張彪, 王爽，史蕓婷

京津風(fēng)沙源區(qū)防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋度變化的時空響應(yīng)研究

張彪1,2,*, 王爽1,2，史蕓婷1,2

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), 北京 100049

防風(fēng)固沙功能受氣象、土壤、植被、土地利用等多種因素的影響, 監(jiān)測評估區(qū)域防風(fēng)固沙功能對不同影響因子的響應(yīng)狀況可為生態(tài)保護(hù)工程的布局實施提供重要依據(jù)。以京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)為例, 基于NDVI指數(shù)和RWEQ模型, 構(gòu)建了植被覆蓋度與防風(fēng)固沙功能的同步變化指數(shù)模型, 評估分析了工程區(qū)防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋度變化的響應(yīng)水平及時空差異。結(jié)果表明: (1)2000—2015年京津風(fēng)沙源區(qū)防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度的同步變化指數(shù)()波動增加, 多年平均值達(dá)到0.85, 說明區(qū)域防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋度變化存在顯著響應(yīng)且整體表現(xiàn)出增強(qiáng)趨勢; (2)評估期內(nèi)工程區(qū)83%的地區(qū)防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度變化高度同步(>0.8), 17%地區(qū)表現(xiàn)出較高程度的同步變化(0.6≤0.8); (3)正藍(lán)旗、巴林右旗、翁牛特旗等地區(qū)防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋度變化的響應(yīng)水平相對較高, 而商都縣、興和縣、烏蘭察布等地區(qū)相對較低。因此, 京津風(fēng)沙源區(qū)防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度變化呈現(xiàn)為強(qiáng)同步性, 植被覆蓋度可作為防風(fēng)固沙效益的直接監(jiān)測指標(biāo), 同時, 對于同步變化指數(shù)()相對較低的區(qū)域應(yīng)注重綜合采用植被恢復(fù)措施以外的工程或化學(xué)材料等沙障措施提升防風(fēng)固沙功能。

防風(fēng)固沙; 植被覆蓋; 時空響應(yīng); 同步變化; 京津風(fēng)沙源區(qū)

0 前言

土壤風(fēng)蝕是我國面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題之一[1], 可降低土壤生產(chǎn)力, 導(dǎo)致土地退化和沙化, 從而限制區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與影響人類福祉[2]。目前, 土壤風(fēng)蝕控制有機(jī)械固沙、植物固沙、化學(xué)固沙、綜合固沙等多種技術(shù)措施[3-4]。其中, 以增加植被覆蓋為主的植物固沙措施受到高度關(guān)注[5]。比如, 楊志國等調(diào)查了河北宣化黃羊灘沙地不同造林措施對土壤風(fēng)蝕的影響, 發(fā)現(xiàn)不同造林樹種的集沙量存在明顯差異[6]。周鑫等研究認(rèn)為青海湖東岸克土沙區(qū)沙蒿、沙棘和烏柳的防風(fēng)固沙效益高[7], 而王彥武等測定發(fā)現(xiàn)甘肅民勤綠洲邊緣梭梭林要比其他固沙林有更明顯的防風(fēng)固沙效果[8]。不過, 土壤風(fēng)蝕過程易受大氣、土壤、土地利用方式和管理措施等多種因素的共同影響[9], 而我國廣大土地沙化區(qū)域的氣候、地形、土壤和土地利用狀況等存在明顯差異[5], 因此監(jiān)測評估不同地區(qū)風(fēng)蝕控制措施的效果可為生態(tài)治理工程的規(guī)劃布局提供重要依據(jù)。Gong等基于氣象、遙感數(shù)據(jù)和RWEQ模型評估證實, 我國北方風(fēng)蝕區(qū)的春季植被蓋度變化與防風(fēng)固沙功能的保有率呈顯著正相關(guān)[10]。黃麟等評估了三北防護(hù)林的防風(fēng)固沙效應(yīng), 發(fā)現(xiàn)70年代以來工程區(qū)植被狀況整體好轉(zhuǎn), 局部減弱了土壤風(fēng)蝕模數(shù)[11]。不過, 以往研究注重分析植被覆蓋狀況對區(qū)域防風(fēng)固沙功能的積極影響, 而對植被覆蓋度與防風(fēng)固沙功能響應(yīng)關(guān)系的時空差異研究較少。雖然李琦等以陜西榆林市為例, 利用氣象觀測和植被指數(shù)數(shù)據(jù), 分析了植被覆蓋與防風(fēng)固沙功能的時間同步性[12], 但并未深入研究二者的空間同步性。

