京津风沙源区防风固沙功能对植被覆盖度变化的时空响应研究

张彪, 王爽，史芸婷

京津风沙源区防风固沙功能对植被覆盖度变化的时空响应研究

张彪1,2,*, 王爽1,2，史芸婷1,2

1. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101 2. 中国科学院大学, 北京 100049

防风固沙功能受气象、土壤、植被、土地利用等多种因素的影响, 监测评估区域防风固沙功能对不同影响因子的响应状况可为生态保护工程的布局实施提供重要依据。以京津风沙源治理工程区为例, 基于NDVI指数和RWEQ模型, 构建了植被覆盖度与防风固沙功能的同步变化指数模型, 评估分析了工程区防风固沙功能对植被覆盖度变化的响应水平及时空差异。结果表明: (1)2000—2015年京津风沙源区防风固沙功能与植被覆盖度的同步变化指数()波动增加, 多年平均值达到0.85, 说明区域防风固沙功能对植被覆盖度变化存在显著响应且整体表现出增强趋势; (2)评估期内工程区83%的地区防风固沙功能与植被覆盖度变化高度同步(>0.8), 17%地区表现出较高程度的同步变化(0.6≤0.8); (3)正蓝旗、巴林右旗、翁牛特旗等地区防风固沙功能对植被覆盖度变化的响应水平相对较高, 而商都县、兴和县、乌兰察布等地区相对较低。因此, 京津风沙源区防风固沙功能与植被覆盖度变化呈现为强同步性, 植被覆盖度可作为防风固沙效益的直接监测指标, 同时, 对于同步变化指数()相对较低的区域应注重综合采用植被恢复措施以外的工程或化学材料等沙障措施提升防风固沙功能。

防风固沙; 植被覆盖; 时空响应; 同步变化; 京津风沙源区

0 前言

土壤风蚀是我国面临的主要生态环境问题之一[1], 可降低土壤生产力, 导致土地退化和沙化, 从而限制区域经济发展与影响人类福祉[2]。目前, 土壤风蚀控制有机械固沙、植物固沙、化学固沙、综合固沙等多种技术措施[3-4]。其中, 以增加植被覆盖为主的植物固沙措施受到高度关注[5]。比如, 杨志国等调查了河北宣化黄羊滩沙地不同造林措施对土壤风蚀的影响, 发现不同造林树种的集沙量存在明显差异[6]。周鑫等研究认为青海湖东岸克土沙区沙蒿、沙棘和乌柳的防风固沙效益高[7], 而王彦武等测定发现甘肃民勤绿洲边缘梭梭林要比其他固沙林有更明显的防风固沙效果[8]。不过, 土壤风蚀过程易受大气、土壤、土地利用方式和管理措施等多种因素的共同影响[9], 而我国广大土地沙化区域的气候、地形、土壤和土地利用状况等存在明显差异[5], 因此监测评估不同地区风蚀控制措施的效果可为生态治理工程的规划布局提供重要依据。Gong等基于气象、遥感数据和RWEQ模型评估证实, 我国北方风蚀区的春季植被盖度变化与防风固沙功能的保有率呈显著正相关[10]。黄麟等评估了三北防护林的防风固沙效应, 发现70年代以来工程区植被状况整体好转, 局部减弱了土壤风蚀模数[11]。不过, 以往研究注重分析植被覆盖状况对区域防风固沙功能的积极影响, 而对植被覆盖度与防风固沙功能响应关系的时空差异研究较少。虽然李琦等以陕西榆林市为例, 利用气象观测和植被指数数据, 分析了植被覆盖与防风固沙功能的时间同步性[12], 但并未深入研究二者的空间同步性。

京津风沙源治理工程是我国为遏制北京及周边地区土地沙化、改善空气质量而实施的一项的重大生态工程。近年来工程区植被状况已明显恢复改善[13]。比如, 严恩萍等[14]与卫洁等[15]均发现京津风沙源治理工程区NDVI呈上升趋势; 李庆旭等测算2000—2015年工程区植被覆盖度以0.4%/年的速率增加。同时, 该区域内土壤风蚀强度已显著降低[16]。比如, 巩国丽等发现20世纪90年代以来锡林郭勒盟的土壤风蚀强度呈减弱趋势[17]; 王俊枝等运用RWEQ模型定量评估表明, 2005年以后浑善达克防风固沙功能区的土壤风蚀模数年均降低0.08亿t[18]; 迟文峰等也证实自2000年以来内蒙古高原近87.85%的地区土壤风蚀模数下降[19]。但是, 工程区内植被恢复措施提升防风固沙功能的时空有效性仍需重点考量。

