辽西北地区防风固沙服务空间流动与辐射效应

王 耕，张红玉

(辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029)

生态系统服务流是在自然和社会作用驱动下，生态系统服务从供给区向受益区发生时空转移的过程[1]，FISHER等[2]依据生态系统服务供给区与需求区之间的空间关系，将生态系统服务流分为原位服务流、全向服务流和定向服务流3类。近年来，随着生态系统服务研究的深入，有关生态系统服务流的研究逐渐增多，研究主体包括森林生态系统[3]、山地生态系统[4]和河流生态系统[5-6]等；生态系统服务的流动效益评估集中于将供给区与受益区进行空间关联，探究两者之间匹配的关系[7-8]，但关于生态系统服务区域流动的分析相对较少[9]，因而不能准确界定生态系统服务的辐射范围。因此，需要对生态系统服务从产生、流动到辐射进行全过程研究，厘清流动过程[10]，才能明确生态系统服务产生的辐射效应。

2010年国务院正式发布《关于印发全国主体功能区规划的通知》，将国家重点生态功能区分为水源涵养型、水土保持型、防风固沙型和生物多样性维护型4种类型，同时划定25个国家重点生态功能区，其中，防风固沙型重点生态功能区有6个，均位于我国北方的干旱、半干旱地区，地处沙尘源区，风沙活动频繁，对区域生态环境产生较大影响。近年来，我国相继实施了三北防护林、退耕还林还草、天然林保护、京津风沙源治理、草原禁牧和退牧还草等生态工程，使得我国北方沙区防风固沙服务功能得到有效提升[11]。防风固沙服务作为防护型生态服务，是指沙尘源区植被能起到保持水土[12]、降低风速的作用，避免土壤被吹蚀后产生沙尘而威胁生命健康、农业生产和道路交通，产生的生态效应不应局限于特定区域，防风固沙功能可以在比其栖息地大得多的范围内产生生态经济价值[13]。当前，关于防风固沙服务流动效应的研究包括防风固沙服务流的区域关联度[14]、供给区与需求区的分布[15]和跨区域差异建立生态补偿方案[16-17]。因此，开展三北防护林地区的防风固沙服务空间流动研究，对于甄别生态屏障地区防风固沙服务成效和促进干旱地区防风治沙工程建设具有重要意义。从整体性角度评价防风固沙功能的空间流动及其域外辐射效应[18]，并加强区际生态联系，以实现上风向与下风向地区之间的相互促进和可持续发展。

在风域内，通过空气的流动将上、下风向地区连接成为一个有机整体。风域内各种生态结构和生态过程依靠生态介质来维系其生态联系，产生一定的生态功能和生态效应。供体中植被的防风固沙功能对其下风向受体区域的生态效应主要表现为减少降尘和风沙危害，以及降低下风向区域沙尘灾害发生的范围和强度效应[19]。为客观分析辽西北地区防风固沙服务跨区域流动及产生的辐射效应，基于修正风蚀方程模型(RWEQ)评估2020年辽西北地区防风固沙量，利用混合单颗粒拉格朗日整合轨迹(HYSPLIT)模型模拟辽西北地区风速在高于起沙风速时的气团48 h防风固沙服务流动路径，识别与计算防风固沙服务的辐射区和辐射效应，创建研究区防风固沙服务量和辐射区防风固沙服务辐射效应的时空联系，协调研究区与下风向地区生态系统服务，并为区域生态补偿政策的制定提供科学依据，有利于防风固沙生态屏障的建设与改善，决策者能够因地制宜地进行生态环境保护与生态建设，为其下风向地区的产业结构布局和发展方式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

