中国水土保持科学
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2023年 21卷 1期
刊出日期 2023-02-28
1
秦琪珊, 郑粉莉, 师宏强, 王雪松, 王彬, 李志, 张加琼
东北黑土坡面降雨和汇流对土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响
分析降雨和汇流对坡面土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响，可加深对土壤侵蚀退化过程的认识，也为土壤资源可持续利用提供科学依据。采用室内模拟降雨和汇流试验，通过设计2个降雨强度（50和100 mm/h，即
R
50
和
R
100
）、1个汇流强度（100 mm/h，即
I
100
）以及降雨与汇流组合（50 mm/h降雨强度+50 mm/h汇流强度（
R
50
I
50
）、50 mm/h降雨强度+100 mm/h汇流强度（
R
50
I
100
）、100 mm/h降雨强度+50 mm/h汇流强度（
R
100
I
50
））试验，分析降雨和汇流对黑土坡面土壤团聚体流失和颗粒迁移的影响。结果表明：1）在试验供水量相同时，
R
100
试验处理的坡面土壤侵蚀速率分别是
R
50
I
50
的1.9倍和
I
100
的2.4倍，试验处理
R
100
I
50
的土壤侵蚀速率是
R
50
I
100
的1.3倍，表明降雨对坡面水蚀的作用大于汇流；2）在降雨主导的坡面水蚀过程中，
R
50
、
R
100
、
R
50
I
50
和
R
100
I
50
试验处理下的<0.25 mm微团聚体流失量比例较试验土壤分别增加20.6%、16.7%、17.9%和21.8%，而在汇流主导的坡面水蚀过程中，
I
100
和
R
50
I
100
试验处理下的≥0.25 mm团聚体流失量比例分别为61.9%和65.2%，表明坡面汇流对黑土团聚体的分散作用小于降雨；且平均质量直径能更好地反映土壤团聚体流失特征；3）
R
100
、
I
100
和
R
50
I
50
试验处理下砂粒和黏粒流失量比例较
R
50
增加1.4%~9.5%，
R
50
I
100
和
R
100
I
50
试验处理下砂粒流失量比例较
R
100
、
I
100
和
R
50
I
50
试验处理增加0.8%~4.0%，其较
R
50
增加3.7%~6.0%，但粉粒和黏粒比例相应减少，表明粗颗粒流失随坡面汇流量的增加而增加。总之，降雨对黑土团聚体的破碎作用大于坡面汇流作用，坡面水蚀过程中泥沙颗粒的分选取决于降雨和汇流对坡面水蚀的作用程度。
2023 Vol. 21 (1): 1-9 [
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10
苏远逸, 张洋, 杨志, 李鹏, 李占斌, 王添, 张乃畅
解冻期覆沙黄土坡面侵蚀及泥沙分选特性
为了探究解冻期融水侵蚀对覆沙黄土坡面的影响，选取未冻裸坡（U0）、未冻覆沙（U1）、冻土裸坡（F0）和冻土覆沙（F1）4种坡面（覆沙厚度为1 cm）为研究对象，设计2 m长的坡面和1 L/min的流量进行室内放水冲刷试验，对坡面侵蚀过程及泥沙颗粒分选特性进行研究。结果表明：1）冻土坡面（F0和F1）的初始产流时间明显小于未冻坡面（U0和U1），并且覆沙坡面（U1和F1）的初始产流时间较裸坡坡面（U0和F0）明显滞后；2）各坡面平均产流速率表现为U0
P<0.05）；3）各坡面泥沙颗粒平均质量直径（MWD）平均值表现为黄土本底物
2023 Vol. 21 (1): 10-18 [
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19
汪璇, 杜树汉, 邓利梅, 朱万泽, 刘刚才
土壤不同孔隙度对川西典型植被系统水源涵养的影响
