绿洲对消减下风向沙尘暴的生态服务价值——以景电灌区绿洲农田及防护林为例

张景辉，董志洋，刘斌

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃景泰 730499）

0 引言

中国是世界上沙漠分布面积较大和沙漠化危害较为严重的国家之一。中国的沙漠及沙漠化土地集中分布在西北地区，包括新疆、甘肃、宁夏、青海以及内蒙古中西部和西藏等地。沙尘暴是沙漠化最典型的表现形式，中国西北地区沙尘暴频繁，每年由风沙危害所造成的经济损失达5.4×1010元[1]。甘肃河西走廊是中国沙尘暴多发区和重点危害区之一，也是中国主要沙尘暴主要发源地之一，每年春季3—5月沙尘暴频繁。沙尘暴的危害方式主要是埋没农田、埋压水渠、道路，沙尘暴的能见度低，影响交通安全，其尘埃漂浮数百千米，不仅覆盖植物叶面，影响植物光合作用从而降低植物生产率，还会影响下风向地区的空气清洁度等。沙尘暴是沙漠化发展的典型表现形式之一，沙尘暴的沙尘向下风向的漂浮距离一般为100～200 km甚至更远，而浮尘的漂浮距离可达1000 km以上[2-3]。

沙尘暴以及风沙流是一种自然地理过程，植物治沙即营造防护林和封育植被，是沙漠地区防风固沙的主要措施之一，防风固沙林不仅能就地防风固沙，还能有效消减下风向地区一定范围内的风沙危害[2-5]。绿洲农田作为一种植被系统具有就地防风固沙和消减下风向地区沙尘暴的生态功能，即防护林和绿洲农田的生态服务价值可以超出自身的区域范围[3]。不仅如此，中国西北各地在沙漠、戈壁地区陆续建造了大量的封禁保护区，这些封禁保护区的生态功能都具有外延性即外部性，尤其是下风向地区[4,6]。

生态补偿制度是以保护和可持续利用生态系统服务为目的，以经济手段调节相关者利益关系的一种有效措施[7]。本研究关注如何运用生态补偿措施正确处理防风固沙林区域与下风向地区利益群体之间的关系，有效推动中国防沙治沙和防治沙尘暴的步伐。1997 年Costanza 等[8]发表的《The value of the world’s ecosystem services and natural capital》一文开辟了自然资本及其生态系统服务价值研究的先河[9]。之后，国内外学者引用Costanza等[10-14]的理论框架和因子当量，对不同的生态系统开展了广泛研究，从而大大推进了生态服务价值理论和研究的发展。虽然Costanza 等提出的生态服务价值因子当量在具体应用上还存在空间尺度转换等问题[15-16]，但以其生态服务价值计算的补偿标准，被国内外学者认为是生态补偿最为科学合理的价值依据。在此基础上，中国学者谢高地等[9]根据中国实际情况制定了“中国陆地生态系统单位面积服务价值当量因子表”，实现了Costanza因子当量在中国空间尺度上的一次转化。之后，国内学者引用谢高地等的生态因子当量做了大量研究[17-18]，但基本都是针对自然生态系统生态服务价值的研究，也包括部分农田生态系统和城市生态系统。中国的生态补偿制度始于20世纪90年代，2001年中国设立了“森林生态效益补偿基金”，但至今国内外尚没有关于防沙治沙和防治沙尘暴生态服务价值的研究报道，更没有关于森林及其他植被防治沙尘暴生态服务价值的研究报道。笔者曾对景泰川电力提灌工程的生态服务价值和景电灌区生态移民对祁连山植被恢复的相对生态价值做初步研究[3,19-21]，本研究拟在此基础上对景电灌区绿洲农田及其防护林等消减下风向地区沙尘暴的生态服务价值做进一步探索。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区

甘肃省景泰川电力提灌工程灌区位于腾格里沙漠南部边缘的甘肃、宁夏和内蒙古3个省区交汇地带，东临黄河。景电灌区跨越甘肃和内蒙古2 个省区，包括甘肃省白银市的景泰县、武威市的古浪县以及民勤县和内蒙古自治区阿拉善盟的阿拉善左旗4个县旗。

