基于生態(tài)功能退化驅(qū)動(dòng)的生態(tài)修復(fù)分區(qū)策略

田美榮　高吉喜　申陸　李曉宇

摘要：明確生態(tài)退化及其驅(qū)動(dòng)因素的空間分布，是有針對(duì)性開展生態(tài)調(diào)控修復(fù)的前提。圍繞生態(tài)功能退化、自然驅(qū)動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)社會(huì)驅(qū)動(dòng)力，運(yùn)用地理信息再編碼疊加分析技術(shù)、生態(tài)分區(qū)技術(shù)等，構(gòu)建生態(tài)退化驅(qū)動(dòng)空間分布識(shí)別模型，并以渾善達(dá)克防風(fēng)固沙功能區(qū)為例，基于防風(fēng)固沙生態(tài)功能退化空間差異性分析，以生態(tài)調(diào)控理論為指導(dǎo)，提出重點(diǎn)治理、調(diào)控治理、預(yù)防治理、維護(hù)治理的生態(tài)修復(fù)分區(qū)策略，并根據(jù)生態(tài)功能退化自然驅(qū)動(dòng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)驅(qū)動(dòng)復(fù)合空間分布特征，針對(duì)不同區(qū)域提出具體的生態(tài)調(diào)控修復(fù)方案。結(jié)果顯示，重點(diǎn)治理區(qū)主要分布在渾善達(dá)克西部和東北部地區(qū)，主要包括蘇尼特右旗、蘇尼特左旗、鑲黃旗、克什克騰旗、多倫縣與圍場(chǎng)滿族蒙古族自治縣部分區(qū)域，植被、地形、畜牧業(yè)的發(fā)展水平是其防風(fēng)固沙功能退化的主要驅(qū)動(dòng)力。

關(guān)鍵詞：調(diào)控修復(fù);生態(tài)退化;驅(qū)動(dòng)力;空間差異;渾善達(dá)克沙地

中圖分類號(hào)： X171.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）08-0252-04

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀不容樂觀。生態(tài)退化是目前全球所面臨的主要環(huán)境問題，并嚴(yán)重阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展[1]，因此，生態(tài)恢復(fù)和重建成為當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[2]。但目前生態(tài)修復(fù)過程中存在重植被、輕功能，重手段、輕效益，重局部、輕區(qū)域等問題[3]，只有以區(qū)域?yàn)橐暯牵蕴嵘鷳B(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能為目的，以采用生態(tài)修復(fù)工程與經(jīng)濟(jì)社會(huì)調(diào)控相結(jié)合的生態(tài)修復(fù)調(diào)控手段，才能從根本上解決生態(tài)問題，明晰生態(tài)功能退化空間分布及其驅(qū)動(dòng)力因素空間異質(zhì)性，是有針對(duì)性地開展生態(tài)調(diào)控修復(fù)的前提。

渾善達(dá)克沙漠化防治生態(tài)功能區(qū)地處生態(tài)環(huán)境脆弱的東亞夏季風(fēng)北緣，是我國(guó)北方生態(tài)環(huán)境屏障的重要組成部分，土壤風(fēng)蝕是渾善達(dá)克沙漠化防治生態(tài)功能區(qū)面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題，因此防風(fēng)固沙功能是主導(dǎo)生態(tài)功能。土壤風(fēng)蝕模型是防風(fēng)固沙功能分析的重要技術(shù)手段，主要風(fēng)蝕模型包括風(fēng)蝕方程（WEQ）[4]、基于風(fēng)速廓線發(fā)育的德克薩斯侵蝕分析模型（TEAM）[5]、前蘇聯(lián)涉及人類活動(dòng)因素的Bocharov模型[6]、修正風(fēng)蝕方程模型（RWEQ）[7-8]以及以過程為基礎(chǔ)的風(fēng)蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)（WEPS）[9]，由于RWEQ模型因子具有覆蓋全面、構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)易于獲取等優(yōu)勢(shì)[10]，因此其應(yīng)用更為廣泛[11]。

