顏華茹, 王讓會(huì), 寧虎森, 彭 擎, 周 露, 李 成
(1.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院, 江蘇 南京 210044; 2.江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044; 3.新疆林業(yè)科學(xué)研究院 造林治沙研究所, 新疆 烏魯木齊 830011)
荒漠化是由于干旱少雨、植被破壞、大風(fēng)吹蝕、流水侵蝕、土壤鹽漬化等因素造成的大片土壤生產(chǎn)力下降或喪失的自然(非自然)現(xiàn)象。荒漠化程度的加深會(huì)影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,造成較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,損害社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。根據(jù)全球氣候變化預(yù)測(cè),未來(lái)干旱半干旱區(qū)面積將繼續(xù)擴(kuò)展[1]。因此,如何有效的進(jìn)行荒漠化地區(qū)的防治和相應(yīng)的損害賠償,成了十分嚴(yán)峻的問(wèn)題。
新疆維吾爾自治區(qū)地處亞歐大陸腹地,受全球氣候變化的影響較大,旱澇災(zāi)害日趨嚴(yán)峻[2]。風(fēng)蝕荒漠化問(wèn)題在塔里木河流域極為突出,流域東部生態(tài)脆弱。在具有頻繁人為干擾的干流區(qū)域處于荒漠化敏感區(qū)[3]。人口壓力大,水資源利用低效[4],抑制了塔里木河生態(tài)功能的恢復(fù),加速了綠洲外圍荒漠化過(guò)程的發(fā)展[5]。在人工綠洲類(lèi)型和濕地類(lèi)型比例較高的地區(qū),沙漠化程度較低[6],說(shuō)明生態(tài)輸水對(duì)塔里木河下游植被恢復(fù)和沙漠化逆轉(zhuǎn)起到了明顯的作用[7],但生態(tài)輸水帶來(lái)的逐年加劇的人為干擾,導(dǎo)致干流濕地的保護(hù)與破壞共存[8]。
《生態(tài)環(huán)境損害賠償制度改革方案》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《方案》)中強(qiáng)調(diào),到2020年,力爭(zhēng)在全國(guó)范圍內(nèi)初步構(gòu)建責(zé)任明確、途徑暢通、技術(shù)規(guī)范、保障有力、賠償?shù)轿弧⑿迯?fù)有效的生態(tài)環(huán)境損害賠償制度。而中國(guó)的賠償性項(xiàng)目在產(chǎn)權(quán)明確,責(zé)任實(shí)現(xiàn),執(zhí)行效率,有效性,可持續(xù)性等方面落后于國(guó)外[9]。實(shí)施生態(tài)賠償是實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與社會(huì)公平的重要途徑,也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[10]。目前的相關(guān)賠償研究多圍繞海洋生態(tài)[11]、水污染[12]等事件展開(kāi),對(duì)荒漠化的賠償大多是政策的研究[13],而缺乏荒漠化的損害賠償方法和具體措施的研究,因此對(duì)塔里木河流域荒漠化的生態(tài)損害賠償研究是有必要的。研究利用2010,2015年MODIS MOD13A1及MCD43A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品,綜合利用遙感及GIS空間分析技術(shù),分析塔里木河干流荒漠化差值指數(shù)及土壤風(fēng)蝕程度,在計(jì)算土壤風(fēng)蝕程度的基礎(chǔ)上,從沙塵清理費(fèi)用、土壤肥力流失損害價(jià)值、農(nóng)田經(jīng)濟(jì)損害價(jià)值方面進(jìn)行當(dāng)?shù)負(fù)p害賠償?shù)挠?jì)算,以期為解譯塔里木河生態(tài)損害的信息及流域生態(tài)的恢復(fù)和改善提供相應(yīng)參考。
研究劃定區(qū)域?yàn)橹袊?guó)科學(xué)院環(huán)境資源數(shù)據(jù)平臺(tái)發(fā)布的(http:∥www.resdc.cn/)中國(guó)三級(jí)流域空間分布數(shù)據(jù)中的塔里木河干流區(qū)域(81°1′—81°34′E,38°60′—41°9′N(xiāo)),總面積約3.40×104km2。塔里木河干流全長(zhǎng)1 321 km,為中國(guó)第一大內(nèi)陸河,是當(dāng)?shù)厮Y源的主要來(lái)源。區(qū)域內(nèi)降雨稀少,是典型的大陸性暖溫帶極端干旱氣候,植被覆蓋度低,河道作為荒漠河岸林的主要水源控制植被的空間分布和結(jié)構(gòu)[14],由于水資源匱乏,使得大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱。
MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品已在全球各地區(qū)的荒漠化研究中得到了廣泛應(yīng)用,研究使用MODIS歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation Index,NDVI),MOD13A1-NDVI-16d產(chǎn)品,和地表反照率(Albedo)MCD43A3-Albedo日值產(chǎn)品,空間分辨率均為500 m×500 m。以合成植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13A1提取的2010,2015年NDVI數(shù)據(jù)和地表反照率產(chǎn)品MCD43A3提取的Albedo數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,數(shù)據(jù)行帶號(hào)為h24v04和h24v05,數(shù)據(jù)來(lái)源為美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)數(shù)據(jù)下載地址為:https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/。利用MRT(MODIS reprojection tool)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用最大值合成法(maximum value composite, MVC)提取研究區(qū)NDVI數(shù)據(jù)集,用最小合成法提取研究區(qū)Albedo數(shù)據(jù)集。風(fēng)速數(shù)據(jù)由當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁?/p>
土地荒漠化類(lèi)型有風(fēng)蝕荒漠化、水蝕荒漠化、鹽漬化荒漠化、凍融荒漠化等,研究主要考慮風(fēng)蝕對(duì)荒漠化的影響。
根據(jù)Albedo與NDVI之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,利用沙漠化差值指數(shù)模型[15],構(gòu)建沙漠化差值指數(shù)(DDI),并分析塔里木河沙漠化的狀況。
基于上述認(rèn)識(shí),利用ArcGIS 10.2平臺(tái),提取研究區(qū)2010年和2015年歸一化處理后的NDVI和Albedo的值。以NDVI值為自變量,Albedo值為因變量,構(gòu)建Albedo-NDVI特征空間(見(jiàn)圖1),取AC邊構(gòu)建二者之間的線性回歸方程(公式1),最后根據(jù)線性回歸方程的系數(shù)a以及Albedo,NDVI構(gòu)建荒漠化差值指數(shù)(DDI)的計(jì)算模型(公式2)。

圖1 Albedo-NDVI 空間特征
Albedo=a×NDVI+b
(1)
DDI=k×NDVI-Albedo
(2)
a×k=-1
(3)
式中:Albedo,NDVI均已做歸一化處理;a為特征函數(shù)的系數(shù); DDI為沙漠化差值指數(shù);k為Albedo和NDVI特征空間擬合直線斜率(a)的倒數(shù)。
荒漠化災(zāi)害與植被防風(fēng)固沙能力息息相關(guān),風(fēng)蝕也是造成荒漠化變嚴(yán)重的原因之一,因此,生態(tài)損失主要從防風(fēng)固沙損害考慮。
1.4.1 風(fēng)蝕輸沙率計(jì)算 研究采用應(yīng)用較廣的用Bagnold公式(4)[16]與Lettau公式(5)[17]分別計(jì)算輸沙率后取平均值(6)。即:
(4)
(5)
(6)
式中:q為風(fēng)蝕輸沙率(g/cm·s);C1,C2為系數(shù),分別為1.8,4.2;d為沙粒粒徑,取0.025 cm[18];D為標(biāo)準(zhǔn)沙粒粒徑,取0.025 cm;ρ為空氣密度,取0.001 25 g/cm3;g為重力加速度,取980 cm/s2;U*為摩阻風(fēng)速(cm/s);U*t為臨界起沙風(fēng)速(cm/s)。下同。
根據(jù)戚隆溪等[19]的研究,摩阻風(fēng)速與風(fēng)速的關(guān)系為:
U*=0.050 7×U
(7)
式中:U為當(dāng)?shù)? m高處的風(fēng)速(m/s)。
臨界起沙風(fēng)速由Bagnold公式(8)[16]計(jì)算:
(8)
