遼西北地區防風固沙輻射效應空間差異研究

王 耕, 張紅玉

(遼寧師范大學 地理科學學院, 遼寧 大連 116029)

風域生態系統指以風為傳播介質所形成的生態單元，從發生學角度講，是以空氣為載體，以大氣運動作為物質流傳播方式，形成的復雜的多功能區域綜合體[1]。風域中，風蝕產生的沙塵會隨風運移，由于途經各生態功能體數量或空間布局不合理，沙粒沒有有效截留，沙塵沿特定遷移路線在各個功能體上不斷累積，引發風域下風向城市沙塵暴問題，威脅城市生態安全，影響居民生活質量。在風沙源區，植被可以消減大風對土壤表層顆粒吹揚，使范圍內風域生態系統結構與過程處于不受或少受破壞的狀態，同時避免或減少下風向區域沙塵災害發生[2]，這種輻射效應使得防風固沙功能可以在比其棲息地大得多的范圍內產生經濟價值[3]，所以分析防風固沙功能的輻射效應就顯得尤為重要。防風固沙功能輻射范圍受風速、土壤粒徑等因素影響，輻射強度最直觀體現在下風向區沙塵沉降量的減少[4]。防風固沙功能具有空間流動性，以往的研究多注重防風固沙功能區域差異、時空變化規律及驅動力分析，但防風固沙作為流動性功能，著重于實現不同區域之間相互促進、共同發展，應從整體性、綜合性、動態性方面分析其區際生態聯系[5]。分析風域生態系統防風固沙的輻射效應，有利于防風固沙生態屏障的建設與改善，同時為決策者因地制宜地進行生態環境保護與生態建設提供科學依據。

防風固沙量的評估是防風固沙功能輻射效應研究的基礎，主要通過風蝕模型進項估算。20世紀60年代，國外先后開發了通用風蝕方程(WEQ)[6]、德克薩斯侵蝕分析模型(TEAM)[7]、修正風蝕方程模型(RWEQ)[8]和風蝕預報系統(WEPS)[9]等，我國防風固沙評估模型研究進展較慢，在1998年由董治寶[10]提出首個風蝕流失量模型。目前修正風蝕方程(RWEQ)是評估防風固沙功能的主要技術手段[11]，如王洋洋等[12]基于RWEQ模型，對2000—2015年寧夏草地防風固沙服務功能進行了定量化的估算；申陸等[13]利用RWEQ模型定量分析了渾善達克地區多年間防風固沙能力的變化以及其內在驅動力。RWEQ模型能夠較準確地估算防風固沙量，而且廣泛應用于中國北方防風固沙功能研究。基于此，本文應用RWEQ模型，針對2015年遼西北地區二期治沙工程后生態系統防風固沙功能及其空間流動產生的輻射效應進行評估，有助于辨識影響風域生態系統服務傳遞的關鍵區位，為未來生態治理提供針對性方案，提高風域生態系統上風向與下風向區生態服務功能的協調與修復效率，并為區域生態補償政策制定提供科學依據，是實現可持續發展與保障區域生態安全的重要途徑。

1 研究區概況

從風域生態系統來看，遼西北風域生態系統從上風向至下風向可依次劃分為沙塵源區、防風固沙區、沙塵影響區，其中風沙源區主要處在內蒙古自治區的科爾沁沙地和渾善達克沙地，遼西北地區是防風固沙區，指遼寧省的西北部，位于118°56′—125°06′E，40°58′—43°26′N，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45 539 km2。該區處于亞干旱氣候區，以溫帶大陸性季風氣候為主，夏季受暖濕的西南季風的影響，炎熱多雨，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，春秋兩季受單一氣團控制，多大風少降水，春季蒸發快且多大風天氣，容易形成春旱。年平均降水量為400～800 m，年平均蒸發量為1 000～1 500 mm，年平均氣溫7.4～9.5℃，年日照時數2 823～2 944 h，年平均風速為3.7～4.6 m/s，冬春兩季大風頻率可占全年的65%～80%[14]。地形以山地丘陵為主，大體呈現自西南向東北階梯式降低的格局[15]。土壤受地形、氣候、成土母質、植被、社會等影響，種類繁多，大體分為森林土、風沙土、草甸土、鹽漬土，容易遭受土壤風蝕，水土流失嚴重，生態環境脆弱。