为此, 本文基于归一化植被指数(NDVI)和修正风蚀方程(RWEQ), 在评估工程区植被覆盖度与防风固沙功能的基础上, 构建同步变化指数模型, 评估分析了2000—2015年京津风沙源治理工程区植被覆盖度与防风固沙功能的协同程度, 以监测评估防风固沙功能的植被恢复措施成效及其潜力区域, 从而为风沙源治理工程的分区施策与精准修复提供参考依据。

1 研究区概况

京津风沙源治理工程区(109°30′—114°20′E, 38° 50′—46°40′N)西起内蒙古达尔罕茂明安联合旗, 东至河北省平泉县, 南起山西省代县, 北至内蒙古东乌珠穆沁旗。一期工程区的国土面积为45.8万km2, 涵盖北京、天津、锡林郭勒盟、乌兰察布、赤峰、承德、张家口等11地市的75个县(市、区、旗)。

工程区地貌主要由平原、山地和高原组成。其中, 东部浑善达克沙地是锡林郭勒高原的重要组成部分, 沙化土地广布; 西部乌兰察布高原由阴山北麓的丘陵、地势平缓的凹陷地带及横贯东西的石质丘陵隆起带组成, 境内多季节性河流; 燕山山地和太行山地形起伏较大, 地形雨较多, 易造成水土流失。内蒙古高原地带性土壤以温带、暖温带条件下形成的黑钙土、栗钙土、棕钙土为主。其中, 栗钙土占绝对优势, 燕山山地以石灰土、石质土为主[20]。

工程区气候包含暖温带半湿润大区、温带半湿润大区、温带半干旱大区、温带干旱大区、温带极干旱大区2个气候带5个气候大区。区内多年平均气温为7.5℃, 年平均降水量和蒸发量分别为459.5 mm和2110 mm, 年大风日数高达36.2天。内蒙古高原干旱、半干旱气候特征明显, 且多大风和沙尘暴天气, 是京津地区风沙的主要来源。

自2000年京津风沙源治理工程实施以来, 工程区内耕地面积不断减少, 主要流向退耕还林还草; 但林地与城乡建设用地面积明显增加, 而湿地与荒漠沙地面积均有所减小(图1), 虽然工程区草地面积减少, 但长时期来看, 以草地为主、耕地和林地为辅的土地利用组成结构并未发生变化[21]。

2 研究方法

2.1 植被覆盖度

植被是生态系统中连接土壤、大气和水分的自然纽带[22], 植被冠层的垂直投影面积与土地面积的比值称为植被覆盖度, 与归一化植被指数(NDVI)具有很好的相关性[23]。植被覆盖度已成为表征区域生态系统状况的重要指标[16,24-26]。因此, 本文基于归一化植被指数, 采用像元二分模型估算京津风沙源治理工程区2000—2015年植被覆盖度, 计算公式如下:

式中: VC为植被覆盖度(%), NDVImax和NDVImin分别为NDVI的最大值和最小值。

文中NDVI数据来自美国地球资源观测系统数据中心的MOD13Q1产品。该数据已经过几何精纠正、辐射校正、大气校正等预处理, 时空分辨率为16d和250m。本文对该数据集去除噪声干扰后, 利用 MRT投影转换工具进行投影和格式转换批处理, 采用最大值合成法[27],依次获得京津风沙源区生长季(4—10月)[28]逐月以及逐年NDVI数据, 最后通过局部最大滤波算法进一步去除云雾影响, 利用Arcgis10.0软件掩膜得到16期NDVI数据。

2.2 防风固沙功能

防风固沙功能是指植被生态系统抑制或降低土壤风蚀的作用, 易受气候、土壤、植被、地形以及土地利用等多种因素影响[17-19]。风蚀模型是评估防风固沙功能的主要技术手段, 其中修正风蚀方程(RWEQ) 已广泛应用于我国土壤风蚀状况评估[21,29-31]。为此, 本文基于RWEQ模型, 定量评估京津风沙源治理工程区防风固沙功能。其中防风固沙能力(SRA)为工程区单位面积土壤潜在风蚀量(SLp)与实际风蚀量(SLr)的差值, 计算公式如下:

