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2019 , Vol. 34 >Issue 5: 1041 - 1053

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20190511

资源生态

京津风沙源区防风固沙功能的时空变化及其区域差异

  • 张彪 , 1 ,
  • 李庆旭 1, 2 ,
  • 王爽 1, 2 ,
  • 谢高地 1, 2
展开
  • 1. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101
  • 2. 中国科学院大学,北京 100049

作者简介：张彪（1980- ）,男,山东郓城人,博士,副研究员,主要从事城市与区域生态学研究。E-mail:

收稿日期: 2018-10-23

  要求修回日期: 2019-03-12

  网络出版日期: 2019-05-28

基金资助

国家重点研发计划重点专项（2016YFC0503403）

收起

Spatial-temporal changes and regional differences of the sand-fixing service in the Beijing-Tianjin sandstorm source region

  • ZHANG Biao , 1 ,
  • LI Qing-xu 1, 2 ,
  • WANG Shuang 1, 2 ,
  • XIE Gao-di 1, 2
Expand
  • 1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received date: 2018-10-23

  Request revised date: 2019-03-12

  Online published: 2019-05-28

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《自然资源学报》编辑部 所有
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摘要

防风固沙功能是京津风沙源治理成效的关键监测指标。以往研究注重局地防风固沙功能的评估,对全区防风固沙功能的时空变化与内部差异揭示不足。基于京津风沙源区多期遥感数据,采用修正风蚀方程与GIS空间统计技术,评估分析了2000-2015年防风固沙功能的整体变化及其区域差异。结果表明：（1）京津风沙源区年均防风固沙量为28.98亿t,防风固沙能力为68.24 t/hm2,且均随年份变化波动增加,年均增速分别为1.10%和0.71%;（2）京津风沙源区防风固沙能力呈西北高、东南低趋势,有49.06%的区域防风固沙能力高于70 t/hm2,评估期内有54%的区域防风固沙能力明显提高;（3）浑善达克沙地亚区、典型草原亚区和荒漠草原亚区的防风固沙量累计为全区防风固沙总量的88%,燕山丘陵山地水源保护亚区和晋北山地丘陵亚区的防风固沙能力提升最显著;（4）锡林郭勒盟、赤峰市和乌兰察布市的防风固沙量合计占全区防风固沙量的77%,朔州市与包头市防风固沙能力较高,北京市与天津市防风固沙能力增速较高。因此,未来应重视分区施策治理与西部和北部防风固沙功能提升。

关键词： 防风固沙功能; 修正风蚀方程; 时空变化; 区域差异; 京津风沙源区

本文引用格式

张彪 , 李庆旭 , 王爽 , 谢高地 . 京津风沙源区防风固沙功能的时空变化及其区域差异[J]. 自然资源学报, 2019 , 34(5) : 1041 -1053 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20190511

Abstract

Wind erosion is an important soil degradation process that takes place in arid and semiarid environments, and the sand-fixing service has been used as one of the key indicators of the ecological restoration effects in the Beijing-Tianjin sandstorm source region. Over the past few decades, some studies have focused on the sand-fixing service at local areas in the Beijing-Tianjin sandstorm source region, but few researchers explored the entire changes and regional differences of sand-fixing service. The inadequate information on the sand-fixing service heterogeneity has hindered the implementation of the diversified measures for land management. This paper investigated the dynamic changes and regional differences of the sand-fixing service in the Beijing-Tianjin sandstorm source region from 2000 to 2015 through multi-period RS data and GIS spatial statistical technologies. The annual amount of fixed sand and average amount of fixed sand per hectare of land served as two indicators for the changes and differences of sand-fixing service. The results indicated that, the annual amount of fixed sand nearly reached 2.90 billion tons in the study region, the average capacity of sand-fixing was 68.24 t/hm2, and the two indexes annually increased by 1.10% and 0.71%, respectively. The average sand-fixing ability in the northwest of sandstorm source region has a significantly higher level than the southeast part. Approximately 49.06% of the Beijing-Tianjin sandstorm source region generated the sand-fixing capacity higher than 70 t/hm2, and nearly 54% presented an obvious increase in the sand-fixing ability from 2000 to 2015. The Hunshadake sand subzone, the typical grassland subzone and the desert grassland subzone provided 88% of the total amount of fixed sand in the sandstorm source region, whereas the sand-fixing ability in the Jinbei mountain-hill subzone and the Yanshan mountain-hill-water source protection subzone showed higher annual increase rates. In addition, the accumulated amount of fixed sand in Xilin Gol, Chifeng and Ulanqab exceeded 77% of the total amount of sand-fixing service, however, those regions with higher sand-fixing ability are mainly located in Shuozhou and Baotou, and the lands in Beijing and Tianjin showed higher increase rates in sand-fixing abilities. Therefore, we should take differential strategies in different sand-fixing service restoration zones, and pay more attention to the improvement of sand-fixing service in the western and northern parts of the Beijing-Tianjin sandstorm source region.

