遼西北地區(qū)防風(fēng)固沙輻射效應(yīng)空間差異研究

王 耕, 張紅玉

(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 遼寧 大連 116029)

風(fēng)域生態(tài)系統(tǒng)指以風(fēng)為傳播介質(zhì)所形成的生態(tài)單元，從發(fā)生學(xué)角度講，是以空氣為載體，以大氣運動作為物質(zhì)流傳播方式，形成的復(fù)雜的多功能區(qū)域綜合體[1]。風(fēng)域中，風(fēng)蝕產(chǎn)生的沙塵會隨風(fēng)運移，由于途經(jīng)各生態(tài)功能體數(shù)量或空間布局不合理，沙粒沒有有效截留，沙塵沿特定遷移路線在各個功能體上不斷累積，引發(fā)風(fēng)域下風(fēng)向城市沙塵暴問題，威脅城市生態(tài)安全，影響居民生活質(zhì)量。在風(fēng)沙源區(qū)，植被可以消減大風(fēng)對土壤表層顆粒吹揚，使范圍內(nèi)風(fēng)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與過程處于不受或少受破壞的狀態(tài)，同時避免或減少下風(fēng)向區(qū)域沙塵災(zāi)害發(fā)生[2]，這種輻射效應(yīng)使得防風(fēng)固沙功能可以在比其棲息地大得多的范圍內(nèi)產(chǎn)生經(jīng)濟價值[3]，所以分析防風(fēng)固沙功能的輻射效應(yīng)就顯得尤為重要。防風(fēng)固沙功能輻射范圍受風(fēng)速、土壤粒徑等因素影響，輻射強度最直觀體現(xiàn)在下風(fēng)向區(qū)沙塵沉降量的減少[4]。防風(fēng)固沙功能具有空間流動性，以往的研究多注重防風(fēng)固沙功能區(qū)域差異、時空變化規(guī)律及驅(qū)動力分析，但防風(fēng)固沙作為流動性功能，著重于實現(xiàn)不同區(qū)域之間相互促進、共同發(fā)展，應(yīng)從整體性、綜合性、動態(tài)性方面分析其區(qū)際生態(tài)聯(lián)系[5]。分析風(fēng)域生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙的輻射效應(yīng)，有利于防風(fēng)固沙生態(tài)屏障的建設(shè)與改善，同時為決策者因地制宜地進行生態(tài)環(huán)境保護與生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

防風(fēng)固沙量的評估是防風(fēng)固沙功能輻射效應(yīng)研究的基礎(chǔ)，主要通過風(fēng)蝕模型進項估算。20世紀60年代，國外先后開發(fā)了通用風(fēng)蝕方程(WEQ)[6]、德克薩斯侵蝕分析模型(TEAM)[7]、修正風(fēng)蝕方程模型(RWEQ)[8]和風(fēng)蝕預(yù)報系統(tǒng)(WEPS)[9]等，我國防風(fēng)固沙評估模型研究進展較慢，在1998年由董治寶[10]提出首個風(fēng)蝕流失量模型。目前修正風(fēng)蝕方程(RWEQ)是評估防風(fēng)固沙功能的主要技術(shù)手段[11]，如王洋洋等[12]基于RWEQ模型，對2000—2015年寧夏草地防風(fēng)固沙服務(wù)功能進行了定量化的估算；申陸等[13]利用RWEQ模型定量分析了渾善達克地區(qū)多年間防風(fēng)固沙能力的變化以及其內(nèi)在驅(qū)動力。RWEQ模型能夠較準確地估算防風(fēng)固沙量，而且廣泛應(yīng)用于中國北方防風(fēng)固沙功能研究?；诖耍疚膽?yīng)用RWEQ模型，針對2015年遼西北地區(qū)二期治沙工程后生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能及其空間流動產(chǎn)生的輻射效應(yīng)進行評估，有助于辨識影響風(fēng)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)傳遞的關(guān)鍵區(qū)位，為未來生態(tài)治理提供針對性方案，提高風(fēng)域生態(tài)系統(tǒng)上風(fēng)向與下風(fēng)向區(qū)生態(tài)服務(wù)功能的協(xié)調(diào)與修復(fù)效率，并為區(qū)域生態(tài)補償政策制定提供科學(xué)依據(jù)，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展與保障區(qū)域生態(tài)安全的重要途徑。

