采取某一土壤保持措施的坡耕地土壤流失量与无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对坡地土壤流失量的控制作用是不同的。无任何土壤保持措施的P值为1，吉林省土壤保持价值只评价了自然湿地，土壤保持措施很少，所有P值统一赋为1。

2.3.2土壤保持价值估算

土壤保持价值包括防止土壤流失和减少土壤肥力流失两个方面。减少土壤流失价值主要通过土壤保持量、植被面积、土壤容重计算，土壤保持量采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)估算潜在土壤侵蚀量和现实土壤侵蚀量计算，减少土壤肥力流失则通过土壤C/N/P/K元素含量和土壤保持量计算[1]。

土壤保持价值计算方法如下：

V=V1+V2

式中：V为土壤保持价值；V1为湿地板块固土效益；V2为吉林省湿地保持土壤营养物质价值。

2.3.2.1固土价值计算

采用土壤侵蚀强度差异量、植被斑块面积、土壤容重和购买土壤造价计算湿地固土价值，具体公式如下：

V1=M÷R×S植被×Vsoil

式中：V1为湿地板块固土效益；M为土壤侵蚀强度差异量；R为实测土壤容重；S植被为斑块的植被面积；Vsoil为购买土壤的造价(根据工程土方单价8元·m-3)[10,11]。

2.3.2.2保持土壤营养物质价值计算

土壤侵蚀时会将土壤中的总氮、总磷及总钾带走，保持土壤营养物质价值的计算，以湿地保护下的土壤发生侵蚀后剩余的物质元素价值作为湿地保持土壤营养物质的价值。

V2=M×S植被×Y×T×Vhf

式中：V2为吉林省湿地保持土壤营养物质价值；M为土壤侵蚀强度差异量；S植被为斑块的植被面积；Y为实测土壤总氮、总磷及总钾含量；T为调整系数，是指土壤中碱解氮、速效磷和速效钾折算为硫酸铵、过磷酸钙和氯化钾的系数，折算后的系数分别为4.762、3.737和1.667；Vhf为营养物质的市场价格。

3结果与分析

3.1吉林省湿地土壤保持价值

经估算，吉林省湿地土壤保持量为22.02万t，土壤保持总价值为56.03亿元，其中固土价值为15.15亿元，保持营养物质价值为40.88亿元。

3.2吉林省各湿地类型土壤保持价值

图1 吉林省各类型湿地土壤保持量

统计结果显示(图1)，一级湿地类型土壤保持量(t，占全省湿地土壤保持量百分比)排序为河流湿地(9.12万t，41.42 %)>沼泽湿地(7.90万t，35.88 %)>人工湿地(2.99万t，13.58 %)>湖泊湿地(2.01万t，9.12 %)。土壤保持价值(元，占全省湿地土壤保持价值百分比)排序为河流湿地(22.68亿元，40.48 %)>沼泽湿地(18.29亿元，32.64 %)>人工湿地(9.72亿元，17.35 %)>湖泊湿地(5.34亿元，9.53 %)。

表2 吉林省各类型湿地土壤保持价值

从表2中可以看出，湿地土壤保持量偏高的三个二级湿地类型是永久性河流、季节性咸水沼泽和库塘，分别为8.84万t、3.46万t及2.32万t，分别占全省湿地土壤保持量的40.15 %、15.71 %及10.54 %；湿地土壤保持量偏低的三个二级湿地类型是内陆盐沼、水产养殖场和洪泛平原湿地，分别为0.05万t、0.05万t及0.11万t，分别占全省湿地土壤保持量的0.23 %、0.23 %和0.50 %。二级湿地类型土壤保持价值以永久性河流最高，为21.96亿元，占全省湿地大气组分调节总价值的39.19 %，其次是库塘，为7.56亿元(13.49 %)，季节性河流和季节性咸水湖偏低，分别为0.19亿元(0.34 %)和0.17亿元(0.30 %)。

