新疆典型墾區(qū)水土保持生態(tài)效益評價
——以阿克蘇農(nóng)一師墾區(qū)為例

曹 睿 ，岳德鵬 ，薛莎莎 ，徐曉濤 ，楊貴森 ，李 寧

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 省部共建森林資源培育與保護(hù)教育部重點實驗室，北京100083；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)水土保持監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊830002；3.北京地拓研究院，北京100084）

新疆典型墾區(qū)水土保持生態(tài)效益評價
——以阿克蘇農(nóng)一師墾區(qū)為例

曹 睿1，岳德鵬1，薛莎莎1，徐曉濤3，楊貴森2，李 寧2

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 省部共建森林資源培育與保護(hù)教育部重點實驗室，北京100083；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)水土保持監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊830002；3.北京地拓研究院，北京100084）

生態(tài)效益，是指人們在生產(chǎn)中依據(jù)生態(tài)平衡規(guī)律，使自然界的生物系統(tǒng)對人類的生產(chǎn)、生活條件和環(huán)境條件產(chǎn)生的有益影響和有利效果。生態(tài)效益是水土流失治理綜合效益的重要組成部分，是生物種群能力、物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率及維持生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定能力的反映。水土保持生態(tài)效益是指水土保持對人類和生態(tài)環(huán)境在有序結(jié)構(gòu)維持和動態(tài)平衡保持方面輸出的效益之和，包括土壤侵蝕、改良土壤、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、減少災(zāi)害、保存物種、改善水資源環(huán)境條件等。[1]目前，水土保持生態(tài)效益評價方面的研究理論和方法主要分為兩大類：(l)以生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)，在研究區(qū)實際情況和評價目標(biāo)的基礎(chǔ)上，篩選指標(biāo)，構(gòu)建體系，通過指標(biāo)與權(quán)重相結(jié)合的方式對整體效益進(jìn)行評價[2-7]。(2)以經(jīng)濟(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合生態(tài)功能分析，以研究區(qū)的自然、社會、經(jīng)濟(jì)概況為基礎(chǔ)，篩選能夠反映生態(tài)系統(tǒng)主要特征指標(biāo)，通過生態(tài)系統(tǒng)的不同功能進(jìn)行指標(biāo)分類，最終構(gòu)建評價指標(biāo)休系。并采用市場替代、模擬市場、費用效益分析等方法估算生態(tài)效益價值量[8-11]。但是在目前的研究中，還沒有一個在新疆地區(qū)適用的水土保持生態(tài)效益評價體系。新疆地區(qū)獨特的地理位置和氣象狀況，使得風(fēng)力因子的作用在水土保持生態(tài)效益評價方面顯得尤為突出，所以研究時在前人提出的關(guān)于各地生態(tài)效益評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，需要重點考慮風(fēng)力作用對研究區(qū)水土保持生態(tài)效益的影響。

阿克蘇地處世界第二大流動沙漠塔克拉瑪干沙漠北緣，境內(nèi)水土流失嚴(yán)重。根據(jù)2011年已完成的各縣(市)水土保持規(guī)劃，阿克蘇地區(qū)境內(nèi)水土流失面積達(dá)到1.03×105km2，水土流失類型主要以風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕為主，部分地方出現(xiàn)山體滑坡和泥石流的潛在危險，中度以上土壤侵蝕面積7.63×104km2，占總水土流失面積的74%以上。水土流失的發(fā)生，加劇了當(dāng)?shù)馗鞣N自然災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)條件惡化，群眾生活貧困，阻礙經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

因此，本研究以阿克蘇地區(qū)墾區(qū)為研究區(qū)，通過建立風(fēng)蝕因子模型，運用層次分析法構(gòu)建水土保持生態(tài)效益評價體系，對農(nóng)墾區(qū)進(jìn)行水土保持生態(tài)效益評價。旨在建立一套能客觀、準(zhǔn)確、全面并定量化反映新疆典型墾區(qū)水土保持生態(tài)效益的評價指標(biāo)或指標(biāo)體系，同時為水土保持生態(tài)效益補(bǔ)償制度的推行提供科學(xué)的基礎(chǔ)。

