劉 月,趙文武,*,賈立志

1 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875 2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部陸地表層系統(tǒng)科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院, 北京 100875

氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)改變了全球生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能,已經(jīng)并將持續(xù)影響全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給[1]。土壤保持服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)提供的一項(xiàng)重要調(diào)節(jié)服務(wù),指生態(tài)系統(tǒng)防止土壤流失的侵蝕調(diào)控能力以及對(duì)泥沙的儲(chǔ)積保持能力[2]。最近的相關(guān)研究表明在人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化的影響下,全球土壤侵蝕有加劇風(fēng)險(xiǎn),土壤保持服務(wù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3]。加劇的土壤侵蝕不僅會(huì)造成局地水土流失、土壤肥力降低、糧食產(chǎn)量下降進(jìn)而影響糧食安全,同時(shí)由于河流輸沙量的增加,會(huì)對(duì)下游地區(qū)的灌溉、污水處理、水庫(kù)使用產(chǎn)生影響；此外,土壤侵蝕也能夠造成土壤有機(jī)碳的橫向移動(dòng),進(jìn)而對(duì)全球碳循環(huán)產(chǎn)生影響[4]。由于土壤侵蝕對(duì)全球環(huán)境變化的敏感性以及與社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的相關(guān)性,如何制定適應(yīng)性管理策略以提高生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)能力,降低土壤侵蝕危害,成為政策制定者關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái),學(xué)者們開(kāi)展了系列土壤保持服務(wù)研究,但現(xiàn)有研究對(duì)土壤保持服務(wù)概念理解不一、評(píng)價(jià)方法各異、涉及尺度單一、缺乏影響機(jī)制分析。針對(duì)土壤保持服務(wù)形成從概念、方法、機(jī)理到不同尺度間相互作用的系統(tǒng)性完整研究體系仍然尚未形成,相關(guān)研究亟待系統(tǒng)梳理。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的基礎(chǔ)是生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與過(guò)程,就土壤保持服務(wù)而言,其供給能力大小主要由空間上的侵蝕產(chǎn)沙、運(yùn)移沉積過(guò)程決定。以降雨為主要侵蝕力的水蝕是全球范圍最主要的土壤侵蝕形式。本文針對(duì)水蝕過(guò)程,對(duì)土壤保持服務(wù)的概念內(nèi)涵、評(píng)估方法和尺度效應(yīng)進(jìn)行了總結(jié)梳理,并對(duì)未來(lái)土壤保持服務(wù)研究方向進(jìn)行展望,以期為全球變化背景下土壤保持服務(wù)研究和管理提供參考。

1 土壤保持服務(wù)的概念內(nèi)涵

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類(lèi)從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種惠益。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為連接生物物理過(guò)程和人類(lèi)福祉的橋梁,其概念內(nèi)涵包括兩方面：既關(guān)注服務(wù)產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給(自然系統(tǒng)),同時(shí)重視人類(lèi)從中獲得的惠益,即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求(社會(huì)系統(tǒng))。對(duì)土壤保持服務(wù)來(lái)說(shuō),也是如此,由于受到如植被覆蓋、土壤、地形等生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組分因素的影響,自然生態(tài)系統(tǒng)具有控制侵蝕和攔截泥沙的能力,這種能力可以理解為生態(tài)系統(tǒng)提供土壤保持服務(wù)的潛在能力,即土壤保持服務(wù)的潛在供給。當(dāng)這種土壤保持服務(wù)供給被人類(lèi)消費(fèi)使用,以滿(mǎn)足糧食生產(chǎn)需求和帶來(lái)清潔水質(zhì)等一系列惠益時(shí),這種潛在的土壤保持服務(wù)供給即變?yōu)樯鷳B(tài)系統(tǒng)為人類(lèi)提供的實(shí)際土壤保持服務(wù)(圖1)。而由于現(xiàn)有的土壤保持服務(wù)文獻(xiàn)大多是從自然系統(tǒng)出發(fā),針對(duì)土壤保持服務(wù)潛在供給能力進(jìn)行分析,因此,本文主要是從土壤保持服務(wù)供給角度出發(fā),以土壤侵蝕、運(yùn)移、沉積等過(guò)程為主線,并結(jié)合當(dāng)前主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類(lèi)體系,對(duì)土壤保持服務(wù)概念進(jìn)行界定,總體可以分為侵蝕調(diào)控和土壤保持兩方面(圖1)。

