鞏國麗, 要 玲, 任麗霞, 段菲菲

(山西能源學院, 山西 榆次 030600)

中國沙塵源的風沙路徑主要有3條，其中一條為源自蒙古共和國中南部、內蒙古中東部和河北北部的北線，對京津地區(qū)構成直接威脅[1-3]。為此國務院啟動了京津風沙源治理工程，該工程區(qū)屬干旱、半干旱地區(qū)及部分半濕潤地區(qū)，最易發(fā)生土壤風蝕[4]，一期工程實施時間為2001—2010年，累計治理面積超1.80×105km2，起到了良好的防風固沙效果，改善了生態(tài)環(huán)境，減小了沙塵危害。為鞏固工程實施效果，進一步減輕風沙危害，二期工程也相繼實施。一期工程的實施成效以及對二期工程建設有啥建議這一問題尤為重要。目前大多數(shù)的文獻都是根據(jù)生態(tài)服務功能或植被恢復情況來提出工程對生態(tài)的影響程度[5-7]，也有學者從工程在林業(yè)、農業(yè)、水利設施和生態(tài)移民等方面的任務完成情況進行了跟蹤分析，并提出調整二期工程規(guī)劃的政策建議[8]。本文對京津風沙源治理工程實施以來區(qū)域植被的變化進行研究，從植被覆蓋度出發(fā)，研究植被變化對防風固沙服務功能的影響，為進一步深入研究土壤抗風蝕效應提供理論基礎和量化依據(jù)，達到闡明土壤風蝕機理，豐富土壤風蝕研究理論，制定區(qū)域生態(tài)恢復的防治措施，提高京津地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的防風固沙服務功能，構筑北方生態(tài)安全屏障的目的。

1 研究區(qū)概況

2000年，中國北方發(fā)生了50 a來罕見的風沙危害，為此國務院緊急啟動京津風沙源治理工程。京津風沙源治理工程區(qū)總面積為4.58×105km2，四至范圍為：109°30′—119°20′E，38°50′—46°40′N。涉及北京、天津、河北、山西及內蒙古等5省(區(qū)、市)的75個縣(旗)。工程區(qū)由東南邊緣的暖溫帶半濕潤、溫帶半濕潤區(qū)逐漸過渡為西北溫帶半干旱和干旱區(qū)。年均溫為7.5 ℃，由東向西逐漸升高；年均降水量為459.5 mm，由東向西逐漸減小。年均大風日數(shù)為36.2 d，由南向北逐漸增多，且大都出現(xiàn)在春季。土壤類型以栗鈣土、棕鈣土、黑鈣土、風沙土、褐土為主。為了更好治理區(qū)域風蝕沙化等問題，根據(jù)氣候及土壤特征，將該區(qū)分為8個治理亞區(qū)(見封2附圖1)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 土壤風蝕量

土壤風蝕量的獲取多采用137Cs同位素示蹤、集沙儀、風洞模擬試驗等方法。此類方法多為固定時間的點狀觀測，不利于區(qū)域長時間序列數(shù)據(jù)的連續(xù)獲取。為解決此問題，本文利用美國農業(yè)部的修正土壤風蝕方程(RWEQ)定量評估土壤風蝕量[9]。

RWEQ的基本控制方程：

(1)

當x=s，Q(s)為0.632 1倍的最大輸沙量。

為此在充分考慮氣候條件、植被狀況、地表土壤粗糙度、土壤可蝕性、土壤結皮的情況下，利用RWEQ模型定量評估土壤風蝕量[9]。

Qmax=109.8(W·E·S·K′·C)

(2)

把關鍵地塊長度s與風、土壤因子和植被參量之間的關系進行回歸分析，得出方程：

s=150.71(W·E·S·K′·C)-0.371 1

(3)

式中：Qmax表示最大沙通量；Qx表示地塊長度x處的沙通量；s表示關鍵地塊長度,土壤風蝕量是在氣候因子W,土壤可蝕性E和結皮因子S,土壤粗糙度K′以及植被因子C基礎上估算而得。