图1 工程区2000年和2015年土地利用状况

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

式中: SLp为潜在风蚀量(kg·m-2),Q为潜在风力的最大输沙能力(kg·m-1),为潜在关键地块长度(m); SLr为实际风蚀量(kg·m-2),Q为实际风力的最大输沙能力(kg·m-1),为实际关键地块长度(m);表示下风向距离(取50 m),为气候因子(kg·m-1),和分别为土壤可蚀性因子和土壤结皮因子,和分别为土壤糙度因子与植被因子;为工程区防风固沙能力(t·hm-2)。

(1)气象因子

自然条件下土壤风蚀受风速、温度、降雨、太阳辐射以及降雪等气象因素影响, 气象因子(WF)为各类气象因素对风蚀的综合影响, 计算公式如(10)和(11)所示:

式中:为气象因子(kg·m-1) ,为风力因子(m/s)3,为重力加速度(取9.8 m/s2),为空气密度(取气温20℃时1.205 kg/m3), SW和分别为土壤湿度因子和雪盖因子,u为起沙风速(取5 m/s),u为气象站月均风速(m/s),为各月风速大于5 m/s 的天数。

气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/)在京津风沙源区内的26个气象站[32], 采用月均风速、降水、气温、日照时数等数据插值得到风力因子和土壤湿度因子。雪盖因子利用中国西部环境与生态科学数据中心(http:// westdc.westgis.ac.cn)的中国雪深长时间序列数据集计算。

(2)土壤可蚀性与结皮因子

土壤可蚀性受土壤颗粒的粒径以及有机质、黏土、碳酸钙等物质含量的影响, 土壤表层的坚硬结皮也能有效防止风蚀的发生。因此, 可从土壤的理化条件判别土壤可蚀性因子(EF), 土壤结皮因子(SCF)为一定土壤理化条件下土壤结皮抵抗风蚀的能力, 计算公式为:

式中:为土壤粗砂含量(%),为土壤粉砂含量(%),为土壤粘粒含量(%),为土壤有机质含量(%),CaCO为碳酸钙含量(%)。

土壤数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn)提供的1: 100万土壤图及所附的土壤属性表和空间数据, 分别采用京津风沙源区不同土壤类型及相应物质含量估算可蚀性因子与结皮因子。

(3)植被因子

植被对土壤风蚀过程有重要影响, 不仅增加地表糙度而增大起沙风速, 且对土壤颗粒移动有一定阻碍作用[33]。植被覆盖因子(C)代表植被条件对风蚀的抑制程度, 计算公式为:

(4)地表糙度因子

地形因子对风蚀过程存在明显影响。地表糙度(K′)表示农田因耕作产生块状土以及土垄而对风蚀产生的影响, 包括随机糙度()和土垄糙度()。由于区域尺度评估中, 耕作产生的随机糙度难以获取, 本文采用smith-carson方程计算土垄造成的地形起伏度来替代[34], 计算公式为:

2.3 同步变化指数

同步性是指两个或两个以上随时间变化的量在变化过程中保持一定的相对关系。该文将防风固沙功能对植被覆盖度变化的响应定义为区域防风固沙能力随植被覆盖度变化的同步性程度, 以反映区域植被措施提升防风固沙功能的有效性。为监测评估工程区防风固沙功能与植被覆盖度变化的同步性, 以2000年为起始年, 将每年区域植被覆盖度与防风固沙能力减去上一年份的植被覆盖度与防风固沙能力, 分别得到植被覆盖度与防风固沙功能的年变化量, 并与上一年份植被覆盖度与防风固沙功能相比, 获得二者的年变化率; 然后比较两个变化率的大小, 并转换为分布在0—1之间的同步指数()。同步变化指数越大, 说明防风固沙功能对植被覆盖度变化的响应程度越高, 反之亦然。计算公式为:

式中:为防风固沙功能与植被覆盖度变化的同步指数(表1),为不同评估单元防风固沙能力(t·hm-2),为植被覆盖度(%),代表不同年份。

3 结果与分析

3.1 响应程度的年际变化

评估结果表明, 2000—2015年京津风沙源区植被覆盖度变化在35.33%—44.69%, 且以0.48%/年的速度波动增加; 同时, 防风固沙功能以年均增速1.04%的速率提升, 防风固沙能力变化在56.97 t/ (hm2·a)—73.82 t/(hm2·a)。因此, 京津风沙源区防风固沙功能与植被覆盖度的同步变化指数分布在0.70—0.91之间, 且表现为整体增加趋势(图2), 说明植被覆盖状况改善能有效提升区域防风固沙功能, 且防风固沙功能对植被恢复措施的响应程度越来越高。同时, 同步变化指数SI多年平均值为0.85, 植被覆盖状况可直接指示区域防风固沙功能。

