呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性主要影響因子時空變化特征

馮宇，王文杰，劉軍會，吳昊，馬蘇，聶新艷

中國環(huán)境科學研究院環(huán)境信息科學研究所，北京 100012

呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性主要影響因子時空變化特征

馮宇，王文杰*，劉軍會，吳昊，馬蘇，聶新艷

中國環(huán)境科學研究院環(huán)境信息科學研究所，北京 100012

以呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)為研究對象，選擇植被覆蓋度、坡度、土壤可蝕性、大風日數(shù)和濕潤指數(shù)作為防風固沙功能重要性的評價指標，綜合采用構(gòu)建專家判斷矩陣和層次分析法建立了評價指標體系。利用ETM影像數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)技術對呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)三期(2000—2003年、2004—2007年和2008—2011年)的防風固沙功能重要性進行了評價，并分析了各單因子重要性和綜合重要性的動態(tài)變化和空間分布格局。結(jié)果表明，植被覆蓋度是影響防風固沙功能重要性的關鍵因子。2000—2011年，呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的防風固沙功能重要性呈先升高后降低的趨勢；空間分布由東向西逐漸升高，沙帶地區(qū)防風固沙功能重要性較高，溫性草甸草原區(qū)和溫性草原區(qū)防風固沙功能重要性較低。

防風固沙功能；指標體系；重要性評價；區(qū)域分異；影響因子

防風固沙功能重要性評價是為了識別防風固沙功能最重要的區(qū)域，評價防風固沙功能對區(qū)域生態(tài)安全的重要性程度[1]。植被作為一種重要的自然資源通過根系固定表層土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)，減少土壤裸露面積，提高土壤抗風蝕的能力；同時，還可以通過阻截等方式降低風速，削弱大風攜帶沙子的能力，減少風沙的危害[2]。因此，對植被防風固沙功能的研究備受關注。

國內(nèi)外學者對防風固沙功能進行了大量的研究，內(nèi)容涵蓋防風固沙功能的影響因子分析[3-16]，各因子間的相互關系研究[6,17-20]，植被的防風固沙效益分析[5,21-29]及防風固沙功能的價值計算與評估[30-31]等。植被的防風固沙功能研究包括：1)建立力學-數(shù)學機理型模型，定量評估、模擬、預報土壤的風力侵蝕過程，計算植被的防風固沙量[32]；建立基于遙感和地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代信息技術的宏觀區(qū)域尺度上的防風固沙功能評估實用模型和運行系統(tǒng)。2)在時空方面開展多尺度的研究，如空間上的斷面尺度，地塊(圖斑)尺度和區(qū)域尺度等；時間上的小時尺度，日尺度和月、季、年際尺度等。近年來，我國學者在風蝕測定與評估模型、土壤風蝕強度分級以及風蝕防治技術等方面進行了多角度的研究，主要研究區(qū)域集中在西北沙漠邊緣等風蝕強烈、危害嚴重的地區(qū)[8,33-34]，并從定性描述[35-45]轉(zhuǎn)向了定量分析[46-50]。

筆者通過對呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)(研究區(qū))防風固沙功能重要性主要影響因子時空變化的定量研究，進行防風固沙功能重要性評價，以期為呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的保護與建設提供理論指導，同時為呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)土地沙化的有效防治提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)是《全國生態(tài)功能區(qū)劃》50個重要生態(tài)功能保護區(qū)之一，該區(qū)地處大風入侵我國華北的主通道上，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)高原東北部的海拉爾盆地及其周邊地區(qū)(114°19′48″E～122°09′36″E，47°22′12″N～50°43′48″N)，行政區(qū)涉及內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾的牧業(yè)四旗(新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗、陳巴爾虎旗局部和鄂溫克族自治旗局部)和三市(滿洲里市、海拉爾市和額爾古納市南部)，總面積77 199 km2，海拔最高為1 038 m，最低為545 m。東北邊緣和大興安嶺西北麓低山丘陵區(qū)分別屬于內(nèi)陸華夏系沉降帶和大興安嶺新華夏系隆起帶，奠定了呼倫貝爾沙地的基本形態(tài)，形成了北部、中部以及南部三條沙帶[51]。

呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，氣候較寒冷，降水較少，干旱多大風；因緯度偏高，年平均氣溫較低(-2.5～0 ℃)，年≥10 ℃積溫為1 800～2 200 ℃，年降水量250～380 mm，降水趨勢東北少于西南，相對濕度60%～70%，具有半濕潤-半干旱的過渡特點；年大風日數(shù)20～40 d，平均風速4～5 ms。受全球氣候變暖趨勢的影響，2000—2010年溫度變化明顯，平均溫度比20世紀50年代上升了2.49 ℃，同時年降水量也有一定程度的減少，因此加劇了呼倫貝爾草原干旱的程度[51]。

呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的地表土層主要為沙質(zhì)栗鈣土，厚度穩(wěn)定在0.1～0.3 m，整個研究區(qū)廣泛分布。土層下部普遍存在鈣富集層，植物根系難以穿透；沙帶的固定、半固定沙丘發(fā)育風沙土；植被以草原為主，沿大興安嶺西麓為森林草原或草甸草場，東部及南部有樟子松林帶或疏林。

呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)受自然條件和人為因素的綜合影響。強勁的風力構(gòu)成風蝕沙化的強大動力，巨厚的松散沉積物為風蝕沙化準備了豐富的物質(zhì)來源，氣候的變化增加了區(qū)域干旱的程度，沙漠化敏感性高，呼倫貝爾草原已經(jīng)成為影響我國華北地區(qū)的重要沙塵源之一。近年來隨著人口增長、過度放牧以及大規(guī)模的盲目開墾，使得部分地區(qū)的生態(tài)環(huán)境開始惡化，全地區(qū)荒漠化過程加劇，草地退化面積占全區(qū)草地總面積的59%。截至2008年，呼倫貝爾沙化土地總面積超過130.52萬hm2，成為我國四大沙地中唯一仍在擴展的沙地。

1.2 數(shù)據(jù)收集及預處理

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取

遙感數(shù)據(jù)采用2000—2011年覆蓋研究區(qū)的MODIS反射率數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km×1 km，時間分辨率為8 d〔數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)網(wǎng)站〕。氣象數(shù)據(jù)覆蓋研究區(qū)2000—2011年逐月(日)的平均降水量、溫度、風速資料以及各站點的經(jīng)緯度和高程(數(shù)據(jù)來源于國家氣象中心信息資料室)。其他資料包括呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)1∶25萬的DEM數(shù)據(jù)和1∶100萬的土壤類型圖(數(shù)據(jù)來源于全國生態(tài)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)庫)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.2.1 MODIS遙感數(shù)據(jù)處理

利用NASA研發(fā)的MRT軟件對MODIS數(shù)據(jù)進行格式和投影轉(zhuǎn)換，將HDF格式轉(zhuǎn)換為TIFF格式，將SIN投影轉(zhuǎn)換為ALBERTS投影系統(tǒng)，同時完成圖像的鑲嵌與重采樣。在ENVI軟件中利用呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)矢量邊界ROI進行影像裁剪。最后，以最大值合成法(MVC)逐像元選取逐月的NDVI(歸一化植被指數(shù))最大值，最大值合成法可以有效消除太陽高度角、衛(wèi)星視角、軌道漂移及云層遮蓋影像，最后合成逐月植被指數(shù)，得到2000—2011年逐月的NDVI時間序列。

1.2.2.2 氣象數(shù)據(jù)處理

收集了呼倫貝爾行政區(qū)和周邊22個氣象站點2000—2011年的氣象數(shù)據(jù)，包括月(日)平均降水量、平均氣溫、平均風速以及各氣象站點的經(jīng)緯度和海拔高度，用克里格插值法將獲取的離散點的氣象數(shù)據(jù)(降水量、溫度等)進行空間插值。為了便于分析，需要統(tǒng)一柵格大小，即進行重采樣，使柵格化的氣象數(shù)據(jù)與遙感影像的分辨率相匹配，并且具有相同的投影信息。

2 防風固沙功能重要性評價指標體系的構(gòu)建

2.1 指標選擇原則

選擇確定指標的原則可歸納為綜合性、主導性和實用性原則。評價指標既要有代表性，又要能夠通過對研究區(qū)域防風固沙功能重要性的動態(tài)變化進行宏觀管理。依據(jù)不同研究范圍、層次和手段方法，所選指標應包括自然和人為兩個方面，盡可能簡潔并易于獲取、經(jīng)濟實用、切實可行。

2.2 評價指標的選擇

呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的防風固沙功能重要性評價主要考慮呼倫貝爾草原的沙漠化敏感性，沙塵及其影響范圍與程度[1]。研究表明，在不同的植被覆蓋和地形條件下，土壤受到風力、降水等氣候的侵蝕各異，導致區(qū)域的沙化程度有較大的差異。

植被覆蓋是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，是影響土地荒漠化的一個重要因子。一般而言，一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境條件好，水熱條件適合，植被生長茂盛，其覆蓋度較高，則很少發(fā)生土地沙化；相反，當生態(tài)環(huán)境惡化時，植被生長稀少，植被覆蓋度低導致地表裸露，則發(fā)生土地沙化和土壤侵蝕的情況較為嚴重。土壤可蝕性是指土壤是否易受侵蝕破壞的性能，即土壤對侵蝕介質(zhì)剝蝕和搬運的敏感性。坡度體現(xiàn)了區(qū)域地形自身對風蝕的抗蝕性，坡度陡的區(qū)域?qū)︼L速起到一定的阻滯作用。風力強度是影響風對土壤顆粒搬運的重要因素，大風是土壤風蝕的起因和外在動力，持續(xù)時間越長，對土壤造成的侵蝕越強，對沙塵的搬運距離也越遠。濕潤指數(shù)反映了某個區(qū)域熱量和水分之間的相互作用關系，還表現(xiàn)出降水對區(qū)域的風力侵蝕的作用?；谏鲜隹紤]，同時根據(jù)評價指標選擇原則，筆者選取植被覆蓋度、土壤可蝕性、坡度、大風日數(shù)和濕潤指標評價呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能的重要性。

