鄂尔多斯黄河流域荒漠生态系统防风固沙的功能价值评估

任 昱,魏春光,王彦广,赵 政

(鄂尔多斯生态环境职业学院,内蒙古 鄂尔多斯 017010)

0 引言

鄂尔多斯荒漠化防治肩负着推动黄河流域生态保护、高质量发展、统筹推进山水林田湖草沙系统治理的重任。由于生态工程的特殊性,库布其沙漠的经济效益难以量化评价,已有研究主要从生态效益与社会效益两个层面评价,不够全面。生态工程实施后,应通过生态系统的服务功能来量化评价生态措施的价值,将生态效益、社会效益与经济效益有机融合。近年来,生态系统服务研究逐步成为生态学领域研究的热点,并作为科学术语逐渐被纳入生态学及经济生态学研究范畴。

以Costanza等为代表的学者认为,生态系统服务以生态系统的开放性为基础和前提,是生态系统产品与生态系统功能的统一[1]。生态系统为人类提供各种资源及产品,在维持生态系统物质循环与能量流动的动态平衡等方面发挥无可替代的重要作用[2]。随着对生态系统服务研究的逐渐深入,生态系统服务价值评估进一步受到重视。20世纪90年代起,生态系统服务价值评估不仅成为生态学领域研究者关注的热点[1,3-5],且引起各类国际组织的高度重视。国内外学者针对不同类型的生态系统进行了生态系统服务价值评估核算,探究了生态系统服务价值评估的理论与方法。目前,学者在森林生态系统、草地生态系统方面开展的服务价值研究较多[6-11],而荒漠生态系统服务价值评估的相关研究仍处于探索阶段,研究成果多见于定性描述,定量分析与系统性研究的成果较少,关于定量估算黄河流域荒漠生态系统防风固沙功能价值的研究更是鲜有报道。

风是荒漠生态系统风沙活动与沙物质输移的主要外营力,风沙活动造成的风蚀搬运对荒漠生态系统的植被与土壤影响巨大,故防风固沙功能是荒漠生态系统提供的生态服务中最为突出的功能,主要表现为:增加荒漠植被覆盖率,削减风速,降低风沙活动强度,减少土壤风蚀量,减轻强风沙活动所导致的工业、农业及交通业等方面的损害[12]。与荒漠生态系统提供的其他服务功能相比,防风固沙功能也是最直观、最与众不同的生态服务功能,荒漠生态系统良好的防风固沙服务也是进一步开展土壤保育、水文调控、固碳、生物多样性及景观游憩等服务评估研究的基础。

本研究以位于鄂尔多斯黄河流域的库布其荒漠生态系统流动沙地、半固定沙地及固定沙地为研究对象,评估其防风固沙功能价值,以期为科学认知与理解鄂尔多斯黄河流域荒漠生态系统提供参考。

1 研究区域概况

库布其沙漠位于鄂尔多斯高原脊线北部,黄河中游南缘。沙带东西长约400 km,东部宽15～20 km,西部宽约50 km。属温带干旱、半干旱区,温带大陆性季风气候,气候干燥、降水稀少、昼夜温差大,温湿同期、光照充足、热量丰富,风大沙多、风沙频繁。沙丘类型以梁窝状沙丘与灌丛沙堆为主,固定沙丘及半固定沙丘多分布于沙漠南缘。年平均日照时数为3138.7 h,年总辐射量为135.7 kcal/cm2,全年≥10℃积温3197.4℃,光能利用潜力较大。年均降水量为311.8 mm,多集中于7～9月。全年主要风向为西风与西北风,全年平均风速在3.2～3.5 m/s。由于风沙活动频繁,极易发生土壤风蚀。

库布其沙漠土壤分布差异性较大,地带性土壤以栗钙土、棕钙土与灰漠土为主。库布其沙漠属于荒漠与干旱草原的过渡带,天然植被以沙蓬、蒙古虫实、黑沙蒿、杨柴、柠条锦鸡儿、沙柳、沙鞭及各种禾草等沙生植物为主。

2 评估方法

2.1 风蚀量的估算

研究区面积较大,故采用数学模型对水平单位风蚀量进行估算。选择丁国栋建立的土壤风蚀模型:

(1)

(2)

(3)

Q=S·ρ∑hi

(4)

式中,D为沙丘前移的距离(m),q为某一级别风速下的输沙率(g/cm·min),H为沙丘的高度(m)[公式(1)、(2)],ρ为干沙密度(g/cm3),L为背风坡长度平均值(m),α为背风坡坡角(°),M为沙丘迎风坡长度平均值(m),t为年内某一级别风速时间累计(min),H为年内某一级别风速的风蚀深度累积值(cm)[公式(3)],Q为年内风蚀总量(t),S为研究区面积(m2),hi为内风某一级别风速的年蚀深度累积值(cm)。

