塞罕壩生態(tài)模式的效用及其推廣研究

南京信息工程大學(xué) 竇晗

一、引言

塞罕壩人工林場(chǎng)的建造和維護(hù)，有利于改善當(dāng)?shù)丶爸苓叺纳鷳B(tài)環(huán)境，尤其為減輕京津冀地區(qū)沙塵暴、霧霾等天氣現(xiàn)象的發(fā)生起到了至關(guān)重要的作用。

人工造林是我國(guó)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要手段，對(duì)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展及碳排放總量的控制有著重要意義。在“雙碳”計(jì)劃的背景下，探究塞罕壩的效用并模擬塞罕壩生態(tài)模式的推廣，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作具有極大的指導(dǎo)意義。

二、區(qū)域生態(tài)環(huán)境指標(biāo)體系

《中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，某區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)應(yīng)從水環(huán)境、大氣環(huán)境、土壤環(huán)境、聲環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等方面著手[1]。塞罕壩的聲環(huán)境在其修復(fù)前后無(wú)明顯變化，且均處于達(dá)標(biāo)水平。因此，文章使用大氣環(huán)境、水土環(huán)境、生物物種環(huán)境作為評(píng)估塞罕壩生態(tài)環(huán)境的主要指標(biāo)（二級(jí)指標(biāo)）。這3個(gè)指標(biāo)允許進(jìn)一步細(xì)化，擴(kuò)展至10個(gè)具體指標(biāo)（三級(jí)指標(biāo)）：溫度、露點(diǎn)溫度、空氣質(zhì)量指數(shù)AQI、氧氣含量、二氧化碳含量、涵養(yǎng)水量、土壤酸堿度、森林覆蓋率、林木蓄積、區(qū)域物種多樣性。

選取1952年至2021年塞罕壩的相關(guān)數(shù)據(jù)[2-5]，進(jìn)行正向化和標(biāo)準(zhǔn)化處理后，通過熵權(quán)法確定10個(gè)三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，通過客觀賦值法確定3個(gè)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。其中，部分?jǐn)?shù)據(jù)難以精確至塞罕壩區(qū)域，以圍場(chǎng)縣數(shù)據(jù)代替。

最終，將各指標(biāo)按權(quán)重綜合為塞罕壩生態(tài)環(huán)境指數(shù)Z1。該指標(biāo)值越大，表示塞罕壩的生態(tài)環(huán)境越優(yōu)良，反之越惡劣。塞罕壩修復(fù)前后，其生態(tài)環(huán)境指數(shù)Z1隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖1所示。

三、塞罕壩對(duì)京津冀地區(qū)抗沙塵暴的影響

京津冀地區(qū)的抗沙塵暴能力可通過沙塵暴天氣發(fā)生的次數(shù)直觀反映，也可通過城市綠化覆蓋率、粉塵排放量、降水情況等間接反映。因此，定義從現(xiàn)實(shí)能力和潛在能力兩個(gè)角度探究京津冀的抗沙塵暴能力。

（一）沙塵暴指數(shù)

1.現(xiàn)實(shí)能力

沙塵暴天氣依據(jù)強(qiáng)度由高到低依次為沙塵暴、揚(yáng)沙和浮塵[6]，將三者發(fā)生的次數(shù)按權(quán)重綜合為風(fēng)沙指數(shù)：

其中，S為風(fēng)沙指數(shù)，即結(jié)合了強(qiáng)度因素的沙塵暴天氣發(fā)生的綜合次數(shù)，S值越大，表示京津冀的風(fēng)沙天氣狀況越嚴(yán)重，即抗沙塵暴能力相對(duì)越弱。S1、S2、S3依次為沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵天氣發(fā)生的次數(shù)。w1:w2:w3=3:2:1，依次為3種強(qiáng)度沙塵暴天氣現(xiàn)象的權(quán)重值。

2.潛在能力

考慮京津冀地區(qū)汽車逐年增多、干旱少雨、常見大規(guī)?；ㄊ┕さ鹊牡赜蛱攸c(diǎn)，以及其為環(huán)境保護(hù)實(shí)施的城市綠化措施，該地區(qū)的粉塵排放量越低、降水量越大、城市綠化率越高，表示其抗沙塵暴能力相對(duì)越強(qiáng)。