1 研究區(qū)概況

從風(fēng)域生態(tài)系統(tǒng)來看，遼西北風(fēng)域生態(tài)系統(tǒng)從上風(fēng)向至下風(fēng)向可依次劃分為沙塵源區(qū)、防風(fēng)固沙區(qū)、沙塵影響區(qū)，其中風(fēng)沙源區(qū)主要處在內(nèi)蒙古自治區(qū)的科爾沁沙地和渾善達克沙地，遼西北地區(qū)是防風(fēng)固沙區(qū)，指遼寧省的西北部，位于118°56′—125°06′E，40°58′—43°26′N，由阜新市、朝陽市、鐵嶺市及沈陽市的康平縣和法庫縣組成，總面積45 539 km2。該區(qū)處于亞干旱氣候區(qū)，以溫帶大陸性季風(fēng)氣候為主，夏季受暖濕的西南季風(fēng)的影響，炎熱多雨，冬季受蒙古—西伯利亞高壓控制，寒冷干燥，盛行西北風(fēng)或北風(fēng)，春秋兩季受單一氣團控制，多大風(fēng)少降水，春季蒸發(fā)快且多大風(fēng)天氣，容易形成春旱。年平均降水量為400～800 m，年平均蒸發(fā)量為1 000～1 500 mm，年平均氣溫7.4～9.5℃，年日照時數(shù)2 823～2 944 h，年平均風(fēng)速為3.7～4.6 m/s，冬春兩季大風(fēng)頻率可占全年的65%～80%[14]。地形以山地丘陵為主，大體呈現(xiàn)自西南向東北階梯式降低的格局[15]。土壤受地形、氣候、成土母質(zhì)、植被、社會等影響，種類繁多，大體分為森林土、風(fēng)沙土、草甸土、鹽漬土，容易遭受土壤風(fēng)蝕，水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱。

由于地形和氣候原因，遼西北地區(qū)植被稀少、荒山遍布、十年九旱，常常是漫天風(fēng)沙。為加強草原沙化治理，恢復(fù)和保護草原生態(tài)環(huán)境，針對遼西北土地沙化嚴重地區(qū)開展草原沙化治理一期工程(2009—2011年)，2012年，再利用4 a時間在原有基礎(chǔ)上實施遼西北草原沙化治理二期工程(2012—2015年)，治理遼西北地區(qū)沙化、退化草原4.6×105hm2，沙化草原植被蓋度提高到65%以上[16]，遼西北實現(xiàn)了綠進沙退的逆轉(zhuǎn)，形成沿科爾沁沙地南緣網(wǎng)狀分布的草原阻沙帶，初步遏制草原沙化、退化勢頭，為遼寧中部城市群建起一道綠色屏障。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

為反映“十三五”期間遼西北地區(qū)防風(fēng)固沙生態(tài)服務(wù)功能差異，選取沙化治理二期工程后的數(shù)據(jù)。用于計算土壤濕度和氣象因子的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)的氣象站數(shù)據(jù)，包括2015年月均風(fēng)速、降水、氣溫、日照時數(shù)等通過數(shù)據(jù)插值得到。雪蓋因子利用中國科學(xué)院旱區(qū)寒區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)的2015年中國雪深長時間序列數(shù)據(jù)集計算。土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院旱區(qū)寒區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)的1∶100萬土壤圖，以及所附的土壤屬性表和空間數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型(DEM)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)。遼西北地區(qū)2015年NDVI數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn)。

2.2 研究方法

2.2.1 防風(fēng)固沙量估算 在充分考慮風(fēng)速[17]、土壤[18]、地形[19]、植被[20]等要素情況下，應(yīng)用修正風(fēng)蝕方程模型(RWEQ)計算研究區(qū)裸土條件下潛在風(fēng)蝕量和植被覆蓋條件下的實際風(fēng)蝕量，取二者之差作為生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙量[21]。