2.3 評價指標權(quán)重的確定、定級及劃分

應用層次分析法(AHP)計算出各要素權(quán)重，經(jīng)構(gòu)建專家判斷矩陣、層次單排序及各因子一致性檢驗，實現(xiàn)呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性評價指標體系的構(gòu)建及權(quán)重確定(表1)。

表1 防風固沙功能重要性評價指標體系及權(quán)重

1)氣候條件的指標層權(quán)重由大風日數(shù)和濕潤指數(shù)構(gòu)成(0.347 3)。

依據(jù)評價結(jié)果的可比性原則以及研究區(qū)域?qū)嶋H情況，將植被覆蓋度、土壤可蝕性、坡度、大風日數(shù)和濕潤指數(shù)各劃分五個等級，在此基礎上，對各等級進行分級賦值，賦值越小，表明土地沙化敏感性越低，則防風固沙功能重要性的程度越低(表2)。

2.4 評價模型的構(gòu)建

呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性評價模型的建立，即綜合分析多項評價因子的整體狀況和各因子的空間差異性。綜合指數(shù)包括因子屬性及其權(quán)重系數(shù)，用以實現(xiàn)防風固沙功能重要性的定量化評價。加權(quán)求和的防風固沙功能重要性綜合指數(shù)計算公式：

Ej=∑C(i,j)Wij

(1)

式中，Ej為j空間單元防風固沙功能重要性綜合指數(shù)；C(i,j)為j空間單元第i個因素重要性等級值；Wij為影響防風固沙功能重要性因子的權(quán)重。

表2 防風固沙功能重要性評價指標及分級

2.5 評價指標因子專題信息提取

2.5.1 植被覆蓋度

NDVI可較好地反映出區(qū)域的植被覆蓋度及年際空間分布差異。為此，根據(jù)多年平均月NDVI(圖1)可以看出，7月的NDVI最大，能鮮明地突出植被覆蓋度的年際變化特征。根據(jù)多年7月NDVI的分布(圖2)，以四年為一期將研究區(qū)分為三期(2000—2003年、2004—2007年和2008—2011年)，根據(jù)三期平均NDVI的變化趨勢，選取2003年7月、2007年7月和2011年7月的遙感數(shù)據(jù)為代表進行三期變化研究，在ERDAS中提取呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)三年的NDVI(圖3)。

圖1 呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)多年平均月NDVIFig.1 Average monthly NDVI of Hulun Buir Grassland eco-function area over years

圖2 呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)多年7月NDVI象元均值變化Fig.2 The NDVI pixels mean in July of Hulun Buir Grassland eco-function area over years

圖3 呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)7月NDVIFig.3 The July NDVI of Hulun Buir Grassland eco-function area

2.5.2 土壤可蝕性

土壤可蝕性與土壤的機械組成和土壤有機質(zhì)的含量密切相關。一般來說，凡有機質(zhì)、物理性黏粒和細粒含量高的土壤，其透水性較強，水穩(wěn)定性指數(shù)、抗沖指數(shù)都比較高，因而其土壤抗蝕性也就較強；凡砂粒、粉砂粒含量高，有機質(zhì)含量少的土壤，雖然透水性強，但水穩(wěn)定性指數(shù)和抗沖性指數(shù)都較低，因而抗蝕性較差。選取EPIC模型的計算公式，并利用研究區(qū)域1∶100萬土壤類型圖，按土壤可蝕性進行等級劃分和賦值，經(jīng)GIS軟件轉(zhuǎn)換成1 km柵格單元的土壤可蝕性專題圖(圖4)。

圖4 呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)土壤可蝕性 Fig.4 Soil erodibility of Hulun Buir Grassl and eco-function area

2.5.3 坡度

利用呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)1∶25萬的DEM數(shù)據(jù)，通過GIS提取呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的坡度值，并經(jīng)GIS軟件轉(zhuǎn)換成1 km柵格單元的坡度專題圖(圖5)。

圖5 呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)坡度Fig.5 Slope of Hulun Buir Grassl and eco-function area

圖6 2000—2011年呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)年大風日數(shù)變化Fig.6 The change of yearly strong wind number in Hulun Buir Grassland eco-function area during 2000-2011

2.5.4 大風日數(shù)