對(duì)上述4項(xiàng)指標(biāo)：風(fēng)沙指數(shù)、粉塵排放量、降水量、城市綠化率進(jìn)行正向化和標(biāo)準(zhǔn)化處理后，使用熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重，按權(quán)重綜合為京津冀抗沙塵暴指數(shù)。選取1952年至2021年京津冀地區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)[4-5]進(jìn)行計(jì)算，得到逐年的抗沙塵暴指數(shù)如圖1所示。

圖1 塞罕壩生態(tài)環(huán)境指數(shù)與京津冀地區(qū)沙塵暴指數(shù)隨時(shí)間的變化曲線圖

（二）塞罕壩與京津冀沙塵暴間的關(guān)系

計(jì)算塞罕壩的三級(jí)生態(tài)指數(shù)分別與京津冀抗沙塵暴指數(shù)之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，如表1所示。可知，二氧化碳含量和森林覆蓋率與抗沙塵暴指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)大于0.95，同時(shí)，超過三分之二的生態(tài)指標(biāo)與抗沙塵暴指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)大于0.8。綜合而言，塞罕壩的生態(tài)環(huán)境狀況與京津冀地區(qū)的抗沙塵暴能力之間的相關(guān)性很強(qiáng)，塞罕壩人工林場(chǎng)對(duì)京津冀沙塵暴天氣狀況的改善具有重要影響。分析其中的緣由，塞罕壩的建立調(diào)節(jié)了其周邊區(qū)域的氣象狀態(tài)，直接影響了碳循環(huán)和水循環(huán)，進(jìn)而對(duì)降水格局做出了調(diào)整，使得京津冀的降水量增大，風(fēng)沙天氣狀況得以改善。同時(shí)，北京以北直線距離不足200公里的內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地是京津冀地區(qū)沙塵暴的重要來源地之一，若無(wú)阻擋，來自西伯利亞的北風(fēng)將攜沙塵大舉南下[7]。而塞罕壩位于北京與渾善達(dá)克沙地之間，其中茂密高聳的森林筑起了一道綠色屏障，風(fēng)沙得以有效攔截。

表1 塞罕壩生態(tài)指標(biāo)與京津冀地區(qū)沙塵暴指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)

四、我國(guó)部分省市自治區(qū)生態(tài)區(qū)建設(shè)

（一）生態(tài)環(huán)境指數(shù)

近年來，我國(guó)的生態(tài)工作更加注重于對(duì)森林覆蓋率、PM2.5、人均水資源占有量的監(jiān)測(cè)。與塞罕壩生態(tài)環(huán)境指數(shù)的求解類似，使用上述3個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)[5][8]計(jì)算2021年我國(guó)部分省市自治區(qū)的生態(tài)環(huán)境指數(shù)Z2。

A：香港的地方小、人工成本高、廠房租金高，對(duì)于想要擴(kuò)大規(guī)模的企業(yè)來說，可謂進(jìn)退兩難。改革開放為眾多香港企業(yè)提供的最大助力是，發(fā)展空間。在內(nèi)地，地租便宜，人工成本也相對(duì)較低。如果不來內(nèi)地，我們不可能發(fā)展如此快。相輔相成，我們這些首批進(jìn)入東莞的香港企業(yè)，帶來了先進(jìn)的管理理念、技術(shù)，這也為內(nèi)地印刷業(yè)培養(yǎng)了很多人才。大家一起默默耕耘，為行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)了一份力量。

（二）生態(tài)異常省份

中國(guó)整體的生態(tài)環(huán)境狀況較穩(wěn)定，以此為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，偏離程度大者意味著生態(tài)處于異常狀態(tài)，設(shè)定生態(tài)異常臨界值如下：

其中，EIab為生態(tài)異常臨界值，μ(Z2)2021為2021年我國(guó)部分省份生態(tài)環(huán)境指數(shù)均值，σ(Z2)2021為2021年我國(guó)生態(tài)環(huán)境指數(shù)的一倍標(biāo)準(zhǔn)差。若某省2021年的生態(tài)環(huán)境指數(shù)小于臨界值，即認(rèn)為該省份生態(tài)狀況異常，需要考慮建造生態(tài)區(qū)。

