防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務的評估與受益區識別

徐 潔, 肖 玉, 謝高地, 王洋洋, 江 源, 陳文輝

1 北京林業大學自然保護區學院, 北京 100083 2 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101 3 中國科學院大學資源與環境學院, 北京 100049 4 北京師范大學地理科學學部, 北京 100875 5 浙江農林大學信息工程學院, 臨安 311300 6 浙江省林業智能監測與信息技術研究重點實驗室, 臨安 311300

2010年12月國務院正式發布關于印發全國主體功能區規劃的通知,按照生態脆弱性和生態重要性兩個指標,劃定了涵養水源、保持水土、防風固沙、生物多樣性維護4種類型25個國家重點生態功能區。其中,防風固沙型重點生態功能區主要指沙漠化敏感性高、土地沙化嚴重、沙塵暴頻發并影響較大范圍的區域,其沙塵暴影響范圍涉及華北、東北及周邊的國家和地區[1-2]。因此,防風固沙服務的跨區流動效應顯著,防風固沙型重點生態功能區的防風固沙服務功能提升對中國和東北亞地區的人類福利和社會經濟發展具有重要的保障作用[3]。

防風固沙服務是生態系統植被對風沙的抑制和固定作用[4],是風蝕地區自然生態系統提供的一項重要防護型服務,為區域生產生活的可持續發展創造條件。退耕(牧)還林(草)、控制放牧強度、禁止開礦等生態工程建設都是主要的防風固沙措施。這些措施的實行限制了當地社會經濟的發展,降低了當地居民的經濟收入,增加了區域的發展機會成本,實際上這部分損失應該由防風固沙服務的受益區來補償。但是已有的補償措施主要集中在中央政府轉移支付等縱向的生態補償,如京津風沙源治理工程、三北防護林建設等,缺少區域間的生態補償政策。區域間生態補償的關鍵在于建立補償方(生態系統服務受益區)與受償方(生態系統服務供給區)的空間對應關系。但是已有的防風固沙型重點生態功能區研究主要集中在防風固沙服務功能的評估[5- 8]、生態系統變化狀況分析[9]、土地利用格局演變特征的分析[10]、生態安全評價[11]等方面。很少涉及防風固沙服務的跨區流動分析,因而不能界定防風固沙服務的受益區范圍,難以建立防風固沙服務功能與受益區之間的時空對應關系。

防風固沙服務功能的評估是防風固沙服務流動分析的基礎,可以通過風力侵蝕模型計算植被引起的風蝕減少量獲得。目前修正風蝕方程(Revised Wind Erosion Equation,RWEQ)得到廣泛應用,其綜合考慮了氣候條件、植被覆蓋狀況、土壤可蝕性、土壤結皮、地表粗糙度、社會驅動力等因素,具有簡單的模擬過程和較少的輸入參數,可用于識別風蝕區域、評估風蝕風險[12]。國內學者通過參數修正和公式調整將該模型應用到我國的風蝕評估工作中[13- 17]。防風固沙服務的受益區識別可以通過模擬沒有防風固沙服務條件下(裸露地表下)沙塵的擴散影響范圍獲得,防風固沙服務的存在避免了該部分沙塵由沙塵源區(防風固沙服務供給區)流向沙塵沉降區(防風固沙服務受益區),受益區沙塵沉降量的減少是防風固沙服務效應的最直觀體現。已有的沙塵流動路徑模擬模型多為空氣質量模型,主要有天氣預報模式(The Weather Research and Forecasting Model,WRF)[18]、全球環境多尺度模型(Global Environmental Multiscale,GEM)[19]、通用多尺度空氣質量模型(Community Multiscale Air Quality,CMAQ)[20]、混合單粒子拉格朗日積分軌跡模型(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory,HYSPLIT)[21]等。其中WRF、GEM、CMAQ模型模擬精度較高,但是需要氣象學、流體力學等專業知識背景,且對氣象、沙塵源等數據精度的要求過于苛刻,可操作性低,不適用于生態系統服務擴散的跨學科研究領域。HYSPLIT模型可操作性較強,是由美國國家海洋和大氣管理局(the National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)的空氣研究實驗室(Air Research Laboratory,ARL)研發的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業模型,已經被廣泛地應用于多種污染物的擴散研究[22- 24],包括沙塵[25- 27]、苯[28-29]、火山噴發[30]、PM2.5[31-32]、霾污染[33]等的擴散模擬。

