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黔桂喀斯特山地主要生态系统服务时空变化

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

尚二萍¹^,²^,, 许尔琪¹^,

1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室,北京 100101

2.中国科学院大学,北京 100049

Temporal and spatial variation of main ecosystem services in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous region

SHANGErping¹^,²^,, XUErqi¹^,

1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China

2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

通讯作者:通讯作者：许尔琪,E-mail：xueq@igsnrr.ac.cn
收稿日期:2017-08-21
修回日期:2017-09-14
网络出版日期:2017-10-20
版权声明:2017《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:

国家自然科学基金项目（41601095）

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2015CB452702）

作者简介:
-->作者简介：尚二萍,女,河南焦作人,博士生,主要从事土地利用变化研究。E-mail：shangerping7@126.com

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摘要
黔桂喀斯特山地的生态系统服务评估是生态系统恢复、生态功能区划和建立生态补偿机制、保障国家生态安全的重大战略需求。本文在降水贮存量法、修正土壤流失方程RUSLE、植被固碳释氧等方法基础上,基于实际径流小区实验数据,修正或引入径流系数、降雨侵蚀力、石漠化因子、岩石风化固碳等参数模型,定量评估1990-2015年包括水源涵养、土壤保持和固碳释氧等3项主要生态系统服务的时空变化。研究结果表明：①研究区水源涵养、土壤保持、固碳量和释氧量的总量为630.15亿m³/a、189.02亿t/a、6187.49万t/a和16 002.18万t/a;单位量分别为2943.43 m³/（hm²·a）、885.18t/（hm²·a）、2.89t/（hm²·a）和7.47t/（hm²·a）;②水源涵养功能以低、较低等级为主,分别占总面积的33.72%和20.55%;土壤保持能力以低、较低和极高等级为主,分别占总面积的24.90%、20.90%和21.44%;固碳释氧功能等级以较低、中等和较高等级为主,分别占总面积的35.47%、29.83%和21.49%;③林地对生态系统服务的贡献最大,其水源涵养、土壤保持和固碳释氧生态系统服务分别是耕地和草地的1.85与2.55倍, 1.70与1.03倍, 1.16与1.09倍;④1990-2015年,黔桂喀斯特山地水源涵养量、土壤保持量和固碳释氧均呈现增加趋势：对比1990-2000年和2000-2015年两个时段,前一时段水源涵养量和土壤保持量均呈下降趋势,下降幅度分别为6.25%和3.45%;后一时段水源涵养量、土壤保持量、固碳量和释氧量均呈增加趋势,增加幅度在2.65%~7.49%之间。

关键词：黔桂喀斯特山地;生态系统服务;水源涵养;土壤保持;固碳释氧;岩石风化固碳
Abstract
The ecosystem service assessment of Guizhou and Guangxi karst mountainous region is a major strategic requirement of ecological system restoration,ecological function zoning and the establishment of ecological compensation mechanism to guarantee national ecological security in China. Here we calculated main ecosystem services by pulling rainfall erosivity based on experimental data of actual runoff area,rocky desertification factor and rock-weathering-related carbon sinks into the precipitation storage method,revised universal soil loss equation and carbon sequestration equation. Temporal and spatial changes across the three major ecosystem service functions,including water conservation,soil conservation,and carbon sequestration from 1990 to 2015 were estimated. We found that the total amount of water conservation,soil conservation,carbon sequestration and oxygen release was 63.015 billion m³/year,16.492 billion tons,61.8749 million tons/year and 160.0218 million tons/year; the unit amount was 294.34m³/hm²,77.037t/（hm²·a）,2.89t/hm² and 7.47t/hm²,respectively. The proportion of low and lower water conservation were 33.72% and 20.55%;the proportion of low,lower of the soil conservation were 49.91% and 31.21%;the proportion of lower,middle and high carbon fixation and oxygen release were 35.47%,29.83% and 21.49%. The contribution of karst forest land to water conservation,soil conservation and carbon fixation services is biggest. The proportion of water conservation,soil conservation and carbon fixation of forest land,cultivated land and grassland was 1:1.85:2.55,1:1.64:1.02 and 1:1.16:1.09. From 1990 to 2015,main ecosystem services such as water conservation,soil retention and carbon fixation all increased. From 1990 to 2000 and 2000 to 2015,the trend of water conservation and soil retention in the previous period was opposite and the variation range was between 6.25 and 13.70%. Water conservation in the latter period and carbon sequestration showed an increasing trend of 2.865%~7.493%.

