遼西北地區(qū)防風固沙服務(wù)空間流動與輻射效應(yīng)

王 耕，張紅玉

(遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流是在自然和社會作用驅(qū)動下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從供給區(qū)向受益區(qū)發(fā)生時空轉(zhuǎn)移的過程[1]，F(xiàn)ISHER等[2]依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū)與需求區(qū)之間的空間關(guān)系，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流分為原位服務(wù)流、全向服務(wù)流和定向服務(wù)流3類。近年來，隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的深入，有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的研究逐漸增多，研究主體包括森林生態(tài)系統(tǒng)[3]、山地生態(tài)系統(tǒng)[4]和河流生態(tài)系統(tǒng)[5-6]等；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的流動效益評估集中于將供給區(qū)與受益區(qū)進行空間關(guān)聯(lián)，探究兩者之間匹配的關(guān)系[7-8]，但關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域流動的分析相對較少[9]，因而不能準確界定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的輻射范圍。因此，需要對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從產(chǎn)生、流動到輻射進行全過程研究，厘清流動過程[10]，才能明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的輻射效應(yīng)。

2010年國務(wù)院正式發(fā)布《關(guān)于印發(fā)全國主體功能區(qū)規(guī)劃的通知》，將國家重點生態(tài)功能區(qū)分為水源涵養(yǎng)型、水土保持型、防風固沙型和生物多樣性維護型4種類型，同時劃定25個國家重點生態(tài)功能區(qū)，其中，防風固沙型重點生態(tài)功能區(qū)有6個，均位于我國北方的干旱、半干旱地區(qū)，地處沙塵源區(qū)，風沙活動頻繁，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響。近年來，我國相繼實施了三北防護林、退耕還林還草、天然林保護、京津風沙源治理、草原禁牧和退牧還草等生態(tài)工程，使得我國北方沙區(qū)防風固沙服務(wù)功能得到有效提升[11]。防風固沙服務(wù)作為防護型生態(tài)服務(wù)，是指沙塵源區(qū)植被能起到保持水土[12]、降低風速的作用，避免土壤被吹蝕后產(chǎn)生沙塵而威脅生命健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和道路交通，產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)不應(yīng)局限于特定區(qū)域，防風固沙功能可以在比其棲息地大得多的范圍內(nèi)產(chǎn)生生態(tài)經(jīng)濟價值[13]。當前，關(guān)于防風固沙服務(wù)流動效應(yīng)的研究包括防風固沙服務(wù)流的區(qū)域關(guān)聯(lián)度[14]、供給區(qū)與需求區(qū)的分布[15]和跨區(qū)域差異建立生態(tài)補償方案[16-17]。因此，開展三北防護林地區(qū)的防風固沙服務(wù)空間流動研究，對于甄別生態(tài)屏障地區(qū)防風固沙服務(wù)成效和促進干旱地區(qū)防風治沙工程建設(shè)具有重要意義。從整體性角度評價防風固沙功能的空間流動及其域外輻射效應(yīng)[18]，并加強區(qū)際生態(tài)聯(lián)系，以實現(xiàn)上風向與下風向地區(qū)之間的相互促進和可持續(xù)發(fā)展。

