新疆典型垦区水土保持生态效益评价——以阿克苏农一师垦区为例

曹 睿 ，岳德鹏 ，薛莎莎 ，徐晓涛 ，杨贵森 ，李 宁

(1.北京林业大学 林学院 省部共建森林资源培育与保护教育部重点实验室，北京100083；2.新疆生产建设兵团水土保持监测总站，新疆 乌鲁木齐830002；3.北京地拓研究院，北京100084）

新疆典型垦区水土保持生态效益评价
——以阿克苏农一师垦区为例

曹 睿1，岳德鹏1，薛莎莎1，徐晓涛3，杨贵森2，李 宁2

(1.北京林业大学 林学院 省部共建森林资源培育与保护教育部重点实验室，北京100083；2.新疆生产建设兵团水土保持监测总站，新疆 乌鲁木齐830002；3.北京地拓研究院，北京100084）

生态效益，是指人们在生产中依据生态平衡规律，使自然界的生物系统对人类的生产、生活条件和环境条件产生的有益影响和有利效果。生态效益是水土流失治理综合效益的重要组成部分，是生物种群能力、物质转化效率及维持生态环境稳定能力的反映。水土保持生态效益是指水土保持对人类和生态环境在有序结构维持和动态平衡保持方面输出的效益之和，包括土壤侵蚀、改良土壤、调节气候、涵养水源、减少灾害、保存物种、改善水资源环境条件等。[1]目前，水土保持生态效益评价方面的研究理论和方法主要分为两大类：(l)以生态学为基础，在研究区实际情况和评价目标的基础上，筛选指标，构建体系，通过指标与权重相结合的方式对整体效益进行评价[2-7]。(2)以经济学为基础，结合生态功能分析，以研究区的自然、社会、经济概况为基础，筛选能够反映生态系统主要特征指标，通过生态系统的不同功能进行指标分类，最终构建评价指标休系。并采用市场替代、模拟市场、费用效益分析等方法估算生态效益价值量[8-11]。但是在目前的研究中，还没有一个在新疆地区适用的水土保持生态效益评价体系。新疆地区独特的地理位置和气象状况，使得风力因子的作用在水土保持生态效益评价方面显得尤为突出，所以研究时在前人提出的关于各地生态效益评价指标体系的基础上，需要重点考虑风力作用对研究区水土保持生态效益的影响。

阿克苏地处世界第二大流动沙漠塔克拉玛干沙漠北缘，境内水土流失严重。根据2011年已完成的各县(市)水土保持规划，阿克苏地区境内水土流失面积达到1.03×105km2，水土流失类型主要以风力侵蚀、水力侵蚀为主，部分地方出现山体滑坡和泥石流的潜在危险，中度以上土壤侵蚀面积7.63×104km2，占总水土流失面积的74%以上。水土流失的发生，加剧了当地各种自然灾害的发生、发展，进而导致生产条件恶化，群众生活贫困，阻碍经济社会的可持续发展。

因此，本研究以阿克苏地区垦区为研究区，通过建立风蚀因子模型，运用层次分析法构建水土保持生态效益评价体系，对农垦区进行水土保持生态效益评价。旨在建立一套能客观、准确、全面并定量化反映新疆典型垦区水土保持生态效益的评价指标或指标体系，同时为水土保持生态效益补偿制度的推行提供科学的基础。

1 实验地概况

新疆生产建设兵团农业建设第一师（以下简称农一师）垦区，在新疆维吾尔自治区阿克苏地区境内，位于塔克拉玛干沙漠北缘，地理坐标为东经 79°22′33″～ 81°53′45″，北纬 40°20′～41°47′18″。研究区属天山山脉的南天山中段和塔里木盆地北部，地势西北高东南低；暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，降雨稀少，冬季少雪，地表蒸发强烈，年均降水量为40.1～82.5 mm，年均蒸发量1876.6～2558.9 mm。降水仅集中在5～9月份，降水量为蒸发量的1/35左右。阿克苏绿洲地区年出现大风沙尘暴日分别为30 d和35 d，两到三年遭遇一次严重风灾，风力达8～10级以上，持续时间达5 h。由于研究区植被少，土质干松，当风速大于5 m/s时，易形成风沙天气，伴随沙暴、扬沙和浮尘天气。

2 实验方法

2.1 数据来源及处理

表1 研究中采用的数据源Table 1 Data origin of the study

本数据处理在遥感影像处理软件ERDAS IMAGINE 9.2和地理信息系统软件Arcgis 9.3的支持下共同完成。通过数据校正（大气、几何）、融合、拼接、裁剪等图像处理，并且结合研究区统计年鉴和实地调查成果，人工目视解译5个时期的土地利用数据，提取土地利用类型图。