3.3吉林省各行政区土壤保持价值

吉林省湿地土壤保持量偏高的三个地区是延边州、通化地区和白山地区，分别为5.16万t、4.92万t及4.36万t，分别占全省湿地土壤保持量的23.45 %、22.36 %和19.82 %；其次为吉林地区、长春地区和辽源地区，分别为3.38万t、1.74万t及0.79万t，分别占全省湿地土壤保持量的15.34 %、7.89 %和3.60 %；湿地土壤保持量偏低的三个地区是四平地区、松原地区和白城地区，分别为0.66万t、0.54万t及0.45万t，分别占全省湿地土壤保持量的3.01 %、2.47 %和2.06 %(见图2)。

图2 吉林省各行政区湿地土壤保持量分布

湿地土壤保持价值偏高的四个地区是吉林地区、白山地区、通化地区和延边州，分别为13.21亿元、11.32亿元、10.77亿元及10.11亿元，分别占全省湿地土壤保持价值的23.58 %、20.20 %、19.21 %和18.05 %；其次为长春地区、松原地区、白城地区、四平地区和辽源地区，分别为3.65亿元、2.75亿元、2.43亿元、1.30亿元及0.48亿元，分别占全省湿地土壤保持价值的6.51 %、4.91 %、4.34 %、2.33 %和0.86 %(见图3)。东部山区土壤保持价值明显大于西部平原区，主要原因在于，与西部平原区相比，东部山区坡度大、降雨量大、植被覆盖度较大，因此，土壤潜在侵蚀量大，湿地涵养植被使实际侵蚀量变小，致使东部山区湿地防止土壤侵蚀价值整体较高，而西部平原区潜在侵蚀强度低，土壤保持价值也相应偏低。因此，可以通过控制放牧等植被恢复措施，提高吉林省湿地生态系统土壤保持功能。

图3 吉林省各行政区湿地土壤保持价值

3.4土壤保持价值变化情况

与第一次评估相比，第二次评估吉林省湿地土壤保持功能有较大幅度提升，土壤保持量增加了8.72万t，相应的价值量也从33.83亿元增加到56.03亿元(见表3)。

表3 土壤保持功能变化

4讨论与结论

目前，对湿地生态系统服务价值的估算依然处于探索阶段，生态系统服务与自然资本的价值核算问题是一个世界性的难题，生态系统服务的识别、定义、分类与评价方法的完善与应用，需要进一步研究和探索。

估算结果表明，吉林省湿地土壤保持量为22.02万t，土壤保持总价值为56.03亿元，其中固土价值为15.15亿元，保持营养物质价值为40.88亿元。一级湿地类型土壤保持量和土壤保持价值排序均为河流湿地>沼泽湿地>人工湿地>湖泊湿地，湿地土壤保持价值偏高的四个地区是吉林地区、白山地区、通化地区和延边州。研究发现，东部山区湿地防止土壤侵蚀量比西部平原区大，主要原因是，东部山区植被以森林为主，林地的土壤保持量大于草地、水域等类型，水蚀情况相对较轻，最低值低于每年0.2 t·hm-2[12]，而吉林省西部地区植被以草本为主，对应的单位面积土壤保持量比东部地区小，森林和灌丛生态系统是土壤保持功能的主体。此外，气候因素和地形因素是影响研究区生态系统土壤保持功能的主要因素，东部山区坡度大，降雨量大，导致潜在的侵蚀量大。

吉林省湿地土壤保持功能的提升说明吉林省湿地资源状况在逐步提升，一方面，湿地土壤保持价值的大小取决于湿地固土能力和保持土壤养分的能力，价值变化的主要原因是各地区降雨量、植被覆盖度、土壤养分含量的变化。因此，可以通过植树造林、控制放牧等植被恢复措施，提高吉林省湿地生态系统土壤保持功能。另一方面，居民生活水平的提高，居民消费价格指数上升，间接从湿地获取的调节服务价值增加。此外，评估结果充分反映了吉林省湿地生态系统建设和资源保护工作取得显著成效，近几年初步形成了有效的湿地保护管理体系，自然湿地保护率由5年前的35 %增加到现在的45 %，退化湿地修复工程成效显著，湿地土壤保持功能提升。