Key words： sand-fixing service; revised wind erosion equation; spatial-temporal change; regional difference; Beijing-Tianjin sandstorm source control region

土地是人类赖以生存的物质基础和自然资源。由于人口数量持续增长和土地资源不合理利用,中国土地退化态势较严重[1],目前仍有荒漠化土地261.16万km2,沙化土地172.12万km2 [2]。为遏制土地退化与环境恶化趋势,中国相继实施了一系列重大生态保护与建设工程[3]。但生态系统演化与恢复是一个漫长过程,因此,及时开展生态系统状况评估与生态恢复成效监测尤为重要[4,5,6]。
京津风沙源治理工程是为遏制北京及周边地区土地沙化趋势、改善京津地区大气环境质量而实施的一项重大生态工程。一期工程（2001-2010年）已于2012年结束,二期工程（2013-2022年）也于同年实施,并将工程区范围由原来的75个县（旗、市、区）扩大至138个[7],其防风固沙成效也受到重点关注[8]。比如,巩国丽等[9]运用修正风蚀方程（RWEQ）,结合草地覆盖度变化,评估了20世纪90年代以来锡林郭勒盟的防风固沙能力变化。申陆等[10]利用RWEQ模型定量分析了2000-2010年浑善达克地区防风固沙能力变化和土壤风蚀的驱动因素。江凌等[11]基于RWEQ模型测算了2000-2010年内蒙古防风固沙量变化及其对土地利用变化的响应。此外,吴丹等[12]从生态系统结构、质量和服务功能的角度,综合评估了2000-2010年京津风沙源治理的生态效应。不过,以往研究注重局地防风固沙功能的评估分析,对全区防风固沙功能的整体变化及其内部差异揭示不足。
随着风沙源治理工程的持续实施,亟需推进分区施策治理与精准修复提升。为此,本文基于京津风沙源区遥感影像数据,采用RWEQ与GIS空间统计技术,评估分析2000-2015年京津风沙源区防风固沙功能的时空变化及其区域差异,为京津风沙源治理成效监测与二期工程分区施策治理提供参考依据。

1 研究方法与数据来源

京津风沙源区（109°30′~114°20′E、38°50′~46°40′N）位于中国北方,西起内蒙古达尔罕茂明安联合旗,东至河北省平泉县,南起山西省代县,北至内蒙古东乌珠穆沁旗。一期工程区国土面积45.8万km2 [13],涵盖北京、天津、锡林郭勒盟、乌兰察布、赤峰、承德、张家口等11地市的75个县（旗、市、区）。
京津风沙源区地貌由平原、山地和高原组成（图1）。其中,京津市区为海河平原的一部分,其西部与北部被太行山北端和燕山西部环绕,山地外侧为内蒙古高原;东部浑善达克沙地是锡林郭勒高原的重要组成部分,沙化土地广布;西部乌兰察布高原由阴山北麓的丘陵、地势平缓的凹陷地带及横贯东西的石质丘陵隆起带组成,境内多季节性河流;燕山山地和太行山地形起伏较大,地形雨较多,易造成水土流失。
Fig. 1 Altitudes and zones in the Beijing-Tianjin sandstorm source region

图1 京津风沙源区海拔及区域组成

风沙源区气候属于干旱、半干旱地区,多大风和沙尘天气,是京津地区风沙的主要来源地。此外,内蒙古高原地带性土壤以黑钙土、栗钙土、棕钙土为主,燕山山地以石灰土、石质土为主。风沙源区植被类型复杂,内蒙古高原天然植被以冷蒿、大针茅、克氏针茅和短花针茅等为主,人工植被以阔叶乔木和旱生灌木为主;燕山山地及太行山北部山地天然植被多为次生杨桦林及荆条、胡枝子、山杏等针叶灌丛,人工植被以油松为主,高海拔地带以落叶松为主[14]。
由于风沙源区地域广阔,地貌差异大,涵盖不同生物气候带和土壤类型区,为分区开展生态治理与成效评估,一般分为荒漠草原亚区、典型草原亚区、浑善达克沙地亚区、大兴安岭南部亚区、科尔沁沙地亚区、农牧交错带草原亚区、晋北山地丘陵亚区和燕山丘陵山地水源保护区等8个亚区[15]。