由于地形和氣候原因，遼西北地區植被稀少、荒山遍布、十年九旱，常常是漫天風沙。為加強草原沙化治理，恢復和保護草原生態環境，針對遼西北土地沙化嚴重地區開展草原沙化治理一期工程(2009—2011年)，2012年，再利用4 a時間在原有基礎上實施遼西北草原沙化治理二期工程(2012—2015年)，治理遼西北地區沙化、退化草原4.6×105hm2，沙化草原植被蓋度提高到65%以上[16]，遼西北實現了綠進沙退的逆轉，形成沿科爾沁沙地南緣網狀分布的草原阻沙帶，初步遏制草原沙化、退化勢頭，為遼寧中部城市群建起一道綠色屏障。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

為反映“十三五”期間遼西北地區防風固沙生態服務功能差異，選取沙化治理二期工程后的數據。用于計算土壤濕度和氣象因子的氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.cn/)的氣象站數據，包括2015年月均風速、降水、氣溫、日照時數等通過數據插值得到。雪蓋因子利用中國科學院旱區寒區科學數據中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)的2015年中國雪深長時間序列數據集計算。土壤數據來源于中國科學院旱區寒區科學數據中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)的1∶100萬土壤圖，以及所附的土壤屬性表和空間數據。數字高程模型(DEM)來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)。遼西北地區2015年NDVI數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http:∥www.gscloud.cn)。

2.2 研究方法

2.2.1 防風固沙量估算 在充分考慮風速[17]、土壤[18]、地形[19]、植被[20]等要素情況下，應用修正風蝕方程模型(RWEQ)計算研究區裸土條件下潛在風蝕量和植被覆蓋條件下的實際風蝕量，取二者之差作為生態系統防風固沙量[21]。

(1)

S′=150.71(WF·EF·SCF·K′)-0.3711

(2)

(3)

Qmax=109.8(WF·EF·SCF·K′·C)

(4)

S=150.71(WF·EF·SCF·K′·C)-0.3711

(5)

(6)

G=SL′-SL

(7)

(1) 氣象因子。氣象因子(WF)即風速、溫度及降雨等各類氣象因子對風蝕綜合影響的反映，其表達式如下:

(8)

Wf=u2(u2-u1)2·Nd

(9)

式中：WF為氣象因子(kg/m)；Wf為風力因子(m/s3)；g為重力加速度(m/s2)；ρ為空氣密度(kg/m3)；SW為土壤濕度因子；SD為雪蓋因子；u1為起沙風速(m/s)，本次計算取5 m/s[22]；u2為氣象站月均風速值(m/s)；Nd為各月風速大于5 m/s的天數。

(2) 土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子(EF)是一定土壤理化條件下土壤受風蝕影響大小[23]，其表達式如下：

(10)

式中：sa為土壤砂粒含量(%)；si為土壤粉砂含量(%)；cl為土壤黏粒含量(%)；OM為土壤有機質含量(%)；c2為碳酸鈣含量(%)。

(3) 土壤結皮因子。土壤結皮因子(SCF)即在一定土壤理化條件下土壤結皮抵抗風蝕能力的大小[23]，其表達式如下：

(11)

式中：cl為土壤黏粒含量(%)；OM為土壤有機質含量(%)。

(4) 植被因子。植被覆蓋因子(C)表示一定植被條件對風蝕的抑制程度[24]，其表達式如下：

C=e-0.0438SC

(12)

(13)

式中：SC為植被覆蓋度(%)；NDVI，NDVIMAX，NDVIMIN分別為NDVI實際值、最大值及最小值。

(5) 地表糙度因子。地表糙度因子(K′)是由地形所引起的地表粗糙程度對風蝕影響的反映[25]，其表達式如下：

K′=e(1.86Kr-2.41Kr0.934-0.127Crr)

(14)

(15)

