基于受益人口的洞庭湖流域生态系统土壤保持服务重要性格局

饶恩明,肖 燚,欧阳志云,孔令桥

1 四川师范大学地理与资源科学学院, 成都 610101 2 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

生态系统服务是生态系统与生态过程所形成和维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用[1—2],生态系统服务受益者则是从生态系统产品和服务中受益的群体或个人[3],生态系统条件和过程只有对受益者产生效用才能成为服务[4—6]。近年来,生态系统服务研究强调了生态系统及其受益者之间空间连接的重要性[7]；但迄今为止,大多数评估都侧重生态系统服务的供给[8—9],对受益者或受益地区考虑不足[3, 5, 10]。由于生态系统服务的形成和使用普遍存在空间分离[11],加上受益者空间分布的不均匀性,大大降低了侧重服务供给的传统研究结果在提升保护效率和人类福祉方面的有效性。因此,仅仅从生态系统角度评估其提供服务的能力已不能满足研究和管理的需要,亟需加强生态系统与受益者之间的连接,从受益者角度开展生态系统服务研究[10]。

土壤保持是生态系统通过其结构与过程减少由于降水所导致的土壤侵蚀的作用,是生态系统重要调节服务之一[12—13]。生态系统土壤保持功能状况直接影响区域水土流失的面积和强度。作为全球性环境问题之一,水土流失一方面会导致土壤质量和生产力下降、作物减产[14—15],威胁当地农业生产甚至粮食安全[16]；另一方面,流失土壤可能导致下游水体污染、湖库泥沙淤积,增大下游的洪水风险[17—18],甚至对全球碳平衡产生影响[19—20]。可见,土壤保持服务的供给区和受益区存在明显空间分离[5],评估时需要将生态系统的供给和受益者的需求相结合[21]。

洞庭湖是我国第二大淡水湖,也是长江流域重要的调蓄湖泊和水源地,对长江中游地区防洪起着十分重要的作用[22]。但中上游水土流失引起的泥沙淤积以及上世纪开展的大规模围湖垦殖活动导致洞庭湖调蓄能力下降,湖区洪涝灾害频发[23—24]。近年来,随着退耕还林、天然林保护等生态保护工程的开展以及三峡工程投入使用,湖区泥沙淤积现象有所减轻[25],但作为长江经济带的重要组成,长江中游城市群的建设以及人口的大量集聚对洞庭湖流域的水土保持工作提出了更高的要求。因此,运用通用土壤流失方程(USLE)和流域水文路径分析,从受益者角度对洞庭湖流域生态系统土壤保持服务进行量化,揭示其土壤保持重要区域,为流域水土保持和生态保护提供数据支持,为提升土壤保持服务对人类福祉的支撑作用提供参考。

1 研究区域

洞庭湖流域位于长江中游南岸,107°16′—114°15′E和 24°38′—30°24′N之间,由湘、资、沅、澧四水及洞庭湖区组成,总面积约26万km2,覆盖湖南大部以及湖北、重庆、贵州、广西、江西等局部地区(图1)。流域西南东三面环山,西为武陵-雪峰山脉,南为南岭山脉,东为幕阜-罗霄山脉,中部为丘陵型盆地,北部为洞庭湖平原,地势由南逐渐向中部及东北部倾斜[26]。区内生态系统类型多样,以森林、农田和灌丛为主,各占流域总面积的43.36%、29.14%和16.49%,湿地和城镇则各占总面积的3.47%和3.34%。流域具有典型亚热带季风湿润气候,雨热同季且充沛,是我国重要农业生产区。

洞庭湖流域总人口7329.92万人,平均人口密度281.70人/km2,空间分布不匀,主要集中于中东部的长株潭城市群、北部的环洞庭湖经济圈以及衡阳、邵阳、萍乡、怀化等城市中心区域,整体表现为中东部、北部高,西部、南部低,平原区人口密度高,山丘区人口密度低的空间格局(图2)。