研究表明[52]，砂質(zhì)壤土的起沙風速為6 ms，選用全年風速大于6 ms的天數(shù)作為評價防風固沙功能重要性指標具有重要意義。根據(jù)有關站點的氣象數(shù)據(jù)，統(tǒng)計呼倫貝爾行政區(qū)以及周邊地區(qū)22個站點2000—2011年的大風日數(shù)變化(圖6)。選取2003年、2007年和2011年三年數(shù)據(jù)，通過矢量化建立點圖層，采用克里格插值法提取呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的大風日數(shù)，并經(jīng)GIS軟件轉(zhuǎn)換成1 km柵格單元的大風日數(shù)專題圖(圖7)。

圖7 呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)大風日數(shù)Fig.7 Strong wind number of Hulun Buir Grassland eco-function area

2.5.5 濕潤指數(shù)

濕潤指數(shù)為區(qū)域降水量與潛在蒸散量之比，反映某個區(qū)域熱量和水分間的相互關系，與干燥度互為倒數(shù)，表現(xiàn)出降水對區(qū)域的風力侵蝕的作用。采用張寶堃等[48]提出的干燥度計算公式，統(tǒng)計呼倫貝爾行政區(qū)以及周邊地區(qū)22個站點2000—2011年的日平均氣溫和5—9月降水量，選取2003年、2007年和2011年三年數(shù)據(jù)，通過矢量化建立點圖層，采用克里格插值法提取呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的濕潤指數(shù)，并經(jīng)GIS軟件轉(zhuǎn)換成1 km柵格單元的濕潤指數(shù)專題圖(圖8)。

圖8 呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)濕潤指數(shù)Fig.8 Wetness index of Hulun Buir Grassland eco-function area

3 結(jié)果與分析

3.1 單因子評價

3.1.1 植被覆蓋度對防風固沙功能重要性的影響

依據(jù)分級標準提取三期的植被覆蓋度指標進行呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性評價(圖9)。從整體上看，以植被覆蓋度為指標的防風固沙功能高度重要區(qū)和極重要區(qū)主要分布在呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)西部地區(qū)以及沙帶區(qū)。由于東西向濕潤度的不同導致植被水平地帶的分化，呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的氣象統(tǒng)計資料顯示，年濕潤度的地理分布從東向西逐漸減少，植被覆蓋度空間分布呈現(xiàn)從東向西逐漸遞減的態(tài)勢(圖3)。而植被覆蓋度越低，意味著土地沙化敏感性越高。

植被覆蓋度對呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性影響的變化特征如表3所示。

圖9 基于植被覆蓋度的防風固沙功能重要性評價Fig.9 Wind break and sand-fixing function importance assessment based on vegetation coverage

表3 基于植被覆蓋度的防風固沙功能重要性評價結(jié)果

從表3可以看出，2000—2011年，極重要區(qū)面積呈先增加后減少的趨勢，由4 741 km2增加到17 334 km2，增加17.02%，之后又減少到895 km2，減少22.22%；高度重要區(qū)呈減少趨勢，總體減少了31.65%；中度重要區(qū)面積變化幅度小，呈先增加后減少的趨勢；輕度重要區(qū)面積呈增加的趨勢，總體增加了30.83%；一般重要區(qū)呈先減少后增加的趨勢，由17 689 km2減少到9 217 km2，減少47.89%，之后又增加到22 479 km2，增加了1.4倍。由于20世紀末人類不合理的經(jīng)濟活動，呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的植被嚴重退化，沙塵天氣頻繁。近年來加大了生態(tài)恢復工程的力度，使呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的植被覆蓋度明顯增加。

3.1.2土壤可蝕性對防風固沙功能重要性的影響

依據(jù)分級標準提取土壤可蝕性指標進行呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性評價(圖10)。整體上看，防風固沙功能重要性表現(xiàn)為東部地區(qū)高，中西部地區(qū)重要性相對較低。防風固沙功能極重要地區(qū)主要分布在呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的沙帶地區(qū)，土壤類型以草原風沙土為主。由于草原風沙土的土壤可蝕性大，其抗蝕能力小，極易發(fā)生土壤風蝕，意味著防風固沙功能重要性程度高。栗鈣土和黑鈣土的土壤可蝕性較小，因此重要性程度較低。

圖10 基于土壤可蝕性的防風固沙功能重要性評價 Fig.10 Wind break and sand-fixing function importance assessment Based on soil erodibility

圖11 基于坡度的防風固沙功能重要性評價Fig.11 Wind break and sand-fixing function importance assessment based on slope

3.1.3 坡度對防風固沙功能重要性的影響

依據(jù)分級標準提取坡度指標進行呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性評價(圖11)。整體上看，防風固沙功能重要性表現(xiàn)為中部地區(qū)最高，西北部稍高于東南部地區(qū)。由于邊緣山區(qū)地勢高，東南稍高，略向西北傾斜，中部地勢最低。坡度低，其地形自身對大風的阻滯性低，防風固沙功能愈顯重要。