表1 防风固沙功能与植被覆盖度的同步变化指数分级

图2 2001—2015年京津风沙源区防风固沙能力、植被覆盖度及同步变化指数

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

3.2 响应程度的空间分异

从京津风沙源区同步指数变化空间动态来看, 2002—2003年和2003—2004年植被覆盖度与防风固沙功能的同步变化指数明显降低, 且集中出现在南部地区; 虽然2007—2008年同步变化指数低值区范围较小, 但低值程度更加明显; 2008—2009年以及2009—2010年同步变化指数低值区范围显著扩大(图3)。因此, 2000—2015年京津风沙源区防风固沙功能与植被覆盖度强同步变化为主。其中, 高同步区(>)面积380680 km2, 占到工程区面积的83.12%, 呈广泛分布状态; 较高同步区(<)集中分布在工程区西部, 呈东北—西南走向分布, 面积占到工程区的16.88%; 一般同步区(<)面积约23km2, 不及工程区面积的1%, 呈点状零散分布(图4)。

3.3 响应区域的面积组成

根据同步变化指数等距分为5个等级, 以比较分析各响应水平的数量规模。从不同级别的面积比例来看, 京津风沙源区防风固沙功能与植被覆盖度以较高同步和高同步指数为主。其中, 2000—2015年间一般同步区面积占比分布在0—21.33%之间, 且呈现先增加后减少的波动趋势; 较高同步区面积占比变化在8.90%—56.10%, 2000—2004年以及2005—2009年间其面积有两次明显增加, 随后呈现逐年下降趋势; 植被覆盖度与防风固沙功能高同步区的面积占比集中在47.39%—90.57%, 分别在2000—2004年和2004—2008年两个阶段表现出显著降低趋势, 但此后又逐年增加(图5), 说明越来越多的区域防风固沙功能对植被覆盖状况改善表现出明显的提升响应作用。

3.4 响应区域的地区差异

2000—2015年京津风沙源区各县区旗的防风固沙功能对植被变化整体呈现出显著响应, 其中二连浩特市同步指数最高(0.91), 其次为正蓝旗、巴林右旗、克什克腾旗、翁牛特旗、林西县等, 其同步化指数均高于0.88, 有44.59%县域单元同步变化指数在0.85—0.88之间, 而商都县、兴和县、乌兰察布市等地区的同步指数均小于0.80(图6), 说明上述地区防风固沙功能易受其他因素影响。不过从地市尺度来看, 天津市(蓟县)防风固沙功能与植被覆盖度变化的同步指数最高(0.87), 其次是北京市、赤峰市、忻州市、包头市等, 此外, 张家口市、锡林郭勒盟、大同市和乌兰察布市的同步变化指数均小于0.85, 其中乌兰察布市防风固沙功能与植被覆盖度变化的同步指数最低(0.81)。因此, 针对张家口市、锡林郭勒盟、大同市和乌兰察布市等地市防风固沙功能与植被覆盖度同步变化相对较低的区域施加综合提升措施值得关注。

图3 2001—2015年京津风沙源区同步变化指数

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

图4 京津风沙源区同步变化指数多年均值空间分布

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

图5 京津风沙源区植被覆盖度与防风固沙功能同步变化分区面积占比情况

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

3.5 荒漠化区的响应程度

参考滑永春等的荒漠化程度分级[35], 根据京津风沙源区2000—2015年植被覆盖度多年均值, 荒漠化程度地区分布如图7所示。其中, 重度荒漠化区域约占12%, 主要分布在风沙源区西部边缘的荒漠草原区, 防风固沙功能与植被覆盖度的同步变化指数分布在0.52—0.97之间(表2), 其区域平均值最高(0.88), 说明严重荒漠化地区的植被覆盖状况改善可以较快提升防风固沙功能; 此外, 风沙源区约有21%的地区为中度荒漠化区, 集中分布在重度荒漠化区的周边, 以浑善达克沙地为主, 虽然同步变化指数的变化范围较大, 但其区域平均值为最低(0.84), 说明此地区防风固沙功能对植被覆盖状况的响应比较复杂; 在中度荒漠化区的东部分布有轻度荒漠化区, 其面积占到研究区面积的49%, 但防风固沙功能与植被覆盖度的同步变化指数变动范围较小, 而其平均指数较大, 说明该区域植被覆盖状况能有效提升防风固沙功能。因此, 相比较而言, 不同地区的荒漠化程度对植被恢复带来防风固沙功能提升有一定影响。

