鄂爾多斯黃河流域荒漠生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙的功能價值評估

任 昱,魏春光,王彥廣,趙 政

(鄂爾多斯生態(tài)環(huán)境職業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

0 引言

鄂爾多斯荒漠化防治肩負(fù)著推動黃河流域生態(tài)保護(hù)、高質(zhì)量發(fā)展、統(tǒng)籌推進(jìn)山水林田湖草沙系統(tǒng)治理的重任。由于生態(tài)工程的特殊性,庫布其沙漠的經(jīng)濟(jì)效益難以量化評價,已有研究主要從生態(tài)效益與社會效益兩個層面評價,不夠全面。生態(tài)工程實(shí)施后,應(yīng)通過生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能來量化評價生態(tài)措施的價值,將生態(tài)效益、社會效益與經(jīng)濟(jì)效益有機(jī)融合。近年來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究逐步成為生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),并作為科學(xué)術(shù)語逐漸被納入生態(tài)學(xué)及經(jīng)濟(jì)生態(tài)學(xué)研究范疇。

以Costanza等為代表的學(xué)者認(rèn)為,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以生態(tài)系統(tǒng)的開放性為基礎(chǔ)和前提,是生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品與生態(tài)系統(tǒng)功能的統(tǒng)一[1]。生態(tài)系統(tǒng)為人類提供各種資源及產(chǎn)品,在維持生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量流動的動態(tài)平衡等方面發(fā)揮無可替代的重要作用[2]。隨著對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的逐漸深入,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估進(jìn)一步受到重視。20世紀(jì)90年代起,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估不僅成為生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[1,3-5],且引起各類國際組織的高度重視。國內(nèi)外學(xué)者針對不同類型的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估核算,探究了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的理論與方法。目前,學(xué)者在森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)方面開展的服務(wù)價值研究較多[6-11],而荒漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的相關(guān)研究仍處于探索階段,研究成果多見于定性描述,定量分析與系統(tǒng)性研究的成果較少,關(guān)于定量估算黃河流域荒漠生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能價值的研究更是鮮有報(bào)道。

風(fēng)是荒漠生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)沙活動與沙物質(zhì)輸移的主要外營力,風(fēng)沙活動造成的風(fēng)蝕搬運(yùn)對荒漠生態(tài)系統(tǒng)的植被與土壤影響巨大,故防風(fēng)固沙功能是荒漠生態(tài)系統(tǒng)提供的生態(tài)服務(wù)中最為突出的功能,主要表現(xiàn)為:增加荒漠植被覆蓋率,削減風(fēng)速,降低風(fēng)沙活動強(qiáng)度,減少土壤風(fēng)蝕量,減輕強(qiáng)風(fēng)沙活動所導(dǎo)致的工業(yè)、農(nóng)業(yè)及交通業(yè)等方面的損害[12]。與荒漠生態(tài)系統(tǒng)提供的其他服務(wù)功能相比,防風(fēng)固沙功能也是最直觀、最與眾不同的生態(tài)服務(wù)功能,荒漠生態(tài)系統(tǒng)良好的防風(fēng)固沙服務(wù)也是進(jìn)一步開展土壤保育、水文調(diào)控、固碳、生物多樣性及景觀游憩等服務(wù)評估研究的基礎(chǔ)。

本研究以位于鄂爾多斯黃河流域的庫布其荒漠生態(tài)系統(tǒng)流動沙地、半固定沙地及固定沙地為研究對象,評估其防風(fēng)固沙功能價值,以期為科學(xué)認(rèn)知與理解鄂爾多斯黃河流域荒漠生態(tài)系統(tǒng)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

庫布其沙漠位于鄂爾多斯高原脊線北部,黃河中游南緣。沙帶東西長約400 km,東部寬15～20 km,西部寬約50 km。屬溫帶干旱、半干旱區(qū),溫帶大陸性季風(fēng)氣候,氣候干燥、降水稀少、晝夜溫差大,溫濕同期、光照充足、熱量豐富,風(fēng)大沙多、風(fēng)沙頻繁。沙丘類型以梁窩狀沙丘與灌叢沙堆為主,固定沙丘及半固定沙丘多分布于沙漠南緣。年平均日照時數(shù)為3138.7 h,年總輻射量為135.7 kcal/cm2,全年≥10℃積溫3197.4℃,光能利用潛力較大。年均降水量為311.8 mm,多集中于7～9月。全年主要風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)與西北風(fēng),全年平均風(fēng)速在3.2～3.5 m/s。由于風(fēng)沙活動頻繁,極易發(fā)生土壤風(fēng)蝕。