1.2 研究方法

防风固沙功能是指生态系统抑制或降低土壤风蚀的作用,风蚀模型是评估防风固沙功能的主要技术手段。Bangnold[16]最早建立了主要适用于流沙地表的输沙率公式。20世纪60年代,计算机以及地理信息系统、遥感等技术的发展与应用,通用风蚀方程（WEQ）[17]、德克萨斯侵蚀分析模型（TEAM）[18]、Bocharov模型[19]、RWEQ模型[20]以及风蚀预报系统（WEPS）[21]等风蚀模型被相继提出,其中,RWEQ已被广泛应用于我国土壤风蚀状况的评估[9-11,22-25]。
本文采用RWEQ模型评估京津风沙源区防风固沙功能的变化。其中,防风固沙量（SRQ）为区域年均潜在土壤风蚀量（SLp）与实际土壤风蚀量（SLr）的差值,防风固沙能力（SRA）为单位土地面积的防风固沙量,具体计算公式如下：
SRQ = 10 × ( S L p - S L r ) × A （1）
SRA = SRQ A （2）
S L p = 2 Z s p 2 × Q p max × e - ( z sp ) 2 （3）
Q p max = 109.8 × ( WF × EF × SCF × K ' ) （4）
sp = 150.71 × ( WF × EF × SCF × K ' ) - 0.3711 （5）
S L r = 2 Z s r 2 × Q r max × e - ( z sr ) 2 （6）
Q r max = 109.8 × ( WF × EF × SCF × K ' × C ) （7）
sr = 150.71 × ( WF × EF × SCF × K ' × C ) - 0.3711 （8）
式中：SRQ为防风固沙量（t/a）;A为研究区面积（hm2）;SRA为防风固沙能力（t/hm2）;SL为潜在风蚀量（kg/m2）;Qpmax为潜在风力的最大输沙能力（kg/m）;sr为潜在关键地块长度（m）;SLr为实际风蚀量（kg/m2）; Q r max 为实际风力的最大输沙能力（kg/m）;sp为实际关键地块长度（m）;z表示下风向距离（取50 m）;WF为气候因子（kg/m）;EF和SCF分别为土壤可蚀性因子和土壤结皮因子;K′和C分别为土壤糙度因子与植被因子。

1.3 参数处理

（1）气象因子
自然条件下土壤风蚀受风速、温度、降雨、太阳辐射以及降雪等气象因素影响,气象因子（WF）为各类气象因素对风蚀的综合影响,计算公式如下：
WF = Wf × ( ρ g ) × SW × SD （9）
Wf = u 2 × ( u 2 - u 1 ) 2 × Nd （10）
式中：WF为气象因子（kg/m）;Wf为风力因子（m/s3）;g为重力加速度（取9.8 m/s2）;ρ为空气密度（取气温20 ℃时1.205 kg/m3）;SW和SD分别为土壤湿度因子和雪盖因子;u1为起沙风速（取5 m/s）;u2为气象站月均风速（m/s）;Nd为各月风速大于5 m/s的天数。
气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn/）在京津风沙源区内的26个气象站[26],采用月均风速、降水、气温、日照时数等数据插值得到风力因子和土壤湿度因子。雪盖因子利用中国西部环境与生态科学数据中心（http://westdc.westgis.ac.cn）的中国雪深长时间序列数据集计算。
（2）土壤可蚀性与结皮因子
土壤可蚀性受土壤颗粒粒径及有机质、黏土、碳酸钙等含量影响,土壤表层的坚硬结皮能有效防止风蚀的发生。因此,可从土壤理化条件判别土壤可蚀性因子（EF）,土壤结皮因子（SCF）为一定土壤理化条件下土壤结皮抵抗风蚀的能力[27],计算公式为:
EF = 29.09 + 0.31 sa + 0.17 si + 0.33 ( sa cl ) - 2.59 OM - 0.95 CaC O 3 100 （11）
SCF = 1 1 + 0.0066 ( cl ) 2 + 0.021 ( OM ) 2 （12）
式中：sa为土壤粗砂含量（%）;si为土壤粉砂含量（%）;cl为土壤粘粒含量（%）;OM为土壤有机质含量（%）;CaCO3为碳酸钙含量（%）。
土壤数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心（http://westdc.westgis.ac.cn）提供的1∶100万土壤图及所附的土壤属性表和空间数据,分别采用京津风沙源区不同土壤类型及相应物质含量估算可蚀性因子与结皮因子。
（3）植被因子
植被对土壤风蚀过程有重要影响,不仅增加地表糙度而增大起沙风速,且对土壤颗粒移动有阻碍作用[28]。植被覆盖因子（C）代表植被对风蚀的抑制程度,计算公式为：
C = e - 0.0438 SC （13）
SC = NDVI - NDV I min NDV I max - NDV I min （14）
式中：SC为植被覆盖度（%）;NDVImax与NDVImin分别为NDVI的最大值和最小值。
NDVI数据来自美国地球资源观测系统数据中心的MOD13Q1产品。该数据已经过几何精纠正、辐射校正、大气校正等预处理,时空分辨率为16 d和250 m。本文对该数据集去除噪声干扰后,利用MRT投影转换工具进行投影和格式转换批处理,并采用最大值合成法获得2000-2015年NDVI数据。
（4）地表糙度因子
地形因子对风蚀过程也存在明显影响[29]。地表糙度（K′）表示农田因耕作产生块状土及土垄而对风蚀产生的影响,包括随机糙度（Crr）和土垄糙度（Kr）。由于区域尺度评估中,耕作产生的随机糙度难以获取,本文采用smith-carson方程计算土垄造成的地形起伏度来替代[30],计算公式为：
K r = 0.2 ( Δ H ) 2 L （13）
K ' = e ( 1.86 K r - 2.41 K r 0.934 - 0.127 C rr ) （14）
式中：Kr为土垄糙度（cm）;Crr为随机糙度（本次取0）; K ' 为地形糙度因子（cm）;L为地势起伏参数; Δ H 为距离L范围内海拔高度差（cm）。