京津風(fēng)沙源治理工程是我國為遏制北京及周邊地區(qū)土地沙化、改善空氣質(zhì)量而實施的一項的重大生態(tài)工程。近年來工程區(qū)植被狀況已明顯恢復(fù)改善[13]。比如, 嚴(yán)恩萍等[14]與衛(wèi)潔等[15]均發(fā)現(xiàn)京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)NDVI呈上升趨勢; 李慶旭等測算2000—2015年工程區(qū)植被覆蓋度以0.4%/年的速率增加。同時, 該區(qū)域內(nèi)土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度已顯著降低[16]。比如, 鞏國麗等發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代以來錫林郭勒盟的土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度呈減弱趨勢[17]; 王俊枝等運用RWEQ模型定量評估表明, 2005年以后渾善達(dá)克防風(fēng)固沙功能區(qū)的土壤風(fēng)蝕模數(shù)年均降低0.08億t[18]; 遲文峰等也證實自2000年以來內(nèi)蒙古高原近87.85%的地區(qū)土壤風(fēng)蝕模數(shù)下降[19]。但是, 工程區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)措施提升防風(fēng)固沙功能的時空有效性仍需重點考量。

為此, 本文基于歸一化植被指數(shù)(NDVI)和修正風(fēng)蝕方程(RWEQ), 在評估工程區(qū)植被覆蓋度與防風(fēng)固沙功能的基礎(chǔ)上, 構(gòu)建同步變化指數(shù)模型, 評估分析了2000—2015年京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)植被覆蓋度與防風(fēng)固沙功能的協(xié)同程度, 以監(jiān)測評估防風(fēng)固沙功能的植被恢復(fù)措施成效及其潛力區(qū)域, 從而為風(fēng)沙源治理工程的分區(qū)施策與精準(zhǔn)修復(fù)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)(109°30′—114°20′E, 38° 50′—46°40′N)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, 南起山西省代縣, 北至內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗。一期工程區(qū)的國土面積為45.8萬km2, 涵蓋北京、天津、錫林郭勒盟、烏蘭察布、赤峰、承德、張家口等11地市的75個縣(市、區(qū)、旗)。

工程區(qū)地貌主要由平原、山地和高原組成。其中, 東部渾善達(dá)克沙地是錫林郭勒高原的重要組成部分, 沙化土地廣布; 西部烏蘭察布高原由陰山北麓的丘陵、地勢平緩的凹陷地帶及橫貫東西的石質(zhì)丘陵隆起帶組成, 境內(nèi)多季節(jié)性河流; 燕山山地和太行山地形起伏較大, 地形雨較多, 易造成水土流失。內(nèi)蒙古高原地帶性土壤以溫帶、暖溫帶條件下形成的黑鈣土、栗鈣土、棕鈣土為主。其中, 栗鈣土占絕對優(yōu)勢, 燕山山地以石灰土、石質(zhì)土為主[20]。

工程區(qū)氣候包含暖溫帶半濕潤大區(qū)、溫帶半濕潤大區(qū)、溫帶半干旱大區(qū)、溫帶干旱大區(qū)、溫帶極干旱大區(qū)2個氣候帶5個氣候大區(qū)。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫為7.5℃, 年平均降水量和蒸發(fā)量分別為459.5 mm和2110 mm, 年大風(fēng)日數(shù)高達(dá)36.2天。內(nèi)蒙古高原干旱、半干旱氣候特征明顯, 且多大風(fēng)和沙塵暴天氣, 是京津地區(qū)風(fēng)沙的主要來源。

自2000年京津風(fēng)沙源治理工程實施以來, 工程區(qū)內(nèi)耕地面積不斷減少, 主要流向退耕還林還草; 但林地與城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積明顯增加, 而濕地與荒漠沙地面積均有所減小(圖1), 雖然工程區(qū)草地面積減少, 但長時期來看, 以草地為主、耕地和林地為輔的土地利用組成結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化[21]。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度