(1)

S′=150.71(WF·EF·SCF·K′)-0.3711

(2)

(3)

Qmax=109.8(WF·EF·SCF·K′·C)

(4)

S=150.71(WF·EF·SCF·K′·C)-0.3711

(5)

(6)

G=SL′-SL

(7)

(1) 氣象因子。氣象因子(WF)即風(fēng)速、溫度及降雨等各類氣象因子對風(fēng)蝕綜合影響的反映，其表達式如下:

(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；SD為雪蓋因子；u1為起沙風(fēng)速(m/s)，本次計算取5 m/s[22]；u2為氣象站月均風(fēng)速值(m/s)；Nd為各月風(fēng)速大于5 m/s的天數(shù)。

(2) 土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子(EF)是一定土壤理化條件下土壤受風(fēng)蝕影響大小[23]，其表達式如下：

(10)

式中：sa為土壤砂粒含量(%)；si為土壤粉砂含量(%)；cl為土壤黏粒含量(%)；OM為土壤有機質(zhì)含量(%)；c2為碳酸鈣含量(%)。

(3) 土壤結(jié)皮因子。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[23]，其表達式如下：

(11)

式中：cl為土壤黏粒含量(%)；OM為土壤有機質(zhì)含量(%)。

(4) 植被因子。植被覆蓋因子(C)表示一定植被條件對風(fēng)蝕的抑制程度[24]，其表達式如下：

C=e-0.0438SC

(12)

(13)

式中：SC為植被覆蓋度(%)；NDVI，NDVIMAX，NDVIMIN分別為NDVI實際值、最大值及最小值。

(5) 地表糙度因子。地表糙度因子(K′)是由地形所引起的地表粗糙程度對風(fēng)蝕影響的反映[25]，其表達式如下：

K′=e(1.86Kr-2.41Kr0.934-0.127Crr)

(14)

(15)

式中：Kr為土壟糙度(cm)；Crr為隨機糙度；K′為地形糙度因子(cm)；L為地勢起伏參數(shù)；ΔH為距離L范圍內(nèi)海拔高度差(cm)。

2.2.2 輻射距離估測 根據(jù)沙塵粒子自沙面外移后在空中傳輸距離的經(jīng)驗公式[26]，評估不同粒徑沙塵在大風(fēng)環(huán)境下的水平傳輸距離，利用ArcGIS將其作為緩沖區(qū)，在此基礎(chǔ)上沿遼西北地區(qū)邊界選取主頻風(fēng)向線，作為遼西北地區(qū)防風(fēng)固沙功能的輻射范圍[27]。

(16)

式中：L為沙塵粒子傳輸距離(km);ε為湍流交換系數(shù);μ為運動黏性系數(shù);u為大風(fēng)風(fēng)速(m/s);σ為沙粒密度(kg/m3);d為沙粒直徑(μm);g為重力加速度(m/s2)。

2.2.3 輻射效應(yīng)估算 減少沙塵量(Qp)是指因植被防風(fēng)固沙功能而減少風(fēng)蝕作用對周邊區(qū)域降落沙塵的物質(zhì)量。

Qp=A·G·(d<0.002+d0.002～0.02)

(17)

式中：A為研究區(qū)面積(m2);G為防風(fēng)固沙量(kg/m2);d<0.002和d0.002～0.02分別為粒徑小于0.002 mm和0.002～0.02 mm的土壤顆粒含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 防風(fēng)固沙功能空間分布特征

為揭示遼西北防風(fēng)固沙功能空間差異，依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估分級，將研究區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)功能重要性差異劃分為“一般重要”“重要”和“極重要”3個等級[28](圖1)。

圖1 遼西北地區(qū)防風(fēng)固沙功能重要性

結(jié)果表明，遼西北防風(fēng)固沙功能一般重要區(qū)主要在科爾沁沙地南緣內(nèi)陸部分，約占研究區(qū)面積的43.07%；重要區(qū)受海洋暖濕氣的影響主要分布在研究區(qū)南部，約占研究區(qū)面積的44.38%；另外，分布有12.55%極重要區(qū)，主要位于遼河、大凌河、饒陽河流域附近，整體呈現(xiàn)南北較強、中部較弱的空間分布特征。