在風域內(nèi)，通過空氣的流動將上、下風向地區(qū)連接成為一個有機整體。風域內(nèi)各種生態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程依靠生態(tài)介質(zhì)來維系其生態(tài)聯(lián)系，產(chǎn)生一定的生態(tài)功能和生態(tài)效應(yīng)。供體中植被的防風固沙功能對其下風向受體區(qū)域的生態(tài)效應(yīng)主要表現(xiàn)為減少降塵和風沙危害，以及降低下風向區(qū)域沙塵災(zāi)害發(fā)生的范圍和強度效應(yīng)[19]。為客觀分析遼西北地區(qū)防風固沙服務(wù)跨區(qū)域流動及產(chǎn)生的輻射效應(yīng)，基于修正風蝕方程模型(RWEQ)評估2020年遼西北地區(qū)防風固沙量，利用混合單顆粒拉格朗日整合軌跡(HYSPLIT)模型模擬遼西北地區(qū)風速在高于起沙風速時的氣團48 h防風固沙服務(wù)流動路徑，識別與計算防風固沙服務(wù)的輻射區(qū)和輻射效應(yīng)，創(chuàng)建研究區(qū)防風固沙服務(wù)量和輻射區(qū)防風固沙服務(wù)輻射效應(yīng)的時空聯(lián)系，協(xié)調(diào)研究區(qū)與下風向地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并為區(qū)域生態(tài)補償政策的制定提供科學依據(jù)，有利于防風固沙生態(tài)屏障的建設(shè)與改善，決策者能夠因地制宜地進行生態(tài)環(huán)境保護與生態(tài)建設(shè)，為其下風向地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局和發(fā)展方式提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼西北地區(qū)指遼寧省西北部，位于40°58′ N～43°26′ N、118°56′ E～125°06′ E之間，南臨河北省，北接內(nèi)蒙古自治區(qū)，地處京津冀和東北城市群中間(圖 1)，由阜新市、朝陽市、鐵嶺市及沈陽市的康平縣和法庫縣組成，總面積為45 539 km2。該區(qū)以溫帶大陸性季風氣候區(qū)為主，冬季受蒙古—西伯利亞高壓控制，寒冷干燥，盛行西北風或北風，夏季受西南季風的影響，高溫多雨。年平均降水量為430～680 mm，年平均蒸發(fā)量為1 000～1 500 mm[20]，年均風速為3.7 m·s-1，最大風速為24 m·s-1。遼西北地區(qū)地處科爾沁沙地南緣，加強該地生態(tài)屏障建設(shè)能有效阻止沙地南移，同時減少沙塵暴天氣，對于華北平原、東北平原生態(tài)安全具有保障作用?；诖耍|寧省政府高度重視生態(tài)文明建設(shè)，自2009年實施遼西北草原沙化治理一期、二期工程開始，歷時7年治理遼西北地區(qū)沙化、退化草原計46萬hm2；2019年啟動退化草原人工種草生態(tài)修復(fù)試點及繼續(xù)退牧還草工程，兩年來已累計完成草地補播改良3.3萬hm2[21]。

圖1 研究區(qū)概況及土地覆蓋類型

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)的氣象站數(shù)據(jù)，包括2020年月均風速、日最大風速等通過數(shù)據(jù)插值得到。土壤濕度和雪蓋因子數(shù)據(jù)利用國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心(http:∥data.tpdc.ac.cn/zh-hans/)的全球長時序日尺度土壤水分數(shù)據(jù)集和中國雪深長時間序列數(shù)據(jù)集計算得到。土壤數(shù)據(jù)來源于第二次全國土地調(diào)查中國科學院南京土壤研究所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)及其所附的土壤屬性表和空間數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型(DEM)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(https:∥www.resdc.cn/)。NDVI數(shù)據(jù)獲取于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)。用于模擬2020年軌跡的NCEP再分析數(shù)據(jù)源于NOAA ARL(http:∥dss.ucar.edu/)GBL資料。

1.3 研究方法

1.3.1防風固沙量估算

在充分考慮風速[22]、土壤[23]、地形[24]和植被[25]等要素情況下，應(yīng)用RWEQ模型計算研究區(qū)裸土條件下潛在風蝕量和植被覆蓋條件下的實際風蝕量，取兩者之差作為生態(tài)系統(tǒng)防風固沙量[26]。

Qmax,q=109.8×(FW×FE×FSC×K′)，

(1)

Sq=150.71×(FW×FE×FSC×K′)-0.371 1，

(2)

(3)

Qmax=109.8×(FW×FE×FSC×K′×C)，

(4)

S=150.71×(FW×FE×FSC×K′×C)-0.371 1，

(5)

(6)

G=LSq-LS。

(7)

