基于規劃目標的京津風沙源治理區生態保護與修復效應

黃 麟,吳 丹,孫朝陽

1 中國科學院地理科學與資源研究所中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室, 北京 100101 2 生態環境部南京環境科學研究所, 南京 210042 3 國家氣候中心, 北京 100081

21世紀初,連續多次揚沙和沙塵暴天氣橫掃我國華北和部分華東地區[1-3]。沙塵策源地位于蒙古共和國中南部、內蒙古中東部和河北北部[4-6],這些區域廣布草地、沙地和旱作耕地,氣候變化與人類活動導致植被退化、沙丘活化,為沙塵暴大面積發生提供了豐富的沙塵來源[7]。春季地面回暖解凍、地表裸露,多細沙塵土,大風時在本地及風過境地帶形成沙塵天氣[8]。風速變化直接影響沙塵暴,冬季地面風速越大,來年春季沙塵暴就越多,反之沙塵暴就越少[9]。此外,沙塵天氣的發生很大程度上受大風和降水的時空配合[10]。近十幾年,全球變暖導致亞洲大陸中緯度地區冬季風明顯減弱[11-13],加之各類生態工程,植被有所恢復,風沙天氣和沙塵暴天氣減少,沙塵天氣的強度和頻度顯著下降[14-17]。

為減輕京津地區風沙危害,2003年啟動了京津風沙源治理一期工程,投入資金412億元[1]。針對京津風沙源治理區生態環境變化開展了大量研究,分析了區域植被覆蓋變化[18-21]、沙化土地動態[22-23]、沙塵天氣變化[13]、植被覆蓋變化對生態系統防風固沙服務[24]以及沙塵天氣的影響[16]等。聚焦京津風沙源治理工程,分析了工程對于土壤風蝕控制[25]、土壤有機碳[26]的影響,評價京津風沙源治理工程的生態成效[27-29]或綜合效益[30-33]。研究表明,工程區沙化土地得到一定程度的治理與修復[34-36],流動沙丘得到初步治理[37],生態環境總體有所好轉[38]。人工植被恢復速度快、短期成效顯現,然而,構建的人工植物群落結構較為單一、穩定性較差,生態系統的發展和維持不具可持續性[36,39],人工固沙植被大面積退化,局部地區生態惡化趨勢沒有從根本上扭轉,造林作為半干旱區草地退化和沙化治理的恢復手段具有局限性[40-41]。

京津風沙源治理區作為我國北方地區重要的生態屏障、國家生態修復環境改善示范區[42]和京津冀協同生態環境治理關鍵地帶,凸顯了京津風沙源治理工程的重要性[34,39]。為了鞏固一期工程成效,進一步改善京津地區生態環境,解決沙塵策源區風沙危害嚴重、人工固沙植被退化等問題,2013年啟動了京津風沙源治理二期工程,規劃投入878億元。近十幾年來,京津風沙源治理工程是否取得了預期的生態效果？京津風沙源治理區生態狀況如何變化？哪些措施產生了正面作用,哪些不利于工程規劃目標的實現？本研究結合站點觀測、遙感監測、模型模擬等方法,分析京津風沙源治理區宏觀生態狀況變化,揭示氣候變化、植被覆蓋、土壤風蝕、沙塵天氣等相互作用關系,進一步基于工程規劃目標評估京津風沙源治理工程的生態保護與修復效應。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

京津風沙源治理一期工程(2003—2012年)涉及北京、天津、河北、山西及內蒙古等5個省域的75個縣域[1],工程區總人口1958萬人,總面積45.8萬km2,沙化土地面積10.1萬km2。一期工程分為4個治理區,即北部草原沙化治理區、渾善達克沙地治理區、農牧交錯地帶沙化土地治理區和燕山丘陵山地水源保護區。二期工程(2013—2022年)包括一期工程范圍,并增加陜西省部分縣域,共涉及6個省域的138個縣域[38](圖1)。

圖1 京津風沙源治理一期與二期縣域分布范圍Fig.1 The project regions of the first-stage and second-stage of the Beijing-Tianjin San Sources Control Project (BTSSCP)

1.2 數據收集與處理

風速與沙塵天氣數據：從國家氣象科學數據共享服務平臺(http://data.cma.cn/)收集并整理了2003—2017年京津風沙源治理區范圍內143個氣象臺站的風速與沙塵、揚塵、浮塵天氣日數。分析每個站點的春季起沙風速(>5.0 m/s)[43]、年沙塵日數、年揚塵日數、年浮塵日數的變化趨勢,劃分為極明顯減少、明顯減少、輕微減少、無明顯變化、輕微增加、明顯增加、極明顯增加等7種變化程度。