Keywords：Guizhou and Guangxi Karst Mountain region;ecosystem services;water conservation;soil conservation;carbon fixation and oxygen release;rock-weathering-related carbon sinks

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尚二萍, 许尔琪. 黔桂喀斯特山地主要生态系统服务时空变化[J]. , 2017, 39(10): 2000-2015 https://doi.org/10.18402/resci.2017.10.18
SHANG Erping, XU Erqi. Temporal and spatial variation of main ecosystem services in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous region[J]. 资源科学, 2017, 39(10): 2000-2015 https://doi.org/10.18402/resci.2017.10.18

1 引言

生态系统服务研究是生态系统恢复、生态功能区划和建立生态补偿机制、保障国家生态安全的重大战略需求^[1],加之全球气候变化和人为活动的加剧使其成为研究热点和难点^[2-5]。以Costanza^[6,7]、谢高地^[8]、欧阳志云^[9]等为代表的国内外****从不同角度对生态系统服务的理论、评估等进行了系统研究,但现有研究对生态系统服务估算的参数本地化还不足^[1,10-13],且对喀斯特地区的时空变化研究相对较少。
喀斯特地区由于其特殊地质构造和岩性差异^[14],易导致水土流失、河道淤积和自然灾害频发,使生态系统服务受到破坏^[15],在全球气候变化和更为突出的用地竞争和矛盾下^[16],水资源紧缺、水土流失和全球变暖问题成为亟待解决的问题^[17,18],迫切需要研究生态系统服务的现状及变化趋势。目前关于喀斯特地区的相关研究相对较少^[14,19-22],多以小尺度、单一时相、单一生态系统服务为主。如张斯屿等以县域,胡晓以镇域评估了土壤保持、水源涵养或碳存储功能等生态系统服务^[23,24];王小琳、吴松等、许月卿等、韩明辰等以省域或流域为研究区,但仅评估了单一生态系统服务^[25-28]。此外,以往研究中,多采用降水贮存量法^[26]、水量平衡法^[29]、蓄水能量法^[30]、影子工程法^[31]和Invest模型^[25]评估水源涵养^[32],土壤保持则使用修正土壤流失方程^[27]和Invest模型^[23]等,固碳释氧多基于光合作用原理^[28]或实测生物量含碳率^[33]估算,上述方法多采用全国或者南方等的普遍性参数,未考虑喀斯特特殊背景的影响。如：降水贮存法中的产流比参数的经验系数赋值,忽略了空间差异性^[26];降雨侵蚀力R值多采用全国统一公式^[34];固碳释氧忽视岩石风化因素等^[14]。
黔桂喀斯特山地既是中国生态危机地区^[35],也是长江与珠江上游的生态安全屏障^[35]。自1990年来土地利用类型的相互转化剧烈^[16],本研究以黔桂喀斯特山地为例,基于实际径流小区实验数据,引入石漠化因子、岩石风化固碳等参数模型,定量评估1990-2015年主要生态系统服务（水源涵养、土壤保持和固碳释氧）物质量时空变化,对促进西部生态安全及区域可持续发展具有重大研究意义。

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

本文选取的黔桂喀斯特山地范围（图1）,主要参考中华人民共和国国家自然地图集^[36]中的华南喀斯特地形图与亚洲喀斯特地形分布图。研究区处于22°8'54"N-28°12'27"N,104°18'27"E-110°20'40"E之间,土地面积约21.41万km²。多年平均年降水量在1178~1532mm之间。海拔范围为0~2848m,自西北向东南逐渐降低;地貌类型以中小山地为主,从中山丘陵逐步过渡到低山盆地;土壤类型主要有石灰土、黄壤和红壤;自然植被以阔叶林、亚热带落叶林和混交林为主,少量热带雨林和高山植被类型^[16]。行政区划上包括贵州省中南部的9市和广西省中西部的7市。

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图1黔桂喀斯特山地分布范围
-->Figure 1Location and scope of Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region
-->

2.2 数据来源

本文以1990年、2000年和2015年三期土地利用数据为基础,采用刘纪远等^[37]构建的分类体系,定量评估1990-2015年包括水源涵养、土壤保持和固碳释氧等3项主要生态系统服务的时空变化。数据及来源详见表1,所有数据重采样为1km。
Table 1
表1
表1数据来源及概况
Table 1Data source and description