2 研究方法

2.1 土壤保持评价模型

生态系统可以通过改变侵蚀营力和土体抵抗力的相对大小,减少或避免土壤侵蚀发生,从而实现土壤资源的保护和土壤侵蚀的控制,为人类提供强大的土壤保持服务。以土壤保持量(即生态系统减少的土壤侵蚀量)表征生态系统提供土壤保持服务的能力；以受益人口量化土壤保持服务受益者的规模；以土壤保持量与受益人口的乘积量化土壤保持服务对人类受益者产生的效用。生态系统提供土壤保持服务的能力越强,受益人口越多,则生态系统实际发挥的土壤保持价值越大。

(1)土壤保持量

用潜在土壤侵蚀与实际土壤侵蚀的差值来计算土壤保持量,以评估生态系统土壤保持服务供给能力。综合考虑尺度、 模型复杂性和数据可获得性,土壤侵蚀量采用通用土壤流失方程(USLE)进行估算。模型形式如下:

SC=SEp-SEa

SEp=R×K×LS

SEa=R×K×LS×C

式中,SC为土壤保持量(t hm-2a-1),SEp和SEa分别表示潜在土壤侵蚀量(t hm-2a-1)和实际土壤侵蚀量(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为地形因子,C为植被覆盖因子。各参数计算及赋值方法参见文献[27—28]。

(2)受益人口

受益人口是通过使用生态系统服务而获益的人口数量,可以反映人类受益者对生态系统服务的需求程度[6, 10]。对土壤保持服务而言,受益人口是生态系统通过持留土壤,减轻水土流失导致的土地退化、泥沙淤积和水体污染等危害而获益的人口数量。由于流域内土壤保持服务主要沿水流路径传输[7, 29],采用水文分析中的水流长度工具,以网格人口数据作权重,沿水流路径进行累加得出土壤保持服务的受益人口。模型形式如下：

PBi=∑(Di×Pi)

式中,PBi表示栅格i的受益人口(人),Di表示栅格i沿流路径的单元长度(m),Pi表示栅格i沿流路径上单元长度的人口数量(人/m)。

分析得出,洞庭湖流域生态系统土壤保持服务的受益人口为0—59397人,平均为23127人。空间上整体表现为东南部高,西北部低的分布特征(图2)。受人口分布格局影响,湘江流域土壤保持服务的平均受益人口远远高于其他流域。

图2 洞庭湖流域人口及土壤保持服务受益人口空间分布Fig.2 Spatial pattern of population and beneficiaries of soil conservation service in Dongting Lake Watershed

2.2 土壤保持重要性分级

土壤保持重要性评价是基于土壤保持服务及其空间分布特征,评价不同地区生态系统在土壤保持方面对区域生态安全的保障作用和重要性程度的过程。受流域地形、气候、土壤和植被等空间格局影响,洞庭湖流域生态系统提供土壤保持服务的能力具有明显的空间异质性；人口分布的不均衡进一步加剧了土壤保持服务格局的复杂性。为揭示洞庭湖流域土壤保持服务重要性格局,识别土壤保持重要区域,我们从生态系统和受益者两个角度进行评价,按其对区域生态安全的重要程度划分为极重要、较重要、中等重要、一般4个等级,具体划分步骤可参见文献[30]。在此基础上采用最大值合成法,综合生态系统角度和受益者角度的土壤保持重要性评价结果,得出洞庭湖流域土壤保持服务重要性格局。

2.3 数据来源

本研究使用的数据主要包括：2015年洞庭湖流域生态系统类型和植被覆盖度；数字高程模型(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)；第二次全国土壤普查数据(土壤机械组成、土壤有机质含量)；通过日雨量模型计算得出的多年均降雨侵蚀力站点数据；2010年网格人口数据(表1)。数据分析和结果输出统一采用90 m×90 m的空间分辨率。

表1 洞庭湖流域生态系统土壤保持评价及分析数据表

3 结果与分析

3.1 土壤保持格局(生态系统角度)

2015年,洞庭湖流域生态系统土壤保持总量为131.99亿吨,以沅江流域最高(54.23亿吨),约占洞庭湖流域总量的41.09%,其次是湘江流域(48.88亿吨),约占总量的37.03%。平均土壤保持强度为507.26 t hm-2a-1,以沅江流域(599.55 t hm-2a-1)和资水流域(587.66 t hm-2a-1)最大。空间上,土壤保持重要性整体表现为西部、南部高,中部、北部低,山丘区高,平原区低的分布特征。土壤保持重要区域(极重要区)面积2.80万km2,约占流域总面积的10.77%(表2),主要分布于湘江流域和沅江流域,各占土壤保持重要区域面积的39.73%和38.14%(图3)。