景泰灌区、古浪灌区和阿左旗灌区总面积约6.4×104hm2，其中景泰县灌溉量最大，黄河提灌占总灌溉面积的79.44%；其次是古浪县，黄河提灌占总灌溉面积的56.60%；再次是阿左旗，黄河提灌占总灌溉面积的5.6%。民勤灌区仅为季节性补给灌区，黄河提灌仅占总灌溉面积的39.09%。

本研究以景泰灌区、古浪灌区和阿左旗灌区（以下简称景电灌区）及其NW 下风向距离200 km、左右小于90°的范围为研究区，包括白银市和兰州市的部分县区和宁夏中卫市沙坡头区、内蒙古阿左旗。

1.2 研究方法

首先按照谢高地等拟订的生态系统的生态服务价值因子当量[9]，用式(1)～(2)分别计算景泰、古浪和阿左旗3 个灌区农田、防护林及草地和湿地水体等生态要素灌区内部的防风固沙生态服务价值。

式中，V0i为第i灌区农田生态系统中单位当量（单位面积农田生态系统中食物生产，下同）的生态服务价值，i=1,2,3；6.91为农田系统的因子当量[9]合计值；Mij为第i灌区第j种粮食作物面积；Qij为第i灌区第j种粮食作物单产；Pj为第j类作物全国平均价格；Ti为第i灌区粮食作物总面积。Visl为第i灌区第s生态要素第l因子的生态服务价值，Esl为第s生态要素第l因子当量，Mis为第i灌区第s生态要素的面积。

在计算得农田、防护林及草地和湿地、渠道水体各生态要素灌区内部防风固沙生态服务价值后，以这些生态要素对灌区内部防风固沙的生态服务价值（以下简称内部生态服务价值）为基数，用式(3)计算各生态要素对消减下风向地区沙尘暴的生态服务价值。

式中，Vsr为生态要素s对消减下风向r地区沙尘暴的生态服务价值，V0s为生态要素s在上风向（内部）的防风固沙生态服务价值，α为下风向目标地区中心偏离当地主风向NW 的夹角，Ar和∑Ar分别为下风向防护区r的面积和下风向防护区总面积，Dr为从A0中心到下风向目标区Ar中心的距离，Dmax为计算下风向防护区设定的最大距离。

2 结果与分析

2.1 景泰绿洲内部防风固沙的生态服务价值

景电灌区内部生态功能要素包括农田系统、农田外围防护林系统及草地、渠道、湿地和水域等功能系统[20]。2021年灌区内农业种植业面积56979.8 hm2（表1），林草面积20111.8 hm2（其中乔木4163.2 hm2、灌木15238.5 hm2、草地710.1 hm2），湿地面积2914.0 hm2，河道渠水体面积218.7 hm2。由式(1)计算得古浪灌区的单位当量最高，为3870.8元/hm2；景泰灌区单位当量次高，为3678.3 元/hm2；阿左旗灌区的单位当量最小，为2422.9元/hm2。进而由式(2)计算得景电灌区绿洲农田系统的内部生态服务总价值为31278.9×104元，其中景泰灌区19012.5×104元、古浪灌区11716.2×104元、阿左旗灌区550.2×104元。

表1 2021年景泰绿洲农田系统防沙固沙的服务价值

在由式(1)计算得景泰、古浪和阿左旗3 个灌区的单位当量（单位面积农田生态系统中食物生产）生态服务价值的基础上，用式(2)计算得林草植被中乔木林和灌木林防风固沙的生态服务价值为28635.4×104元（其中乔木6152.4×104元、灌木22483.0×104元），草地防风固沙的生态服务价值为505.0×104元，湿地、渠道水体的生态服务价值分别为1832.9×104、0.8×104元（表2）。上风向农田、林草植被和湿地、渠道灌区内部防风固沙的生态服务总价值为62253.0×104元。

表2 2021年景泰绿洲林草植被湿地防沙固沙的服务价值

由表2可以看出，林草植被和湿地、水体在灌区内部防风固沙的生态服务价值为30974.1×104元。比照表1～2，农作物的内部生态服务价值最大，其次是林草植被，沟渠水体防风固沙的生态服务价值很小。农田种植面积56979.8 hm2是林草面积20111.8 hm2的2.8倍，而农作物防风固沙的内部生态服务价值31278.9×104元仅为防护林草植被内部防风固沙生态服务价值29140.4×104元的1.1 倍，表明景电灌区单位面积林草植被防风固沙的生态价值相对较强。