為了消除轉移支付政策對防風固沙型重點生態功能區的影響,更為客觀地評價防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務的跨區流動效應,本研究選取主體功能區規劃正式實施之前的2010年為節點,基于RWEQ模型評估2010年防風固沙型重點生態功能區的防風固沙量,基于HYSPLIT模型模擬各個防風固沙型重點生態功能區的防風固沙服務流動路徑,識別出各個功能區防風固沙服務的受益區范圍,在此基礎上得到整個防風固沙型重點生態功能區的防風固沙服務流動路徑和受益區范圍,建立防風固沙型重點生態功能區的防風固沙服務功能量及其受益區的時空聯系,為防風固沙型重點生態功能區的區域間生態補償政策制定提供科學的參考依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區

防風固沙型重點生態功能區包括塔里木河荒漠化防治生態功能區(38.14×104km2,以下簡稱塔里木)、阿爾金草原荒漠化防治生態功能區(33.70×104km2,以下簡稱阿爾金)、陰山北麓草原生態功能區(9.68×104km2,以下簡稱陰山)、渾善達克沙漠化防治生態功能區(16.74×104km2,以下簡稱渾善達克)、科爾沁草原生態功能區(11.12×104km2，以下簡稱科爾沁)、呼倫貝爾草原草甸生態功能區(4.49×104km2,以下簡稱呼倫貝爾),均位于我國北方的干旱、半干旱地區(圖1),風沙活動頻繁,屬于沙塵活動的沙源區,易對區域生態環境產生較大影響。

圖1 防風固沙型重點生態功能區分布及其2010年土地覆被類型Fig.1 Distribution of the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type in China and its land cover types in 2010防風固沙型重點生態功能區代碼說明：TLM：塔里木河荒漠化防治生態功能區;AEJ：阿爾金草原荒漠化防治生態功能區;YS：陰山北麓草原生態功能區;HSDK：渾善達克沙漠化防治生態功能區;KEQ：科爾沁草原生態功能區;HLBR：呼倫貝爾草原草甸生態功能區

1.2 研究方法1.2.1 防風固沙服務功能量的評估

當風經過地表時,會受到來自植被的阻擋,使得風力減弱,風蝕量降低,由植被作用引起的風蝕減小量為防風固沙服務功能量,用潛在風蝕量與實際風蝕量的差值表示。潛在風蝕量指沒有植被的裸土條件下的土壤風蝕量,實際風蝕量指現實中地表植被覆蓋條件下的土壤風蝕量。

(1)

Qrmax=109.8·(WF·EF·SCF·K′)

(2)

Sr=150.71·(WF·EF·SCF·K′)-0.3711

(3)

(4)

Qmax=109.8·(WF·EF·SCF·K′·C)

(5)

S=150.71·(WF·EF·SCF·K′·C)-0.3711

(6)

SR=SLr-SL

(7)

式中,SLr表示潛在風蝕量(kg/m2)；Qrmax表示潛在風力的最大輸沙能力(kg/m)；Sr表示潛在關鍵地塊長度(m)；SL表示實際風蝕量(kg/m2)；Qmax表示風力的最大輸沙能力(kg/m)；S表示關鍵地塊長度(m)；SR表示防風固沙量(kg/m2)；z表示所計算的下風向距離(m),本次計算取50 m；WF為氣候因子(kg/m)；EF為土壤可蝕性百分比(%)；SCF為土壤結皮因子(無量綱)；K′表示土壤糙度因子(無量綱)；C表示植被因子(無量綱)。