圖1 土壤保持服務(wù)內(nèi)涵包括潛在供給和滿(mǎn)足需求兩方面 Fig.1 The potential supply and beneficiaries together make the definition of soil conservation service

(1)基于侵蝕調(diào)控角度的土壤保持服務(wù),英文表述為erosion control service, erosion protection service或erosion regulation service。有些研究直接稱(chēng)其為生態(tài)系統(tǒng)的侵蝕調(diào)控服務(wù),強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)侵蝕,減少泥沙輸出的能力[5]。自然界中的泥沙主要受侵蝕產(chǎn)沙、運(yùn)移沉積等過(guò)程的影響。生態(tài)系統(tǒng)的侵蝕調(diào)控服務(wù)即可以理解為自然生態(tài)系統(tǒng)對(duì)泥沙的產(chǎn)生、運(yùn)移、沉積等過(guò)程的影響,使得泥沙在時(shí)間、空間、數(shù)量上發(fā)生變化,主要變現(xiàn)表現(xiàn)為侵蝕產(chǎn)沙量和河流輸沙量的減少,從而達(dá)到對(duì)侵蝕的調(diào)節(jié)控制作用。由于泥沙運(yùn)移過(guò)程的復(fù)雜性,目前研究常忽略泥沙在地表的運(yùn)移沉積過(guò)程,更多地關(guān)注于自然生態(tài)系統(tǒng)對(duì)侵蝕產(chǎn)沙和泥沙輸出量的作用和影響。這一研究方法類(lèi)似于黑箱研究,弱化侵蝕過(guò)程而聚焦泥沙的產(chǎn)生和輸出情況。一方面,從泥沙產(chǎn)生角度,可以通過(guò)地塊土壤侵蝕量的時(shí)空變化和分布來(lái)反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)控制侵蝕的能力。另一方面,從泥沙輸出角度,則可以以流域出口斷面產(chǎn)沙量的變化或者河流某一斷面輸沙量的變化來(lái)衡量生態(tài)系統(tǒng)對(duì)泥沙的調(diào)控能力,同時(shí)也可以選擇研究區(qū)任一位置作為感興趣點(diǎn),以通過(guò)該位置泥沙量的變化作為衡量指標(biāo)[6]。有些研究直接將水庫(kù)作為基準(zhǔn),分析上游生態(tài)系統(tǒng)同對(duì)其泥沙淤積的影響。在這些研究中,通常直接將土壤保持服務(wù)理解為生態(tài)系統(tǒng)提供的減輕水庫(kù)泥沙淤積及改善水質(zhì)的服務(wù)。

(2)基于保持土壤角度的土壤保持服務(wù),英文表述為soil retention service, sediment retention service或 soil conservation service。相關(guān)研究側(cè)重于生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤的保持和泥沙儲(chǔ)積能力,將土壤保持服務(wù)理解為在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi),生態(tài)系統(tǒng)保持土壤的過(guò)程和能力,往往采用相應(yīng)時(shí)空尺度下的土壤保持量進(jìn)行表征。由圖2可知,泥沙從陸地產(chǎn)生到運(yùn)移至海洋是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中生態(tài)系統(tǒng)保持的土壤總量不僅包括在地塊尺度上由于植被覆蓋和管理措施減少的土壤侵蝕量,還應(yīng)包括泥沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被植被攔截的量,以及由于平原、湖泊、河道、水庫(kù)大壩等地形和人類(lèi)活動(dòng)引起的泥沙沉積量。

綜上,本文將土壤保持服務(wù)界定為：生態(tài)系統(tǒng)防止土壤流失的侵蝕調(diào)控能力、對(duì)泥沙的攔截能力以及河流湖泊濕地庫(kù)壩中的淤泥儲(chǔ)積能力。針對(duì)土壤水蝕過(guò)程,在水平方向上侵蝕產(chǎn)沙、運(yùn)移沉積和輸沙過(guò)程進(jìn)行可以概化為圖2所示。要準(zhǔn)確評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持服務(wù),需要刻畫(huà)泥沙在水平方向上再分配的過(guò)程,并對(duì)各個(gè)分量做深入定量的分析。在圖2中,其侵蝕量平衡方程為：土壤侵蝕量=土壤保持量+泥沙輸出量。