2 结果分析

2.1 防风固沙功能年际变化

评估结果表明,2000-2015年京津风沙源区年均防风固沙量为24.19亿~32.84亿t,并分别于2003年和2012年达到最低值和最高值,多年平均防风固沙量为29.98亿t。评估期内京津风沙源区的年均防风固沙量波动增加（图2）,年均增速0.28亿t,且与年份变化显著正相关。2000-2015年全区防风固沙能力变动在56.97~73.98 t/hm2,多年均值为68.24 t/hm2,也与年份变化显著正相关。相对于防风固沙量,防风固沙能力的变化幅度较小（表1）,原因在于防风固沙量受防风固沙能力与评估区面积的双重影响。此外,随着年份变化,防风固沙量与固沙能力的拟合曲线逐渐接近（图2）,表明风沙源区防风固沙能力明显提升。
Table 1 Statistical variables on sand-fixing service in the Beijing-Tianjin sandstorm source region from 2000 to 2015

表1 2000-2015年京津风沙源区防风固沙功能变化统计

防风固沙功能 最大值 最小值 平均值 相关系数r 显著性Sig 年变化率/%
防风固沙量/亿t 32.84 24.19 29.98 0.611 0.012* 1.01
防风固沙能力/(t/hm2) 73.98 56.97 68.24 0.524 0.037* 0.71

注：*为P=0.05水平下显著。

Fig. 2 Changes of sand-fixing service in the Beijing-Tianjin sandstorm source region

图2 京津风沙源区防风固沙功能变化

京津风沙源治理工程实施以来,区域生态状况明显改善,植被覆盖度以年均0.32%的增速波动增加,且与防风固沙能力增加趋势基本一致（图3）,表明植被覆盖度增加对防风固沙功能的提升有积极影响。经相关性检验,二者存在一定程度的正相关（r=0.377）,但不显著（Sig=0.15>0.05）,说明区域防风固沙能力同时受到土壤、地形、风力等其他因素的影响。
Fig. 3 Changes of vegetation coverage and sand-fixing capacity in the Beijing-Tianjin sandstorm source region

图3 京津风沙源区防风固沙能力与植被覆盖变化

2.2 防风固沙功能空间变化

基于栅格单元（100 m×100 m）绘制京津风沙源区2000-2015年防风固沙能力空间分布图。结果表明,京津风沙源区防风固沙能力基本由西北向东南递减,高值区主要分布在正蓝旗、克什克腾旗、翁牛特旗、苏尼特左旗等地区,面积占风沙源区的19.64%（表2）;防风固沙能力较高区面积最大,占全区面积的29.42%,集中分布在苏尼特右旗、四王子旗、张北县以及怀仁县等区域;防风固沙能力一般区占京津风沙源区的20.95%,零散分布特征明显;另外有19.15%的防风固沙能力较低区,主要分布在丰宁县、隆化县、围场县以及林西县、巴林左旗等;而防风固沙能力低值区约有10.84%,且零散分布于喀喇沁旗、宁城县等周边地区（图4）。
Table 2 Changes of sand-fixing capacity in the Beijing-Tianjin sandstorm source region from 2000 to 2015

