基于“源-匯”理論和生態(tài)阻力面(UEER)模型的新疆和田地區(qū)沙源擴散路徑

漢瑞英，趙志平，肖能文，史娜娜，張風春，高曉奇，劉高慧

(中國環(huán)境科學研究院，北京 100012)

0 引 言

被喻為“地球癌癥”的荒漠化是當今世界關(guān)注的十大環(huán)境問題之一[1-2]，中國的荒漠化形勢十分嚴峻[3]。根據(jù)第五次全國荒漠化和沙化土地監(jiān)測結(jié)果，全國荒漠化面積為261.2×104km2，占國土面積的27.2%。1992年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會后，根據(jù)聯(lián)合國決議，部分國家政府形成《聯(lián)合國關(guān)于在發(fā)生嚴重干旱和/或荒漠化的國家特別是在非洲防治荒漠化的公約》(簡稱《聯(lián)合國防治荒漠化公約》)。中國作為第一批簽署該公約的國家之一，非常重視荒漠化的防治。黨的十九大報告亦明確提出“開展國土綠化行動，推進荒漠化、石漠化、水土流失綜合治理”[4]。土地沙化是中國西北地區(qū)荒漠化的主要類型之一[5]。

目前國內(nèi)外學者針對沙化動態(tài)變化、沙化風險評估進行了大量研究工作。早期的沙化動態(tài)變化研究僅僅是進行局地沙化監(jiān)測[6]。近年來隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)[7]和沙丘活動指數(shù)[8-9]被廣泛應(yīng)用于土地沙化動態(tài)變化研究中。沙化風險研究多采用選取的沙漠化敏感性指標進行分級評價[10-11]，并基于評價結(jié)果來指示區(qū)域環(huán)境質(zhì)量，因此,識別沙源區(qū)域?qū)τ谏郴芯渴种匾ayegan等利用陸地衛(wèi)星Landsat8遙感數(shù)據(jù)得到植被覆蓋、土壤水分和土地利用風侵敏感性圖，進而獲取沙源地潛在空間分布[12]。伊塔娜通過對比分析3期TM遙感影像，提取內(nèi)蒙古烏梁素海地區(qū)土地沙化信息[13]。侯閣通過對1984～2013年NDVI遙感影像分析，并結(jié)合景觀指數(shù)分析方法，探究了羌塘地區(qū)高寒草地沙化的時空動態(tài)變化[14]。但上述研究都沒有分析沙源擴散路徑，無法揭示沙化動態(tài)變化趨勢，目前國內(nèi)外仍缺乏大尺度沙源擴散路徑的相關(guān)研究。

為了更好地揭示宏觀尺度沙源擴散變化，本文應(yīng)用“源-匯”景觀生態(tài)學理論，將沙源擴散動態(tài)過程融入到靜態(tài)格局中。2006年，陳利頂?shù)仁状翁岢觥霸?匯”景觀生態(tài)學理論[15]?！霸础笔鞘挛锵蛲鈹U散的起點與物質(zhì)基礎(chǔ)，是能促進生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型[16]；“匯”是阻止延緩生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型[17-18]。目前，“源-匯”理論已廣泛應(yīng)用于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、環(huán)境風險評價、景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建等領(lǐng)域[19-21]。本文以新疆和田地區(qū)為研究對象，綜合考慮土壤風蝕、土壤類型、濕潤指數(shù)、土壤侵蝕等因子，通過生態(tài)阻力面(Urban Expansion Ecological Resistance，UEER)模型提取沙源地，利用ArcGIS10.2軟件Cost Distance工具提取研究區(qū)潛在沙源擴散路徑，同時采用重力模型篩選出沙源擴散的重要路徑，分析沙源變化擴散過程，厘清和田地區(qū)沙源擴散規(guī)律，識別沙源擴散節(jié)點，并提出在Ⅰ類沙源擴散節(jié)點建設(shè)綠洲防護區(qū)來阻礙沙源地的流動擴散，以期為沙源動態(tài)變化研究提供一種新的思路，并為區(qū)域沙化防治提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

