基于植被覆蓋度的寧夏靈武白芨灘自然保護區(qū)防風固沙功能時空變化研究

宋 超,余琦殷,王瑞霞,王 萍,王 俊,馬 瑞,崔國發(fā),*

1 北京林業(yè)大學生態(tài)與自然保護學院, 北京 100083 2 國家林業(yè)和草原局經(jīng)濟發(fā)展研究中心, 北京 100714 3 寧夏靈武白芨灘國家級自然保護區(qū)管理局, 銀川 751400

氣候暖干化發(fā)展趨勢使干旱半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境受到荒漠化發(fā)展的脅迫,植被覆蓋度(Fractional Vegetation Coverage,FVC)及其時空變化是干旱半干旱地區(qū)反映植被質(zhì)量、土地類型變化的重要指標之一,可以有效地表達植被分布狀況及荒漠化程度,是衡量地表植被狀況及評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要手段[1]。利用遙感技術(shù)手段可以有效地監(jiān)測植被覆蓋和荒漠化發(fā)展趨勢。土壤風蝕是我國干旱半干旱地區(qū)的嚴重環(huán)境問題之一,所以,開展防風固沙功能研究對干旱半干旱地區(qū)具有重要的參考意義。

防風固沙功能是干旱半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)提供的重要生態(tài)系統(tǒng)服務,其物質(zhì)量常通過風蝕模型進行計算,目前已有的研究模型包括TEAM模型[2]、WEPS模型[3]、WEQ模型[4]、修正風蝕方程模型(RWEQ)[5- 8]等。研究者們利用上述各類模型在不同地區(qū)進行了大量的風蝕模擬研究,在眾多模型中董治寶在以風洞實驗和野外觀測的基礎上建立的風蝕流失量模型[9],被許多研究[10-12]應用于中國干旱半干旱地區(qū)。

寧夏靈武白芨灘國家級自然保護區(qū)(以下簡稱“白芨灘自然保護區(qū)”)位于毛烏素沙地邊緣,在保護黃河、維護周邊生態(tài)安全、改善周邊生態(tài)環(huán)境等方面起著重要的作用[13]。然而,這里曾經(jīng)風沙危害嚴重,對附近的城市生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都造成較大影響。保護區(qū)自成立以來,通過多年探索,構(gòu)建了“五位一體”的防沙治沙發(fā)展模式,通過治沙造林、控制流沙等方式,筑起了阻止毛烏素沙地南移和西擴的“綠色長城”[14-16]。本研究基于MODIS—NDVI時序數(shù)據(jù),利用像元二分模型估算白芨灘自然保護區(qū)的年最大FVC,分析保護區(qū)不同管理站范圍FVC的時空變化特征,并結(jié)合氣象數(shù)據(jù),通過風蝕模型估算了潛在風蝕量和實際風蝕量,以兩者差值作為保護區(qū)防風固沙量,分析了其防風固沙功能的時空格局及其變化原因,為荒漠類自然保護區(qū)管理及可持續(xù)發(fā)展提供科學參考。

1 研究地概況

白芨灘自然保護區(qū)于2000年4月晉升為國家級自然保護區(qū),地理坐標為106°20′22″—106°37′19″E,37°49′05″—38°20′54″N,地處毛烏素沙地邊緣,寧夏靈武市境內(nèi)引黃灌區(qū)東部的荒漠區(qū)域,生態(tài)環(huán)境比較脆弱。保護區(qū)北部距銀川市10 km,與寧夏河東機場相毗鄰,西部與青銅峽市、吳忠市緊鄰,與多條國道、省道相通[16]。保護區(qū)南北長61 km,東西寬21 km,總面積為748.43 km2,約占靈武市總面積的1/4,其中核心區(qū)面積為313.18 km2,緩沖區(qū)面積為186.06 km2,實驗區(qū)面積為249.19 km2(圖1)。

