錫林郭勒盟風(fēng)沙源治理區(qū)防風(fēng)固沙功能變化評(píng)估

張 彪,王 爽

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101;2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049)

土地沙化是全球面臨的重大生態(tài)環(huán)境問題,其與地形、土壤、植被、氣候和人類活動(dòng)等因素有關(guān)[1-2]。近年來我國土地退化態(tài)勢(shì)較嚴(yán)重。根據(jù)2015年發(fā)布的《中國荒漠化和沙化狀況公報(bào)》,截至2014年,我國仍有荒漠化土地261.16萬km2和沙化土地172.12萬km2。為遏制土地沙化趨勢(shì),我國部署實(shí)施了退耕還林還草、三北防護(hù)林體系、天然林保護(hù)和京津風(fēng)沙源治理等重大生態(tài)建設(shè)工程。由于生態(tài)建設(shè)工程工期長，地域廣,加上生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)漫長復(fù)雜,及時(shí)監(jiān)測(cè)、評(píng)估工程區(qū)生態(tài)狀況及功能變化尤為重要[3]。京津風(fēng)沙源治理工程是為遏制北京及周邊地區(qū)土地沙化趨勢(shì)、改善京津地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量而實(shí)施的一項(xiàng)重大生態(tài)工程,建設(shè)范圍西起內(nèi)蒙古達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗,東至河北省平泉縣,南至山西省代縣,北至內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗,涉及國土面積45.8萬km2。自2000年京津風(fēng)沙源治理工程實(shí)施以來,工程區(qū)植被恢復(fù)與土壤風(fēng)蝕趨勢(shì)受到重點(diǎn)關(guān)注。李慶旭等[3]基于MOD13Q1數(shù)據(jù)測(cè)算2000—2015年京津風(fēng)沙源區(qū)植被覆蓋度變化范圍在35%～45%之間,且以年均0.4%速率波動(dòng)增加。石莎等[4]利用傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)方法對(duì)京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)2001—2005年植被恢復(fù)效果進(jìn)行野外調(diào)查,發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度整體上升。嚴(yán)恩萍等[5]采用MODIS02B數(shù)據(jù)源分析了重點(diǎn)治理區(qū)(涉及山西和內(nèi)蒙古共48個(gè)縣域)植被覆蓋變化特征,表明2000—2012年治理區(qū)植被覆蓋總體呈上升趨勢(shì)。衛(wèi)潔等[6]利用MODIS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),2000—2014年京津風(fēng)沙源區(qū)84.51%的地區(qū)植被覆蓋呈增加趨勢(shì)。生態(tài)工程區(qū)植被狀況變化必然引起區(qū)域防風(fēng)固沙功能的相應(yīng)變化。高尚玉等[7]調(diào)查評(píng)估發(fā)現(xiàn),2005年京津風(fēng)沙源區(qū)土壤風(fēng)蝕量比2001年減少1.96億t。吳丹等[8]綜合評(píng)估表明,2000—2010年京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)土壤風(fēng)蝕以微度和輕度為主,且風(fēng)蝕量總體呈下降態(tài)勢(shì)。遲文峰等[9]以遙感手段監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),1990—2015年間工程區(qū)土壤風(fēng)蝕模數(shù)整體下降,且在生態(tài)工程實(shí)施后改善趨勢(shì)明顯。1990—2015年內(nèi)蒙古49.23%的區(qū)域土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度下降,但仍有7.11%的區(qū)域風(fēng)蝕強(qiáng)度增加[10]。然而,相比于工程區(qū)植被覆蓋狀況的監(jiān)測(cè),區(qū)域防風(fēng)固沙功能的動(dòng)態(tài)變化研究仍相對(duì)薄弱。