和田地區(qū)位于新疆塔里木盆地西南部，地理坐標范圍為34°22′N～39°38′N和77°31′E～84°55′E，包含皮山縣、墨玉縣、和田縣、洛浦縣、策勒縣、于田縣、民豐縣及和田市(圖1)。研究區(qū)山勢起伏大，南依昆侖山和喀喇昆侖山，北臨塔克拉瑪干沙漠，大部分市縣處于被沙漠包圍和半包圍的狀態(tài)，是典型的內(nèi)陸干旱區(qū)。研究區(qū)位于中亞干旱區(qū)腹地，常年干旱少雨[22]，地表土質(zhì)疏松，流動沙丘不斷侵占綠洲、草地、耕地[23]。年降水量為28.9～47.1 mm，年潛在蒸發(fā)量為2 198～2 790 mm[24]，日照時數(shù)為2 470～3 000 h，光照充足，無霜凍期。在氣候變化和人類活動的雙重影響下，該地區(qū)土地沙化嚴重，生態(tài)安全受到威脅。

1.2 數(shù)據(jù)來源

圖1 新疆和田地區(qū)土地利用現(xiàn)狀Fig.1 Present Situation of Land Use in Hotan Area of Xinjiang

2016年土地利用數(shù)據(jù)(空間分辨率為30 m×30 m)和濕潤指數(shù)數(shù)據(jù)(空間分辨率為1 km×1 km)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心；NDVI遙感數(shù)據(jù)采用中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn)提供的2016年逐月數(shù)據(jù)，利用最大值合成法獲取年NDVI遙感數(shù)據(jù)(空間分辨率為500 m×500 m)；土壤濕度因子(2016年)、日均風速、降水、溫度和日照時數(shù)等來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)，用于計算風蝕因子；土壤類型和土壤理化性狀、雪覆蓋因子數(shù)據(jù)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(http:∥westdc.westgis.ac.cn)，分辨率為1 km。

2 分析方法

2.1 基于生態(tài)阻力面模型的沙源潛在擴散途徑模擬

最小阻力模型(Minimal Cumulative Resistance，MCR)被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)、保護地規(guī)劃等景觀格局分析以及生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等領(lǐng)域[25-29]。本文采用經(jīng)最小阻力模型改進后的生態(tài)阻力面模型，即引入不同等級源的相對阻力因子(K)[30]，以沙源地為“源”，以阻礙沙源擴散為“匯”，構(gòu)建適合于新疆和田地區(qū)的沙源擴散模擬模型。其表達式為

(1)

式中：FUEER表示沙源擴散最小生態(tài)累積阻力面值；f函數(shù)表示最小累積阻力與生態(tài)適宜性的負相關(guān)關(guān)系；min表示某景觀單元對不同的沙源取累積阻力最小值；Dij表示從源j到柵格單元i的空間距離；Ri表示柵格單元i對運動過程的阻力系數(shù)；Kj表示源j所屬等級的阻力因子，沙源風險等級越高，擴展能力越強，相對阻力因子就越小。

2.1.1 沙源地提取方法

研究區(qū)起沙風險評價綜合考慮區(qū)域土壤風蝕、土壤侵蝕、土壤類型、濕潤指數(shù)4個因子，基于經(jīng)典層次分析(AHP)法確定評價因子權(quán)重，通過Arc-GIS10.2軟件空間疊加運算生成起沙風險評價圖層，并采用自然斷點法將其分為低度、較低、中度、較高和高度5個擴散風險等級。根據(jù)風險等級劃分結(jié)果及區(qū)域生態(tài)狀況，提取高度風險等級區(qū)域作為沙源地。對確定權(quán)重的單因子進行一致性檢驗。當一致性比例(CR)小于0.1時，表示判斷矩陣一致性較好，反之則需要調(diào)整。其具體表達式為

(2)

(3)

式中：n為判斷矩陣階數(shù)；λmax為判斷矩陣特征值；RI為平均隨機一致性指標，當階數(shù)為4時，RI=0.94；CI為一致性指標。

(1)利用風蝕模型(RWEQ)開展土壤風蝕評估。風蝕模型充分考慮了氣候、土壤可蝕性、土壤結(jié)皮、地表粗糙度及植被覆蓋狀況等，其因子覆蓋全面。通過修正的風蝕方程計算多因素影響下的區(qū)域土壤轉(zhuǎn)運總量，可作為該區(qū)域的土壤風蝕量[31]。在理想數(shù)據(jù)情況下，風蝕模型能很好地完成對土壤侵蝕情況的預測，計算公式[32]為