水源涵养是生态系统的重要服务功能之一，目前水源涵养的评估体系及方法还未统一，且不同方法评估的结果差异很大。以川西米亚罗林区为例，通过测定和计算典型植被地上部分的水源含养量，以及其土壤的不同孔隙度来评估其水源涵养总量。结果表明：1）不同植被下，土壤的总孔隙度差异不是很明显，但毛管和非毛管孔隙度差异明显；2）不同植被地上部分涵养水量+土壤总孔隙储水量，各植被类型涵养量差异不明显。针叶林和桦木林的涵养量最大，而混交林的最低；不同植被地上部分涵养水量+非毛管孔隙储水量，各植被类型涵养量差异很明显。针叶林的涵养量最大，而草甸的最低；但就不同植被的地上部分涵养水量+毛管孔隙储水量而言，草甸的最大，而针叶林的最低。植被系统地上部分涵养水量+其土壤毛管孔隙储水量，能较科学和准确评估植被系统的水源涵养量。
2023 Vol. 21 (1): 19-28 [
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29
黄家辉, 刘苑秋, 许青, 李乐寰, 温林生, 郑希玲, 刘春梅, 邓文平
不同降雨强度下庐山日本柳杉林冠层穿透雨延滞效应
为了探究不同降雨特征下穿透雨过程，依托庐山森林生态系统国家定位观测站，通过观测2017年雨季（4—9月）日本柳杉林内外实时降雨过程定点观测数据，并选取部分典型场次降雨（中雨、大雨和暴雨），分析不同降雨强度下柳杉林冠层时滞效应。结果表明：在2017年雨季，庐山地区降雨呈现出小降雨量（≤5 mm）、短降雨历时（≤2 h）和低降雨强度（≤2 mm/h）的特征。从林外降雨开始至林内出现降雨的起始延滞期内，起始延滞时间（
y
）随着林外降雨强度（
x
）的增大而迅速减小，两者之间呈现幂函数关系（
y
=0.656
x
-0.822
，
R
2
=0.823 4）。起始延滞时间与林外降雨量之间关系不明显。冠层滞留效应为正滞留效应时，平均降雨强度相对于冠层滞留效应为负滞留效应时更小，且在降雨初期以及降雨末期（≤2 h以及>8 h）时，滞留效应多发生正滞留效应；而在降雨达到峰值时（即降雨中期）滞留效应才会明显出现负滞留效应。在降雨过程中，林冠层对降雨的有效延滞作用主要发生在降雨起始和结束2个阶段，而在中间期冠层拦蓄作用几乎消失，出现林内降雨强度要大于林外降雨强度的情况。在进行水土流失、山洪、泥石流和滑坡等地质灾害预报时，应重点关注降雨中间期。
2023 Vol. 21 (1): 29-36 [
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37
陈钰馨, 郑博福, 傅赫, 罗诚康, 江旖慧, 朱锦奇
不同植被类型根系对土壤水分分布的影响
为探究不同植被类型下的根系对土壤水分分布的影响，以江西省北部武宁县的典型针阔混交林、毛竹林和休耕地为对象，采用染色示踪实验，并观测和采集土壤和根系样品，分别测定0~20，20~40和40~60 cm土层的土壤理化性质、植物根系特征、土壤蓄水性能和土壤团聚体稳定性等指标，分析不同植被类型其对土壤水分分布的多重影响和影响机制。结果表明：1）针阔混交林和毛竹林均在0~60 cm土层出现大面积的染色情况，而休耕地则仅在0~20 cm土层出现，且根系越多的土层，染色面积往往越突出；2）随着土层深度的增加，土壤含水量、最大持水量、饱和含水量，有机质含量，平均质量直径和几何平均直径均显著降低（
P
<0.05）；3）针阔混交林和毛竹林的根系数量分别为休耕地的16.96和30.95倍，其深层（40~60 cm）的蓄水能力（最大持水量）分别高出休耕地3%和10%，土壤团聚体稳定性（平均质量直径）分别高出13%和23%；4）根系特征指标、土壤蓄水能力指标和土壤团聚体稳定性指标均与染色面积比显著正相关（
P
<0.05）。综上，3种类型样地中，土壤中丰富的根系对土壤蓄水能力和土壤团聚体稳定性均显示出明显的促进作用，进一步促进土壤中的水分分布。因此针阔混交林和毛竹林的水分分布程度均强于休耕地。为有效提升区域水土保持功能和生态风险抗性，需加强森林资源的管理和保护，提高林地植被的多样性以提高地下根系的分布密度和深度。
2023 Vol. 21 (1): 37-46 [
