防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)的評(píng)估與受益區(qū)識(shí)別

徐 潔, 肖 玉, 謝高地, 王洋洋, 江 源, 陳文輝

1 北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院, 北京 100083 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100049 4 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875 5 浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院, 臨安 311300 6 浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 臨安 311300

2010年12月國(guó)務(wù)院正式發(fā)布關(guān)于印發(fā)全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃的通知,按照生態(tài)脆弱性和生態(tài)重要性兩個(gè)指標(biāo),劃定了涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙、生物多樣性維護(hù)4種類型25個(gè)國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。其中,防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)主要指沙漠化敏感性高、土地沙化嚴(yán)重、沙塵暴頻發(fā)并影響較大范圍的區(qū)域,其沙塵暴影響范圍涉及華北、東北及周邊的國(guó)家和地區(qū)[1-2]。因此,防風(fēng)固沙服務(wù)的跨區(qū)流動(dòng)效應(yīng)顯著,防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)功能提升對(duì)中國(guó)和東北亞地區(qū)的人類福利和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的保障作用[3]。

防風(fēng)固沙服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)風(fēng)沙的抑制和固定作用[4],是風(fēng)蝕地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)提供的一項(xiàng)重要防護(hù)型服務(wù),為區(qū)域生產(chǎn)生活的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件。退耕(牧)還林(草)、控制放牧強(qiáng)度、禁止開礦等生態(tài)工程建設(shè)都是主要的防風(fēng)固沙措施。這些措施的實(shí)行限制了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,降低了當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟(jì)收入,增加了區(qū)域的發(fā)展機(jī)會(huì)成本,實(shí)際上這部分損失應(yīng)該由防風(fēng)固沙服務(wù)的受益區(qū)來補(bǔ)償。但是已有的補(bǔ)償措施主要集中在中央政府轉(zhuǎn)移支付等縱向的生態(tài)補(bǔ)償,如京津風(fēng)沙源治理工程、三北防護(hù)林建設(shè)等,缺少區(qū)域間的生態(tài)補(bǔ)償政策。區(qū)域間生態(tài)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵在于建立補(bǔ)償方(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受益區(qū))與受償方(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū))的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是已有的防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)研究主要集中在防風(fēng)固沙服務(wù)功能的評(píng)估[5- 8]、生態(tài)系統(tǒng)變化狀況分析[9]、土地利用格局演變特征的分析[10]、生態(tài)安全評(píng)價(jià)[11]等方面。很少涉及防風(fēng)固沙服務(wù)的跨區(qū)流動(dòng)分析,因而不能界定防風(fēng)固沙服務(wù)的受益區(qū)范圍,難以建立防風(fēng)固沙服務(wù)功能與受益區(qū)之間的時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系。

防風(fēng)固沙服務(wù)功能的評(píng)估是防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)分析的基礎(chǔ),可以通過風(fēng)力侵蝕模型計(jì)算植被引起的風(fēng)蝕減少量獲得。目前修正風(fēng)蝕方程(Revised Wind Erosion Equation,RWEQ)得到廣泛應(yīng)用,其綜合考慮了氣候條件、植被覆蓋狀況、土壤可蝕性、土壤結(jié)皮、地表粗糙度、社會(huì)驅(qū)動(dòng)力等因素,具有簡(jiǎn)單的模擬過程和較少的輸入?yún)?shù),可用于識(shí)別風(fēng)蝕區(qū)域、評(píng)估風(fēng)蝕風(fēng)險(xiǎn)[12]。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過參數(shù)修正和公式調(diào)整將該模型應(yīng)用到我國(guó)的風(fēng)蝕評(píng)估工作中[13- 17]。防風(fēng)固沙服務(wù)的受益區(qū)識(shí)別可以通過模擬沒有防風(fēng)固沙服務(wù)條件下(裸露地表下)沙塵的擴(kuò)散影響范圍獲得,防風(fēng)固沙服務(wù)的存在避免了該部分沙塵由沙塵源區(qū)(防風(fēng)固沙服務(wù)供給區(qū))流向沙塵沉降區(qū)(防風(fēng)固沙服務(wù)受益區(qū)),受益區(qū)沙塵沉降量的減少是防風(fēng)固沙服務(wù)效應(yīng)的最直觀體現(xiàn)。已有的沙塵流動(dòng)路徑模擬模型多為空氣質(zhì)量模型,主要有天氣預(yù)報(bào)模式(The Weather Research and Forecasting Model,WRF)[18]、全球環(huán)境多尺度模型(Global Environmental Multiscale,GEM)[19]、通用多尺度空氣質(zhì)量模型(Community Multiscale Air Quality,CMAQ)[20]、混合單粒子拉格朗日積分軌跡模型(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory,HYSPLIT)[21]等。其中WRF、GEM、CMAQ模型模擬精度較高,但是需要?dú)庀髮W(xué)、流體力學(xué)等專業(yè)知識(shí)背景,且對(duì)氣象、沙塵源等數(shù)據(jù)精度的要求過于苛刻,可操作性低,不適用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)擴(kuò)散的跨學(xué)科研究領(lǐng)域。HYSPLIT模型可操作性較強(qiáng),是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(the National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)的空氣研究實(shí)驗(yàn)室(Air Research Laboratory,ARL)研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物的擴(kuò)散研究[22- 24],包括沙塵[25- 27]、苯[28-29]、火山噴發(fā)[30]、PM2.5[31-32]、霾污染[33]等的擴(kuò)散模擬。