Qmax=109.8WFEFSCFK′C

(4)

S=150.71(WFEFSCFK′C)-0.371

(5)

(6)

式中：Qmax表示風力的最大輸沙能力；WF表示氣象因子；EF表示土壤可蝕性因子；SCF表示土壤結(jié)皮因子；K′表示土壤糙度因子；C表示植被因子；S為關(guān)鍵地塊長度；SL為土壤損失量；X表示距上風向距離，本次計算取50 m。

土壤風蝕評估結(jié)果如圖2(a)所示。

氣象因子計算公式為

(7)

式中：WS2為2 m處風速；WSt為2 m處臨界風速(假定為5 m·s-1)；N為風速的觀測次數(shù)(一般為500次)；Nd為試驗的天數(shù)；ρ為空氣密度；g為重力加速度；SW為土壤濕度因子,無量綱；SD為雪覆蓋因子。

土壤可蝕性因子計算公式為

式中：Sa為土壤砂粒含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)；Si為土壤粉砂含量；Cl為黏土含量；OM為有機質(zhì)含量；w(CaCO3)為碳酸鈣含量。

土壤結(jié)皮因子計算公式為

(9)

式中：Cl為5.0%～39.3%;OM為0.32%～4.74%。

土壤糙度因子計算公式為

(10)

(11)

式中：Crr為隨機粗糙度，取值為0；Kr為地形粗糙長度；ΔH為距離L范圍內(nèi)的海拔高程差。

(2)土壤侵蝕評估。區(qū)域土地特征信息評價主要參考全國生態(tài)系統(tǒng)格局和全國1∶1 000 000數(shù)字化土壤圖中的數(shù)據(jù)，基于水利部發(fā)布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)[33]，將土壤侵蝕等級分類合并為輕度、中度、較強、強度與極強5個等級[圖2(b)]。

(3)土壤類型評估?；哪苯幼饔玫膶ο笫峭寥?，土壤類型不僅是土壤抗風蝕能力的綜合體現(xiàn)，而且是影響土地風蝕的重要因素[13]。不同類型的土壤及其母質(zhì)對于各種侵蝕營力的抵抗作用不同。根據(jù)研究區(qū)土壤類型，利用ArcGIS10.2軟件工具箱Reclassify功能，將不同類型的土壤劃分為5類[圖2(c)]起沙等級：林地、冰川和建設(shè)用地劃為不起風沙區(qū)；草甸土和灌淤土劃為不易起風沙區(qū)；石質(zhì)土和棕漠土劃為較易起風沙區(qū)；新積土和粗骨土劃為易起風沙區(qū)；風沙土劃為極易起風沙區(qū)。

(4)濕潤指數(shù)。濕潤指數(shù)適用于旬以上尺度干濕研究[34]，能很好地反映和田地區(qū)氣候干濕狀況變化特征[35][圖2(d)]。

區(qū)域環(huán)境因子和區(qū)域生態(tài)背景共同控制著沙源擴散，因此，確定各因子對沙源擴散的貢獻在沙源風沙擴散等級評價中尤其重要。應(yīng)用經(jīng)典層次分析法確定各指標權(quán)重(表1)，計算判斷矩陣一次性比例，得出CR=0.018，該值小于0.1，符合判斷矩陣一致性檢驗結(jié)果。

表1 判斷矩陣Tab.1 Judgement Matrix

2.1.2 生態(tài)阻力面構(gòu)建方法

考慮不同土地利用景觀類型的景觀阻力、植被覆蓋情況，經(jīng)專家打分確定不同生境斑塊的阻力大小(表2)。

（5）砼工程中砼標號分多種強度等級和不同的配合比，一般情況應(yīng)該把砼配合比單獨歸納到一章內(nèi)，套定額時，再根據(jù)不同標號在本章節(jié)中查找換算。但考慮到系統(tǒng)內(nèi)填寫檢修計劃委托書的是設(shè)備點檢員，定額編制組在編制砼澆筑子目時，直接將廠內(nèi)常用的強度等級混凝土按照不同標號編制在砼澆筑子目內(nèi)。這樣，使用者就不用選定子目后再進行查找、換算操作了。

