Landscape-scale soil erosion modelling and ecological restoration for a mountainous watershed in Sichuan, China

Abstract

Sichuanissa Tiibetin ylängön metsäkato on pysähtynyt mutta eroosio-ongelmat jatkuvat

Viikin tropiikki-instituutin tutkija Ping ZHOU kartoitti trooppisen metsänhoidon alaan kuuluvassa väitöskirjatyössään maaperän eroosioalttiutta ja sen riippuvuutta metsäkasvillisuudesta Jangtsen tärkeää sivuhaaraa Min-jokea ympäröivällä n. 7400 neliökilometrin suuruisella valuma-alueella Sichuanin Aba-piirikunnassa. Aineistonaan hän käytti muun muassa satelliittikartoitustietoja ja mittaustuloksia yli 600 maastokoealalta. Tutkimuksen nimi suomeksi on "Maaperän eroosion mallinnus ja vuoristoisen valuma-alueen ekologinen ennallistaminen Sichuanissa Kiinassa".

Aikaisempien tutkimusten perusteella oli tiedossa että metsien häviäminen tällä alueella pysähtyi jo 1980-luvun alussa. Sen jälkeen on metsien pinta-ala hitaasti kasvanut etupäässä sen vuoksi, että teollinen puunhakkuu luonnonmetsissä kiellettiin kokonaan v. 1998 ja 25 astetta jyrkemmillä rinteillä myös maatalouden harjoittaminen on saatu lopetetuksi viljelijöille tarjottujen taloudellisten houkuttimien avulla. Täten myös pelto- ja laidunmaata on voitu ennallistaa metsäksi.

Ping Zhou pystyi jakamaan 5700 metrin korkeuteen saakka kohoavan vuoristoalueen eroosioalttiudeltaan erilaisiin vyöhykkeisiin rinteen kaltevuuden, sademäärän, kasvipeitteen ja maalajin perusteella. Noin 15 prosentilla tutkitun valuma-alueen pinta-alasta, lähinnä Min-joen pääuomaa ympäröivillä jyrkillä rinteillä, eroosioriski oli suuri tai erittäin suuri. Eri tyyppisellä kasvillisuudella oli hyvin erilainen vaikutus eroosioalttiuteen, ja myös alueen sijainti vuoriston eri korkeuksilla vaikutti eroosioon.

Säästyneet lähes luonnontilaiset havumetsät, joita on etupäässä vuoriston ylimmissä osissa 2600-4000 metrin korkeudella, edistävät tehokkaasti metsän luontaista uudistumista ja levittäytymistä vaurioituneille alueille. Säilyneiden metsien puulajikoostumus antoi tutkimuksessa mahdollisuuden ennustaa metsien tulevaa kehitystä koko tutkitulla valuma-alueella sen eri korkeusvyöhykkeissä ja eri maaperätyypeillä.

Ennallistamisen kannalta ongelmallisimpia olivat alueet joilta metsäpeite oli lähinnä puiden teollisen hakkuun vuoksi kokonaan hävinnyt ja joilla maaperä yleisesti oli eroosion pahoin kuluttama. Näillä alueilla ei ole tehty juuri mitään uudistamis- tai ennallistamistoimenpiteitä. Niillä metsien ennallistaminen vaatii myös puiden tai pensaiden istuttamista. Tähän sopivia ovat erityisesti ilmakehän typpeä sitovat lajit, joista alueella kasvaa luontaisena mm. sama tyrnilaji joka esiintyy myös Suomessa.

Työssä tutkittiin yli kahdeksankymmenen paikallisen luontaisen puulajin (joista peräti noin kolmannes on havupuulajeja) ekologisia ominaisuuksia ja soveltuvuutta metsien ennallistamiseen. Avainasemassa työn onnistumisen kannalta ovat nyt paikalliset asukkaat, joiden maankäytön muutokset ovat jo selvästi edistänet luonnonmetsän ennalleen palautumista.

Suomen Akatemia rahoitti vuosina 2004-2006 VITRI:n tutkimushanketta, josta Ping Zhou'n väitöskirjatyö muodosti keskeisen osan. Kenttätyö Sichuanissa avasi mahdollisuuden hedelmälliseen monitieteiseen yhteistyöhön ja tutkijavaihtoon Kiinan tiedeakatemian alaisen Chengdun biologiainstituutin (CIB) kanssa; tämä tieteellinen kanssakäyminen jatkuu edelleen.

Protection and reclamation of eroding areas are essential features of watershed management. However, the identification of sites with an excessive erosion rate and the selection of suitable tree species for ecological restoration are often challenging tasks in a large-scale mountainous watershed. Geospatial modelling of soils and the vegetation can provide a new insight for soil erosion control and vegetation restoration at the landscape level. The aim of the present research was to quantitatively map the soil loss and to identify areas and tree species for ecological restoration in a selected watershed. More precisely, a grid-based approach was used to model the factors affecting soil erosion and to identify the most seriously degraded areas, and logistic regression was used to select tree species for restoration and to predict their development.

The field study was performed using empirical data from an area of about 7,400 km2 in the Upper Min River (UMR) watershed, in the Upper Yangtze River Basin, in Sichuan, China. The UMR watershed forms the transition from the Qinghai-Tibetan Plateau to the Sichuan Basin, with steep slopes and high peaks. Apart from the data from 625 sample plots of a field inventory, the study utilised, for estimating the soil loss, Landsat Enhanced Thematic Mapper (ETM+) imagery, the Digitized Elevation Model (DEM), soil erodibility values, and rainfall erosivity values. Forests at four levels of human impact were analysed for the following quantitative characteristics: stand volume, basal area, weighted diameter, weighted height, and biodiversity indices for tree species. The study further investigated the relationship between vegetation types and soil orders, predicted the occurrence percentages of tree species that have a potential for forest landscape restoration using logistic regression, identified the priority areas for rapid restoration, and pinpointed the difficult areas for forest restoration where low precipitation is a constraint. A quantitative model of different vegetation cover scenarios provided information on how erosion could be reduced by management interventions.

The study demonstrated a considerable potential for an approach that combines information from a spatial grid system, ground inventory and historical records, for mapping the soil erosion rate and for identifying priority areas for ecosystem restoration. Raster maps were produced for describing the soil erodibility, rainfall erosivity, slope length and steepness, and the cover management factor, and the soil loss risks were quantified by constructing a map indicating the soil erosion potential. A digital map was developed indicating priority areas for rapid restoration and specifying difficult areas for ecological restoration with low precipitation as a limiting factor. The results can be applied for erosion control and ecological restoration in this degraded mountainous watershed and in similar areas elsewhere.

In the present study, a total of 82 native tree species were observed in the UMR watershed; of these, about one third consisted of coniferous species. It was concluded that the remnant near-natural coniferous forests found at high (2,600-4,000 m) elevation can be used as a baseline for forest tree biodiversity and stand dynamics, and also for predicting the forest regeneration and restoration process at different elevations and on different soil types. The near-natural forests are also important seed sources in the process of natural expansion of forests to degraded lands.