土地利用與土地覆蓋變化數據：基于劉紀遠等[44]土地利用與土地覆被變化解譯方法,以陸地衛星TM/ETM+遙感圖像為信息源,結合中巴資源衛星、環境小衛星圖像數據,經圖像精校正和拉伸處理后,通過人工解譯獲得治理區2003年、2012年和2017年土地利用類型及2003—2012年、2012—2017年土地利用變化數據,土地利用類型分為林地、草地、耕地、沙地和其他。利用野外調查資料和高分GF—1、GF—2號圖像進行統一質量檢查和精度驗證,類型綜合評價精度達到90%以上。

植被覆蓋度數據：收集2003—2017年治理區1 km空間分辨率、16天時間分辨率的MODIS歸一化植被指數(NDVI)數據,通過格式轉換、重投影、拼接、重采樣和S—G濾波處理,采用最大合成法(MVC)得到連續時間序列的半月NDVI數據。根據像元二分模型理論,認為一個像元的NDVI值是由綠色植被部分貢獻的信息與無植被覆蓋部分貢獻的信息組合而成,利用NDVI計算半月尺度的植被覆蓋度,根據如下公式估算得到：

(1)

式中,FC為植被覆蓋度,NDVIveg是純植被像元的NDVI值,NDVIsoil是完全無植被覆蓋像元的NDVI值,依據1 km柵格百分比土地利用類型數據確定純植被和完全無植被覆蓋的像元。

采用最小二乘法分析植被覆蓋度的年際變化趨勢,計算公式為：

(2)

式中,i為2003年到2017年的年序號,某柵格像元的趨勢線是這個像點的FC值用一元線性回歸模擬出來的一個總的變化趨勢,slo即這條趨勢線的斜率,斜率為正,說明此像元植被覆蓋度在該時間段的變化趨勢是增加,反之則是減少。

1.3 土壤風蝕模數估算方法

土壤風蝕模型是開展大時空尺度土壤風蝕研究的必要手段,如WEQ、RWEQ、WEPS、TEAM、風蝕預報與風蝕量統計模型等。在充分考慮氣候條件、植被狀況、地表土壤的粗糙度、土壤可蝕性、土壤結皮的情況下,本文利用修正的土壤風蝕方程(RWEQ)估算區域尺度土壤風蝕模數[45-46]。

(3)

Qmax=109.8(WF·EF·SCF·K′·COG)

(4)

式中,Mw表示土壤風蝕模數,x表示地塊長度,Qx表示x處的沙通量(kg/m),Qmax表示風力的最大輸沙能力(kg/m),s表示關鍵地塊長度(m)。WF表示氣象因子,EF表示土壤可蝕性成分因子,SCF表示土壤結皮因子,K′表示土壤糙度因子,COG表示植被因子。K′反映地表對風速減弱作用及對風沙活動的影響,即粗糙度反映了地表抗風蝕的能力,其大小取決于地表粗糙元的性質,通過文獻參數整理得到草地、沙地、農田等類型的土壤糙度因子值。COG為枯萎植被、直立殘茬和生長植被覆蓋的土壤流失比率的乘積。

(5)

式中,WS2為2 m處風速(m/s),WSt為2 m處臨界風速,風速數據源自中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn),采用克里金插值為空間分布數據；N為風速觀測次數(一般500次),由于日均風速數據達不到500次,且濾掉了瞬間高風速,使得估算結果偏小,為此采用郭中領等[47]的降尺度方法提高風速數據時間分辨率；Nd為試驗天數；ρ為空氣密度(kg/m3),g為重力加速度(m/s2)；SW為無量綱的土壤濕度因子；SD為雪覆蓋因子,即計算時段內積雪覆蓋深度大于25.4 mm的概率,利用中國西部環境與生態科學數據中心(http://westdc.westgis.ac.cn)的雪深長時間序列數據集來計算。

(6)

(7)

式中,Sa為土壤砂粒含量,Si為土壤粉砂含量,Cl為土壤粘土含量,OM為有機質含量,CaCO3為碳酸鈣含量。土壤顆粒含量和有機質含量數據源于中國西部環境與生態科學數據中心(http://westdc.westgis.ac.cn)的中國土壤特征數據集,土壤碳酸鈣含量源于地球系統科學數據共享服務網(http://www.geodata.cn)的全國1∶400萬土壤碳酸鈣含量分布。估算結果利用已發表基于地面測定的京津風沙源治理區范圍內風蝕模數[48-50]進行驗證。

利用生態系統防風固沙服務量(Sw)衡量生態系統防風固沙能力,即極度退化狀態與實際地表覆蓋條件土壤風蝕量的差值[51]。

Sw=SS-ST

(8)