数据类型	数据名称	格式	分辨率	来源
基础数据	土地利用图（1990年、2000年、2015年）	矢量	30m	中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn/）^[38]
水源涵养	1979-2015年日降雨	矢量		中国气象数据共享网 http：//www.escience.gov.cn/metdata/page/index.html^[39]
	径流深度数据	栅格	10km	中国科学院成都山地灾害与环境研究所数字山地与遥感应用中心”（Data support by IMHE-CAS）^[40]
	多年平均径流系数	栅格	10km	《中华人民共和国国家自然地图集》
土壤保持	DEM	栅格	30m	地理空间数据云http：//www.gscloud.cn/^[41]
	土壤质地1 $\begin{matrix} ∶ \end{matrix}$ 100万	栅格	1km	寒区旱区科学数据中心,中国土壤特征数据集^[42]
	土壤有机质1 $\begin{matrix} ∶ \end{matrix}$ 100万	矢量	1km	国家科技基础条件平台-国家地球系统科学数据共享平台（www.geodata.cn）^[43]
	NDVI	栅格	1km	NASA数据下载平台（https：//lpdaac.usgs.gov/data_access/data_pool）^[44]
固碳释氧	NPP数据	栅格	1km	MOD17 A3数据（https：//lpdaac.usgs.gov/）^[45]

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2.3 研究方法

2.3.1 水源涵养服务
本文考虑黔桂喀斯特山地特色岩溶结构,采用经验性方法,基于实测数据修正降水贮存量法K因子,计算公式为：

\begin{matrix} Q = 10 ? A ? J ? R \end{matrix}

（1）

\begin{matrix} J = J_{0} ? K \end{matrix}

（2）
式中

\begin{matrix} Q \end{matrix}

为与裸地比较,森林、草地、农田等生态系统涵养水分的增加量（m³）;

\begin{matrix} A \end{matrix}

为生态系统面积（hm²）;

\begin{matrix} J \end{matrix}

为计算区产流降雨量（mm）;

\begin{matrix} J_{0} \end{matrix}

为年降雨量（mm）;

\begin{matrix} K \end{matrix}

为产流降雨量占降雨总量的比例;

\begin{matrix} R \end{matrix}

为与裸地比较,生态系统减少径流的效益系数,来自已发表文献的经验数据^[26]。
应用实测降雨产流临界值（表2）和径流深度数据修正K因子：以临近气象台站日降水数据修正TRMM逐日3小时降水量数据,累积一年中单次降雨量大于产流临界值的数值,并将单点产流降雨量占降雨总量的比例与多年均河川径流系数（表2）建立线性关系（图2）,结合10 km径流深度数据（图3）,得出其径流系数空间分布（图4）,最终计算K值分布（图5）。

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图2径流系数和K值线性关系
-->Figure 2The linear relationship of runoff coefficient and K value
-->

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图3多年均径流深度
-->Figure 3Multi-annual runoff depth
-->

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图4黔桂喀斯特山地多年均径流系数
-->Figure 4Multi-year mean runoff coefficient in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region
-->

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图5黔桂喀斯特山地K值空间分布
-->Figure 5Distribution map of K value in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region
-->

Table 2
表2
表2降雨产流临界值
Table 2The critical value of rainfall runoff

地点	经度	纬度	降雨产流临界值/mm	径流系数	K
云南会泽	103.4°E	26.5°N	22.30	0.36	0.64
云南澄江	102.8°E	24.6°N	10.00	0.26	0.65
广西里骆林区	110.1°E	25.9°N	8.00	0.62	0.79
广西漓江上游	110.5°E	25.9°N	4.30	0.65	0.91
福建南靖	117.0°E	24.7°N	10.00	0.59	0.77
广东佛山	113.0°E	23.1°N	11.00	0.48	0.80
广东鹤山试验站	112.9°E	22.7°N	15.90	0.50	0.78

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2.3.2 土壤保持服务
黔桂喀斯特山地因其石漠化与特殊的地形等,加剧了土壤侵蚀过程的复杂性。直接采用修正土壤流失方程RUSLE^[46],估算易造成偏差。因此,本文引入石漠化因子,并结合实际径流小区实验数据进行修正。计算公式为：

\begin{matrix} USLE = R \cdot K \cdot LS \cdot C \cdot P \cdot （ 1 - a ） \end{matrix}

（3）
式中

\begin{matrix} USLE \end{matrix}

为年均土壤侵蚀量（t/（hm²·a））;

\begin{matrix} R \end{matrix}

为降雨侵蚀力（MJ·mm/（hm²·h·a））;

\begin{matrix} K \end{matrix}

为土壤可蚀性因子（t·hm²·h/（MJ·mm·hm²））;

\begin{matrix} LS \end{matrix}

为坡度坡长因子;

\begin{matrix} C \end{matrix}

为植被管理因子;

\begin{matrix} P \end{matrix}

为水土保持措施（工程）因子;

\begin{matrix} a \end{matrix}

为石漠化因子。
潜在土壤侵蚀量（RKLS)计算公式为：

\begin{matrix} RKLS = R \cdot K \cdot LS \cdot （ 1 - a ） \end{matrix}

（4）
则：

\begin{matrix} 土壤保持量 = RKLS - USLE \end{matrix}

（5）
采用基于喀斯特地区的实验小区降雨过程资料及土壤流失资料得出的戴海伦等^[47]降雨侵蚀力R简易算法,避免以往研究中通用方程的不适用性,公式如下：

\begin{matrix} R = \overset{12}{\sum_{i = 1}} (2.035 4 P_{i}^{1.2159} + 45.564 9) \end{matrix}