其中,氣候因子WF表征了在考慮降雨、溫度、日照及雪蓋等因素下風力對土壤顆粒的搬運能力,其計算公式如下：

WF=Wf·(ρ/g)·SW·SD

(8)

Wf=u2·(u2-u1)2·Nd

(9)

式中,WF為氣象因子(kg/m)；Wf為風力因子(m/s3)；g為重力加速度(m/s2)；ρ為空氣密度(kg/m3)；SW為土壤濕度因子(無量綱)；SD為雪蓋因子(無積雪覆蓋天數/研究總天數,定義雪蓋深度<25.4 mm為無積雪覆蓋)；u1為2 m處起沙風速,本次計算取5 m/s[13,14,34]；u2為氣象站2 m處月均風速值(m/s)；Nd為各月2 m處日均風速大于5 m/s的天數[13]。

土壤濕度因子SW的表達式如下：

(10)

式中,ETo為潛在蒸散發量(mm),利用彭曼公式計算得到,P為降水量(mm),I為灌溉量(mm),本文計算取0[35],Rd為降雨次數,N為試驗天數。

土壤可蝕性因子EF是一定土壤理化條件下土壤受風蝕影響的大小,其表達式如下：

(11)

式中sa為土壤砂粒含量(%)；si為土壤粉砂含量(%)；cl為土壤粘粒含量(%)；OM為土壤有機質含量(%)；CaCO3為碳酸鈣含量(%),本次計算取0[13]。采用對數正態分布模型進行土壤粒徑轉化[34]。對于土壤數據庫中部分土壤類型的屬性值缺失情況,采用相近土壤類型的屬性值進行替代(附表)。

土壤表層的堅硬結皮能有效防止風蝕的發生。土壤結皮因子SCF即在一定土壤理化條件下土壤結皮抵抗風蝕能力的大小,其表達式如下：

(12)

式中cl為土壤粘粒含量(%)；OM為土壤有機質含量(%)。

植被覆蓋因子C表示一定植被條件對風蝕的抑制程度,其表達式如下：

C=e-0.0483(SC)

(13)

SC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(14)

式中,SC為植被覆蓋度(%),NDVI、NDVImax、NDVImin分別代表NDVI實際值、最大值及最小值。

地表糙度K′是地形所引起的地表粗糙程度對風蝕影響的反映,其表達式如下[35]：

K′=cosα

(15)

式中,α為坡度,由1 km的DEM數據經過ArcGIS的slope模塊計算得到。

1.2.2防風固沙服務空間流動路徑模擬

防風固沙服務是一項防護型服務,假設防風固沙型重點生態功能區內沒有植被覆蓋或其他固沙措施,全部為沙化土地或沙漠,一旦當地風速高于起沙風速,則沙塵將向下風向擴散,對下風向區域造成損害。因此,為了確定防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務的受益區范圍,首先需要明確防風固沙型重點生態功能區在風速高于起沙風速時的氣團運行軌跡[36]。起沙風速受土壤粒徑、土壤水分、地表粗糙度、土壤含鹽量等因素影響[37-39]。不同地區土壤沙粒的起沙風速存在較大差異,根據已有文獻梳理出各個防風固沙型重點生態功能區代表站點的起沙風速(表1),分別篩選出各站點風速高于起沙風速的時間點,從而模擬相應時間點的氣團擴散路徑。

表1 防風固沙型重點生態功能區代表站點的平均起沙風速

Table 1 The average threshold wind velocity of the selected stations in the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type

功能區代碼Code站點名稱Station地理坐標Geographic coordinates平均起沙風速Average threshold wind velocity/(m/s)觀測高度Observation height/m位置和文獻來源Location and sourceHLBR新巴爾虎右旗(48.67°N, 116.82°E)6.0010—12(氣象站風速觀測高度)中國北方干旱、半干旱地區[40]KEQ扎魯特(44.57°N, 120.90°E)HSDK蘇尼特左旗(43.85°N, 113.63°E)5.472渾善達克[41]YS烏拉特中旗(41.57°N, 108.52°E)5.650.6內蒙古自治區武川縣[42]AEJ若羌(39.03°N, 88.17°E)52塔里木盆地[43]TLM塔什庫爾干(37.77°N, 75.23°E)4.62塔中[44]