圖1 白芨灘自然保護區(qū)地形圖Fig.1 The DEM of Baijitan Nature Reserve

該保護區(qū)屬于中溫帶干旱氣候區(qū),具有典型的大陸性氣候特征,特點是干燥、雨量少而集中、蒸發(fā)量大、冬季長、夏季熱短、溫差大、日照長、光能充足、冬春季風沙多、無霜期短。年平均降水量為192.9 mm,年最大降水量為352.4 mm,年最小降水量為80.4 mm,日最大降水量為95.4 mm,最大積雪深度為130 mm；多年平均氣溫為10.4 ℃,積溫3551.3 ℃,1月份平均氣溫最低,約為-6.7 ℃,7月份最高,約為24.7 ℃,年極端最高氣溫為41.4 ℃,年極端最低氣溫為-28 ℃；年日照時數(shù)為3011 h；年平均日照時數(shù)為2717 h,7月份平均日照時間最長,約為12.1 h,12月份最短,約為9.5 h。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

植被指數(shù)遙感數(shù)據(jù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)來源于美國NASA(National Aeronautics and Space Administration)戈達德航天中心MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)時間分辨率為16 d、空間分辨率為250 m×250 m、格式為EOS—HDF的MOD13Q1植被指數(shù)陸地標準產(chǎn)品(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/),本研究選取2000—2019年全年數(shù)據(jù)集(每年23期)。

氣象數(shù)據(jù)采用中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http://data.cma.cn/)距離該保護區(qū)最近的靈武市氣象站(編號：53614)2000—2019年逐日和逐月數(shù)據(jù)集,包含風速、降水、溫度和濕度等。靈武市氣象站位于保護區(qū)西北方向,距保護區(qū)約3.7 km,地理坐標為106°12′E,38°28′N。

數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)采用中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)GDEMDEM 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1NDVI數(shù)據(jù)

運用ArcGIS10.7軟件把HDF格式的NDVI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)換為Tiff格式,并對數(shù)據(jù)進行投影變換和裁剪。坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為地理坐標CGCS2000_3_Degree_GK_CM_105E,中央經(jīng)線為105E,東偏和西偏均為0 m,基準面(Datue)為D_China_2000。選取三次卷積法,重采樣分辨率為250 m,然后利用白芨灘自然保護區(qū)的矢量邊界對其進行裁剪。采用最大值合成法和平均值法分別對相同季節(jié)、年份數(shù)據(jù)進行合成。

2.2.2沙源范圍

白芨灘自然保護區(qū)的地貌由三種類型組成,包括低山丘陵,緩坡丘陵和沙漠低山丘陵,其中低山丘陵和緩坡丘陵的風蝕和水土流失嚴重,土層較薄,石礫較多,而沙漠低山丘陵東部以星月型沙丘鏈為主,西部則沙丘高大密集,連綿起伏[16]?？梢钥闯?該保護區(qū)沙源范圍主要在沙漠低山丘陵地區(qū)。為了排除石質(zhì)山地、水域、農(nóng)田等非沙源范圍區(qū)域,購買影像時間為2016年7月27日,分辨率為2 m的遙感影像(http://www.kosmos-image.com/),運用ENVI軟件進行監(jiān)督分類和目視解譯,并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查,確定沙源范圍(圖2)。

2.2.3氣象數(shù)據(jù)

沙塵天氣主要發(fā)生在冬春季節(jié),這是由于該時期干旱半干旱地區(qū)降水甚少,地表異常干燥松散,抗風蝕能力很弱,在有大風刮過時就會將大量沙塵卷入空中,形成沙塵天氣[17]。該保護區(qū)的3—5月風速大、降水少、地表干燥,為沙塵天氣的頻發(fā)時期[16],故選取3—5月最大風速大于平均起沙風速(4.85 m/s)的天數(shù)[18],對氣象數(shù)據(jù)異常值進行線性插值處理,根據(jù)當日平均風速和最大風速推算日大風時數(shù),并計算每年3—5月大風時數(shù)。

2.2.4DEM數(shù)據(jù)

運用ArcGIS10.7軟件,使用數(shù)據(jù)管理工具依據(jù)保護區(qū)矢量邊界對DEM數(shù)據(jù)進行裁剪和重采樣,然后使用空間分析工具計算坡度、坡向和高程。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1FVC計算與分析方法

基于遙感數(shù)據(jù)估算FVC的方法主要有植被指數(shù)法[19- 20]、像元分解法[21- 22]、回歸模型法等[23- 24]。本研究采用植被指數(shù)法,基于像元二分模型,以NDVI數(shù)據(jù)為基礎,估算FVC,其公式為：