圖2 泥沙在地表的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及沙量平衡Fig.2 The overland process of soil movement and sediment budget

2 土壤保持服務(wù)評(píng)估方法

土壤保持服務(wù)評(píng)估應(yīng)包括兩部分,即針對(duì)自然系統(tǒng)的土壤保持服務(wù)供給評(píng)估,以及針對(duì)人類(lèi)系統(tǒng)的人類(lèi)受益評(píng)估。現(xiàn)有研究往往側(cè)重于土壤保持服務(wù)供給的評(píng)估研究。

2.1 評(píng)估指標(biāo)

與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估一致,土壤保持服務(wù)評(píng)估可以分為價(jià)值量和物質(zhì)量評(píng)估兩種類(lèi)型。物質(zhì)量評(píng)價(jià)方法,通過(guò)揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化水平,能夠反映生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的特點(diǎn),從而有益于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)性的分析[7]。目前對(duì)土壤保持服務(wù)的評(píng)估也是主要基于土壤侵蝕視角,根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的影響對(duì)其進(jìn)行物質(zhì)量評(píng)估。

自然界中侵蝕產(chǎn)沙—運(yùn)移沉積—泥沙輸出過(guò)程中的各個(gè)分量,即土壤侵蝕量、土壤保持量、輸沙量或產(chǎn)沙量均可以作為衡量土壤保持服務(wù)能力的指標(biāo)。其中,土壤在徑流作用下產(chǎn)生位移的物質(zhì)量,稱(chēng)為土壤侵蝕量；由于地塊上植被對(duì)降雨的攔截以及植物根系對(duì)土壤固定作用減少的土壤侵蝕量、侵蝕產(chǎn)生的泥沙在運(yùn)移過(guò)程被植被攔截的量以及泥沙在河流湖泊、水庫(kù)中沉積量的總和為土壤保持量；泥沙經(jīng)過(guò)侵蝕和運(yùn)移沉積過(guò)程后向流域外輸出,即有了產(chǎn)沙量和輸沙量概念,在特定時(shí)段內(nèi),通過(guò)小流域出口觀測(cè)斷面的泥沙總量,稱(chēng)為流域產(chǎn)沙量；而當(dāng)泥沙進(jìn)入河流中,把一定時(shí)段內(nèi)通過(guò)河道某斷面的泥沙數(shù)量稱(chēng)為該時(shí)段的河流輸沙量。除以上與土壤侵蝕過(guò)程相關(guān)的指標(biāo)外,植被覆蓋度、土地利用和地形作為生態(tài)系統(tǒng)組分與結(jié)構(gòu)的代表,是形成土壤保持服務(wù)的基礎(chǔ)要素,也可以作為衡量土壤保持服務(wù)能力的替代指標(biāo)(表1)。

2.2 測(cè)算方法

由于土壤保持服務(wù)包括控制侵蝕、減少泥沙輸出的內(nèi)涵,所以可以直接用一個(gè)地區(qū)土壤侵蝕量和輸(產(chǎn))沙量在時(shí)間上的變化來(lái)表征土壤保持能力,這時(shí)得到的結(jié)果并非具體土壤保持服務(wù)數(shù)值,而是通過(guò)一定時(shí)間范圍內(nèi)(通常為年際間變化)土壤侵蝕量或輸(產(chǎn))沙量變化幅度來(lái)說(shuō)明該地區(qū)土壤保持服務(wù)能力強(qiáng)弱的變化。首先,土壤侵蝕量的計(jì)算,多采用通用土壤流失方程RUSLE(The Revised Universal Soil Loss Equation),其核心是計(jì)算模型中的降雨侵蝕力(R)、土壤可蝕性(K)、地形(LS)、植被覆蓋與管理(C)、人工管理措施(P)等6個(gè)因子。由于參數(shù)簡(jiǎn)單,便于計(jì)算,在多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)價(jià)中,可以用其快速模擬土壤保持服務(wù)空間分布特征和時(shí)間動(dòng)態(tài)變化,便于與其他類(lèi)型服務(wù)比較[8- 9]。在模型應(yīng)用中,關(guān)鍵問(wèn)題是參數(shù)率定,已有許多研究對(duì)此進(jìn)行了探討,主要包括結(jié)合研究區(qū)自然環(huán)境狀況和觀測(cè)資料,校正參數(shù)計(jì)算方法以實(shí)現(xiàn)參數(shù)本地化；分析不同數(shù)據(jù)源對(duì)計(jì)算結(jié)果影響,確定最優(yōu)數(shù)據(jù)源以及如何在數(shù)據(jù)缺乏或精度有限的情況下,利用現(xiàn)有觀測(cè)資料對(duì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[10- 11]。RUSLE模型主要局限性在于僅考慮坡面侵蝕,并沒(méi)有考慮溝蝕、重力侵蝕、河道侵蝕等其他侵蝕來(lái)源。