植被是生態(tài)系統(tǒng)中連接土壤、大氣和水分的自然紐帶[22], 植被冠層的垂直投影面積與土地面積的比值稱為植被覆蓋度, 與歸一化植被指數(shù)(NDVI)具有很好的相關(guān)性[23]。植被覆蓋度已成為表征區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況的重要指標(biāo)[16,24-26]。因此, 本文基于歸一化植被指數(shù), 采用像元二分模型估算京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)2000—2015年植被覆蓋度, 計算公式如下:

式中: VC為植被覆蓋度(%), NDVImax和NDVImin分別為NDVI的最大值和最小值。

文中NDVI數(shù)據(jù)來自美國地球資源觀測系統(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、大氣校正等預(yù)處理, 時空分辨率為16d和250m。本文對該數(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, 采用最大值合成法[27],依次獲得京津風(fēng)沙源區(qū)生長季(4—10月)[28]逐月以及逐年NDVI數(shù)據(jù), 最后通過局部最大濾波算法進(jìn)一步去除云霧影響, 利用Arcgis10.0軟件掩膜得到16期NDVI數(shù)據(jù)。

2.2 防風(fēng)固沙功能

防風(fēng)固沙功能是指植被生態(tài)系統(tǒng)抑制或降低土壤風(fēng)蝕的作用, 易受氣候、土壤、植被、地形以及土地利用等多種因素影響[17-19]。風(fēng)蝕模型是評估防風(fēng)固沙功能的主要技術(shù)手段, 其中修正風(fēng)蝕方程(RWEQ) 已廣泛應(yīng)用于我國土壤風(fēng)蝕狀況評估[21,29-31]。為此, 本文基于RWEQ模型, 定量評估京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)防風(fēng)固沙功能。其中防風(fēng)固沙能力(SRA)為工程區(qū)單位面積土壤潛在風(fēng)蝕量(SLp)與實際風(fēng)蝕量(SLr)的差值, 計算公式如下:

圖1 工程區(qū)2000年和2015年土地利用狀況

Figure 1 Land use of the Beijing-Tianjin sandstorm source area in 2000 and 2015

式中: SLp為潛在風(fēng)蝕量(kg·m-2),Q為潛在風(fēng)力的最大輸沙能力(kg·m-1),為潛在關(guān)鍵地塊長度(m); SLr為實際風(fēng)蝕量(kg·m-2),Q為實際風(fēng)力的最大輸沙能力(kg·m-1),為實際關(guān)鍵地塊長度(m);表示下風(fēng)向距離(取50 m),為氣候因子(kg·m-1),和分別為土壤可蝕性因子和土壤結(jié)皮因子,和分別為土壤糙度因子與植被因子;為工程區(qū)防風(fēng)固沙能力(t·hm-2)。

(1)氣象因子

自然條件下土壤風(fēng)蝕受風(fēng)速、溫度、降雨、太陽輻射以及降雪等氣象因素影響, 氣象因子(WF)為各類氣象因素對風(fēng)蝕的綜合影響, 計算公式如(10)和(11)所示:

式中:為氣象因子(kg·m-1) ,為風(fēng)力因子(m/s)3,為重力加速度(取9.8 m/s2),為空氣密度(取氣溫20℃時1.205 kg/m3), SW和分別為土壤濕度因子和雪蓋因子,u為起沙風(fēng)速(取5 m/s),u為氣象站月均風(fēng)速(m/s),為各月風(fēng)速大于5 m/s 的天數(shù)。

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/)在京津風(fēng)沙源區(qū)內(nèi)的26個氣象站[32], 采用月均風(fēng)速、降水、氣溫、日照時數(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)的中國雪深長時間序列數(shù)據(jù)集計算。

(2)土壤可蝕性與結(jié)皮因子

土壤可蝕性受土壤顆粒的粒徑以及有機(jī)質(zhì)、黏土、碳酸鈣等物質(zhì)含量的影響, 土壤表層的堅硬結(jié)皮也能有效防止風(fēng)蝕的發(fā)生。因此, 可從土壤的理化條件判別土壤可蝕性因子(EF), 土壤結(jié)皮因子(SCF)為一定土壤理化條件下土壤結(jié)皮抵抗風(fēng)蝕的能力, 計算公式為:

式中:為土壤粗砂含量(%),為土壤粉砂含量(%),為土壤粘粒含量(%),為土壤有機(jī)質(zhì)含量(%),CaCO為碳酸鈣含量(%)。

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(http://westdc.westgis.ac.cn)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), 分別采用京津風(fēng)沙源區(qū)不同土壤類型及相應(yīng)物質(zhì)含量估算可蝕性因子與結(jié)皮因子。

(3)植被因子

植被對土壤風(fēng)蝕過程有重要影響, 不僅增加地表糙度而增大起沙風(fēng)速, 且對土壤顆粒移動有一定阻礙作用[33]。植被覆蓋因子(C)代表植被條件對風(fēng)蝕的抑制程度, 計算公式為:

(4)地表糙度因子

地形因子對風(fēng)蝕過程存在明顯影響。地表糙度(K′)表示農(nóng)田因耕作產(chǎn)生塊狀土以及土壟而對風(fēng)蝕產(chǎn)生的影響, 包括隨機(jī)糙度()和土壟糙度()。由于區(qū)域尺度評估中, 耕作產(chǎn)生的隨機(jī)糙度難以獲取, 本文采用smith-carson方程計算土壟造成的地形起伏度來替代[34], 計算公式為:

2.3 同步變化指數(shù)

同步性是指兩個或兩個以上隨時間變化的量在變化過程中保持一定的相對關(guān)系。該文將防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋度變化的響應(yīng)定義為區(qū)域防風(fēng)固沙能力隨植被覆蓋度變化的同步性程度, 以反映區(qū)域植被措施提升防風(fēng)固沙功能的有效性。為監(jiān)測評估工程區(qū)防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度變化的同步性, 以2000年為起始年, 將每年區(qū)域植被覆蓋度與防風(fēng)固沙能力減去上一年份的植被覆蓋度與防風(fēng)固沙能力, 分別得到植被覆蓋度與防風(fēng)固沙功能的年變化量, 并與上一年份植被覆蓋度與防風(fēng)固沙功能相比, 獲得二者的年變化率; 然后比較兩個變化率的大小, 并轉(zhuǎn)換為分布在0—1之間的同步指數(shù)()。同步變化指數(shù)越大, 說明防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋度變化的響應(yīng)程度越高, 反之亦然。計算公式為:

式中:為防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度變化的同步指數(shù)(表1),為不同評估單元防風(fēng)固沙能力(t·hm-2),為植被覆蓋度(%),代表不同年份。

3 結(jié)果與分析

3.1 響應(yīng)程度的年際變化

評估結(jié)果表明, 2000—2015年京津風(fēng)沙源區(qū)植被覆蓋度變化在35.33%—44.69%, 且以0.48%/年的速度波動增加; 同時, 防風(fēng)固沙功能以年均增速1.04%的速率提升, 防風(fēng)固沙能力變化在56.97 t/ (hm2·a)—73.82 t/(hm2·a)。因此, 京津風(fēng)沙源區(qū)防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度的同步變化指數(shù)分布在0.70—0.91之間, 且表現(xiàn)為整體增加趨勢(圖2), 說明植被覆蓋狀況改善能有效提升區(qū)域防風(fēng)固沙功能, 且防風(fēng)固沙功能對植被恢復(fù)措施的響應(yīng)程度越來越高。同時, 同步變化指數(shù)SI多年平均值為0.85, 植被覆蓋狀況可直接指示區(qū)域防風(fēng)固沙功能。

表1 防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度的同步變化指數(shù)分級

圖2 2001—2015年京津風(fēng)沙源區(qū)防風(fēng)固沙能力、植被覆蓋度及同步變化指數(shù)

Figure 2 Sand-fixing capacity, vegetation coverage and synchronization change index in the Beijing-Tianjin sandstorm source area from 2001 to 2015

3.2 響應(yīng)程度的空間分異

從京津風(fēng)沙源區(qū)同步指數(shù)變化空間動態(tài)來看, 2002—2003年和2003—2004年植被覆蓋度與防風(fēng)固沙功能的同步變化指數(shù)明顯降低, 且集中出現(xiàn)在南部地區(qū); 雖然2007—2008年同步變化指數(shù)低值區(qū)范圍較小, 但低值程度更加明顯; 2008—2009年以及2009—2010年同步變化指數(shù)低值區(qū)范圍顯著擴(kuò)大(圖3)。因此, 2000—2015年京津風(fēng)沙源區(qū)防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度強(qiáng)同步變化為主。其中, 高同步區(qū)(>)面積380680 km2, 占到工程區(qū)面積的83.12%, 呈廣泛分布狀態(tài); 較高同步區(qū)(<)集中分布在工程區(qū)西部, 呈東北—西南走向分布, 面積占到工程區(qū)的16.88%; 一般同步區(qū)(<)面積約23km2, 不及工程區(qū)面積的1%, 呈點狀零散分布(圖4)。