式中,NDVIevg是純植被像元值,理論上接近于1,但受植被類型、土壤條件等因素隨時空變化；NDVIsoil是純土壤像元值,理論上接近于0,但受大氣、地表濕度條件、地表粗糙度、土壤類型、土壤顏色等因素隨時空變化。目前,不同研究對NDVIevg和NDVIsoil的取值方法有較大差別[25- 30],本研究參考方杰詩等在沒有詳細的區(qū)域植被和土壤光譜等數(shù)據(jù)時對銀川市植被覆蓋反演使用的近似估值算法[31- 32],在計算時NDVIsoil取0.05、NDVIevg取0.7。

參考毛烏素沙地FVC與植被地貌類型的關(guān)系的有關(guān)研究[33],將保護區(qū)FVC劃分為劣覆蓋度(<10%)、低覆蓋度(10%—30%)、中覆蓋度(30%—50%)和高覆蓋度(>50%)等4種類型。

運用ArcGIS10.7軟件對NDVI數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。首先,采用最大值合成法和平均值法合成年最大NDVI、季最大NDVI,估算年均FVC并分析其時間變化特征；其次,采用趨勢線分析法,其公式為：

其中,slope為某像元年際變化斜率；n為研究時間年限(n=20)；NDVIi為某像元第i年的NDVI值。

根據(jù)slope和其R2的變化范圍,將植被覆蓋變化規(guī)律定義為極明顯發(fā)展類型、明顯發(fā)展類型、緩慢發(fā)展類型、穩(wěn)定類型、緩慢逆轉(zhuǎn)類型、明顯逆轉(zhuǎn)類型、極明顯逆轉(zhuǎn)類型等7個變化區(qū)間[34],綜合分析植被覆蓋特點與變化特征。具體變化區(qū)間劃分如下：slope<-0.01 且R2>0.25為極明顯發(fā)展類型；-0.010.25為明顯發(fā)展類型；-0.0050.25為緩慢發(fā)展類型；R2<0.25為穩(wěn)定類型；00.25為緩慢逆轉(zhuǎn)類型；0.0050.25為明顯逆轉(zhuǎn)類型；slope>0.01 且R2>0.25為極明顯逆轉(zhuǎn)類型。

2.3.2防風固沙功能計算與分析方法

防風固沙功能生態(tài)效益是指在風沙源區(qū)由于植被的作用減少大風對土壤表層顆粒吹揚,避免下風向區(qū)域沙塵災害發(fā)生的范圍與強度效應[10]。風蝕量是衡量風沙源區(qū)沙害的重要指標之一[10]。只有在起沙風的條件下,沙粒才開始運動。沙粒運動受眾多因素的影響,其中沙粒粒徑為主要影響因素[35]。該保護區(qū)沙粒以混合沙為主,主要為細沙粒,參考有關(guān)研究,混合沙的平均粒徑為0.2 mm,起沙風速為4.85 m/s[36],并依據(jù)氣象數(shù)據(jù)計算每年在西風、西北風時的起沙時數(shù)與達到起沙風速的平均風速。

董治寶在以風洞實驗和野外觀測的基礎上對陜西省六道溝小流域的風力侵蝕流失量建立了風蝕流失量模型[9],由于該流域地處毛烏素沙地東北邊緣,地貌類型為片沙覆蓋的黃土丘陵,與白芨灘自然保護區(qū)同處毛烏素沙地邊緣,在地域和自然條件方面都非常接近,韓永偉等、李柏延、馬曉飛等研究也使用了該模型[9-11],且取得了良好的效果,所以在估算白芨灘自然保護區(qū)風蝕量時,以此模型為基礎,將研究區(qū)的遙感數(shù)據(jù)分為11811個250 m×250 m的柵格(因柵格精度和裁剪的原因,計算中保護區(qū)總面積與實際有約10 km2誤差),通過計算沙源范圍每一個柵格的風蝕量,逐一相加得出該保護區(qū)風蝕量,具體沙地風蝕量模型如下：

式中：Q為風蝕量(t)；θ為坡度(°),由高程數(shù)據(jù)計算獲取；V為風速(m/s),由每年達到起沙風速的平均風速計算；VCR為FVC(%),SDR為人為地表結(jié)構(gòu)破損率(%),本研究中不考慮人為地表結(jié)構(gòu)破損率,取1；H為空氣相對濕度(%),根據(jù)保護區(qū)氣象數(shù)據(jù)的平均值取0.35；d為土壤粒徑(mm),取保護區(qū)沙粒的平均粒徑0.2 mm；F為土體硬度(N/cm2),參考土壤質(zhì)地模型參數(shù)表,取0.9 N/cm2；t為時間(s),由氣象數(shù)據(jù)計算的年起沙時數(shù)；x,y為距離參照點距離(km),根據(jù)柵格大小取0.25 km。