在風速篩選的基礎上,利用HYSPLIT模型模擬沙塵擴散的后向軌跡[21]。HYSPLIT模型使用拉格朗日法計算氣團軌跡,假設空氣中的粒子隨風飄動,那么它的移動軌跡就是其在時間和空間上位置矢量的積分,最終的位置由初始位置和第一次推測位置的平均速率得到。本研究將防風固沙型重點生態功能區對應的6個代表氣象站點(表1)分別作為HYSPLIT模型模擬的起始點,模擬各站點風速在高于起沙風速時的氣團5日后向擴散路徑,之后將各站點路徑合并得到防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務的空間流動路徑。

1.2.3防風固沙服務受益區識別

沙塵天氣的減少是防風固沙服務最直接的效益。沙塵天氣的危害主要包括[45,46]：(1)風沙流吹蝕或磨蝕耕地土壤,造成根系外露、農作物受損；(2)風沙流搬運沙粒沉積掩埋灌渠、居民區、工礦、道路等基礎設施,加劇土地沙化；(3)與沙塵暴相伴的強風破壞公共設施、工農業設施、樹木和花果,傷害人畜；(4)沙塵暴導致大氣顆粒物濃度增加,對人體健康造成損害；(5)風沙流向海洋輸送和沉降,對海洋中營養鹽的供給和海洋生態系統造成影響。因此,防風固沙的效益包括：(1)防止人體健康受損；(2)防止交通、通訊、電力、工礦、建筑、灌渠等設施受損；(3)防止耕地受損；(4)防止草場和牲畜受損；(5)防止果園及其他森林受損；(6)防止海洋生態系統破壞；(7)緩解沙漠化的出現與惡化。對應的受益區包括：(1)人類活動區域,如建設用地、耕地、草地、林地、水域與濕地等土地覆被類型；(2)基礎設施分布區域,如建設用地、內陸水體、濕地等；(3)耕地；(4)草地；(5)林地；(6)海域；(7)沙地和裸地。

基于HYSPLIT模型模擬生成的多條軌跡,利用HYSPLIT的頻率分布模塊插值生成1°×1°柵格的軌跡分布頻率圖,柵格軌跡分布頻率計算方法為：

(16)

式中,pi為第i個柵格風沙軌跡分布頻率；Li為第i個柵格風沙軌跡通過數；L為起始點的風沙總軌跡數。每個柵格內的數值為通過該柵格的軌跡分布頻率。插值范圍即為防風固沙型重點功能區防風固沙服務的受益區范圍,受益區內的林地、草地、耕地、建設用地、內陸水體、濕地、沙地和裸地等即為防風固沙服務的受益土地覆被類型。

1.3 數據來源

為評估防風固沙服務及其受益區范圍,本研究需要以下數據：

(1)氣象數據：用于計算土壤濕度和氣象因子的氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)的國家臺站數據(圖2),包括日均風速、最大風速、降水、平均溫度、最高溫度、最低溫度、平均相對濕度、日照時數等數據。用于模擬防風固沙服務前向運行軌跡的數據包括風速數據、NCEP再分析資料。風速數據為2010年1月1日0：00到12月31日18：00的1小時內10分鐘最大風速,時間間隔為6小時,數據來源為華云信息技術工程有限公司(http://www.huaxin-hitec.com/)。NCEP再分析資料是從NOAA的ARL獲取的2010年1月至2011年1月每日6小時的GBL資料,空間水平分辨率為2.5°×2.5°。(2)土壤數據：來源于第二次全國土地調查中國科學院南京土壤研究所提供的1∶100萬土壤數據,用于計算可蝕性因子與土壤結皮因子。(3)雪蓋數據來源于旱區寒區科學數據中心(http://westdc.westgis.ac.cn)下載的“中國雪深長時間序列數據集(1979—2016年)”,空間分辨率為0.25°。(4)土地覆被數據：來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)的2010年土地覆被數據,空間分辨率為1 km。(5)數字高程模型(DEM)：來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為30 m。(6)NDVI數據：來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://www.gscloud.cn)2010年的月尺度數據,空間分辨率為250 m。(7)防風固沙型重點生態功能區范圍：利用1∶100萬全國縣域數據和2010年《全國主體功能區規劃》中國家重點生態功能區名錄生成。