1 實驗地概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)建設(shè)第一師（以下簡稱農(nóng)一師）墾區(qū)，在新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)境內(nèi)，位于塔克拉瑪干沙漠北緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 79°22′33″～ 81°53′45″，北緯 40°20′～41°47′18″。研究區(qū)屬天山山脈的南天山中段和塔里木盆地北部，地勢西北高東南低；暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，降雨稀少，冬季少雪，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降水量為40.1～82.5 mm，年均蒸發(fā)量1876.6～2558.9 mm。降水僅集中在5～9月份，降水量為蒸發(fā)量的1/35左右。阿克蘇綠洲地區(qū)年出現(xiàn)大風(fēng)沙塵暴日分別為30 d和35 d，兩到三年遭遇一次嚴(yán)重風(fēng)災(zāi)，風(fēng)力達(dá)8～10級以上，持續(xù)時間達(dá)5 h。由于研究區(qū)植被少，土質(zhì)干松，當(dāng)風(fēng)速大于5 m/s時，易形成風(fēng)沙天氣，伴隨沙暴、揚沙和浮塵天氣。

2 實驗方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

表1 研究中采用的數(shù)據(jù)源Table 1 Data origin of the study

本數(shù)據(jù)處理在遙感影像處理軟件ERDAS IMAGINE 9.2和地理信息系統(tǒng)軟件Arcgis 9.3的支持下共同完成。通過數(shù)據(jù)校正（大氣、幾何）、融合、拼接、裁剪等圖像處理，并且結(jié)合研究區(qū)統(tǒng)計年鑒和實地調(diào)查成果，人工目視解譯5個時期的土地利用數(shù)據(jù)，提取土地利用類型圖。

2.2 層次分析法

由于各指標(biāo)因子在指標(biāo)體系中的作用不同，對于生態(tài)環(huán)境狀況影響程度的有差異性，為了區(qū)分其對系統(tǒng)影響的差異性，常采用加權(quán)評價法。迄今為止，對權(quán)重的確定問題已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，有以研究人員的實踐經(jīng)驗和主觀判斷為主來確定權(quán)重的，也有用各種數(shù)學(xué)方法來確定權(quán)重，本研究報告主要是采用層次分析方法（AHP）來確定生態(tài)狀況的各評價參數(shù)的權(quán)重，該方法將決策者對復(fù)雜系統(tǒng)的評價思維過程數(shù)學(xué)化，其基本思路是決策者通過把復(fù)雜問題分解為若干層次和要素，在各要素之間簡單地進(jìn)行比較、判斷和計算，然后再轉(zhuǎn)為對這些元素的整體權(quán)重進(jìn)行排序判斷，最后確立各元素的權(quán)重，該方法的具體原理和步驟見參考文獻(xiàn)[12-13]。

2.3 指標(biāo)評價體系構(gòu)建

根據(jù)研究區(qū)水土流失及荒漠化的發(fā)生條件、發(fā)展程度及治理情況，選取最能反映研究區(qū)水土保持及荒漠化防治的效益作用的指標(biāo)，綜合考慮各種建立指標(biāo)體系的方法，建立多層次結(jié)構(gòu)的水土保持生態(tài)效益評價指標(biāo)體系。該體系分為目標(biāo)層、系統(tǒng)層（準(zhǔn)則層）、指標(biāo)層（要素層）3個層次。

指標(biāo)目標(biāo)層（A層）：在總體上反映了水土保持生態(tài)效益的水平。

指標(biāo)準(zhǔn)則層（B層）：從本質(zhì)上反映了維持地區(qū)水土保持生態(tài)效益水平的主要內(nèi)容和內(nèi)在原因，可以通過相應(yīng)的要素指標(biāo)進(jìn)行度量。

指標(biāo)要素層（C層）：從研究地區(qū)中選用可測的、可比的、可獲得的指標(biāo)及指標(biāo)群，對指標(biāo)變量層的表現(xiàn)給予直接度量，是指標(biāo)體系的最基本的要素。

表2 水土保持生態(tài)效益評價指標(biāo)體系Table 2 Assessment indicator system for soil and water conservation ecological benefits

2.4 模型選擇及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

2.4.1 風(fēng)蝕模數(shù)模型選擇及修正

本研究基于中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所提出的風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ突A(chǔ)上，選擇了該模型的大田推廣模型。該模型是在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所風(fēng)洞實驗室完成，實驗過程中測定了不同植被蓋度和風(fēng)速條件下的風(fēng)速廓線，根據(jù)風(fēng)速廓線提出了風(fēng)洞模型[14-15]。該推廣模型在京津風(fēng)沙源治理項目中得到成功運用并經(jīng)受了實踐的檢驗，在第一次全國水利普查中，該模型再次被選為土壤風(fēng)蝕普査所用模型，因此選取該模型作為本研究的基礎(chǔ)模型，具有一定的科學(xué)依據(jù)，適合推廣應(yīng)用。