潛在風蝕量和實際風蝕量的差值即為植被減少風蝕的防風固沙量,防風固沙量和潛在風蝕量的比值即為防風固沙率。

Qc=Qw-Qs

R=Qc/Qs

式中：Qc為防風固沙量(t)；Qw為假設無植被覆蓋情況下的潛在風蝕量(t)；Qs為實際風蝕量(t)；R為防風固沙率。

3 結(jié)果與分析

3.1 白芨灘自然保護區(qū)FVC時空變化分析

3.1.1年均FVC空間分布特征

該保護區(qū)有馬鞍山管理站、臨河白芨灘、甜水河管理站、羊場灣管理站、大泉管理站、長流水管理站等6個管理站,其中馬鞍山管理站和臨河白芨灘海拔較高,主要為山地丘陵；甜水河管理站、大泉管理站及羊場灣管理站地勢平坦,主要為沙地；長流水管理站丘陵和沙地均有分布[16],西側(cè)海拔低于1400 m的地區(qū)多為沙地,東側(cè)多為丘陵。通過實地踏查,結(jié)合管理站及其分布特征[16],將其劃分為三個區(qū)域(表1)。

表1 白芨灘自然保護區(qū)區(qū)域劃分

保護區(qū)年均FVC空間分布規(guī)律(圖3)主要表現(xiàn)為：

圖3 白芨灘自然保護區(qū)2000—2019年平均FVC空間分布 Fig.3 The spatial distribution of FVC in Baijitan Nature Reserve from 2000 to 2019

(1)北部地區(qū)為以低山丘陵為主,占保護區(qū)總面積的33.10%。主要植被覆蓋類型為低覆蓋度和中覆蓋度,分別占保護區(qū)總面積的22.67%、10.35%,高覆蓋度類型零星分布,僅占保護區(qū)總面積的0.08%；無劣覆蓋度植被類型分布。

(2)中部地區(qū)以沙漠低山丘陵為主,占保護區(qū)總面積的43.33%。低覆蓋度類型占比最高,占保護區(qū)總面積的32.29%,其次分別為中覆蓋度、劣覆蓋度、高覆蓋度類型,分別占保護區(qū)總面積的9.26%、1.13%、0.64% 。

(3)東南部地區(qū)低緩丘陵為主,占保護區(qū)總面積的23.57%。其中,低覆蓋度類型占保護區(qū)總面積的7.8%；中覆蓋度類型占比為15.77%,是該植被類型在保護區(qū)的主要分布地。

3.1.2FVC時間變化特征

為了研究白芨灘自然保護區(qū)不同時段FVC的變化趨勢,本研究結(jié)合保護區(qū)建設和總體規(guī)劃情況,將保護區(qū)的發(fā)展歷程劃分為5個階段(表2),以便于分階段對其變化特征進行分析。

表2 白芨灘自然保護區(qū)發(fā)展階段劃分

保護區(qū)FVC時間變化特征(圖4—圖6)主要表現(xiàn)為：

圖4 白芨灘自然保護區(qū)FVC季節(jié)變化趨勢Fig.4 The seasonal variation trend of FVC in Baijitan Nature Reserve

圖5 白芨灘自然保護區(qū)年均FVC變化趨勢 Fig.5 The interannual variation trend of FVC in Baijitan Nature Reserve

圖6 白芨灘自然保護區(qū)不同階段FVC空間分布Fig.6 The spatial distribution law of FVC in different stages

(1)春季、夏季、秋季、冬季FVC均呈穩(wěn)定增長趨勢,增長量近似相同,分別為0.0181、0.0205、0.0195、0.0195,其R2分別為0.8753,0.9228,0.9076,0.9247,經(jīng)F顯著性檢驗,F春=126.33,F夏=215.31,F秋=178.89,F冬=220.99,經(jīng)查F檢驗表,Fα=0.05(1,18)=8.28,模型擬合度F檢驗均達極顯著。