圖2 防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務評估相關國家氣象站點的空間分布Fig.2 Spatial distribution of the selected national weather stations used to evaluate the wind erosion prevention service by the ecosystems in the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type in China

2 結果與分析

2.1 防風固沙型重點生態功能區的防風固沙服務功能評估

圖3 2010年防風固沙型重點生態功能區防風固沙量空間分布格局Fig.3 The spatial pattern of wind erosion prevented amount of the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type in China in 2010

從各個防風固沙型重點生態功能區的防風固沙總量來看,2010年渾善達克的防風固沙總量最高,可達1.91×1012kg,其次為科爾沁(1.38×1012kg)、塔里木(0.79×1012kg)、陰山(0.73×1012kg)、阿爾金(0.54×1012kg)、呼倫貝爾的防風固沙總量最低,為0.20×1012kg。從單位面積防風固沙量來看,2010年科爾沁的單位面積防風固沙量最高,可達12.51 kg/m2,其次為渾善達克(11.49 kg/m2)、陰山(7.61 kg/m2)、呼倫貝爾(4.86 kg/m2)、塔里木(2.17 kg/m2),阿爾金的單位面積防風固沙量最低,為1.72 kg/m2。2010年防風固沙型重點生態功能區的防風固沙總量為5.55×1012kg,平均單位面積防風固沙量為6.72 kg/m2。從空間分布來看(圖3),科爾沁南部、渾善達克中部和西北部、陰山中部的單位面積防風固沙量相對較高,塔里木西南部、阿爾金南部、呼倫貝爾的單位面積防風固沙量相對較低。劉璐璐等[6]基于RWEQ模型計算得到2000—2010、2010—2015年防風固沙型重點生態功能區年均防風固沙總量分別為12.52×1012kg、9.19×1012kg,年均單位面積防風固沙量為4.52 kg/m2、3.32 kg/m2。黃麟等[7]基于RWEQ模型計算得到2010年防風固沙型重點生態功能區平均單位面積防風固沙量為7.35 kg/m2,陰山、渾善達克、科爾沁的單位面積防風固沙量相對較高,分別為12.49 kg/m2、12.23 kg/m2、11.69 kg/m2,呼倫貝爾、阿爾金、塔里木的單位面積防風固沙量相對較低,分別為5.17 kg/m2、2.10 kg/m2、0.38 kg/m2。雖然防風固沙型重點生態功能區的劃分范圍因數據源和年限的不同有所差異,但是本研究的防風固沙量評估結果介于以上兩者之間,具有可比性。