表1 土壤保持服務(wù)評(píng)估指標(biāo)

與直接計(jì)算土壤侵蝕量相對(duì)應(yīng),土壤保持量是更為常用的指標(biāo)。土壤保持量是指由于當(dāng)前植被覆蓋和管理措施減少的土壤侵蝕量,往往基于RUSLE模型,以潛在土壤侵蝕量(裸地時(shí)土壤侵蝕量)與實(shí)際土壤侵蝕量之差來(lái)刻畫(huà)土壤保持量。該方法已被應(yīng)用于流域、區(qū)域、國(guó)家、大洲等不同尺度的土壤保持服務(wù)評(píng)估中,且由于模型參數(shù)對(duì)氣候和土地利用變化敏感,常用其模擬或預(yù)測(cè)氣候和土地利用變化下的土壤保持服務(wù)動(dòng)態(tài)[12- 13]及變化特征[14]。假設(shè)研究區(qū)所有土地均為裸地,用此時(shí)的土壤侵蝕量作為基礎(chǔ)值,優(yōu)點(diǎn)是便于情景分析,可以直觀比較不同土地利用和植被覆蓋條件下土壤保持能力大小,但這種極端假設(shè)本身在現(xiàn)實(shí)中難以發(fā)生,僅以此來(lái)評(píng)價(jià)某一種土地利用情景下的土壤保持量,存在高估的問(wèn)題。

對(duì)于流域產(chǎn)沙量或河流輸沙量這一指標(biāo),通常在利用RUSLE求得土壤侵蝕量的基礎(chǔ)上,根據(jù)泥沙輸移比計(jì)算。泥沙輸移比(SDR)為流域出口斷面輸沙量與斷面之上侵蝕量之比[15]。SDR的計(jì)算,一般通過(guò)與流域面積、降水產(chǎn)流、植被覆蓋、地形地貌等影響因子建立關(guān)系式求解或直接參考研究地區(qū)已有文獻(xiàn)賦予經(jīng)驗(yàn)值。由于概念簡(jiǎn)單且容易計(jì)算,該方法被廣泛使用。在最新的InVEST 3.0中,土壤保持模塊計(jì)算就采用了該方法,其中SDR在考慮柵格間水文連通性的基礎(chǔ)上通過(guò)構(gòu)建與植被覆蓋、坡度的關(guān)系式求解。Hamel等利用其對(duì)美國(guó)北卡羅拉洲Cape Fear流域土壤保持服務(wù)進(jìn)行評(píng)估,并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其具有較高的模擬精度[16]。Sánchezcanales等在 Ibrian Peninsula流域?qū)δＰ瓦M(jìn)行的敏感性分析顯示,R因子和K因子對(duì)模型結(jié)果影響最大。同時(shí)指出,這兩個(gè)因子都易受氣候變化驅(qū)動(dòng),R因子是直接受影響,K因子則是溫度和水分變化引起土壤有機(jī)質(zhì)含量變化后間接受到影響[17]。由于RUSLE只考慮了坡面侵蝕,有學(xué)者在利用泥沙輸移比計(jì)算流域產(chǎn)沙量的基礎(chǔ)上,結(jié)合泥沙平衡的思想,通過(guò)野外觀測(cè)或查閱文獻(xiàn)的方法獲取河道侵蝕量或水庫(kù)沉積量值完善模型結(jié)果,使結(jié)果更加精確也便于驗(yàn)證[18]。直接在流域或區(qū)域尺度上建立的侵蝕產(chǎn)沙模型或河流輸沙模型也可以對(duì)產(chǎn)沙輸沙量進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。該類(lèi)模型根據(jù)是否刻畫(huà)土壤侵蝕過(guò)程分為物理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；根?jù)預(yù)報(bào)結(jié)果的差異,又可以分為空間集總式和空間分布式模型[19]。需要注意的是,許多河流輸沙量模型如ART(Area Relief Temperature sediment delivery mode)模型,與流域侵蝕產(chǎn)沙模型相比,多關(guān)注于泥沙在河道中的侵蝕運(yùn)移過(guò)程,特點(diǎn)是可以對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的河流輸沙量進(jìn)行模擬,如百年或千年,而且往往適用于空間大尺度(>10000 km2),但模型參數(shù)通常對(duì)氣候和土地利用變化不敏感,難以應(yīng)用于未來(lái)氣候和土地利用變化情景[20- 21]。