3.1.4 大風日數(shù)對防風固沙功能重要性的影響

依據(jù)分級標準提取大風日數(shù)指標進行呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性評價。整體上看，防風固沙功能高度重要和極重要地區(qū)主要分布在呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的西北地區(qū)和東部部分區(qū)域。由于西部地區(qū)年平均風速較大，年大風日數(shù)可達50 d，而東部地區(qū)不足10 d。風速大，容易發(fā)生土壤風蝕，土地沙化敏感性高，意味著防風固沙功能的重要性程度高(圖12)。從圖12可以得出，2000—2011年12年間，以大風日數(shù)為指標的呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性程度呈先升高后降低的趨勢。

圖12 基于大風日數(shù)的防風固沙功能重要性評價Fig.12 Wind break and sand-fixing function importance assessment based on strong wind number

3.1.5 濕潤指數(shù)對防風固沙功能重要性的影響

依據(jù)分級標準提取濕潤指數(shù)指標進行呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性評價(圖13)。整體上看，防風固沙功能極重要地區(qū)主要分布在西部地區(qū)和東北部分區(qū)域。呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)年平均氣溫自西南向東北逐漸降低，西部≥10 ℃年積溫高達2 274 ℃，東部地區(qū)不足1 900 ℃。年降水量東部為340～380 mm，西部為250～300 mm，其空間分布呈現(xiàn)從東向西逐漸遞減的態(tài)勢。根據(jù)圖13得出，2000—2011年12年間以濕潤指數(shù)為指標的呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性程度呈先升高后降低的趨勢。

圖13 基于濕潤指數(shù)的防風固沙功能重要性評價Fig.13 Wind break and sand-fixing function importance assessment based on wetness index

3.2 防風固沙功能重要性綜合評價及其空間分布特征

從2011年呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性空間分布特征來看，防風固沙功能極重要區(qū)和高度重要區(qū)主要分布在新巴爾虎右旗西南地區(qū)以及海拉爾河兩岸的沙帶地區(qū)，該地區(qū)氣候干燥，多大風以及地勢和植被覆蓋度很低，加上人類活動的影響，誘發(fā)和引起沙漠化程度的加重，防風固沙功能的重要性程度高。中度重要區(qū)分布較廣，分布在新巴爾虎旗東部地區(qū)，并沿東北方向，經(jīng)過新巴爾虎左旗的南部及北部，延伸至海拉爾和鄂溫克旗北部區(qū)域。輕度重要區(qū)和一般重要區(qū)主要集中在東部的溫性草甸草原區(qū)和溫性草原區(qū)，該地區(qū)植被覆蓋度高，并覆蓋了較大的森林面積，氣候濕潤，抗風蝕能力較強，土地沙漠化敏感性低。

3.3 防風固沙功能重要性空間分布特征

利用地理信息系統(tǒng)軟件分別將三期單因子進行空間疊加，采用式(1)進行防風固沙功能重要性綜合指數(shù)運算，并根據(jù)表1中的分級標準做出2003年、2007年以及2011年呼倫貝爾草原重要生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性的綜合評價(圖14)。

圖14 防風固沙功能重要性綜合評價Fig.14 Comprehensive assessment of wind break and sand-fixing function importance

總體上，2000—2011年間呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性程度呈先增強后減弱的趨勢。2003—2007年間，防風固沙功能高度重要區(qū)和極重要區(qū)面積增加，其中，極重要區(qū)面積由6.305×103km2增加到8.441×103km2，增加了33.9%；而在2007—2011年間，減少到5.264×103km2，減少了37.6%。2000—2011年中度重要區(qū)面積總體減少了13.2%；輕度重要區(qū)面積總體增加22.0%；一般重要區(qū)面積呈先減少后增加的趨勢，總體面積基本不變，但年際變化幅度較大(表4)。

表4 呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性動態(tài)變化

4 討論

(1)為了評價防風固沙功能，許多學者提出了一些防風固沙功能的影響因子，主要集中于防風固沙物質(zhì)量的計算與評估。如李晶等[30]采用了董治寶等[46]提出的風蝕流失量模型，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的防風固沙功能及其價值的時空變化進行了初步評估。由于土壤風蝕的過程非常復雜，影響因素繁多且相互制約，任何單一模型都難以盡全。依據(jù)環(huán)境保護部生態(tài)功能區(qū)劃技術規(guī)范的要求，并結(jié)合呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的實際情況，選用了植被覆蓋度、坡度、土壤可蝕性、大風日數(shù)和濕潤指數(shù)指標，綜合考慮了人為因素和自然因素，基于構(gòu)建專家判斷矩陣和層次分析法確定其權(quán)重，最終建立防風固沙功能重要性的綜合評價模型。除了模型本身固有的缺陷外，分級標準、參數(shù)選取等因素也會給評價結(jié)果的精確性帶來影響，需要今后進一步深入研究，不斷修正。盡管如此，研究的一些初步結(jié)果仍然有助于了解呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能各影響因子及其重要性的動態(tài)變化。