（三）具體建造計(jì)劃

生態(tài)狀況呈現(xiàn)異常的省份，可以認(rèn)為其在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面已有的措施效果較弱。為其建立生態(tài)區(qū)后，生態(tài)區(qū)發(fā)揮的作用可作為今后該省生態(tài)發(fā)展的主要影響因素。因此做出假設(shè)，先忽略其他因素的影響，只考慮生態(tài)區(qū)的引入對(duì)該省份生態(tài)環(huán)境指數(shù)變化的影響。

使用2021年及之前的塞罕壩生態(tài)環(huán)境指數(shù)Z1與時(shí)間t進(jìn)行l(wèi)ogistics回歸擬合，得到二者的函數(shù)關(guān)系f(Z1,t)，并用此函數(shù)關(guān)系預(yù)測(cè)未來10年塞罕壩的生態(tài)環(huán)境指數(shù)。

對(duì)于不同的省份，它們的經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)區(qū)的制約不同，生態(tài)區(qū)的作用可發(fā)揮的程度不同。同時(shí)，不同省份現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境狀況基礎(chǔ)也不同。若要達(dá)到相同的生態(tài)環(huán)境目標(biāo)，可以作出如下推導(dǎo)：

其中，Y為某省某年（建造生態(tài)區(qū)后）的生態(tài)環(huán)境指數(shù)，Y0為該省于2021年（未建造生態(tài)區(qū)時(shí)）的生態(tài)環(huán)境指數(shù)，N為需要建造同塞罕壩生態(tài)模式與規(guī)模相同的生態(tài)區(qū)的個(gè)數(shù)，y’為一個(gè)生態(tài)區(qū)對(duì)該省生態(tài)環(huán)境指數(shù)的變化帶來的作用，Z1滿足關(guān)系f(Z1,t)。系數(shù)b的值由省份的經(jīng)濟(jì)、工業(yè)發(fā)展等因素決定，表征生態(tài)區(qū)的作用可發(fā)揮的程度大小，例如，某省份經(jīng)濟(jì)發(fā)展越強(qiáng)，生態(tài)區(qū)受到的制約越大，則b越小，表明建造生態(tài)區(qū)可帶來的生態(tài)環(huán)境改善效果越弱。

根據(jù)引入塞罕壩生態(tài)模式并建造生態(tài)區(qū)的最初目的，可作出計(jì)劃：在理想情況下，自2021年起，以9年為限，生態(tài)異常省份的生態(tài)環(huán)境指數(shù)達(dá)到2021年我國(guó)生態(tài)環(huán)境指數(shù)均值μ(Z2)2021。據(jù)此計(jì)劃，總計(jì)至少需要建造35個(gè)生態(tài)區(qū)。

五、對(duì)碳達(dá)峰的影響

（一）引入生態(tài)區(qū)的影響

根據(jù)“雙碳”計(jì)劃，中國(guó)預(yù)計(jì)在2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，且實(shí)現(xiàn)的時(shí)間越早，越有利于未來實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[9]。

可以認(rèn)為，2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的同時(shí)，我國(guó)整體生態(tài)環(huán)境指數(shù)也達(dá)到一個(gè)局部極值。在進(jìn)行預(yù)測(cè)工作時(shí)，選用2030年生態(tài)環(huán)境指數(shù)達(dá)到極值代替碳排放量達(dá)到峰值作為前提基準(zhǔn)，再變動(dòng)碳排放量峰值年份，保證經(jīng)濟(jì)受到的影響在相較之下更小，加速生態(tài)環(huán)境發(fā)展時(shí)各方因素的平衡受到的破壞也更小。

為了探究生態(tài)區(qū)的建造為碳排放量帶來的影響，假設(shè)除建造生態(tài)區(qū)的省份外，其他省份的生態(tài)環(huán)境狀況始終保持在2021年的水平。