3.3 響應(yīng)區(qū)域的面積組成

根據(jù)同步變化指數(shù)等距分為5個等級, 以比較分析各響應(yīng)水平的數(shù)量規(guī)模。從不同級別的面積比例來看, 京津風(fēng)沙源區(qū)防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度以較高同步和高同步指數(shù)為主。其中, 2000—2015年間一般同步區(qū)面積占比分布在0—21.33%之間, 且呈現(xiàn)先增加后減少的波動趨勢; 較高同步區(qū)面積占比變化在8.90%—56.10%, 2000—2004年以及2005—2009年間其面積有兩次明顯增加, 隨后呈現(xiàn)逐年下降趨勢; 植被覆蓋度與防風(fēng)固沙功能高同步區(qū)的面積占比集中在47.39%—90.57%, 分別在2000—2004年和2004—2008年兩個階段表現(xiàn)出顯著降低趨勢, 但此后又逐年增加(圖5), 說明越來越多的區(qū)域防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋狀況改善表現(xiàn)出明顯的提升響應(yīng)作用。

3.4 響應(yīng)區(qū)域的地區(qū)差異

2000—2015年京津風(fēng)沙源區(qū)各縣區(qū)旗的防風(fēng)固沙功能對植被變化整體呈現(xiàn)出顯著響應(yīng), 其中二連浩特市同步指數(shù)最高(0.91), 其次為正藍(lán)旗、巴林右旗、克什克騰旗、翁牛特旗、林西縣等, 其同步化指數(shù)均高于0.88, 有44.59%縣域單元同步變化指數(shù)在0.85—0.88之間, 而商都縣、興和縣、烏蘭察布市等地區(qū)的同步指數(shù)均小于0.80(圖6), 說明上述地區(qū)防風(fēng)固沙功能易受其他因素影響。不過從地市尺度來看, 天津市(薊縣)防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度變化的同步指數(shù)最高(0.87), 其次是北京市、赤峰市、忻州市、包頭市等, 此外, 張家口市、錫林郭勒盟、大同市和烏蘭察布市的同步變化指數(shù)均小于0.85, 其中烏蘭察布市防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度變化的同步指數(shù)最低(0.81)。因此, 針對張家口市、錫林郭勒盟、大同市和烏蘭察布市等地市防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度同步變化相對較低的區(qū)域施加綜合提升措施值得關(guān)注。

圖3 2001—2015年京津風(fēng)沙源區(qū)同步變化指數(shù)

Figure 3 Synchronization changes index in the Beijing-Tianjin sandstorm source area from 2001 to 2015

圖4 京津風(fēng)沙源區(qū)同步變化指數(shù)多年均值空間分布

Figure 4 Spatial distribution of averaged synchronization change index in the Beijing-Tianjin sandstorm source area

圖5 京津風(fēng)沙源區(qū)植被覆蓋度與防風(fēng)固沙功能同步變化分區(qū)面積占比情況

Figure 5 Area proportions of synchronization change region in the Beijing-Tianjin sandstorm source area

3.5 荒漠化區(qū)的響應(yīng)程度

參考滑永春等的荒漠化程度分級[35], 根據(jù)京津風(fēng)沙源區(qū)2000—2015年植被覆蓋度多年均值, 荒漠化程度地區(qū)分布如圖7所示。其中, 重度荒漠化區(qū)域約占12%, 主要分布在風(fēng)沙源區(qū)西部邊緣的荒漠草原區(qū), 防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度的同步變化指數(shù)分布在0.52—0.97之間(表2), 其區(qū)域平均值最高(0.88), 說明嚴(yán)重荒漠化地區(qū)的植被覆蓋狀況改善可以較快提升防風(fēng)固沙功能; 此外, 風(fēng)沙源區(qū)約有21%的地區(qū)為中度荒漠化區(qū), 集中分布在重度荒漠化區(qū)的周邊, 以渾善達(dá)克沙地為主, 雖然同步變化指數(shù)的變化范圍較大, 但其區(qū)域平均值為最低(0.84), 說明此地區(qū)防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋狀況的響應(yīng)比較復(fù)雜; 在中度荒漠化區(qū)的東部分布有輕度荒漠化區(qū), 其面積占到研究區(qū)面積的49%, 但防風(fēng)固沙功能與植被覆蓋度的同步變化指數(shù)變動范圍較小, 而其平均指數(shù)較大, 說明該區(qū)域植被覆蓋狀況能有效提升防風(fēng)固沙功能。因此, 相比較而言, 不同地區(qū)的荒漠化程度對植被恢復(fù)帶來防風(fēng)固沙功能提升有一定影響。