2.2 防風固沙型重點生態功能區的防風固沙服務空間流動路徑分析

2010年各防風固沙型重點生態功能區的代表站點均有1460條每六小時的風速觀測記錄,渾善達克、呼倫貝爾、塔里木、陰山、科爾沁、阿爾金分別有194、183、141、109、73、55條風速記錄超過當地起沙風速,分別對應194、183、141、109、73、55條防風固沙服務流動路徑(圖4)。從防風固沙服務流動路徑的空間分布來看,塔里木和阿爾金的流動路徑屬于西北路徑和偏西路徑,西北路徑部分隨西北風向東南方向移動,后隨氣旋收縮北上轉向東北方向移動,偏西路徑則主要向偏東方向移動[47],兩者主要流經中國境內地區,包括中國西北、華北、東北的小部分地區,在境外主要涉及俄羅斯遠東地區、朝鮮半島、日本等地。陰山、渾善達克、科爾沁、呼倫貝爾的防風固沙服務流動路徑方向相似,均屬于偏北路徑,一般起源于蒙古國烏蘭巴托以南的廣大地區,主要影響西北地區東部、華北和東北的大部分區域[47],其跨境效應明顯,境外主要流經朝鮮半島、日本、俄羅斯遠東地區,甚至會影響到美國阿拉斯加和菲律賓等東南亞地區。渾善達克、呼倫貝爾的路徑分布密度相對較高。基于各個功能區防風固服務流動路徑的空間疊加得到防風固沙型重點生態功能區的防風固沙服務流動路徑(圖4),共有755條。整體來看,路徑集中分布在中國的西北、華北、東北的廣大區域,境外主要涉及朝鮮半島、日本、俄羅斯遠東地區和北太平洋的廣大海域,路徑密度隨著下風向傳輸距離的增加而降低。

2.3 防風固沙型重點生態功能區的防風固沙服務受益區識別

根據防風固沙服務流動路徑的空間插值得到2010年各重點生態功能區的受益區范圍及路徑分布頻率(圖5)。從各個功能區來看,2010年呼倫貝爾的受益區面積最大,高達15.71×106km2,其次為渾善達克(15.66×106km2)、科爾沁(13.25×106km2)、陰山(11.50×106km2)、塔里木(8.64×106km2),阿爾金的受益區面積最小,為6.18×106km2。其中中國境內受益區占比最大的為阿爾金,占阿爾金受益區總面積的76.14%,其次為塔里木(57.05%)、陰山(33.10%)、渾善達克(20.74%)、科爾沁(15.68%)、呼倫貝爾(15.41%)。境內受益區總面積最大的為塔里木,占中國總面積的51.37%,其次為阿爾金(49.00%)、陰山(39.66%)、渾善達克(33.82%)、呼倫貝爾(25.21%)、科爾沁(21.65%)。從防風固沙服務流動路徑的分布頻率來看,各個功能區的防風固沙服務流動路徑集中分布在路徑分布頻率低于2%的受益區內(表2)。防風固沙服務流動路徑越密集,受益的防風固沙服務流動效應就越高。從防風固沙服務受益高頻區域的空間分布來看(圖5),塔里木的主要位于新疆西南部地區,阿爾金的主要位于新疆東南部、青海西北部地區,陰山的主要位于陰山東北部地區,包括內蒙古中部、京津冀地區西南部、山西北部,渾善達克的主要位于渾善達克東北部地區、遼寧與吉林西部地區,科爾沁的主要位于科爾沁沙地東南部與吉林、遼寧的邊界地區,呼倫貝爾的集中在內蒙古東北部地區、吉林西部、黑龍江西南部。綜合來看,各功能區防風固沙服務受益區范圍內的受益頻率均呈現明顯的圈層狀遞減特征。將各個功能區的受益區范圍進行疊加,得到防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務的受益區范圍(圖5),總面積為32.16×106km2,86.26%的受益區范圍內的受益頻率低于2%。受益高頻地區主要位于新疆西南部、內蒙古中部地區、京津冀、東北地區西部、山西北部地區,并以此為中心呈圈層狀遞減。

表2 2010年防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務受益區路徑分布頻率統計/(106km2)

Table 2 The areas of the service beneficiary areas (SBAs) of the wind erosion prevention service (WEP) by the ecosystems in the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type (NKEFZ-WSF) in China in 2010 analyzed by frequency of trajectories