式(1)～(7)，LSq為潛在風蝕量，kg·m-2；Qmax,q為潛在風力的最大輸沙能力，kg·m-1；Sq為潛在關(guān)鍵地塊長度，m；LS為實際風蝕量，kg·m-2；Qmax為風力的最大輸沙能力， kg·m-1；G為防風固沙量，kg·m-2；S為關(guān)鍵地塊長度，m；z為下風向距離，m；FW為氣象因子；FE為土壤可蝕性因子；FSC為土壤結(jié)皮因子；K′為地表糙度因子；C為植被因子。各因子計算公式見表 1[27-30]。

表1 RWEQ模型因子[27-30]

1.3.2防風固沙空間流動路徑模擬

利用HYSPLIT模型計算沙塵粒子的運行軌跡，追蹤其去向[31]，以模擬防風固沙服務(wù)空間流動路徑，HYSPLIT模型是美國國家海洋與大氣局大氣資源實驗室(NOAA Air Resources Laboratory，NOAA ARL)研發(fā)的，常用于計算氣團軌跡以及模擬復(fù)雜的擴散和沉積[32]。HYSPLIT模型假定沙塵粒子是隨著風場運動的，其生成的軌跡是粒子在空間和時間上的向量積分，計算公式為

第1次推測位置：p′(t+Δt)=p(t)+V(p,t)×Δt；

(8)

最終位置：p(t+Δt)=p(t)+0.5×[V(p,t)+V(p′,t+Δt)]×Δt。

(9)

式(8)～(9)中，p(t)為初始位置；V(p,t)為初始位置速度向量；Δt為積分時間步長；V(p′,t+Δt)為第1次推測位置的速度向量。

積分時間步長是變化的，時間步長與最大傳輸速度(Vmax)的乘積應(yīng)小于數(shù)據(jù)柵格單元(Lg)：

Vmax×Δt

(10)

1.3.3防風固沙服務(wù)輻射區(qū)識別

輻射區(qū)識別方法為潛在源貢獻因子法(PSCF)[33]，利用PSCF模型分析軌跡在不同區(qū)域內(nèi)的分布頻率，將氣團軌跡經(jīng)過的區(qū)域網(wǎng)格化，最終形成柵格大小為0.5°×0.5°的軌跡頻率分布圖。

Pi=Li/L。

(11)

式(11)中，Pi為第i個柵格風沙軌跡分布頻率；Li為通過第i個柵格的風沙軌跡數(shù)；L為起始點風沙總軌跡數(shù)。

1.3.4防風固沙輻射效應(yīng)評估

輻射效應(yīng)通過減少沙塵量(Qp)來衡量，指因植被防風固沙功能而減少的周邊區(qū)域風蝕作用產(chǎn)生沙塵的物質(zhì)量[34]。

Qp=A×G×(d<0.002+d0.002～0.02)。

(12)

式(12)中，A為研究區(qū)面積，m2；G為防風固沙量，kg·m-2；d<0.002和d0.002～0.02分別為粒徑小于0.002 mm和粒徑為0.002～0.02 mm的土壤顆粒含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 防風固沙服務(wù)功能評估

研究區(qū)防風固沙量空間分布格局見圖2。

圖2 研究區(qū)單位面積防風固沙量空間分布格局

采用RWEQ模型對遼西北地區(qū)防風固沙量進行計算，結(jié)果表明，2020年遼西北地區(qū)全年防風固沙量為1 220萬t，單位面積防風固沙量為0.26 kg·m-2。從防風固沙總量上來看，朝陽市防風固沙量最高，達602.36萬t，其后依次為阜新市(259.41萬t)、鐵嶺市(258.83萬t)，康平縣和法庫縣防風固沙量最低，為99.32萬t；單位面積防風固沙量由高到低依次是朝陽市、阜新市、康平縣和法庫縣及鐵嶺市，分別為0.31、0.26、0.23和0.20 kg·m-2；在空間分布(圖2)上，防風固沙能力整體表現(xiàn)為西南部偏高、中部和東北部較低，但在東北部遼河、大凌河、饒陽河流域附近，由于水源充沛，植被灌溉條件充足，可有效阻擋沙塵流動，使得該處防風固沙能力較高。

