鄂爾多斯黃河流域荒漠生態系統防風固沙的功能價值評估

任 昱,魏春光,王彥廣,趙 政

(鄂爾多斯生態環境職業學院,內蒙古 鄂爾多斯 017010)

0 引言

鄂爾多斯荒漠化防治肩負著推動黃河流域生態保護、高質量發展、統籌推進山水林田湖草沙系統治理的重任。由于生態工程的特殊性,庫布其沙漠的經濟效益難以量化評價,已有研究主要從生態效益與社會效益兩個層面評價,不夠全面。生態工程實施后,應通過生態系統的服務功能來量化評價生態措施的價值,將生態效益、社會效益與經濟效益有機融合。近年來,生態系統服務研究逐步成為生態學領域研究的熱點,并作為科學術語逐漸被納入生態學及經濟生態學研究范疇。

以Costanza等為代表的學者認為,生態系統服務以生態系統的開放性為基礎和前提,是生態系統產品與生態系統功能的統一[1]。生態系統為人類提供各種資源及產品,在維持生態系統物質循環與能量流動的動態平衡等方面發揮無可替代的重要作用[2]。隨著對生態系統服務研究的逐漸深入,生態系統服務價值評估進一步受到重視。20世紀90年代起,生態系統服務價值評估不僅成為生態學領域研究者關注的熱點[1,3-5],且引起各類國際組織的高度重視。國內外學者針對不同類型的生態系統進行了生態系統服務價值評估核算,探究了生態系統服務價值評估的理論與方法。目前,學者在森林生態系統、草地生態系統方面開展的服務價值研究較多[6-11],而荒漠生態系統服務價值評估的相關研究仍處于探索階段,研究成果多見于定性描述,定量分析與系統性研究的成果較少,關于定量估算黃河流域荒漠生態系統防風固沙功能價值的研究更是鮮有報道。

風是荒漠生態系統風沙活動與沙物質輸移的主要外營力,風沙活動造成的風蝕搬運對荒漠生態系統的植被與土壤影響巨大,故防風固沙功能是荒漠生態系統提供的生態服務中最為突出的功能,主要表現為:增加荒漠植被覆蓋率,削減風速,降低風沙活動強度,減少土壤風蝕量,減輕強風沙活動所導致的工業、農業及交通業等方面的損害[12]。與荒漠生態系統提供的其他服務功能相比,防風固沙功能也是最直觀、最與眾不同的生態服務功能,荒漠生態系統良好的防風固沙服務也是進一步開展土壤保育、水文調控、固碳、生物多樣性及景觀游憩等服務評估研究的基礎。

本研究以位于鄂爾多斯黃河流域的庫布其荒漠生態系統流動沙地、半固定沙地及固定沙地為研究對象,評估其防風固沙功能價值,以期為科學認知與理解鄂爾多斯黃河流域荒漠生態系統提供參考。

1 研究區域概況

庫布其沙漠位于鄂爾多斯高原脊線北部,黃河中游南緣。沙帶東西長約400 km,東部寬15～20 km,西部寬約50 km。屬溫帶干旱、半干旱區,溫帶大陸性季風氣候,氣候干燥、降水稀少、晝夜溫差大,溫濕同期、光照充足、熱量豐富,風大沙多、風沙頻繁。沙丘類型以梁窩狀沙丘與灌叢沙堆為主,固定沙丘及半固定沙丘多分布于沙漠南緣。年平均日照時數為3138.7 h,年總輻射量為135.7 kcal/cm2,全年≥10℃積溫3197.4℃,光能利用潛力較大。年均降水量為311.8 mm,多集中于7～9月。全年主要風向為西風與西北風,全年平均風速在3.2～3.5 m/s。由于風沙活動頻繁,極易發生土壤風蝕。

庫布其沙漠土壤分布差異性較大,地帶性土壤以栗鈣土、棕鈣土與灰漠土為主。庫布其沙漠屬于荒漠與干旱草原的過渡帶,天然植被以沙蓬、蒙古蟲實、黑沙蒿、楊柴、檸條錦雞兒、沙柳、沙鞭及各種禾草等沙生植物為主。

2 評估方法

2.1 風蝕量的估算

研究區面積較大,故采用數學模型對水平單位風蝕量進行估算。選擇丁國棟建立的土壤風蝕模型:

(1)

(2)

(3)

Q=S·ρ∑hi

(4)

式中,D為沙丘前移的距離(m),q為某一級別風速下的輸沙率(g/cm·min),H為沙丘的高度(m)[公式(1)、(2)],ρ為干沙密度(g/cm3),L為背風坡長度平均值(m),α為背風坡坡角(°),M為沙丘迎風坡長度平均值(m),t為年內某一級別風速時間累計(min),H為年內某一級別風速的風蝕深度累積值(cm)[公式(3)],Q為年內風蝕總量(t),S為研究區面積(m2),hi為內風某一級別風速的年蝕深度累積值(cm)。

