徐伟红,肖 泱

(山东省潍坊生态环境监测中心,山东 潍坊 261041)

土地资源是人类赖以生存和发展的基本资源,但由于人类在发展过程中对土地保护的忽视,破坏土地的活动已经严重阻碍了人类社会的可持续发展,土壤营养物质的丧失很大原因是由于土壤侵蚀导致的[1,2]。目前,众多学者对不同区域尺度的土壤保持功能进行了研究[3-5]。

本文以遥感和地面调查数据为基础,结合生态系统长期监测数据,定量评估生态系统的土壤保持功能,分析其空间格局和变化情况,以便了解生态系统服务功能的变化趋势[6,7]。

1 研究区概况与数据来源

潍坊市位于山东半岛西部,居半岛城市群中心位置,潍坊市域地貌自北向南,由低到高,形成几个台阶,大体上分为低地、平原及低山丘陵3个地貌区及18个地貌类型。潍坊市域属北温带季风区,背陆面海。受欧亚大陆和太平洋的共同影响,大陆度在50%以上,是暖温带季风型半湿润大陆性气候,其气候特点为冬冷夏热,四季分明。

生态系统土壤保持量表示研究区内潜在土壤侵蚀量和实际土壤侵蚀量的差值,表征研究区内土壤抗侵蚀能力的强弱。土壤保持量评价的数据源主要包括潍坊市2015～2020年生态系统类型与分布遥感解译数据、基础地理数据和气象观测数据,并综合运用生态系统的长期监测数据,以及有关生物多样性、水土保持、生态水文等学术文献数据,部分数据直接从气象站点、网站下载和样方调查获取,部分数据由遥感数据反演计算得到[8]。

2 评估方法

图1为生态系统土壤保持量的反演流程图,指标反演的主要源数据包括降雨量数据、土壤侵蚀数据、DEM高程数据、植被覆盖度数据和生态系统分类解译数据。

图1 生态系统土壤保持量反演流程

基于修正土壤流失方程(RUSLE)计算:

Qsr=Qse_p-Qse_a

(1)

Qse_p=R×K×L×S

(2)

Qse_a=R×K×L×S×C

(3)

式中:Qsr为土壤保持量,t·hm-2a-1;Qse_p为潜在土壤侵蚀量,t·hm-2a-1;Qse_a为实际土壤侵蚀量,t·hm-2a-1;R为降雨侵蚀力因子,MJmmhm-2h-1a-1;K为土壤可蚀性因子,thm2hhm-2MJ-1mm-1;L为坡长因子,无量纲;S为坡度因子,无量纲;C为植被覆盖因子,无量纲。

降雨侵蚀力因子R、土壤可蚀性因子K、坡长坡度因子L、S及植被覆盖因子C的计算方法如下,降雨侵蚀力因子(R)是降雨引发土壤侵蚀的潜在能力。

(4)

(5)

降雨侵蚀力空间数据可以根据全国范围内气象站点多年的逐日降雨量资料,通过插值获得。

土壤可蚀性因子(K)反映了土壤颗粒被水力分离和搬运的难易程度,是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要指标,主要与土壤质地、有机质含量、土体结构、渗透性等土壤理化性质有关。采用如下公式进行计算。

KEPIC={0.2+0.3exp[-0.025 6ms(1-msilt/100)]}×

[msilt/(mc+msilt)]0.3×

{1-0.25 orgC/[orgC+exp(3.72-2.95 orgC)]}×

{1-0.7(1-ms/100)/{1-ms/100+

exp[-5.51+22.9(1-ms/100)]}}

(6)

K=(-0.013 83+0.515 75KEPIC)×0.131 7

(7)

式中:K为土壤可蚀性因子,t·hm2hhm-2MJ-1mm-1;mc为粘粒(<0.002 mm)百分含量,%;msilt为粉粒(0.002～0.05 mm)百分含量,%;ms为砂粒(0.05～2 mm)百分含量,%;orgC为有机碳的百分含量,%。

坡长和坡度因子(L、S)反映了坡长、坡度等对土壤侵蚀的影响,按照如下公式计算。

(8)

m=β/(1+β)

(9)

β=(sinθ/0.089)/[3.0×(sinθ)s0.8+0.56]

(10)

(11)

式中:L为坡长因子;S为坡度因子;m为坡长指数;θ为坡度,(°);λ为坡长,m。

植被覆盖因子(C)反映了生态系统对土壤侵蚀的影响,是控制土壤侵蚀的积极因素。水田、湿地、城镇和荒漠分别赋值为0,0,0.01和0.7,其余各生态系统类型按不同植被覆盖度进行赋值(见表1)。旱地的植被覆盖因子按照以下公式计算:

C=0.221-0.595logc

(12)

