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基于生态功能退化驱动的生态修复分区策略

范文

田美荣　高吉喜　申陆　李晓宇

摘要：明确生态退化及其驱动因素的空间分布，是有针对性开展生态调控修复的前提。围绕生态功能退化、自然驱动力、经济社会驱动力，运用地理信息再编码叠加分析技术、生态分区技术等，构建生态退化驱动空间分布识别模型，并以浑善达克防风固沙功能区为例，基于防风固沙生态功能退化空间差异性分析，以生态调控理论为指导，提出重点治理、调控治理、预防治理、维护治理的生态修复分区策略，并根据生态功能退化自然驱动与经济社会驱动复合空间分布特征，针对不同区域提出具体的生态调控修复方案。结果显示，重点治理区主要分布在浑善达克西部和东北部地区，主要包括苏尼特右旗、苏尼特左旗、镶黄旗、克什克腾旗、多伦县与围场满族蒙古族自治县部分区域，植被、地形、畜牧业的发展水平是其防风固沙功能退化的主要驱动力。

关键词：调控修复;生态退化;驱动力;空间差异;浑善达克沙地

中图分类号： X171.4文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）08-0252-04

随着经济社会发展，生态环境现状不容乐观。生态退化是目前全球所面临的主要环境问题，并严重阻碍社会经济的持续发展[1]，因此，生态恢复和重建成为当前生态学研究的热点[2]。但目前生态修复过程中存在重植被、轻功能，重手段、轻效益，重局部、轻区域等问题[3]，只有以区域为视角，以提升生态系统的生态功能为目的，以采用生态修复工程与经济社会调控相结合的生态修复调控手段，才能从根本上解决生态问题，明晰生态功能退化空间分布及其驱动力因素空间异质性，是有针对性地开展生态调控修复的前提。

浑善达克沙漠化防治生态功能区地处生态环境脆弱的东亚夏季风北缘，是我国北方生态环境屏障的重要组成部分，土壤风蚀是浑善达克沙漠化防治生态功能区面临的重要生态环境问题，因此防风固沙功能是主导生态功能。土壤风蚀模型是防风固沙功能分析的重要技术手段，主要风蚀模型包括风蚀方程（WEQ）[4]、基于风速廓线发育的德克萨斯侵蚀分析模型（TEAM）[5]、前苏联涉及人类活动因素的Bocharov模型[6]、修正风蚀方程模型（RWEQ）[7-8]以及以过程为基础的风蚀预报系统（WEPS）[9]，由于RWEQ模型因子具有覆盖全面、构成相对简单、数据易于获取等优势[10]，因此其应用更为广泛[11]。

为了更好地阐明浑善达克沙漠化防治生态功能区防风固沙情况，指导区域的土地沙化防治，本研究选用RWEQ模型分析浑善达克沙漠化防治生态功能区防风固沙功能的时空变化格局，针对研究区功能退化驱动力[12]问题，通过再编码技术对主导自然驱动力的因子进行分析，运用主成分分析方法对主导经济社会驱动力的因子进行研究。在明确防风固沙功能退化空间分布及自然和经济社会驱动力空间异质性的基础上，探索防风固沙功能区生态调控修复分区识别模型，对功能区进行生态调控修复分区识别，并对相应分区提出防风固沙功能生态修复调控方案。

1研究区概况

浑善达克沙地防风固沙功能区位于40.7°～45.5°N，111.1°～118.5°E之间，东南高西北低，东北部多河流，总面积约为16.81万km2，行政区包括河北省与内蒙古自治区，属于中纬度半干旱、干旱大陆性季风气候区，冬季漫长寒冷，夏季短促温热少雨，降水主要集中在7—9月，其间的降水量占全年的80%～90%，降水季节分配不均，年变化率大。主要灾害性天气有干旱、冰雹、寒流、大风及沙尘暴等[13]。沙漠化是浑善达克沙地面临的主要环境问题[14]。

2研究方法與数据来源

2.1防风固沙功能分析方法

在充分考虑气侯条件、植被覆盖状况、土壤可蚀性、土壤结皮、地表粗糙度等要素情况下，选用RWEQ模型评估研究区防风固沙量，其计算公式如下：

SR=2·z[]S2Qmax·e-（z/s）2;（1）

S=150.71×[WF×EF×SCF×K′×（1-C）-0.371 1];（2）

Qmax=109.8×[WF×EF×SCF×K′×（1-C）]。[JZ）]（3）

式中：SR表示防风固沙量（kg/m2）;Z表示地块长度（m）;s表示关键地块长度（m）;S表示区域防风固沙系数;Qmax表示风沙最大滞留量（kg/m）;C表示植被覆盖因子。