為了更好地闡明渾善達(dá)克沙漠化防治生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙情況，指導(dǎo)區(qū)域的土地沙化防治，本研究選用RWEQ模型分析渾善達(dá)克沙漠化防治生態(tài)功能區(qū)防風(fēng)固沙功能的時(shí)空變化格局，針對(duì)研究區(qū)功能退化驅(qū)動(dòng)力[12]問題，通過再編碼技術(shù)對(duì)主導(dǎo)自然驅(qū)動(dòng)力的因子進(jìn)行分析，運(yùn)用主成分分析方法對(duì)主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)社會(huì)驅(qū)動(dòng)力的因子進(jìn)行研究。在明確防風(fēng)固沙功能退化空間分布及自然和經(jīng)濟(jì)社會(huì)驅(qū)動(dòng)力空間異質(zhì)性的基礎(chǔ)上，探索防風(fēng)固沙功能區(qū)生態(tài)調(diào)控修復(fù)分區(qū)識(shí)別模型，對(duì)功能區(qū)進(jìn)行生態(tài)調(diào)控修復(fù)分區(qū)識(shí)別，并對(duì)相應(yīng)分區(qū)提出防風(fēng)固沙功能生態(tài)修復(fù)調(diào)控方案。

1研究區(qū)概況

渾善達(dá)克沙地防風(fēng)固沙功能區(qū)位于40.7°～45.5°N，111.1°～118.5°E之間，東南高西北低，東北部多河流，總面積約為16.81萬(wàn)km2，行政區(qū)包括河北省與內(nèi)蒙古自治區(qū)，屬于中緯度半干旱、干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季短促溫?zé)嵘儆?，降水主要集中?—9月，其間的降水量占全年的80%～90%，降水季節(jié)分配不均，年變化率大。主要災(zāi)害性天氣有干旱、冰雹、寒流、大風(fēng)及沙塵暴等[13]。沙漠化是渾善達(dá)克沙地面臨的主要環(huán)境問題[14]。

2研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1防風(fēng)固沙功能分析方法

在充分考慮氣侯條件、植被覆蓋狀況、土壤可蝕性、土壤結(jié)皮、地表粗糙度等要素情況下，選用RWEQ模型評(píng)估研究區(qū)防風(fēng)固沙量，其計(jì)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表示防風(fēng)固沙量（kg/m2）;Z表示地塊長(zhǎng)度（m）;s表示關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度（m）;S表示區(qū)域防風(fēng)固沙系數(shù);Qmax表示風(fēng)沙最大滯留量（kg/m）;C表示植被覆蓋因子。

（1）氣象因子（WF）計(jì)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表示氣象因子;WE表示風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度因子;ρ表示空氣密度（kg/m3）;g表示重力加速度（m/s2）;SW表示土壤濕度因子;SD表示雪蓋因子（無積雪覆蓋天數(shù)/研究總天數(shù)），定義雪蓋深度小于25.4 mm為無積雪覆蓋[15];u2表示監(jiān)測(cè)風(fēng)速（m/s）;u1表示起沙風(fēng)速（m/s）;Rd表示降雨次數(shù)和（或）灌溉天數(shù);Nd表示計(jì)算周期天數(shù);R表示平均降水量（mm）;I表示灌溉量（本研究取0）。對(duì)原修正風(fēng)蝕方程模型（RWEQ模型）進(jìn)行修正，起沙風(fēng)速數(shù)據(jù)參考已有學(xué)者的起沙風(fēng)速數(shù)據(jù)代替原模型中假設(shè)起沙風(fēng)速（5 m/s）;模型氣候風(fēng)蝕因子中潛在蒸發(fā)量的計(jì)算采用更適合我國(guó)北方的輻射估算法（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為潛在蒸發(fā)量（cm/d）;Rs表示太陽(yáng)輻射量[MJ/（m2·d）];Δ 表示飽和水汽壓與氣溫曲線的斜率（kPa/℃）;γ表示干濕表常數(shù);λ表示蒸發(fā)的潛熱系數(shù);P表示大氣壓強(qiáng) （kPa）;T表示平均氣溫（ ℃）;h表示海拔高度（m）。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn）提供的2000年、2010年國(guó)家臺(tái)站數(shù)據(jù)，并應(yīng)用地理分析軟件ArcGIS運(yùn)用自然鄰域（natural neighbor）插值方法進(jìn)行插值。雪蓋因子利用中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//westdc.westgis.ac.cn）提供的中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集[17-18]進(jìn)行計(jì)算。起沙風(fēng)速的數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[19-22]。