2.2 防風固沙物質量與價值量的估算

將公式(4)計算得出的風蝕量代入公式(5),估算荒漠生態系統防風固沙的物質量:

G固沙=A有植被(Q有植被-Q無植被)

(5)

式中,G固沙為年內研究區固沙物質量(t),A有植被為研究區植被覆蓋區面積(km2),Q有植被為植被覆蓋區單位面積輸沙量(t/km2·a),Q無植被為無植被覆蓋區單位面積輸沙量(t/km2·a)。

將公式(4)計算得出的風蝕量代入公式(6),估算荒漠生態系統防風固沙的價值量:

V固沙=C固沙·G固沙

(6)

式中,V固沙為荒漠生態系統防風固沙的總價值(元),C固沙為單位重量沙塵清理費用(元/t)。按照鄂爾多斯地區收費標準,本研究中沙塵清理費用依據工業粉塵排污收費標準150元/t進行估算。G固沙為年內防風固沙總量(t)。

根據庫布其荒漠生態系統分布及影響范圍,本研究的荒漠生態系統防風固沙價值量指標體系圍繞影響較大的農業、牧業與交通運輸業進行估算。根據相關研究結果,減少農田經濟損失價值、減少草地經濟損失價值、土壤營養元素保持價值采用市場價值法進行估算,減少泥沙淤積災害價值、減少交通運輸經濟損失價值采用替代工程法進行估算。

1)減少農田經濟損失價值:

V農田=B×G固沙÷(H×ρ×10 000)

(7)

式中,V農田為減少農田經濟損失價值(元/a),B為土地的年平均收益[元/(hm2·a)],G固沙為防風固沙量(t/a),H為土壤層厚度(m),ρ為土壤容重(g/cm3)。

土地年均收益按照2021年鄂爾多斯平均土地收益 12 000元/(hm2·a)計算,土壤層厚度取值鄂爾多斯平均土壤厚度0.25 m,土壤容重經測定為1.50 g/cm3。

2)減少草地經濟損失價值:

V草地=G固沙÷(H×ρ×10 000)×C×P

(8)

式中,V草地為減少草地經濟損失價值(元/a),G固沙為年內防風固沙總量(t/a),H為土壤層厚度(m),ρ為土壤容重(本研究以干沙容重代替土壤容重,下同)(g/cm3),C為草地單位面積的理論載畜量(只/hm2),P為羊的平均價格(元/只)。

土壤層厚度、土壤容重與公式(7)取值相同。鄂爾多斯草原為荒漠草原,單位面積的理論載畜量按1只/hm2計算,羊(山羊)的平均價格以2000元/只計。

3)土壤營養元素保持價值:

庫布其荒漠生態系統保持土壤養分為土壤對N、P及有機質養分的固定,采用市場替代法進行計算。

(9)

式中,V營養元素為保持土壤營養元素價值(元/a),G固沙為防風固沙量(t/a),N為荒漠土壤平均含氮量(%),P為荒漠土壤平均含磷量(%),M為荒漠土壤有機質含量(%),R1為磷酸二銨化肥含氮量(%),R2為磷酸二銨化肥含磷量(%),C1為磷酸二銨化肥價格(元/t),C2為有機質價格(元/t)。

研究區土壤中全氮含量0.002%,全磷含量0.084%,有機質含量 0.032%,磷酸二銨含氮量為18%,磷酸二銨含磷量為46%,磷酸二銨化肥價格3800元/t,有機質700元/t。

4)減少泥沙淤積災害價值:

V積沙淤積=G固沙×24%×C

(10)

式中,V減少泥沙淤積為減少泥沙淤積功能的價值(元/a),G固沙為防風固沙量(t/a),C為單位體積清淤成本(元/t)。

據相關資料,土壤侵蝕流失的泥沙中淤積比例取24%[13]。單位體積清淤成本按鄂爾多斯市相關收費標準2.5元/t計。

5)減少交通運輸經濟損失價值:

V交通運輸=G固沙÷ρ×C

(11)

式中,V交通運輸為減少交通運輸經濟損失的價值(元/a),G固沙為防風固沙量(t/a),ρ為土壤容重(g/cm3),C為單位清理流沙成本(元/m3)。

經野外測定,研究區干沙容重取值與公式(7)相同,單位清理流沙成本取值為鄂爾多斯市相關收費標準1.0元/m3。

3 估算結果

3.1 風速轉換

根據土壤風蝕估算模型可知,計算研究區年內風蝕量,首先需計算某一級別風速的累計時間。研究區內氣象站點只記錄10 m、12 m處的風速,而野外風速測定時風杯極限高度為2 m。故利用經驗公式將氣象站10 m處的風速轉換為2 m處風速:

V10=1.1V2+0.2

(12)

式中,V10為氣象站10 m高度處的風速(m/s),V2為2 m高度處的風速(m/s)。

根據觀測統計數據分析結果,研究區風沙活動多集中在每年的1～6月與10～12月,這兩個時段風速較大,風沙活動較為頻繁,土壤風蝕量較多。研究區的降水活動多集中于7～9月,這一時段荒漠植物生長旺盛,能夠有效降低風沙活動和土壤風蝕量,因此7～9月的風蝕量不計入全年風蝕量統計。詳見表1。

表1 研究區2021年風速累計Tab.1 Wind speed accumulation in the research area in 2021

3.2 固沙量估算

3.2.1 防風固沙物質量估算

利用自制積沙儀對研究區內典型流動沙丘、半固定沙丘與固定沙丘2 m處輸沙率進行野外測定。由公式(3)可知,沙物質密度即干沙容重。經測定,研究區的干沙容重為1.50 g/cm3,野外實測沙丘背風坡坡角值為30°,野外實測沙丘迎風坡平均長度取30 m。根據公式(3)計算不同風速下對應不同類型沙丘的輸沙率與風蝕深度,不同類型沙丘的輸沙率隨風速的增大而增加,固定沙丘輸沙率顯著低于半固定沙丘與流動沙丘(P<0.05)。隨著植被覆蓋率的增加,風蝕深度呈降低趨勢。研究區內典型流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘2021年累計風蝕深度分別為8.54 cm、4.75 cm、0.52 cm。經計算,庫布其沙漠流動沙丘、半固定沙丘與固定沙丘的輸沙率比例為1∶0.55∶0.06。詳見圖1、表2。

圖1 2 m高度風速下不同類型沙丘輸沙率Fig.1 Sediment transport rate of different dune types under 2 m high wind speed

表2 2021年庫布其沙漠不同沙丘類型風蝕深度Tab.2 Wind erosion depth of different types of dunes in Kubuqi desert in 2021

庫布其沙漠的總面積為1.86萬km2,其中流動沙丘11 346 km2,半固定沙丘2325 km2,固定沙丘2279 km2[14]。利用不同類型沙丘風蝕深度與面積計算庫布其荒漠生態系統風蝕量及防風固沙物質量。根據公式(4)與公式(5),計算得出2021年庫布其沙漠防風固沙的物質量為5.02×108t。

3.2.2 防風固沙價值量估算

根據公式(6)計算得出庫布其荒漠生態系統的防風固沙服務總價值為753×108元/a。按照選取的防風固沙價值量估算指標體系[公式(7)～公式(11)]進行計算可知,防風固沙活動減少農業損失共計57.12×108元/a(87.99%),減少牧業損失共計0.27×108元/a(0.41%),減少交通運輸業損失共計7.53×108元/a(11.60%)。庫布其荒漠生態系統防風固沙價值主要體現在保持土壤營養元素、減少農田經濟損失這兩方面,與有利于保護土地資源、有利于促進生態與經濟可持續發展的荒漠化防治目標高度契合。詳見表3。

表3 2021年庫布其荒漠生態系統防風固沙價值量Tab.3 Value estimation of windbreak and sand fixation in Kubuqi desert ecosystem in 2021

4 結論與討論

黃河流域生態保護和高質量發展已上升為國家戰略。庫布其沙漠作為中國第七大沙漠,其荒漠生態系統的防風固沙功能對于鄂爾多斯黃河流域生態環境保護具有及其重要的作用。研究表明,庫布其荒漠生態系統具有極大的生態經濟價值,荒漠生態系統服務功能不僅為生活在干旱區的人們提供著賴以生存和發展的物質基礎,也為維持社會穩定、經濟發展和區域的生態安全提供了重要保障。

將荒漠生態系統的修復能力由可量化的生態效益轉變為可量化的價值核算是荒漠生態系統價值評估的難點,目前評價荒漠生態系統價值多采用經驗公式估算,而準確估算地表風蝕量是進行荒漠生態系統防風固沙功能及其價值核算的基礎[15]。本研究采用的風蝕量估算模型屬于物理模型,優點在于可將抽象的過程具體化,參數的物理意義較明確,對風蝕過程考慮較為全面,但對數據的需求較高,增加了計算量。風蝕量監測的方法和手段仍處于探索與發展階段,風蝕定量研究理論及其應用有待進一步研究。