2.2 消减下风向沙尘暴的生态服务价值

当地的主风向为NW，景电灌区绿洲的下风向即SE方向主要有白银市的白银区、靖远县、平川区，兰州市的皋兰县、西固区、安宁区、七里河区、城关区和内蒙古阿拉善左旗以及宁夏的中卫市的沙坡头等县区。当地沙尘暴路径一般是从腾格里沙漠经景电绿洲区再到达下风向的这些县区，即景电绿洲防护林生态系统具有消减这些县区沙尘暴的生态功能。

景电灌区下风向各县区资料见如表3。10个县区总面积18960.6 km2，除去荒野面积外的总面积为6338.4 km2，以下用除去荒野面积之外的农田、城镇、村庄、渠道总面积计算其获得的生态服务价值。前述已知，沙尘暴可传输到下风向100～200 km甚至更远的距离。鉴于此，下风向县区以200 km 为上限计算，即式(3)中Dmax为200 km。

表3 景电灌区NW下风向县区资料

前面已经计算得灌区农田面积56979.8 hm2，防风固沙生态服务价值为31278.9×104元；乔灌木林面积19401.7 hm2，防风固沙生态服务价值为28635.4×104元；草地面积701.1 hm2，防风固沙生态服务价值为505.0×104元；湿地面积2914.0 hm2，防风固沙生态服务价值为1832.9×104元，渠道水体面积218.7 hm2，防风固沙生态服务价值为0.8×104元。由表4 中除去荒野之外的农田、城镇、村庄面积及式(3)进一步计算得各生态要素对消减下风向各县区沙尘暴的生态服务价值（表4）。结果表明，灌区农田、林草植被及湿地、渠道对下风向(Dmax≤200 km)10 个县市区防沙固沙的生态服务总价值为10020.7×104元。

表4 景电灌区对消减下风向(NW)地区沙尘暴的生态服务价值 ×104元

由表4可知，从横向看，各生态要素对消减下风向县区沙尘暴的生态服务价值与灌区内部的生态服务价值一致。前述已知，景电灌区农田种植面积是林草面积的2.8倍，而其消减下风向县区沙尘暴的生态服务价值略大于林草植被（约1.1倍），沟渠水体对消减下风向县区沙尘暴的生态服务价值很小且多数为零。从纵向看，各生态要素对消减下风向县区沙尘暴的生态服务价值平川区、靖远县和白银区相对较大，究其原因，首先是这3 个县区受保护的面积相对最大，其次是与主风向的夹角较小。宁夏中卫沙坡头农田、村庄面积最小且与主风向夹角较大，因而获得的消减沙尘暴的生态服务价值最小。兰州市安宁区面积次小、距离较远且与主风向的夹角较大，因而获得的消减沙尘暴的生态服务价值亦次小。谢高地等[9]提出的因子当量中沟渠水体防风固沙的因子当量很小，故对消减下风向沙尘暴的生态服务价值亦很小，且多数县区为零。

2.3 下风向和绿洲内部消减沙尘暴生态服务价值的比例

由以上的分析可以看出，景泰灌区绿洲农田在下风向200 km 范围内消减沙尘暴的生态服务价值为10020.7×104元，为农田及其防护林和湿地、渠道在灌区内部防风固沙生态服务价值62253.0×104元的16.1%，即农田、防护林和湿地、渠道最主要的防风固沙生态服务价值在绿洲内部，而消减下风向沙尘暴和浮尘的生态服务价值不足绿洲内部防风固沙生态服务价值的1/5。其中，上风向农田系统和防护林对消减下风向200 km 内沙尘暴的生态服务价值最大，分别是50.24%和46.0%，草地、温地和水体对消减下风向200 km内沙尘暴的生态服务价值合计只有3.8%。