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47
刘元生, 陈祖拥, 刘方, 朱健, 卜通达
自然恢复植被对煤矸石基质有效性养分及微生物群落多样性的影响
为探讨不同自然植被类型下煤矸石基质养分和微生物群落多样性变化及其关联性，对贵州中部关闭煤矿区煤矸石堆场自然恢复的马尾松幼林、光皮桦+茅栗幼林和类芦草丛3类植被进行调查，采集其优势植物（马尾松、光皮桦和类芦），分析煤矸石基质样品。结果表明：植被自然恢复过程中煤矸石基质的有机碳及有效性氮、磷和钾含量均出现不同程度的增加，其作用的大小顺序为光皮桦+茅栗幼林>马尾松幼林>类芦草丛，3种植被类型之间煤矸石基质的碱解氮含量出现显著性差异，光皮桦+茅栗幼林和马尾松幼林下煤矸石基质的有机碳及碱解氮含量均显著地高于类芦草丛。自然恢复植被后煤矸石基质的微生物群落丰富度指数和优势度指数均显著高于裸露的煤矸石基质，特别是光皮桦+茅栗幼林。煤矸石基质的微生物群落丰富度指数与有机质碳、碱解氮、有效磷、和速效钾含量存在显著性正相关，而微生物群落优势度指数与碱解氮含量呈极显著正相关。自然恢复植被后煤矸石基质的微生物群落多样性明显增加，对增进煤矸石基质养分转化和物质循环具有积极意义。
2023 Vol. 21 (1): 47-54 [
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55
程玉卓, 赵文婷, 焦菊英, 张丽萍, 曹雪, 陈同德, 李建军, 张子琦
河湟谷地近20年耕地利用变化的土壤保持效应
为了探究黄土高原-青藏高原过渡带河湟谷地在生态修复和城市建设共同发展下土壤保持对土地利用的响应，以退耕及西部大开发蓬勃发展的近20 a为研究时段，采用USLE模型，分析该区域近20 a来耕地利用变化的土壤保持效益，识别维持土壤保持功能的关键区域，为当地国土空间规划及水土保持方案设计提供科学依据。结果表明：1）2000—2018年，河湟谷地土地利用变化以耕地减少2 145 km
2
（6.08%）、林地和建设用地分别增多2 846和511 km
2
（8.06%和1.45%）为主，并伴随以耕地向草地、林地和建设用地转移为代表的多种地类转变方式；2）近20 a来土壤保持量持续增大，林地和草地共占研究区土壤保持总量的84%以上，耕地转移至草地和林地均引起土壤保持的正效益，2种转移模式以耕地转移至林地土壤保持价值更高，且脑山区耕地转移的土壤保持效益优于川水区和浅山区。未来应围绕耕地优化土地利用布局，以提高区域土壤保持功能。
2023 Vol. 21 (1): 55-63 [
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64
李智广, 王隽雄, 王海燕
区域水土保持碳汇能力评估的指标体系
科学、系统的水土保持碳汇能力评价指标体系，可为定量分析区域水土保持碳汇能力提供基础数据，对指导水土流失治理措施实施、对我国碳中和目标实现提供水土保持信息支撑具有重大意义。基于水土保持碳汇作用机理、途径与其碳汇物质表现，参考陆地生态系统碳汇核算方法，结合水土流失治理措施及其效益基础数据，提出并采用技术路线"水土保持措施及其效益（碳汇物质基础）→碳汇途径→碳汇实物表现→碳汇量"，分析和厘清水土保持碳汇能力评估指标体系。该指标体系包括水土保持林地、水土保持草地、水土保持基本农田、水土保持工程措施拦水水体、水土保持保土效益等5个一级类11个二级类的水土保持措施与其效益指标，以及对应的碳汇速率、固碳速率、有机质含量等。本研究提出的区域水土保持碳汇能力评估指标是用来监测、估算和统计区域水土流失防治措施与其效益碳汇功能大小的指标，在区域空间尺度上，具有与统计工作可同步实施、获取数据方便等可操作性；在估算参数维度上，具有观测点位及数量与估算结果的空间对应性和准确性，其评估结果可用于区域碳汇能力与其变化趋势分析、生态系统质量与保护成效评价等方面。
2023 Vol. 21 (1): 64-72 [