（6）
式中

\begin{matrix} R \end{matrix}

为降雨侵蚀力因子（MJ·mm/（hm²·h·a））;

\begin{matrix} P_{i} \end{matrix}

为月降水量（mm）。
土壤可蚀性因子K主要采用广泛应用的Williams等提出的EPIC土壤可蚀性计算模型^[48],通过土壤颗粒组成数据和土壤有机碳数据进行计算。
当前基于DEM提取LS因子存在较大不确定性^[49],本文借鉴McCool对坡长因子^[50]和刘宝元对坡度因子^[51]的研究,修正Van Remotel等^[52]根据RUSLE模型编写的AML代码,核心算法为：

\begin{matrix} L = {(\frac{γ}{22.13})}^{m} \{\begin{matrix} m = 0.5 θ \geq 9 % \\ m = 0.4 9 % > θ \geq 3 % \\ m = 0.3 3 % > θ \geq 1 % \\ m = 0.2 1 % > θ \end{matrix} \end{matrix}

（7）

\begin{matrix} S = \{\begin{matrix} \begin{matrix} 10.8 sinθ + 0.03 & θ < 9 % \end{matrix} \\ \begin{matrix} 16.8 sinθ - 0.50 & 9 % \leq θ \leq 18 % \end{matrix} \\ \begin{matrix} 21.91 sinθ - 0.96 & θ > 18 % \end{matrix} \end{matrix} \end{matrix}

（8）
式中

\begin{matrix} L \end{matrix}

为坡长因子;

\begin{matrix} m \end{matrix}

为无量纲常数,取决于坡度百分比值（θ）;S为坡度因子。
植被覆盖因子C因子是影响土壤侵蚀最敏感的因子^[53],本研究基于NDVI,采用蔡崇法的C因子法计算^[54]。
水土保持措施工程因子P,为采取水土保持措施与顺坡种植无相关措施的侵蚀量比值^[54]。根据前人的研究^{[27,53,55-57]},结合当地土地利用分别赋值,黔桂喀斯特山地的裸岩基本上无土壤可侵蚀,P值被赋为0（表3）。
Table 3
表3
表3黔桂喀斯特山地不同土地利用类型P值
Table 3The P values of different Land use types in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region

	水田	旱地	林地	草地	建设用地	水域	裸岩
P	0.01	0.40	1.00	1.00	0.00	0.00	0.00

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石漠化因子主要指裸露岩石与地块面积的比值,为0（裸岩）—1（无裸露岩石）之间的无量纲数。本文根据喀斯特地区前人的相关经验数据^[58,59],结合不同土地利用类型的石漠化情况分别赋值（表4）。
Table 4
表4
表4黔桂喀斯特山地不同土地利用类型石漠化因子值
Table 4The value of desertification factors of different land use types in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region

土地利用类型	水田	旱地	有林地	灌木林	疏林地	其他林地	草地	水域	建设用地	裸岩
石漠化因子	0.00	0.17	0.11	0.18	0.28	0.13	0.20	0.00	0.00	1.00

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2.3.3 固碳释氧服务
应用国家标准《森林生态系统服务功能评估规范》（LY/T1721-2008）^[60],植被固碳和释氧计算公式如下：

\begin{matrix} G_{固碳} = 1.63 R_{碳} ? A B_{年} \end{matrix}

（9）

\begin{matrix} G_{释氧} = 1.19 A B_{年} \end{matrix}

（10）
式中

\begin{matrix} G_{固碳} \end{matrix}

为植被年固碳量（t/a）;1.63为计算系数;

\begin{matrix} R_{碳} \end{matrix}

为CO₂中碳的含量,为27.27%,

\begin{matrix} B_{年} \end{matrix}

为净生产力（t/（hm²·a））;

\begin{matrix} A \end{matrix}

为面积（hm²）;

\begin{matrix} G_{释氧} \end{matrix}

为植被年释氧量（t/a）;1.19为计算系数。
净生产力

\begin{matrix} (B_{年}) \end{matrix}

数据主要以广泛应用MODIS NPP数据^[61,62]代替（表5）,为了保证数据来源的一致性和结果的可比性,且因该数据目前仅更新至2014年,故本文仅考虑2000-2014年时段的变化。
Table 5
表5
表51990年、2000年和2015年黔桂喀斯特山地水源涵养总量和单位量统计
Table 5Statistics results of total and per unit area of water conservation in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region during 1990,2000 and 2015

