顏華茹, 王讓會, 寧虎森, 彭 擎, 周 露, 李 成

(1.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院, 江蘇 南京 210044; 2.江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室,江蘇 南京 210044; 3.新疆林業(yè)科學(xué)研究院 造林治沙研究所, 新疆 烏魯木齊 830011)

荒漠化是由于干旱少雨、植被破壞、大風(fēng)吹蝕、流水侵蝕、土壤鹽漬化等因素造成的大片土壤生產(chǎn)力下降或喪失的自然(非自然)現(xiàn)象?；哪潭鹊募由顣绊憛^(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的正常運行，造成較為嚴重的經(jīng)濟損失，損害社會經(jīng)濟的發(fā)展。根據(jù)全球氣候變化預(yù)測，未來干旱半干旱區(qū)面積將繼續(xù)擴展[1]。因此，如何有效的進行荒漠化地區(qū)的防治和相應(yīng)的損害賠償，成了十分嚴峻的問題。

新疆維吾爾自治區(qū)地處亞歐大陸腹地，受全球氣候變化的影響較大，旱澇災(zāi)害日趨嚴峻[2]。風(fēng)蝕荒漠化問題在塔里木河流域極為突出，流域東部生態(tài)脆弱。在具有頻繁人為干擾的干流區(qū)域處于荒漠化敏感區(qū)[3]。人口壓力大，水資源利用低效[4]，抑制了塔里木河生態(tài)功能的恢復(fù)，加速了綠洲外圍荒漠化過程的發(fā)展[5]。在人工綠洲類型和濕地類型比例較高的地區(qū)，沙漠化程度較低[6]，說明生態(tài)輸水對塔里木河下游植被恢復(fù)和沙漠化逆轉(zhuǎn)起到了明顯的作用[7]，但生態(tài)輸水帶來的逐年加劇的人為干擾，導(dǎo)致干流濕地的保護與破壞共存[8]。

《生態(tài)環(huán)境損害賠償制度改革方案》(以下簡稱《方案》)中強調(diào)，到2020年，力爭在全國范圍內(nèi)初步構(gòu)建責(zé)任明確、途徑暢通、技術(shù)規(guī)范、保障有力、賠償?shù)轿?、修?fù)有效的生態(tài)環(huán)境損害賠償制度。而中國的賠償性項目在產(chǎn)權(quán)明確，責(zé)任實現(xiàn)，執(zhí)行效率，有效性，可持續(xù)性等方面落后于國外[9]。實施生態(tài)賠償是實現(xiàn)環(huán)境保護與社會公平的重要途徑，也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[10]。目前的相關(guān)賠償研究多圍繞海洋生態(tài)[11]、水污染[12]等事件展開，對荒漠化的賠償大多是政策的研究[13]，而缺乏荒漠化的損害賠償方法和具體措施的研究，因此對塔里木河流域荒漠化的生態(tài)損害賠償研究是有必要的。研究利用2010，2015年MODIS MOD13A1及MCD43A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品，綜合利用遙感及GIS空間分析技術(shù)，分析塔里木河干流荒漠化差值指數(shù)及土壤風(fēng)蝕程度，在計算土壤風(fēng)蝕程度的基礎(chǔ)上，從沙塵清理費用、土壤肥力流失損害價值、農(nóng)田經(jīng)濟損害價值方面進行當(dāng)?shù)負p害賠償?shù)挠嬎悖云跒榻庾g塔里木河生態(tài)損害的信息及流域生態(tài)的恢復(fù)和改善提供相應(yīng)參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究劃定區(qū)域為中國科學(xué)院環(huán)境資源數(shù)據(jù)平臺發(fā)布的(http:∥www.resdc.cn/)中國三級流域空間分布數(shù)據(jù)中的塔里木河干流區(qū)域(81°1′—81°34′E，38°60′—41°9′N)，總面積約3.40×104km2。塔里木河干流全長1 321 km，為中國第一大內(nèi)陸河，是當(dāng)?shù)厮Y源的主要來源。區(qū)域內(nèi)降雨稀少，是典型的大陸性暖溫帶極端干旱氣候，植被覆蓋度低，河道作為荒漠河岸林的主要水源控制植被的空間分布和結(jié)構(gòu)[14]，由于水資源匱乏，使得大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品已在全球各地區(qū)的荒漠化研究中得到了廣泛應(yīng)用，研究使用MODIS歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation Index，NDVI)，MOD13A1-NDVI-16d產(chǎn)品，和地表反照率(Albedo)MCD43A3-Albedo日值產(chǎn)品，空間分辨率均為500 m×500 m。以合成植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13A1提取的2010，2015年NDVI數(shù)據(jù)和地表反照率產(chǎn)品MCD43A3提取的Albedo數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)行帶號為h24v04和h24v05，數(shù)據(jù)來源為美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration， NASA)數(shù)據(jù)下載地址為：https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/。利用MRT(MODIS reprojection tool)對數(shù)據(jù)進行處理，采用最大值合成法(maximum value composite， MVC)提取研究區(qū)NDVI數(shù)據(jù)集，用最小合成法提取研究區(qū)Albedo數(shù)據(jù)集。風(fēng)速數(shù)據(jù)由當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁?/p>