（2）土壤可蝕性因子（EF）計(jì)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表示土壤可蝕因子;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表示有機(jī)質(zhì)含量（%）;CC表示土壤中碳酸鈣含量（%）。

（3）土壤結(jié)皮因子（SCF）計(jì)算公式如下：

SCF=1[]1+0.006 6（cl）2+0.021（OM）2。（13）

式中：SCF表示土壤結(jié)皮因子。

土壤顆粒含量和有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)土壤數(shù)據(jù)來源于中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//westdc.westgis.ac.cn）提供的1 ∶100萬(wàn)土壤圖以及所附的土壤屬性表[23]。

（4）地表粗糙度因子（K′）計(jì)算公式如下：

K′=cosα。（14）

式中：α表示地形坡度，依據(jù)地形圖，利用ArcGIS軟件Slope工具獲得地形坡度。

（5）植被蓋度因子（C）計(jì)算公式如下：

C=exp[JB（（]-α×NDVI[]β-NDVI[JB））]。（15）

式中：α、β為常數(shù)系數(shù)，其中α為2，β為1;NDVI為歸一化植被指數(shù)。

2.2自然驅(qū)動(dòng)力分析方法

以各要素（植被蓋度、氣候因子、土壤可蝕性、地表粗糙度）數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，基于地理信息再編碼疊加分析方法，將各指標(biāo)分別劃分為4個(gè)等級(jí)并重置代碼賦值，代碼賦值依據(jù)不同要素所處組合代碼位數(shù)不同，同一要素內(nèi)對(duì)土壤風(fēng)蝕影響程度較大的賦值較大的原則，通過空間疊加方法進(jìn)行處理。結(jié)合2000年、2010年數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，再對(duì)各區(qū)域主導(dǎo)因素進(jìn)行分類[10]，得到渾善達(dá)克防風(fēng)固沙功能區(qū)自然影響要素組合列表（表1）。

2.3經(jīng)濟(jì)社會(huì)驅(qū)動(dòng)力分析方法

本研究綜合渾善達(dá)克防風(fēng)固沙功能區(qū)內(nèi)15個(gè)縣（旗）的年統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，通過主成分分析法、聚類分析方法從經(jīng)濟(jì)社會(huì)的角度分析該地區(qū)土地利用的社會(huì)驅(qū)動(dòng)力，歸納關(guān)鍵因子[24]。

2.4生態(tài)修復(fù)模式識(shí)別模型

按照防風(fēng)固沙功能變化，確定修復(fù)方向集，根據(jù)判定標(biāo)準(zhǔn)（表2），將研究區(qū)分為4類：重點(diǎn)治理區(qū)（G1）、調(diào)控治理區(qū)（G2）、預(yù)防治理區(qū)（G3）、維護(hù)治理區(qū)（G4）。

在明確防風(fēng)固沙功能修復(fù)程度空間分區(qū)基礎(chǔ)上，根據(jù)自然因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素影響重要性分級(jí)，明確每一修復(fù)區(qū)域防風(fēng)固沙功能降低驅(qū)動(dòng)的主導(dǎo)因素（表3）。

3結(jié)果與分析

3.1基于防風(fēng)固沙功能修復(fù)分區(qū)

依據(jù)防風(fēng)固沙功能計(jì)算模型，計(jì)算2000年、2010年防風(fēng)固沙量與變化數(shù)據(jù)，并運(yùn)用ArcGIS對(duì)功能數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，分析功能區(qū)內(nèi)研究期間防風(fēng)固沙功能大小與變化情況，根據(jù)表2指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行生態(tài)修復(fù)分區(qū)。由圖1可知，重點(diǎn)治理區(qū)主要集中在功能區(qū)西部與東部地區(qū)，所占面積較大;調(diào)控治理區(qū)主要集中在功能區(qū)西部與中部地區(qū)，所占面積僅次于重點(diǎn)治理區(qū);預(yù)防治理區(qū)重要分布在功能區(qū)南部以及北部局部地區(qū)，成為功能區(qū)調(diào)控治理區(qū)與維護(hù)治理區(qū)的緩沖區(qū)域;維護(hù)治理區(qū)主要集中在功能區(qū)南部邊緣。

