基于HYSPLIT和PSCF的防风固沙生态服务功能空间模拟

苏 凯 王计平 王茵然 郭红琼 李 松 龙芊芊

(1.中国林业科学研究院国家林业和草原局盐碱地研究中心， 北京 100091；2.北京林业大学精准林业北京市重点实验室， 北京 100083； 3.台湾大学地理环境资源学系， 台北 10617)

0 引言

风蚀是我国北方干旱半干旱地区农田土壤质量退化和沙漠化的主要过程之一[1]，将导致土地生产潜力衰退，土地沙化使土地的生物生产潜力逐渐衰减消失，产生的沙尘暴严重破坏人类赖以生存的生态环境，直接影响着农业生产和经济开发建设[2]。而盐碱尘暴危害比普通沙尘暴更加严重，除了影响能见度、大气质量之外，盐碱粉尘在其下风方形成大片重度污染带，使草场严重退化、耕地粮食减产，加剧了土地荒漠化的趋势；并且对周边环境中所有裸露部分具有较强甚至很强的腐蚀作用[3]。

防风固沙生态系统服务(Sand-stabilization ecosystem service，SSS)是指位于沙尘源区的生态系统植被具有降低风速、固定土壤的作用，能减少或避免土壤被吹蚀后形成沙尘天气对人类产生有害影响的服务，可以为区域生产生活的可持续发展创造条件[4]。为了遏制土地荒漠化扩张，减轻由土壤风蚀带来的损失，各级政府采取诸多措施提升SSS能力，如退耕(牧)还林(草)、控制放牧强度、禁止开矿等生态工程建设。这些措施从长远来看有利于区域可持续发展，但就当下而言，措施的实施在一定程度上限制了生态建设区社会经济的发展,降低了当地居民的经济收入,并可能增加未来区域的发展机会成本[5-6]。而处于下风向的周边区域，由于生态建设区环境的改善，遭受土壤风蚀带来的损失越来越小，享受了生态改善的效益却未承担生态建设的投入。尽管中央政府通过重点生态功能区转移支付等政策对承担生态保护功能的区域已进行纵向补偿，但仍不能完全弥补当地发展的机会成本以及经济投入[7-8]。因此，服务受益区(Services beneficiary area，SBA)向服务提供区(Services providing area，SPA)的横向生态补偿(Ecological compensation scheme，ECS)将成为必要的补充。

然而，必须明确SPA与SBA之间生态系统服务(Ecosystem services，ES)的提供-传递-利益机制，确定受益范围(补偿主体)和受益效益(补偿金额)，才能建立科学、合理的横向生态补偿方案[9]。目前，对于确定SBA空间范围以及SBA分享生态服务程度的研究较少，尚处于探索阶段。文献[10]借鉴生态服务半径相关理论，利用地理信息系统技术，通过构建生态辐射模型尝试把生态用地同建设用地联系起来，研究生态用地对建设用地生态效益的辐射范围。文献[11]针对生态系统服务功能的流动特性，探索生态系统服务功能辐射效益的概念与内涵，采用风蚀输沙率模型和沙尘空间传输模型，评估了黑河下游重要生态功能区固沙生态服务的辐射效益。生态系统服务流动研究通过分析从服务供给区到服务受益区的空间转移过程，确定生态系统服务供给区与受益区的空间范围，在服务供给与人类需求之间建立时空关联。