風是產生風蝕的先決條件，降雪和土壤濕度增加可以有效緩解土壤風蝕。氣候因子是在充分考慮風、土壤濕度、降雪等條件的基礎上估算而成的。其中風因子和土壤濕度因子則利用下載(http:∥cdc.cma.gov.cn)的2000—2015年區(qū)域內27個和周邊23個國家臺站的日均風速、日照時數(shù)、溫度、降水等來計算完成，其中風速數(shù)據(jù)利用了90 m空間分辨率的SRTM(shuttle radar topographic mission)DEM數(shù)據(jù)進行了高度轉化。雪蓋因子利用下載(http:∥westdc.westgis.ac.cn)的中國雪深長時間序列數(shù)據(jù)集來計算[10-11]。

土壤可蝕性為土壤對風蝕破壞作用的敏感性，與顆粒粗細，土壤團聚體等有關，土壤結皮為土壤表面形成的有利于減小風蝕的微層[12-13]。土壤可蝕性和結皮因子由不同土壤粒徑百分比數(shù)據(jù)、土壤有機質及碳酸鈣含量計算而得[14-15]：

(4)

(5)

式中：Sa為土壤砂粒含量; Si為土壤粉砂含量； Sa/Cl為土壤砂粒和黏土含量比； OM為有機質含量； CaCO3為碳酸鈣含量。

土壤可蝕性、結皮因子等所需的土壤特性資料(空間分辨率為1 km)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)提供的中國土壤特征數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集是依據(jù)1∶100萬土壤圖和土壤剖面數(shù)據(jù)得到[16]，土壤碳酸鈣含量來自于地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享服務網(http:∥www.geodata.cn)的全國1∶400萬土壤碳酸鈣含量分布圖(1980s)。

草地、沙地等的土壤糙度因子采用一種滾軸式鏈條法于2012年在錫林郭勒盟進行了測定[17]。在測定時選用節(jié)距與原文獻中所用節(jié)距相同(1 cm)的鏈條來貼合地表，進行地表土壤粗糙度的估算，每個樣點測5個重復樣。農田的土壤糙度按照不同作物類型與耕作方式根據(jù)RWEQ中的建議參數(shù)來確定，其中用到的土地利用資料來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺下載的1 km分辨率的柵格數(shù)據(jù)[18]。

植被不僅可以增加地表粗糙度，提高臨界起沙風速，而且可以對風蝕顆粒進行阻擋。用像元二分法[19]對從MODIS官網下載的NDVI數(shù)據(jù)進行運算求取植被覆蓋度進而獲得植被因子。

土壤風蝕的基本特征依據(jù)中華人民共和國水利部于(2007)頒布的《土壤侵蝕分類分級標準(SL190-2007)》來判斷[20]。土壤侵蝕類型分為6類：微度侵蝕〔0～2 t/(hm2·a)〕，輕度侵蝕〔2～25 t/(hm2·a)〕，中度侵蝕〔25～50 t/(hm2·a)〕，強烈侵蝕〔50～80 t/(hm2·a)〕，極強烈侵蝕〔80～150 t/(hm2·a)〕，劇烈侵蝕〔>150 t/(hm2·a)〕。

2.2 防風固沙量

假設RWEQ模型計算所得的植被覆蓋條件下的風蝕量為實際風蝕量Fsv，裸土條件下條件下的風蝕量為潛在風蝕量Fss。防風固沙量則為潛在風蝕量與實際風蝕量的差值Fssv，可以表示生態(tài)系統(tǒng)對土壤風蝕的實際防治量。

Fssv=Fss-Fsv

(6)

2.3 防風固沙服務功能保有率

Fssv可以表征植被對風蝕的實際減少量，但由于受風場強度等氣候因素的影響，并不能單純地表征生態(tài)系統(tǒng)本身對固沙的作用。為此將Fssv與Fss的比值定為防風固沙服務功能保有率B。

(7)

2.4 趨勢分析

為了探求工程實施以來土壤風蝕等的變化方向和幅度，使用下式求取風蝕量、防風固沙服務功能保有率和風蝕季節(jié)植被覆蓋度的變化趨勢。

(8)

式中：i為年份；n為總年數(shù)；vi為第i年的變量。

3 結果與分析

3.1 土地利用類型基本特征

從表1可以看出，草地生態(tài)系統(tǒng)占地最大(2010年面積比例大于63%)，主要分布在典型草原、沙化草原、渾善達克沙地和農牧交錯帶草原亞區(qū)；其次為林地(2010年面積比例約16%)，主要分布在燕山丘陵山地和大興安嶺南部亞區(qū)；再次為農田(2010年面積比例約14%)，主要分布在農牧交錯帶草原、晉北山地丘陵和科爾沁沙地亞區(qū)。大興安嶺南部亞區(qū)和農牧交錯帶草原亞區(qū)以農田和草地生態(tài)系統(tǒng)為主；典型草原亞區(qū)、沙化草原亞區(qū)和渾善達克沙地亞區(qū)均以草地生態(tài)系統(tǒng)為主；晉北山地丘陵亞區(qū)和燕山丘陵山地亞區(qū)以農田、森林和草地生態(tài)系統(tǒng)為主；科爾沁沙地亞區(qū)以農田、森林、草地和沙地生態(tài)系統(tǒng)為主。