錫林郭勒盟位于京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)西北部,是工程區(qū)內(nèi)面積最大的地級(jí)行政區(qū)。錫林郭勒盟中部是東西長約400 km的渾善達(dá)克沙地,其西緣為固定、半固定沙丘廣布的嘎亥額勒蘇沙地,其生態(tài)治理效果成為評(píng)估京津風(fēng)沙源治理工程成效的關(guān)鍵。鞏國麗等[11]運(yùn)用修正風(fēng)蝕方程(RWEQ)評(píng)估發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)90年代以來錫林郭勒盟土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度總體減弱。丁文廣等[12]利用Landsat衛(wèi)星影像分析發(fā)現(xiàn),1975—2014年錫林郭勒盟沙漠化面積先增后減,沙漠化重心先東移后西返。王艷琦等[13]采用Landsat-8 OLI遙感影像分析認(rèn)為,2000—2015年錫林郭勒盟沙漠化程度總體呈現(xiàn)逆轉(zhuǎn)趨勢(shì)。此外,渾善達(dá)克沙漠化防治生態(tài)功能區(qū)的防風(fēng)固沙功能受到關(guān)注[14]。但是,以往研究側(cè)重錫林郭勒盟土壤風(fēng)蝕狀況的變化趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)力分析,而對(duì)區(qū)域防風(fēng)固沙功能的動(dòng)態(tài)變化及其空間差異揭示不足。

隨著京津風(fēng)沙源治理二期工程(2013—2022年)的實(shí)施,分區(qū)施策與精準(zhǔn)修復(fù)已成為生態(tài)治理工程的重要內(nèi)容[15]。為此,以錫林郭勒盟為例,采用REWQ模型與GIS空間分析技術(shù),評(píng)估分析2000—2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙功能的時(shí)空變化及其區(qū)域差異,并探討植被覆蓋度和降水量對(duì)區(qū)域防風(fēng)固沙功能的影響,可為風(fēng)沙源治理工程的分區(qū)施策治理與成效監(jiān)測(cè)評(píng)估提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

錫林郭勒盟位于京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)西北部、內(nèi)蒙古中部(圖1),是典型農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū),也是北京和華北地區(qū)的重要生態(tài)屏障[16]。錫林郭勒盟土地總面積為202 580 km2,現(xiàn)轄9旗(東烏珠穆沁旗、西烏珠穆沁旗、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、正藍(lán)旗、正鑲白旗、鑲黃旗、太仆寺旗)、2市(錫林浩特市、二連浩特市)和1縣(多倫縣)。

圖1 錫林郭勒盟位置與組成

錫林郭勒盟地形平坦開闊,地勢(shì)自西南向東北方向傾斜。海拔高度處于800～1 800 m之間[16],海拔最高處位于太仆寺旗東部,最低處位于東烏珠穆沁旗和西烏珠穆沁旗。錫林郭勒盟氣候?qū)儆谥袦貛Ц珊?、半干早大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫為1～2 ℃,年平均降水量為200～350 mm,且集中在6—8月[17]。錫林郭勒盟主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),全年大風(fēng)日數(shù)達(dá)50～80 d,其中3—5月大風(fēng)日數(shù)占全年的40%～50%[18]。錫林郭勒盟地帶性植被為草原,其面積約占草地總面積的71.88 %,類型包括典型草原、草甸草原和荒漠草原3大亞型[19]。據(jù)錫林郭勒盟2018年統(tǒng)計(jì)年鑒,2017年末全盟常住人口為105.16萬人,自然增長率為4.1%。其中,城鎮(zhèn)常住人口為68.49萬人,占總?cè)丝诒壤秊?5.13%;農(nóng)村牧區(qū)常住人口為36.67萬人,占總?cè)丝诒壤秊?4.87%[20]。

2 材料與方法

2.1 RWEQ模型的構(gòu)建

土壤風(fēng)蝕是風(fēng)力作用導(dǎo)致表土物質(zhì)脫離原空間位置的過程[21]。風(fēng)蝕模型是評(píng)估土壤風(fēng)蝕狀況的主要技術(shù)手段,并已發(fā)展演化出通用風(fēng)蝕方程(WEQ)、德克薩斯侵蝕分析模型(TEAM)和風(fēng)蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)(WEPS)等多種模型[22]。其中,修正風(fēng)蝕方程(RWEQ)綜合反映了氣候、植被、土壤性質(zhì)和地表粗糙度等自然因素的影響,已被廣泛應(yīng)用于我國土壤風(fēng)蝕狀況評(píng)估[9-11,14]。防風(fēng)固沙功能是在地表無植被狀況下土壤風(fēng)蝕量與植被覆蓋條件下土壤風(fēng)蝕量的差值[10,23],采用RWEQ模型[22]定量評(píng)估錫林郭勒盟潛在風(fēng)蝕量(LS,p)與實(shí)際風(fēng)蝕量(LS,r),以兩者之差來表示區(qū)域防風(fēng)固沙量(SRQ,QSR)與平均固沙能力(SRA,ASR)。具體計(jì)算公式為