本文以具有明显空间流动效应的防风固沙生态系统服务作为主要研究对象，通过在河北省张北县农牧交错区的大型盐碱沙尘源地——安固里淖干涸盐碱湖的应用，提出一种合理、公平的跨区域生态补偿方案。对研究区的SSS进行量化，基于ES流理论，利用HYSPLIT模型研究SSS从SPA向SBA的空间传输过程，采用PSCF模型确定SSS的受益区域和受益效益，根据“谁受益谁补偿”的原则提出基于生态系统服务受益效益的差异化ECS。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安固里淖(41°18′～41°24′N，114°20′～114°27′E)位于河北省张北县西北约30 km处(图1)，北接内蒙古高原，南临华北平原，地处农牧交错带。该区气候属于中温带大陆性半干旱季风气候，年降水量为401.6 mm，降水集中在6～8月，年蒸发量为1 500～2 000 mm。2004年湖泊彻底干涸，在地下水蒸发作用下将盐分携带至地表并形成表聚，盐碱化加剧。该区年均风速为4.3 m/s，1～5月盛行西北风，3～5月间最大风速可达28 m/s，典型气候使得安固里淖干涸盐碱湖成为春季影响京津地区的盐尘暴频发地[7]。为降低土壤盐碱化对当地生产、生活造成的损失，减少土壤风蚀，减轻沙尘天气对京津等下风向区域产生的影响，张北县在研究区开展了多年的生态修复工程。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

1.2 数据源

(1)气象栅格数据：计算后向轨迹所用的NCEP再分析资料是从NOAA ARL(ftp:∥arlftp.arlhq.noaa.gov/)获取的 2015年4月每日6 h分辨率的GBL资料，空间水平分辨率为2.5°×2.5°。

(2)2015年1 km土地覆被数据、2015年1 km人口和GDP栅格数据以及多年平均降雨、气温、风速等月均气象站点数据来自资源环境数据云平台(http:∥www.resdc.cn/)，其中气象栅格数据由对气象站点数据进行空间插值得到。

(3)土壤属性数据集(包括土种类型，土壤粗砂、细砂、粘粒含量，土壤容重，土壤N、P、K及有机质含量等理化性质)、多年平均太阳辐射数据、多年平均积雪覆盖深度等1 km×1 km栅格数据由寒区旱区科学数据中心下载(http:∥westdc.westgis.ac.cn/)。

(4)90 m数字高程模型(DEM)来自地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)。

1.3 研究方法

1.3.1防风固沙生态服务估算

生态系统的SSS以植被的固沙量作为评价指标。假设没有植被的条件下产生的风蚀总量(潜在风蚀量)减去在实际植被保护条件下的风蚀总量(实际风蚀量)，二者差值即为生态系统植被的固沙量[12-13]。本研究选取修正风蚀模型(RWEQ模型)作为风蚀量SL的计算工具估算安固里淖干涸盐碱湖生态系统潜在风蚀量SL1和实际风蚀量SL2，以两者之差G表征安固里淖干涸盐碱湖生态系统SSS的固沙量。

Qmax1=109.8WFEFSCFK′

(1)

S1=150.71(WFEFSCFK′)-0.371 1

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

G=SL1-SL2

(7)

式中Qmax1、Qmax2——潜在土壤侵蚀和实际土壤侵蚀的最大运移能力，kg/m

S1、S2——潜在土壤侵蚀和实际土壤侵蚀的临界场长，m

x——下风向最大风蚀出现距离，m

WF——气象因子

EF——土壤可蚀性因子

SCF——土壤结皮因子

K′——地表糙度因子

COG——植被覆盖因子

G——防风固沙量

1.3.2防风固沙生态服务路径模拟

为了确定SSS的效益，需假设在没有SSS的情况下，哪些区域(即潜在影响区域)将受到有害物质(沙尘)的影响；在有这种生态系统服务的情况下，哪些地区(即实际受影响的地区)受到沙尘的影响[14]。潜在影响区域和实际影响区域之间的差异就是受益影响区域。

防风固沙生态系统服务流(Sand-stabilization ecosystem service flow, SSSF)是一种从SPA到SBA的生态系统服务流。由于SSSF与沙尘传输轨迹一致，本研究采用HYSPLIT模型来模拟沙尘传输的路径。HYSPLIT是由美国国家海洋与大气局大气资源实验室(NOAA Air Resources Laboratory，NOAA ARL，https:∥www.arl.noaa.gov/)研发的一种用于计算简单的空气包裹轨道，以及复杂的传输、扩散、化学转化和沉积模拟的模型，是应用最广泛的大气传输和扩散模型之一[15]。常用来模拟跟踪和预测放射性物质、野火烟雾、各种固定和移动排放源的污染物、过敏源和火山灰的释放。