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73
戴育全, 肖理, 刘文虎, 刘艳梅, 张倩, 黄成敏
西南山区土质边坡防护措施的减流减沙效益评估
山区强降雨频率高，工程创面边坡坡度高陡，因此采用水土保持措施以防治和减少土质边坡土壤侵蚀尤为重要。目前裸露或具防护措施的土质边坡土壤侵蚀特征与过程、影响因素尚缺乏更多研究。本文通过设置微型径流小区结合模拟降雨，评估西南山区道路边坡裸坡、阶梯细沟、砾石、三维网、植被+三维网、不同植被覆盖度（25%、50%、75%和90%）等措施对减流、减沙效果以及边坡表土紧实度与产沙量的关系。研究表明：除表土砾石覆盖措施外，实施防护措施后的边坡产流量和产沙量显著低于裸坡。其中，以植被加三维网和植被覆盖度75%以上的减流、减沙效果最显著。随着植被覆盖度由0增加至90%，边坡产流及产沙量均有显著下降甚至无产出的趋势。道路工程裸坡0~10 cm深度土壤平均紧实度值差异极为显著，在400~2 000 kPa之间波动。经历降雨后，0~10 cm深度土壤平均紧实度下降4~373 kPa。土壤紧实度变化会引起土壤孔隙度以及土粒黏结力等力学性质相应变化，当紧实度超过200 kPa时，裸坡产沙量随表层（<2.5 cm）土壤紧实度增加而出现降低的趋势。研究表明土质边坡植被覆盖度75%以上的措施减流、减沙效果最显著；另外，土壤紧实度与裸坡产沙量具有非线性关系。
2023 Vol. 21 (1): 73-82 [
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83
李璠, 王炯琪, 刘子刚, 赵海超, 和江鹏, 黄智鸿, 卢海博
土地利用方式对土壤团聚体磷组分及磷库管理指数的影响
冀西北坝上地区是京津冀重要水源地。该区域水土保持能力受土地利用方式影响较大。为探究不同土地利用方式下土壤团聚体结构对磷素的稳定作用，采集马铃薯地、燕麦地、青贮玉米地、露地等地、草地、林地和大棚菜地7种土地利用类型的土壤，利用干筛法进行团聚体分级，分析不同团聚体中磷形态的分布规律及磷库管理指数变化。结果表明：冀西北土壤团聚体总磷质量分数为211.72~441.94 mg/kg，主要分布在≥0.25~0.50 mm团聚体；水溶性总磷质量分数为267.68~421.83 mg/kg，主要分布在≥1.00~2.00 mm团聚体。土壤团聚体磷库管理指数为79.00~153.00，≥0.50~1.00 mm团聚体最高。马铃薯地提高≥0.25~0.50 mm团聚体水溶性磷质量分数和≥0.50~1.00 mm团聚体总磷质量分数及比例，提高<0.25 mm团聚体磷库管理指数。燕麦地促进磷向≥5.00 mm团聚体中分布及提高其磷库管理指数。青贮玉米地和林地促进土壤总磷向≥1.00~2.00 mm团聚体分布，提高≥0.50~1.00 mm团聚体磷库管理指数。草地提高≥0.50~1.00 mm团聚体磷库管理指数。菜地增加≥5.00 mm团聚体总磷质量分数及比例，大棚菜地提高<0.25 mm团聚体磷库管理指数，露地菜地提高≥0.50~1.00 mm团聚体磷库管理指数。大团聚体能增加土壤磷素的供给能力，因此冀西北坝上地区应采用增施有机肥、轮作种植归还率较高的作物、控制马铃薯种植、增加饲草种植等措施，促进磷向大团聚体分布，减少磷素流失，提高京津冀水源保护地生态效益。
2023 Vol. 21 (1): 83-91 [
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92
张力文, 王秀茹, 宋理桥, 李锐, 戍国标, 白雪昕
金沙江支流关河流域水文情势评价