以上方法是從泥沙產(chǎn)生與輸出角度來(lái)評(píng)估土壤保持服務(wù)能力,并未考慮泥沙在運(yùn)移過(guò)程中的攔截和沉積。然而,植被不僅能夠影響局地土壤侵蝕,而且能夠攔截上游地塊產(chǎn)生的泥沙?？紤]泥沙沿水文路徑運(yùn)移過(guò)程中地塊對(duì)上游泥沙的攔截能夠更科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)估土壤保持量。目前這一問(wèn)題在InVEST2.5.6中得到了解決,其土壤保持模塊考慮了地塊本身攔截上游沉積物的能力[22]。該模型的局限性主要表現(xiàn)在,同手動(dòng)計(jì)算的RUSLE一樣,未考慮溝蝕、重力侵蝕、河道侵蝕等泥沙來(lái)源,同時(shí)流域面積不能太大(不超過(guò)4000×4000個(gè)像元),且對(duì)用戶(hù)率定模型參數(shù)的能力要求較高。為此,Naipal等[23]提出一種簡(jiǎn)單的沙量平衡方法,可以模擬水平方向上泥沙的侵蝕、運(yùn)移、沉積等再分配過(guò)程,對(duì)空間大尺度和長(zhǎng)時(shí)間序列下的泥沙沉積量進(jìn)行計(jì)算。該方法基本思路是將研究區(qū)柵格化并假設(shè)每個(gè)柵格均包括山區(qū)和平原兩部分,侵蝕產(chǎn)沙主要在山區(qū)發(fā)生,然后由山區(qū)運(yùn)往平原,在平原地區(qū)發(fā)生運(yùn)移和沉積,最終泥沙沉積量由平原和山區(qū)兩部分組成,并在柵格尺度上輸出。

雖然上述模型在構(gòu)建時(shí)已經(jīng)對(duì)侵蝕運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化,但模型的運(yùn)行依然涉及眾多參數(shù),需要大量數(shù)據(jù)的支持,這不僅限制了評(píng)估結(jié)果的更新,而且不利于模型在數(shù)據(jù)相對(duì)匱乏地區(qū)的應(yīng)用。以?xún)舫跫?jí)生產(chǎn)力(NPP)為核心設(shè)計(jì)出的定量指標(biāo)模型,將初級(jí)生產(chǎn)力視作土壤保持服務(wù)分布的替代指標(biāo),模型涉及參數(shù)明顯減少,數(shù)據(jù)可通過(guò)遙感手段及時(shí)獲取,有助于大尺度動(dòng)態(tài)評(píng)估工作的開(kāi)展[24]。

除了利用模型定量評(píng)估土壤保持服務(wù)能力,還可以用土地利用類(lèi)型或植被覆蓋度等指標(biāo)作定性評(píng)價(jià),劃分區(qū)域土壤保持服務(wù)供給的優(yōu)先等級(jí),確定水土保持重點(diǎn)區(qū)域。如,Egoh等在綜合考慮植被覆蓋度和土壤侵蝕強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,采用專(zhuān)家評(píng)價(jià)的方法劃分土壤保持服務(wù)供給的重點(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)域[25]。Jackson等則主要考慮地形對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的控制,提出復(fù)合地形評(píng)價(jià)指數(shù)CTI來(lái)識(shí)別易受土壤侵蝕的脆弱區(qū)[26]。此外,Logsdon等構(gòu)建了侵蝕調(diào)節(jié)指數(shù)ERI,通過(guò)比較實(shí)際土壤侵蝕量與容許土壤流失量的關(guān)系來(lái)定性評(píng)價(jià)區(qū)域侵蝕調(diào)控能力[27](表2)。