	1990年	2000年	2015年
总量/亿（m³/a）	625.31	586.21	630.15
单位量/（m³/（hm²·a））	2 920.84	2 738.22	2 943.43

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区别于常规方法,黔桂喀斯特山地固碳功能中还包括岩石风化固碳,采用Amiotte和Probst等基于地表径流和溶解元素的经验关系的简单模型^[63,64],即GEM-CO₂模型估算岩溶作用消耗大气CO₂的量。计算公式如下：

\begin{matrix} F_{CO 2} = α ? Q \end{matrix}

（11）
式中

\begin{matrix} F_{CO 2} \end{matrix}

是CO₂消耗量（mmol/（km²·s））;

\begin{matrix} Q \end{matrix}

是岩石表面的水流量（L/（km²·s））,为降水量与蒸发量的差值;

\begin{matrix} α \end{matrix}

是经验系数,因不同的岩石类型而不同,黔桂喀斯特山地的岩石类型主要是碳酸盐类,其系数为1.586^[63]。

3 结果及分析

3.1 黔桂喀斯特山地水源涵养服务时空变化

2015年,水源涵养量空间分布差异明显（图6a）,自北向南增加,林地是最主要贡献者,水源涵养量为3851.63 m³/（hm²·a）,是耕地和草地的1.85倍和2.55倍。将标准化后的黔桂喀斯特山地水源涵养量分为低（0.00~0.30）、较低（0.30~0.40）、中（0.40~0.50）、较高（0.50~0.60）、高（0.60~1.00）5个等级（表6）。研究区水源涵养以低和较低等级为主（图6b）,分别占总面积的33.72%和20.55%,主要分布在北部,中部安顺与黔南州、黔西南州交界,百色以及崇左南部边界和来宾、贵港和柳州的中部地区。这些区域降水量（<1300mm）较少,植被覆盖率较低,多以耕地和草地分布为主。而较高和高等的面积相对较小,比例分别为15.92%和6.62%,主要分布在河池大部,百色、南宁、来宾交界,柳州东部,贵港北部及崇左南部。这些区域降水量相对较高（1800~2700 mm）,生态系统减少径流的效益系数较高,加之林地比重大,植被覆盖率较高,使得截留率增大,水源涵养功能较高。

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图62015年黔桂喀斯特山地单位面积水源涵养量和水源涵养等级空间分布
-->Figure 6Distribution of water conservation per unit area and water conservation grade in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region in 2015
-->

Table 6
表6
表61990年、2000年和2015年黔桂喀斯特山地水源涵养功能分级统计
Table 6Statistical grading of water conservation functions in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region during 1990,2000 and 2015（km²,%）

水源涵养等级	水源涵养量标准	1990年		2000年		2015年
水源涵养等级	水源涵养量标准	面积	比例	面积	比例	面积	比例
低	<0.30	90 067	42.07	97 589	45.58	72 204	33.72
较低	0.30~0.40	47 524	22.20	54 489	25.45	43 988	20.55
中等	0.40~0.50	41 467	19.37	41 780	19.51	49 651	23.19
较高	0.50~0.60	17 753	8.29	16 772	7.83	34 090	15.92
高	0.60~1.00	17 293	8.08	3 475	1.62	14 171	6.62

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1990-2015年,黔桂喀斯特山地水源涵养量由625.31亿m³/a增长到630.15亿m³/a,增长了4.84亿m³/a;单位量从2920.84 m³/（hm²·a）增长到2943.43
m³/（hm²·a）,增长比率为0.77%（表5）;呈总体增加局部降低的空间变化趋势（图7a）。贵阳与黔东南交界,六盘水北部,河池中部及其与百色、南宁、来宾及柳州交界,柳州东北,崇左东南部,以及贵港东部的零星分布地区增加趋势显著（图7a）。中等和较高等级水源涵养量增长趋势较为显著,分别增加了19.39%和91.47%,但高等级水源涵养面积则下降了3162.80 km²（表6）。

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图71990-2015年黔桂喀斯特山地水源涵养量时空变化
-->Figure 7Temporal and spatial variation of water conservation in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region from 1990 to 2015
-->