Qp，max=109.8×(FW×FE×FSC×K′)，

(1)

ps=150.71×(FW×FE×FSC×K′)-0.371 1,

(2)

(3)

Qr，max=109.8×(FW×FE×FSC×K′×C)，

(4)

rs=150.71×(FW×FE×FSC×K′×C)-0.371 1,

(5)

(6)

QSR=10×(LS，p-LS，r)×A，

(7)

ASR=QSR/A。

(8)

式(1)～(8)中,LS,p為潛在風(fēng)蝕量,kg·m-2;Qp,max為潛在風(fēng)力最大輸沙能力,kg·m-1;rs為潛在關(guān)鍵地塊長度,m;LS,r為實(shí)際風(fēng)蝕量,kg·m-2;Qr,max為實(shí)際風(fēng)力最大輸沙能力,kg·m-1;ps為實(shí)際關(guān)鍵地塊長度,m;z為下風(fēng)向距離,取50 m;FW為氣象因子,kg·m-1;FE和FSC分別為土壤可蝕性因子和土壤結(jié)皮因子;K′和C分別為土壤糙度因子與植被因子;QSR為研究區(qū)防風(fēng)固沙量,t·a-1;A為研究區(qū)面積,hm2;ASR為防風(fēng)固沙能力,t·hm-2·a-1。

2.2 RWEQ模型參數(shù)處理

(1)氣象因子(WF)

自然條件下土壤風(fēng)蝕受風(fēng)速、溫度、降雨、太陽輻射和降雪等氣象因素影響,氣象因子為各類氣象因素對(duì)風(fēng)蝕的綜合影響,計(jì)算公式為

FW=fW×(ρ/g)×SW×SD,

(9)

fW=u2×(u2-u1)2×Nd。

(10)

式(9)～(10)中,fW為風(fēng)力因子,m3·s-3;ρ為空氣密度,當(dāng)氣溫為20 ℃時(shí)為1.205 kg·m-3;g為重力加速度,取9.8 m·s-2;SW和SD分別為土壤濕度因子和雪蓋因子,計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[9-11];u1為起沙風(fēng)速,參照以往研究[11,16,22]取5 m·s-1;u2為氣象站月均風(fēng)速,m·s-1;Nd為各月風(fēng)速大于5 m·s-1的時(shí)間,d。

(2)土壤可蝕性因子(EF)和結(jié)皮因子(SCF)

土壤可蝕性受土壤顆粒粒徑以及有機(jī)質(zhì)、黏土和碳酸鈣等物質(zhì)含量的影響,表層堅(jiān)硬結(jié)皮也能有效防止風(fēng)蝕的發(fā)生[23]。因此,可從土壤理化條件判別土壤可蝕性因子,而土壤結(jié)皮因子可反映一定土壤理化條件下土壤結(jié)皮抵抗風(fēng)蝕的能力[22],其計(jì)算公式分別為

FE=[29.09+0.31wsa+0.17wsi+0.33(wsa/

wcl)-2.59wOM-0.95wCaCO3]/100,

(11)

FSC=1/(1+0.006 6wcl2+0.021wOM2)。

(12)

式(11)～(12)中,wsa為土壤粗砂質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;wsi為土壤粉砂質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;wcl為土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;wOM為土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;wCaCO3為碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

(3)植被覆蓋因子(C)

地表植被不僅增加地表糙度而增大起沙風(fēng)速,且對(duì)土壤顆粒移動(dòng)有一定阻礙作用,因此對(duì)土壤風(fēng)蝕具有重要抑制作用[23]。植被覆蓋因子代表植被條件對(duì)風(fēng)蝕的抑制程度,計(jì)算公式為

C=e-0.048 3CS,

(13)