（1）气象因子（WF）计算公式如下：

WF=WE×ρ[]g×SW×SD;（4）

WE=u2×（u2-u1）2×Nd;（5）

SW=ETp-（R+I）（Rd/Nd）[]ETp。（6）

式中：WF表示气象因子;WE表示风场强度因子;ρ表示空气密度（kg/m3）;g表示重力加速度（m/s2）;SW表示土壤湿度因子;SD表示雪盖因子（无积雪覆盖天数/研究总天数），定义雪盖深度小于25.4 mm为无积雪覆盖[15];u2表示监测风速（m/s）;u1表示起沙风速（m/s）;Rd表示降雨次数和（或）灌溉天数;Nd表示计算周期天数;R表示平均降水量（mm）;I表示灌溉量（本研究取0）。对原修正风蚀方程模型（RWEQ模型）进行修正，起沙风速数据参考已有学者的起沙风速数据代替原模型中假设起沙风速（5 m/s）;模型气候风蚀因子中潜在蒸发量的计算采用更适合我国北方的辐射估算法（MK方法）[16]。

ETp=0.7×Δ[]Δ+γ×Rs[]λ;（7）

γ=1.013×10-3×P[]0.622×λ;（8）

λ=2.501-0.002 361×T;（9）

P=101×[JB（（]293-0.006 5h[]293[JB））]5.26;（10）

Δ=4 096×[JB（[]0.610 8×exp[JB（（]17.27×T[]T+273.3[JB））][JB）]][]（T+273.3）2。（11）

式中：ETp为潜在蒸发量（cm/d）;Rs表示太阳辐射量[MJ/（m2·d）];Δ 表示饱和水汽压与气温曲线的斜率（kPa/℃）;γ表示干湿表常数;λ表示蒸发的潜热系数;P表示大气压强（kPa）;T表示平均氣温（ ℃）;h表示海拔高度（m）。

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）提供的2000年、2010年国家台站数据，并应用地理分析软件ArcGIS运用自然邻域（natural neighbor）插值方法进行插值。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）提供的中国雪深长时间序列数据集[17-18]进行计算。起沙风速的数据参考文献[19-22]。

（2）土壤可蚀性因子（EF）计算公式如下：

[HT9.，8.]EF=29.09+0.31sa+0.17si+0.33（sa/cl）-2.59OM-0.95CC[]100。（12）

式中：EF表示土壤可蚀因子;sa表示土壤粗沙含量（%）;si表示土壤粉沙含量（%）;cl表示土壤黏粒含量（%）;OM表示有机质含量（%）;CC表示土壤中碳酸钙含量（%）。

（3）土壤结皮因子（SCF）计算公式如下：

SCF=1[]1+0.006 6（cl）2+0.021（OM）2。（13）

式中：SCF表示土壤结皮因子。

土壤颗粒含量和有机质含量数据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 ∶100万土壤图以及所附的土壤属性表[23]。

（4）地表粗糙度因子（K′）计算公式如下：

K′=cosα。（14）

式中：α表示地形坡度，依据地形图，利用ArcGIS软件Slope工具获得地形坡度。

（5）植被盖度因子（C）计算公式如下：

C=exp[JB（（]-α×NDVI[]β-NDVI[JB））]。（15）

式中：α、β为常数系数，其中α为2，β为1;NDVI为归一化植被指数。

2.2自然驱动力分析方法

以各要素（植被盖度、气候因子、土壤可蚀性、地表粗糙度）数据计算结果为基础，基于地理信息再编码叠加分析方法，将各指标分别划分为4个等级并重置代码赋值，代码赋值依据不同要素所处组合代码位数不同，同一要素内对土壤风蚀影响程度较大的赋值较大的原则，通过空间叠加方法进行处理。结合2000年、2010年数据进行叠加分析，再对各区域主导因素进行分类[10]，得到浑善达克防风固沙功能区自然影响要素组合列表（表1）。

2.3经济社会驱动力分析方法

本研究综合浑善达克防风固沙功能区内15个县（旗）的年统计指标，通过主成分分析法、聚类分析方法从经济社会的角度分析该地区土地利用的社会驱动力，归纳关键因子[24]。