表1 2000-2015年京津風沙源區(qū)各亞區(qū)不同土地利用類型面積 km2

3.2 植被覆蓋度基本特征及變化趨勢分析

2000—2015年，京津風沙源治理工程區(qū)的沙化草原亞區(qū)、晉北山地丘陵亞區(qū)、農牧交錯帶草原亞區(qū)西部和典型草原亞區(qū)西北部的冬春季植被覆蓋度較低；其次為大興安嶺南部亞區(qū)、渾善達克沙地亞區(qū)；燕山丘陵山地亞區(qū)的冬春季植被覆蓋度值較高(見表2，圖1)。

表2 2000-2015年京津風沙源區(qū)防風固沙服務功能保有率及植被覆蓋度變化趨勢統(tǒng)計

注：圖中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，…，分別表示不同治理區(qū)，其具體名稱見表1。下同。

一期工程實施期間，京津風沙源區(qū)全年植被覆蓋度各亞區(qū)有升有降，大興安嶺南部亞區(qū)基本不變，典型草原亞區(qū)、沙化草原亞區(qū)、農牧交錯帶草原亞區(qū)有所下降，晉北山地丘陵、科爾沁沙地亞區(qū)、燕山丘陵山地亞區(qū)有所上升。

就對防風固沙服務功能影響較大的冬春季植被覆蓋度而言，春季植被覆蓋度除典型草原亞區(qū)、渾善達克沙地亞區(qū)和農牧交錯帶草原亞區(qū)有輕微下降外，其余區(qū)域均有所上升；冬季植被覆蓋度除大興安嶺南部亞區(qū)和晉北山地丘陵亞區(qū)有輕微上升外，其余區(qū)域均有所下降。

二期工程實施期間，京津風沙源區(qū)全年植被覆蓋度及冬春季植被覆蓋度整體呈上升趨勢，但典型草原亞區(qū)的冬季植被覆蓋度有所下降，沙化草原亞區(qū)和農牧交錯帶草原亞區(qū)的全年植被覆蓋度有所下降。整體而言，二期工程實施以來，京津風沙源區(qū)植被狀況有所好轉，這與大部分區(qū)域防風固沙服務功能保有率二期工程實施期間普遍呈上升趨勢一致(見表2，圖1)。

3.3 土壤風蝕基本特征及變化趨勢分析

如圖2所示，土壤風蝕以微度(侵蝕面積占全區(qū)14.02%，集中分布于燕山丘陵、大興安嶺南部亞區(qū)和晉北山地的落葉闊葉林區(qū)的南部區(qū)域)和輕度(侵蝕面積占全區(qū)63.44%)侵蝕為主，其次為中度(面積比例為12.52%)和強烈及以上侵蝕(面積比例為10.03%)，集中分布于植被覆蓋度較低的沙化草原區(qū)以及渾善達克沙地和科爾沁沙地亞區(qū)。2000—2015年，大興安嶺南部亞區(qū)、典型草原亞區(qū)、沙化草原亞區(qū)、渾善達克沙地亞區(qū)、晉北山地丘陵亞區(qū)、科爾沁沙地亞區(qū)、農牧交錯帶草原亞區(qū)和燕山丘陵山地亞區(qū)的風蝕模數(shù)均值分別為4.94，10.88，47.97，13.94，2.52，9.30，10.35，3.08 t/(hm2·a)。