HYSPLIT模型计算气团轨迹使用了拉格朗日法：假设空气中的粒子随风飘动，粒子的移动轨迹就是其在时间和空间上位置矢量的积分。粒子或气团的运动轨迹是由初始位置p(t)和第1个推测位置p′(t+Δt)的三维速度矢量的平均值计算出来的，其中速度矢量在空间和时间上进行线性插值[12]。第1个推测位置为

p′(t+Δt)=p(t)+V(p，t)Δt

(8)

最终的位置由初始位置和第1个推测位置的平均速率计算得到，即

p(t+Δt)=p(t)+0.5(V(p，t)+V(p′，t+Δt)Δt)

(9)

式中V(p，t)——初始位置速度向量

t——初始时刻

Δt——积分时间步长

V(p′，t+Δt)——第1个推测位置速度向量

积分时间步长Δt在模拟过程中是可变的，但时间步长与最大传输速度Vmax的乘积应小于数据栅格单元Lg，即

ΔtVmax

(10)

本研究将研究区中心点看作HYSPLIT模型模拟的起始点，利用NOAA ARL提供的GBL资料，模拟研究区风速在高于起沙风速时的气团5 d(120 h)后向轨迹。

1.3.3防风固沙服务受益区识别

本研究中，采用源贡献潜势模型(PSCF)确定SSS的SBA和受益效益，利用SSSF路径以及土地覆被数据来获得[16]。具体方法为：首先通过模型模拟SSSF路径，然后统计覆盖该区域的每个网格单元内的轨迹数，计算通过每个网格单元的轨迹数与分析的轨迹总数的比值获得风沙轨迹分布频率图。该图所覆盖的范围即为SBA。PSCF计算方法为

(11)

式中Pi——第i个栅格模拟风沙轨迹分布频率，%

Li——经过第i个栅格模拟风沙轨迹数

L——起始点的模拟风沙总轨迹数

每个栅格内数值为经过该栅格的模拟风沙轨迹分布频率，即研究区SSSF路径分布频率。该频率代表了受益区内获得SSS的相对大小，值越高表明该栅格内获得的SSS效益越大。

1.3.4防风固沙服务辐射效益评估

防风固沙服务辐射效益采用减少降尘效益B来评估，其计算式为

B=Gd<0.02Ps

(12)

式中d<0.02——粒径小于0.02 mm的颗粒物含量

Ps——降尘清理成本，取一般性粉尘排污费收费标准1 500元/t

本研究参照文献[11]研究成果，采用粒径在0～0.02 mm和粒径在0.002～0.02 mm的颗粒物含量进行降尘量的估算。

此外，在估测的受益范围内，筛选森林、草地、农田、聚落以及湿地、内陆水体、近海湿地和河湖滩地等土地覆被类型作为研究区固沙服务受益区，并基于1 km人口和GDP栅格数据，识别受益区内受益人口与GDP分布[17-18]。

1.3.5生态补偿

政策制定者希望更多地了解受益于生态系统服务地区的空间范围以及受益地区之间共享生态系统服务的水平[19]。SBA应根据其效益水平向SPA提供财政补偿，以制定一个可量化的ECS[20-23]。本研究中通过减少的降尘量、风沙影响频率和GDP来量化生态补偿金额。

Ci=Bcpi

(13)