CS=(INDV-INDV，min)/(INDV，max-INDV，min)。

(14)

式(13)～(14)中,CS為植被覆蓋度,%;INDV,max與INDV,min分別為歸一化植被指數(shù)(NDVI，INDV)最大值和最小值。

(4)地表糙度因子(K′)

坡度、坡向等地形因子可影響植被生長狀況,對(duì)風(fēng)蝕過程也存在顯著影響。地表糙度指農(nóng)田因耕作產(chǎn)生塊狀土以及土壟存在而對(duì)土壤風(fēng)蝕產(chǎn)生的影響[23],包括隨機(jī)糙度(Crr)和土壟糙度(Kr)。由于區(qū)域尺度評(píng)估中耕作產(chǎn)生的隨機(jī)糙度難以獲取,采用smith-carson方程計(jì)算土壟造成的地形起伏度來替代[24],計(jì)算公式為

Kr=0.2(ΔH)2/L，

(15)

K′=e(1.86Kr-2.41Kr0.934-0.127Crr)。

(16)

式(15)～(16)中,Kr為土壟糙度,cm;Crr為隨機(jī)糙度,取0;K′為地表糙度因子,cm;L為地勢(shì)起伏參數(shù);ΔH為距離L范圍內(nèi)海拔高度差,cm。

2.3 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/),在錫林郭勒盟轄區(qū)分布有10個(gè)氣象站,選取2000—2015年共16 a氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),采用月均風(fēng)速、降水、氣溫和日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)插值得到風(fēng)力因子和土壤濕度因子。雪蓋因子利用中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn)的中國雪深長時(shí)間序列數(shù)據(jù)集計(jì)算。土壤數(shù)據(jù)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的1∶100萬土壤圖及所附的土壤屬性表和空間數(shù)據(jù),并分別采用錫林郭勒盟不同土壤類型的相應(yīng)物質(zhì)含量估算可蝕性因子與結(jié)皮因子。NDVI數(shù)據(jù)來自美國地球資源觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的MOD13Q1產(chǎn)品,該數(shù)據(jù)已經(jīng)過幾何精糾正、輻射校正和大氣校正等預(yù)處理,時(shí)空分辨率分別為16 d和250 m。對(duì)該數(shù)據(jù)集去除噪聲干擾后,利用MRT投影轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行投影和格式轉(zhuǎn)換批處理,并采用最大值合成法獲得2000—2015年NDVI數(shù)據(jù)。為保證不同精度數(shù)據(jù)的一致性,以上參數(shù)因子均重采樣為100 m×100 m的柵格單元參與模型計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 防風(fēng)固沙功能年際變化特征

評(píng)估結(jié)果表明,2000—2015年錫林郭勒盟年均防風(fēng)固沙量為12.39億～16.3億t,并分別于2001和2006年達(dá)到最低值和最高值,多年防風(fēng)固沙量平均為14.56億t。評(píng)估期內(nèi),錫林郭勒盟年均防風(fēng)固沙量波動(dòng)增加趨勢(shì)顯著(圖2),平均年增速為0.071億t,年均變化率為7.1%。

錫林郭勒盟防風(fēng)固沙能力2000—2015年在67.13～81.86 t·hm-2之間變動(dòng),多年平均值為74.78 t·hm-2。且隨著評(píng)估年份的變化,錫林郭勒盟防風(fēng)固沙能力以平均每年6.3%的變化率波動(dòng)增加,直觀表現(xiàn)為區(qū)域土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的整體下降(圖3)。但區(qū)域防風(fēng)固沙能力增加幅度稍低于防風(fēng)固沙量,主要原因是防風(fēng)固沙量受到防風(fēng)固沙能力與區(qū)域面積的雙重影響。

圖2 2000—2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙功能變化

3.2 防風(fēng)固沙功能空間差異特征

為揭示錫林郭勒盟防風(fēng)固沙功能空間差異,依據(jù)全盟固沙能力值域及風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度分級(jí)[25]設(shè)置相應(yīng)防風(fēng)固沙功能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