辽西北地区指辽宁省西北部，位于40°58′ N～43°26′ N、118°56′ E～125°06′ E之间，南临河北省，北接内蒙古自治区，地处京津冀和东北城市群中间(图 1)，由阜新市、朝阳市、铁岭市及沈阳市的康平县和法库县组成，总面积为45 539 km2。该区以温带大陆性季风气候区为主，冬季受蒙古—西伯利亚高压控制，寒冷干燥，盛行西北风或北风，夏季受西南季风的影响，高温多雨。年平均降水量为430～680 mm，年平均蒸发量为1 000～1 500 mm[20]，年均风速为3.7 m·s-1，最大风速为24 m·s-1。辽西北地区地处科尔沁沙地南缘，加强该地生态屏障建设能有效阻止沙地南移，同时减少沙尘暴天气，对于华北平原、东北平原生态安全具有保障作用。基于此，辽宁省政府高度重视生态文明建设，自2009年实施辽西北草原沙化治理一期、二期工程开始，历时7年治理辽西北地区沙化、退化草原计46万hm2；2019年启动退化草原人工种草生态修复试点及继续退牧还草工程，两年来已累计完成草地补播改良3.3万hm2[21]。

图1 研究区概况及土地覆盖类型

1.2 数据来源

气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥data.cma.cn/)的气象站数据，包括2020年月均风速、日最大风速等通过数据插值得到。土壤湿度和雪盖因子数据利用国家青藏高原科学数据中心(http:∥data.tpdc.ac.cn/zh-hans/)的全球长时序日尺度土壤水分数据集和中国雪深长时间序列数据集计算得到。土壤数据来源于第二次全国土地调查中国科学院南京土壤研究所提供的1∶100万土壤数据及其所附的土壤属性表和空间数据。数字高程模型(DEM)来源于中国科学院资源环境科学数据中心(https:∥www.resdc.cn/)。NDVI数据获取于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)。用于模拟2020年轨迹的NCEP再分析数据源于NOAA ARL(http:∥dss.ucar.edu/)GBL资料。

1.3 研究方法

1.3.1防风固沙量估算

在充分考虑风速[22]、土壤[23]、地形[24]和植被[25]等要素情况下，应用RWEQ模型计算研究区裸土条件下潜在风蚀量和植被覆盖条件下的实际风蚀量，取两者之差作为生态系统防风固沙量[26]。

Qmax,q=109.8×(FW×FE×FSC×K′)，

(1)

Sq=150.71×(FW×FE×FSC×K′)-0.371 1，

(2)

(3)

Qmax=109.8×(FW×FE×FSC×K′×C)，

(4)

S=150.71×(FW×FE×FSC×K′×C)-0.371 1，

(5)

(6)

G=LSq-LS。

(7)

式(1)～(7)，LSq为潜在风蚀量，kg·m-2；Qmax,q为潜在风力的最大输沙能力，kg·m-1；Sq为潜在关键地块长度，m；LS为实际风蚀量，kg·m-2；Qmax为风力的最大输沙能力， kg·m-1；G为防风固沙量，kg·m-2；S为关键地块长度，m；z为下风向距离，m；FW为气象因子；FE为土壤可蚀性因子；FSC为土壤结皮因子；K′为地表糙度因子；C为植被因子。各因子计算公式见表 1[27-30]。

表1 RWEQ模型因子[27-30]

1.3.2防风固沙空间流动路径模拟

利用HYSPLIT模型计算沙尘粒子的运行轨迹，追踪其去向[31]，以模拟防风固沙服务空间流动路径，HYSPLIT模型是美国国家海洋与大气局大气资源实验室(NOAA Air Resources Laboratory，NOAA ARL)研发的，常用于计算气团轨迹以及模拟复杂的扩散和沉积[32]。HYSPLIT模型假定沙尘粒子是随着风场运动的，其生成的轨迹是粒子在空间和时间上的向量积分，计算公式为

第1次推测位置：p′(t+Δt)=p(t)+V(p,t)×Δt；

(8)

最终位置：p(t+Δt)=p(t)+0.5×[V(p,t)+V(p′,t+Δt)]×Δt。

(9)

式(8)～(9)中，p(t)为初始位置；V(p,t)为初始位置速度向量；Δt为积分时间步长；V(p′,t+Δt)为第1次推测位置的速度向量。

积分时间步长是变化的，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)：

Vmax×Δt

(10)

1.3.3防风固沙服务辐射区识别

辐射区识别方法为潜在源贡献因子法(PSCF)[33]，利用PSCF模型分析轨迹在不同区域内的分布频率，将气团轨迹经过的区域网格化，最终形成栅格大小为0.5°×0.5°的轨迹频率分布图。