2.2 防风固沙物质量与价值量的估算

将公式(4)计算得出的风蚀量代入公式(5),估算荒漠生态系统防风固沙的物质量:

G固沙=A有植被(Q有植被-Q无植被)

(5)

式中,G固沙为年内研究区固沙物质量(t),A有植被为研究区植被覆盖区面积(km2),Q有植被为植被覆盖区单位面积输沙量(t/km2·a),Q无植被为无植被覆盖区单位面积输沙量(t/km2·a)。

将公式(4)计算得出的风蚀量代入公式(6),估算荒漠生态系统防风固沙的价值量:

V固沙=C固沙·G固沙

(6)

式中,V固沙为荒漠生态系统防风固沙的总价值(元),C固沙为单位重量沙尘清理费用(元/t)。按照鄂尔多斯地区收费标准,本研究中沙尘清理费用依据工业粉尘排污收费标准150元/t进行估算。G固沙为年内防风固沙总量(t)。

根据库布其荒漠生态系统分布及影响范围,本研究的荒漠生态系统防风固沙价值量指标体系围绕影响较大的农业、牧业与交通运输业进行估算。根据相关研究结果,减少农田经济损失价值、减少草地经济损失价值、土壤营养元素保持价值采用市场价值法进行估算,减少泥沙淤积灾害价值、减少交通运输经济损失价值采用替代工程法进行估算。

1)减少农田经济损失价值:

V农田=B×G固沙÷(H×ρ×10 000)

(7)

式中,V农田为减少农田经济损失价值(元/a),B为土地的年平均收益[元/(hm2·a)],G固沙为防风固沙量(t/a),H为土壤层厚度(m),ρ为土壤容重(g/cm3)。

土地年均收益按照2021年鄂尔多斯平均土地收益 12 000元/(hm2·a)计算,土壤层厚度取值鄂尔多斯平均土壤厚度0.25 m,土壤容重经测定为1.50 g/cm3。

2)减少草地经济损失价值:

V草地=G固沙÷(H×ρ×10 000)×C×P

(8)

式中,V草地为减少草地经济损失价值(元/a),G固沙为年内防风固沙总量(t/a),H为土壤层厚度(m),ρ为土壤容重(本研究以干沙容重代替土壤容重,下同)(g/cm3),C为草地单位面积的理论载畜量(只/hm2),P为羊的平均价格(元/只)。

土壤层厚度、土壤容重与公式(7)取值相同。鄂尔多斯草原为荒漠草原,单位面积的理论载畜量按1只/hm2计算,羊(山羊)的平均价格以2000元/只计。

3)土壤营养元素保持价值:

库布其荒漠生态系统保持土壤养分为土壤对N、P及有机质养分的固定,采用市场替代法进行计算。

(9)

式中,V营养元素为保持土壤营养元素价值(元/a),G固沙为防风固沙量(t/a),N为荒漠土壤平均含氮量(%),P为荒漠土壤平均含磷量(%),M为荒漠土壤有机质含量(%),R1为磷酸二铵化肥含氮量(%),R2为磷酸二铵化肥含磷量(%),C1为磷酸二铵化肥价格(元/t),C2为有机质价格(元/t)。

研究区土壤中全氮含量0.002%,全磷含量0.084%,有机质含量 0.032%,磷酸二铵含氮量为18%,磷酸二铵含磷量为46%,磷酸二铵化肥价格3800元/t,有机质700元/t。

4)减少泥沙淤积灾害价值:

V积沙淤积=G固沙×24%×C

(10)

式中,V减少泥沙淤积为减少泥沙淤积功能的价值(元/a),G固沙为防风固沙量(t/a),C为单位体积清淤成本(元/t)。

据相关资料,土壤侵蚀流失的泥沙中淤积比例取24%[13]。单位体积清淤成本按鄂尔多斯市相关收费标准2.5元/t计。

5)减少交通运输经济损失价值:

V交通运输=G固沙÷ρ×C

(11)

式中,V交通运输为减少交通运输经济损失的价值(元/a),G固沙为防风固沙量(t/a),ρ为土壤容重(g/cm3),C为单位清理流沙成本(元/m3)。

经野外测定,研究区干沙容重取值与公式(7)相同,单位清理流沙成本取值为鄂尔多斯市相关收费标准1.0元/m3。

3 估算结果

3.1 风速转换

根据土壤风蚀估算模型可知,计算研究区年内风蚀量,首先需计算某一级别风速的累计时间。研究区内气象站点只记录10 m、12 m处的风速,而野外风速测定时风杯极限高度为2 m。故利用经验公式将气象站10 m处的风速转换为2 m处风速:

V10=1.1V2+0.2

(12)

式中,V10为气象站10 m高度处的风速(m/s),V2为2 m高度处的风速(m/s)。

根据观测统计数据分析结果,研究区风沙活动多集中在每年的1～6月与10～12月,这两个时段风速较大,风沙活动较为频繁,土壤风蚀量较多。研究区的降水活动多集中于7～9月,这一时段荒漠植物生长旺盛,能够有效降低风沙活动和土壤风蚀量,因此7～9月的风蚀量不计入全年风蚀量统计。详见表1。

表1 研究区2021年风速累计Tab.1 Wind speed accumulation in the research area in 2021

3.2 固沙量估算

3.2.1 防风固沙物质量估算

利用自制积沙仪对研究区内典型流动沙丘、半固定沙丘与固定沙丘2 m处输沙率进行野外测定。由公式(3)可知,沙物质密度即干沙容重。经测定,研究区的干沙容重为1.50 g/cm3,野外实测沙丘背风坡坡角值为30°,野外实测沙丘迎风坡平均长度取30 m。根据公式(3)计算不同风速下对应不同类型沙丘的输沙率与风蚀深度,不同类型沙丘的输沙率随风速的增大而增加,固定沙丘输沙率显著低于半固定沙丘与流动沙丘(P<0.05)。随着植被覆盖率的增加,风蚀深度呈降低趋势。研究区内典型流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘2021年累计风蚀深度分别为8.54 cm、4.75 cm、0.52 cm。经计算,库布其沙漠流动沙丘、半固定沙丘与固定沙丘的输沙率比例为1∶0.55∶0.06。详见图1、表2。

图1 2 m高度风速下不同类型沙丘输沙率Fig.1 Sediment transport rate of different dune types under 2 m high wind speed

表2 2021年库布其沙漠不同沙丘类型风蚀深度Tab.2 Wind erosion depth of different types of dunes in Kubuqi desert in 2021

库布其沙漠的总面积为1.86万km2,其中流动沙丘11 346 km2,半固定沙丘2325 km2,固定沙丘2279 km2[14]。利用不同类型沙丘风蚀深度与面积计算库布其荒漠生态系统风蚀量及防风固沙物质量。根据公式(4)与公式(5),计算得出2021年库布其沙漠防风固沙的物质量为5.02×108t。

3.2.2 防风固沙价值量估算

根据公式(6)计算得出库布其荒漠生态系统的防风固沙服务总价值为753×108元/a。按照选取的防风固沙价值量估算指标体系[公式(7)～公式(11)]进行计算可知,防风固沙活动减少农业损失共计57.12×108元/a(87.99%),减少牧业损失共计0.27×108元/a(0.41%),减少交通运输业损失共计7.53×108元/a(11.60%)。库布其荒漠生态系统防风固沙价值主要体现在保持土壤营养元素、减少农田经济损失这两方面,与有利于保护土地资源、有利于促进生态与经济可持续发展的荒漠化防治目标高度契合。详见表3。

表3 2021年库布其荒漠生态系统防风固沙价值量Tab.3 Value estimation of windbreak and sand fixation in Kubuqi desert ecosystem in 2021

4 结论与讨论

黄河流域生态保护和高质量发展已上升为国家战略。库布其沙漠作为中国第七大沙漠,其荒漠生态系统的防风固沙功能对于鄂尔多斯黄河流域生态环境保护具有及其重要的作用。研究表明,库布其荒漠生态系统具有极大的生态经济价值,荒漠生态系统服务功能不仅为生活在干旱区的人们提供着赖以生存和发展的物质基础,也为维持社会稳定、经济发展和区域的生态安全提供了重要保障。

将荒漠生态系统的修复能力由可量化的生态效益转变为可量化的价值核算是荒漠生态系统价值评估的难点,目前评价荒漠生态系统价值多采用经验公式估算,而准确估算地表风蚀量是进行荒漠生态系统防风固沙功能及其价值核算的基础[15]。本研究采用的风蚀量估算模型属于物理模型,优点在于可将抽象的过程具体化,参数的物理意义较明确,对风蚀过程考虑较为全面,但对数据的需求较高,增加了计算量。风蚀量监测的方法和手段仍处于探索与发展阶段,风蚀定量研究理论及其应用有待进一步研究。