結(jié)果表明,錫林郭勒盟東南部防風(fēng)固沙能力最強(qiáng),年均防風(fēng)固沙超過120 t·hm-2,主要包括正藍(lán)旗、正鑲白旗、蘇尼特左旗東南部等地區(qū),其面積占錫林郭勒盟總面積的9.91%。防風(fēng)固沙能力較高區(qū)面積最大,占全盟面積的53.81%,集中分布在蘇尼特右旗、阿巴嘎旗以及蘇尼特左旗西北部等區(qū)域,多年平均防風(fēng)固沙能力介于60～120 t·hm-2之間。防風(fēng)固沙能力一般區(qū)的空間分布零散,其面積約占錫林郭勒盟總面積的22.45%,年均防風(fēng)固沙能力為20～60 t·hm-2。另外,錫林郭勒盟分布有8.53%的防風(fēng)固沙能力較低區(qū),主要位于東烏珠穆沁旗、西烏珠穆沁旗、太仆寺旗、多倫縣和鑲黃旗以及錫林浩特市等,年均防風(fēng)固沙能力處于5～20 t·hm-2之間。而防風(fēng)固沙能力低值區(qū)的年均防風(fēng)固沙能力不足5 t·hm-2,其面積約占錫林郭勒盟總面積的5.30%,零散分布于阿巴嘎旗和蘇尼特左旗西北部、正鑲白旗東南部、太仆寺旗中部以及蘇尼特右旗西部等地區(qū)。因此,錫林郭勒盟防風(fēng)固沙功能整體呈現(xiàn)由東南向西北與東北方向遞減的空間分布特征(圖4),主要原因是東北部地區(qū)風(fēng)力侵蝕潛在風(fēng)險(xiǎn)較小,實(shí)際存在的植被防風(fēng)固沙能力較低。

圖3 2000—2015年錫林郭勒盟土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度空間分布

表1 2000—2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙能力變化

Table 1 Changes of sand-fixing capacity in the Xilin Gol League from 2000 to 2015

防風(fēng)固沙能力分區(qū)固沙能力(ASR)分級(jí)依據(jù)/(t·hm-2)分區(qū)面積占比/%防風(fēng)固沙能力變化分區(qū)變化值(Δ)分級(jí)依據(jù)/(t·hm-2)變化區(qū)面積占比/% 高值區(qū)ASR≥1209.91明顯增加區(qū)Δ≥203.72 較高區(qū)60≤ASR<12053.81一般增加區(qū)5≤Δ<2028.91 一般區(qū)20≤ASR<6022.45無變化區(qū)-5≤Δ<551.82 較低區(qū)5≤ASR<208.53一般降低區(qū)-20≤Δ<-59.16 低值區(qū)ASR<55.30明顯降低區(qū)Δ<-206.39

3.3 防風(fēng)固沙功能區(qū)域變化特征

從防風(fēng)固沙功能變化區(qū)域來看,2000—2015年錫林郭勒盟有32.63%的區(qū)域防風(fēng)固沙能力增高(表1)。其中,正藍(lán)旗、太仆寺旗和西烏珠穆沁旗等防風(fēng)固沙功能明顯提升,單位面積防風(fēng)固沙增加量超過20 t·hm-2,其面積占錫林郭勒盟總面積的3.72%;阿巴嘎旗、正鑲白旗、蘇尼特左旗東南部、東烏珠穆沁旗和多倫縣西南部防風(fēng)固沙能力有所增加,增高幅度介于5～20 t·hm-2之間,其面積約占錫林郭勒盟總面積的28.91%。相比2000年,2015年錫林郭勒盟有15.55%的地域防風(fēng)固沙功能下降。其中,蘇尼特右旗東部和蘇尼特左旗西北部防風(fēng)固沙能力明顯降低,其面積占錫林郭勒盟總面積的6.39%,單位面積防風(fēng)固沙能力降低幅度超過20 t·hm-2;東烏珠穆沁旗中部防風(fēng)固沙能力變化為一般降低水平,其面積約占錫林郭勒盟總面積的9.16%。其余51.82%的地區(qū)防風(fēng)固沙功能無明顯變化,主要分布在東烏珠穆沁旗、阿巴嘎旗和多倫縣東南部、錫林浩特市和鑲黃旗等(圖5)?？梢?2000—2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙功能較穩(wěn)定,而東南部和中北部地區(qū)防風(fēng)固沙能力明顯提升,西部地區(qū)防風(fēng)固沙能力有明顯下降現(xiàn)象,需要重點(diǎn)加以關(guān)注。