防風固沙服務流動路徑分布頻率Frequency of flow paths各防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務受益區面積Areas of the SBAs of the WEP of each NKEFZ-WSF in ChinaTLMAEJYSHSDKKEQHLBR防風固沙型重點生態功能區受益區面積Areas of the SBAs of the WEP of the entire NKEFZ-WSF in China<2%5.80 3.16 7.71 10.41 7.23 10.97 27.74 2%—5%1.92 1.23 2.20 3.49 3.94 3.13 3.29 5%—10%0.50 1.09 0.95 1.26 1.75 1.07 0.99 10%—20%0.31 0.48 0.44 0.42 0.28 0.42 0.12 20%—30%0.06 0.11 0.13 0.05 0.03 0.07 0.03 ≥30%0.06 0.11 0.07 0.03 0.04 0.05 0.00 總面積Total area8.64 6.18 11.50 15.66 13.25 15.71 32.16

防風固沙型重點生態功能區代碼說明：TLM：塔里木河荒漠化防治生態功能區;AEJ：阿爾金草原荒漠化防治生態功能區;YS：陰山北麓草原生態功能區;HSDK：渾善達克沙漠化防治生態功能區;KEQ：科爾沁草原生態功能區;HLBR：呼倫貝爾草原草甸生態功能區

圖5 2010年防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務受益區分布Fig.5 Service beneficiary areas of the wind erosion prevention service by the ecosystems in the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type in China in 2010

綜合受益區范圍內的防風固沙服務受益頻率,海域及中國境外受益區的受益頻率較低,防風固沙服務的流動效應不明顯,因此本研究僅對中國境內陸地部分受益區的防風固沙服務流動效應進行分析。2010年防風固沙型重點生態功能區的境內受益面積為7.76×106km2,受益草地的占比最大,占境內受益區總面積的31.12%,占中國草地總面積的80.30%,主要位于防風固沙服務流動路徑分布頻率低于0.5%的受益區范圍內(表3),基本涵蓋了全國主要的草地分布區,包括內蒙古呼倫貝爾草原和錫林郭勒草原、新疆伊犁草原、西藏那曲高寒草原(圖6)。其次為未利用地,占境內受益區總面積的23.24%,占中國未利用地總面積的93.96%,主要位于西北荒漠區(圖6)。大部分受益荒漠的路徑經過頻率介于0.5%至1%(表3),防風固沙服務的存在能夠降低沙塵流動路徑經過荒漠區的頻率,從而減少荒漠區沙塵的擴散。受益耕地和林地的面積相當,分別占境內受益區總面積的19.73%、19.59%,分別占中國耕地和林地總面積的85.40%、67.48%。受益耕地主要位于路徑分布頻率在2%—5%的受益區范圍內,包括華北平原、東北平原、湖北的江漢平原、湖南的洞庭湖平原(圖6),涉及全國重要的糧食主產區。受益林地主要位于路徑分布頻率低于0.5%的受益區范圍內(表3),涉及我國東北地區、東南地區的主要林區(圖6)。受益水體和濕地的面積占境內受益區總面積的3.97%,占全國水體和濕地總面積的85.96%,主要位于路徑分布頻率低于0.5%的受益區范圍內(表3),涉及黃河、長江中下游水系、多數內陸湖泊等(圖6)。受益的建設用地雖然僅占境內受益區總面積的2.36%,但是占中國建設用地總面積的92.21%,主要位于路徑分布頻率介于2%和5%的受益區內(表3),基本涵蓋了全國主要的城市群(圖6)。由于建設用地承載著人類主要的生活、生產活動,該部分受益區對保障人類福祉具有重要意義,雖然在受益區中占比較小,但是受益的效益最為顯著。

圖6 2010年防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務受益土地覆被類型分布Fig.6 Spatial distribution pattern of the benefiting land cover of the wind erosion prevention service by the ecosystems in the national key ecological function zone of windbreak and sand fixation type in China in 2010