2.4生态修复模式识别模型

按照防风固沙功能变化，确定修复方向集，根据判定标准（表2），将研究区分为4类：重点治理区（G1）、调控治理区（G2）、预防治理区（G3）、维护治理区（G4）。

在明确防风固沙功能修复程度空间分区基础上，根据自然因素、社会经济因素影响重要性分级，明确每一修复区域防风固沙功能降低驱动的主导因素（表3）。

3结果与分析

3.1基于防风固沙功能修复分区

依据防风固沙功能计算模型，计算2000年、2010年防风固沙量与变化数据，并运用ArcGIS对功能数据进行叠加分析，分析功能区内研究期间防风固沙功能大小与变化情况，根据表2指标标准，进行生态修复分区。由图1可知，重点治理区主要集中在功能区西部与东部地区，所占面积较大;调控治理区主要集中在功能区西部与中部地区，所占面积仅次于重点治理区;预防治理区重要分布在功能区南部以及北部局部地区，成为功能区调控治理区与维护治理区的缓冲区域;维护治理区主要集中在功能区南部边缘。

3.2自然与社会经济驱动要素空间分类划定

依照RWEQ模型计算的气候侵蚀力、土壤侵蚀力、植被盖度、地形因子等要素，应用重编码技术进行聚类分析，对防风固沙自然驱动力要素进行分析（图2）;同时利用社会影响驱动力因素划分社会驱动力影响因素分区（图3）。

由数据结果分析可知，研究期间防风固沙功能影响因素较多，经聚类分析，将防风固沙功能自然影响要素分为了四大组合类型，分别为S1：植被、土壤、地形影响因素组合;S2：植被、气候、地形影响因素组合;S3：植被、地形影响因素组合;S4：多因素共同影响组合。可见功能区防风固沙功能均受到植被要素和地形要素的影响，但各因素影响贡献有所不同。由图2可知，防风固沙空间分布图受植被覆盖度、气候侵蚀力、地形因素共同影响的区域面积较大，分布较广，功能区中部地区受到浑善达克沙地的影响，主要受到植被覆盖度、土壤侵蚀力、地形因素的共同影响。从图3中可见，功能区西部与中部大部分地区主要受到畜牧业发展水平驱动力的影响。

4防风固沙功能修复分区策略

4.1重点治理区

重点治理区面积较大，自然因素影响分布较为广泛，社会经济驱动力主要受到畜牧业发展水平的影响，如苏尼特右旗、苏尼特左旗、克什克腾旗、围场满族蒙古族自治区等部分地区。防风治沙重点应放在适应地区自然条件，包括土壤属性、气候因素在内的自然因素的调节，把畜牧业的发展与本地区自然条件相结合，寻求防止土壤风蚀扩展与畜牧业发展的平衡。宜用模式包括围栏封育、综合配套措施等修复模式，调整“进一退二还三”战略，把“退、还”放在突出位置，重点治理，加大退耕还林还草还牧力度。

4.2调控治理区

调控治理区主要分布在功能区中部地区，主要受到植被覆盖度以及功能区中部浑善达克沙地土壤特性的影响，社会经济驱动力主要受到畜牧业发展水平的影响，如阿巴嘎旗、镶黄旗、正镶白旗、正蓝旗、多伦县等部分地区。该区防沙治沙的重点在于进一步固定流沙。建立林网固沙体系，形成片林、林带、林网相结合、多层次、多功能的固沙防护结构。科学规划适宜种植密度和种植结构，引用先进技术综合管理，合理利用水资源，改善关键区域植被盖度，提高区域防风固沙能力。

4.3预防治理区

预防治理区主要分布在功能区中部地区，主要受到植被覆盖度以及多种自然因素共同的影响，社会经济驱动力主要受到经济发展水平的影响，如康宝县、太仆寺旗、正蓝旗等部分地区。该地区生态条件较好，以发展牧业为主，为了保证广大草牧场的可持续发展，坚持以水为重点、以草为中心，实行农林牧综合开发建设模式，在寻求改善牧场环境的基础上，力争提高产草量，促进畜牧业的发展。在防风治沙工作的基础上，恢复和建设草场植被，发展畜牧业，使天然草原的载畜量得到合理控制，走上生态畜牧业的道路。

4.4维护治理区

维护治理区防风固沙功能较好，自然条件主要受植被覆盖度影响，社会经济驱动力主要受到投入产出强度水平的影响，如张北县、尚义县、沽源县、丰宁满族自治县等地区。维护治理区应在维护区域植被盖度的同时，因地制宜地，采用较成熟的生态理论模式发展如“水、草、林、机、粮（料）”五配套综合治理措施;发展“四位一体”庭院生态经济，以庭院为单位充分利用太阳能、沼气。

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