两个时段（1990-2000年和2000-2015年）变化趋势相反,且前一时段变化幅度低于后一时段。1990-2000年,北增南减,总量下降了39.10亿m³,下降幅度为6.25%,水源涵养下降的面积占总面积的54.24%,显著下降的分布在广西崇左、百色西部和北部交界,以及河池西北,减少量在（1000~2000）m³/（hm²·a）之间（图7b）。2000-2015年,北减南增,总量增长幅度高达7.49%。其中河池中西部,河池与南宁交界,百色南部,崇左,柳州东部增长幅度较大,增加量在1000.00m³/（hm²·a）以上,局部地区达2000.00m³/（hm²·a）以上（图7c）。

3.2 黔桂喀斯特山地土壤保持服务时空变化

2015年,土壤保持能力呈现北低南高的空间分布趋势（图8b）,林地对土壤保持能力的贡献是耕地和草地的1.70倍和1.03倍。按照表7的分级标准,研究区土壤保持低、较低和极高等级比重较大,占总面积的24.90%、20.90%和21.44%;中等、较高和高4个等级的面积相对较小,分别占总面积的9.21%~12.03%（表7）。高分值主要分布在中部河池与百色,六盘水与黔西南州（图8c）。这些区域多是有林地和植被覆盖度较高的草地类型,一定程度上增加了对降雨的截留范围和作用,同时也提高了植被根系对土壤的固结作用,降低了土壤的侵蚀作用,有利于土壤保持。

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图82015年黔桂喀斯特山地土壤侵蚀因子和土壤保持量空间分布
-->Figure 8Spatial distribution of soil retention and factors for soil erosion in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region in 2015
-->

Table 7
表7
表71990年、2000年和2015年黔桂喀斯特山地土壤保持能力分级统计
Table 7Statistical grading of soil retention capacity in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region during 1990,2000 and 2015

土壤保持等级	保持能力标准 /（t/（hm²·a））	1990年		2000年		2015年
土壤保持等级	保持能力标准 /（t/（hm²·a））	面积/km²	比例/%	面积/km²	比例/%	面积/km²	比例/%
低	50	54 654	25.53	55 283	25.82	53 312	24.90
较低	50~250	45 558	21.28	45 414	21.21	44 745	20.90
中	250~500	25 548	11.93	25 246	11.79	25 755	12.03
较高	500~1 000	24 667	11.52	26 170	12.22	24 661	11.52
高	1 000~1 500	19 716	9.21	19 382	9.05	19 722	9.21
极高	>1 500	43 943	20.53	42 590	19.89	45 890	21.44

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1990-2015年,黔桂喀斯特山地土壤保持量由186.51亿t/a增加到189.50亿t/a,单位量从871.20 t/（hm²·a）增长到885.18t/（hm²·a）;呈总体增加局部降低的空间变化分布趋势（图9a,见第2007页）。低和较低等级面积下降显著,而中等和极高等级面积分别增加了207km²和1948km²。显著增加区域分布在河池南部,柳州东部,贵港西北,贵阳与遵义、黔东南州交界。

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图91990-2015年黔桂喀斯特山地土壤保持量时空变化
-->Figure 9Temporal and spatial variation of soil retention in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region from 1990 to 2015
-->

不同时段变化趋势相反,且1990-2000年的降低幅度（3.45%）低于2000-2015年的增加幅度（5.24%）。前一时段,土壤保持降低主要表现在低等级面积增加较大,而高与极高等级面积下降显著,其中百色西部边界,及其与河池交界,河池中部,崇左东北等区域降低趋势显著,降低量在1000.00t/（hm²·a）以上,个别降低量在2000.00t/（hm²·a）以上（图9b,见第2007页）。后一时段,高和极高等级面积增加了3640km²,低和较低等级面积下降都使保持量呈增加趋势,其中显著增加的分布在河池西南、及其与南宁交界,柳州东北,来宾西北,黔东南中部,百色西部,增加量在500t/（hm²·a）以上,个别在1000t/（hm²·a）以上（图9c）。