2.3 多尺度評(píng)估及尺度效應(yīng)

圖3 地表侵蝕產(chǎn)沙—運(yùn)移沉積—泥沙輸出過(guò)程的尺度特征Fig 3 The scale characteristic of the overland process of sediment

土壤保持服務(wù)是一種“定向流動(dòng)服務(wù)”, 上游地區(qū)的侵蝕變化,不僅會(huì)對(duì)局地造成影響,而且會(huì)沿著水系或者泥沙運(yùn)移路徑對(duì)中下游等其他區(qū)域造成影響。從局地尺度上關(guān)注土壤侵蝕對(duì)作物生長(zhǎng)的影響到全球尺度研究土壤侵蝕對(duì)碳循環(huán)影響,不同尺度上,人們對(duì)土壤保持服務(wù)流的側(cè)重不同。所以,對(duì)土壤保持服務(wù)的有效評(píng)估,需要沿著土壤侵蝕—運(yùn)移—沉積的路徑,從坡面-流域-區(qū)域-全球等不同空間尺度上開(kāi)展,在評(píng)估中選取相對(duì)應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)和評(píng)估方法,以反映不同尺度上主導(dǎo)過(guò)程和影響因素(圖3)。

坡面尺度評(píng)估主要依賴(lài)于對(duì)土壤侵蝕控制機(jī)理及過(guò)程的理解。許多研究從土地利用方式和土地管理措施角度出發(fā),探討了其對(duì)坡面土壤侵蝕的影響,取得許多實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,如Fu等使用137Cs核素示蹤方法,定量評(píng)估了不同土地利用組合對(duì)土壤侵蝕的影響。結(jié)果表明,從山腳到山頂,草地(6年生)+成熟林(25年生)+草地(25年生)配置可以減少42%土壤侵蝕[28]；Chen等針對(duì)中國(guó)區(qū)域Meta分析表明梯田措施可以減53.0%的產(chǎn)沙量[29]。在此基礎(chǔ)上,發(fā)展出了RUSLE和WEEP等坡面尺度的經(jīng)驗(yàn)或過(guò)程模型,以及基于植被覆蓋,地形條件的簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)指數(shù)對(duì)可能發(fā)生侵蝕的區(qū)域及侵蝕量進(jìn)行定量或定性評(píng)估。坡面尺度是研究土壤侵蝕控制機(jī)理,探索土壤保持服務(wù)形成過(guò)程的理想尺度,在土地利用基礎(chǔ)上深入探討土壤保持服務(wù)供給與植被功能性狀之間的關(guān)系,是進(jìn)一步理解生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)供給機(jī)制及提高評(píng)估精度的關(guān)鍵。

流域是江河水系的基本集水單元,也是一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)沙、輸沙系統(tǒng)[30]。在流域尺度上,土壤流失的類(lèi)型不僅包括坡面尺度上的濺蝕、片蝕、細(xì)溝侵蝕、淺溝侵蝕,也包括溝道侵蝕、重力侵蝕等[31]。除了侵蝕類(lèi)型更加復(fù)雜,由于流域不同土地利用格局配置的影響,地塊邊界對(duì)泥沙攔截的作用也變得復(fù)雜。目前流域尺度上,主要應(yīng)用InVEST模型對(duì)土壤保持服務(wù)供給特征進(jìn)行空間模擬和繪圖,同時(shí)分析其隨土地利用格局變化的改變,盡管許多研究均已表明土地利用變化對(duì)流域侵蝕產(chǎn)沙量有較大影響[32- 33],研究者們也試圖通過(guò)這種變化來(lái)描述其對(duì)人類(lèi)福祉的影響,將研究結(jié)果應(yīng)用于管理決策中,但并沒(méi)有什么進(jìn)展。一方面是由于缺乏操作簡(jiǎn)便可以模擬流域尺度上土壤侵蝕和再分配過(guò)程的模型,另一方面,則是評(píng)估中常常忽略人的需求。生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和服務(wù)常常具有一個(gè)特征尺度,即典型的空間范圍和持續(xù)時(shí)段,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)只有在特征尺度上才能表現(xiàn)其顯著的主導(dǎo)作用和效果,并且容易于觀測(cè),從而被充分地表達(dá)出來(lái)。對(duì)土壤保持服務(wù)來(lái)說(shuō),流域作為一個(gè)完整的水文和管理單元,是研究土壤保持服務(wù)產(chǎn)生、流動(dòng)與使用的一個(gè)理想尺度,亟待于在準(zhǔn)確刻畫(huà)流域內(nèi)土壤侵蝕運(yùn)移過(guò)程的基礎(chǔ)上,探討土壤侵蝕變化的局地遠(yuǎn)程影響,以更好地服務(wù)于流域管理。