(2)研究表明，造成土壤風蝕的因素有自然和人為兩方面。其中，人類不合理翻耕土地、放牧和樵采等，在自然條件相同的情況下，其加速土壤風蝕性可達幾倍、十幾倍至幾十倍。因此，植被覆蓋度是反映當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)防風固沙功能重要性的關鍵因子。初步研究表明，低覆蓋度草地的防風固沙功能重要性高于高覆蓋度草地。在當?shù)仫L況和地表性質(zhì)不變的情況下，建議通過保護天然植被或建立人工植被提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)整體的防風固沙功能。

(3)該生態(tài)功能區(qū)的防風固沙功能重要性空間分布差異性明顯，防風固沙功能重要性較強的區(qū)域主要分布在沙地等植被覆蓋較低、氣候干燥多風的區(qū)域。建議重點加強該區(qū)域的生態(tài)恢復建設，構(gòu)建呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)安全格局，以有效的生態(tài)紅線措施提高區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)的服務功能。

(4)在不同土地利用方式、放牧制度等人為影響因素下，土壤風蝕表現(xiàn)出較大的差異性[53-54]。2000—2011年間，該生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性呈先增強后降低的趨勢。這種變化主要歸因于經(jīng)濟行為的人為影響以及草原管理相關政策、放牧制度。2004—2007年間，呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)大規(guī)模開發(fā)草原資源，過度放牧，不合理的畜牧業(yè)生產(chǎn)方式導致草地生態(tài)系統(tǒng)不斷退化，植被覆蓋度逐漸降低。而在2007—2011年間，由于建立了合理的農(nóng)耕、放牧和樵采制度，使人為加速土壤風蝕的強度降低，嚴格控制了放牧和草原生物資源的利用，加強植被恢復和保護較好地控制了人類活動對草地生態(tài)系統(tǒng)的損害，防止土地沙漠化的進一步擴大、加劇。

5 結(jié)語

防風固沙功能重要性主要影響因子的時空變化特征分析有助于了解呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的防風固沙能力。影響因子的選擇依據(jù)不同的研究對象和目標，選擇的因子和評價的方法上都存在較大差別。在對呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能重要性的研究中，結(jié)合呼倫貝爾草原生態(tài)功能區(qū)的實際情況，既要考慮研究對象生態(tài)環(huán)境自身的特征，也要將人類活動可能對生態(tài)功能造成的危害作為因子參考進來，將自然和人為因素相結(jié)合，得到了防風固沙功能重要性的空間分布。

[1]環(huán)境保護部.全國生態(tài)功能區(qū)劃[M]:北京:環(huán)境保護部,2008:11-13.

[2]韓永偉,高馨婷,高吉喜,等.重要生態(tài)功能區(qū)典型生態(tài)服務及其評估指標體系的構(gòu)建[J].生態(tài)環(huán)境學報,2010,19(12):2986-2992.

[3]GRANT P F, NICKLING W G.Direct field measurement of wind drag on vegetation for application to windbreak design and modeling[J].Land Degradation and Development,1998,9(1):57-66.

[4]BUERKERT A,LAMERS J P A.Soil erosion and deposition effects on surface characteristics and pearl millet growth in the West African Sahel[J].Plant and Soil,1999,215(2):239-253.

[5]WASSON R J,NANNINGA P M.Estimating wind transport of sand on vegetated surfaces[J].Earth Surface Processes and Landforms,1986,11(5):505-514.

[6]WOLFE S A,NICKLING W G.The protective role of sparse vegetation in wind erosion[J].Progress on Physical Geography,1993,17:50-68.

[7]van de VEN T A M,FRYREAR D W,SPAAN W P.Vegetation characteristics and soil loss by wind[J].J Soil and Water Conservation,1989,44:347-349.

[8]胡孟春,劉玉璋,烏蘭,等.科爾沁沙地土壤風蝕的風洞實驗研究[J].中國沙漠,1991,11(1):22-29.

[9]劉玉璋,董光榮,李長治.影響土壤風蝕主要因素的風洞實驗研究[J].中國沙漠,1992,12(4):41-49.

[10]董光榮,李長治,金炯,等.關于風蝕風洞試驗的某些結(jié)果[J].科學通報,1987,32(4):297-301.

[11]黃富祥,牛海山,王明星,等.毛烏素沙地植被覆蓋率與風蝕輸沙率定量關系[J].地理學報,2001,56(6):700-710.

[12]黃富祥,王明星,王躍思.植被覆蓋對風蝕地表保護作用研究的某些新進展[J].植物生態(tài)學報,2002,26(5):627-633.

[13]韓致文.半濕潤地區(qū)風沙流結(jié)構(gòu)的定量研究:以豫北沙地為例[J].中國沙漠,1993,13(3):25-31.

[14]鄒學勇,朱九江,董光榮,等.風沙流結(jié)構(gòu)中起躍沙粒垂直初速度分布函數(shù)[J].科學通報,1992,37(23):2175-2177.