图6 京津风沙源区多年同步变化指数的区域分布

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

图7 京津风沙源区荒漠化程度空间分布

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

表2 京津风沙源区荒漠化程度与同步变化指数

4 讨论与结论

4.1 讨论

目前已有较多关于植被覆盖度对防风固沙效果的研究, 但是不同时空尺度下防风固沙功能对植被覆盖度变化的响应程度研究较少, 植被恢复措施提升防风固沙功能的时空有效性尚不清楚。该文基于京津风沙源治理工程区的植被、土壤及气象数据, 评估模拟了植被覆盖度与防风固沙功能的变化, 结果发现京津风沙源区植被覆盖度变化在35.33%—44.69%, 且整体呈波动增加趋势, 这与滑永春等[35]、严恩萍等[14]、李庆旭等[16]的研究结果一致。其次, 风沙源区防风固沙功能变动在56.97 t/(hm2·a)—73.82 t/(hm2·a)之间, 略高于2000— 2010年内蒙古生态系统年均防风固沙48.80 t·hm-2的结果[29], 原因可能与内蒙古北部地区防风固沙能力较小有关。已有研究表明, 三北工程区植被变化是加速或遏制土壤风蚀最敏感的因素[11], 黑河下游重要生态功能区植被覆盖度与防风固沙功能间存在显著相关性[36-37]。该文构建植被覆盖度与防风固沙能力的同步变化指数模型, 测算评估了2000—2015年京津风沙源区防风固沙功能对植被覆盖度的响应水平, 发现二者同步指数多年均值为0.85, 且整体表现出增加趋势, 工程区内83%的地区防风固沙功能对植被覆盖度变化有显著响应, 说明该区域内的植被覆盖度可直接表征防风固沙效益变化。但是, 仍有16.88%的地区同步变化指数相对较低, 且集中分布在东北—西南走向的锡林郭勒盟西部, 分布有中等程度的荒漠化, 年降水量较低, 地形平坦且起伏度较小, 地表植被存活与生长较困难, 且易受放牧、耕作等人为活动干扰, 因此该区域土壤风蚀控制治理除植被恢复措施外, 还应综合采用工程固沙、化学材料沙障等多种措施[4,38]。

不过需要说明的是, RWEQ模型是基于美国大平原统计值的农田风蚀模型, 应用于草原风蚀具有一定的局限性, 为此该文在借鉴前人研究成果基础上, 采用了我国北方沙化地区修正后的关键参数和计算公式[29-31,39]。同时, RWEQ模型在风蚀因子分类与相互影响方面存在不足, 风蚀影响因子仅是特定区域的经验表达, 不具有普适性的风蚀动力学理论基础[40], 需要进一步研究构建具有理论基础与广泛适用性的土壤风蚀模型才能准确反映区域防风固沙功能变化状况。为满足模型对数据空间和时间分辨率的要求, 本研究对部分输入参数进行了插值处理, 可能导致评估结果的误差与不确定性, 未来也需要更多实测数据进一步完善与验证。

4.2 结论

该研究表明, 2000—2015年京津风沙源区的防风固沙功能对植被覆盖度变化存在显著响应, 且表现为整体增强趋势。其中, 83%的地区植被覆盖状况显著影响防风固沙功能变化, 17%的地区较高程度的影响防风固沙功能。在行政地域上, 正蓝旗、巴林右旗、翁牛特旗等地区植被覆盖状况与防风固沙功能的同步性较高, 而锡林浩特、阿巴嘎旗、镶黄旗等地区相对较低。因此, 京津风沙源区植被覆盖度是其防风固沙效益的直接表征指标, 且植被恢复措施可有效提升区域防风固沙功能, 但仍存在部分响应水平较低的地区, 尤其是中度荒漠化地区应注重采用植被恢复和工程固沙或化学材料沙障等综合措施来提升防风固沙功能。

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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

张彪, 王爽, 史芸婷.京津风沙源区防风固沙功能对植被覆盖度变化的时空响应研究[J]. 生态科学, 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

国家重点研发计划项目课题(2016YFC0503403)

张彪(1980—), 男, 山东郓城人, 博士, 副研究员, 主要从事城市与区域生态学研究, E-mail: zhangbiao@igsnrr.ac.cn

张彪