式中Ci——SBA应承担的生态补偿费用

Bc——安固里淖生态修复投入资金(5 000万元)

pi——第i个SBA受益量占总受益量的比例

2 结果与分析

2.1 防风固沙生态服务实际与潜在量变情景化差异

本研究采用RWEQ 模型进行了安固里淖2015年潜在风蚀和实际风蚀的计算，结果表明，在2015年，安固里淖实际风蚀量为14.349 1万t，在假设没有植被保护的情景下潜在风蚀量为382.279万t，实际风蚀量是潜在风蚀量的3.66%，通过生态修复，减少了367.93万t的盐碱土壤风蚀。可见，SSS在减少盐碱土壤风蚀中发挥了重要作用。

多年来，张北县安固里淖干涸盐碱湖一直被认为是影响京津冀地区的重要盐碱沙尘来源。张仁健等[24]和张兴赢等[25]通过分析沙尘和土壤成分得出，安固里淖表土为京津冀盐碱沙尘暴的重要源地。这些研究也印证了本研究中SSSF路径及其受益范围。安固里淖仍然有沙尘暴发生，并对其春季下风向的广大区域造成影响，但安固里淖如果没有植被覆盖或相关的盐碱地修复措施，其产生的盐碱沙尘暴将更为严重。

2.2 防风固沙生态服务流动路径及受益范围

图2 安固里淖生态系统固沙生态服务传输路径Fig.2 Paths of sand-stabilization ecosystem service at Angulinao in 2015

研究结果显示(图2、3，表1)，受益于安固里淖生态系统的土地面积为189.37万km2，占全国土地面积的19.66%。受益范围主要包括北京市、天津市、河北省、山东省、辽宁省、吉林省全境以及内蒙古自治区、山西省、陕西省、河南省、安徽省等部分地区。

图3 安固里淖生态系统固沙生态服务受益范围Fig.3 Areas in China benefit from sand-stabilization ecosystem service at Angulinao in 2015

SSSF路径分布频率表示了受益区获得研究区SSS效益的相对大小。研究结果显示，河北省、北京市、天津市和山东省中部、山西省北部以及辽宁省SSSF路径分布频率更高(≥30%)，其获得的研究区SSS效益更多。其他远离研究区的区域，受益效益随距离的增加而较小。如：受益区最南端的浙江省获得的研究区SSS效益较少，受益面积仅占全省面积的0.94%。

表1 安固里淖生态系统固沙生态服务受益地区Tab.1 Areas in China benefit from sand-stabilization ecosystem service at Angulinao in 2015

2.3 防风固沙生态服务辐射效益

在SBA内的土地覆被中(图4a和表2)：耕地所占面积比例最高，为43.24%，以旱地和水浇地为主，主要位于华北平原、东北平原等区域；第2为林地，面积为45.65万km2，占受益地区面积的24.11%，以落叶阔叶林和常绿针叶林为主，主要分布在大小兴安岭、长白山、燕山等山脉；第3为草地，面积比例为9.03%，分布在内蒙古自治区东部地区；第4～6分别是建设用地、水体和裸地，在所有土地覆被类型中其他用地所占面积比例最低，仅为0.5%。其中，受益区内获得较多SSS(SSSF路径分布频率大于等于30%)的土地覆被面积为37.61万km2，占受益土地覆被的19.86%，主要分布在北京市、天津市和山东省中部以及辽宁省的中西部地区。

图4 安固里淖生态系统固沙生态服务受益区土地覆被、人口以及GDP分布Fig.4 Distributions of land cover, population and GDP in China benefit from sand-stabilization ecosystem service at Angulinao in 2015

表2 安固里淖生态系统固沙生态服务受益区土地覆被面积Tab.2 Land cover benefit from sand-stabilization ecosystem service at Angulinao 万km2

2015年，SBA内总人口为5.27亿人，约占当年全国总人口38.34%，受益GDP总量为28.37万亿元，约占当年全国GDP总量的41.36%(表3)。其中，受益区内获得较多SSS(SSSF路径分布频率大于等于30%)的人口为1.40 亿人，占总受益人口的26.57%，占全国人口的10.2%； GDP 为8.72万亿元，占受益GDP总量的30.74%，占全国GDP的12.72%。