表2 土壤保持服務(wù)測(cè)算方法對(duì)比

E：土壤侵蝕量,Er：土壤保持量,Q輸沙量,單位均為t km-2a-1；R：降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1))；K是土壤可蝕性因子(MJ-1mm-1t h)；LS為坡度坡長(zhǎng)因子；C為覆蓋和管理因子；P為土壤保持措施因子,L,S,C,P均為無(wú)量綱常量;UPS_retain：地塊攔截上游地塊的泥沙量；NPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力,VCNPP為NPP變異性,Scf為平均坡度修正；Da：山區(qū)土壤保持量,DC：平原土壤保持量,單位均為t km-2a-1；ART：AreaReliefTemperaturesedimentdeliverymode；CTI：compound topographic index 復(fù)合地形評(píng)價(jià)指數(shù)；A：上坡匯水面積(m2)S：局地坡度 (m/m)；PLANC：坡面曲率(1/100 m)；ERI(erosion regulation index):侵蝕調(diào)節(jié)指數(shù)；Eann：年平均土壤侵蝕量,單位t hm-2a-1;Emax:容許土壤流失量,單位：t hm-2a-1

在更大空間尺度(如大洲、全球尺度)上,土壤侵蝕造成的土壤碳在空間上的橫向流動(dòng),對(duì)碳循環(huán)過(guò)程具有重要影響[34]。定量評(píng)估全球土壤侵蝕對(duì)理解全球碳循環(huán)過(guò)程有重要意義,盡管已有研究者們利用RUSLE模型模擬了全球土壤侵蝕空間分布特征,識(shí)別了土壤保持服務(wù)關(guān)鍵區(qū)域,但評(píng)估結(jié)果有很大不確定性[35- 36]。隨著尺度上升,造成評(píng)估困難的根本原因是不同尺度間分辨率不匹配。就土壤保持服務(wù)而言,從景觀角度上看,斑塊位置與景觀格局不同,侵蝕過(guò)程對(duì)環(huán)境的響應(yīng)不同。因此,在大尺度評(píng)估中,關(guān)鍵是準(zhǔn)確刻畫(huà)景觀的異質(zhì)性,但大區(qū)域的評(píng)估一般使用分辨率較小的數(shù)據(jù),即使使用較高分辨率詳細(xì)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,但是,仍會(huì)出現(xiàn)由于空間數(shù)據(jù)融合與使某些局部格局特征或特異現(xiàn)象消失,因此不能辨識(shí)只有在高分辨率下才能被觀察到的生態(tài)過(guò)程。而模型通常是在小尺度建立,且是在高分辨率下進(jìn)行的參數(shù)率定,而在大尺度應(yīng)用時(shí),輸入的是低分辨率數(shù)據(jù),正是由于這種分辨率的不匹配性造成了大尺度評(píng)估結(jié)果存在很大不確定性,如何降低這種不確定性成為學(xué)者們普遍關(guān)心的問(wèn)題。Sebastian等利用美國(guó)4萬(wàn)多條農(nóng)田實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)RUSLE模型進(jìn)行校正,建立了一個(gè)可由低精度全球數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)化土壤侵蝕模型,評(píng)估了全球農(nóng)田的侵蝕速率及其導(dǎo)致的土壤碳流失量[37]。Naipal等利用氣候分帶和分形方法改進(jìn)了RUSLE中R因子和S因子計(jì)算方法,進(jìn)一步提高了模型在全球尺度上受低分辨率數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)時(shí)評(píng)估精度[38]。另外,隨著尺度增加,河道中侵蝕和沉積過(guò)程逐漸發(fā)揮著主導(dǎo)作用,河流輸沙量作為一個(gè)重要指標(biāo),可以反映大尺度地區(qū)土壤保持能力,到全球尺度上,陸海輸沙量作為一個(gè)重要指標(biāo)不僅可以刻畫(huà)全球土壤侵蝕狀況,同時(shí)對(duì)了解陸地生態(tài)系統(tǒng)與海洋生態(tài)系統(tǒng)碳通量有著重要意義。在全球變化大背景下,需要在不同尺度上探討氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)雙重驅(qū)動(dòng)力下生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和土壤保持服務(wù)供給的變化,明確局地、區(qū)域、全球不同空間尺度上土壤保持服務(wù)的影響因素。