庫布其沙漠土壤分布差異性較大,地帶性土壤以栗鈣土、棕鈣土與灰漠土為主。庫布其沙漠屬于荒漠與干旱草原的過渡帶,天然植被以沙蓬、蒙古蟲實(shí)、黑沙蒿、楊柴、檸條錦雞兒、沙柳、沙鞭及各種禾草等沙生植物為主。

2 評估方法

2.1 風(fēng)蝕量的估算

研究區(qū)面積較大,故采用數(shù)學(xué)模型對水平單位風(fēng)蝕量進(jìn)行估算。選擇丁國棟建立的土壤風(fēng)蝕模型:

(1)

(2)

(3)

Q=S·ρ∑hi

(4)

式中,D為沙丘前移的距離(m),q為某一級別風(fēng)速下的輸沙率(g/cm·min),H為沙丘的高度(m)[公式(1)、(2)],ρ為干沙密度(g/cm3),L為背風(fēng)坡長度平均值(m),α為背風(fēng)坡坡角(°),M為沙丘迎風(fēng)坡長度平均值(m),t為年內(nèi)某一級別風(fēng)速時間累計(jì)(min),H為年內(nèi)某一級別風(fēng)速的風(fēng)蝕深度累積值(cm)[公式(3)],Q為年內(nèi)風(fēng)蝕總量(t),S為研究區(qū)面積(m2),hi為內(nèi)風(fēng)某一級別風(fēng)速的年蝕深度累積值(cm)。

2.2 防風(fēng)固沙物質(zhì)量與價值量的估算

將公式(4)計(jì)算得出的風(fēng)蝕量代入公式(5),估算荒漠生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙的物質(zhì)量:

G固沙=A有植被(Q有植被-Q無植被)

(5)

式中,G固沙為年內(nèi)研究區(qū)固沙物質(zhì)量(t),A有植被為研究區(qū)植被覆蓋區(qū)面積(km2),Q有植被為植被覆蓋區(qū)單位面積輸沙量(t/km2·a),Q無植被為無植被覆蓋區(qū)單位面積輸沙量(t/km2·a)。

將公式(4)計(jì)算得出的風(fēng)蝕量代入公式(6),估算荒漠生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙的價值量:

V固沙=C固沙·G固沙

(6)

式中,V固沙為荒漠生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙的總價值(元),C固沙為單位重量沙塵清理費(fèi)用(元/t)。按照鄂爾多斯地區(qū)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),本研究中沙塵清理費(fèi)用依據(jù)工業(yè)粉塵排污收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)150元/t進(jìn)行估算。G固沙為年內(nèi)防風(fēng)固沙總量(t)。

根據(jù)庫布其荒漠生態(tài)系統(tǒng)分布及影響范圍,本研究的荒漠生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙價值量指標(biāo)體系圍繞影響較大的農(nóng)業(yè)、牧業(yè)與交通運(yùn)輸業(yè)進(jìn)行估算。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果,減少農(nóng)田經(jīng)濟(jì)損失價值、減少草地經(jīng)濟(jì)損失價值、土壤營養(yǎng)元素保持價值采用市場價值法進(jìn)行估算,減少泥沙淤積災(zāi)害價值、減少交通運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)損失價值采用替代工程法進(jìn)行估算。

1)減少農(nóng)田經(jīng)濟(jì)損失價值:

V農(nóng)田=B×G固沙÷(H×ρ×10 000)

(7)

式中,V農(nóng)田為減少農(nóng)田經(jīng)濟(jì)損失價值(元/a),B為土地的年平均收益[元/(hm2·a)],G固沙為防風(fēng)固沙量(t/a),H為土壤層厚度(m),ρ為土壤容重(g/cm3)。

土地年均收益按照2021年鄂爾多斯平均土地收益 12 000元/(hm2·a)計(jì)算,土壤層厚度取值鄂爾多斯平均土壤厚度0.25 m,土壤容重經(jīng)測定為1.50 g/cm3。

2)減少草地經(jīng)濟(jì)損失價值:

V草地=G固沙÷(H×ρ×10 000)×C×P

(8)