圖6 京津風(fēng)沙源區(qū)多年同步變化指數(shù)的區(qū)域分布

Figure 6 Regional distribution of synchronization degree in the Beijing-Tianjin sandstorm source engineering area

圖7 京津風(fēng)沙源區(qū)荒漠化程度空間分布

Figure 7 Spatial distribution of desertification in the Beijing-Tianjin sandstorm source area

表2 京津風(fēng)沙源區(qū)荒漠化程度與同步變化指數(shù)

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

目前已有較多關(guān)于植被覆蓋度對防風(fēng)固沙效果的研究, 但是不同時空尺度下防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋度變化的響應(yīng)程度研究較少, 植被恢復(fù)措施提升防風(fēng)固沙功能的時空有效性尚不清楚。該文基于京津風(fēng)沙源治理工程區(qū)的植被、土壤及氣象數(shù)據(jù), 評估模擬了植被覆蓋度與防風(fēng)固沙功能的變化, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)京津風(fēng)沙源區(qū)植被覆蓋度變化在35.33%—44.69%, 且整體呈波動增加趨勢, 這與滑永春等[35]、嚴(yán)恩萍等[14]、李慶旭等[16]的研究結(jié)果一致。其次, 風(fēng)沙源區(qū)防風(fēng)固沙功能變動在56.97 t/(hm2·a)—73.82 t/(hm2·a)之間, 略高于2000— 2010年內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)年均防風(fēng)固沙48.80 t·hm-2的結(jié)果[29], 原因可能與內(nèi)蒙古北部地區(qū)防風(fēng)固沙能力較小有關(guān)。已有研究表明, 三北工程區(qū)植被變化是加速或遏制土壤風(fēng)蝕最敏感的因素[11], 黑河下游重要生態(tài)功能區(qū)植被覆蓋度與防風(fēng)固沙功能間存在顯著相關(guān)性[36-37]。該文構(gòu)建植被覆蓋度與防風(fēng)固沙能力的同步變化指數(shù)模型, 測算評估了2000—2015年京津風(fēng)沙源區(qū)防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋度的響應(yīng)水平, 發(fā)現(xiàn)二者同步指數(shù)多年均值為0.85, 且整體表現(xiàn)出增加趨勢, 工程區(qū)內(nèi)83%的地區(qū)防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋度變化有顯著響應(yīng), 說明該區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋度可直接表征防風(fēng)固沙效益變化。但是, 仍有16.88%的地區(qū)同步變化指數(shù)相對較低, 且集中分布在東北—西南走向的錫林郭勒盟西部, 分布有中等程度的荒漠化, 年降水量較低, 地形平坦且起伏度較小, 地表植被存活與生長較困難, 且易受放牧、耕作等人為活動干擾, 因此該區(qū)域土壤風(fēng)蝕控制治理除植被恢復(fù)措施外, 還應(yīng)綜合采用工程固沙、化學(xué)材料沙障等多種措施[4,38]。

不過需要說明的是, RWEQ模型是基于美國大平原統(tǒng)計值的農(nóng)田風(fēng)蝕模型, 應(yīng)用于草原風(fēng)蝕具有一定的局限性, 為此該文在借鑒前人研究成果基礎(chǔ)上, 采用了我國北方沙化地區(qū)修正后的關(guān)鍵參數(shù)和計算公式[29-31,39]。同時, RWEQ模型在風(fēng)蝕因子分類與相互影響方面存在不足, 風(fēng)蝕影響因子僅是特定區(qū)域的經(jīng)驗表達(dá), 不具有普適性的風(fēng)蝕動力學(xué)理論基礎(chǔ)[40], 需要進(jìn)一步研究構(gòu)建具有理論基礎(chǔ)與廣泛適用性的土壤風(fēng)蝕模型才能準(zhǔn)確反映區(qū)域防風(fēng)固沙功能變化狀況。為滿足模型對數(shù)據(jù)空間和時間分辨率的要求, 本研究對部分輸入?yún)?shù)進(jìn)行了插值處理, 可能導(dǎo)致評估結(jié)果的誤差與不確定性, 未來也需要更多實測數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善與驗證。