2.2 层次分析法

由于各指标因子在指标体系中的作用不同，对于生态环境状况影响程度的有差异性，为了区分其对系统影响的差异性，常采用加权评价法。迄今为止，对权重的确定问题已经进行了大量的研究，有以研究人员的实践经验和主观判断为主来确定权重的，也有用各种数学方法来确定权重，本研究报告主要是采用层次分析方法（AHP）来确定生态状况的各评价参数的权重，该方法将决策者对复杂系统的评价思维过程数学化，其基本思路是决策者通过把复杂问题分解为若干层次和要素，在各要素之间简单地进行比较、判断和计算，然后再转为对这些元素的整体权重进行排序判断，最后确立各元素的权重，该方法的具体原理和步骤见参考文献[12-13]。

2.3 指标评价体系构建

根据研究区水土流失及荒漠化的发生条件、发展程度及治理情况，选取最能反映研究区水土保持及荒漠化防治的效益作用的指标，综合考虑各种建立指标体系的方法，建立多层次结构的水土保持生态效益评价指标体系。该体系分为目标层、系统层（准则层）、指标层（要素层）3个层次。

指标目标层（A层）：在总体上反映了水土保持生态效益的水平。

指标准则层（B层）：从本质上反映了维持地区水土保持生态效益水平的主要内容和内在原因，可以通过相应的要素指标进行度量。

指标要素层（C层）：从研究地区中选用可测的、可比的、可获得的指标及指标群，对指标变量层的表现给予直接度量，是指标体系的最基本的要素。

表2 水土保持生态效益评价指标体系Table 2 Assessment indicator system for soil and water conservation ecological benefits

2.4 模型选择及数据标准化

2.4.1 风蚀模数模型选择及修正

本研究基于中科院寒区旱区环境与工程研究所提出的风洞实验模型基础上，选择了该模型的大田推广模型。该模型是在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所风洞实验室完成，实验过程中测定了不同植被盖度和风速条件下的风速廓线，根据风速廓线提出了风洞模型[14-15]。该推广模型在京津风沙源治理项目中得到成功运用并经受了实践的检验，在第一次全国水利普查中，该模型再次被选为土壤风蚀普査所用模型，因此选取该模型作为本研究的基础模型，具有一定的科学依据，适合推广应用。

该模型是将非风蚀地表类型（如水体、道路、城镇用地等）以外的易风蚀地表划分为耕地、林（草）地（包含退耕地）、沙地3大类，分别针对不同地表类型估算土壤风蚀量。因为模型是风洞条件下土壤风蚀模数的计算方法，应用到实际风蚀模数计算时，必须对该模型进行风速或尺度修订。

原模型共分为三个子模型，耕地模型，林草地模型和沙地模型，结合研究区概况和风蚀影响因素的综合分析，本研究对三个子模型分别进行了修正。修正后的土壤风蚀定量模型仍然由三个模型公式组成，分别为耕地模型、林草地模型和沙地模型。具体模型公式如下：

（1）修正后耕地模型为：

（2）修正后林草地模型为：

（3）修正后沙地模型为：

式中：Qfa、Qfaf、Qfs分别为耕地模型区、林草地模型区、沙地模型区土壤风蚀模数[t/hm2·a]；

Uj是大于临界侵蚀风速的第j级风速（指气象站统计的整点风速）；

Tj为风蚀活动发生月份内风速为Ui的累积时间（min）；第一个风速（大于临界侵蚀风速）等级为5.0～6.0 m/s，Uj=1取平均值5.5 m/s，第二个风速等级为6.0～7.0 m/s，Uj=2取平均值6.5 m/s，……。Uj=n是最大风速（指气象站统计的整点风速）；

a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3分 别 为与土壤类型有关的常数项，根据原公式暂取为-9.208、0.018、1.955、2.486 9、-0.001 4、-54.947 2、6.168 9、-0.074 3、-27.961 3。

Cˆ为尺度修订系数，约为0.0018；

A为风速修订系数，计算耕地模型区风蚀模数时需要利用当地气象站记录的风速资料，风洞轴线风速与气象站10 m观测高度测定的风速有一定的差距，因此应将气象站记录的风速换算为风洞轴线风速，在假定风洞实验动力相似得到保证的前提下，A是与下垫面有关的风速修订系数。

CV为植被覆盖度（%）；

为了对修正模型的适用性进行检验，选择了新疆建设兵团农一师的18处样地2010年遥感影像数据、野外调查监测数据以及研究区气象、水文、土壤数据，用土壤风蚀模型计算出每月的土壤风蚀量。通过模拟结果与2010年实际测量的月土壤风蚀量的对比分析，来验证模型的准确度。修正后的模型基本能反映该农垦区风蚀的特点，能更准确真实地反映其风蚀状况，提高了该模型在极端干旱农垦区的计算精度。