3.2自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)要素空間分類劃定

依照RWEQ模型計(jì)算的氣候侵蝕力、土壤侵蝕力、植被蓋度、地形因子等要素，應(yīng)用重編碼技術(shù)進(jìn)行聚類分析，對(duì)防風(fēng)固沙自然驅(qū)動(dòng)力要素進(jìn)行分析（圖2）;同時(shí)利用社會(huì)影響驅(qū)動(dòng)力因素劃分社會(huì)驅(qū)動(dòng)力影響因素分區(qū)（圖3）。

由數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，研究期間防風(fēng)固沙功能影響因素較多，經(jīng)聚類分析，將防風(fēng)固沙功能自然影響要素分為了四大組合類型，分別為S1：植被、土壤、地形影響因素組合;S2：植被、氣候、地形影響因素組合;S3：植被、地形影響因素組合;S4：多因素共同影響組合?？梢姽δ軈^(qū)防風(fēng)固沙功能均受到植被要素和地形要素的影響，但各因素影響貢獻(xiàn)有所不同。由圖2可知，防風(fēng)固沙空間分布圖受植被覆蓋度、氣候侵蝕力、地形因素共同影響的區(qū)域面積較大，分布較廣，功能區(qū)中部地區(qū)受到渾善達(dá)克沙地的影響，主要受到植被覆蓋度、土壤侵蝕力、地形因素的共同影響。從圖3中可見，功能區(qū)西部與中部大部分地區(qū)主要受到畜牧業(yè)發(fā)展水平驅(qū)動(dòng)力的影響。

4防風(fēng)固沙功能修復(fù)分區(qū)策略

4.1重點(diǎn)治理區(qū)

重點(diǎn)治理區(qū)面積較大，自然因素影響分布較為廣泛，社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力主要受到畜牧業(yè)發(fā)展水平的影響，如蘇尼特右旗、蘇尼特左旗、克什克騰旗、圍場(chǎng)滿族蒙古族自治區(qū)等部分地區(qū)。防風(fēng)治沙重點(diǎn)應(yīng)放在適應(yīng)地區(qū)自然條件，包括土壤屬性、氣候因素在內(nèi)的自然因素的調(diào)節(jié)，把畜牧業(yè)的發(fā)展與本地區(qū)自然條件相結(jié)合，尋求防止土壤風(fēng)蝕擴(kuò)展與畜牧業(yè)發(fā)展的平衡。宜用模式包括圍欄封育、綜合配套措施等修復(fù)模式，調(diào)整“進(jìn)一退二還三”戰(zhàn)略，把“退、還”放在突出位置，重點(diǎn)治理，加大退耕還林還草還牧力度。

4.2調(diào)控治理區(qū)

調(diào)控治理區(qū)主要分布在功能區(qū)中部地區(qū)，主要受到植被覆蓋度以及功能區(qū)中部渾善達(dá)克沙地土壤特性的影響，社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力主要受到畜牧業(yè)發(fā)展水平的影響，如阿巴嘎旗、鑲黃旗、正鑲白旗、正藍(lán)旗、多倫縣等部分地區(qū)。該區(qū)防沙治沙的重點(diǎn)在于進(jìn)一步固定流沙。建立林網(wǎng)固沙體系，形成片林、林帶、林網(wǎng)相結(jié)合、多層次、多功能的固沙防護(hù)結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)規(guī)劃適宜種植密度和種植結(jié)構(gòu)，引用先進(jìn)技術(shù)綜合管理，合理利用水資源，改善關(guān)鍵區(qū)域植被蓋度，提高區(qū)域防風(fēng)固沙能力。

4.3預(yù)防治理區(qū)