3.3 黔桂喀斯特山地固碳释氧服务时空变化

黔桂喀斯特山地的固碳量包含植被固碳和岩石风化固碳两部分,其中,植被固碳量约占总固碳量的94.99%（表8）。2014年,总固碳、植被固碳量与释氧量空间分布趋势相似（图10a、图10b和图10d）,自北向南升高,林地的单位固碳量为3.08t/（hm²·a）,分别是耕地和草地的1.16倍和1.09倍;释氧量则是耕地和草地的1.17倍和1.10倍。研究区总固碳功能以较低、中等和较高等级为主（表9）,分别占总面积的35.47%、29.83%和21.49%,主要分布在百色与河池北部;而在植被覆盖率较高的林草地较密集分布区域,如百色西北,南宁、贵港和崇左的零星区域,固碳能力等级高,但仅占总面积的6.55%。岩石风化固碳与植被固碳分布趋势不一致（图10c）,高值主要分布在黔南州北部,黔东南州,河池东北,来宾、南宁与河池交界,崇左东部以及来宾与贵港交界,岩石风化固碳均在12.00 t/km²以上,尤其是来宾、贵港和崇左部分区域高达18.00 t/km²以上;该地区有较大面积的碳酸盐岩分布,同时温暖湿润的气候环境,加快了化学反映速率,有利于岩石的溶蚀风化。

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图102014年黔桂喀斯特山地固碳释氧量空间分布
-->Figure 10Spatial distribution of carbon fixation and oxygen release in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region in 2014
-->

Table 8
表8
表82000年和2014年黔桂喀斯特山地固碳释氧统计
Table 8Statistical of carbon fixation and oxygen release in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region in 2000 and 2014

	2014年				2000年
	植被固碳	岩石风化固碳	总固碳	释氧量	植被固碳	岩石风化固碳	总固碳	释氧量
单位量/（t/（hm²·a））	2.76	0.13	2.89	7.47	2.72	0.08	2.75	7.28
总量/（万t/a）	5 916.75	270.87	6 187.49	16 002.18	5 821.41	165.27	5 986.68	15 589.70

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Table 9
表9
表92000年和2014年黔桂喀斯特山地总固碳功能分级统计
Table 9Statistical grading of carbon fixation functions in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region in 2000 and 2014

总固碳等级	固碳能力标准	2000年		2014年
总固碳等级	固碳能力标准	面积/km²	比例/%	面积/km²	比例/%
低	<0.30	21 331.93	9.96	14 251.80	6.66
较低	0.30~0.40	84 678.91	39.55	75 945.17	35.47
中	0.40~0.50	53 918.10	25.19	63 851.45	29.83
较高	0.50~0.60	41 579.82	19.42	46 006.99	21.49
高	0.60~1.00	12 576.25	5.87	14 029.58	6.55

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2000-2014年,固碳量总量由5986.68万t/a增加到6187.49万t/a,净增加了200.81万t/a,单位量从2.75t/（hm²·a）增加到2.89t/（hm²·a）,增加幅度为3.35%;释氧量总量由1.56亿t/a降到1.60亿t/a,净增加了412.48万t/a,单位量从7.28t/（hm²·a）增加到7.47t/（hm²·a）,增加幅度为2.65%（表8）。总固碳、植被固碳量和释氧量变化趋势较一致（图11a、图11b和图11d,见第2009页）,呈南北增加中部降低的空间变化趋势。显著增加的分布在广西,特别是柳州、南宁、来宾和贵港,部分区域单位面积固碳量增加量在（1.00~2.00）t/（hm²·a）以上;降低幅度多数在（0.04~0.50）t/（hm²·a）以内,其中百色西部的零星分布区域降低量在1.00t/（hm²·a）以上。岩石风化固碳变化趋势存在差异,增加区域较少,主要集中在东南部、百色北部（图11c）,增加量在（0.10~0.20）t/（hm²·a）之间,个别区域达0.30t/（hm²·a）。

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图112000-2014年黔桂喀斯特山地区单位面积固碳量和释氧量时空变化
-->Figure 11Temporal and spatial variation of carbon fixation and oxygen release in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region from 2000 to 2014
-->

4 讨论

4.1 生态系统服务变化的解释

黔桂喀斯特山地水源涵养量的降低与土地利用类型变化密切相关（图12a和图12b）。1990-2000年,涵养量降低的主要原因之一是林地和草地面积的大幅度下降,林地和草地分别减少了225.82 km²和79.74 km²,导致植被覆盖度降低,对降水的截留作用降低,使得单位面积水源涵养量大幅度下降;2000-2015年水源涵养量增加,除降雨量呈显著增加以外,还归因于林地面积增加了773.88 km²,加大了对降水的截留作用,提高了区域水源涵养能力。

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图121990-2015年黔桂喀斯特山地土地利用变化
-->Figure 12Land use change in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous Region from 1990 to 2015
-->

土壤保持量的变化与各土壤侵蚀因子密切相关。1990-2000年,植被覆盖度较高的林地和草地减少,增加了土壤侵蚀;加之降雨侵蚀力的降低,潜在土壤侵蚀量降低,使得总体上研究区土壤保持量略有降低。2000-2015年,耕地和草地转为建设用地和林地,建设用地增加了区域非渗透表面的面积,林地增加了植被覆盖度,皆降低了土壤侵蚀风险;此外,研究区的降雨侵蚀力显著增加,而土地利用变化的面积不足研究区总面积的0.8%,对土壤保持的影响低于降雨侵蚀力的影响,多个因子综合使得研究区土壤保持量略有增加。