圖2 土壤風蝕、土壤侵蝕、土壤類型和濕潤指數(shù)分級評價等級分布Fig.2 Grade Distributions for Grading Evaluation of Soil Drifting, Soil Erosion, Soil Type and Moisture Index

沙源擴散必須克服阻力。不同等級的沙源擴張能力不同，如沙漠腹地的沙源擴張速度明顯快于覆有灌叢、草地的沙源，風蝕模型考慮了沙源地等級?；贏rcGIS10.2軟件柵格計算工具，分別生成一級源地、二級源地、三級源地的生態(tài)阻力面，通過對3幅生態(tài)阻力面圖層進行疊加分析，計算各柵格單元的最小值，最終生成沙源擴散生態(tài)阻力面(圖3)。

2.2 基于重力模型的沙源重要擴散路徑提取

重力模型普遍應(yīng)用于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中重要生態(tài)廊道的提取[36-37]，生態(tài)廊道的重要性可用生態(tài)斑塊之間的相互作用力大小進行度量[38]。在已構(gòu)建的沙源擴散網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，基于重力模型計算出沙源斑塊之間相互作用力大小，結(jié)合沙源地等級，定量評價每條擴散路徑的相對重要程度。重力模型計算公式為

(12)

式中：Gab為斑塊a和斑塊b的相互作用力；Na、Nb分別表示斑塊a和斑塊b的權(quán)重值；Dab為斑塊a和斑塊b之間擴散路徑阻力的標準化值；Pa為斑塊a的阻力值；Pb為斑塊b的阻力值；Sa為斑塊a的面積；Sb為斑塊b的面積；Lab為斑塊a與斑塊b之間的生態(tài)廊道累積阻力值；Lmax為研究區(qū)所有擴散路徑阻力最大值。

基于ArcGIS10.2軟件空間提取工具計算沙源斑塊之間累積阻力值，采用重力模型計算沙源斑塊之間的相互作用力大小，選取相互作用力較大的沙源擴散路徑。

3 結(jié)果分析

3.1 沙源地劃定

表2 生態(tài)阻力面賦值及權(quán)重Tab.2 Values and Weights of Ecological Resistance Surface

圖3 沙源擴散生態(tài)阻力面Fig.3 Ecological Resistance Surface of Sand Source Diffusion

圖4 沙源擴散等級評價及沙源地分級圖Fig.4 Maps of Grading Evaluation of Sand Source Diffusion and Classification of Sand Source Area

3.2 提取沙源擴散路徑

基于沙源擴散生態(tài)阻力面和提取的沙源地，采用最小費用路徑法，生成沙源斑塊之間的沙源擴散路徑，得到和田地區(qū)最小生態(tài)功能耗費梯度數(shù)據(jù)，形成由多條沙源潛在擴散路徑組成的沙源擴散網(wǎng)絡(luò)。研究區(qū)共有128條沙源潛在擴散路徑[圖5(a)]，路徑密度較高的區(qū)域集中分布于和田地區(qū)西北部的墨玉縣、皮山縣、于田縣中部、民豐縣南部。于田縣到民豐縣沙源擴散阻力較大，擴散路徑僅兩條，主要是因為該區(qū)域的林地、草地阻礙了沙源擴散。對生成的沙源擴散路徑設(shè)置閾值，提取最小生態(tài)功能耗費路徑，剔除其中經(jīng)過同一斑塊的冗余路徑，最后生成斑塊間相互作用較強的最優(yōu)路徑，即沙源擴散重要路徑，共71條[圖5(b)]。

圖5 沙源擴散路徑空間分布Fig.5 Spatial Distributions of Diffusion Paths of Sand Sources

研究區(qū)西北部沙源擴散作用最強。該區(qū)域位于塔克拉瑪干沙漠腹地，沙丘植被稀少，沙源主要以流動沙丘為主。中部沙源等級較低，沙源擴散路徑較少，沙化主要是流沙侵蝕綠洲和耕地而形成，沙源擴散作用較弱。東南部沙源擴散作用較集中，主要沙化形式是流沙侵占裸土地、裸巖石地和稀疏草地。