1.3 塔河流域荒漠化程度劃分

土地荒漠化類型有風(fēng)蝕荒漠化、水蝕荒漠化、鹽漬化荒漠化、凍融荒漠化等，研究主要考慮風(fēng)蝕對荒漠化的影響。

根據(jù)Albedo與NDVI之間存在負相關(guān)關(guān)系，利用沙漠化差值指數(shù)模型[15]，構(gòu)建沙漠化差值指數(shù)(DDI)，并分析塔里木河沙漠化的狀況。

基于上述認識，利用ArcGIS 10.2平臺，提取研究區(qū)2010年和2015年歸一化處理后的NDVI和Albedo的值。以NDVI值為自變量，Albedo值為因變量，構(gòu)建Albedo-NDVI特征空間(見圖1)，取AC邊構(gòu)建二者之間的線性回歸方程(公式1)，最后根據(jù)線性回歸方程的系數(shù)a以及Albedo，NDVI構(gòu)建荒漠化差值指數(shù)(DDI)的計算模型(公式2)。

圖1 Albedo-NDVI 空間特征

Albedo=a×NDVI+b

(1)

DDI=k×NDVI-Albedo

(2)

a×k=-1

(3)

式中：Albedo，NDVI均已做歸一化處理；a為特征函數(shù)的系數(shù)； DDI為沙漠化差值指數(shù)；k為Albedo和NDVI特征空間擬合直線斜率(a)的倒數(shù)。

1.4 風(fēng)蝕量計算

荒漠化災(zāi)害與植被防風(fēng)固沙能力息息相關(guān)，風(fēng)蝕也是造成荒漠化變嚴重的原因之一，因此，生態(tài)損失主要從防風(fēng)固沙損害考慮。

1.4.1 風(fēng)蝕輸沙率計算 研究采用應(yīng)用較廣的用Bagnold公式(4)[16]與Lettau公式(5)[17]分別計算輸沙率后取平均值(6)。即：

(4)

(5)

(6)

式中：q為風(fēng)蝕輸沙率(g/cm·s)；C1，C2為系數(shù)，分別為1.8，4.2；d為沙粒粒徑，取0.025 cm[18]；D為標(biāo)準(zhǔn)沙粒粒徑，取0.025 cm；ρ為空氣密度，取0.001 25 g/cm3；g為重力加速度，取980 cm/s2；U*為摩阻風(fēng)速(cm/s)；U*t為臨界起沙風(fēng)速(cm/s)。下同。

根據(jù)戚隆溪等[19]的研究，摩阻風(fēng)速與風(fēng)速的關(guān)系為：

U*=0.050 7×U

(7)

式中：U為當(dāng)?shù)? m高處的風(fēng)速(m/s)。

臨界起沙風(fēng)速由Bagnold公式(8)[16]計算：

(8)

式中：A為系數(shù)，取0.1；ρs為沙粒密度，取2.6 g/cm3，可得U*t=22.8 cm/s。它對應(yīng)的起沙風(fēng)速為4.5 m/s。因此，選取2 m高處最大風(fēng)速大于4.5 m/s的風(fēng)速取平均值并將最大風(fēng)速大于4.5 m/s的天數(shù)記為起沙天數(shù)。

1.4.2 防風(fēng)固沙量損害估算 風(fēng)蝕深度的估算采用土壤風(fēng)蝕模型式[20]：

(9)