3.2 不同市縣防風(fēng)固沙功能差異

受到氣候、土壤、地形、植被、人類活動等諸多因素的影響，不同市縣的防風(fēng)固沙功能具有空間差異性[29](圖2)?；谠u估結(jié)果，2015年遼西北草原沙化治理完成二期工程后防風(fēng)固沙量3.754×107t。阜新蒙古族自治縣防風(fēng)固沙量最高(4.82×106t)，貢獻了全區(qū)防風(fēng)固沙量的12.84%；其次為朝陽縣(4.69×106t)和建平縣(4.38×106t)，分別供給了12.49%，11.67%的防風(fēng)固沙量；北票市、凌源市和昌圖縣防風(fēng)固沙量較高；開原市、喀喇沁左翼蒙古族自治縣、彰武縣、法庫縣、西豐縣、鐵嶺縣和康平縣防風(fēng)固沙量較低；調(diào)兵山市防風(fēng)固沙量最低(3.8×105t)，占防風(fēng)固沙總量的1.01%，主要因該地區(qū)面積較小所致。從防風(fēng)固沙能力來看，調(diào)兵山市最高(1 310.34 t/km2)，其次為凌源市(1 083.01 t/km2)和喀喇沁左翼蒙古族自治縣(1 062.38 t/km2)，朝陽縣、建平縣、鐵嶺縣、法庫縣和北票市防風(fēng)固沙能力分布在831.64～996.81 t/km2；阜新蒙古族自治縣、西豐縣、開原市和昌圖縣防風(fēng)固沙能力低于平均值分布在708.34～742.11 t/km2；相比之下，康平縣和彰武縣防風(fēng)固沙能力較低，分別為588.82，580 t/km2。主要原因是地處科爾沁沙地南緣，植被覆蓋度差且脆弱，降水量少，蒸發(fā)量大，水土保持能力差，實際土壤風(fēng)蝕量較高，因而實際發(fā)揮的防風(fēng)固沙能力較低。

圖2 遼西北地區(qū)不同市縣防風(fēng)固沙功能

3.3 沙塵粒子傳輸范圍

根據(jù)研究區(qū)氣象觀測數(shù)據(jù)，將風(fēng)向分為8個方位，統(tǒng)計研究區(qū)2015年主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)，頻率為41.37%，其次為西北風(fēng)和東北風(fēng)，頻率分別為21.64%，20.82%。同時，研究區(qū)沙塵及大風(fēng)天氣多發(fā)生在春季，春季西南風(fēng)頻率為48.91%，所以將西南風(fēng)視為主導(dǎo)風(fēng)向，分析了西南風(fēng)作用下沙塵粒子的傳輸范圍。利用ArcGIS軟件獲取研究區(qū)沙塵粒子的傳輸范圍(圖3)。結(jié)果顯示，研究區(qū)粒徑為10 μm的沙塵可以傳輸1 250 km，包括延邊朝鮮族自治州、牡丹江市、雞西市等地區(qū)，涉及21個市(自治州)，輻射面積達2.795×105km2；粒徑為20 μm的沙塵能傳輸117 km，包括四平市、撫順市、葫蘆島市等17個地級市，面積9.31×104km2。

圖3 防風(fēng)固沙功能輻射效應(yīng)空間分布

3.4 防風(fēng)固沙輻射效應(yīng)評估

2015年研究區(qū)風(fēng)域生態(tài)系統(tǒng)減少東北地區(qū)沉積量為1.877×107t，單位面積減少沉積量為50.38 t。分析風(fēng)域生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能輻射到東北不同地級市的情況(表1)，其中延邊朝鮮自治州享受到的輻射效應(yīng)最大，減少沙塵量為2.03×106t，占總效應(yīng)的10.82%，其次為牡丹江市和哈爾濱市等，伊春市享受的輻射效應(yīng)最小，沙塵量減少為1.1×103t，占總效應(yīng)的0.005%。