預(yù)防治理區(qū)主要分布在功能區(qū)中部地區(qū)，主要受到植被覆蓋度以及多種自然因素共同的影響，社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力主要受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的影響，如康寶縣、太仆寺旗、正藍(lán)旗等部分地區(qū)。該地區(qū)生態(tài)條件較好，以發(fā)展牧業(yè)為主，為了保證廣大草牧場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展，堅(jiān)持以水為重點(diǎn)、以草為中心，實(shí)行農(nóng)林牧綜合開發(fā)建設(shè)模式，在尋求改善牧場(chǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)上，力爭(zhēng)提高產(chǎn)草量，促進(jìn)畜牧業(yè)的發(fā)展。在防風(fēng)治沙工作的基礎(chǔ)上，恢復(fù)和建設(shè)草場(chǎng)植被，發(fā)展畜牧業(yè)，使天然草原的載畜量得到合理控制，走上生態(tài)畜牧業(yè)的道路。

4.4維護(hù)治理區(qū)

維護(hù)治理區(qū)防風(fēng)固沙功能較好，自然條件主要受植被覆蓋度影響，社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力主要受到投入產(chǎn)出強(qiáng)度水平的影響，如張北縣、尚義縣、沽源縣、豐寧滿族自治縣等地區(qū)。維護(hù)治理區(qū)應(yīng)在維護(hù)區(qū)域植被蓋度的同時(shí)，因地制宜地，采用較成熟的生態(tài)理論模式發(fā)展如“水、草、林、機(jī)、糧（料）”五配套綜合治理措施;發(fā)展“四位一體”庭院生態(tài)經(jīng)濟(jì)，以庭院為單位充分利用太陽(yáng)能、沼氣。

參考文獻(xiàn)：

[1]高亞琪，楊藝淵，地力夏提·包爾漢，等. 小尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土地退化監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42 （3）：296-298.

[2]Aronson J，F(xiàn)loret C，le Floch E，et al. Restoration and rehabilitation of degraded ecosystems in arid and semi-arid lands. Ⅰ. A view from the south[J]. Restoration Ecology， 1993，1（1）：8-17.

[3]高吉喜，鄒長(zhǎng)新，吳丹，等. 區(qū)域減壓增效生態(tài)調(diào)控修復(fù)模式研究[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2017，33（1）：1-6.

[4]Woodruff N P，Siddoway F H. A wind erosion equation[J]. Soil Science Society of America Journal，1965，29（5）：602-608.

[5]Gregory J M，Vining R，Peck L，et al. Team：the Texas tech wind erosion analysis model[C]. Stott D E，Mohtar R H，Steinhardt G C. Sustaining the global farm. West Lafayette：International Soil Conservation Organization American Society of Agricultural Engineers，2001 .

[6]Bocharov A P. A description of devices used in the study of wind erosion of soil[M]. Rotterdam：A.A. Balkema Publishers，1984.

[7]Zobeck T M，Pelt S V，Stout J E，et al. Validation of the revised wind erosion equation （RWEQ） for single events and discrete periods[C]// Ascough Ii J C，F(xiàn)lanagan D C，Joseph S.Soil Erosion Research for the 21st Century，2001：471-474.

[8]Fryrear D W，Bilbro J D，Saleh A，et al. RWEQ：Improved wind erosion technology[J]. Journal of Soil and Water Conservation，2000，55（2）：183-189.

[9]Hagen L J. Evaluation of the wind erosion prediction system （WEPS） erosion submodel on cropland fields[J]. Environmental Modelling and Software，2004，19（2）：171-176.

[10]申陸，田美榮，高吉喜.基于RWEQ模型的渾善達(dá)克沙漠化防治生態(tài)功能區(qū)土壤風(fēng)蝕與主要影響因子分析[J]. 水土保持研究，2016，23（6）：90-96.

[11]江凌，肖燚，歐陽(yáng)志云，等. 基于RWEQ模型的青海省土壤風(fēng)蝕模數(shù)估算[J]. 水土保持研究，2015，22（1）：21-33.

[12]王華偉，高鵬，呂圣橋，等. 遼寧西部北票市生態(tài)修復(fù)區(qū)生態(tài)退化驅(qū)動(dòng)力分析[J]. 水土保持研究，2011，18（1）：121-124.

[13]王革麗，呂達(dá)仁，尤莉. 渾善達(dá)克沙地沙塵暴氣候特征分析[J]. 氣候與環(huán)境研究，2002，7（4）：433-439.

[14]劉海江，周成虎，程維明，等. 基于多時(shí)相遙感影像的渾善達(dá)克沙地沙漠化監(jiān)測(cè)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（2）：627-635.