式中:A為系數(shù),取0.1;ρs為沙粒密度,取2.6 g/cm3,可得U*t=22.8 cm/s。它對(duì)應(yīng)的起沙風(fēng)速為4.5 m/s。因此,選取2 m高處最大風(fēng)速大于4.5 m/s的風(fēng)速取平均值并將最大風(fēng)速大于4.5 m/s的天數(shù)記為起沙天數(shù)。
1.4.2 防風(fēng)固沙量損害估算 風(fēng)蝕深度的估算采用土壤風(fēng)蝕模型式[20]:
(9)
式中:h為風(fēng)蝕深度(cm);M為坡長(zhǎng)(m);α為坡度;t為風(fēng)速大于4.5 m/s的時(shí)間(d)。下同。
通過(guò)計(jì)算塔里木河干流地區(qū)不同荒漠程度的地區(qū)的風(fēng)蝕量與非荒漠化地區(qū)風(fēng)蝕量作差作為塔里木河干流區(qū)域不同荒漠程度的地區(qū)的損害固沙量。即:
Q=ρa(bǔ)·(hw-hs)
(10)
式中:Q為單位面積年風(fēng)蝕量(t/km2·a);hw為不同程度荒漠化地區(qū)風(fēng)蝕深度(cm);hs為非荒漠化地區(qū)風(fēng)蝕深度(cm);ρa(bǔ)為沙物質(zhì)密度,此處取1.27 g/cm3,為當(dāng)?shù)赝寥廊萘縖21]。下同。
Gi=Q·Si
(11)
式中:Gi為不同荒漠化程度地區(qū)估算年損害固沙量(t/a);Q為單位面積年風(fēng)蝕量〔t/(km2·a)〕;Si為不同荒漠化程度地區(qū)面積(km2),i=1,2,3,4,分別對(duì)應(yīng)不同荒漠化程度。
1.5.1 沙塵清理費(fèi)用計(jì)算
V1i=C·Gi
(12)
式中:V1i為不同程度荒漠化地區(qū)沙塵清理的費(fèi)用(元);C為單位重量沙塵清理費(fèi)用或沙塵造成的經(jīng)濟(jì)損失(元/t),采用工業(yè)粉塵排污收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)150元/t。
1.5.2 土壤肥力損害估算
(13)
式中:V2i為不同荒漠化程度地區(qū)土壤肥力損害價(jià)值(元/a);j=1,2,3 分別代表N,P,K;Sj為土壤中j類(lèi)養(yǎng)分的含量(%);Pj為化肥市場(chǎng)價(jià)格(元/t);Kj為化肥中j類(lèi)養(yǎng)分的含量(%);Pc為有機(jī)質(zhì)市場(chǎng)價(jià)格(元/t);Sc為土壤中有機(jī)質(zhì)的含量(%)。下同。
研究區(qū)土壤中全氮含量0.002 6%,全磷含量0.236 3%,全鉀含量2.026%,有機(jī)質(zhì)含量0.054 7%[21];尿素、過(guò)磷酸鈣和氯化鉀3種化肥中,N,P,K所占比例分別為46%,27%,52%?;逝c有機(jī)質(zhì)的市場(chǎng)價(jià)格以2015年的平均零售價(jià)計(jì):尿素約1 573元/t,過(guò)磷酸鈣約700元/t; 氯化鉀化肥約3 250元/t;有機(jī)質(zhì)約360元/t。
1.5.3 農(nóng)田經(jīng)濟(jì)損失估算
V3i=B·Gi/(H·ρ×10 000)
(14)
式中:V3i為不同荒漠化程度地區(qū)農(nóng)田經(jīng)濟(jì)損失價(jià)值(元/a);B為土地的年平均收益〔元/(km2·a)〕;H為土壤層厚度(m);ρ為土壤容重(g/cm3)。土地年均收益取13 945元/(km2·a)[22],土壤層厚度按當(dāng)?shù)仄骄寥篮穸?.689 m計(jì),土壤容重為1.27 g/cm3[21]。
1.5.4 不同荒漠化損害程度地區(qū)總經(jīng)濟(jì)價(jià)值賠償計(jì)算
(15)
式中:Vi為不同荒漠化程度損害賠償金額(元);α為權(quán)重系數(shù);P為貼現(xiàn)率,考慮到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展等因素,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)賠償時(shí),貼現(xiàn)率定位5%。
權(quán)重系數(shù)取該荒漠化土地類(lèi)型占總荒漠化土地面積的比例(見(jiàn)表1)。

表1 不同荒漠化類(lèi)型權(quán)重
2010年,由公式(1)—(3)計(jì)算后得:
Albedo=-0.140 0×NDVI+0.318 3
(R2=0.803 7)
(16)
DDI=7.143×NDVI-Albedo
(17)
2015年,由公式(1)—(3)計(jì)算后得:
Albedo=-0.167 7×NDVI+0.304 1
(R2=0.810 8)
(18)
DDI=5.963×NDVI-Albedo
(19)