表1 各區(qū)域輻射面積和輻射效應(yīng)

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

遼西北地區(qū)作為阻止科爾沁沙地、渾善達克沙地沙塵侵入東北平原最前沿、最重要的生態(tài)屏障[30]，在區(qū)域防風(fēng)固沙中發(fā)揮著顯著作用。遼西北地區(qū)防風(fēng)固沙功能具有空間差異性，整體呈現(xiàn)南北較強、中部較弱的空間分布特征，主要原因是研究區(qū)北部水系分布集中且是灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，中部大片沙地、荒漠化現(xiàn)象嚴重且大風(fēng)頻繁，而南部因為其下墊面多為林地及河渠，風(fēng)沙活動少，實際土壤風(fēng)蝕量小，防風(fēng)固沙能力高。因此，在今后的生態(tài)建設(shè)過程中，可以把重點放在容易發(fā)生土壤風(fēng)蝕地區(qū)，監(jiān)測其生態(tài)環(huán)境，以有效提高整體生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能。

遼西北草原沙化治理二期工程加快推進科爾沁沙地南緣沙化、荒漠化專項治理，改善遼西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境，同時防風(fēng)固沙功能輻射到東北不同地級市，產(chǎn)生的輻射效應(yīng)影響到的最遠距離為1 250 km，涉及域外面積達3.726×105km2，其中延邊朝鮮自治州享受到的輻射效應(yīng)最大，減少沙塵量為2.03×106t，占總效應(yīng)的10.82%，其次為牡丹江市和哈爾濱市等，伊春市享受的輻射效應(yīng)最小，沙塵量減少為1.1×103t，占總效應(yīng)的0.005%。明確了遼西北風(fēng)域生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能輻射效應(yīng)的受益主體，防風(fēng)固沙功能的流動大大減少了下風(fēng)向地區(qū)沙塵的沉積量，為制定生態(tài)補償政策提供科學(xué)依據(jù)，從而協(xié)調(diào)區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展。本文僅研究了防風(fēng)固沙功能在其下風(fēng)向地區(qū)的直接效應(yīng)，而防風(fēng)固沙功能不僅減少了下風(fēng)向區(qū)的沙塵侵害，同時對生命健康、農(nóng)業(yè)、交通等產(chǎn)生積極影響，可以促進下風(fēng)向區(qū)域經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展，并由此帶來更為深遠的間接效應(yīng)。因此，如何全面系統(tǒng)的評估風(fēng)域生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙的輻射效應(yīng)，今后需要進一步探討。

4.2 結(jié) 論

(1) 受氣候、土壤、地形、植被等因素影響，遼西北地區(qū)防風(fēng)固沙功能空間差異性較大。防風(fēng)固沙功能極重要區(qū)和重要區(qū)主要分布在河流沿岸以及暖濕氣候區(qū)域，而一般重要區(qū)位于沙地荒漠等區(qū)域，防風(fēng)固沙功能較弱。

(2) 從市縣來看，阜新蒙古族自治縣、朝陽縣、建平縣、北票市和凌源市提供的防風(fēng)固沙量占總量的56.5%，是防風(fēng)固沙功能的主要供給區(qū)，不過調(diào)兵山市、凌源市和喀喇沁左翼蒙古族自治縣防風(fēng)固沙能力較高，未來需重點提升中部地區(qū)如彰武縣、康平縣防風(fēng)固沙功能。

(3) 遼西北防風(fēng)固沙功能可以輻射到延邊朝鮮族自治州、牡丹江市、哈爾濱市、吉林市等27個市，減少下風(fēng)向區(qū)域的沙塵沉降量1.877×107t，輻射面積3.726×105km2，是遼西北地區(qū)自身面積的8.18倍，可見遼西北生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能具有很強的輻射效應(yīng)，加強該地區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，對于提高東北地區(qū)的城市生態(tài)安全以及居民生活質(zhì)量具有現(xiàn)實意義。