為了消除轉(zhuǎn)移支付政策對(duì)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的影響,更為客觀地評(píng)價(jià)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)的跨區(qū)流動(dòng)效應(yīng),本研究選取主體功能區(qū)規(guī)劃正式實(shí)施之前的2010年為節(jié)點(diǎn),基于RWEQ模型評(píng)估2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙量,基于HYSPLIT模型模擬各個(gè)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑,識(shí)別出各個(gè)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)的受益區(qū)范圍,在此基礎(chǔ)上得到整個(gè)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑和受益區(qū)范圍,建立防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)功能量及其受益區(qū)的時(shí)空聯(lián)系,為防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的區(qū)域間生態(tài)補(bǔ)償政策制定提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)

防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)包括塔里木河荒漠化防治生態(tài)功能區(qū)(38.14×104km2,以下簡(jiǎn)稱塔里木)、阿爾金草原荒漠化防治生態(tài)功能區(qū)(33.70×104km2,以下簡(jiǎn)稱阿爾金)、陰山北麓草原生態(tài)功能區(qū)(9.68×104km2,以下簡(jiǎn)稱陰山)、渾善達(dá)克沙漠化防治生態(tài)功能區(qū)(16.74×104km2,以下簡(jiǎn)稱渾善達(dá)克)、科爾沁草原生態(tài)功能區(qū)(11.12×104km2，以下簡(jiǎn)稱科爾沁)、呼倫貝爾草原草甸生態(tài)功能區(qū)(4.49×104km2,以下簡(jiǎn)稱呼倫貝爾),均位于我國(guó)北方的干旱、半干旱地區(qū)(圖1),風(fēng)沙活動(dòng)頻繁,屬于沙塵活動(dòng)的沙源區(qū),易對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響。

圖1 防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)分布及其2010年土地覆被類型Fig.1 Distribution of the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type in China and its land cover types in 2010防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)代碼說明：TLM：塔里木河荒漠化防治生態(tài)功能區(qū);AEJ：阿爾金草原荒漠化防治生態(tài)功能區(qū);YS：陰山北麓草原生態(tài)功能區(qū);HSDK：渾善達(dá)克沙漠化防治生態(tài)功能區(qū);KEQ：科爾沁草原生態(tài)功能區(qū);HLBR：呼倫貝爾草原草甸生態(tài)功能區(qū)

1.2 研究方法1.2.1 防風(fēng)固沙服務(wù)功能量的評(píng)估

當(dāng)風(fēng)經(jīng)過地表時(shí),會(huì)受到來自植被的阻擋,使得風(fēng)力減弱,風(fēng)蝕量降低,由植被作用引起的風(fēng)蝕減小量為防風(fēng)固沙服務(wù)功能量,用潛在風(fēng)蝕量與實(shí)際風(fēng)蝕量的差值表示。潛在風(fēng)蝕量指沒有植被的裸土條件下的土壤風(fēng)蝕量,實(shí)際風(fēng)蝕量指現(xiàn)實(shí)中地表植被覆蓋條件下的土壤風(fēng)蝕量。

(1)

Qrmax=109.8·(WF·EF·SCF·K′)

(2)

Sr=150.71·(WF·EF·SCF·K′)-0.3711

(3)

(4)

Qmax=109.8·(WF·EF·SCF·K′·C)

(5)

S=150.71·(WF·EF·SCF·K′·C)-0.3711

(6)

SR=SLr-SL

(7)

式中,SLr表示潛在風(fēng)蝕量(kg/m2)；Qrmax表示潛在風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m)；Sr表示潛在關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度(m)；SL表示實(shí)際風(fēng)蝕量(kg/m2)；Qmax表示風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m)；S表示關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度(m)；SR表示防風(fēng)固沙量(kg/m2)；z表示所計(jì)算的下風(fēng)向距離(m),本次計(jì)算取50 m；WF為氣候因子(kg/m)；EF為土壤可蝕性百分比(%)；SCF為土壤結(jié)皮因子(無量綱)；K′表示土壤糙度因子(無量綱)；C表示植被因子(無量綱)。