對(duì)2010,2015年流域DDI的計(jì)算結(jié)果按自然間斷點(diǎn)分類(lèi)法分為5類(lèi),將分級(jí)結(jié)果進(jìn)行空間化表達(dá)(見(jiàn)圖2)。觀察圖2可知,研究區(qū)大面積的極度荒漠化和強(qiáng)度荒漠化土地呈板塊狀或片狀分布在流域中下游,少部分分布在上游區(qū)域,源頭荒漠化狀況較良好。

圖2 2010,2015年塔里木河流域不同程度荒漠化分布
利用轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)學(xué)模型表達(dá)2010,2015年不同類(lèi)型荒漠化土地的空間演化特征,得到2010—2015年塔里木河干流上游的荒漠化程度面積轉(zhuǎn)移矩陣(見(jiàn)表2),整體改變情況如圖3所示。
由圖3可知,2010—2015年期間,研究區(qū)土地荒漠化惡化的區(qū)域較少,零散分布,而土地荒漠化改善的區(qū)域則集中分布在塔里木河沿岸地區(qū)。觀察表2可知,研究區(qū)轉(zhuǎn)入主要發(fā)生在“極度荒漠化”向“強(qiáng)度荒漠化”的轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移面積2 542.69 km2;轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在“強(qiáng)度荒漠化”向“中度荒漠化”的轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移面積為1 739.87 km2。研究區(qū)中高度等級(jí)荒漠化土地轉(zhuǎn)出面積均高于轉(zhuǎn)入面積,由此表明,生態(tài)輸水和一系列的政策對(duì)荒漠化改善有正效應(yīng)。將干流上游放大,可較為明顯地觀察到荒漠化程度有改善(見(jiàn)圖4)。

圖3 2010-2015年塔里木河干流上游荒漠化土地變化分布特征
本研究所使用的氣象站點(diǎn)記錄的風(fēng)速數(shù)據(jù)為10 m高度,而在公式(7)中所使用的風(fēng)速為2 m 高度處的風(fēng)速,且與公式(8)—(9)時(shí)間對(duì)應(yīng)。因此,在計(jì)算風(fēng)蝕量時(shí)用下式對(duì)風(fēng)速進(jìn)行換算。
(20)
式中:U2為2 m高處風(fēng)速(m/s);Uz為高度z處風(fēng)速(m/s);z為風(fēng)速計(jì)高度(m)。
將公式(20)的結(jié)果帶入公式(4)—公式(11)計(jì)算得:極度荒漠化地區(qū)損害固沙量4.49×105t/a;強(qiáng)度荒漠化地區(qū)損害固沙1.33×105t/a;中度荒漠化地區(qū)損害固沙量3.72×104t/a;輕度荒漠化地區(qū)損害固沙量2.04×104t/a。

表2 2010-2015塔里木河干流上游荒漠化變化矩陣 km2

圖4 2010,2015年塔里木河干流上游荒漠化程度對(duì)比
將計(jì)算所得的損害固沙量帶入公式(12)—(15),得到2015年塔里木河干流上游不同荒漠化地區(qū)對(duì)應(yīng)的沙塵清理?yè)p害價(jià)值、農(nóng)田經(jīng)濟(jì)損失價(jià)值、保持土壤肥力損害價(jià)值。詳細(xì)結(jié)果如表3所示。

表3 塔里木河干流上游荒漠化地區(qū)經(jīng)濟(jì)賠償方案
從表3可以看出,主要的損害賠償集中在極度荒漠化地區(qū),這是由于研究區(qū)極度荒漠化面積占比較大,所需要的賠償相應(yīng)增加。在各程度的荒漠化損害中,沙塵清理?yè)p害價(jià)值與土壤肥力損害價(jià)值所占比重較大。
在貼現(xiàn)率5%的情況下,極度荒漠化地區(qū),經(jīng)濟(jì)賠償2.77×106元;強(qiáng)度荒漠化地區(qū),經(jīng)濟(jì)賠償3.72×105元;中度荒漠化地區(qū),經(jīng)濟(jì)賠償約6.06×104元;輕度荒漠化地區(qū),經(jīng)濟(jì)賠償約2.14×104元,總賠償金額為3.23×106元,符合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平。
由NDVI-Albed特征空間分布可以看出,植被蓋度較高的地區(qū)荒漠化程度較低,地表反照率較低,植被的減少也會(huì)導(dǎo)致荒漠化的進(jìn)一步惡化,與前人研究一致[23]?;哪钪抵笖?shù)(DDI)相較用單一植被指數(shù)衡量荒漠化程度精度更高,適用于荒漠化的監(jiān)測(cè)[24]。