式中,V草地為減少草地經(jīng)濟(jì)損失價值(元/a),G固沙為年內(nèi)防風(fēng)固沙總量(t/a),H為土壤層厚度(m),ρ為土壤容重(本研究以干沙容重代替土壤容重,下同)(g/cm3),C為草地單位面積的理論載畜量(只/hm2),P為羊的平均價格(元/只)。

土壤層厚度、土壤容重與公式(7)取值相同。鄂爾多斯草原為荒漠草原,單位面積的理論載畜量按1只/hm2計(jì)算,羊(山羊)的平均價格以2000元/只計(jì)。

3)土壤營養(yǎng)元素保持價值:

庫布其荒漠生態(tài)系統(tǒng)保持土壤養(yǎng)分為土壤對N、P及有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的固定,采用市場替代法進(jìn)行計(jì)算。

(9)

式中,V營養(yǎng)元素為保持土壤營養(yǎng)元素價值(元/a),G固沙為防風(fēng)固沙量(t/a),N為荒漠土壤平均含氮量(%),P為荒漠土壤平均含磷量(%),M為荒漠土壤有機(jī)質(zhì)含量(%),R1為磷酸二銨化肥含氮量(%),R2為磷酸二銨化肥含磷量(%),C1為磷酸二銨化肥價格(元/t),C2為有機(jī)質(zhì)價格(元/t)。

研究區(qū)土壤中全氮含量0.002%,全磷含量0.084%,有機(jī)質(zhì)含量 0.032%,磷酸二銨含氮量為18%,磷酸二銨含磷量為46%,磷酸二銨化肥價格3800元/t,有機(jī)質(zhì)700元/t。

4)減少泥沙淤積災(zāi)害價值:

V積沙淤積=G固沙×24%×C

(10)

式中,V減少泥沙淤積為減少泥沙淤積功能的價值(元/a),G固沙為防風(fēng)固沙量(t/a),C為單位體積清淤成本(元/t)。

據(jù)相關(guān)資料,土壤侵蝕流失的泥沙中淤積比例取24%[13]。單位體積清淤成本按鄂爾多斯市相關(guān)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)2.5元/t計(jì)。

5)減少交通運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)損失價值:

V交通運(yùn)輸=G固沙÷ρ×C

(11)

式中,V交通運(yùn)輸為減少交通運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)損失的價值(元/a),G固沙為防風(fēng)固沙量(t/a),ρ為土壤容重(g/cm3),C為單位清理流沙成本(元/m3)。

經(jīng)野外測定,研究區(qū)干沙容重取值與公式(7)相同,單位清理流沙成本取值為鄂爾多斯市相關(guān)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)1.0元/m3。

3 估算結(jié)果

3.1 風(fēng)速轉(zhuǎn)換

根據(jù)土壤風(fēng)蝕估算模型可知,計(jì)算研究區(qū)年內(nèi)風(fēng)蝕量,首先需計(jì)算某一級別風(fēng)速的累計(jì)時間。研究區(qū)內(nèi)氣象站點(diǎn)只記錄10 m、12 m處的風(fēng)速,而野外風(fēng)速測定時風(fēng)杯極限高度為2 m。故利用經(jīng)驗(yàn)公式將氣象站10 m處的風(fēng)速轉(zhuǎn)換為2 m處風(fēng)速:

V10=1.1V2+0.2

(12)

式中,V10為氣象站10 m高度處的風(fēng)速(m/s),V2為2 m高度處的風(fēng)速(m/s)。

根據(jù)觀測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,研究區(qū)風(fēng)沙活動多集中在每年的1～6月與10～12月,這兩個時段風(fēng)速較大,風(fēng)沙活動較為頻繁,土壤風(fēng)蝕量較多。研究區(qū)的降水活動多集中于7～9月,這一時段荒漠植物生長旺盛,能夠有效降低風(fēng)沙活動和土壤風(fēng)蝕量,因此7～9月的風(fēng)蝕量不計(jì)入全年風(fēng)蝕量統(tǒng)計(jì)。詳見表1。

表1 研究區(qū)2021年風(fēng)速累計(jì)Tab.1 Wind speed accumulation in the research area in 2021