根据模型运行特点，将模型区总共划分为四大类，分别为耕地模型区，林草地模型区（包含未利用地，不包含沙地），沙地模型区和非风蚀地表模型区。但通常在河流水面、滩涂、水库水面、建筑用地、坑塘水面、农田利用地等非风蚀地表类型，往往是风沙堆积和沙尘沉降的区域，几乎不会发生风蚀，其土壤风蚀量可视为零，故可采用GIS的空间分析功能，将以上地表类型抠除，使其不参与风蚀量计算中，一方面提高了模型运算的效率，另一方面也提高了模型计算精度，因此本研究中将只讨论耕地模型区、林草地模型区和沙地模型区三种类型。最后通过计算每月每种模型区土壤风蚀模数，进而算出年土壤风蚀量。

2.4.2 综合评价模型选择

由单项评价值计算综合评价值的方法及综合评价的方法有很多，常用的有计分法、指数法、功效系数法等，本报告采用加权指数法计算：

式（1）中：Wi为单项指标权重；Ki为标准化后的单项指标值。

2.4.3 评价数据标准化

由于本文选取的评价指标原始数据的量纲不同，即具体的数据单位不同，无法进行比较，必须对原始数据进行标准化处理。数据标准化的方法有多种，在本文中采用极差化处理。具体计算公式如下：

式（2）中：M、m分别为观测值x的最大值和最小值。评价指标中盐碱地面积百分比、荒漠化面积百分比和沙尘暴日数、土壤风蚀模数、和土壤风蚀面积占区域总面积百分比都为负向指标，因此在进行同量纲化处理之前需对其进行同向化处理，本报告采用的是倒数法。

2.5 评价等级划分

将标准化后的指标作用分值乘以对应的权重，逐级分层次计算，最后可得到水土保持生态效益的综合指数得分。综合指数得分多少与水土保持及荒漠化治理效益水平呈正相关，得分越高，治理效益越好。根据研究，可以把效益分析结果划分为5个不同的等级及其相对应的综合指数见表3。

表3 水土保持生态效益分级Table 3 Grading rules of soil and water conservation ecological benefits

3 结果与分析

3.1 沙地变化

根据遥感数据处理结果、野外调查和监测数据以及当地气象资料和统计数据，通过模型计算，得到研究区水土保持生态效益评价指标值如下表4。

由图1可以看出，从1976年到2010年新疆建设兵团从农一师垦区沙地面积不断下降，沙化土地面积百分比从1976年的61.69%降低到2010年的38.41%，说明农一师垦区自成立以来，大力发展绿洲生态系统的措施效果显著。

3.2 侵蚀模数变化

由图2可以看出，研究区的风蚀模数从1976年的10 002.81 t·km-2a-1减小到2000年的2 884.24 t·km-2a-1的最低值，后又增长到2010年的4 292.7 t·km-2a-1。1976年的风蚀量是最大的，主要原因是当年所开展的风沙治理措施并不多，并且人口稀少，农作物种植稀少，当强风过境时很容易形成风蚀。根据起沙的机理，产生风蚀与当地风速、土壤质地、颗粒大小、地表覆盖物等因素相关。尤其风速对风蚀模数的影响更为明显。所以，风蚀模数出现由2000年到2010年的回升变化，可能与当年的气象因素有关。

表4 研究区1976～2010年生态效益评价指标值Table 4 Evaluation index values of ecological benefits in reclamation region from1976 to 2010

图1 新疆建设兵团农一师农垦区沙地变化Fig.1 Changes of sandy dunes area in the studied region

图2 新疆建设兵团农一师农垦区风蚀模数变化Fig. 2 Changes of wind erosion modulus in the studied region

3.3 水土保持生态效益变化

根据计算出的各项指标权重及标准化后的数据进行代入综合评价模型进行计算：

得到1976～2010年水土保持生态效益结果如表5所示。

由图3可以看出：1976年，研究区水土保持生态效益差，生态系统极不稳定，土地荒漠化和盐碱化严重，风蚀面积大，强度强，灾害性天气出现频繁；1990年，研究区水土保持生态效益较差，生态系统尚不稳定，土地荒漠化和盐碱化比较严重，风蚀面积较大，强度较强；2000年，研究区水土保持生态效益为良。此时生态系统基本稳定，盐碱化和荒漠化的土地大部分消失，受到风蚀的土地面积减少，风蚀强度较弱；2006年和2010年，研究水土保持生态效益为优，生态系统已经稳定，盐碱化土地和荒漠化土地基本消失，风蚀面积小，风蚀强度弱。1976年到2006年，研究区水土保持生态效益值由0.093 8增加为0.875 8，治理成效显著；2006到2010年5年间，水土保持生态效益减小，需要加强水土流失及荒漠化的治理工作。