[15]賀大良.輸沙量與風速關系的幾個問題[J].中國沙漠,1993,13(2):14-18.

[16]董治寶,董光榮,陳廣庭.風沙物理學研究進展與展望[J].大自然探索,1995(3):30-38.

[17]RAUPACH M R,GILLETTE D A,LEYS J F.The effect of roughness elements on wind erosion threshold[J].J Geophysical Research,1993,98:3023-3029.

[18]董治寶,陳渭南,董光榮,等.植被對風沙土風蝕作用的影響[J].環(huán)境科學學報,1996,16(4):437-443.

[19]張春來,鄒學勇,董光榮,等.植被對土壤風蝕影響的風洞實驗研究[J].水土保持學報,2003,17(3):31-33.

[20]朱廷曜,關德新,周廣勝,等.農(nóng)田防護林生態(tài)工程學[M].北京:中國林業(yè)出版社,2001.

[21]FINDLATER P A,CARTER D J,SEOTT W D.A model to predict the effects of prostrate ground cover on wind erosion[J].Australian Journal of Soil Research,1990,28:609-622.

[22]LEYS J F.The threshold friction velocities and soil flux rates of selected soils in south-west New South Wales[J].Acta Mechanical,1991,2(Suppl):103-112.

[23]王繼和,馬全林,劉虎俊,等.干旱區(qū)沙漠化土地逆轉(zhuǎn)植被的防風固沙效益研究[J].中國沙漠,2006,26(6):903-909.

[24]汪萬福,王濤,李最雄,等.敦煌莫高窟頂灌木林帶防風固沙效應[J].生態(tài)學報,2004,24(22):2492-2500.

[25]楊文斌,趙愛國,王晶瑩,等.地覆蓋度沙蒿群叢的水平配置結(jié)構(gòu)與防風固沙效果研究[J].中國沙漠,2006,26(1):108-112.

[26]左偉,王橋,王文杰,等.區(qū)域生態(tài)安全評價指標與標準研究[J].地理學與國土研究,2002,18(1):67-71.

[27]王翔宇,丁國棟,高函,等.帶狀沙柳沙障的防風固沙效益研究[J].水土保持學報,2008,22(2):42-46.

[28]鐘衛(wèi),劉涌江,楊濤.3種沙障防風固沙效益比較的風洞實驗研究[J].水土保持學報,2008,22(6):7-12.

[29]韓永偉,托學森,高吉喜,等.黑河下游重要生態(tài)功能區(qū)防風固沙功能輻射效益[J].生態(tài)學報,2010,30(19):5185-5193.

[30]李晶,任志遠.陜北黃土高原土地利用防風固沙功能價值時空研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2011,25(7):183-187.

[31]莫宏偉,任志遠,王欣.植被生態(tài)系統(tǒng)防風固沙功能價值動態(tài)變化研究:以榆陽區(qū)為例[J].干旱區(qū)研究,2006,23(1):56-59.

[32]戚隆溪,王柏懿.土壤侵蝕的流體力學機制[J].力學進展,1996,22(1):41-55.

[33]賀大良,鄒本功,李長治,等.地表風蝕物理過程風洞試驗的初步研究[J].中國沙漠,1986,6(1):25-31.

[34]董光榮,段慶光,金炯,等.青海共和盆地草原沙漠化現(xiàn)狀成因及其防治途徑:以共和縣為例[J].中國草地,1987(4):13-17.

[35]CHEPIL W S,MILNE R A.Comparative study of soil drifting in the field and in a wind funnel[J].Scientific Agriculture,1939,19:249-257.

[36]CHEPIL W S.Relation of wind to the dry aggregate structure of a soil[J].Scientific Agriculture,1941,21:488-507.

[37]CHEPIL W S.Dynamics of wind erosion:nature of movement of soil by wind[J].Soil Science,1945,60:305-320.

[38]CHEPIL W S.Dynamics of wind erosion:initiation of soil movement[J].Soil Science,1945,60:397-411.

[39]CHEPIL W S.Relation of wind erosion to water-stable and dry clod structrue of soil[J].Soil Sci,1942,55:275-287.

[40]CHEPIL W S.Dynamics of wind erosion:the transport capacity of the wind[J].Soil Sci,1945,60:475-480.

[41]CHEPIL W S.Factor that influence clod structure and erodibility of soil by wind:soil structure[J].Soil Sci,1952,75:473-483.

[42]CHEPIL W S.Factor that influence clod structure and erodibility of soil by wind:water stable structure[J].Soil Sci,1953,76:389-399.

[43]CHEPIL W S.Factor that influence clod structure and erodibility of soil by wind:calcium carbonate and decomposed organic material[J].Soil Sci,1954,77:473-480.

[44]CHEPIL W S.Factor that influence clod structure and erodibility of soil by wind:sand,silt and clay[J].Soil Sci,1955,80:155-162.

