海南岛自然保护区对土壤保持服务功能的保护效果

于博威，饶恩明，晁雪林，史建康，张翠萍，徐卫华,*，肖　燚，欧阳志云

1 中国科学院生态环境研究中心, 城市与区域生态国家重点实验室，北京　100085 2 海南省环境科学研究院，海口　571126



海南岛自然保护区对土壤保持服务功能的保护效果

于博威1，饶恩明1，晁雪林1，史建康2，张翠萍2，徐卫华1,*，肖燚1，欧阳志云1

1 中国科学院生态环境研究中心, 城市与区域生态国家重点实验室，北京100085 2 海南省环境科学研究院，海口571126

摘要:自然保护区建设是保护生态系统服务的重要手段，在防治土壤侵蚀和维持生态安全方面具有不可替代的作用。以1988年、1998年和2008年3期遥感影像为基础，分析海南保护区对土壤保持功能的长期保护效果，探讨引起保护区土壤保持功能变化的影响因素。结果表明：(1)海南岛保护区内部平均单位面积土壤保持量是1951.59 t hm-2a-1，分别是区外0—5、5—10km和海南岛全省平均水平的2.4、3.2、2.9倍，保护区在土壤保持功能的保育方面发挥着重要作用；(2)在时间尺度上，1988—2008年保护区内外土壤保持功能呈现不同程度的退化趋势，其中保护区外围退化程度显著高于保护区内部(P<0.05)，后10年的退化程度显著高于前10年(P<0.05)；(3)从驱动因素上看，1988—2008年经济发展、人口增加和耕地扩张是影响保护区土壤保持功能退化的主要因素，其中在前10年，土壤保持功能与单位面积地区生产总值、单位面积第一产业生产总值、人口密度和耕地比例呈显著负相关(P<0.05)，而在后10年，土壤保持功能与单位面积地区生产总值、人口密度和耕地比例呈显著负相关(P<0.05)，由此，应权衡土壤保持功能保护与人为活动的关系，实现生态环境保护与社会经济的协调发展。

关键词：自然保护区；土壤保持；保护效果；海南岛

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件和效用[1- 2]。然而，这些服务功能越来越受到人类活动的威胁[3]。近年来，生态系统服务功能的保护正在成为应用生态学研究的重要领域[4]。自然保护区建设是保护自然生态系统过程及其相应的生态系统服务的重要手段，评价已建的保护区对这些服务的保护效果至关重要[5]。已有多数研究集中于评估保护区对生物多样性的保护效果[6- 11]，或者集中于对单个保护区进行生态系统服务功能的静态价值评估[12- 18]，而对保护区的生态系统服务功能保护效果的长期动态监测与评估关注不足。

土壤保持功能是指森林、草地等生态系统对土壤起到的覆盖保护及对养分、水分调节过程，以防止地球表面的土壤被侵蚀、或因过度使用而发生盐碱化等化学变化，以及其他土壤化学污染的作用[3,19]。土壤保持作为生态系统调节服务之一，在应对中国乃至全球的重大环境问题——土壤侵蚀方面发挥重要作用[20]。然而，土壤保持生态服务一方面受到气候变化的负面影响[21]，另一方面受到人类活动的强烈影响[3]。基于此，在过去的10年间，不少学者认为，在以传统的生物多样性保护的基础上，考虑土壤保持等生态系统服务的系统性保护策略将会更高效[22-23]，并且制定了土壤保持等关键生态系统服务保护优先区[24]，但只有少数研究评估了现有保护区对土壤保持功能的保护效果[5,25- 27]。

海南岛发育并保存着我国最大面积的热带雨林、季雨林生态系统，在土壤保持生态系统服务中发挥着巨大的作用[28]，但因人类活动影响，大量的天然林被转变成人工林，导致土壤保持功能出现明显退化[29]。保护区对土壤保持功能的保护具有重要作用[27]，但其保护效果并不清楚。基于此，本研究以海南岛为研究区，选择海南建省(1988年)，生态省规划(1998年)和生态补偿制度建设(2008年)3个重要的时间节点，探究20年间海南岛保护区对土壤保持功能的长期保护效果，分析引起土壤保持功能变化的关键因子，研究结果旨在为海南岛土壤保持功能的保育和生态环境保护提供科学依据。