式中:C为旱地的植被覆盖因子;c为小数形式的植被覆盖度。

表1 不同植被覆盖的C值

3 结果与讨论

3.1 土壤保持量主要影响因子分析

3.1.1降雨侵蚀力因子

降雨侵蚀力因子是降雨引发土壤侵蚀的潜在能力。2015～2020年,潍坊市降雨侵蚀力因子的分布存在明显的空间异质性,且年际变化明显。空间分布上总体呈现出中部、西南部和东南部降雨侵蚀力因子较高、其余地区相对较低的分布态势。2015～2017年的降雨侵蚀力因子相对偏低,在33.1～44.9 MJ mm hm-2h-1a-1之间,以2015年最低。2018～2020年明显升高,都在79 MJ mm hm-2h-1a-1以上,以2018年最高,达到了99.6 MJ mm hm-2h-1a-1(见图2)。

图2 2015～2020年潍坊市逐年平均降雨侵蚀力因子

2015年以来潍坊市平均降雨侵蚀力因子变化趋势详情见图3。依据2020年与2015年降雨侵蚀力因子变化量,将变化程度分为轻微减少、轻微增加和显著增加三个等级。相较于2015年,2020年潍坊市大部地区土壤侵蚀力因子都有所增加,东南部地区增加较为明显,东北部少量地区降雨侵蚀力因子存在轻微减少现象。

图3 2015～2020年潍坊市平均降雨侵蚀力因子变化程度分布

3.1.2土壤可侵蚀性因子

土壤可蚀性因子反映了土壤颗粒被水力分离和搬运的难易程度,是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要指标,主要与土壤质地、有机质含量、土体结构、渗透性等土壤理化性质有关。2015～2020年,潍坊市土壤可侵蚀性因子分布总体上呈现出高值与低值区域交叉分布的态势。其中,北部沿海地区较高,最高可达到0.78 t hm2h hm-2MJ-1mm-1,其余高值区域则零散分布在中南部和东南部地区,西南部较低。

3.1.3坡度坡长因子

坡长和坡度因子反映了坡长、坡度等对土壤侵蚀的影响。2015～2020年,潍坊市坡度坡长因子较高的地区主要分布在西南部的森林生态系统范围,该区域地形主要以山地丘陵为主,地形起伏较明显,因而坡度坡长因子较高,最高可达到473.4;其他区域的地形以平原为主,地势相对平坦,起伏较小,坡度坡长因子极低。

3.2 土壤保持量变化分析

2015～2020年,潍坊市土壤保持量分布呈现出明显的区域差异性。潍坊市土壤保持量较高的区域主要集中在西南部的森林生态系统区域,该区域植被数量较多,种植密度较大,土壤的抗侵蚀能力较强,土壤保持量远高于潍坊市其他地区,最高土壤保持量可达到42 063.3 t·hm-2/a。总体看来,2015～2020年潍坊市超过半数地区的土壤保持量处在中低水平,土壤防侵蚀能力有待提高。

2015～2020年,潍坊市土壤保持量呈先上升后小幅下降的趋势,总体呈现增强趋势。其中,2017～2018年间土壤保持量总量大幅度升高,年度增幅高达131.7%,土壤抗侵蚀能力显著增强,至2019年土壤保持量总量增长到近6年来最高值。2019～2020年,受长时间、大范围降水影响,潍坊市土壤保持量总量有所下降,但相较于2015年,2020年土壤保持量总量增加2.8×108t·hm-2/a(见图4)。

图4 2015～2020年潍坊市生态系统服务功能土壤保持量变化

将2020年与2015年土壤保持量变化程度分级,依据变化量将变化程度分为轻微减少、轻微增加和显著增加三个等级。由图中可以看出,潍坊市大部分地区土壤保持量呈现轻微增长的变化趋势,增长较为显著的区域主要集中在西南部地区,而土壤保持量减少的区域面积较小,主要零散分布在北部地区(见图5)。

图5 2015～2020年潍坊市土壤保持量变化程度分布

4 结语

2015～2020年,潍坊市土壤保持量分布呈现明显的空间异质性,土壤保持量较高的区域主要集中在西南部的森林生态系统区域,该区域植被数量较多,种植密度较大,土壤的抗侵蚀能力较强,土壤保持量远高于潍坊市其他地区;2015～2020年期间,潍坊市土壤保持量呈先上升后小幅下降的趋势,总体呈现增强趋势,土壤抗侵蚀能力逐渐增强。其中,2017～2018年间土壤保持量总量大幅度升高,年度增幅高达131.7%,土壤抗侵蚀能力显著增强,至2019年土壤保持量总量增长到近6年来最高值。2019～2020年,受长时间、大范围降水影响,潍坊市土壤保持量总量有所下降,但相较于2015年,2020年土壤保持量总量增加2.8×108t·hm-2/a,说明潍坊土壤抗侵蚀能力总体呈现增强趋势。