其中,氣候因子WF表征了在考慮降雨、溫度、日照及雪蓋等因素下風(fēng)力對(duì)土壤顆粒的搬運(yùn)能力,其計(jì)算公式如下：

WF=Wf·(ρ/g)·SW·SD

(8)

Wf=u2·(u2-u1)2·Nd

(9)

式中,WF為氣象因子(kg/m)；Wf為風(fēng)力因子(m/s3)；g為重力加速度(m/s2)；ρ為空氣密度(kg/m3)；SW為土壤濕度因子(無量綱)；SD為雪蓋因子(無積雪覆蓋天數(shù)/研究總天數(shù),定義雪蓋深度<25.4 mm為無積雪覆蓋)；u1為2 m處起沙風(fēng)速,本次計(jì)算取5 m/s[13,14,34]；u2為氣象站2 m處月均風(fēng)速值(m/s)；Nd為各月2 m處日均風(fēng)速大于5 m/s的天數(shù)[13]。

土壤濕度因子SW的表達(dá)式如下：

(10)

式中,ETo為潛在蒸散發(fā)量(mm),利用彭曼公式計(jì)算得到,P為降水量(mm),I為灌溉量(mm),本文計(jì)算取0[35],Rd為降雨次數(shù),N為試驗(yàn)天數(shù)。

土壤可蝕性因子EF是一定土壤理化條件下土壤受風(fēng)蝕影響的大小,其表達(dá)式如下：

(11)

式中sa為土壤砂粒含量(%)；si為土壤粉砂含量(%)；cl為土壤粘粒含量(%)；OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)；CaCO3為碳酸鈣含量(%),本次計(jì)算取0[13]。采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型進(jìn)行土壤粒徑轉(zhuǎn)化[34]。對(duì)于土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中部分土壤類型的屬性值缺失情況,采用相近土壤類型的屬性值進(jìn)行替代(附表)。

土壤表層的堅(jiān)硬結(jié)皮能有效防止風(fēng)蝕的發(fā)生。土壤結(jié)皮因子SCF即在一定土壤理化條件下土壤結(jié)皮抵抗風(fēng)蝕能力的大小,其表達(dá)式如下：

(12)

式中cl為土壤粘粒含量(%)；OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)。

植被覆蓋因子C表示一定植被條件對(duì)風(fēng)蝕的抑制程度,其表達(dá)式如下：

C=e-0.0483(SC)

(13)

SC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(14)

式中,SC為植被覆蓋度(%),NDVI、NDVImax、NDVImin分別代表NDVI實(shí)際值、最大值及最小值。

地表糙度K′是地形所引起的地表粗糙程度對(duì)風(fēng)蝕影響的反映,其表達(dá)式如下[35]：

K′=cosα

(15)

式中,α為坡度,由1 km的DEM數(shù)據(jù)經(jīng)過ArcGIS的slope模塊計(jì)算得到。

1.2.2防風(fēng)固沙服務(wù)空間流動(dòng)路徑模擬

防風(fēng)固沙服務(wù)是一項(xiàng)防護(hù)型服務(wù),假設(shè)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)沒有植被覆蓋或其他固沙措施,全部為沙化土地或沙漠,一旦當(dāng)?shù)仫L(fēng)速高于起沙風(fēng)速,則沙塵將向下風(fēng)向擴(kuò)散,對(duì)下風(fēng)向區(qū)域造成損害。因此,為了確定防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)的受益區(qū)范圍,首先需要明確防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)在風(fēng)速高于起沙風(fēng)速時(shí)的氣團(tuán)運(yùn)行軌跡[36]。起沙風(fēng)速受土壤粒徑、土壤水分、地表粗糙度、土壤含鹽量等因素影響[37-39]。不同地區(qū)土壤沙粒的起沙風(fēng)速存在較大差異,根據(jù)已有文獻(xiàn)梳理出各個(gè)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)代表站點(diǎn)的起沙風(fēng)速(表1),分別篩選出各站點(diǎn)風(fēng)速高于起沙風(fēng)速的時(shí)間點(diǎn),從而模擬相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的氣團(tuán)擴(kuò)散路徑。

表1 防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)代表站點(diǎn)的平均起沙風(fēng)速

Table 1 The average threshold wind velocity of the selected stations in the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type