图3 洞庭湖流域土壤保持服务格局(生态系统角度)Fig.3 Spatial pattern of soil conservation service in Dongting Lake Watershed (ecosystem perspective)

表2 洞庭湖流域土壤保持服务重要性构成

3.2 土壤保持格局(受益者角度)

结合土壤保持量和受益人口,2015年洞庭湖流域生态系统土壤保持服务总量为332.79亿吨/万人,以湘江流域最高(222.89亿吨/万人),约占洞庭湖流域总量的66.98%,其次是沅江流域(70.38亿吨/万人),约占总量的21.15%。平均土壤保持服务量为1278.94吨 万人 hm-2a-1,以湘江流域最高(2366.71吨 万人 hm-2a-1),其次是资水流域(1151.27吨 万人 hm-2a-1)。空间上,土壤保持重要性整体表现为东南高、西北低的分布特征。土壤保持重要区域(极重要区)面积1.57万km2,约占流域总面积的6.05%(表2),主要集中在湘江流域,约占土壤保持重要区域面积的92.95%(图4)。

图4 洞庭湖流域土壤保持服务格局(受益者角度)Fig.4 Spatial pattern of soil conservation service in Dongting Lake Watershed (beneficiary perspective)

3.3 考虑受益者前后的比较

将考虑受益人口前(生态系统角度)后(受益者角度)的土壤保持服务格局进行比较,发现考虑受益人口后,大部分地区生态系统土壤保持重要性维持不变(75.33%),其余地区的重要性则表现为不同程度地升高或降低(图5)。分析表明,约有4.76万km2地区土壤保持重要性有所降低,其中包含1.71万km2的土壤保持重要区域,主要集中在沅江流域(1.05万km2),包括武陵山、雪峰山等地。相反,约有1.66万km2地区土壤保持重要性有所提升,其中有0.48万km2被识别为新增土壤保持重要区域,主要集中在湘江流域(0.47万km2),包括南岭、罗霄山脉等。

图5 洞庭湖流域土壤保持服务格局变化Fig.5 Changes in spatial pattern of soil conservation service in Dongting Lake Watershed

3.4 土壤保持重要性格局

将考虑受益人口前后的土壤保持格局进行叠加,重要性不一致时取等级较高者,综合得出洞庭湖流域土壤保持重要性格局。结果表明,土壤保持重要区域(极重要区)面积3.28万km2,约占洞庭湖流域面积的12.61%,主要分布于西部的武陵山、雪峰山,南部的南岭山脉、阳明山以及东部的罗霄山脉、幕连九山脉等山地区(图6)。从流域分布来看,以湘江流域和沅江流域分布面积最大,各占土壤保持重要区域面积的48.36%和32.58%。从地市分布来看,以湖南永州、怀化、郴州、邵阳、广西桂林和贵州黔东南等地市分布最多。

图6 洞庭湖流域土壤保持服务重要性格局Fig.6 Importance pattern of soil conservation service in Dongting Lake Watershed

4 讨论

洞庭湖流域位于我国中东部典型季风气候区,降水丰富且雨强大、多暴雨,加上流域内山丘比例高,花岗岩、石灰岩广布,水土流失风险较高[26, 31—32]。2015年,洞庭湖流域生态系统土壤保持总量为131.99亿吨,约占全国土壤保持总量的6.63%,占长江流域土壤保持总量的18.29%,其平均土壤保持强度约507.26 t hm-2a-1,远高于全国平均水平(210.00 t hm-2a-1)和长江流域平均水平(405.24 t hm-2a-1)。说明从生态系统角度,洞庭湖流域提供土壤保持服务的能力较强,在控制土壤侵蚀方面发挥着重要作用；特别是植被覆盖较好的山地区,生态系统提供土壤保持服务的潜力较大。