3.4 防風(fēng)固沙功能影響因素分析

區(qū)域防風(fēng)固沙功能不僅受到植被覆蓋狀況影響,同時(shí)受降水量、土壤、地形和風(fēng)力等其他因素影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,2000—2015年錫林郭勒盟植被覆蓋度變動(dòng)在40.12%～59.05%之間,且以每年0.32%的平均增速波動(dòng)增加(圖6)。利用SPSS軟件進(jìn)行Kendall非參數(shù)相關(guān)性檢驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度對(duì)區(qū)域防風(fēng)固沙能力的提升具有顯著正面影響(Sig為0.034,r=0.531)。2000—2015年錫林郭勒盟降水量變動(dòng)在196.01～389.44 mm之間,多年平均值為264.51 mm。然而,評(píng)估期間錫林郭勒盟降水量整體以4.94 mm·(15 a)-1的增速波動(dòng)增加,且與防風(fēng)固沙能力變化趨勢(shì)呈現(xiàn)較好的一致性(圖7)。經(jīng)相關(guān)性檢驗(yàn),降水量與防風(fēng)固沙能力也存在顯著正相關(guān)(Sig為0.037,r=0.551),說明該區(qū)域降水量對(duì)防風(fēng)固沙能力的變化產(chǎn)生了積極影響。從防風(fēng)固沙能力變化較大年份來看,2005年降水量與植被覆蓋度比2004年均明顯降低,造成防風(fēng)固沙功能顯著下降;2012年降水量與植被覆蓋度大幅增加,明顯提高了防風(fēng)固沙能力。因此,近年來降水量變化和生態(tài)工程建設(shè)均對(duì)區(qū)域防風(fēng)固沙功能具有明顯影響。

圖4 錫林郭勒盟多年平均防風(fēng)固沙能力空間分布

圖5 2000—2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙能力變化區(qū)

圖6 2000—2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙能力與植被覆蓋變化

圖7 2000—2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙能力與降水量變化

4 討論

基于錫林郭勒盟的植被、土壤及氣象數(shù)據(jù),采用修正風(fēng)蝕方程(RWEQ)和GIS空間分析技術(shù),測(cè)算評(píng)估了2000—2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙功能變化及其區(qū)域差異。筆者研究發(fā)現(xiàn),錫林郭勒盟多年平均防風(fēng)固沙能力為74.48 t·hm-2,稍高于鞏國麗等[16]測(cè)算1990—2010年內(nèi)蒙古典型草原區(qū)防風(fēng)固沙能力50～70 t·hm-2的結(jié)果,原因是兩項(xiàng)研究評(píng)估階段不同,且近年來該區(qū)域防風(fēng)固沙功能明顯增加。筆者研究中防風(fēng)固沙能力值高于江凌等[23]估算的2000—2010年內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)年均防風(fēng)固沙能力為48.80 t·hm-2的結(jié)論,這主要是因?yàn)殄a林郭勒盟位于內(nèi)蒙古風(fēng)沙治理關(guān)鍵地帶,是發(fā)揮防風(fēng)固沙功能的重要區(qū)域。此外,筆者研究發(fā)現(xiàn)錫林郭勒盟防風(fēng)固沙能力空間變化特征與鞏國麗等[16]、王艷琦等[13]研究結(jié)果一致,植被覆蓋度變化與李慶旭等[3]、邵艷瑩等[26]研究結(jié)果一致。不過,佟斯琴等[27]、孫斌等[28]認(rèn)為,1980—2010年間內(nèi)蒙古降水量呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì),而筆者研究發(fā)現(xiàn)錫林郭勒盟降水量在2000—2015年呈現(xiàn)波動(dòng)增加趨勢(shì),原因在于評(píng)估時(shí)間段與研究區(qū)域的不同。