我國(guó)整體生態(tài)環(huán)境指數(shù)隨時(shí)間的變化受到生態(tài)區(qū)帶來的影響，因此有：

其中，Yall為某年（建造生態(tài)區(qū)后）我國(guó)整體的生態(tài)環(huán)境指數(shù)，Yall0為2021年的我國(guó)生態(tài)環(huán)境指數(shù)初值，Zall’為2021年考慮建造的所有生態(tài)區(qū)共同對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境指數(shù)的變化帶來的影響，b1,b2,...,bn和 N1,N2,...,Nn分別依次對(duì)應(yīng)生態(tài)異常的省份。

同樣的，碳排放量隨時(shí)間的變化也受到生態(tài)區(qū)建造帶來的影響：

其中，Wall為某年（建造生態(tài)區(qū)后）我國(guó)整體的碳排放量，Wall0為2021年的我國(guó)碳排放量初值，k表示理想貢獻(xiàn)Zall’在碳排放量方面的實(shí)際效用權(quán)重。

（二）碳達(dá)峰年份的變化

假設(shè)無(wú)論是否建設(shè)生態(tài)區(qū)，生態(tài)環(huán)境指數(shù)Zall均在2030年達(dá)到峰值，此假定已在前文作出解釋。利用式（4）計(jì)算生態(tài)區(qū)建設(shè)后2030年的生態(tài)環(huán)境指數(shù)值，再通過關(guān)系f(Zall,C)計(jì)算該值對(duì)應(yīng)的碳排放量值，則可通過式（5）計(jì)算得到此時(shí)的碳排放量峰值對(duì)應(yīng)的年份。建造生態(tài)區(qū)后，相比未建造生態(tài)區(qū)時(shí)，我國(guó)的碳排放量達(dá)到峰值的年份提前了2.5年，該峰值也有所降低。

六、結(jié)論與討論

環(huán)境保護(hù)是21世紀(jì)的主題，是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策。適地人工造林、劃分自然保護(hù)區(qū)、南水北調(diào)等工程，是我國(guó)在實(shí)現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中探索出的一條條成功之路。這些措施帶來的效果有目共睹，且其具備的生態(tài)改善潛力是巨大的。如何從已有成效的生態(tài)環(huán)境改善措施中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、發(fā)掘模式，并進(jìn)一步推廣至其他區(qū)域，是我國(guó)現(xiàn)階段生態(tài)環(huán)境發(fā)展工作的重要內(nèi)容。

文章通過探究歷年來塞罕壩生態(tài)指數(shù)與京津冀地區(qū)抗沙塵暴指數(shù)之間的關(guān)系，說明塞罕壩對(duì)京津冀沙塵暴天氣狀況的改善具有重要作用。同時(shí)，界定區(qū)域生態(tài)異常的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算生態(tài)異常省份需要建造的生態(tài)區(qū)規(guī)模，據(jù)此，為這些省份提供了生態(tài)環(huán)境治理力度的參考。進(jìn)一步模擬建造生態(tài)區(qū)后我國(guó)碳排放量的變化，探究塞罕壩生態(tài)模式在部分省市自治區(qū)的推廣對(duì)我國(guó)“碳達(dá)峰”計(jì)劃的推動(dòng)作用。

人工造林等生態(tài)改善措施的意義已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出環(huán)境保護(hù)的意義。文章中考慮了經(jīng)濟(jì)、工業(yè)狀況對(duì)生態(tài)區(qū)功能的制約作用，以及“碳達(dá)峰”年份提前對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)帶來的影響，則對(duì)于經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，可以有進(jìn)一步的思考：經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)往往因?yàn)樵诠I(yè)發(fā)展、建設(shè)過程中不可避免的“環(huán)境消耗”，面臨著生態(tài)環(huán)境日益惡化的問題；經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)則面臨著可依托當(dāng)?shù)亓己玫纳鷳B(tài)環(huán)境資源實(shí)現(xiàn)超越式經(jīng)濟(jì)發(fā)展的機(jī)遇[11]。

今后，隨著生態(tài)環(huán)境治理工作的逐步完善，治理方案將更加全面并具有針對(duì)性。生態(tài)區(qū)的建設(shè)和維護(hù)為經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的共同發(fā)展提供了一個(gè)可操作的模式，若能因地制宜地規(guī)劃生態(tài)區(qū)建造方案，我國(guó)的生態(tài)環(huán)境有望得到更有效的保護(hù)。