比较灌区内部防风固沙生态服务价值和消减下风向沙尘暴的生态服务价值可以看出：（1）上风向防风固沙各生态要素总面积802.2 km2（其中农田56979.8 hm2、林草地20111.8 hm2、湿地水域3132.7 hm2），下风向200 km 范围内防护区域总面积为6338.4 km2，即下风向防护区域面积为上风向防风固沙各生态要素总面积的7.9 倍，而消减下风向200 km 范围内消减沙尘暴的生态服务价值仅为上风向防风固沙各要素内部生态服务价值的16.1%，表明各生态要素防风固沙的生态服务功能主要在灌区内部，其外部生态服务价值较小。（2）虽然谢高地等[9]提出的因子当量中森林防风固沙的因子当量远大于农田防风固沙的因子当量（2.67倍），但由于上风向生态要素中农田相对于防护林面积更大（2.94 倍），农田对下风向区域消减沙尘暴的生态服务价值大于防护林消减沙尘暴的生态服务价值。（3）当防护区域面积和距离相当时，与主风向NW 夹角越大，消减下风向沙尘暴的生态服务价值越小，如白银市的白银区和靖远县除去荒野之外的面积以及与上风向景电灌区距离均相差不大，但与主风向的夹角白银区远大于靖远县，而消减沙尘暴的生态服务价值白银区小于靖远县；当下风向除荒野之外的城镇、农田、村庄、渠道面积相当时，与上风向距离越远，获得的消减沙尘暴的生态服务价值越小，兰州市西固区、城关区、七里河区与上风向的距离相对最大，因而获得的消减沙尘暴的生态服务价值亦较小。

3 结论

外部性是生态补偿问题产生的根源，生态服务价值是生态补偿的依据。景电灌区绿洲农田、防护林、草地和湿地的生态服务价值主要在灌区内部，对下风向200 km 内的生态服务价值仅为灌区内部生态服务价值的16.1%，其中农田对消减下风向地区沙尘暴的生态服务价值最高，其次是乔灌木防护林，渠道水体的生态服务价值最小。

距离余弦公式可较好地表达绿洲农田防护林消减下风向地区沙尘暴的生态服务价值，随着距离的增大和与主风向夹角的增大，消减下风向沙尘暴的生态服务价值逐渐减小。

农田防护林生态服务价值的传递距离远大于下风向防风和保护地表风蚀的距离；沙尘暴的边界模糊，下风向区域的最大距离是有待进一步探讨的问题。

4 讨论

（1）距离余弦式(3)由生态要素的防风固沙的内部生态服务价值V0s为基数，结合3 个影响下风向防护功能大小的系数组成，即夹角余弦系数cosα、面积系数和距离系数，随着下风向防护区域与主风向的夹角从0°增大到90°时，夹角余弦系数值从1减小到0(cosα≤1)；随着下风向防护区域面积Ar的减小，面积系数值从1减小到；随着下风向防护区域与上风向生态要素的距离从0 增加到最大值(Dmax)，距离系数的值由1 减小到0≤1)。当下风向超出防护范围时，即3 个系数中有1 个为0，式(3)亦为0，此时上风向生态要素对消减下风向沙尘暴的生态服务价值消失。

（2）根据有关沙尘暴传输距离的观测研究结果[2-3]，表4中只计算了下风向最大距离Dmax=200km时各县区获得的消减沙尘暴的生态服务价值。然而，沙尘暴越强烈，下风向越开阔，沙尘暴向下风向的传输距离就越大。因此可采用较大的Dmax计算消减下风向地区沙尘暴的生态服务价值。反之，则可采用较小的Dmax计算消减下风向地区沙尘暴的生态服务价值。鉴于此，本研究又计算了Dmax=300 km 以及Dmax=100 km 2 种情况下对消减下风向县区沙尘暴的生态服务价值。比较3种不同最大距离的情况可以看出，随着Dmax的增大，其消减下风向县区沙尘暴的生态服务价值明显增大，在不增大下风向区域面积的情况下也是如此。当Dmax=300km时，消减下风向县区沙尘暴的生态服务价值为12580.8×104元，为灌区内部防沙固沙生态服务价值的20.2%；当Dmax=100km时，消减下风向区域沙尘暴的生态服务价减小为2856.4×104元，仅为灌区内部防风固沙生态服务价值的4.6%；由式(3)可见，在Dr值不变的情况下，由于设定的下风向的最大距离Dmax的减小，也随之减少，这是其一。其二是部分区域超出了计算范围，如兰州市的西固、安宁、七里河和城关以及宁夏沙坡头5个县区与上风向的距离超过了100km。