(2)年均FVC呈穩(wěn)定增長趨勢,年均增長量為0.0130,其R2為0.7759,經(jīng)F顯著性檢驗,F年平均=62.34,經(jīng)查F檢驗表,Fα=0.05(1,18)=8.28,模型擬合度F檢驗達極顯著。

(3)不同階段的植被類型特征明顯。第一階段以低覆蓋度類型為主,其面積為555.25 km2,占保護區(qū)總面積的75.22%；其次為劣覆蓋度類型,面積為155.88 km2,占21.11%；中覆蓋度與高覆蓋度類型分布極少,二者僅占保護區(qū)總面積的3.67%。第二階段的劣覆蓋度類型減少,低覆蓋度類型占比仍最高,為81.95%,中覆蓋度和高覆蓋度類型的面積有所上升,分別增長了3.39%、0.08%。第三階段的低覆蓋度、中覆蓋度類型明顯增加,成為該階段的主要類型,二者占比達94.90%。第四階段的劣覆蓋度類型成為占比最小的類型,僅占0.32%,中覆蓋度類型仍以較快速度增長,超過了低覆蓋度類型的面積,成為占比最大的植被覆蓋類型,占比達54.96%。第五階段的低覆蓋度逐漸轉(zhuǎn)化為中覆蓋度類型,兩者面積差增大,中覆蓋度類型占比達66.13%；高覆蓋度類型明顯增加,其面積達100.81 km2。

3.1.3FVC變化趨勢的空間分布特征

根據(jù)白芨灘自然保護區(qū)FVC年際變化率(圖7),甜水河管理站、大泉管理站、羊場灣管理站、長流水管理站西側(cè)、長流水管理站東側(cè)、馬鞍山管理站、臨河白芨灘年均FVC的平均斜率分別為0.0133、0.0161、0.0164、0.0153、0.0059、0.0115、0.0102,平均R2分別為0.7376、0.7895、0.7579、0.6865、0.3546、0.4304、0.3378。由此可以看出,甜水河管理站、大泉管理站、羊場灣管理站及長流水管理站西側(cè)的FVC比馬鞍山管理站、臨河白芨灘及長流水管理站東側(cè)的FVC增長快,且擬合好。

圖7 白芨灘自然保護區(qū)FVC年際變化率(R2和斜率)Fig.7 The rate of interannual change of FVC in Baijitan Nature Reserve (R2 and slope)

根據(jù)各管理站基于NDVI的FVC變化趨勢分級(表3),該保護區(qū)的植被變化趨勢主要表現(xiàn)為穩(wěn)定類型、緩慢逆轉(zhuǎn)類型、明顯逆轉(zhuǎn)類型和極明顯逆轉(zhuǎn)類型。保護區(qū)的中部地區(qū)與其他地區(qū)的變化趨勢具有明顯差異,主要表現(xiàn)為穩(wěn)定類型、極明顯逆轉(zhuǎn)類型的占比差異大,其中中部地區(qū)即甜水河管理站、大泉管理站、羊場灣管理站的穩(wěn)定類型相對較少,分別占管理站面積的0.99%、0.05%、3.7%,而北部地區(qū)的馬鞍山管理站、臨河白芨灘的穩(wěn)定類型占比則相對較高,分別為14.20%、19.15%；甜水河管理站、大泉管理站、羊場灣管理站極明顯逆轉(zhuǎn)穩(wěn)定類型比例相對較高,占管理站面積的27.46%、53.14%、56.92%,而馬鞍山管理站、臨河白芨灘的穩(wěn)定類型占比則相對較低,占比分別為13.14%、4.61%；長流水管理站的植被變化趨勢主要為明顯逆轉(zhuǎn)類型,其占比為50.25%,穩(wěn)定類型與極明顯逆轉(zhuǎn)類型次之,分別占16.04%、26.62%,緩慢逆轉(zhuǎn)類型占比最低。

表3 白芨灘保護區(qū)植被變化趨勢分級

3.2 白芨灘自然保護區(qū)防風固沙功能變化分析

3.2.1防風固沙功能總體變化趨勢

根據(jù)白芨灘自然保護區(qū)達到起沙風速的時數(shù)與風速的年變化規(guī)律顯示(圖8),保護區(qū)整體起沙時數(shù)呈下降趨勢(R2=0.682),其減少量為1.19 d/a,其中2006年起沙時數(shù)最高,達30.92 d,2015年起沙時數(shù)最低,僅為4.72 d；達到起沙風速的平均風速呈緩慢波動下降趨勢,但變化趨勢不明顯(R2=0.109),其年減少量為0.26 m/s。