2.2 防風固沙服務(wù)空間流動路徑

遼西北地區(qū)2020年風速高于起沙風速5 m·s-1的時間為195 d，采用HYSPLIT模型模擬出195條防風固沙服務(wù)流動路徑(圖3)，大部分流動路徑從研究區(qū)向東北、東南方向擴散(圖4)，兩個方向上分別為83和70條，占總數(shù)的78.46%，輻射范圍主要涉及東北、華北及黃渤海海域。同時，隨著傳輸距離的增加，路徑密度降低。

審圖號： GS(2022)5417號

圖4 研究區(qū)防風固沙服務(wù)空間流動路徑方位分布

2.3 防風固沙服務(wù)輻射區(qū)與輻射效應(yīng)

遼西北地區(qū)防風固沙服務(wù)流動路徑頻率分布見圖5，防風固沙服務(wù)輻射區(qū)見表2。

表2 遼西北地區(qū)防風固沙服務(wù)輻射區(qū)

審圖號： GS(2022)5417號

研究結(jié)果表明，遼西北地區(qū)防風固沙服務(wù)中國境內(nèi)陸地部分輻射區(qū)總面積為184.82萬km2，輻射范圍由近及遠包括遼寧、吉林、內(nèi)蒙古、河北、山東、北京、天津、黑龍江、江蘇、安徽和河南11個省(區(qū)、市)。防風固沙流動路徑分布頻率表示輻射區(qū)獲得研究區(qū)輻射效應(yīng)的高低，大部分輻射區(qū)流動路徑分布頻率低于3%，防風固沙服務(wù)路徑分布頻率(≥10%)分布在遼寧中部、吉林西北部和內(nèi)蒙古東部，接受到的防風固沙輻射效應(yīng)較高。表 3顯示，整體來看，遼西北地區(qū)防風固沙服務(wù)減少下風向沙塵量為597.78萬t，其中，內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、山東、河北、遼寧接受到的輻射效應(yīng)為509.61萬t，占總量的85.25%。

表3 遼西北地區(qū)防風固沙服務(wù)輻射效應(yīng)

3 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最前沿、最重要的生態(tài)屏障，在區(qū)域防風固沙中發(fā)揮著顯著作用。遼寧省政府重視加強遼西北地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)，相繼實施草原沙化治理一期、二期工程，退化草原人工種草生態(tài)修復(fù)試點及繼續(xù)退牧還草工程，加快推進科爾沁沙地南緣沙化、荒漠化專項治理[35]，改善遼西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境。筆者以風為生態(tài)介質(zhì)，從上風向至下風向可依次劃分為沙塵源區(qū)、防風固沙區(qū)和沙塵影響區(qū)。防風固沙服務(wù)供給研究是防風固沙服務(wù)空間流動研究的基礎(chǔ)，遼西北地區(qū)作為防風固沙區(qū)，提供防風固沙服務(wù)1 220萬t，單位面積防風固沙量為0.26 kg·m-2，防風固沙能力整體表現(xiàn)為西南部偏高、中部和東北部較低。遼西北地區(qū)植被的防風固沙功能對區(qū)域的生態(tài)效應(yīng)主要表現(xiàn)為縮小下風向沙塵災(zāi)害發(fā)生的范圍并減輕強度效應(yīng)，輻射范圍由近及遠包括遼寧、吉林、內(nèi)蒙古、河北、山東、北京、天津、黑龍江、江蘇、安徽和河南11個省(區(qū)、市)。減少下風向地區(qū)沙塵量597.78萬t，內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、山東、河北、遼寧接受到的輻射效應(yīng)為509.61萬t，占總量的85.25%。

防風固沙服務(wù)輻射效應(yīng)研究在維護區(qū)域完整性、促進生態(tài)平衡、減輕自然災(zāi)害、保障區(qū)域生態(tài)安全以及促進區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展方面具有重要作用。基于此，針對接受到防風固沙服務(wù)的輻射區(qū)，如何制定合理的生態(tài)補償金額，并在受益區(qū)之間進行分配，將是衡量生態(tài)補償是否科學合理的重要因素。因此，筆者研究中輻射區(qū)以及輻射效應(yīng)的確定有助于明確受益主體，制定區(qū)域間生態(tài)補償政策，彌補研究區(qū)因增強防風固沙服務(wù)而耗費的發(fā)展成本，為防風固沙服務(wù)的區(qū)域間生態(tài)補償提供更為直接的科學依據(jù)，完善我國的生態(tài)補償制度[36]，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