表5 新疆兵团农垦区生态效益评价结果Table 5 Results of ecological benefits evaluation in the studied region

图3 新疆建设兵团农一师生态效益指数变化情况Fig.3 Changes of eco-efficiency index in the studied region

4 结论与讨论

通过该水土保持生态效益评价指标体系，可以看出新疆建设兵团农一师自成立以来，在原有的荒漠戈壁上大力营造绿洲生态系统起到了明显的生态效果，极大地改善了兵团垦区范围内水土流失状况，绿洲生态系统的建成有效地阻止了风沙对人类的侵害和威胁，为兵团的建设发展营造了良好的生态环境。水土保持生态效益评价为今后新疆建设兵团农一师绿化建设提供了科学的依据，同时为兵团改进水土保持方法、发展绿洲生态提供了参考标准，有利于水土保持事业的发展。

[1] 余新晓. 关于建立水土保持生态效益补偿制度的思考[J]. 中国水土保持, 1994, (6): 43-45.

[2] 袁红军, 曹国播, 晏世强. 退耕还林生态效益评价研究与展望[J]. 现代农业科技, 2009, (2): 239-242.

[3] 古丽努尔·沙布尔哈孜孜, 尹林克, 热合木都拉·阿地拉, 等.塔里木河中下游退耕还林还草综合生态效益评价研究[J]. 水土保持学报, 2004, 18(5): 80-83.

[4] 王晓光, 王珠娜, 余雪标, 等. 退耕还林生态效益评价指标体系研究[J]. 防护林科技, 2006, (6): 51-53.

[5] 刘瑞民, 沈珍瑶. 大宁河流域生态环境综合评价及其演变[J].北京师范大学学报: 自然科学版, 2006, 42(2): 200-203.

[6] 郑新奇, 王爱萍. 基于RS与GIS的区域生态环境质量综合评价研究-以山东省为例[J]. 环境科学学报, 2000, 20(4):489-493.

[7] 麻素挺, 汤 洁, 林年丰. 基于GIS与RS多源空间信息的吉林西部生态环境综合评价[J].资源科学, 2004, 26(4): 140-145.

[8] 国 政, 聂 华, 臧润国, 等. 西南地区天然林保护工程生态效益评价[J]. 内蒙古农业大学学报: 自然科学版, 2011, 32(2):65-72.

[9] 李哲敏, 高春雨, 张劲松. 退耕还林工程生态效益评价方法初探[J]. 中国农业资源与区划, 2006, 27(6): 55-59.

[10] 赖亚飞, 朱清科, 张宇清. 吴旗县退耕还林生态效益价值评估[J]. 水土保持学报, 2006, 20(3): 83-87.

[11] 杨建波, 王 利. 退耕还林生态效益评价方法[J]. 中国土地科学, 2003, 17(5): 54-58.

[12] Saaty T L. The Analytic Hierarchy Process[M]. New York:McGraw-Hill, 1980.

[13] 常建娥, 蒋太立. 层次分析法确定权重的研究[J]. 武汉理工大学学报, 2007, 29(1): 153-156.

[14] 张春来, 邹学勇, 董光荣, 等. 植被对土壤风蚀影响的风洞实验研究[J]. 水土保持学报, 2003, 17(3): 31-33.

[15] 张春来, 邹学勇, 董光荣, 等. 耕作土壤表面的空气动力学粗糙度及其对土壤风蚀的影响[J].中国沙漠,2002,22(5):473-475.

[16] 岳德鹏, 刘永兵, 王计平, 等. 河流冲积沉积沙地风蚀规律及植被防风蚀效应——以北京市永定河沙地为例[J]. 生态学报,2006, 26(9): 2948-2956.

[17] 贾晓娟. 基于GIS的黄土丘陵沟壑区退耕还林工程生态效益评价[D]. 陕西: 西北农林科技大学学位论文, 2008.

[18] 尹少华, 宋笑月, 肖建武. 湖南省退耕还林工程生态效益评价[J]. 中南林业科技大学学报, 2010, 30(5): 35-39.

[19] 康玲玲, 王云璋, 吴 卿, 等. 水土保持生态效益评价方法探讨[J]. 中国水土保持, 2004, (9): 22-24.

[20] 刘正平. 湖南省退耕还林工程成效分析[J]. 湖南林业科技,2006, 33(2): 36-38.

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

水利部公益性行业科研专项经费项目（200901052）

曹 睿(1986-)，男，山西朔州人，硕士研究生，研究方向为3S技术在资源环境中的应用

岳德鹏(1963-)，男，博士，教授，研究方向为景观生态和土地评价及荒漠化防治方面的研究；E-mail: ydp_bl@yahoo.com.cn

[本文编校：吴 彬]