水文情势变化是影响河流生态系统、功能的主要驱动力。为研究人类活动影响前后关河流域水文情势变化，在研究豆沙关水文站相关数据的过程中，以1959—2018年间的数据为参考资料，结合Mann-Kendall法分析水文数据的演变趋势，水文指标变化范围法分析年径流输沙年际、年内变化趋势及其水沙单项水文指标改变度；在分析该地气候变化情况时，运用双累积曲线法，同时，为了更好地分析影响径流水沙的变化的因素，特别是对人类活动因素进行分析，引入累积量斜率变化率法。结果显示：1）1959—2018年，豆沙关水文站多年平均流量和年降水总量呈下降趋势，趋势不显著；年平均输沙率呈下降趋势，趋势显著；2）在人类活动的干扰下，该流域的流量发生了一定改变，体现为月均流量值变化明显，与之前相比，变化幅度已经突破34%；月均含沙量值水文改变度达到40.58%，呈中度改变；3）人类活动、年降水量、年潜在蒸发量分别对年输沙量的贡献率分别为69.22%、29.66%和1.12%，1996—2018年总减沙量为2 564.66万t，平均每年为116.57万t，分析造成输沙变化的因素可知，虽然许多因素都具有一定影响作用，但人类活动是最为核心且影响最大的因素。
2023 Vol. 21 (1): 92-100 [
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101
胡珂, 韩念龙, 于淼, 张育诚
基于遥感生态指数的三亚市土地利用变化模拟
良好的生态环境有利于社会经济的健康发展。在城市发展过程中加强生态监测及约束，有利于城市的可持续发展。本研究通过遥感生态指数（RSEI）监测评估2014和2018年的海南省三亚市生态环境质量状况，将RSEI监测结果依据生态环境质量等级划分出不同生态约束条件，结合PLUS模型模拟2030年不同生态约束情景的三亚市土地利用变化。结果表明：2014—2018年间三亚市RSEI从0.656下降至0.632，整体生态环境质量变差，生态环境退化区域主要发生在经济开发热点区域。2030年的模拟显示，自然发展情景中建设用地扩张显著，同时侵占林地和耕地，对生态安全和耕地造成威胁；结合RSEI的2种生态约束情景模拟显示，建设用地扩张和林地下降趋势均得以控制，严格生态约束情景对生态空间的保护作用更为明显。研究结果表示加强生态约束可以有效抑制城市建设用地无序扩张以及维持森林数量，有助于可持续发展的实现。
2023 Vol. 21 (1): 101-109 [
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110
靳峰, 戈文艳, 秦伟, 韩剑桥, 马涛, 郑安
甘肃省植被时空变化及其未来发展潜力
为探究甘肃省生态治理成效及未来植被提升空间，基于全省2000—2020年生长季（4—9月） MODIS EVI数据及2020年土地利用/覆被数据，采用线性回归方程及基于滑动窗口的相似栖息地潜力模型分析全省植被覆盖的时空变化特征及未来植被恢复潜力。结果表明：1）2000—2020年间，甘肃省生长季EVI以0.002/a速率显著上升，2012年后有所减缓，2016年以后再次大幅提升，近20年全省植被覆盖整体持续改善。2）2000—2020年甘肃省生长季EVI总体由东南向西北递减，年均变化速率介于-0.006~0.010/a；90%区域的植被覆盖有所改善，以陇东和陇南为主的1/3省域植被覆盖显著快速提升。3）陇南与河西分别为全省同期EVI的高值和低值区，且后者的植被覆盖增加最弱；陇中、陇东的植被覆盖变化相对缓慢。4）省内植被恢复指数成效显著，当前植被恢复潜力实现度较高，剩余植被恢复潜力度较低。其中，47.4%的裸地具备转化为绿地的潜力，草地和林地则分别有28.1%和2.5%的面积具备进一步提升的潜力。总之，近20年来甘肃省植被覆盖整体明显改善，但其空间分异特征尚未改变；剔除非自然植被后，全省整体植被覆盖度仅有10%左右的提升空间。
2023 Vol. 21 (1): 110-118 [
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119
余恩旭, 张明芳, 徐亚莉, 孙鹏森, 蒙作主
区域森林水源涵养功能评价模型的开发与应用