（3）影响下风向沙尘暴传输距离的因素有很多。①沙尘暴的强度，沙尘暴超强，则沙尘暴在下风向的传输距离越远；②下风向的开阔和平坦程度，下风向越开阔越平坦则沙尘暴传输距离越远；③廊道效应，如在甘肃河西走廊，沙尘暴从NW 向SE 传输数百千米；④地表粗糙度以及植被状况，即地表越粗糙、植被盖度超高，越不利于沙尘暴向下传递。中国西北地区的沙尘暴集中发生在每年春季的3—5 月，向前向后逐渐减少。西北地区的主风向多为NW，在一定的区域沙尘暴的主风向和路径一般是相对固定的，如河西走廊、民勤、古浪等地一般为NW走向。但沙尘暴的强度不同，其传递、漂浮的范围、距离不同，如发生在河西走廊东段民勤、古浪的强沙尘暴，当日或次日可以传递到兰州，甚至沙尘暴结束几天后兰州仍持续浮尘天气。

（4）国内外有关防护林防护范围的研究都是针对林带防御风的距离的，即林带的有效防护距离一般定义为林带后风速首次恢复到同一高度旷野风速的距离。然而，同一股气流（风）经过防护林带必然会消耗能量，所以恢复风速只是一个近似值，因而，林带后恢复的风速也有取旷野风速的90%、80%或70%的[22]。通风型林带在林后形成了5～10 h的弱风区域，防风效能低[23-25]。还有以隔离污水处理厂臭气而设计林带防护距离（宽度）的[22]。前述已知，沙尘暴的沙尘向下风向的漂浮距离一般为100～200 km甚至更远，而浮尘的漂浮距离可达1000km以上[2-3]。防护林不仅具有消减下风向风速的功能，还具有消减下风向沙尘暴和风沙流的生态功能，能有效过滤、消减浮尘向下风向传递、漂浮，这与前述测定林带消减风速、保护地表风蚀等显然不同，其生态服务价值的传递距离远大于下风向防风和保护地表风蚀的距离。

（5）本研究下风向10 个县区中，有农田、村庄、城镇、矿区、荒山荒地和光伏电场等，沙尘暴及浮尘对农田、村庄、城镇、矿区、荒山荒地和光伏电场等的影响也各不相同，比如沙尘暴的尘埃覆盖在农作物叶片上会阻碍植物的光合作用进而影响产量，尘埃还可大量沉积在光伏镜片上，消减光伏发电效率。据笔者观测研究，沙粒可以打伤农作物如蔬菜类等的叶片以及果树的花芽等；风速风向反复变化使籽瓜、豌豆、扁豆等嫩苗从地径处反复扭拧致伤、致死。沙尘暴的浮尘可以漂浮很长时间，1997 年6 月17 日《甘肃日报》报道，1993 年5 月4—6 日发生在甘肃河西走廊、新疆、内蒙西部和宁夏发生的特大沙尘暴，过后半月之内到处一片尘埃[26]。本研究计算消减下风向区域沙尘暴时剔除了荒野区面积，即植被盖度较低且远离城镇、村庄的荒山、荒滩面积。在计算消减下风向区域的生态服务价值时，下风向地区闲置的荒山、荒滩面积该如何考虑是生态补偿中需要探索的又一个问题。

（6）截至目前，国内外尚没有关于绿洲农田以及防护林消减下风向沙尘暴的生态服务价值的研究及其相关生态补偿案例的报道。国内的生态补偿制度正在逐步完善，正在从“国家导向”向“社会导向”转变，利益相关者的环境保护意识不断增强[19]。生态补偿制度的不断完善，防沙治沙和防治沙尘暴的生态补偿，不仅有利于促进防沙治沙和沙尘暴的防治，还有利于带动和促进相同或类似的生态公益事业发展，大大加快生态环境建设的步伐。另外，2015年国家林业局将内蒙古自治区新巴尔虎左旗嵯岗等61个沙化地区统一划定为国家沙化土地封禁保护区。目前甘肃省共封禁沙化土地面积27.19×104hm2[4,6]。封育保护区也具有消减下风向地区沙尘暴的生态服务功能，本研究的方法也可拓展应用于沙化封禁保护区的生态服务价值和生态补偿。