一期工程實施期間，京津風沙源區(qū)土壤風蝕量總體呈逐年減小趨勢，土壤風蝕量基本穩(wěn)定和有所減少的面積占全區(qū)面積的64.1%。從空間分布上看，沙化草原亞區(qū)、渾善達克沙地亞區(qū)和科爾沁沙地亞區(qū)土壤風蝕量下降較為明顯，變化趨勢分別為-3.14，-0.69，-0.55 t/(hm2·a)；典型草原亞區(qū)中部、大興安嶺南部亞區(qū)北部、燕山丘陵山地亞區(qū)土壤風蝕量有所增加。二期工程實施以來，風沙源區(qū)遭受風蝕危害總體趨于加重，尤其是沙化草原亞區(qū)的風蝕越發(fā)嚴重，而這些區(qū)域正好是遭受土壤風蝕最為嚴重的草原區(qū)，導致整個工程實施期間，除渾善達克沙地亞區(qū)、科爾沁沙地亞區(qū)和大興安嶺南部亞區(qū)有較弱變好趨勢外，其余區(qū)域均有所惡化(見表3及圖2)。

3.4 防風固沙服務功能保有率基本特征及變化趨勢分析

工程實施以來，整個京津風沙源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)防風固沙服務功能保有率均值為0.82(見圖3)，其中大興安嶺南部亞區(qū)、典型草原亞區(qū)、沙化草原亞區(qū)、渾善達克沙地亞區(qū)、晉北山地丘陵亞區(qū)、科爾沁沙地亞區(qū)、農牧交錯帶草原亞區(qū)和燕山丘陵山地亞區(qū)的均值分別為0.868，0.865，0.743，0.860，0.752，0.865，0.825，0.818。高值區(qū)主要分布于燕山丘陵山地亞區(qū)的中部和東部區(qū)域、大興安嶺南部亞區(qū)的西南部、典型草原亞區(qū)的東部和渾善達克沙地亞區(qū)的北部，低值區(qū)主要分布于沙化草原亞區(qū)和晉北山地丘陵亞區(qū)。

表3 2000-2015年京津風沙源區(qū)土壤風蝕模數(shù)變化趨勢 t/(hm2·a)

圖2 2000-2015年京津風沙源區(qū)多年土壤風蝕模數(shù)均值及變化趨勢分布

從表2可以看出，一期工程實施期間，京津風沙源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)防風固沙服務保有率各亞區(qū)整體呈下降態(tài)勢，但沙化草原亞區(qū)中部、晉北山地丘陵亞區(qū)西部等地有所上升；二期工程實施以來，大部分區(qū)域保有率均顯著提升，說明生態(tài)工程措施效果明顯，但沙化草原亞區(qū)、渾善達克沙地亞區(qū)、農牧交錯帶草原亞區(qū)、典型草原亞區(qū)西部和南部區(qū)域仍有所下降。總體來看，整個工程實施期間服務功能保有率除晉北山地丘陵亞區(qū)和燕山丘陵山地亞區(qū)有所上升外，其余區(qū)域均有所下降。

3.5 植被對土壤風蝕的影響

植被生長受溫度、降水、植被自身生長規(guī)律等的影響，不同時段的植被對土壤風蝕的抑制作用不同，有研究表明冬春季植被可以明顯降低農田土壤風蝕量[21]，京津風沙源區(qū)冬春季的風場強度最大，此時的植被覆蓋對風蝕量的削弱作用最顯著。對工程實施以來京津風沙源區(qū)冬春季植被蓋度時空變化以及防風固沙服務功能保有率的時空變化進行相關性研究(見封2，附圖2—3)。研究表明，沙化草原亞區(qū)、農牧交錯帶草原亞區(qū)、晉北山地丘陵亞區(qū)、渾善達克沙地等亞區(qū)的大部分區(qū)域植被冬春季植被覆蓋度與防風固沙服務功能保有率顯著相關(r>0.7，p<0.05)。且從保有率與冬春季植被覆蓋度變化趨勢圖來看，冬春季植被覆蓋度值呈上升趨勢的區(qū)域也是防風固沙服務功能保有率呈上升趨勢的區(qū)域。典型草原亞區(qū)、燕山丘陵山地亞區(qū)大部分區(qū)域的冬春季植被覆蓋度與防風固沙服務功能保有率相關系數(shù)小(r<0.7，p>0.2)，這主要與非風蝕季節(jié)的植被蓋度以及地表枯萎植被蓋度的變化、農田直立殘茬、林地本身枝杈對風蝕顆粒的阻擋等有關。