功能區(qū)代碼Code站點(diǎn)名稱Station地理坐標(biāo)Geographic coordinates平均起沙風(fēng)速Average threshold wind velocity/(m/s)觀測(cè)高度Observation height/m位置和文獻(xiàn)來源Location and sourceHLBR新巴爾虎右旗(48.67°N, 116.82°E)6.0010—12(氣象站風(fēng)速觀測(cè)高度)中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)[40]KEQ扎魯特(44.57°N, 120.90°E)HSDK蘇尼特左旗(43.85°N, 113.63°E)5.472渾善達(dá)克[41]YS烏拉特中旗(41.57°N, 108.52°E)5.650.6內(nèi)蒙古自治區(qū)武川縣[42]AEJ若羌(39.03°N, 88.17°E)52塔里木盆地[43]TLM塔什庫(kù)爾干(37.77°N, 75.23°E)4.62塔中[44]

在風(fēng)速篩選的基礎(chǔ)上,利用HYSPLIT模型模擬沙塵擴(kuò)散的后向軌跡[21]。HYSPLIT模型使用拉格朗日法計(jì)算氣團(tuán)軌跡,假設(shè)空氣中的粒子隨風(fēng)飄動(dòng),那么它的移動(dòng)軌跡就是其在時(shí)間和空間上位置矢量的積分,最終的位置由初始位置和第一次推測(cè)位置的平均速率得到。本研究將防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)對(duì)應(yīng)的6個(gè)代表氣象站點(diǎn)(表1)分別作為HYSPLIT模型模擬的起始點(diǎn),模擬各站點(diǎn)風(fēng)速在高于起沙風(fēng)速時(shí)的氣團(tuán)5日后向擴(kuò)散路徑,之后將各站點(diǎn)路徑合并得到防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)的空間流動(dòng)路徑。

1.2.3防風(fēng)固沙服務(wù)受益區(qū)識(shí)別

沙塵天氣的減少是防風(fēng)固沙服務(wù)最直接的效益。沙塵天氣的危害主要包括[45,46]：(1)風(fēng)沙流吹蝕或磨蝕耕地土壤,造成根系外露、農(nóng)作物受損；(2)風(fēng)沙流搬運(yùn)沙粒沉積掩埋灌渠、居民區(qū)、工礦、道路等基礎(chǔ)設(shè)施,加劇土地沙化；(3)與沙塵暴相伴的強(qiáng)風(fēng)破壞公共設(shè)施、工農(nóng)業(yè)設(shè)施、樹木和花果,傷害人畜；(4)沙塵暴導(dǎo)致大氣顆粒物濃度增加,對(duì)人體健康造成損害；(5)風(fēng)沙流向海洋輸送和沉降,對(duì)海洋中營(yíng)養(yǎng)鹽的供給和海洋生態(tài)系統(tǒng)造成影響。因此,防風(fēng)固沙的效益包括：(1)防止人體健康受損；(2)防止交通、通訊、電力、工礦、建筑、灌渠等設(shè)施受損；(3)防止耕地受損；(4)防止草場(chǎng)和牲畜受損；(5)防止果園及其他森林受損；(6)防止海洋生態(tài)系統(tǒng)破壞；(7)緩解沙漠化的出現(xiàn)與惡化。對(duì)應(yīng)的受益區(qū)包括：(1)人類活動(dòng)區(qū)域,如建設(shè)用地、耕地、草地、林地、水域與濕地等土地覆被類型；(2)基礎(chǔ)設(shè)施分布區(qū)域,如建設(shè)用地、內(nèi)陸水體、濕地等；(3)耕地；(4)草地；(5)林地；(6)海域；(7)沙地和裸地。

基于HYSPLIT模型模擬生成的多條軌跡,利用HYSPLIT的頻率分布模塊插值生成1°×1°柵格的軌跡分布頻率圖,柵格軌跡分布頻率計(jì)算方法為：

(16)

式中,pi為第i個(gè)柵格風(fēng)沙軌跡分布頻率；Li為第i個(gè)柵格風(fēng)沙軌跡通過數(shù)；L為起始點(diǎn)的風(fēng)沙總軌跡數(shù)。每個(gè)柵格內(nèi)的數(shù)值為通過該柵格的軌跡分布頻率。插值范圍即為防風(fēng)固沙型重點(diǎn)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)的受益區(qū)范圍,受益區(qū)內(nèi)的林地、草地、耕地、建設(shè)用地、內(nèi)陸水體、濕地、沙地和裸地等即為防風(fēng)固沙服務(wù)的受益土地覆被類型。

