基于生態功能退化驅動的生態修復分區策略

田美榮　高吉喜　申陸　李曉宇

摘要：明確生態退化及其驅動因素的空間分布，是有針對性開展生態調控修復的前提。圍繞生態功能退化、自然驅動力、經濟社會驅動力，運用地理信息再編碼疊加分析技術、生態分區技術等，構建生態退化驅動空間分布識別模型，并以渾善達克防風固沙功能區為例，基于防風固沙生態功能退化空間差異性分析，以生態調控理論為指導，提出重點治理、調控治理、預防治理、維護治理的生態修復分區策略，并根據生態功能退化自然驅動與經濟社會驅動復合空間分布特征，針對不同區域提出具體的生態調控修復方案。結果顯示，重點治理區主要分布在渾善達克西部和東北部地區，主要包括蘇尼特右旗、蘇尼特左旗、鑲黃旗、克什克騰旗、多倫縣與圍場滿族蒙古族自治縣部分區域，植被、地形、畜牧業的發展水平是其防風固沙功能退化的主要驅動力。

關鍵詞：調控修復;生態退化;驅動力;空間差異;渾善達克沙地

中圖分類號： X171.4文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）08-0252-04

隨著經濟社會發展，生態環境現狀不容樂觀。生態退化是目前全球所面臨的主要環境問題，并嚴重阻礙社會經濟的持續發展[1]，因此，生態恢復和重建成為當前生態學研究的熱點[2]。但目前生態修復過程中存在重植被、輕功能，重手段、輕效益，重局部、輕區域等問題[3]，只有以區域為視角，以提升生態系統的生態功能為目的，以采用生態修復工程與經濟社會調控相結合的生態修復調控手段，才能從根本上解決生態問題，明晰生態功能退化空間分布及其驅動力因素空間異質性，是有針對性地開展生態調控修復的前提。

渾善達克沙漠化防治生態功能區地處生態環境脆弱的東亞夏季風北緣，是我國北方生態環境屏障的重要組成部分，土壤風蝕是渾善達克沙漠化防治生態功能區面臨的重要生態環境問題，因此防風固沙功能是主導生態功能。土壤風蝕模型是防風固沙功能分析的重要技術手段，主要風蝕模型包括風蝕方程（WEQ）[4]、基于風速廓線發育的德克薩斯侵蝕分析模型（TEAM）[5]、前蘇聯涉及人類活動因素的Bocharov模型[6]、修正風蝕方程模型（RWEQ）[7-8]以及以過程為基礎的風蝕預報系統（WEPS）[9]，由于RWEQ模型因子具有覆蓋全面、構成相對簡單、數據易于獲取等優勢[10]，因此其應用更為廣泛[11]。

為了更好地闡明渾善達克沙漠化防治生態功能區防風固沙情況，指導區域的土地沙化防治，本研究選用RWEQ模型分析渾善達克沙漠化防治生態功能區防風固沙功能的時空變化格局，針對研究區功能退化驅動力[12]問題，通過再編碼技術對主導自然驅動力的因子進行分析，運用主成分分析方法對主導經濟社會驅動力的因子進行研究。在明確防風固沙功能退化空間分布及自然和經濟社會驅動力空間異質性的基礎上，探索防風固沙功能區生態調控修復分區識別模型，對功能區進行生態調控修復分區識別，并對相應分區提出防風固沙功能生態修復調控方案。

1研究區概況

渾善達克沙地防風固沙功能區位于40.7°～45.5°N，111.1°～118.5°E之間，東南高西北低，東北部多河流，總面積約為16.81萬km2，行政區包括河北省與內蒙古自治區，屬于中緯度半干旱、干旱大陸性季風氣候區，冬季漫長寒冷，夏季短促溫熱少雨，降水主要集中在7—9月，其間的降水量占全年的80%～90%，降水季節分配不均，年變化率大。主要災害性天氣有干旱、冰雹、寒流、大風及沙塵暴等[13]。沙漠化是渾善達克沙地面臨的主要環境問題[14]。

2研究方法與數據來源

2.1防風固沙功能分析方法

在充分考慮氣侯條件、植被覆蓋狀況、土壤可蝕性、土壤結皮、地表粗糙度等要素情況下，選用RWEQ模型評估研究區防風固沙量，其計算公式如下：

SR=2·z[]S2Qmax·e-（z/s）2;（1）

S=150.71×[WF×EF×SCF×K′×（1-C）-0.371 1];（2）

Qmax=109.8×[WF×EF×SCF×K′×（1-C）]。[JZ）]（3）

式中：SR表示防風固沙量（kg/m2）;Z表示地塊長度（m）;s表示關鍵地塊長度（m）;S表示區域防風固沙系數;Qmax表示風沙最大滯留量（kg/m）;C表示植被覆蓋因子。