4 討論與結論

(1) 京津風沙源區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)占地最大(大于63%)，其次為林地(約16%)和農田(約14%)。就各亞區(qū)生態(tài)系統(tǒng)而言，大興安嶺南部亞區(qū)和農牧交錯帶草原亞區(qū)以農田和草地生態(tài)系統(tǒng)為主；典型草原亞區(qū)、沙化草原亞區(qū)和渾善達克沙地亞區(qū)均以草地生態(tài)系統(tǒng)為主；晉北山地丘陵亞區(qū)和燕山丘陵山地亞區(qū)以農田、森林和草地生態(tài)系統(tǒng)為主；科爾沁沙地亞區(qū)以農田、森林、草地和沙地生態(tài)系統(tǒng)為主。就冬春季植被覆蓋度而言，低值區(qū)分布于荒漠草原亞區(qū)、晉北山地丘陵亞區(qū)、農牧交錯帶草原亞區(qū)西部和典型草原亞區(qū)西北部；高值區(qū)分布于燕山丘陵山地亞區(qū)。

圖3 2000-2015年京津風沙源區(qū)多年防風固沙服務功能保有率均值及變化趨勢分布特征

(2) 土壤風蝕的空間分布特征揭示了風蝕防治的重點區(qū)域。工程實施以來，多年平均土壤風蝕量為7.87億t，以侵蝕面積占全區(qū)14.02%的微度和63.44%的輕度侵蝕為主，京津風沙源的風蝕防治區(qū)重點在以草地和沙地為主的沙化草原亞區(qū)、渾善達克沙地亞區(qū)和科爾沁沙地亞區(qū)。

(3) 一期工程實施期間的土壤風蝕量總體呈逐年減小趨勢。其中沙化草原亞區(qū)、渾善達克沙地亞區(qū)和科爾沁沙地亞區(qū)土壤風蝕量下降較為明顯，變化趨勢分別為-3.14，-0.69，-0.55 t/(hm2·a)；典型草原亞區(qū)中部、大興安嶺南部亞區(qū)北部、燕山丘陵山地亞區(qū)土壤風蝕量有所增加。二期工程實施以來，風沙源區(qū)遭受風蝕危害又逐漸加重，尤其是沙化草原亞區(qū)，該區(qū)風蝕模數(shù)變化趨勢達到了8.96 t/(hm2·a)。

(4) 就防風固沙服務功能保有率而言，整個風沙源區(qū)均值達到了0.82，低值區(qū)主要分布于沙化草原亞區(qū)(0.743)和晉北山地丘陵亞區(qū)(0.752)。一期工程實施期間，除沙化草原亞區(qū)中部、晉北山地丘陵亞區(qū)西部等地有所上升外，各亞區(qū)的防風固沙服務功能保有率整體呈下降態(tài)勢。二期工程實施以來，大部分區(qū)域保有率均顯著提升，這與二期工程實施期間，全區(qū)全年植被覆蓋度及冬春季植被覆蓋度整體呈上升趨勢的結果一致，值得注意的是沙化草原亞區(qū)、渾善達克沙地亞區(qū)、農牧交錯帶草原亞區(qū)、典型草原亞區(qū)西部和南部區(qū)域有所下降，在今后工程治理中應特別注意。

(5) 沙化草原亞區(qū)、農牧交錯帶草原亞區(qū)、晉北山地丘陵亞區(qū)、渾善達克沙地等亞區(qū)的大部分區(qū)域植被冬春季植被覆蓋度與防風固沙服務功能保有率顯著相關，其余區(qū)域的冬春季植被覆蓋度與防風固沙服務功能保有率相關性小，這主要與非風蝕季節(jié)的植被蓋度及枯萎植被覆蓋度的變化、農田直立殘茬、林地枝杈本身對風蝕顆粒的阻擋等情況有關。

(6) 總體而言，京津區(qū)植被狀況較差區(qū)域是遭受風蝕力最強的區(qū)域，而東部的典型草原區(qū)等草地植被覆蓋度相對較大區(qū)域受風蝕力的影響相對較小。此外冬春季節(jié)植被覆蓋度低，不能很好發(fā)揮防治土壤風蝕的作用，使得土壤流失率較高。如何提高好風速較大時期的植被生長較差區(qū)域的植被覆蓋度是防治風蝕的關鍵。

(7) 文中風蝕量的估算是基于RWEQ模型，而該模型是基于美國農田區(qū)域試驗形成的經驗方程，其中很多因子都需要進行本地化調整，如風速的高度值的改變，土地粗糙度的區(qū)域尺度的考量，土壤結皮和可蝕性因子計算時的土壤粒度分級轉換等問題都是需要進一步深入探究的。