式中,ST表示極度退化狀態下的潛在土壤風蝕量,SS表示實際地表覆蓋條件下的現實土壤風蝕量。

1.4 基于工程規劃目標的生態保護與修復效應評估

京津風沙源治理一期工程主要目標[1]：通過保護現有植被、封沙育林,飛播造林、人工造林、退耕還林、草地治理等生物措施和小流域綜合治理等工程措施,使工程區可治理的沙化土地得到基本治理,生態環境明顯好轉,風沙天氣和沙塵暴天氣明顯減少,從總體上遏制沙化土地的擴展趨勢,使京津周圍生態環境得到明顯改善。

二期工程第一階段目標[39]：到2017年,工程區林草植被總量進一步增加,沙化土地治理取得明顯成效,有效控制沙化土地擴展趨勢,生態環境有所改善,京津地區沙塵天氣進一步減少；基本實現草畜平衡；工程區農牧民收入穩步增加、生產生活條件明顯改善。

針對京津風沙源治理工程的規劃目標,本文將通過回答如下幾個問題,從土地利用類型、植被覆蓋度、防風固沙量、風沙和沙塵天氣、氣候與人類活動驅動因素等方面,分別評估過去10年(2003—2012年)一期工程和近5年(2013—2017年)二期工程第一階段的生態保護與修復效應：(1)京津及華北北部地區的綠色生態屏障是否初步構成？(2)京津風沙源治理工程是否有效地遏制了沙化土地的擴展趨勢？(3)綠色生態屏障是否發揮防風固沙效應？(4)風沙天氣和沙塵天氣是否明顯減少？

2 結果與分析

2.1 京津風沙源治理區綠色生態屏障建設效果

京津風沙源治理區綠色生態屏障主要由草地和林地構成,其中典型草原與荒漠草原是該區的主體生態系統。2017年,草地面積占治理區各類生態系統總面積的57.3%,林地占9.7%。近15年間,京津風沙源治理一期工程區范圍內,由于工程造林措施的實施,草地面積減少1305.4 km2,而林地面積增加275.3 km2。京津風沙源治理二期工程新增區域內,草地減少1488.7 km2,而林地增加1246.1 km2(表1)。由耕地轉為林地主要發生在京津風沙源治理區東部和南部,特別是山西、河北的北部及其與內蒙古交界的農牧交錯帶；由草地轉林地多發生在京津風沙源治理區東南部,特別是山西、山西與內蒙古交界區域(圖2)。

表1 2003—2017年京津風沙源治理區土地利用類型面積統計/km2

BTSSCP: 京津風沙源治理項目

圖2 2003—2017年京津風沙源治理區土地利用類型變化與植被覆蓋度變化時空分布Fig.2 The variations of land use change and vegetation coverage from 2003 to 2017 in the region of BTSSCP

2003—2017年,京津風沙源治理區植被覆蓋度平均提高了2.3%。林地平均植被覆蓋度由84.2%提高到88.5%,其中,原有林地的植被覆蓋度由85.3%提高到89.6%,新增林地的植被覆蓋度由70.3%提高到74.1%,分別比工程實施前提高了4.3%和3.8%。草地平均植被覆蓋度由44.7%提高到46.1%。林地和草地植被覆蓋度分別比工程實施前提高了4.3%和1.4%。就治理區而言,全區植被狀況趨好(圖2b),約占總面積63%的植被覆蓋度提高。近15年,從植被覆蓋度年際變化趨勢來看(表2),大部分區域有所上升,特別是轉草地和轉林地區域。近5年,農牧交錯地帶沙化土地治理區、轉草地區域、耕地的植被覆蓋度則相對地有所下降。

表2 2003—2017年京津風沙源治理區植被覆蓋度變化/(%/a)

2.2 京津風沙源治理區沙化土地治理效果

京津風沙源治理區沙化土地面積4.5萬km2,占治理區各類生態系統總面積的6.4%,其中一期工程區沙地面積1.5萬km2,占比3.2%,二期工程新增區域的沙地面積3.1萬km2,占比12.5%。沙化土地主要分布在科爾沁沙地、渾善達克沙地、毛烏素沙地、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠等(圖3)。2003—2012年,京津風沙源治理一期工程區范圍內,沙地面積減少了42.03 km2。2012—2017年,京津風沙源治理一期工程區范圍內沙地面積減少了205.9 km2,二期工程新增區域內沙地面積減少1217.8 km2(表1),說明治理區沙化土地面積的擴展趨勢有所遏制。沙地轉草地主要發生在內蒙古陰山山麓、烏蘭布和沙漠、渾善達克沙地(圖3)。

圖3 京津風沙源治理區2017年沙化土地與2003—2017年沙化土地變化時空分布Fig.3 The distributions of sandy land in 2017 and it′s variations from 2003 to 2017 in the region of BTSSCP