該模型是將非風(fēng)蝕地表類型（如水體、道路、城鎮(zhèn)用地等）以外的易風(fēng)蝕地表劃分為耕地、林（草）地（包含退耕地）、沙地3大類，分別針對不同地表類型估算土壤風(fēng)蝕量。因為模型是風(fēng)洞條件下土壤風(fēng)蝕模數(shù)的計算方法，應(yīng)用到實際風(fēng)蝕模數(shù)計算時，必須對該模型進(jìn)行風(fēng)速或尺度修訂。

原模型共分為三個子模型，耕地模型，林草地模型和沙地模型，結(jié)合研究區(qū)概況和風(fēng)蝕影響因素的綜合分析，本研究對三個子模型分別進(jìn)行了修正。修正后的土壤風(fēng)蝕定量模型仍然由三個模型公式組成，分別為耕地模型、林草地模型和沙地模型。具體模型公式如下：

（1）修正后耕地模型為：

（2）修正后林草地模型為：

（3）修正后沙地模型為：

式中：Qfa、Qfaf、Qfs分別為耕地模型區(qū)、林草地模型區(qū)、沙地模型區(qū)土壤風(fēng)蝕模數(shù)[t/hm2·a]；

Uj是大于臨界侵蝕風(fēng)速的第j級風(fēng)速（指氣象站統(tǒng)計的整點風(fēng)速）；

Tj為風(fēng)蝕活動發(fā)生月份內(nèi)風(fēng)速為Ui的累積時間（min）；第一個風(fēng)速（大于臨界侵蝕風(fēng)速）等級為5.0～6.0 m/s，Uj=1取平均值5.5 m/s，第二個風(fēng)速等級為6.0～7.0 m/s，Uj=2取平均值6.5 m/s，……。Uj=n是最大風(fēng)速（指氣象站統(tǒng)計的整點風(fēng)速）；

a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3分 別 為與土壤類型有關(guān)的常數(shù)項，根據(jù)原公式暫取為-9.208、0.018、1.955、2.486 9、-0.001 4、-54.947 2、6.168 9、-0.074 3、-27.961 3。

C?為尺度修訂系數(shù)，約為0.0018；

A為風(fēng)速修訂系數(shù)，計算耕地模型區(qū)風(fēng)蝕模數(shù)時需要利用當(dāng)?shù)貧庀笳居涗浀娘L(fēng)速資料，風(fēng)洞軸線風(fēng)速與氣象站10 m觀測高度測定的風(fēng)速有一定的差距，因此應(yīng)將氣象站記錄的風(fēng)速換算為風(fēng)洞軸線風(fēng)速，在假定風(fēng)洞實驗動力相似得到保證的前提下，A是與下墊面有關(guān)的風(fēng)速修訂系數(shù)。

CV為植被覆蓋度（%）；

為了對修正模型的適用性進(jìn)行檢驗，選擇了新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師的18處樣地2010年遙感影像數(shù)據(jù)、野外調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)以及研究區(qū)氣象、水文、土壤數(shù)據(jù)，用土壤風(fēng)蝕模型計算出每月的土壤風(fēng)蝕量。通過模擬結(jié)果與2010年實際測量的月土壤風(fēng)蝕量的對比分析，來驗證模型的準(zhǔn)確度。修正后的模型基本能反映該農(nóng)墾區(qū)風(fēng)蝕的特點，能更準(zhǔn)確真實地反映其風(fēng)蝕狀況，提高了該模型在極端干旱農(nóng)墾區(qū)的計算精度。

根據(jù)模型運行特點，將模型區(qū)總共劃分為四大類，分別為耕地模型區(qū)，林草地模型區(qū)（包含未利用地，不包含沙地），沙地模型區(qū)和非風(fēng)蝕地表模型區(qū)。但通常在河流水面、灘涂、水庫水面、建筑用地、坑塘水面、農(nóng)田利用地等非風(fēng)蝕地表類型，往往是風(fēng)沙堆積和沙塵沉降的區(qū)域，幾乎不會發(fā)生風(fēng)蝕，其土壤風(fēng)蝕量可視為零，故可采用GIS的空間分析功能，將以上地表類型摳除，使其不參與風(fēng)蝕量計算中，一方面提高了模型運算的效率，另一方面也提高了模型計算精度，因此本研究中將只討論耕地模型區(qū)、林草地模型區(qū)和沙地模型區(qū)三種類型。最后通過計算每月每種模型區(qū)土壤風(fēng)蝕模數(shù)，進(jìn)而算出年土壤風(fēng)蝕量。