洞庭湖流域水土流失危害严重[32],主要表现为流失泥沙淤积江河湖库,导致下游洪涝灾害加剧[33]。一方面,洞庭湖流域垦殖历史悠久,是我国重要农业生产区,每年因洪涝灾害遭受巨大的农业经济损失[24]；另一方面,在长江经济带发展规划中,洞庭湖流域是长江中游城市群的重点建设区,是实施促进中部地区崛起战略、全方位深化改革开放和推进新型城镇化的重点区域。可见,洞庭湖流域对降低洪灾风险的需求较高；从受益者角度,生态系统土壤保持服务在减轻洞庭湖流域(特别是城市密布、人口集聚的湘江流域)泥沙淤积以及洪涝灾害方面具有重要价值。

图7 洞庭湖流域土壤保持重要区域面积Fig.7 Important area of soil conservation service in Dongting Lake Watershed

从生态系统角度和受益者角度得出的土壤保持服务格局差异较大。统计表明,从生态系统角度,土壤保持重要区域主要分布于湘江流域(39.73%)和沅江流域(38.14%)；从受益者角度,土壤保持重要区域则主要集中于湘江流域(92.95%)。除部分(1.10万km2)重叠外,有0.48万km2被识别为新增土壤保持重要区域,这些地区提供土壤保持服务的能力不算很强,但因平均受益人口众多(53628人),实际发挥的土壤保持价值很大,值得重点关注和保护；另有1.71万km2的土壤保持重要区域因平均受益人口较少(12362人),土壤保持价值未能得到充分发挥(图7)。由于本研究局限于洞庭湖流域,长江流域下游的受益人口并未纳入分析,将尺度扩大后,这部分土壤保持强度较大,但区内受益人口较少的地区可能对长江流域下游产生重要影响,需要继续加以保护。因此,将考虑受益者前后的土壤保持重要区域进行合并,综合得出洞庭湖流域土壤保持重要区域。

洞庭湖流域土壤保持服务受益人口呈东南高、西北低的空间特征,受益者主要集中在湘江流域。受此影响,洞庭湖流域土壤保持重要区域向湘江流域转移和集中。可见,受益者的空间分布在土壤保持服务格局中具有重要作用。王丽霞等在基于生态供受体理论研究全国水土保持重要区时也强调了受体(人口)的重要性,但她仅考虑了土壤保持对当地受益者的影响,未对下游受益人口进行分析[34]。研究得出,洞庭湖流域土壤保持服务平均受益人口(23127人/栅格),远远大于平均人口密度(2.28人/栅格),说明土壤保持服务的受益者主要在下游,而不是当地。本研究在水文路径分析中河流两侧的受益人口以及泥沙沉降等问题还没有得到充分的考虑,将在以后的工作中继续深入。另外,受益人口及其所反映的需求程度会随时间、空间而变化[35],人口迁移、城镇化、社会经济发展等因素都可能通过改变受益者的空间分布,导致生态系统服务格局发生变化。因此,适时评估和监测土壤保持服务的供给和使用状态,及时调整土壤保持重要区域,是提升土壤保持服务对人类福祉支持作用的必要保证。

5 结论

本研究运用通用土壤流失方程(USLE)和流域水文路径分析,从受益者角度对洞庭湖流域生态系统土壤保持服务进行量化,揭示其土壤保持重要性格局。结果表明：(1)洞庭湖流域生态系统土壤保持服务供给能力较强,受益人口众多,土壤保持服务在防止土地退化、减轻泥沙淤积、降低洪灾风险等方面发挥着重要作用；(2)从生态系统角度和受益者角度得出的土壤保持服务格局差异较大,前者主要分布于土壤保持服务供给能力较强的地区,后者则主要集中于受益人口较多的地区,评估中需要将生态系统和受益者相结合,全面识别土壤保持重要区域；(3)综合生态系统角度和受益者角度,洞庭湖流域土壤保持重要区域面积3.28万km2,主要分布于西部的武陵山、雪峰山,南部的南岭山脉、阳明山以及东部的罗霄山脉、幕连九山脉等山地区。研究强调了将受益者纳入土壤保持服务评估的必要性,揭示了洞庭湖流域土壤保持重要区域,可为流域水土保持和生态保护提供数据支持,为提升土壤保持服务对人类福祉的支撑作用提供参考。