1.3 數(shù)據(jù)來源

為評(píng)估防風(fēng)固沙服務(wù)及其受益區(qū)范圍,本研究需要以下數(shù)據(jù)：

(1)氣象數(shù)據(jù)：用于計(jì)算土壤濕度和氣象因子的氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)的國(guó)家臺(tái)站數(shù)據(jù)(圖2),包括日均風(fēng)速、最大風(fēng)速、降水、平均溫度、最高溫度、最低溫度、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)。用于模擬防風(fēng)固沙服務(wù)前向運(yùn)行軌跡的數(shù)據(jù)包括風(fēng)速數(shù)據(jù)、NCEP再分析資料。風(fēng)速數(shù)據(jù)為2010年1月1日0：00到12月31日18：00的1小時(shí)內(nèi)10分鐘最大風(fēng)速,時(shí)間間隔為6小時(shí),數(shù)據(jù)來源為華云信息技術(shù)工程有限公司(http://www.huaxin-hitec.com/)。NCEP再分析資料是從NOAA的ARL獲取的2010年1月至2011年1月每日6小時(shí)的GBL資料,空間水平分辨率為2.5°×2.5°。(2)土壤數(shù)據(jù)：來源于第二次全國(guó)土地調(diào)查中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù),用于計(jì)算可蝕性因子與土壤結(jié)皮因子。(3)雪蓋數(shù)據(jù)來源于旱區(qū)寒區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)下載的“中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集(1979—2016年)”,空間分辨率為0.25°。(4)土地覆被數(shù)據(jù)：來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)的2010年土地覆被數(shù)據(jù),空間分辨率為1 km。(5)數(shù)字高程模型(DEM)：來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為30 m。(6)NDVI數(shù)據(jù)：來源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)2010年的月尺度數(shù)據(jù),空間分辨率為250 m。(7)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)范圍：利用1∶100萬全國(guó)縣域數(shù)據(jù)和2010年《全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃》中國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)名錄生成。

圖2 防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)評(píng)估相關(guān)國(guó)家氣象站點(diǎn)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of the selected national weather stations used to evaluate the wind erosion prevention service by the ecosystems in the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type in China

2 結(jié)果與分析

2.1 防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)功能評(píng)估

圖3 2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙量空間分布格局Fig.3 The spatial pattern of wind erosion prevented amount of the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type in China in 2010

從各個(gè)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙總量來看,2010年渾善達(dá)克的防風(fēng)固沙總量最高,可達(dá)1.91×1012kg,其次為科爾沁(1.38×1012kg)、塔里木(0.79×1012kg)、陰山(0.73×1012kg)、阿爾金(0.54×1012kg)、呼倫貝爾的防風(fēng)固沙總量最低,為0.20×1012kg。從單位面積防風(fēng)固沙量來看,2010年科爾沁的單位面積防風(fēng)固沙量最高,可達(dá)12.51 kg/m2,其次為渾善達(dá)克(11.49 kg/m2)、陰山(7.61 kg/m2)、呼倫貝爾(4.86 kg/m2)、塔里木(2.17 kg/m2),阿爾金的單位面積防風(fēng)固沙量最低,為1.72 kg/m2。2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙總量為5.55×1012kg,平均單位面積防風(fēng)固沙量為6.72 kg/m2。從空間分布來看(圖3),科爾沁南部、渾善達(dá)克中部和西北部、陰山中部的單位面積防風(fēng)固沙量相對(duì)較高,塔里木西南部、阿爾金南部、呼倫貝爾的單位面積防風(fēng)固沙量相對(duì)較低。劉璐璐等[6]基于RWEQ模型計(jì)算得到2000—2010、2010—2015年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)年均防風(fēng)固沙總量分別為12.52×1012kg、9.19×1012kg,年均單位面積防風(fēng)固沙量為4.52 kg/m2、3.32 kg/m2。黃麟等[7]基于RWEQ模型計(jì)算得到2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)平均單位面積防風(fēng)固沙量為7.35 kg/m2,陰山、渾善達(dá)克、科爾沁的單位面積防風(fēng)固沙量相對(duì)較高,分別為12.49 kg/m2、12.23 kg/m2、11.69 kg/m2,呼倫貝爾、阿爾金、塔里木的單位面積防風(fēng)固沙量相對(duì)較低,分別為5.17 kg/m2、2.10 kg/m2、0.38 kg/m2。雖然防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的劃分范圍因數(shù)據(jù)源和年限的不同有所差異,但是本研究的防風(fēng)固沙量評(píng)估結(jié)果介于以上兩者之間,具有可比性。