防風(fēng)固沙量的準(zhǔn)確估算是進(jìn)行荒漠風(fēng)蝕損害損害賠償?shù)幕A(chǔ)。對(duì)此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究,提出了諸多估算模型。但是,由于風(fēng)蝕過(guò)程復(fù)雜,影響因素繁多,使得風(fēng)蝕量無(wú)法精確估算,自然條件難以精準(zhǔn)模擬且野外測(cè)定也有一定的困難。除了風(fēng)蝕模型本身的缺陷,中國(guó)氣象站數(shù)據(jù)為10 m高處風(fēng)速,研究計(jì)算時(shí)使用的2 m高處風(fēng)速是用《中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX/T 81-2007》提供的校正方式校正得到,因缺乏實(shí)地風(fēng)速的檢測(cè)與校正,與真實(shí)值相比存在一些偏差;公式中使用的沙粒粒徑為前人研究所得,在計(jì)算過(guò)程中缺乏當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)。在今后的研究中,可增加實(shí)地勘測(cè),以提高測(cè)算的準(zhǔn)確性。
荒漠有多種地表形態(tài),生態(tài)功能繁多,而不同的植被覆蓋也對(duì)荒漠地表有不同的防護(hù)功能[25]。本研究選取了防風(fēng)固沙損害價(jià)值估算,定量地進(jìn)行了沙塵清理、農(nóng)田經(jīng)濟(jì)損失、土壤肥力損害的計(jì)算。受研究方法、技術(shù)手段的限制,防風(fēng)固沙功能中對(duì)減少蒸發(fā),降溫產(chǎn)生的價(jià)值難以計(jì)算,且未考慮由于荒漠化引起的氣候變化、植被退化的生態(tài)賠償,這些價(jià)值的核算還有待于之后的發(fā)現(xiàn)與研究。
與流域生態(tài)恢復(fù)治理工程不同,生態(tài)賠償機(jī)制應(yīng)是國(guó)家、地方、區(qū)域、行業(yè)多層次組成的綜合性賠償體系,可通過(guò)公眾參與機(jī)制,發(fā)揮公眾對(duì)政府、企業(yè)等的監(jiān)督作用,進(jìn)一步完善流域內(nèi)行政考核獎(jiǎng)懲制度,以確保生態(tài)賠償機(jī)制作用的有效發(fā)揮[26]。以政府為主體,包含對(duì)流域生態(tài)恢復(fù)與改善有所貢獻(xiàn)的公民、企業(yè)或其他組織,增加“受益者付費(fèi)”和“損害者付費(fèi)”原則。流域資源的開(kāi)發(fā)利用者作為受益者,應(yīng)履行生態(tài)補(bǔ)償義務(wù)[27],對(duì)受益者征收一定的稅費(fèi),作為生態(tài)賠償?shù)馁Y金?!皳p害者付費(fèi)”對(duì)環(huán)境污染者(公民、法人和其他組織)采取排污收費(fèi)措施,以利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。此外,流域需要通過(guò)建立公共監(jiān)督體系,在生態(tài)修復(fù)、生態(tài)保護(hù)等方面發(fā)揮積極作用。
自2000年以來(lái),塔里木河流域先后實(shí)施了一系列保護(hù)生態(tài)的重大項(xiàng)目,這些生態(tài)恢復(fù)工程有效保護(hù)了塔里木河流域生態(tài)系統(tǒng),遏制了荒漠化的惡化,整體改善了流域荒漠化狀況。今后,塔里木河流域在繼續(xù)實(shí)施生態(tài)恢復(fù)工程的同時(shí),應(yīng)做到因地制宜,這樣才能加速生態(tài)恢復(fù),實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)和諧發(fā)展。
研究通過(guò)建立NDVI和Albedo的空間關(guān)系,解譯了塔里木河干流區(qū)域土地荒漠化信息,利用土壤風(fēng)蝕模型估算了不同荒漠化地區(qū)損害固沙量,并進(jìn)行相應(yīng)生態(tài)損害賠償計(jì)算。
(1) 2010—2015年,研究區(qū)整體荒漠化狀況有所緩解,中度及以上的荒漠化土地面積出現(xiàn)不同程度的下降,主要發(fā)生在“強(qiáng)度荒漠化”向“中度荒漠化”的轉(zhuǎn)移。
(2) 研究區(qū)2015年不同荒漠化土地的損害固沙量分別為:極度荒漠化地區(qū)4.49×105t/a;強(qiáng)度荒漠化地區(qū)1.33×105t/a;中度荒漠化地區(qū)3.72×104t/a;輕度荒漠化地區(qū)2.04×104t/a。
(3) 2015年,在貼現(xiàn)率5%的情況下,極度荒漠化地區(qū),經(jīng)濟(jì)賠償2.77×106元;強(qiáng)度荒漠化地區(qū),經(jīng)濟(jì)賠償3.72×105萬(wàn)元;中度荒漠化地區(qū),經(jīng)濟(jì)賠償約6.06×104元;輕度荒漠化地區(qū),經(jīng)濟(jì)賠償約2.14×104元,總賠償金額為3.23×106元,符合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平,證明了本賠償模式的可行性。