3 結(jié)論與展望

目前土壤保持服務(wù)評(píng)估主要依靠以RUSLE為基礎(chǔ)發(fā)展的一系列評(píng)價(jià)方法,存在兩個(gè)問(wèn)題：一方面,基于土壤侵蝕視角進(jìn)行土壤保持服務(wù)評(píng)估,難以揭示在水平方向上由泥沙運(yùn)移導(dǎo)致的土壤再分配過(guò)程；另一方面,也會(huì)受到數(shù)據(jù)缺乏等因素限制,難以在大尺度應(yīng)用。從土壤屬性、土地利用、植被覆蓋、地形等自然系統(tǒng)組分及泥沙運(yùn)移沉積等自然過(guò)程出發(fā),探索土壤保持服務(wù)形成的過(guò)程及機(jī)制,深入理解其變化過(guò)程和驅(qū)動(dòng)機(jī)制,是對(duì)土壤保持服務(wù)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估的基礎(chǔ)。但是,必須注意到,生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過(guò)程決定著生態(tài)系統(tǒng)的功能表現(xiàn),其關(guān)系客觀存在而不以人的意志為轉(zhuǎn)移,只有關(guān)注到人的需求,將這些功能與人類(lèi)福祉相聯(lián)系,最終才能形成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[39]。因此,未來(lái)土壤保持服務(wù)研究有待于在以下幾個(gè)方面進(jìn)行加強(qiáng)和突破(圖4)：

圖4 土壤保持服務(wù)研究重點(diǎn)方向Fig.4 The key direction for soil conservation service assessment

(1)土壤再分配過(guò)程研究：目前土壤保持服務(wù)評(píng)估主要依賴(lài)于小尺度對(duì)土壤侵蝕機(jī)制研究取得的基本認(rèn)識(shí),而隨著尺度增加,侵蝕機(jī)制發(fā)生改變,由于水平方向上泥沙運(yùn)移導(dǎo)致的土壤再分配過(guò)程逐漸成為主導(dǎo)因素,因此未來(lái)需要加強(qiáng)對(duì)沉積過(guò)程的研究,更好地揭示流域區(qū)域尺度上土壤侵蝕過(guò)程的特點(diǎn)與規(guī)律,以服務(wù)大尺度評(píng)估的需求。

(2)發(fā)展大尺度評(píng)估模型：全球變化背景下,大尺度土壤侵蝕對(duì)碳循環(huán)影響逐漸成為關(guān)注重點(diǎn),而如何借助遙感、GIS平臺(tái)的發(fā)展以及利用植被指數(shù)、NPP、地形等多源數(shù)據(jù)發(fā)展大尺度土壤保持服務(wù)評(píng)估模型將會(huì)起到關(guān)鍵的支撐作用。

(3)土壤保持服務(wù)實(shí)際供給研究：在明確土壤保持服務(wù)潛在供給區(qū)域和供給量的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步確定受益區(qū)和受益人群的空間位置,刻畫(huà)服務(wù)供給隨傳輸媒介流向人類(lèi)的過(guò)程,從而建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和人類(lèi)福祉之間的動(dòng)態(tài)互饋機(jī)制,進(jìn)而服務(wù)于生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)管理。

(4)土壤保持服務(wù)需求的空間制圖：有待于將土壤保持服務(wù)研究與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)相結(jié)合,從人類(lèi)需求角度出發(fā),分析不同可持續(xù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)與土壤保持服務(wù)供給間的關(guān)系,明確實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)所需的土壤保持服務(wù)供給,在此基礎(chǔ)上,完成土壤保持服務(wù)需求空間制圖,以反映不同區(qū)域需求的差異。