表3 安固里淖生态系统固沙生态服务受益区人口以及GDPTab.3 Population and GDP benefit from sand-stabilization ecosystem service at Angulinao

受益区受益效益统计结果表明(表4)：安固里淖生态系统SSS具有显著效益。盐碱地生态修复使得2015年研究区下风向地区降尘量减少147.17万t，平均每平方千米降尘量减少达0.78 t，单位面积经济效益达1 165.5元，除尘费用消减达44.26亿元，占张北县2015年GDP(91.35亿元)的48.45%。可见，安固里淖生态系统SSS在减少沙尘对受益区社会经济影响中发挥了重要作用。在受益地区中，内蒙古自治区和黑龙江省受益效益最大，分别为4.54、4.55亿元，其次为河北省、吉林省、辽宁省等，浙江省受益效益最小，仅为0.11亿元，占0.24%。

由于临近安固里淖地区，河北省受益效益较为显著，获得最大SSS(SSSF路径分布频率大于等于30%)，受益效益约为1.68亿元，占河北省总受益效益的76.46%；其次是辽宁省，最大受益效益约0.71亿元，占该省总受益效益的41.83%；尽管北京市、天津市全区域流动路径分布频率均在30%以上，但由于这两地区的面积较小，使得受益效益较小。

表4 安固里淖生态系统固沙生态服务受益区受益效益Tab.4 Benefit level of areas in China benefit from sand-fixing ecological services at Angulinao in 2015

2.4 防风固沙生态补偿权益分配与标准

根据“谁受益谁补偿”的原则，本研究中安固里淖生态系统的生态补偿资金应由黑龙江省、内蒙古自治区、吉林省、河北省、辽宁省、山东省、山西省、河南省、安徽省、江苏省、北京市、天津市、湖省北、浙江省等15个受益省(市)共同承担。2013年张北县投入5 000万元专项经费用于安固里淖盐碱地的生态修复，因此张北县应获得生态补偿金额为5 000万元。在本研究制定的ECS中(表5)，受益效益最大的黑龙江省和内蒙古自治区补偿金额最大，分别为1 028.63万元和1 026.41万元。其次为河北省、吉林省、辽宁省等，浙江省需支付的生态补偿金额最少，为25万元，占总补偿金额的5%。

3 讨论

本文以生态系统服务流理论为基础，对2015年安固里淖生态系统提供SSS的空间范围、效益水平进行了研究，并根据SBA中SSS的效益水平，提出了一种跨区域的差异化ECS。利用RWEQ模型估算了2015年安固里淖生态系统的固沙量，并利用HYSPLIT模型模拟了SSSF的路径。在此基础上，识别和评估了SBA及SBA内土地覆被、人口和GDP的空间分布。结果表明，2015年安固里淖生态系统SBA土地面积为189.37万km2，占全国土地面积的19.66%。SBA主要包括黑龙江省、内蒙古自治区、吉林省、河北省、辽宁省、山东省、山西省、河南省、安徽省、江苏省、北京市、天津市、湖北省、浙江省等15个受益省(市)，是研究区面积的41 167倍；SBA的土地覆被中耕地达81.88万km2，所占面积比例最高，为43.24%；SBA的建设用地达12.05万km2；受益人口达5.27亿人，约占当年全国总人口的38.34%，受益GDP 总量为28.37万亿元，约占当年全国GDP 总量的41.36%。其中，SBA内获得较多SSS(流动路径分布频率大于等于30%)的人口为1.40 亿人，占总受益人口的26.57%，占全国人口的10.2%；GDP为8.72万亿元，占受益GDP总量的30.74%，占全国GDP的12.72%；研究区盐碱地生态修复使得下风向地区降尘量减少147.17万t，直接经济效益达44.26亿元。可见，安固里淖生态系统SSS具有很广泛的辐射区域与辐射效益，SSS在减少沙尘对受益区社会经济的影响中发挥了重要作用。