2.4.2 綜合評價模型選擇

由單項評價值計算綜合評價值的方法及綜合評價的方法有很多，常用的有計分法、指數(shù)法、功效系數(shù)法等，本報告采用加權(quán)指數(shù)法計算：

式（1）中：Wi為單項指標(biāo)權(quán)重；Ki為標(biāo)準(zhǔn)化后的單項指標(biāo)值。

2.4.3 評價數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于本文選取的評價指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的量綱不同，即具體的數(shù)據(jù)單位不同，無法進(jìn)行比較，必須對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法有多種，在本文中采用極差化處理。具體計算公式如下：

式（2）中：M、m分別為觀測值x的最大值和最小值。評價指標(biāo)中鹽堿地面積百分比、荒漠化面積百分比和沙塵暴日數(shù)、土壤風(fēng)蝕模數(shù)、和土壤風(fēng)蝕面積占區(qū)域總面積百分比都為負(fù)向指標(biāo)，因此在進(jìn)行同量綱化處理之前需對其進(jìn)行同向化處理，本報告采用的是倒數(shù)法。

2.5 評價等級劃分

將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)作用分值乘以對應(yīng)的權(quán)重，逐級分層次計算，最后可得到水土保持生態(tài)效益的綜合指數(shù)得分。綜合指數(shù)得分多少與水土保持及荒漠化治理效益水平呈正相關(guān)，得分越高，治理效益越好。根據(jù)研究，可以把效益分析結(jié)果劃分為5個不同的等級及其相對應(yīng)的綜合指數(shù)見表3。

表3 水土保持生態(tài)效益分級Table 3 Grading rules of soil and water conservation ecological benefits

3 結(jié)果與分析

3.1 沙地變化

根據(jù)遙感數(shù)據(jù)處理結(jié)果、野外調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)以及當(dāng)?shù)貧庀筚Y料和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過模型計算，得到研究區(qū)水土保持生態(tài)效益評價指標(biāo)值如下表4。

由圖1可以看出，從1976年到2010年新疆建設(shè)兵團(tuán)從農(nóng)一師墾區(qū)沙地面積不斷下降，沙化土地面積百分比從1976年的61.69%降低到2010年的38.41%，說明農(nóng)一師墾區(qū)自成立以來，大力發(fā)展綠洲生態(tài)系統(tǒng)的措施效果顯著。

3.2 侵蝕模數(shù)變化

由圖2可以看出，研究區(qū)的風(fēng)蝕模數(shù)從1976年的10 002.81 t·km-2a-1減小到2000年的2 884.24 t·km-2a-1的最低值，后又增長到2010年的4 292.7 t·km-2a-1。1976年的風(fēng)蝕量是最大的，主要原因是當(dāng)年所開展的風(fēng)沙治理措施并不多，并且人口稀少，農(nóng)作物種植稀少，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)過境時很容易形成風(fēng)蝕。根據(jù)起沙的機(jī)理，產(chǎn)生風(fēng)蝕與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、土壤質(zhì)地、顆粒大小、地表覆蓋物等因素相關(guān)。尤其風(fēng)速對風(fēng)蝕模數(shù)的影響更為明顯。所以，風(fēng)蝕模數(shù)出現(xiàn)由2000年到2010年的回升變化，可能與當(dāng)年的氣象因素有關(guān)。

表4 研究區(qū)1976～2010年生態(tài)效益評價指標(biāo)值Table 4 Evaluation index values of ecological benefits in reclamation region from1976 to 2010

圖1 新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師農(nóng)墾區(qū)沙地變化Fig.1 Changes of sandy dunes area in the studied region

圖2 新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師農(nóng)墾區(qū)風(fēng)蝕模數(shù)變化Fig. 2 Changes of wind erosion modulus in the studied region

3.3 水土保持生態(tài)效益變化

根據(jù)計算出的各項指標(biāo)權(quán)重及標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行代入綜合評價模型進(jìn)行計算：