式中：h為風(fēng)蝕深度(cm)；M為坡長(m)；α為坡度；t為風(fēng)速大于4.5 m/s的時間(d)。下同。

通過計算塔里木河干流地區(qū)不同荒漠程度的地區(qū)的風(fēng)蝕量與非荒漠化地區(qū)風(fēng)蝕量作差作為塔里木河干流區(qū)域不同荒漠程度的地區(qū)的損害固沙量。即：

Q=ρa·(hw-hs)

(10)

式中：Q為單位面積年風(fēng)蝕量(t/km2·a)；hw為不同程度荒漠化地區(qū)風(fēng)蝕深度(cm)；hs為非荒漠化地區(qū)風(fēng)蝕深度(cm)；ρa為沙物質(zhì)密度，此處取1.27 g/cm3，為當(dāng)?shù)赝寥廊萘縖21]。下同。

Gi=Q·Si

(11)

式中：Gi為不同荒漠化程度地區(qū)估算年損害固沙量(t/a)；Q為單位面積年風(fēng)蝕量〔t/(km2·a)〕；Si為不同荒漠化程度地區(qū)面積(km2)，i=1，2，3，4，分別對應(yīng)不同荒漠化程度。

1.5 經(jīng)濟賠償計算方法

1.5.1 沙塵清理費用計算

V1i=C·Gi

(12)

式中：V1i為不同程度荒漠化地區(qū)沙塵清理的費用(元)；C為單位重量沙塵清理費用或沙塵造成的經(jīng)濟損失(元/t)，采用工業(yè)粉塵排污收費標(biāo)準(zhǔn)150元/t。

1.5.2 土壤肥力損害估算

(13)

式中：V2i為不同荒漠化程度地區(qū)土壤肥力損害價值(元/a)；j=1，2，3 分別代表N，P，K；Sj為土壤中j類養(yǎng)分的含量(%)；Pj為化肥市場價格(元/t)；Kj為化肥中j類養(yǎng)分的含量(%)；Pc為有機質(zhì)市場價格(元/t)；Sc為土壤中有機質(zhì)的含量(%)。下同。

研究區(qū)土壤中全氮含量0.002 6%，全磷含量0.236 3%，全鉀含量2.026%，有機質(zhì)含量0.054 7%[21]；尿素、過磷酸鈣和氯化鉀3種化肥中，N，P，K所占比例分別為46%，27%，52%?；逝c有機質(zhì)的市場價格以2015年的平均零售價計：尿素約1 573元/t，過磷酸鈣約700元/t; 氯化鉀化肥約3 250元/t；有機質(zhì)約360元/t。

1.5.3 農(nóng)田經(jīng)濟損失估算

V3i=B·Gi/(H·ρ×10 000)

(14)

式中：V3i為不同荒漠化程度地區(qū)農(nóng)田經(jīng)濟損失價值(元/a)；B為土地的年平均收益〔元/(km2·a)〕；H為土壤層厚度(m)；ρ為土壤容重(g/cm3)。土地年均收益取13 945元/(km2·a)[22]，土壤層厚度按當(dāng)?shù)仄骄寥篮穸?.689 m計，土壤容重為1.27 g/cm3[21]。

1.5.4 不同荒漠化損害程度地區(qū)總經(jīng)濟價值賠償計算

(15)

式中：Vi為不同荒漠化程度損害賠償金額(元)；α為權(quán)重系數(shù)；P為貼現(xiàn)率，考慮到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展等因素，進行經(jīng)濟賠償時，貼現(xiàn)率定位5%。

權(quán)重系數(shù)取該荒漠化土地類型占總荒漠化土地面積的比例(見表1)。

表1 不同荒漠化類型權(quán)重

2 結(jié)果與分析

2.1 2010-2015塔里木河流域荒漠化狀況及空間演化特征

2010年，由公式(1)—(3)計算后得：

Albedo=-0.140 0×NDVI+0.318 3

(R2=0.803 7)

(16)

DDI=7.143×NDVI-Albedo

(17)

2015年，由公式(1)—(3)計算后得：

Albedo=-0.167 7×NDVI+0.304 1

(R2=0.810 8)

(18)

DDI=5.963×NDVI-Albedo

(19)

對2010，2015年流域DDI的計算結(jié)果按自然間斷點分類法分為5類，將分級結(jié)果進行空間化表達(見圖2)。觀察圖2可知，研究區(qū)大面積的極度荒漠化和強度荒漠化土地呈板塊狀或片狀分布在流域中下游，少部分分布在上游區(qū)域，源頭荒漠化狀況較良好。