4.2 結(jié)論

該研究表明, 2000—2015年京津風(fēng)沙源區(qū)的防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋度變化存在顯著響應(yīng), 且表現(xiàn)為整體增強(qiáng)趨勢。其中, 83%的地區(qū)植被覆蓋狀況顯著影響防風(fēng)固沙功能變化, 17%的地區(qū)較高程度的影響防風(fēng)固沙功能。在行政地域上, 正藍(lán)旗、巴林右旗、翁牛特旗等地區(qū)植被覆蓋狀況與防風(fēng)固沙功能的同步性較高, 而錫林浩特、阿巴嘎旗、鑲黃旗等地區(qū)相對較低。因此, 京津風(fēng)沙源區(qū)植被覆蓋度是其防風(fēng)固沙效益的直接表征指標(biāo), 且植被恢復(fù)措施可有效提升區(qū)域防風(fēng)固沙功能, 但仍存在部分響應(yīng)水平較低的地區(qū), 尤其是中度荒漠化地區(qū)應(yīng)注重采用植被恢復(fù)和工程固沙或化學(xué)材料沙障等綜合措施來提升防風(fēng)固沙功能。

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Response of the sand-fixing service on vegetation cover change in the Beijing-Tianjin sandstorm source area

ZHANG Biao1,2,*, WANG Shuang1,2, SHI Yunting1,2

1. Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Science, Beijing 100101 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

Identifying and assessing the effectiveness of vegetation control for sand-fixing is an important basis for planning and layout ecological management projects. However, there is little research on the spatial-temporal response between vegetation cover changes and sand-fixing service. Taking the Beijing-Tianjin sandstorm control engineering area as an example, this paper constructs a synchronous change index model of vegetation coverage and sand-fixing capability, to quantitatively evaluates the spatial and temporal differences between vegetation cover change and sand-fixing capability changes from 2000 to 2015, and reveals the trend and potential areas of sand-fixing capability caused by vegetation changes. The results show that, the synchronization change index of vegetation cover and sand-fixing capacity in the study area fluctuate increased from 2000 to 2015, and the multi-year average value reach 0.85, which shows that the sand-fixing service strongly responded with the vegetation coverage change and the response level gradually enhanced. Among them, 83% of the engineering areas present high synchronicity between vegetation coverage and sand-fixing capacity, and 17% has higher synchronicity. From the perspective of administrative district, such areas as Zhenglan Banner, Balinyou and Wengniute Banner show relative high synchronization of vegetation cover change and sand-fixing service, but Xilinhot, Abaqi Banner, Xianghuang Banner, and so on are relative low in the synchronous index. Therefore, the sand-fixing service in the Beijing-Tianjin sandstorm control engineering area strongly responded with the vegetation coverage change, and the vegetation coverage can serve as the surrogate variable of sand-fixing service, and those areas with relative lower synchronous index should be adopted comprehensive sand barrier measures in addition to vegetation restoration.

sand-fixing service; vegetation coverage; spatial-temporal response; synchronous change; Beijing-Tianjin sandstorm source area

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.013

張彪, 王爽, 史蕓婷.京津風(fēng)沙源區(qū)防風(fēng)固沙功能對植被覆蓋度變化的時空響應(yīng)研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(1): 110–119.

ZHANG Biao, WANG Shuang, SHI Yunting. Response of the sand-fixing service on vegetation cover change in the Beijing-Tianjin sandstorm source area[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 110–119.

X826

A

1008-8873(2022)01-110-10

2020-01-12;

2020-03-09

國家重點研發(fā)計劃項目課題(2016YFC0503403)

張彪(1980—), 男, 山東鄆城人, 博士, 副研究員, 主要從事城市與區(qū)域生態(tài)學(xué)研究, E-mail: zhangbiao@igsnrr.ac.cn

張彪