区域尺度上毁林、虫害、火灾以及造林等多种类型森林变化伴随森林植被恢复生长，使森林及其水源涵养功能恢复具有时空累积性。而传统森林水源涵养功能评价方法难以直接刻画森林时空累积变化及其对水源涵养功能的影响，且存在模型计算量大、效率低等问题。针对上述难题，集成自主开发的森林恢复评价模型（ERA模型）与经典的综合蓄水法能力，结合GIS二次开发平台，设计与实现区域森林水源涵养功能评价模型（RFWCFAM）用于不同森林恢复情境下森林景观和森林水源涵养功能的时空动态评价和预测。该模型通过输入降水、植被类型、土壤、森林恢复措施等数据，生成森林变化、水源涵养量变化、恢复措施布局等空间分布图以及相应的统计数据，可以快速、准确定量评估区域尺度森林变化及其恢复过程中水源涵养功能的时空累积变化，辨识影响森林恢复的关键因子。区域森林水源涵养功能评价模型应用于杂谷脑流域，结果表明：1）2010年流域森林总水源涵养量为679.37 t/hm
2
；2）2010—2030年间在自然恢复和人工恢复情景下流域森林土壤层、枯枝落叶层、林冠层及总水源涵养量均呈增加趋势；3）人工恢复效果较自然恢复更明显，预计到2030年人工恢复措施下森林水源涵养总量较自然恢复措施下约高5.19%。本模型的开发及成功应用能够为林业部门和水资源管理部门快速准确评估森林恢复工程对水源涵养功能的提升效果提供高效的评价工具，同时为我国森林资源适应性管理提供科学依据，为水土保持工程的评价和管理提供科学支撑。
2023 Vol. 21 (1): 119-127 [
摘要
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128
康芮, 邱新玲, 马鸿财, 宋鹏宇
基于深度学习的生产建设项目扰动图斑自动提取
快速获取生产建设项目扰动范围，对提高水土保持监督检查效率、控制人为水土流失具有重要意义。生产建设项目数量多且分布广，遥感技术能够及时、准确获取其空间分布。当前开展生产建设项目自动提取的研究较少，方法以面向对象分类为主，存在专业性强、区域适用性低、工程化应用难度高等问题。基于高分一号、高分六号遥感影像，分析归纳生产建设项目扰动特征，将裸地和新增建设用地确定为生产建设项目检测的特征地物，分别采用改进的DeepLabV3+模型和U-Net模型，开展生产建设项目扰动图斑提取试验研究，并结合扰动图斑面积特点，设置最小识别面积。结果显示：当最小识别面积为1 hm
2
时，DeepLabV3+模型平均数量准确率为78.31%，数量召回率为61.69%，面积准确率为88.82%，面积召回率为80.60%，整体分类效果较好，能够有效缓解样本数量不均衡的问题，更适用于生产建设项目扰动图斑自动提取。该结果可为全国大范围监管提供有效的方法。
2023 Vol. 21 (1): 128-138 [
摘要
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139
张丽, 刘佳雨
近30年东北沙地生态系统服务动态
东北沙地位于北方农牧交错带，揭示该区长时间序列生态系统服务功能时空演化特征，可为沙地生态恢复与水土保持提供科学依据。基于InVEST模型，对1990—2020年该区土壤保持、水源涵养、碳储存量和生境质量功能进行评估。结果表明：1）东北沙地土壤保持总量呈现波动增加的变化趋势，增幅0.198亿t/a，高值区集中于科尔沁沙地的西南地区、松嫩沙地的东部和西部以及呼伦贝尔沙地的东部；2）水源涵养量总体呈现增加趋势，高值区集中于科尔沁沙地东南部、松嫩沙地东北部和呼伦贝尔沙地的东部；3）碳储存量呈增加趋势，增幅0.016亿t/a，高值区主要分布于科尔沁沙地东北部、松嫩沙地的东部、西部和呼伦贝尔沙地的东部；4）平均生境质量指数总体变化不大，呈现先上升后下降趋势，高值区域集中于松嫩沙地东部和西部、呼伦贝尔沙地的东部。东北沙地土壤保持、水源涵养、碳储存量和生境质量4大生态系统服务功能总体呈现增加趋势，增加的区域在空间上表现一定聚集性。
2023 Vol. 21 (1): 139-148 [
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