2.2 防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)空間流動(dòng)路徑分析

2010年各防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的代表站點(diǎn)均有1460條每六小時(shí)的風(fēng)速觀測(cè)記錄,渾善達(dá)克、呼倫貝爾、塔里木、陰山、科爾沁、阿爾金分別有194、183、141、109、73、55條風(fēng)速記錄超過當(dāng)?shù)仄鹕筹L(fēng)速,分別對(duì)應(yīng)194、183、141、109、73、55條防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑(圖4)。從防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑的空間分布來看,塔里木和阿爾金的流動(dòng)路徑屬于西北路徑和偏西路徑,西北路徑部分隨西北風(fēng)向東南方向移動(dòng),后隨氣旋收縮北上轉(zhuǎn)向東北方向移動(dòng),偏西路徑則主要向偏東方向移動(dòng)[47],兩者主要流經(jīng)中國(guó)境內(nèi)地區(qū),包括中國(guó)西北、華北、東北的小部分地區(qū),在境外主要涉及俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)、朝鮮半島、日本等地。陰山、渾善達(dá)克、科爾沁、呼倫貝爾的防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑方向相似,均屬于偏北路徑,一般起源于蒙古國(guó)烏蘭巴托以南的廣大地區(qū),主要影響西北地區(qū)東部、華北和東北的大部分區(qū)域[47],其跨境效應(yīng)明顯,境外主要流經(jīng)朝鮮半島、日本、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū),甚至?xí)绊懙矫绹?guó)阿拉斯加和菲律賓等東南亞地區(qū)。渾善達(dá)克、呼倫貝爾的路徑分布密度相對(duì)較高?；诟鱾€(gè)功能區(qū)防風(fēng)固服務(wù)流動(dòng)路徑的空間疊加得到防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑(圖4),共有755條。整體來看,路徑集中分布在中國(guó)的西北、華北、東北的廣大區(qū)域,境外主要涉及朝鮮半島、日本、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)和北太平洋的廣大海域,路徑密度隨著下風(fēng)向傳輸距離的增加而降低。

2.3 防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)受益區(qū)識(shí)別

根據(jù)防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑的空間插值得到2010年各重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的受益區(qū)范圍及路徑分布頻率(圖5)。從各個(gè)功能區(qū)來看,2010年呼倫貝爾的受益區(qū)面積最大,高達(dá)15.71×106km2,其次為渾善達(dá)克(15.66×106km2)、科爾沁(13.25×106km2)、陰山(11.50×106km2)、塔里木(8.64×106km2),阿爾金的受益區(qū)面積最小,為6.18×106km2。其中中國(guó)境內(nèi)受益區(qū)占比最大的為阿爾金,占阿爾金受益區(qū)總面積的76.14%,其次為塔里木(57.05%)、陰山(33.10%)、渾善達(dá)克(20.74%)、科爾沁(15.68%)、呼倫貝爾(15.41%)。境內(nèi)受益區(qū)總面積最大的為塔里木,占中國(guó)總面積的51.37%,其次為阿爾金(49.00%)、陰山(39.66%)、渾善達(dá)克(33.82%)、呼倫貝爾(25.21%)、科爾沁(21.65%)。從防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑的分布頻率來看,各個(gè)功能區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑集中分布在路徑分布頻率低于2%的受益區(qū)內(nèi)(表2)。防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑越密集,受益的防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)效應(yīng)就越高。從防風(fēng)固沙服務(wù)受益高頻區(qū)域的空間分布來看(圖5),塔里木的主要位于新疆西南部地區(qū),阿爾金的主要位于新疆東南部、青海西北部地區(qū),陰山的主要位于陰山東北部地區(qū),包括內(nèi)蒙古中部、京津冀地區(qū)西南部、山西北部,渾善達(dá)克的主要位于渾善達(dá)克東北部地區(qū)、遼寧與吉林西部地區(qū),科爾沁的主要位于科爾沁沙地東南部與吉林、遼寧的邊界地區(qū),呼倫貝爾的集中在內(nèi)蒙古東北部地區(qū)、吉林西部、黑龍江西南部。綜合來看,各功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)受益區(qū)范圍內(nèi)的受益頻率均呈現(xiàn)明顯的圈層狀遞減特征。將各個(gè)功能區(qū)的受益區(qū)范圍進(jìn)行疊加,得到防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)的受益區(qū)范圍(圖5),總面積為32.16×106km2,86.26%的受益區(qū)范圍內(nèi)的受益頻率低于2%。受益高頻地區(qū)主要位于新疆西南部、內(nèi)蒙古中部地區(qū)、京津冀、東北地區(qū)西部、山西北部地區(qū),并以此為中心呈圈層狀遞減。

表2 2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)受益區(qū)路徑分布頻率統(tǒng)計(jì)/(106km2)

Table 2 The areas of the service beneficiary areas (SBAs) of the wind erosion prevention service (WEP) by the ecosystems in the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type (NKEFZ-WSF) in China in 2010 analyzed by frequency of trajectories

防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑分布頻率Frequency of flow paths各防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)受益區(qū)面積Areas of the SBAs of the WEP of each NKEFZ-WSF in ChinaTLMAEJYSHSDKKEQHLBR防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)受益區(qū)面積Areas of the SBAs of the WEP of the entire NKEFZ-WSF in China<2%5.80 3.16 7.71 10.41 7.23 10.97 27.74 2%—5%1.92 1.23 2.20 3.49 3.94 3.13 3.29 5%—10%0.50 1.09 0.95 1.26 1.75 1.07 0.99 10%—20%0.31 0.48 0.44 0.42 0.28 0.42 0.12 20%—30%0.06 0.11 0.13 0.05 0.03 0.07 0.03 ≥30%0.06 0.11 0.07 0.03 0.04 0.05 0.00 總面積Total area8.64 6.18 11.50 15.66 13.25 15.71 32.16