3.2 固沙量估算

3.2.1 防風(fēng)固沙物質(zhì)量估算

利用自制積沙儀對研究區(qū)內(nèi)典型流動沙丘、半固定沙丘與固定沙丘2 m處輸沙率進(jìn)行野外測定。由公式(3)可知,沙物質(zhì)密度即干沙容重。經(jīng)測定,研究區(qū)的干沙容重為1.50 g/cm3,野外實(shí)測沙丘背風(fēng)坡坡角值為30°,野外實(shí)測沙丘迎風(fēng)坡平均長度取30 m。根據(jù)公式(3)計(jì)算不同風(fēng)速下對應(yīng)不同類型沙丘的輸沙率與風(fēng)蝕深度,不同類型沙丘的輸沙率隨風(fēng)速的增大而增加,固定沙丘輸沙率顯著低于半固定沙丘與流動沙丘(P<0.05)。隨著植被覆蓋率的增加,風(fēng)蝕深度呈降低趨勢。研究區(qū)內(nèi)典型流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘2021年累計(jì)風(fēng)蝕深度分別為8.54 cm、4.75 cm、0.52 cm。經(jīng)計(jì)算,庫布其沙漠流動沙丘、半固定沙丘與固定沙丘的輸沙率比例為1∶0.55∶0.06。詳見圖1、表2。

圖1 2 m高度風(fēng)速下不同類型沙丘輸沙率Fig.1 Sediment transport rate of different dune types under 2 m high wind speed

表2 2021年庫布其沙漠不同沙丘類型風(fēng)蝕深度Tab.2 Wind erosion depth of different types of dunes in Kubuqi desert in 2021

庫布其沙漠的總面積為1.86萬km2,其中流動沙丘11 346 km2,半固定沙丘2325 km2,固定沙丘2279 km2[14]。利用不同類型沙丘風(fēng)蝕深度與面積計(jì)算庫布其荒漠生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)蝕量及防風(fēng)固沙物質(zhì)量。根據(jù)公式(4)與公式(5),計(jì)算得出2021年庫布其沙漠防風(fēng)固沙的物質(zhì)量為5.02×108t。

3.2.2 防風(fēng)固沙價值量估算

根據(jù)公式(6)計(jì)算得出庫布其荒漠生態(tài)系統(tǒng)的防風(fēng)固沙服務(wù)總價值為753×108元/a。按照選取的防風(fēng)固沙價值量估算指標(biāo)體系[公式(7)～公式(11)]進(jìn)行計(jì)算可知,防風(fēng)固沙活動減少農(nóng)業(yè)損失共計(jì)57.12×108元/a(87.99%),減少牧業(yè)損失共計(jì)0.27×108元/a(0.41%),減少交通運(yùn)輸業(yè)損失共計(jì)7.53×108元/a(11.60%)。庫布其荒漠生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙價值主要體現(xiàn)在保持土壤營養(yǎng)元素、減少農(nóng)田經(jīng)濟(jì)損失這兩方面,與有利于保護(hù)土地資源、有利于促進(jìn)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的荒漠化防治目標(biāo)高度契合。詳見表3。

表3 2021年庫布其荒漠生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙價值量Tab.3 Value estimation of windbreak and sand fixation in Kubuqi desert ecosystem in 2021

4 結(jié)論與討論

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已上升為國家戰(zhàn)略。庫布其沙漠作為中國第七大沙漠,其荒漠生態(tài)系統(tǒng)的防風(fēng)固沙功能對于鄂爾多斯黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有及其重要的作用。研究表明,庫布其荒漠生態(tài)系統(tǒng)具有極大的生態(tài)經(jīng)濟(jì)價值,荒漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能不僅為生活在干旱區(qū)的人們提供著賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),也為維持社會穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域的生態(tài)安全提供了重要保障。

將荒漠生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)能力由可量化的生態(tài)效益轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炕膬r值核算是荒漠生態(tài)系統(tǒng)價值評估的難點(diǎn),目前評價荒漠生態(tài)系統(tǒng)價值多采用經(jīng)驗(yàn)公式估算,而準(zhǔn)確估算地表風(fēng)蝕量是進(jìn)行荒漠生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能及其價值核算的基礎(chǔ)[15]。本研究采用的風(fēng)蝕量估算模型屬于物理模型,優(yōu)點(diǎn)在于可將抽象的過程具體化,參數(shù)的物理意義較明確,對風(fēng)蝕過程考慮較為全面,但對數(shù)據(jù)的需求較高,增加了計(jì)算量。風(fēng)蝕量監(jiān)測的方法和手段仍處于探索與發(fā)展階段,風(fēng)蝕定量研究理論及其應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。