式中：Kr為土壟糙度(cm)；Crr為隨機糙度；K′為地形糙度因子(cm)；L為地勢起伏參數；ΔH為距離L范圍內海拔高度差(cm)。

2.2.2 輻射距離估測 根據沙塵粒子自沙面外移后在空中傳輸距離的經驗公式[26]，評估不同粒徑沙塵在大風環境下的水平傳輸距離，利用ArcGIS將其作為緩沖區，在此基礎上沿遼西北地區邊界選取主頻風向線，作為遼西北地區防風固沙功能的輻射范圍[27]。

(16)

式中：L為沙塵粒子傳輸距離(km);ε為湍流交換系數;μ為運動黏性系數;u為大風風速(m/s);σ為沙粒密度(kg/m3);d為沙粒直徑(μm);g為重力加速度(m/s2)。

2.2.3 輻射效應估算 減少沙塵量(Qp)是指因植被防風固沙功能而減少風蝕作用對周邊區域降落沙塵的物質量。

Qp=A·G·(d<0.002+d0.002～0.02)

(17)

式中：A為研究區面積(m2);G為防風固沙量(kg/m2);d<0.002和d0.002～0.02分別為粒徑小于0.002 mm和0.002～0.02 mm的土壤顆粒含量。

3 結果與分析

3.1 防風固沙功能空間分布特征

為揭示遼西北防風固沙功能空間差異，依據生態系統服務功能評估分級，將研究區防風固沙服務功能重要性差異劃分為“一般重要”“重要”和“極重要”3個等級[28](圖1)。

圖1 遼西北地區防風固沙功能重要性

結果表明，遼西北防風固沙功能一般重要區主要在科爾沁沙地南緣內陸部分，約占研究區面積的43.07%；重要區受海洋暖濕氣的影響主要分布在研究區南部，約占研究區面積的44.38%；另外，分布有12.55%極重要區，主要位于遼河、大凌河、饒陽河流域附近，整體呈現南北較強、中部較弱的空間分布特征。

3.2 不同市縣防風固沙功能差異

受到氣候、土壤、地形、植被、人類活動等諸多因素的影響，不同市縣的防風固沙功能具有空間差異性[29](圖2)。基于評估結果，2015年遼西北草原沙化治理完成二期工程后防風固沙量3.754×107t。阜新蒙古族自治縣防風固沙量最高(4.82×106t)，貢獻了全區防風固沙量的12.84%；其次為朝陽縣(4.69×106t)和建平縣(4.38×106t)，分別供給了12.49%，11.67%的防風固沙量；北票市、凌源市和昌圖縣防風固沙量較高；開原市、喀喇沁左翼蒙古族自治縣、彰武縣、法庫縣、西豐縣、鐵嶺縣和康平縣防風固沙量較低；調兵山市防風固沙量最低(3.8×105t)，占防風固沙總量的1.01%，主要因該地區面積較小所致。從防風固沙能力來看，調兵山市最高(1 310.34 t/km2)，其次為凌源市(1 083.01 t/km2)和喀喇沁左翼蒙古族自治縣(1 062.38 t/km2)，朝陽縣、建平縣、鐵嶺縣、法庫縣和北票市防風固沙能力分布在831.64～996.81 t/km2；阜新蒙古族自治縣、西豐縣、開原市和昌圖縣防風固沙能力低于平均值分布在708.34～742.11 t/km2；相比之下，康平縣和彰武縣防風固沙能力較低，分別為588.82，580 t/km2。主要原因是地處科爾沁沙地南緣，植被覆蓋度差且脆弱，降水量少，蒸發量大，水土保持能力差，實際土壤風蝕量較高，因而實際發揮的防風固沙能力較低。

圖2 遼西北地區不同市縣防風固沙功能

3.3 沙塵粒子傳輸范圍

根據研究區氣象觀測數據，將風向分為8個方位，統計研究區2015年主導風向為西南風，頻率為41.37%，其次為西北風和東北風，頻率分別為21.64%，20.82%。同時，研究區沙塵及大風天氣多發生在春季，春季西南風頻率為48.91%，所以將西南風視為主導風向，分析了西南風作用下沙塵粒子的傳輸范圍。利用ArcGIS軟件獲取研究區沙塵粒子的傳輸范圍(圖3)。結果顯示，研究區粒徑為10 μm的沙塵可以傳輸1 250 km，包括延邊朝鮮族自治州、牡丹江市、雞西市等地區，涉及21個市(自治州)，輻射面積達2.795×105km2；粒徑為20 μm的沙塵能傳輸117 km，包括四平市、撫順市、葫蘆島市等17個地級市，面積9.31×104km2。