1研究区概况

海南岛位于我国最南端，总面积3.39万km2，地势中间高四周低，由山地、丘陵、台地、平原组成的近似环形的层状地貌，梯级结构明显[30]。海南岛地处热带北缘，属热带季风海洋性气候，降雨总量多，年平均雨量为1500—2000mm，时空分布不均，雨水主要集中在夏季，东部多于西部，山区多于平原。海南岛由于岛内地形、母质、生物和气候等成土因素的多样性，发育了多种类型的土壤，土壤分布具有明显的垂直和地域分异规律。由滨海至山地土壤分布依次为滨海沼泽盐土、滨海砂土、水稻土、红褐土、砖红壤、赤红壤、山地黄壤及山地灌丛草甸土等，其中砖红壤是海南岛的水平地带性土壤[20]。

截止2012年底，海南省共有50个不同级别和不同类型的自然保护区，总面积为273.53万hm2，占海南省陆地面积的6.97%，主要分布在中部山区及沿海岸带[31]。初步形成了以生态系统保护、野生生物物种保护、自然遗迹保护、海岸线保护等为保护目标的较齐全的自然保护区体系[32]。但是，随着海南人口的急剧增长和经济的快速发展，对土地资源的开发力度不断加大，热带雨林生态系统的面积逐渐减少，土壤侵蚀加剧，保护区建设面临严峻的挑战。

2数据与方法

2.1数据来源

图1　2008年海南岛生态系统分布图Fig.1　Ecosystem distribution maps of Hainan Island in 2008

生态系统类型图由1988年、1998年和2008年3个时段海南Landsat TM遥感影像解译获得，结合海南岛区域特征，将生态系统类型分为天然林、浆纸林、橡胶林、热作园、灌丛、草地、水田、旱地、城镇、湿地与沙地等类型(图1)，综合提取精度达到88%以上，有关分类过程详见相关文献[33- 34]。经济、人口与耕地等统计数据来自海南统计年鉴[35- 37]。

2.2研究方法

2.2.1选取自然保护区

本研究不包括岛屿保护区与海岸带保护区，因为这些保护区主要保护重要的海洋生态系统，土壤保持功能基本可以忽略，同时考虑到此类保护区无法进行内外比较。此外，为了反映海南保护区对土壤保持功能的长期保护效果，选择海南建省(1988年)作为基准年，选取此年及以前建立的保护区为分析对象。基于以上筛选标准，最终选取了20个自然保护区作为研究对象。

2.2.2土壤保持计算方法

生态系统土壤保持量用潜在土壤侵蚀量与现实土壤侵蚀量之差进行估算[2,38]。前者不考虑地表植被覆盖因子和土壤保持措施因子，其计算公式为：

Ap=R·K·LS

(1)

后者考虑地表植被覆盖因子和土壤保持措施因子，其计算公式为：

Ar=R·K·LS·C·P

(2)

由式(1)和(2)，计算土壤保持量：

Ac=Ap-Ar

(3)

式中，Ac为土壤保持量(t hm-2a-1);Ap为潜在土壤侵蚀量(t hm-2a-1);Ar为实际土壤侵蚀量(t hm-2a-1);R为降雨侵蚀力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K为土壤可蚀性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1)；LS为坡长-坡度因子；C为地表植被覆盖因子；P为土壤保持措施因子。有关参数的获取及算法详见相关文献[20]。

2.2.3保护区土壤保持评估方法

首先利用ArcGIS 10.1软件对整个保护区网络及单个保护区分别向外作缓冲区0—5km及5—10km，记为区外0—5km与区外5—10km，然后将保护区图层、区外0—5km图层及区外5—10km图层分别与3个时段的土壤保持图层进行叠加，统计整体保护区及单个保护区内外土壤保持量，并计算变化量。对20个保护区土壤保持功能的变化进行两样本显著性检验(当Shapiro-Wilk检验为正态分布时进行t检验，否则进行Wilcoxon符号秩检验)。统计检验分析在R 3.1.2(R Development Core Team)软件中完成。

3研究结果

3.1土壤保持功能变化特征

3.1.1保护区内外比较

3个时段(1988、1998、2008)保护区内部单位面积土壤保持量都明显高于区外(图2)，其中保护区内部平均单位面积土壤保持量是1951.59 t hm-2a-1，分别是区外0—5km和区外5—10km的2.4倍和3.2倍，是全省(平均值是667.04 t hm-2a-1)的2.9倍，区外相差不明显。经统计显著性检验，在3个时段，保护区内部单位面积土壤保持量显著高于区外0—5km(P<0.01)和区外5—10km(P<0.01)，而区外两个区域之间相差不显著(P>0.05)。表明多数保护区内部土壤保持能力较强，区外土壤保持能力较差，但是从变异程度上来看，保护区内部的土壤保持能力变异最大(SD=987)，区外依次变小(SD=654，SD=513)。

图2　保护区内外土壤保持功能与绝对变化量Fig.2　Soil conservation service and capacity change inside and outside nature reserves