3.3 沙源擴散節(jié)點識別

在構(gòu)建沙源擴散網(wǎng)絡(luò)時，除了面積較大的沙源斑塊，沙源擴散路徑之間的交點、路徑和最小阻力路徑的交點也是沙源擴散匯集的地方，即沙源擴散節(jié)點?；诤吞锏貐^(qū)沙源擴散的重要路徑識別，研究區(qū)沙源擴散節(jié)點共有48個(圖6)。為有效阻礙沙源在節(jié)點區(qū)域匯集，將沙源擴散節(jié)點劃分為Ⅰ類和Ⅱ類沙源擴散節(jié)點。Ⅰ類沙源擴散節(jié)點31個，主要分布在有植被覆蓋的綠洲、荒漠交錯區(qū)域，這些區(qū)域也是防沙治沙的關(guān)鍵區(qū)域；Ⅱ類沙源擴散節(jié)點17個，主要分布在沒有植被覆蓋的沙地或裸土地，沙源流動活躍。因此，建議將識別的31個Ⅰ類沙源擴散節(jié)點建設(shè)為綠洲防護區(qū)，可以阻礙沙源地之間的交流，防止沙漠對綠洲和農(nóng)田的侵蝕。

圖6 沙源擴散節(jié)點分布Fig.6 Distribution of Diffusion Nodes of Sand Sources

4 結(jié) 語

在綠色“一帶一路”建設(shè)背景下，荒漠化防治是保障絲綢之路生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展的重要措施[39]，沙源擴散路徑的識別可以為荒漠化防治提供有效方法。本文嘗試將“源-匯”景觀生態(tài)學理論應(yīng)用于沙源擴散過程，通過生態(tài)阻力面模型構(gòu)建新疆和田地區(qū)沙源擴散路徑，同時運用重力模型獲取沙源擴散的重要路徑，并識別沙源擴散節(jié)點，厘清了和田地區(qū)沙源擴散規(guī)律，將沙化動態(tài)過程融入到荒漠靜態(tài)景觀。不同于生態(tài)流的擴散，沙源擴散阻力較大的地區(qū)反而有利于生態(tài)流擴散，本文將提取的沙源地分級，在構(gòu)建阻力面時引入不同等級源地的相對阻力因子，綜合考慮土地利用、植被覆蓋和生態(tài)等重要性因素，最終生成沙源擴散生態(tài)阻力面。根據(jù)生態(tài)阻力面模型結(jié)果，一級源地擴散作用最強，二級源地次之，三級源地擴散作用最弱，但從荒漠化防治角度上看，三級源地主要分布在綠洲、荒漠交錯區(qū)域，是防沙治沙最關(guān)鍵的區(qū)域，而分布在沙漠腹地的沙源雖然流動多活躍，但不是防治沙化優(yōu)先區(qū)。

(1)和田地區(qū)一級源地占提取沙源總面積的73.57%，面積占比最大，集中分布在研究區(qū)西北部塔克拉瑪干沙漠腹地和民豐縣南部，是沙源擴散過程的主要“源”物質(zhì)；二級源地占沙源總面積的17.35%，主要分布在于田縣中部、皮山縣中部；三級源地占沙源總面積的9.07%，零星分散在綠洲、荒漠交錯區(qū)域，是沙化防治重點關(guān)注區(qū)域。

(2)和田地區(qū)西北部沙源擴散作用最強，東南部沙源擴散作用較集中，中部沙源等級較低，沙源擴散作用最弱。

(3)和田地區(qū)共有71條沙源擴散重要路徑，31個Ⅰ類沙源擴散節(jié)點，建議將其建設(shè)為綠洲防護區(qū)，可以阻礙沙源地之間的交流，防止沙漠對綠洲和農(nóng)田的侵蝕。

(4)沙源地阻力面的生成受諸多因素影響，很難準確量化。由于本研究數(shù)據(jù)的可獲得性，沙源擴散生態(tài)阻力面構(gòu)建未能考慮荒漠植被防風固沙能力、地表徑流量等因素，劃定的沙源地也沒有進行現(xiàn)場調(diào)研修正。下一步將在本研究基礎(chǔ)上進行沙源擴散生態(tài)阻力面的不可替代性評估，同時識別沙源類型，并基于不同類型的沙源地和沙源擴散路徑實施相應(yīng)的荒漠區(qū)域沙化防治措施。