圖2 2010，2015年塔里木河流域不同程度荒漠化分布

利用轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)學(xué)模型表達2010，2015年不同類型荒漠化土地的空間演化特征，得到2010—2015年塔里木河干流上游的荒漠化程度面積轉(zhuǎn)移矩陣(見表2)，整體改變情況如圖3所示。

由圖3可知，2010—2015年期間，研究區(qū)土地荒漠化惡化的區(qū)域較少，零散分布，而土地荒漠化改善的區(qū)域則集中分布在塔里木河沿岸地區(qū)。觀察表2可知，研究區(qū)轉(zhuǎn)入主要發(fā)生在“極度荒漠化”向“強度荒漠化”的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積2 542.69 km2；轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在“強度荒漠化”向“中度荒漠化”的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積為1 739.87 km2。研究區(qū)中高度等級荒漠化土地轉(zhuǎn)出面積均高于轉(zhuǎn)入面積，由此表明，生態(tài)輸水和一系列的政策對荒漠化改善有正效應(yīng)。將干流上游放大，可較為明顯地觀察到荒漠化程度有改善(見圖4)。

圖3 2010-2015年塔里木河干流上游荒漠化土地變化分布特征

2.2 風(fēng)蝕量估算結(jié)果

本研究所使用的氣象站點記錄的風(fēng)速數(shù)據(jù)為10 m高度，而在公式(7)中所使用的風(fēng)速為2 m 高度處的風(fēng)速，且與公式(8)—(9)時間對應(yīng)。因此，在計算風(fēng)蝕量時用下式對風(fēng)速進行換算。

(20)

式中：U2為2 m高處風(fēng)速(m/s)；Uz為高度z處風(fēng)速(m/s)；z為風(fēng)速計高度(m)。

將公式(20)的結(jié)果帶入公式(4)—公式(11)計算得：極度荒漠化地區(qū)損害固沙量4.49×105t/a；強度荒漠化地區(qū)損害固沙1.33×105t/a；中度荒漠化地區(qū)損害固沙量3.72×104t/a；輕度荒漠化地區(qū)損害固沙量2.04×104t/a。

表2 2010-2015塔里木河干流上游荒漠化變化矩陣 km2

圖4 2010，2015年塔里木河干流上游荒漠化程度對比

2.3 經(jīng)濟賠償方案

將計算所得的損害固沙量帶入公式(12)—(15)，得到2015年塔里木河干流上游不同荒漠化地區(qū)對應(yīng)的沙塵清理損害價值、農(nóng)田經(jīng)濟損失價值、保持土壤肥力損害價值。詳細結(jié)果如表3所示。

表3 塔里木河干流上游荒漠化地區(qū)經(jīng)濟賠償方案

從表3可以看出，主要的損害賠償集中在極度荒漠化地區(qū)，這是由于研究區(qū)極度荒漠化面積占比較大，所需要的賠償相應(yīng)增加。在各程度的荒漠化損害中，沙塵清理損害價值與土壤肥力損害價值所占比重較大。

在貼現(xiàn)率5%的情況下，極度荒漠化地區(qū)，經(jīng)濟賠償2.77×106元；強度荒漠化地區(qū)，經(jīng)濟賠償3.72×105元；中度荒漠化地區(qū)，經(jīng)濟賠償約6.06×104元；輕度荒漠化地區(qū)，經(jīng)濟賠償約2.14×104元，總賠償金額為3.23×106元，符合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟水平。

3 討 論

由NDVI-Albed特征空間分布可以看出，植被蓋度較高的地區(qū)荒漠化程度較低，地表反照率較低，植被的減少也會導(dǎo)致荒漠化的進一步惡化，與前人研究一致[23]?；哪钪抵笖?shù)(DDI)相較用單一植被指數(shù)衡量荒漠化程度精度更高，適用于荒漠化的監(jiān)測[24]。