圖8 達到起沙風速的天數(shù)與風速的年變化規(guī)律Fig.8 The interannual variation law and the days of the wind over sand-driving wind speed

白芨灘自然保護區(qū)風速逐漸降低,潛在風蝕量、實際風蝕量均逐漸減少,防風固沙率上升,防風固沙功能整體上逐漸增強(表4)。第一、二階段的防風固沙功能緩慢增強,第一階段的防風固沙率為58.37%,年均實際風蝕量為2.46×105t；第二階段防風固沙率為59.76%,增加了1.39%,年均實際風蝕量為1.70×105t,較第一階段減少30.89%。第三、四、五階段的防風固沙功能明顯增強,其中第三階段的實際風蝕量出現(xiàn)顯著下降,為4.35×104t,僅為第一、二階段的17.68%、25.59%,防風固沙率為65.98%,增加了6.22%；第四、五階段的實際風蝕量分別為2.62×104t、1.87×104t,防風固沙率持續(xù)上升,分別為70.82%、75.43%。

表4 白芨灘自然保護區(qū)年均防風固沙能力

3.2.2不同地區(qū)防風固沙功能變化趨勢

該保護區(qū)不同地區(qū)的防風固沙功能主要表現(xiàn)為以下幾個特征(表5)：

表5 白芨灘自然保護區(qū)防風固沙率時空變化規(guī)律

(1)晉升為國家級自然保護區(qū)初期,馬鞍山管理站、臨河白芨灘和長流水管理站的防風固沙率分別為61.95%、61.68%、59.94%,均高于保護區(qū)整體水平；以劣覆蓋度和低覆蓋度為主要植被覆蓋類型的大泉管理站、甜水河管理站、羊場灣管理站的防風固沙能力則相對較弱,防風固沙率分別為53.39%、55.11%、56.78%,均低于保護區(qū)整體水平；

(2)不同地區(qū)的防風固沙功能均持續(xù)增大,其中大泉管理站的防風固沙率增幅最大,達21.05%,防風固沙率達到了74.44%,但仍不及保護區(qū)的整體水平；臨河白芨灘和馬鞍山管理站防風固沙率增幅較小,分別為15.81%、15.50%,但仍高于保護區(qū)整體水平上；其他管理站的防風固沙率增幅在16.19—16.96%之間。

3.2.3防風固沙功能的比較

為深入分析保護區(qū)防風固沙功能特點,將該保護區(qū)防風固沙能力與其他干旱半干旱地區(qū)的做橫向?qū)Ρ?表6),對比地區(qū)包括黑河下游重要生態(tài)功能區(qū)[10]、銀川盆地[11]、京津風沙源區(qū)[37]、錫林郭勒盟風沙源治理工程區(qū)[38]等。其中,該保護區(qū)面積最小,年均防風固沙能力最強,達到了966.58 t km-2a-1。京津風沙源區(qū)、錫林郭勒盟風沙源治理工程區(qū)的面積大,且年防風固沙量均超過了1010t,但年均防風固沙能力相對較弱,分別為68.24 t km-2a-1、74.78 t km-2a-1,可能是由于這些地區(qū)含有未有效用于防風固沙功能的土地利用類型。

表6 白芨灘自然保護區(qū)防風固沙能力對比

4 結(jié)論

本研究基于MODIS—NDVI數(shù)據(jù)分析了2000—2019年白芨灘自然保護區(qū)植被覆蓋變化情況,并以此為基礎估算了保護區(qū)防風固沙功能。主要結(jié)論如下：

(1)2000—2019年,該保護區(qū)在季節(jié)尺度和年尺度上的FVC增長趨勢均達到了極顯著,其中夏季FVC自2016年以來均超過了0.90,年均FVC也從0.15增長到0.30左右；該保護區(qū)的植被覆蓋類型也發(fā)生了較大轉(zhuǎn)變,劣覆蓋度、低覆蓋度、中覆蓋度和高覆蓋度類型分別由第一階段占保護區(qū)總面積的21.12%、75.22%、3.39%、0.27%轉(zhuǎn)變?yōu)榈谖咫A段的0.02%、20.19%、66.13%、13.66%。劣覆蓋度與低覆蓋度類型均顯著減少,其中減少面積達561.79 km2,占保護區(qū)總面積的76.13%,中覆蓋度與高覆蓋度類型的面積明顯增加,其增加的面積分別為463.13 km2、98.81 km2,分別占保護區(qū)總面積的62.75%、13.39%。