1988—2008年，保护区内外土壤保持总量持续减少(图2)，其中保护区内部从1988年的35803.17万t减少到2008年的35493.16万t，20年共减少310.01万t，减幅为0.87%。减幅最大的是区外0—5km为2.57%，其次是区外5—10km为2.38%。经检验发现，保护区内部土壤保持量变化不显著(P>0.05)，区外都显著减少(P<0.01)。从土壤保持功能(单位面积土壤保持量)来看，20年来持续削弱，其中保护区内部从1988年的1957.38 t hm-2a-1减少到2008年的1940.43 t hm-2a-1，减少了16.95 t hm-2a-1，减少最大的是区外0—5km为21.29 t hm-2a-1，减少最小的是区外5—10km为14.67 t hm-2a-1(生态系统趋向均衡化)。经检验，土壤保持功能变化显著性与土壤保持量相一致。表明保护区对土壤保持功能的丧失具有明显抑制作用。

前后10年两个阶段存在明显差异。保护区内部土壤保持量在前10年减少了7.80万t，平均每年减少0.78万t，减幅为0.02%；后10年减少了302.21万t，平均每年减少30.22万t，减幅为0.84%；单位面积土壤保持量在前10年减少了0.43 t hm-2a-1，后10年减少了16.42 t hm-2a-1。区外土壤保持量和土壤保持功能的变化趋势与区内相一致，即后10年减少量大于前10年。经检验，保护区内外土壤保持量和土壤保持功能在前10年退化不显著(P>0.05)，而在后10年呈显著退化趋势(P<0.01)。表明保护区在前10年对土壤保持服务的保护效果比较明显，但后10年明显削弱。

3.1.2保护区之间比较

1988—1998年，50%的保护区内部土壤保持功能都有不同程度的增强，这些保护区主要分布在白沙县、陵水县和文昌市等地，单位面积增量最大的是南湾保护区为79.31 t hm-2a-1。另50%的保护区内部呈现不同程度退化，主要分布在东方市、儋州市、五指山市和乐东县等地，单位面积减少量最大的是会山保护区为44.18 t hm-2a-1。区外两个区域都有55%的保护区呈不同程度减弱，减量最大的是五指山保护区，分别为50.20 t hm-2a-1与27.03 t hm-2a-1。从变化的绝对量来看(表1)，保护区内外土壤保持总减少量分别是总增加量的1.09、4.53、3.06倍，保护区区外减少量分别是区内减少量的7.26倍和6.17倍。保护区内减少最大的是五指山保护区为38.21万t，区外减少量最大的仍是五指山保护区，分别是173.00万t与131.59万t。从相对变化量来看，保护区内东寨港保护区减幅最大，为9.13%，区外减幅最大的分别是五指山保护区(3.04%)和南湾保护区(2.06%)。

1998—2008年，除了礼季、大田、甘什岭和霸王岭保护区区内土壤保持功能在不同程度上有所增强外，其余80%的保护区均呈不同程度退化，区内单位面积减量最大的是番加保护区为126.02 t hm-2a-1。区外0—5km和5—10km范围内功能退化的保护区分别占95%和90%，单位面积减量最大的分别是番加保护区为60.29 t hm-2a-1和上溪保护区为35.74 t hm-2a-1。从变化的绝对量来看，保护区内外总减少量分别是总增加量的19.44、20.51、72.87倍，保护区区外减少量分别是区内减少量的3.34倍和3.92倍。保护区内外减少量最大的是吊罗山保护区，分别减少了89.55万t、265.79万t、222.69万t。从相对变化量来看，保护区内番加保护区减幅最大，为13.53%，区外减幅最大的分别是南湾保护区(14.25%)和东寨港保护区(6.02%)。

以上分析表明，保护区土壤保持无论从变化的单位量、绝对量还是相对量来看，后10年的退化程度明显高于前10年。

1988—2008年，区内土壤保持功能发生不同程度退化的保护区占55%，主要分布在白沙县、万宁市、乐东县和五指山市等地，区外则有80%的保护区呈不同程度退化。保护区内和区外0—5km单位面积减量最大的保护区是番加保护区，分别为150.92 t hm-2a-1和83.76 t hm-2a-1，区外5—10km范围则是五指山保护区，为58.17 t hm-2a-1。从变化的绝对量来看，保护区内外总减少量分别是总增加量的8.01、25.62、59.10倍，保护区区外减少量分别是区内减少量的4.57倍和4.69倍。保护区内外变化绝对量最大的是吊罗山保护区，分别减少了93.60万t、412.45万t、328.85万t。从相对变化量来看，保护区内和区外0—5km减幅最大的是番加保护区，分别是15.79%和9.11%，区外5—10km范围减幅最大的是东寨港保护区，为4.86%。表明20年间，保护区及周围地区土壤保持功能明显退化，且保护区外部的退化程度明显高于保护区内部。