土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度易受地形、土壤、植被、氣候和人類活動(dòng)的綜合影響[1-2]。其中,氣候因素主要表現(xiàn)為風(fēng)速、降水和溫度等方面的影響[10,29],降水在直接影響土壤濕度和粘附能力的同時(shí),間接調(diào)節(jié)植被生長狀況進(jìn)而影響風(fēng)蝕[30]。植被覆蓋度通過減緩風(fēng)速和減少沉積物可有效保護(hù)表層土壤[31],因此筆者研究選取降水量和植被覆蓋度對(duì)研究區(qū)防風(fēng)功能的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明,錫林郭勒盟防風(fēng)固沙功能的變化,不僅受到風(fēng)沙源治理工程措施的影響,而且與風(fēng)力、氣溫等氣象條件有關(guān),這與ZHANG等[31]對(duì)內(nèi)蒙古土壤風(fēng)蝕動(dòng)態(tài)的影響因素研究結(jié)果相一致。因此未來研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注防風(fēng)固沙功能與工程措施以及氣象要素波動(dòng)的關(guān)系解析。

PI等[32]應(yīng)用REWQ經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比分析了中國和美國干旱半干旱地區(qū)的防風(fēng)固沙能力,結(jié)果表明作為農(nóng)田風(fēng)蝕模型的RWEQ具有一定誤差,筆者將其應(yīng)用于以草原為主的研究區(qū)也存在一定局限性。因此,雖然RWEQ模型方便定量評(píng)估土壤侵蝕模數(shù),但其計(jì)算參數(shù)均來源于美國大平原的統(tǒng)計(jì)值,屬于缺乏一定理論與物理過程基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚33],且具有很強(qiáng)地域性,具體應(yīng)用該模型時(shí)要對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行修正。鞏國麗等[34]對(duì)RWEQ中土壤結(jié)皮和可蝕性因子進(jìn)行改進(jìn),并將其應(yīng)用到我國北方風(fēng)沙土區(qū)。不過,遲文峰等[35]利用內(nèi)蒙古高原137Cs示蹤技術(shù)監(jiān)測(cè)成果檢驗(yàn)RWEQ模型反演結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有較好擬合性(R2=0.83,P<0.01)。筆者研究在綜合考慮與借鑒前人對(duì)公式與參數(shù)修正結(jié)果的基礎(chǔ)上,為滿足模型對(duì)數(shù)據(jù)空間和時(shí)間分辨率的要求,對(duì)部分輸入?yún)?shù)進(jìn)行了插值處理,可能導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果存在一定程度的誤差。此外,RWEQ模型在風(fēng)蝕因子分類與相互影響方面存在不足,以至于風(fēng)蝕影響因子僅是特定區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)表達(dá),不具有普適性的風(fēng)蝕動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)[21]。因此,構(gòu)建并應(yīng)用具有理論基礎(chǔ)與廣泛適用性的土壤風(fēng)蝕模型更能準(zhǔn)確反映區(qū)域防風(fēng)固沙功能變化狀況。

5 結(jié)論

研究表明,2000—2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙功能明顯提升,年均防風(fēng)固沙量為14.56億t,防風(fēng)固沙能力達(dá)74.78 t·hm-2,且整體呈現(xiàn)由東南向西北與東北方向遞減趨勢(shì)。相比2000年,2015年錫林郭勒盟東南部防風(fēng)固沙能力增加明顯,全盟有32.63%的區(qū)域防風(fēng)固沙能力增高,51.82%的區(qū)域防風(fēng)固沙能力穩(wěn)定,另有西部地區(qū)15.55%的區(qū)域防風(fēng)固沙能力降低,是區(qū)域防風(fēng)固沙功能需要重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。此外,錫林郭勒盟防風(fēng)固沙功能變化與植被覆蓋度和降水量變化呈顯著相關(guān),說明近年來降水變化和生態(tài)工程建設(shè)均對(duì)區(qū)域生態(tài)功能的提升有積極作用。風(fēng)沙源治理工程的推進(jìn)實(shí)施應(yīng)綜合考慮氣候變化、生態(tài)工程和人類活動(dòng)的復(fù)合影響,利用發(fā)揮氣候變化帶來的正面效應(yīng),注重生態(tài)工程布局建設(shè)的區(qū)域適宜性,并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的保護(hù)與修復(fù)。