（1）氣象因子（WF）計算公式如下：

WF=WE×ρ[]g×SW×SD;（4）

WE=u2×（u2-u1）2×Nd;（5）

SW=ETp-（R+I）（Rd/Nd）[]ETp。（6）

式中：WF表示氣象因子;WE表示風場強度因子;ρ表示空氣密度（kg/m3）;g表示重力加速度（m/s2）;SW表示土壤濕度因子;SD表示雪蓋因子（無積雪覆蓋天數/研究總天數），定義雪蓋深度小于25.4 mm為無積雪覆蓋[15];u2表示監測風速（m/s）;u1表示起沙風速（m/s）;Rd表示降雨次數和（或）灌溉天數;Nd表示計算周期天數;R表示平均降水量（mm）;I表示灌溉量（本研究取0）。對原修正風蝕方程模型（RWEQ模型）進行修正，起沙風速數據參考已有學者的起沙風速數據代替原模型中假設起沙風速（5 m/s）;模型氣候風蝕因子中潛在蒸發量的計算采用更適合我國北方的輻射估算法（MK方法）[16]。

ETp=0.7×Δ[]Δ+γ×Rs[]λ;（7）

γ=1.013×10-3×P[]0.622×λ;（8）

λ=2.501-0.002 361×T;（9）

P=101×[JB（（]293-0.006 5h[]293[JB））]5.26;（10）

Δ=4 096×[JB（[]0.610 8×exp[JB（（]17.27×T[]T+273.3[JB））][JB）]][]（T+273.3）2。（11）

式中：ETp為潛在蒸發量（cm/d）;Rs表示太陽輻射量[MJ/（m2·d）];Δ 表示飽和水汽壓與氣溫曲線的斜率（kPa/℃）;γ表示干濕表常數;λ表示蒸發的潛熱系數;P表示大氣壓強 （kPa）;T表示平均氣溫（ ℃）;h表示海拔高度（m）。

氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http：//cdc.cma.gov.cn）提供的2000年、2010年國家臺站數據，并應用地理分析軟件ArcGIS運用自然鄰域（natural neighbor）插值方法進行插值。雪蓋因子利用中國西部環境與生態科學數據中心（http：//westdc.westgis.ac.cn）提供的中國雪深長時間序列數據集[17-18]進行計算。起沙風速的數據參考文獻[19-22]。

（2）土壤可蝕性因子（EF）計算公式如下：

[HT9.，8.]EF=29.09+0.31sa+0.17si+0.33（sa/cl）-2.59OM-0.95CC[]100。（12）

式中：EF表示土壤可蝕因子;sa表示土壤粗沙含量（%）;si表示土壤粉沙含量（%）;cl表示土壤黏粒含量（%）;OM表示有機質含量（%）;CC表示土壤中碳酸鈣含量（%）。

（3）土壤結皮因子（SCF）計算公式如下：

SCF=1[]1+0.006 6（cl）2+0.021（OM）2。（13）

式中：SCF表示土壤結皮因子。

土壤顆粒含量和有機質含量數據土壤數據來源于中國西部環境與生態科學數據中心（http：//westdc.westgis.ac.cn）提供的1 ∶100萬土壤圖以及所附的土壤屬性表[23]。

（4）地表粗糙度因子（K′）計算公式如下：

K′=cosα。（14）

式中：α表示地形坡度，依據地形圖，利用ArcGIS軟件Slope工具獲得地形坡度。

（5）植被蓋度因子（C）計算公式如下：

C=exp[JB（（]-α×NDVI[]β-NDVI[JB））]。（15）

式中：α、β為常數系數，其中α為2，β為1;NDVI為歸一化植被指數。

2.2自然驅動力分析方法

以各要素（植被蓋度、氣候因子、土壤可蝕性、地表粗糙度）數據計算結果為基礎，基于地理信息再編碼疊加分析方法，將各指標分別劃分為4個等級并重置代碼賦值，代碼賦值依據不同要素所處組合代碼位數不同，同一要素內對土壤風蝕影響程度較大的賦值較大的原則，通過空間疊加方法進行處理。結合2000年、2010年數據進行疊加分析，再對各區域主導因素進行分類[10]，得到渾善達克防風固沙功能區自然影響要素組合列表（表1）。

2.3經濟社會驅動力分析方法

本研究綜合渾善達克防風固沙功能區內15個縣（旗）的年統計指標，通過主成分分析法、聚類分析方法從經濟社會的角度分析該地區土地利用的社會驅動力，歸納關鍵因子[24]。