2.3 京津風沙源治理區綠色生態屏障的防風固沙效應

2003—2017年,在沙塵天氣發生的春季,京津風沙源治理區的土壤風蝕量由5.21億t減少至2.56億t,減少幅度為54%。近十幾年,京津風沙源治理一期工程區的土壤風蝕模數在大部分區域皆有所減少(表3),綠色生態屏障發揮了防風固沙作用,特別是北部草原沙化治理區和渾善達克沙地治理區；二期工程區的土壤風蝕模數以減少為主,特別是陰山山麓與烏蘭布和沙漠(圖4)。在防風固沙服務總量的貢獻中,草地、沙地和轉草地的土壤風蝕模數減少速率最大(表3),由草地和沙地生態系統貢獻71%,耕地貢獻8.8%,林地6.6%,其他生態系統0.8%。就各類生態系統防風固沙服務而言,占主體地位的草地和沙地生態系統植被恢復,對京津風沙源治理區生態系統防風固沙服務的提高發揮了最為重要的作用。綜上所述,觀測分析數據說明京津風沙源治理一期工程初步遏制了風沙危害加劇的趨勢。除治理區植被有所恢復外,由于氣候變暖,一期工程10年間,京津風沙源治理區的風場強度有所減弱。其中,沙塵天氣易發生的春季,風場強度減弱近45%(圖4),也是影響京津風沙源區風蝕量下降的一個重要原因。

表3 2003—2017年京津風沙源治理區土壤風蝕模數變化統計/(t hm-2 a-1)

2.4 京津風沙源治理區風沙天氣和沙塵天氣變化

2003—2017年,京津風沙源治理區約33%站點的風速減小,60%站點的風速明顯增大,其余無明顯變化(圖4)。近15年,沙塵天氣日數呈現自西向東、自北向南逐漸遞減的規律,其中,內蒙古部分地區為沙塵天氣發生頻率最高區域,而京津地區則表現為極明顯或明顯減少(圖5)。揚塵天氣日數呈現出極明顯或明顯減少趨勢,特別是內蒙古部分地區,京津地區則表現為無明顯變化(圖5)。浮塵天氣日數亦呈現自西向東、自北向南逐漸遞減的規律,其中,內蒙古部分地區和北京表現為明顯增加或極明顯增加,而河北大部分地區則表現為極明顯或明顯減少(圖5)。

圖5 2003—2017年京津風沙源治理區沙塵、揚塵、浮塵天氣日數變化Fig.5 The variation trends of dust, raise dust, floating dust weather frequencies from 2003 to 2017 in the project region of BTSSCP

3 討論與結論

3.1 結論

本文對京津風沙源治理區生態系統變化的監測結果顯示：

(1)過去15年,京津風沙源治理一期工程區和二期新增工程區的草地、耕地、沙地面積減少,而林地和其他類型面積增加。治理區植被覆蓋度平均提高了2.3%,其中,林地植被覆蓋度比工程實施前提高了4.3%,草地植被覆蓋度提高了2.4%。沙塵天氣發生的春季,京津風沙源治理區的土壤風蝕量減少了54%。上述結果說明,京津風沙源治理一期工程初步遏制了風沙危害加劇的趨勢。

(2)在防風固沙服務總量的貢獻中,草地、沙地和轉草地的土壤風蝕模數減少速率最大,其中草地和沙地貢獻了71%。因此,占主體地位的草地生態系統植被恢復,對京津風沙源區生態系統防風固沙服務的提高發揮了最為重要的作用。

(3)除治理區植被有所恢復外,由于氣候整體變暖,近15年京津風沙源治理區的風場強度有所減弱。其中,沙塵天氣易發生的春季,風場強度減弱近45%,也是影響京津風沙源治理區風蝕量下降的一個重要原因。

3.2 討論

京津風沙源治理一期工程采取了行之有效的生態保護與修復措施,加之區域氣候變化的影響,風沙危害加劇的趨勢得到了初步遏制。但是,該區域仍有大面積退化和沙化草地有待持續治理,渾善達克等沙地生態系統仍十分脆弱,初步形成的有效治理模式有待堅持和推廣,治理區生態保護與社會經濟發展的矛盾較為突出。因此,二期工程滾動實施過程中需要注意,對京津冀地區構成重大威脅的沙塵災害源于可以治理的退化草地和耕地,以內蒙古中部和河北省北部的退化草地、撂荒耕地及旱作耕地為主,而不是難以治理的天然沙漠和戈壁。因此,退化草原和沙地是京津風沙源治理工程的主體,工程經費投入的側重點應該轉移到現有草地和沙地的保護與恢復上來,堅持“保護優先、自然恢復為主”的原則,有效地抑制影響京津地區的主要沙塵來源,形成京津冀地區的綠色生態屏障。