3 結論

本研究分析了轉移支付前(2010年)防風固沙型重點生態功能區防風固沙量的空間格局,從沙塵傳輸路徑的角度識別出各個防風固沙型重點生態功能區的防風固沙服務流動路徑與受益區范圍,進而得到整個防風固沙型重點生態功能區的防風固沙服務流動路徑、受益區范圍、受益的土地覆被類型,防風固沙服務功能效應通過流動路徑在受益區內得以實現。主要結論如下：(1)2010年防風固沙型重點生態功能區的防風固沙總量為5.55×1012kg,其中渾善達克的防風固沙總量最高,占34.36%。平均單位面積防風固沙量為6.72 kg/m2,其中科爾沁的單位面積防風固沙量最高,為12.51 kg/m2。(2)2010年防風固沙型重點生態功能區共有755條防風固沙服務流動路徑,主要流經中國的西北、華北、東北的廣大區域,朝鮮半島,日本,俄羅斯遠東地區和北太平洋的廣大海域,路徑密度隨著下風向傳輸距離的增加而降低。(3)2010年防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務的受益區面積為32.16×106km2,大部分受益區的受益頻率均低于2%,受益高頻地區主要位于新疆西南部、內蒙古中部地區、京津冀、東北地區西部、山西北部地區,并以此為中心呈圈層狀遞減。(4)2010年防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務的境內受益區面積為7.76×106km2,其中草地占比最大,其次為未利用地、耕地、林地,水體和濕地、建設用地的占比較小,但是受益建設用地占中國建設用地總面積的比例最高,高達93.96%,基本涵蓋了中國主要的城市群區域,防風固沙服務流動效益明顯。本研究能夠為防風固沙型重點生態功能區的區域間生態補償標準核算提供科學依據,對健全防風固沙型重點生態功能區生態補償機制、彌補轉移支付政策的不足具有重要的現實意義。

4 討論

本研究明確了防風固沙型重點生態功能區防風固沙服務的受益區范圍,主要位于東部經濟發展水平較高的地區,防風固沙服務流動為保障這些地區的經濟發展具有貢獻作用。防風固沙服務的維持與提升涉及防風固沙型重點生態功能區的多項生態保護政策,但是主要集中在國家政府的縱向生態補償,區域間生態補償機制缺乏。因此本研究中受益區范圍的確定有助于明確補償主體,制定區域間生態補償政策,彌補功能區中農牧民為保護植被、增強防風固沙服務而犧牲的發展機會成本,完善我國的生態補償制度。但是,本研究仍然存在一些不確定性和限制因素。(1)防風固沙服務量的計算中：沒有考慮不同土壤類型臨界起沙風速的差異；由于數據限制,風力因子計算使用的風速數據為月均尺度,“平滑化效應”導致防風固沙量的估算結果偏小[48]；地表糙度因子計算過程中忽略了地勢起伏變化的尺度效應。(2)起沙機制的簡化：假定只要在風速大于等于臨界起沙風速的條件下,有充足的沙源可供流動。然而沙塵的傳輸需要同時滿足以下三個條件：充足的沙源、強風和大氣的不穩定。沙塵的擴散機制復雜,不同粒徑的沙粒在傳輸過程中沉降的先后順序與多種因素有關,且沙塵的擴散與季節關系密切,不同季節的植被覆蓋度、土壤濕度等影響起沙的條件差異顯著,本研究均未作考慮。(3)氣象數據的空間異質性：由于數據的限制,采用距離各個防風固沙型重點生態功能區中心點最近的氣象站風速數據模擬各防風固沙型重點生態功能區的氣流運動,沒有考慮氣象數據的空間異質性,從而影響模擬結果的準確度。今后的研究中應結合實地觀測數據,提高防風固沙量的時空模擬精度,將沙塵流動過程的沉降、傳輸量計算與防風固沙量相結合,明確防風固沙服務流動的物質流過程,進一步建立防風固沙服務供給區與受益區之間服務流動的時空定量關系。同時,結合防風固沙服務的價值核算,確定防風固沙服務流動的價值流過程,建立防風固沙服務價值流與區域間生態補償之間的時空定量關系,為防風固沙服務的區域間生態補償提供更為直接的科學依據。