[45]CHEPIL W S.Influence of moisture on erodibility of soil by wind[J].Soil Sci Soc Amer Proc,1956,20:288-292.

[46]董治寶.建立小流域風蝕量統(tǒng)計模型初探[J].水土保持通報,1998,18(5):55-62.

[47]海春興,劉寶元,劉燁.土壤濕度和植被蓋度對土壤風蝕的影響[J].應用生態(tài)學報,2002,13(8):1057-1058.

[48]劉康,徐衛(wèi)華,歐陽志云,等.基于GIS的甘肅省土地沙漠化敏感性評價[J].水土保持通報,2002,22(5):29-35.

[49]嚴平.137Cs法測定青藏高原土壤風蝕的初步研究[J].科學通報,2000,45(2):199-204.

[50]董治寶,屈建軍,劉小兵,等.戈壁表面阻力系數(shù)的實驗研究[J].中國科學,2001,31(11):953-958.

[51]萬勤琴.呼倫貝爾沙地沙漠化成因及植被演替規(guī)律的研究[D].北京:北京林業(yè)大學,2008.

[52]陳渭南,董治寶,楊佐濤,等.塔克拉瑪干沙漠的起沙風速[J].地理學報,1995,50(4):360-367.

[53]何文清,趙彩霞,高旺盛,等.不同土地利用方式下土壤風蝕主要影響因子研究:以內(nèi)蒙古武川縣為例[J].應用生態(tài)學報,2005,16(11):88-92.

[54]周堯治,王旭,楊佳霞,等.不同利用方式對草甸草原抗風蝕能力的影響[J].環(huán)境科學,2008,29(5):1394-1399. ○

《環(huán)境工程技術學報》征稿啟事

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本刊的主要欄目有：水污染控制技術與資源化利用，大氣污染控制技術與清潔能源的利用，土壤污染防治與農(nóng)村環(huán)境綜合整治技術，固體廢物污染防治與資源化技術，生物、生態(tài)工程與恢復技術，基于循環(huán)經(jīng)濟的污染綜合防治技術，輻射與振動污染防治技術，其他環(huán)境系統(tǒng)工程與管理技術(包括環(huán)境信息集成技術、監(jiān)測與監(jiān)控技術、區(qū)域環(huán)境整治及城市污染綜合治理示范性工程技術等)方面的研究新成果論文、環(huán)境工程新技術推廣應用案例；環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策與管理，行業(yè)動態(tài)，熱點論壇，研究簡報，學術活動信息等。

為了將《環(huán)境工程技術學報》辦成匯集環(huán)保工程技術創(chuàng)新、環(huán)保工程技術新成果及推廣應用、環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策、行業(yè)動態(tài)、專家言論于一體的我國環(huán)保工程技術領域的高端精品刊物，《環(huán)境工程技術學報》堅持全心全意依靠本學科專家辦刊，聘請來自國內(nèi)外著名研究機構(gòu)和高等院校的知名專家學者組成編委會。在編委會的領導下，形成以編委、學科帶頭人和著名專家教授為核心的約稿、初篩選、評審、定稿、審讀的“專家系統(tǒng)”及規(guī)范化的稿件深加工系統(tǒng)，形成高效規(guī)范化運作機制。

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SpatialandTemporalVariationofMainImpactFactorsandImportanceofWindBreakandSand-fixingFunctioninHulunBuirGrasslandEco-functionArea

FENG Yu, WANG Wen-jie, LIU Jun-hui, WU Hao, MA Su, NIE Xin-yan

Institute of Environmental Information, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

With the eco-function areas of the Hulun Buir grassland as the case study areas, the vegetation cover, topographic factor, soil erodibility, strong wind hours and wetness index were selected as the indicators to assess the importance of wind break and sand-fixing function, and the assessment indicator system constructed using a combination Delphi Method and Analytic Hierarchy Process Method. The function importance of wind break and sand-fixing was evaluated for the eco-function areas in three periods (2000-2003, 2004-2007, 2008-2011) by ETM image data and GIS, and the dynamic change and spatial distribution pattern of single factor importance and comprehensive importance were analyzed. The result indicated that the vegetation coverage played the most prominent role in the wind break and sand-fixing function. From 2000 to 2011, the function importance increased first and then reduced, with the increase trend from east to west. The sand belt area was with highest importance while the temperate meadow steppe area and temperate steppe area were with light importance.

wind break and sand-fixing function; indicator system; importance assessment; spatial heterogeneity; impact factors

1674-991X(2013)03-0220-011

2012-11-23

國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201109025)

馮宇(1989—)，女，碩士研究生，主要從事區(qū)域生態(tài)評價與規(guī)劃研究，fengyu.13130020991@163.com

*責任作者:王文杰(1970—)，男，研究員，主要從事區(qū)域生態(tài)評價與規(guī)劃、環(huán)境遙感應用研究，wangwj@craes.org.cn

X321

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.03.036