Pi=Li/L。

(11)

式(11)中，Pi为第i个栅格风沙轨迹分布频率；Li为通过第i个栅格的风沙轨迹数；L为起始点风沙总轨迹数。

1.3.4防风固沙辐射效应评估

辐射效应通过减少沙尘量(Qp)来衡量，指因植被防风固沙功能而减少的周边区域风蚀作用产生沙尘的物质量[34]。

Qp=A×G×(d<0.002+d0.002～0.02)。

(12)

式(12)中，A为研究区面积，m2；G为防风固沙量，kg·m-2；d<0.002和d0.002～0.02分别为粒径小于0.002 mm和粒径为0.002～0.02 mm的土壤颗粒含量。

2 结果与分析

2.1 防风固沙服务功能评估

研究区防风固沙量空间分布格局见图2。

图2 研究区单位面积防风固沙量空间分布格局

采用RWEQ模型对辽西北地区防风固沙量进行计算，结果表明，2020年辽西北地区全年防风固沙量为1 220万t，单位面积防风固沙量为0.26 kg·m-2。从防风固沙总量上来看，朝阳市防风固沙量最高，达602.36万t，其后依次为阜新市(259.41万t)、铁岭市(258.83万t)，康平县和法库县防风固沙量最低，为99.32万t；单位面积防风固沙量由高到低依次是朝阳市、阜新市、康平县和法库县及铁岭市，分别为0.31、0.26、0.23和0.20 kg·m-2；在空间分布(图2)上，防风固沙能力整体表现为西南部偏高、中部和东北部较低，但在东北部辽河、大凌河、饶阳河流域附近，由于水源充沛，植被灌溉条件充足，可有效阻挡沙尘流动，使得该处防风固沙能力较高。

2.2 防风固沙服务空间流动路径

辽西北地区2020年风速高于起沙风速5 m·s-1的时间为195 d，采用HYSPLIT模型模拟出195条防风固沙服务流动路径(图3)，大部分流动路径从研究区向东北、东南方向扩散(图4)，两个方向上分别为83和70条，占总数的78.46%，辐射范围主要涉及东北、华北及黄渤海海域。同时，随着传输距离的增加，路径密度降低。

审图号： GS(2022)5417号

图4 研究区防风固沙服务空间流动路径方位分布

2.3 防风固沙服务辐射区与辐射效应

辽西北地区防风固沙服务流动路径频率分布见图5，防风固沙服务辐射区见表2。

表2 辽西北地区防风固沙服务辐射区

审图号： GS(2022)5417号

研究结果表明，辽西北地区防风固沙服务中国境内陆地部分辐射区总面积为184.82万km2，辐射范围由近及远包括辽宁、吉林、内蒙古、河北、山东、北京、天津、黑龙江、江苏、安徽和河南11个省(区、市)。防风固沙流动路径分布频率表示辐射区获得研究区辐射效应的高低，大部分辐射区流动路径分布频率低于3%，防风固沙服务路径分布频率(≥10%)分布在辽宁中部、吉林西北部和内蒙古东部，接受到的防风固沙辐射效应较高。表 3显示，整体来看，辽西北地区防风固沙服务减少下风向沙尘量为597.78万t，其中，内蒙古、黑龙江、吉林、山东、河北、辽宁接受到的辐射效应为509.61万t，占总量的85.25%。

表3 辽西北地区防风固沙服务辐射效应

3 讨论

辽西北地区作为阻止科尔沁沙地、浑善达克沙地沙尘侵入最前沿、最重要的生态屏障，在区域防风固沙中发挥着显著作用。辽宁省政府重视加强辽西北地区生态文明建设，相继实施草原沙化治理一期、二期工程，退化草原人工种草生态修复试点及继续退牧还草工程，加快推进科尔沁沙地南缘沙化、荒漠化专项治理[35]，改善辽西北地区生态环境。笔者以风为生态介质，从上风向至下风向可依次划分为沙尘源区、防风固沙区和沙尘影响区。防风固沙服务供给研究是防风固沙服务空间流动研究的基础，辽西北地区作为防风固沙区，提供防风固沙服务1 220万t，单位面积防风固沙量为0.26 kg·m-2，防风固沙能力整体表现为西南部偏高、中部和东北部较低。辽西北地区植被的防风固沙功能对区域的生态效应主要表现为缩小下风向沙尘灾害发生的范围并减轻强度效应，辐射范围由近及远包括辽宁、吉林、内蒙古、河北、山东、北京、天津、黑龙江、江苏、安徽和河南11个省(区、市)。减少下风向地区沙尘量597.78万t，内蒙古、黑龙江、吉林、山东、河北、辽宁接受到的辐射效应为509.61万t，占总量的85.25%。