表1　自然保护区土壤保持量变化特征

3.2保护区土壤保持功能的影响因素

为识别人为活动对保护区土壤保持功能的影响，本研究选取了能反映保护区土壤保持功能状况的单位面积土壤保持量，以及单位面积地区生产总值、单位面积第一产业生产总值、单位面积第二产业生产总值、人均地区生产总值、人口密度和耕地比例等能反映社会经济发展水平和人类活动强度的因子进行统计相关性分析。结果表明：在前10年单位面积土壤保持量与单位面积地区生产总值、单位面积第一产业生产总值、人口密度和耕地比例呈显著负相关(P<0.05)；在后10年单位面积土壤保持量与单位面积地区生产总值、人口密度和耕地比例呈显著负相关(P<0.05)。与前10年相比，后10年单位面积土壤保持量与单位面积地区生产总值、人口密度的相关性R2分别从0.20、0.41减少到0.17、0.36，与耕地比例的相关性R2从0.33增加到0.47。在20年间的相关关系与后10年相同，即单位面积土壤保持量与单位面积地区生产总值、人口密度和耕地比例呈显著负相关(P<0.05)(图3)。

图3　人类活动对保护区土壤保持功能的影响Fig.3　The impact of human activities on soil conservation service of nature reserves

4讨论

海南岛土壤保持功能研究已经有了一定的基础[20,28-30,38]，这些研究主要考虑不同生态系统类型土壤保持功能特征或相应的价值评估，但没有涉及土壤保持功能的保护效果评估方面，并且多数研究属于静态评估，没有纳入土壤保持功能及胁迫因子的动态信息。本研究首次评价了海南自然保护区体系及单个保护区对土壤保持功能的长期保护效果。

通过比较，保护区内的土壤保持功能显著优于保护区外围(P<0.05)，而外围两个区域相差不显著(P>0.05)，3个时段保护区内部平均单位面积土壤保持量是1951.59 t hm-2a-1，分别是区外0—5、5—10km和海南岛全省平均水平的2.4、3.2、2.9倍。20年间保护区外围退化程度显著高于区内(P<0.05)，其中在前10年，土壤保持量在保护区外围的减少总量分别是区内减少总量的7.26倍和6.17倍，在后10年则分别是区内减少总量的3.34倍和3.92倍。总体看来，1988—2008年，无论从变化的单位量、绝对量还是相对量来看，保护区内外土壤保持功能都呈现不同程度的退化趋势，但保护区具有明显的抑制作用。由此，保护区在维护海南土壤保持功能方面的重要性不言而喻，但其有效性并未得到充分的体现，还有待提高。

保护区土壤保持功能不仅受到自然因素的影响，而且也受到人类活动的强烈影响，比如土地开垦、水资源开发利用、森林采伐等人类活动通过改变生态系统结构影响生态系统的土壤保持功能[39]。研究发现,人类活动对海南岛保护区土壤保持功能的影响程度与人口增加有关，1988—2008年海南人口进入了一个快速增长的阶段，根据海南省1988—2008年统计年鉴，海南全岛人口从1988年的627万人急剧增长到2008年的860万人[35,37]，人口增长率为37.16%。人口的急剧增长使得人们利用海南自然资源、改变自然环境的速度和规模迅速增加：一方面直接加剧了对生态系统土壤保持功能的干扰[40]；另一方面人口数量的增加导致天然林的面积减少[33]，间接引起土壤保持功能的退化。另外，人口数量的攀升还驱动了耕地的扩张，耕地扩张是导致保护区土壤保持功能降低的又一重要原因，全省耕地面积由1988年的4.32×105hm2增加的2008年的4.38×105hm2，增长率为1.39%，其中旱地增长率为17.67%[35,37]。海南耕地的单位面积土壤保持量明显低于天然植被[20,29]，由此，耕地面积的增加直接削弱了海南生态系统的土壤保持功能。此外，为了满足经济的发展，在国家和地方政府的政策倡导下，自20世纪50年代以来，海南大规模种植橡胶，到1988年橡胶林的面积达到3.57×105hm2，占全岛总面积的10.53%，截止2008年，橡胶林面积为4.55×105hm2，占全岛总面积的13.41%。橡胶产业的快速发展在一定程度上促进了海南经济的繁荣，但在此过程中，大量的天然林被群落结构简单、物种组成单一的橡胶林所取代，由于橡胶林的土壤保持功能远小于热带雨林[41]，因此，橡胶林的扩张化必然造成海南岛土壤保持功能严重退化。