圖3 防風固沙功能輻射效應空間分布

3.4 防風固沙輻射效應評估

2015年研究區風域生態系統減少東北地區沉積量為1.877×107t，單位面積減少沉積量為50.38 t。分析風域生態系統防風固沙功能輻射到東北不同地級市的情況(表1)，其中延邊朝鮮自治州享受到的輻射效應最大，減少沙塵量為2.03×106t，占總效應的10.82%，其次為牡丹江市和哈爾濱市等，伊春市享受的輻射效應最小，沙塵量減少為1.1×103t，占總效應的0.005%。

表1 各區域輻射面積和輻射效應

4 討論與結論

4.1 討 論

遼西北地區作為阻止科爾沁沙地、渾善達克沙地沙塵侵入東北平原最前沿、最重要的生態屏障[30]，在區域防風固沙中發揮著顯著作用。遼西北地區防風固沙功能具有空間差異性，整體呈現南北較強、中部較弱的空間分布特征，主要原因是研究區北部水系分布集中且是灌溉農業區，中部大片沙地、荒漠化現象嚴重且大風頻繁，而南部因為其下墊面多為林地及河渠，風沙活動少，實際土壤風蝕量小，防風固沙能力高。因此，在今后的生態建設過程中，可以把重點放在容易發生土壤風蝕地區，監測其生態環境，以有效提高整體生態系統防風固沙功能。

遼西北草原沙化治理二期工程加快推進科爾沁沙地南緣沙化、荒漠化專項治理，改善遼西北地區生態環境，同時防風固沙功能輻射到東北不同地級市，產生的輻射效應影響到的最遠距離為1 250 km，涉及域外面積達3.726×105km2，其中延邊朝鮮自治州享受到的輻射效應最大，減少沙塵量為2.03×106t，占總效應的10.82%，其次為牡丹江市和哈爾濱市等，伊春市享受的輻射效應最小，沙塵量減少為1.1×103t，占總效應的0.005%。明確了遼西北風域生態系統防風固沙功能輻射效應的受益主體，防風固沙功能的流動大大減少了下風向地區沙塵的沉積量，為制定生態補償政策提供科學依據，從而協調區域生態、經濟、社會可持續發展。本文僅研究了防風固沙功能在其下風向地區的直接效應，而防風固沙功能不僅減少了下風向區的沙塵侵害，同時對生命健康、農業、交通等產生積極影響，可以促進下風向區域經濟社會的持續發展，并由此帶來更為深遠的間接效應。因此，如何全面系統的評估風域生態系統防風固沙的輻射效應，今后需要進一步探討。

4.2 結 論

(1) 受氣候、土壤、地形、植被等因素影響，遼西北地區防風固沙功能空間差異性較大。防風固沙功能極重要區和重要區主要分布在河流沿岸以及暖濕氣候區域，而一般重要區位于沙地荒漠等區域，防風固沙功能較弱。

(2) 從市縣來看，阜新蒙古族自治縣、朝陽縣、建平縣、北票市和凌源市提供的防風固沙量占總量的56.5%，是防風固沙功能的主要供給區，不過調兵山市、凌源市和喀喇沁左翼蒙古族自治縣防風固沙能力較高，未來需重點提升中部地區如彰武縣、康平縣防風固沙功能。

(3) 遼西北防風固沙功能可以輻射到延邊朝鮮族自治州、牡丹江市、哈爾濱市、吉林市等27個市，減少下風向區域的沙塵沉降量1.877×107t，輻射面積3.726×105km2，是遼西北地區自身面積的8.18倍，可見遼西北生態系統防風固沙功能具有很強的輻射效應，加強該地區林草生態系統建設，對于提高東北地區的城市生態安全以及居民生活質量具有現實意義。