(2)不同地區(qū)FVC變化規(guī)律有所不同,甜水河管理站、大泉管理站、羊場灣管理站及長流水管理站西側(cè)的FVC比馬鞍山管理站、臨河白芨灘及長流水管理站東側(cè)的FVC增長快,且擬合好；保護區(qū)中部地區(qū)即甜水河管理站、大泉管理站、羊場灣管理站的穩(wěn)定類型占比相對較低,極明顯逆轉(zhuǎn)類型占比相對較高,而北部地區(qū)即馬鞍山管理站、臨河白芨灘的穩(wěn)定類型占比則相對較高,極明顯逆轉(zhuǎn)類型占比則相對較低。

(3)保護區(qū)防風固沙功能整體上逐漸增強,年均實際風蝕量由保護區(qū)晉升為國家級自然保護區(qū)初期(第一階段)的2.46×105t減少至近期(第五階段)的1.87×104t；防風固沙率逐漸上升,由最初的58.37%升至75.43%。保護區(qū)內(nèi)6個管理站的防風固沙率均在顯著上升,其中大泉管理站的防風固沙率增長最快,為21.05%,然后依次為甜水河管理站、長流水管理站、羊場灣管理站、臨河白芨灘和馬鞍山管理站,分別增長了16.96%、16.66%、16.19%、15.81%、15.50%。相比較黑河下游重要生態(tài)功能區(qū)等干旱半干旱地區(qū),該保護區(qū)面積雖小,但年均防風固沙能力較高,可達966.58 t km-2a-1。

本研究能為荒漠類自然保護區(qū)管理及生態(tài)補償保護標準核算提供科學參考,對完善荒漠類自然保護區(qū)生態(tài)修復制度、健全生態(tài)保護補償機制具有重要的現(xiàn)實意義。

5 討論

增加FVC是減少和控制風蝕的重要措施[39]。根據(jù)程皓等對FVC對降低風速的觀測結(jié)果表明植被覆蓋增加可以有效減少土地風蝕[40]、崔崴對比渾善達克沙地未治理區(qū)和治理區(qū)發(fā)現(xiàn)治理區(qū)的風速明顯降低且積沙量更少[41]、周鑫等對青海湖沙區(qū)的研究表明人工治理措施可以明顯降低沙丘近地層風速[42]等結(jié)論,該保護區(qū)FVC的增加可能在一定程度上有效降低了風速,使得達到起沙風速的天數(shù)逐漸降低,風蝕頻率逐漸減少。

有關(guān)研究表明,近35年來,生態(tài)工程有效改善了毛烏素周邊地區(qū)的植被狀況[43- 44],而白芨灘自然保護區(qū)自成立以來一直致力于荒漠生態(tài)修復[45],一定程度上可以證實該保護區(qū)的植被明顯改善的原因是生態(tài)保護建設成效顯著。王靜璞等對毛烏素沙地2000—2012年的研究表明,NDVI空間變化沒有明顯規(guī)律[46],而該保護區(qū)的NDVI空間變化規(guī)律明顯,中部地區(qū)植被改善狀況明顯優(yōu)于其他地區(qū),可能由于不同管理站的生態(tài)保護建設措施不同。

該保護區(qū)與黑河下游重要生態(tài)功能區(qū)等干旱半干旱地區(qū)的防風固沙量相比有一定差異,究其原因,首先這些地區(qū)土地利用類型不同,比如銀川盆地除了沙地、戈壁,還包括有林地、灌木林地等多種土地利用類型；其次,這些地區(qū)選用的防風固沙量計算模型不同,如京津風沙源區(qū)和錫林郭勒盟風沙源治理工程區(qū)采用的防風固沙量計算模型為修正風蝕方程(RWEQ),所以結(jié)果與其他對比地區(qū)有一定差距；最后,可能是由于計算年份不同、以及數(shù)據(jù)的選取差異等因素造成[9,10,37-38]。同時,本研究計算的防風固沙量的量級和趨勢與其他地區(qū)基本一致,可以認為該結(jié)果能基本上反映該保護區(qū)防風固沙功能變化狀況,具有一定參考價值。