防风固沙服务辐射效应研究在维护区域完整性、促进生态平衡、减轻自然灾害、保障区域生态安全以及促进区域经济社会可持续发展方面具有重要作用。基于此，针对接受到防风固沙服务的辐射区，如何制定合理的生态补偿金额，并在受益区之间进行分配，将是衡量生态补偿是否科学合理的重要因素。因此，笔者研究中辐射区以及辐射效应的确定有助于明确受益主体，制定区域间生态补偿政策，弥补研究区因增强防风固沙服务而耗费的发展成本，为防风固沙服务的区域间生态补偿提供更为直接的科学依据，完善我国的生态补偿制度[36]，实现区域可持续发展。

但是，笔者研究仍存在一些不足：HYSPLIT模型在模拟防风固沙服务流动路径时，为了方便判断辐射范围，将距离研究区中心点最近的气象站看作起始点，但实际上忽略了研究区内不同区域风向和风速的空间差异性及其影响[37]，未来考虑将研究区内各个气象站分别作为起始点，模拟每个站点的沙尘移动路径，从而确定整个研究区防风固沙服务的辐射范围。笔者研究仅对中国境内陆地部分辐射区的防风固沙服务辐射效应进行分析，未对海域及中国境外辐射效应进行分析，使得防风固沙服务辐射范围偏小，未来研究应扩大辐射范围以形成更大空间尺度上的防风固沙服务流动体系。

4 结论

基于RWEQ模型评估2020年辽西北地区防风固沙量，分析区域防风固沙能力的空间格局，利用HYSPLIT模型模拟研究区防风固沙服务流动路径，识别与计算防风固沙服务的辐射区和辐射效应，从而构建结构完整、功能稳定的生态格局，维护生态安全。辽西北地区防风固沙服务辐射区主要位于东部经济较为发达的地区，防风固沙服务的流动在减少沙尘对辐射区社会经济影响中发挥了重要作用。因此，受益区获得防风固沙效应的相对大小可作为生态补偿优先程度的判断依据，以弥补防风固沙服务供给区因采取生态治理工程而产生的经济投入，保障防风固沙服务的持续供给，从而保障辐射区内城市群和粮食主产区的生态安全。主要结论如下：

(1)2020年辽西北地区全年防风固沙量为1 220万t，单位面积防风固沙量为0.26 kg·m-2。从防风固沙能力上来看，朝阳市防风固沙量最高，达602.36万t，单位面积防风固沙量为0.31 kg·m-2。在空间分布上，防风固沙能力整体表现为西南部偏高、中部和东北部较低，但东北部辽河、大凌河、饶阳河流域附近防风固沙能力较高。

(2)辽西北地区2020年有195条防风固沙服务流动路径。防风固沙服务流动路径大部分从研究区向东北、东南方向扩散，辐射范围主要涉及东北、华北及黄渤海海域，随着传输距离的增加路径密度降低。

(3)辽西北地区防风固沙服务辐射区总面积为184.82万km2，减少下风向沙尘量597.78万t，大部分辐射区的流动路径分布频率低于3%，防风固沙服务路径分布频率(≥10%)分布在辽宁中部、吉林西北部和内蒙古东部，接受到的防风固沙辐射效应相对较高。辐射范围包括辽宁、吉林、内蒙古、河北、山东、北京、天津、黑龙江、江苏、安徽和河南11个省(区、市)，其中，内蒙古、黑龙江、吉林、山东、河北和辽宁接受到的辐射效应为509.61万t，占总量的85.25%。