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)服務流是在自然和社會作用驅(qū)動下，生態(tài)系統(tǒng)服務從供給區(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)服務流分為原位服務流、全向服務流和定向服務流3類。近年來，隨著生態(tài)系統(tǒng)服務研究的深入，有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務流的研究逐漸增多，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)服務的輻射范圍。因此，需要對生態(tài)系統(tǒng)服務從產(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)服務產(chǎn)生的輻射效應。

2010年國務院正式發(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)防風固沙服務功能得到有效提升[11]。防風固沙服務作為防護型生態(tài)服務，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)效應不應局限于特定區(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)于防風固沙服務流動效應的研究包括防風固沙服務流的區(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)的防風固沙服務空間流動研究，對于甄別生態(tài)屏障地區(qū)防風固沙服務成效和促進干旱地區(qū)防風治沙工程建設具有重要意義。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[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。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)域沙塵災害發(fā)生的范圍和強度效應[19]。為客觀分析遼西北地區(qū)防風固沙服務跨區(qū)域流動及產(chǎn)生的輻射效應，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防風固沙服務流動路徑，識別與計算防風固沙服務的輻射區(qū)和輻射效應，創(chuàng)建研究區(qū)防風固沙服務量和輻射區(qū)防風固沙服務輻射效應的時空聯(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，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，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，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)的乘積應小于數(shù)據(jù)柵格單元(Lg)：

Vmax×Δt

(10)

1.3.3防風固沙服務輻射區(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防風固沙輻射效應評估

輻射效應通過減少沙塵量(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)防風固沙服務空間流動路徑方位分布

2.3 防風固沙服務輻射區(qū)與輻射效應

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

表2 遼西北地區(qū)防風固沙服務輻射區(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較高。表 3顯示，整體來看，遼西北地區(qū)防風固沙服務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)防風固沙服務輻射效應

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，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)。防風固沙服務供給研究是防風固沙服務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)效應主要表現(xiàn)為縮小下風向沙塵災害發(fā)生的范圍并減輕強度效應，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為509.61萬t，占總量的85.25%。

防風固沙服務輻射效應研究在維護區(qū)域完整性、促進生態(tài)平衡、減輕自然災害、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?；诖?，針對接受到防風固沙服務的輻射區(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而耗費的發(fā)展成本，為防風固沙服務的區(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)的防風固沙服務輻射效應進行分析，未對海域及中國境外輻射效應進行分析，使得防風固沙服務輻射范圍偏小，未來研究應擴大輻射范圍以形成更大空間尺度上的防風固沙服務流動體系。

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)防風固沙服務流動路徑，識別與計算防風固沙服務的輻射區(qū)和輻射效應，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條防風固沙服務流動路徑。防風固沙服務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為509.61萬t，占總量的85.25%。