张北县政府投入大量资金进行安固里淖生态建设，尽管中央财政提供了一定的生态补偿资金，但不足以弥补当地的经济损失，而横向生态补偿机制是调整生态环境保护和建设相关各方之间利益关系的一种制度安排。根据SBA受益程度制定生态补偿方案，量化受益区应支付的生态补偿金额。根据本研究提出的ECS，将缓解安固里淖生态建设的资金压力，促进生态建设的可持续发展，使SBA继续从安固里淖生态系统中获得更多的SSS。本文以生态系统服务流理论为基础，提出了SSS差异化生态系统的研究方法，可为今后确定SSS的受益区和跨区域ECS提供参考与借鉴。

然而，本研究还存在一些不足，有待今后做更加深入的研究：

(1)仅考虑了盐碱沙尘发生的条件，即充足的风沙源和持续大风天气，然而在沙尘传输、扩散中大气层结构状态发挥了重要作用。大气层结构状态是否稳定将对沙尘能否到达高层空气，传输至更远范围产生影响。本研究忽略该因素，可能会导致假设的沙尘天气频率和强度过高，影响结果的准确性。将在以后研究中加入对该因素的考虑，更加准确地划定SBA。

(2)本研究通过遥感目视解析和专家咨询在安固里淖干涸盐碱湖选取10个起沙位置，对起沙位置缺乏客观、定量的评价。下一步的研究中，将建立安固里淖干涸盐碱湖起沙位置的评价体系获得较为科学、准确的起沙位置分布，同时考虑将研究区划分为足够多的单元，通过插值获得该单元的风速及其他气象要素数据，模拟每个单元的沙尘移动路径，从而确定整个研究区域SBA。

(3)本研究中模拟了起沙后5 d(120 h)内沙尘的传输路径，来确定有害物质(盐碱风沙)的影响范围，进而确定SBA。然而缺少对模拟的沙尘影响范围的验证，在下一步研究中，将通过结合实际发生沙尘天气的卫星影像，判断出不同时间、风速和大气不稳定状态下风沙天气的实际影响范围，对模拟结果进行校正，获得一个相对准确的研究结果。

4 结论

(1)安固里淖生态系统提供了重要的防风固沙生态系统服务并产生了大量的效益。本文采用RWEQ模型对安固里淖生态系统2015年的防风固沙量进行了估算，估算结果表明，2015年实际风蚀量为14.349 1万t，假设在没有植被保护的情况下，潜在风蚀量为382.279万t，实际风蚀量仅为潜在风蚀量的3.66%，安固里淖生态系统使得盐碱土壤风蚀减少了367.93万t。受益于安固里淖生态系统提供的防风固沙生态系统服务的土地面积为189.37万km2，占全国土地面积的19.66%，有15个省(市)受益；受益人口达5.27亿人，约占当年全国总人口的38.34%，受益GDP 总量为28.37万亿元，约占当年全国GDP 总量的41.36%。研究区生态系统使得下风向地区降尘量减少147.17万t，直接经济效益达44.26亿元。

表5 2015年受益地区支付安固里淖生态系统生态补偿费用Tab.5 Statistics on payment of ecological supplements to Angulinao area in beneficiary areas in 2015

(2)实施横向生态补偿将缓解安固里淖生态建设的资金压力，促进生态建设的可持续发展。根据“谁受益谁补偿”的原则，本研究区生态补偿资金由黑龙江省、内蒙古自治区、北京市等15个受益省(市)共同承担。根据SBA受益程度制定生态补偿方案，量化受益区应支付的生态补偿金额。张北县于2013年投入5 000万元生态修复专项经费，受益效益最大的黑龙江省和内蒙古自治区补偿金额最大，分别为1 028.63万元和1 026.41万元。河北省、吉林省、辽宁省等次之，浙江省需支付的生态补偿金额最少，为25万元，占总补偿金额的5%。