2.4生態修復模式識別模型

按照防風固沙功能變化，確定修復方向集，根據判定標準（表2），將研究區分為4類：重點治理區（G1）、調控治理區（G2）、預防治理區（G3）、維護治理區（G4）。

在明確防風固沙功能修復程度空間分區基礎上，根據自然因素、社會經濟因素影響重要性分級，明確每一修復區域防風固沙功能降低驅動的主導因素（表3）。

3結果與分析

3.1基于防風固沙功能修復分區

依據防風固沙功能計算模型，計算2000年、2010年防風固沙量與變化數據，并運用ArcGIS對功能數據進行疊加分析，分析功能區內研究期間防風固沙功能大小與變化情況，根據表2指標標準，進行生態修復分區。由圖1可知，重點治理區主要集中在功能區西部與東部地區，所占面積較大;調控治理區主要集中在功能區西部與中部地區，所占面積僅次于重點治理區;預防治理區重要分布在功能區南部以及北部局部地區，成為功能區調控治理區與維護治理區的緩沖區域;維護治理區主要集中在功能區南部邊緣。

3.2自然與社會經濟驅動要素空間分類劃定

依照RWEQ模型計算的氣候侵蝕力、土壤侵蝕力、植被蓋度、地形因子等要素，應用重編碼技術進行聚類分析，對防風固沙自然驅動力要素進行分析（圖2）;同時利用社會影響驅動力因素劃分社會驅動力影響因素分區（圖3）。

由數據結果分析可知，研究期間防風固沙功能影響因素較多，經聚類分析，將防風固沙功能自然影響要素分為了四大組合類型，分別為S1：植被、土壤、地形影響因素組合;S2：植被、氣候、地形影響因素組合;S3：植被、地形影響因素組合;S4：多因素共同影響組合。可見功能區防風固沙功能均受到植被要素和地形要素的影響，但各因素影響貢獻有所不同。由圖2可知，防風固沙空間分布圖受植被覆蓋度、氣候侵蝕力、地形因素共同影響的區域面積較大，分布較廣，功能區中部地區受到渾善達克沙地的影響，主要受到植被覆蓋度、土壤侵蝕力、地形因素的共同影響。從圖3中可見，功能區西部與中部大部分地區主要受到畜牧業發展水平驅動力的影響。

4防風固沙功能修復分區策略

4.1重點治理區

重點治理區面積較大，自然因素影響分布較為廣泛，社會經濟驅動力主要受到畜牧業發展水平的影響，如蘇尼特右旗、蘇尼特左旗、克什克騰旗、圍場滿族蒙古族自治區等部分地區。防風治沙重點應放在適應地區自然條件，包括土壤屬性、氣候因素在內的自然因素的調節，把畜牧業的發展與本地區自然條件相結合，尋求防止土壤風蝕擴展與畜牧業發展的平衡。宜用模式包括圍欄封育、綜合配套措施等修復模式，調整“進一退二還三”戰略，把“退、還”放在突出位置，重點治理，加大退耕還林還草還牧力度。

4.2調控治理區

調控治理區主要分布在功能區中部地區，主要受到植被覆蓋度以及功能區中部渾善達克沙地土壤特性的影響，社會經濟驅動力主要受到畜牧業發展水平的影響，如阿巴嘎旗、鑲黃旗、正鑲白旗、正藍旗、多倫縣等部分地區。該區防沙治沙的重點在于進一步固定流沙。建立林網固沙體系，形成片林、林帶、林網相結合、多層次、多功能的固沙防護結構。科學規劃適宜種植密度和種植結構，引用先進技術綜合管理，合理利用水資源，改善關鍵區域植被蓋度，提高區域防風固沙能力。

4.3預防治理區

預防治理區主要分布在功能區中部地區，主要受到植被覆蓋度以及多種自然因素共同的影響，社會經濟驅動力主要受到經濟發展水平的影響，如康寶縣、太仆寺旗、正藍旗等部分地區。該地區生態條件較好，以發展牧業為主，為了保證廣大草牧場的可持續發展，堅持以水為重點、以草為中心，實行農林牧綜合開發建設模式，在尋求改善牧場環境的基礎上，力爭提高產草量，促進畜牧業的發展。在防風治沙工作的基礎上，恢復和建設草場植被，發展畜牧業，使天然草原的載畜量得到合理控制，走上生態畜牧業的道路。

4.4維護治理區

維護治理區防風固沙功能較好，自然條件主要受植被覆蓋度影響，社會經濟驅動力主要受到投入產出強度水平的影響，如張北縣、尚義縣、沽源縣、豐寧滿族自治縣等地區。維護治理區應在維護區域植被蓋度的同時，因地制宜地，采用較成熟的生態理論模式發展如“水、草、林、機、糧（料）”五配套綜合治理措施;發展“四位一體”庭院生態經濟，以庭院為單位充分利用太陽能、沼氣。

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