防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)代碼說明：TLM：塔里木河荒漠化防治生態(tài)功能區(qū);AEJ：阿爾金草原荒漠化防治生態(tài)功能區(qū);YS：陰山北麓草原生態(tài)功能區(qū);HSDK：渾善達(dá)克沙漠化防治生態(tài)功能區(qū);KEQ：科爾沁草原生態(tài)功能區(qū);HLBR：呼倫貝爾草原草甸生態(tài)功能區(qū)

圖5 2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)受益區(qū)分布Fig.5 Service beneficiary areas of the wind erosion prevention service by the ecosystems in the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type in China in 2010

綜合受益區(qū)范圍內(nèi)的防風(fēng)固沙服務(wù)受益頻率,海域及中國(guó)境外受益區(qū)的受益頻率較低,防風(fēng)固沙服務(wù)的流動(dòng)效應(yīng)不明顯,因此本研究?jī)H對(duì)中國(guó)境內(nèi)陸地部分受益區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行分析。2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的境內(nèi)受益面積為7.76×106km2,受益草地的占比最大,占境內(nèi)受益區(qū)總面積的31.12%,占中國(guó)草地總面積的80.30%,主要位于防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑分布頻率低于0.5%的受益區(qū)范圍內(nèi)(表3),基本涵蓋了全國(guó)主要的草地分布區(qū),包括內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原和錫林郭勒草原、新疆伊犁草原、西藏那曲高寒草原(圖6)。其次為未利用地,占境內(nèi)受益區(qū)總面積的23.24%,占中國(guó)未利用地總面積的93.96%,主要位于西北荒漠區(qū)(圖6)。大部分受益荒漠的路徑經(jīng)過頻率介于0.5%至1%(表3),防風(fēng)固沙服務(wù)的存在能夠降低沙塵流動(dòng)路徑經(jīng)過荒漠區(qū)的頻率,從而減少荒漠區(qū)沙塵的擴(kuò)散。受益耕地和林地的面積相當(dāng),分別占境內(nèi)受益區(qū)總面積的19.73%、19.59%,分別占中國(guó)耕地和林地總面積的85.40%、67.48%。受益耕地主要位于路徑分布頻率在2%—5%的受益區(qū)范圍內(nèi),包括華北平原、東北平原、湖北的江漢平原、湖南的洞庭湖平原(圖6),涉及全國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)。受益林地主要位于路徑分布頻率低于0.5%的受益區(qū)范圍內(nèi)(表3),涉及我國(guó)東北地區(qū)、東南地區(qū)的主要林區(qū)(圖6)。受益水體和濕地的面積占境內(nèi)受益區(qū)總面積的3.97%,占全國(guó)水體和濕地總面積的85.96%,主要位于路徑分布頻率低于0.5%的受益區(qū)范圍內(nèi)(表3),涉及黃河、長(zhǎng)江中下游水系、多數(shù)內(nèi)陸湖泊等(圖6)。受益的建設(shè)用地雖然僅占境內(nèi)受益區(qū)總面積的2.36%,但是占中國(guó)建設(shè)用地總面積的92.21%,主要位于路徑分布頻率介于2%和5%的受益區(qū)內(nèi)(表3),基本涵蓋了全國(guó)主要的城市群(圖6)。由于建設(shè)用地承載著人類主要的生活、生產(chǎn)活動(dòng),該部分受益區(qū)對(duì)保障人類福祉具有重要意義,雖然在受益區(qū)中占比較小,但是受益的效益最為顯著。

圖6 2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)受益土地覆被類型分布Fig.6 Spatial distribution pattern of the benefiting land cover of the wind erosion prevention service by the ecosystems in the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type in China in 2010