得到1976～2010年水土保持生態(tài)效益結(jié)果如表5所示。

由圖3可以看出：1976年，研究區(qū)水土保持生態(tài)效益差，生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定，土地荒漠化和鹽堿化嚴(yán)重，風(fēng)蝕面積大，強(qiáng)度強(qiáng)，災(zāi)害性天氣出現(xiàn)頻繁；1990年，研究區(qū)水土保持生態(tài)效益較差，生態(tài)系統(tǒng)尚不穩(wěn)定，土地荒漠化和鹽堿化比較嚴(yán)重，風(fēng)蝕面積較大，強(qiáng)度較強(qiáng)；2000年，研究區(qū)水土保持生態(tài)效益為良。此時生態(tài)系統(tǒng)基本穩(wěn)定，鹽堿化和荒漠化的土地大部分消失，受到風(fēng)蝕的土地面積減少，風(fēng)蝕強(qiáng)度較弱；2006年和2010年，研究水土保持生態(tài)效益為優(yōu)，生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定，鹽堿化土地和荒漠化土地基本消失，風(fēng)蝕面積小，風(fēng)蝕強(qiáng)度弱。1976年到2006年，研究區(qū)水土保持生態(tài)效益值由0.093 8增加為0.875 8，治理成效顯著；2006到2010年5年間，水土保持生態(tài)效益減小，需要加強(qiáng)水土流失及荒漠化的治理工作。

表5 新疆兵團(tuán)農(nóng)墾區(qū)生態(tài)效益評價結(jié)果Table 5 Results of ecological benefits evaluation in the studied region

圖3 新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師生態(tài)效益指數(shù)變化情況Fig.3 Changes of eco-efficiency index in the studied region

4 結(jié)論與討論

通過該水土保持生態(tài)效益評價指標(biāo)體系，可以看出新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師自成立以來，在原有的荒漠戈壁上大力營造綠洲生態(tài)系統(tǒng)起到了明顯的生態(tài)效果，極大地改善了兵團(tuán)墾區(qū)范圍內(nèi)水土流失狀況，綠洲生態(tài)系統(tǒng)的建成有效地阻止了風(fēng)沙對人類的侵害和威脅，為兵團(tuán)的建設(shè)發(fā)展?fàn)I造了良好的生態(tài)環(huán)境。水土保持生態(tài)效益評價為今后新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師綠化建設(shè)提供了科學(xué)的依據(jù)，同時為兵團(tuán)改進(jìn)水土保持方法、發(fā)展綠洲生態(tài)提供了參考標(biāo)準(zhǔn)，有利于水土保持事業(yè)的發(fā)展。

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Evaluation of ecological benefits of soil and water conservation in typical reclamation area in Xingjiang: A case study in Akzo

CAO Rui1, YUE De-peng1, XUE Sha-sha1, XU Xiao-tao3, YANG Gui-sen2, LI Ning2
(1. Key Lab. for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry Univ., Beijing 100083, China; 2. Soil and Water Conservation Monitoring Center of Xinjiang Production and Construction Corps, Xinjiang 830002, China; 3.Beijing Datum Technology Development Limited Corporation, Beijing 100084, China)

This research is a case study of the area of Agricultural Division of Xinjiang Constructing Corps. With sets of remote sensing images and meteorological data, as well as the data from field observation and investigation, by using GIS technology and analytic hierarchy process to build the evaluation system and the model of wind erosion, the ecological benefits of soil and water conservation in the reclamation region have been quantitatively evaluated. The results show that from 1976 to 2010, the sandy dunes of the studied region is declining, the modulus of wind erosion shows an overall decreasing trend, while the ecological benefits of soil and water conservation is increasing. So the evaluation system of soil and water conservation and the evaluation results provide the important references for Southern Xinjiang reclamation region in preventing the soil from erosion and in working out local agricultural planning.

ecological benefits of soil and water conservation; reclamation region; analytic hierarchy process; wind erosion modulus;Akzo of Xinjiang Uygur Autonomous Region

2012-11-22

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（200901052）

曹 睿(1986-)，男，山西朔州人，碩士研究生，研究方向為3S技術(shù)在資源環(huán)境中的應(yīng)用

岳德鵬(1963-)，男，博士，教授，研究方向為景觀生態(tài)和土地評價及荒漠化防治方面的研究；E-mail: ydp_bl@yahoo.com.cn

[本文編校：吳 彬]