综上所述，海南自然保护区对土壤保持功能的维持至关重要，但由于受到自然因素和人类活动的影响，保护区的有效性并未得到充分的体现，甚至出现退化的现象。为了加强保护区对土壤保持功能的保护效果，提出如下建议：

(1)提高保护区的管理水平保护区内的土壤保持功能不但没有明显好转，反而出现退化趋势，并且退化程度随时间而增大，为此，应从生态系统服务功能管理的角度[42]，提高管理者对保护区的管理水平[43]，认识到保护区的重要性，严格保护天然林，充分发挥保护区的保护作用。

(2)恢复保护区外围的土壤保持功能尽管保护区外围的单位面积土壤保持量小于保护区内部，但是土壤保持总量却大于区内，因此，也不能忽视保护区外围土壤保持量的变化。

(3)加强已建保护区对土壤保持功能的动态监测与评估以前的研究多集中于评估海南保护区对生物多样性的保护方面[44-46]，而对保护区的土壤保持功能的长期动态监测关注不足，导致无法对土壤保持功能的动态变化、人类干扰活动等进行精确评估。

(4)将土壤保持功能纳入保护区规划体系在现有的海南自然保护区的确立中，对土壤保持功能的考虑不足，加上人类活动对土壤保持功能的负面影响不断增大，因此有必要根据生物多样性保护优先级与土壤保持功能重要性等级的相关关系采取更有针对性的区域化保护策略[31,47-48]。

(5)确定土壤保持功能保护需求空间海南的经济发展和人口等因素与土壤保持功能具有显著负相关关系(P<0.05)，为协调保护与发展，应确定海南土壤保持功能保护需求及其空间优化布局，保障海南生态安全和可持续发展。

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基金项目:全国生态环境十年变化(2000—2010年)遥感调查与评估项目(STSN-04-00)

收稿日期:2015- 04- 05;

修订日期:2016- 01- 25

*通讯作者

Corresponding author.E-mail: xuweihua@rcees.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201504050682

Evaluating the effectiveness of nature reserves in soil conservation on Hainan Island

YU Bowei1, RAO Enming1, CHAO Xuelin1, SHI Jiankang2，ZHANG Cuiping2，XU Weihua1,*, XIAO Yi1, OUYANG Zhiyun1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2HainanResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Haikou571126,China

Abstract：Soil conservation is one of the most important regulating functions of ecosystems. However, it has been negatively affected by climate change and human activities. Hainan Island harbors the most extensive primary tropical rainforest in China. Vast areas of these natural forests have been converted into commercial plantations in the last few decades. Increasingly, it is becoming apparent that nature reserves (NRs) play a key role in ecosystem services and are vital for prevention of soil erosion and upkeep of ecological balance. However, little is known about their effectiveness due to the lack of systematic planning and spatial data on their extent and boundaries. Evaluating the effectiveness of existing NRs in the preservation of soil conservation function is an urgent task. Here, using satellite images from 1988, 1998, and 2008, we evaluated the effectiveness of NRs in maintaining soil conservation function on the Hainan Island. Additionally, we analyzed the main driving forces involved in soil conservation that have changed during the last two decades. Our results showed that:(1) The average soil conversation capacity per unit area in NRs was 1951.59 t hm-2a-1, which was 2.4 and 3.2 times larger than the average capacity registered 0—5 km and 5—10 km, respectively, away from the NRs and 2.9 times larger than the average capacity for the entire Island. Thus, NRs are critical for the maintenance of soil conservation function. (2) In the last two decades (1988—2008), soil conservation function showed a degradation trend inside and outside the NRs. Moreover, the degree of degradation outside NRs was significantly higher than inside NRs (P<0.05), and it was significantly higher in the last 10 years of the studied period than in the first 10 years of the same period (P<0.05). (3) From 1988 to 2008, economic development, population explosion, and expansion of cultivated land might have impaired soil conservation properties of the vegetation. Indicators such as gross regional product per area, population density, and area ratio of cultivated land were negatively correlated with soil conservation capacity (P<0.05). Furthermore, in the first 10 years of the studied period, in addition to these factors, gross domestic product of the primary industry per area was also negatively correlated with soil conservation capacity (P<0.05). Thus, tradeoffs should be made between protection of soil conservation function and human activities in order to attain coordinative development between eco-environmental protection and social economy.

Key Words:nature reserve; soil conservation service; conservation effectiveness; Hainan Island

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