3 結(jié)論

本研究分析了轉(zhuǎn)移支付前(2010年)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙量的空間格局,從沙塵傳輸路徑的角度識(shí)別出各個(gè)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑與受益區(qū)范圍,進(jìn)而得到整個(gè)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑、受益區(qū)范圍、受益的土地覆被類型,防風(fēng)固沙服務(wù)功能效應(yīng)通過流動(dòng)路徑在受益區(qū)內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。主要結(jié)論如下：(1)2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙總量為5.55×1012kg,其中渾善達(dá)克的防風(fēng)固沙總量最高,占34.36%。平均單位面積防風(fēng)固沙量為6.72 kg/m2,其中科爾沁的單位面積防風(fēng)固沙量最高,為12.51 kg/m2。(2)2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)共有755條防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)路徑,主要流經(jīng)中國(guó)的西北、華北、東北的廣大區(qū)域,朝鮮半島,日本,俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)和北太平洋的廣大海域,路徑密度隨著下風(fēng)向傳輸距離的增加而降低。(3)2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)的受益區(qū)面積為32.16×106km2,大部分受益區(qū)的受益頻率均低于2%,受益高頻地區(qū)主要位于新疆西南部、內(nèi)蒙古中部地區(qū)、京津冀、東北地區(qū)西部、山西北部地區(qū),并以此為中心呈圈層狀遞減。(4)2010年防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)的境內(nèi)受益區(qū)面積為7.76×106km2,其中草地占比最大,其次為未利用地、耕地、林地,水體和濕地、建設(shè)用地的占比較小,但是受益建設(shè)用地占中國(guó)建設(shè)用地總面積的比例最高,高達(dá)93.96%,基本涵蓋了中國(guó)主要的城市群區(qū)域,防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)效益明顯。本研究能夠?yàn)榉里L(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的區(qū)域間生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)核算提供科學(xué)依據(jù),對(duì)健全防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制、彌補(bǔ)轉(zhuǎn)移支付政策的不足具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 討論

本研究明確了防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)的受益區(qū)范圍,主要位于東部經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的地區(qū),防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)為保障這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有貢獻(xiàn)作用。防風(fēng)固沙服務(wù)的維持與提升涉及防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的多項(xiàng)生態(tài)保護(hù)政策,但是主要集中在國(guó)家政府的縱向生態(tài)補(bǔ)償,區(qū)域間生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制缺乏。因此本研究中受益區(qū)范圍的確定有助于明確補(bǔ)償主體,制定區(qū)域間生態(tài)補(bǔ)償政策,彌補(bǔ)功能區(qū)中農(nóng)牧民為保護(hù)植被、增強(qiáng)防風(fēng)固沙服務(wù)而犧牲的發(fā)展機(jī)會(huì)成本,完善我國(guó)的生態(tài)補(bǔ)償制度。但是,本研究仍然存在一些不確定性和限制因素。(1)防風(fēng)固沙服務(wù)量的計(jì)算中：沒有考慮不同土壤類型臨界起沙風(fēng)速的差異；由于數(shù)據(jù)限制,風(fēng)力因子計(jì)算使用的風(fēng)速數(shù)據(jù)為月均尺度,“平滑化效應(yīng)”導(dǎo)致防風(fēng)固沙量的估算結(jié)果偏小[48]；地表糙度因子計(jì)算過程中忽略了地勢(shì)起伏變化的尺度效應(yīng)。(2)起沙機(jī)制的簡(jiǎn)化：假定只要在風(fēng)速大于等于臨界起沙風(fēng)速的條件下,有充足的沙源可供流動(dòng)。然而沙塵的傳輸需要同時(shí)滿足以下三個(gè)條件：充足的沙源、強(qiáng)風(fēng)和大氣的不穩(wěn)定。沙塵的擴(kuò)散機(jī)制復(fù)雜,不同粒徑的沙粒在傳輸過程中沉降的先后順序與多種因素有關(guān),且沙塵的擴(kuò)散與季節(jié)關(guān)系密切,不同季節(jié)的植被覆蓋度、土壤濕度等影響起沙的條件差異顯著,本研究均未作考慮。(3)氣象數(shù)據(jù)的空間異質(zhì)性：由于數(shù)據(jù)的限制,采用距離各個(gè)防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)中心點(diǎn)最近的氣象站風(fēng)速數(shù)據(jù)模擬各防風(fēng)固沙型重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的氣流運(yùn)動(dòng),沒有考慮氣象數(shù)據(jù)的空間異質(zhì)性,從而影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。今后的研究中應(yīng)結(jié)合實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù),提高防風(fēng)固沙量的時(shí)空模擬精度,將沙塵流動(dòng)過程的沉降、傳輸量計(jì)算與防風(fēng)固沙量相結(jié)合,明確防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)的物質(zhì)流過程,進(jìn)一步建立防風(fēng)固沙服務(wù)供給區(qū)與受益區(qū)之間服務(wù)流動(dòng)的時(shí)空定量關(guān)系。同時(shí),結(jié)合防風(fēng)固沙服務(wù)的價(jià)值核算,確定防風(fēng)固沙服務(wù)流動(dòng)的價(jià)值流過程,建立防風(fēng)固沙服務(wù)價(jià)值流與區(qū)域間生態(tài)補(bǔ)償之間的時(shí)空定量關(guān)系,為防風(fēng)固沙服務(wù)的區(qū)域間生態(tài)補(bǔ)償提供更為直接的科學(xué)依據(jù)。