防風(fēng)固沙量的準(zhǔn)確估算是進行荒漠風(fēng)蝕損害損害賠償?shù)幕A(chǔ)。對此，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，提出了諸多估算模型。但是，由于風(fēng)蝕過程復(fù)雜，影響因素繁多，使得風(fēng)蝕量無法精確估算，自然條件難以精準(zhǔn)模擬且野外測定也有一定的困難。除了風(fēng)蝕模型本身的缺陷，中國氣象站數(shù)據(jù)為10 m高處風(fēng)速，研究計算時使用的2 m高處風(fēng)速是用《中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX/T 81-2007》提供的校正方式校正得到，因缺乏實地風(fēng)速的檢測與校正，與真實值相比存在一些偏差；公式中使用的沙粒粒徑為前人研究所得，在計算過程中缺乏當(dāng)?shù)貙崪y。在今后的研究中，可增加實地勘測，以提高測算的準(zhǔn)確性。

荒漠有多種地表形態(tài)，生態(tài)功能繁多，而不同的植被覆蓋也對荒漠地表有不同的防護功能[25]。本研究選取了防風(fēng)固沙損害價值估算，定量地進行了沙塵清理、農(nóng)田經(jīng)濟損失、土壤肥力損害的計算。受研究方法、技術(shù)手段的限制，防風(fēng)固沙功能中對減少蒸發(fā)，降溫產(chǎn)生的價值難以計算，且未考慮由于荒漠化引起的氣候變化、植被退化的生態(tài)賠償，這些價值的核算還有待于之后的發(fā)現(xiàn)與研究。

與流域生態(tài)恢復(fù)治理工程不同，生態(tài)賠償機制應(yīng)是國家、地方、區(qū)域、行業(yè)多層次組成的綜合性賠償體系，可通過公眾參與機制，發(fā)揮公眾對政府、企業(yè)等的監(jiān)督作用，進一步完善流域內(nèi)行政考核獎懲制度，以確保生態(tài)賠償機制作用的有效發(fā)揮[26]。以政府為主體，包含對流域生態(tài)恢復(fù)與改善有所貢獻的公民、企業(yè)或其他組織，增加“受益者付費”和“損害者付費”原則。流域資源的開發(fā)利用者作為受益者，應(yīng)履行生態(tài)補償義務(wù)[27]，對受益者征收一定的稅費，作為生態(tài)賠償?shù)馁Y金?！皳p害者付費”對環(huán)境污染者(公民、法人和其他組織)采取排污收費措施，以利于生態(tài)環(huán)境的保護。此外，流域需要通過建立公共監(jiān)督體系，在生態(tài)修復(fù)、生態(tài)保護等方面發(fā)揮積極作用。

自2000年以來，塔里木河流域先后實施了一系列保護生態(tài)的重大項目，這些生態(tài)恢復(fù)工程有效保護了塔里木河流域生態(tài)系統(tǒng)，遏制了荒漠化的惡化，整體改善了流域荒漠化狀況。今后，塔里木河流域在繼續(xù)實施生態(tài)恢復(fù)工程的同時，應(yīng)做到因地制宜，這樣才能加速生態(tài)恢復(fù)，實現(xiàn)經(jīng)濟、生態(tài)、社會和諧發(fā)展。

4 結(jié) 論

研究通過建立NDVI和Albedo的空間關(guān)系，解譯了塔里木河干流區(qū)域土地荒漠化信息，利用土壤風(fēng)蝕模型估算了不同荒漠化地區(qū)損害固沙量，并進行相應(yīng)生態(tài)損害賠償計算。

(1) 2010—2015年，研究區(qū)整體荒漠化狀況有所緩解，中度及以上的荒漠化土地面積出現(xiàn)不同程度的下降，主要發(fā)生在“強度荒漠化”向“中度荒漠化”的轉(zhuǎn)移。

(2) 研究區(qū)2015年不同荒漠化土地的損害固沙量分別為：極度荒漠化地區(qū)4.49×105t/a；強度荒漠化地區(qū)1.33×105t/a；中度荒漠化地區(qū)3.72×104t/a；輕度荒漠化地區(qū)2.04×104t/a。

(3) 2015年，在貼現(xiàn)率5%的情況下，極度荒漠化地區(qū)，經(jīng)濟賠償2.77×106元；強度荒漠化地區(qū)，經(jīng)濟賠償3.72×105萬元；中度荒漠化地區(qū)，經(jīng)濟賠償約6.06×104元；輕度荒漠化地區(qū)，經(jīng)濟賠償約2.14×104元，總賠償金額為3.23×106元，符合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟水平，證明了本賠償模式的可行性。