4.2 与其他研究结果的比较

由于当前少有喀斯特地区2015年生态系统服务的研究,故本文主要与2010年的相关研究做对比分析。本文估算的水源涵养量和土壤保持量,均略高于全国生态系统服务十年环评估算的结果^[65,66],但均属一个数量级。其中,水源涵养量高的主要原因之一是2015年研究区的年降水量远高于十年环评期间的降雨量。
此外,估算的广西土壤保持单位量889.67t/（hm²·a）,略高于十年环评700.77t/（hm²·a）,这一方面是2015年降雨量高于十年环评的年降雨数据,另一方面降雨侵蚀力模型的不同导致的差异。估算的贵州土壤侵蚀模数10.37t/（hm²·a）,也略高于孙德亮等利用RUSLE模型估算的贵州省2010年土壤侵蚀模数为8.80t/（hm²·a）^[67],一方面是因为其采用的适用于中国南方地区而非喀斯特地区的降雨侵蚀力模型,同时本研究的2015年降雨又高于2010年,降雨侵蚀力增加,导致侵蚀模数较高;另一方面,本研究正处于贵州省石漠化相对严重区域,土壤侵蚀重于全省。
黔桂喀斯特山地固碳量主要考虑的是植被固碳和岩石风化固碳,不包含相对稳定的土壤碳库,这也是估算的广西单位面积固碳量3.03t/（hm²·a）,和贵州单位面积固碳量2.73t/（hm²·a）,略低于王兵等^[68]估算的广西森林固碳3.52t/（hm²·a）和刘晓等^[31]估算的贵州森林固碳2.77t/（hm²·a）的主要原因,但岩石风化固碳的影响及数据来源的不同,使其结果高于同样未估算土壤碳库的杨帆等^[69]基于森林清查数据估算的贵州南部森林固碳1.95t/（hm²·a）。

5 结论

本文在降水贮存量法、修正土壤流失方程RUSLE、植被固碳释氧等方法基础上,基于实际径流小区实验数据,修正或引入径流系数、降雨侵蚀力、石漠化因子、岩石风化固碳等参数模型,对1990-2015年黔桂喀斯特山地水源涵养、土壤保持和固碳释氧量的时空变化进行分析,结果表明：
（1）黔桂喀斯特山地水源涵养、土壤保持、固碳量和释氧量的总量为630.15亿m³/a、189.02亿t/a、6187.49万t/a和16 002.18万t/a;单位量分别为2943.43m³/（hm²·a）、885.18t/（hm²·a）、2.89t/（hm²·a）和7.47t/（hm²·a）。林地对生态系统服务的贡献最大。水源涵养量自北向南增加,以低、较低等级为主,分别占总面积的33.72%和20.55%。土壤保持量以低、较低和极高等级为主,分别占总面积的24.90%、20.90%和21.44%。固碳量和释氧量空间分布趋势一致,自北向南升高,以较低、中等和较高等级为主,分别占总面积的35.47%、29.83%和21.49%,高分值主要百色西北,南宁、贵港和崇左的零星区域。
（2）1990-2015年,黔桂喀斯特山地水源涵养量、土壤保持量和固碳释氧等主要生态系统服务均呈现增加趋势。1990-2000年和2000-2015年两个时段变化趋势相反。前一时段水源涵养量和土壤保持量均呈下降趋势,分别下降了39.10亿m³和6.43亿t,降低幅度为6.25%和3.45%;后一时段三项主要生态系统服务均呈增加趋势,其中水源涵养量、土壤保持量、固碳量和释氧量分别增加了43.93亿m³/a、9.29亿t /a、200.81万t/a和412.48万t/a,增加幅度为7.49%、5.24%、3.35%和2.65%。
（3）未来城市发展过程中,应考虑土地利用变化对生态系统服务的影响,合理配置耕地、林地和草地的空间布局,对陡坡耕地坚决实行退耕还林政策,加大林、草地的保护措施,避免建设用地的盲目扩张,以提高黔桂喀斯特山地的生态系统服务价值,更好地发挥其对长江与珠江上游的生态安全屏障作用。
The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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黔桂喀斯特山地主要生态系统服务时空变化

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

Temporal and spatial variation of main ecosystem services in Guizhou and Guangxi Karst Mountainous region

1 引言