但是，筆者研究仍存在一些不足：HYSPLIT模型在模擬防風固沙服務(wù)流動路徑時，為了方便判斷輻射范圍，將距離研究區(qū)中心點最近的氣象站看作起始點，但實際上忽略了研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域風向和風速的空間差異性及其影響[37]，未來考慮將研究區(qū)內(nèi)各個氣象站分別作為起始點，模擬每個站點的沙塵移動路徑，從而確定整個研究區(qū)防風固沙服務(wù)的輻射范圍。筆者研究僅對中國境內(nèi)陸地部分輻射區(qū)的防風固沙服務(wù)輻射效應(yīng)進行分析，未對海域及中國境外輻射效應(yīng)進行分析，使得防風固沙服務(wù)輻射范圍偏小，未來研究應(yīng)擴大輻射范圍以形成更大空間尺度上的防風固沙服務(wù)流動體系。

4 結(jié)論

基于RWEQ模型評估2020年遼西北地區(qū)防風固沙量，分析區(qū)域防風固沙能力的空間格局，利用HYSPLIT模型模擬研究區(qū)防風固沙服務(wù)流動路徑，識別與計算防風固沙服務(wù)的輻射區(qū)和輻射效應(yīng)，從而構(gòu)建結(jié)構(gòu)完整、功能穩(wěn)定的生態(tài)格局，維護生態(tài)安全。遼西北地區(qū)防風固沙服務(wù)輻射區(qū)主要位于東部經(jīng)濟較為發(fā)達的地區(qū)，防風固沙服務(wù)的流動在減少沙塵對輻射區(qū)社會經(jīng)濟影響中發(fā)揮了重要作用。因此，受益區(qū)獲得防風固沙效應(yīng)的相對大小可作為生態(tài)補償優(yōu)先程度的判斷依據(jù)，以彌補防風固沙服務(wù)供給區(qū)因采取生態(tài)治理工程而產(chǎn)生的經(jīng)濟投入，保障防風固沙服務(wù)的持續(xù)供給，從而保障輻射區(qū)內(nèi)城市群和糧食主產(chǎn)區(qū)的生態(tài)安全。主要結(jié)論如下：

(1)2020年遼西北地區(qū)全年防風固沙量為1 220萬t，單位面積防風固沙量為0.26 kg·m-2。從防風固沙能力上來看，朝陽市防風固沙量最高，達602.36萬t，單位面積防風固沙量為0.31 kg·m-2。在空間分布上，防風固沙能力整體表現(xiàn)為西南部偏高、中部和東北部較低，但東北部遼河、大凌河、饒陽河流域附近防風固沙能力較高。

(2)遼西北地區(qū)2020年有195條防風固沙服務(wù)流動路徑。防風固沙服務(wù)流動路徑大部分從研究區(qū)向東北、東南方向擴散，輻射范圍主要涉及東北、華北及黃渤海海域，隨著傳輸距離的增加路徑密度降低。

(3)遼西北地區(qū)防風固沙服務(wù)輻射區(qū)總面積為184.82萬km2，減少下風向沙塵量597.78萬t，大部分輻射區(qū)的流動路徑分布頻率低于3%，防風固沙服務(wù)路徑分布頻率(≥10%)分布在遼寧中部、吉林西北部和內(nèi)蒙古東部，接受到的防風固沙輻射效應(yīng)相對較高。輻射范圍包括遼寧、吉林、內(nèi)蒙古、河北、山東、北京、天津、黑龍江、江蘇、安徽和河南11個省(區(qū)、市)，其中，內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、山東、河北和遼寧接受到的輻射效應(yīng)為509.61萬t，占總量的85.25%。