表2 2000-2015年京津风沙源区防风固沙能力变化

防风固沙
能力分区		 固沙能力（SRA）
分级依据/(t/hm2)		 分区面积
比例/%		 防风固沙能力
变化分区		 变化值（Δ）分级
依据/(t/hm2)		 变化区面积
比例/%
高值区 SRA≥100 19.64 明显增加区 Δ≥30 2.22
较高区 70≤SRA<100 29.42 一般增加区 5≤SRA<30 51.52
一般区 40≤SRA<70 20.95 无变化区 -5≤SRA<5 42.51
较低区 10≤SRA<40 19.15 一般降低区 -30≤SRA<-5 0.97
低值区 SRA<10 10.84 明显降低区 SRA<-30 2.78
Fig. 4 Averaged sand-fixing capacity in the Beijing-Tianjin sandstorm source region

图4 京津风沙源区多年平均防风固沙能力空间分布

相比2000年,2015年京津风沙源区有53.74%的地区防风固沙能力增加（表2）,其中,2.22%的区域防风固沙能力明显增加,主要为崇礼县、沽源县、丰宁县等;51.52%的地区防风固沙能力一般增加,广泛分布在京津风沙源区东南部的敖汉旗、宁城县、平泉县、涿鹿县、蔚县等。此外,全区有3.75%的地域防风固沙能力下降,其中,四王子旗、苏尼特右旗、苏尼特左旗和克什克腾旗的部分地区明显降低,面积约为全区的2.78%;四王子旗、苏尼特左旗、苏尼特右旗、达尔罕茂明安联合旗等西部区域,防风固沙能力一般降低,面积约占0.97%。其余42.51%的地区防风固沙能力未明显变化,主要为东乌珠穆沁旗、锡林浩特市、巴林左旗、正镶白旗、多伦县等西北部地区（图5）。可见,2000-2015年京津风沙源区东南部防风固沙能力增加明显,西部地区防风固沙能力明显下降,主要原因在于西部地区覆被多为荒漠沙地,植被覆盖度低,生态环境脆弱,被破坏的植被难以生长恢复。
Fig. 5 Changed areas of sand-fixing capacity in the Beijing-Tianjin sandstorm source region

图5 京津风沙源区防风固沙能力变化区

2.3 亚区防风固沙功能差异

从京津风沙源区8个亚区防风固沙功能差异来看（图6）,浑善达克沙地亚区防风固沙量最大（6.46亿t/a）,约占全区防风固沙量的32.32%;其次为典型草原亚区和荒漠草原亚区,年均提供5.80亿t和5.37亿t的防风固沙量;燕山丘陵山地水源保护亚区、科尔沁沙地亚区和农牧交错带草原亚区年均供给全区防风固沙量的15.64%、14.14%和14.07%;大兴安岭南部亚区的防风固沙量较低（2.01亿 t/a）,而晋北山地丘陵亚区防风固沙量最低（1.58亿 t/a）,不及防风固沙总量的7.91%。从防风固沙能力来看,浑善达克沙地亚区最高（90.09 t/hm2）,其次为荒漠草原亚区和科尔沁沙地亚区,晋北山地丘陵亚区、农牧交错带草原亚区和典型草原亚区防风固沙能力为61~75 t/hm2,大兴安岭南部亚区和燕山丘陵山地水源保护亚区的防风固沙能力较低,多年均值分别为48.08 t/hm2和44.53 t/hm2,主要由于该区域山体阻挡风力降低,裸地及沙化土地覆被少,土壤潜在风蚀风险低,因而实际发挥的固沙能力较小。
Fig. 6 Changes of sand-fixing service in eight subzones of the Beijing-Tianjin sandstorm source region

图6 京津风沙源不同亚区防风固沙功能差异

从变化趋势来看,2000-2015年京津风沙源区亚区防风固沙功能均与年份变化正相关（表3）,其中,科尔沁沙地亚区、大兴安岭南部亚区、农牧交错带草原亚区、燕山丘陵山地水源保护亚区和晋北山地丘陵亚区为显著正相关,而浑善达克沙地亚区、典型草原亚区和荒漠草原亚区的相关性不显著。为此,对亚区防风固沙功能线性拟合发现,燕山丘陵山地水源保护亚区防风固沙功能提升最大,防风固沙量和防风固沙能力分别增加681.56万t/a和0.97 t/hm2;农牧交错带草原亚区、大兴安岭南部亚区与科尔沁沙地亚区防风固沙功能的提升程度接近;虽然晋北山地丘陵亚区防风固沙能力增幅明显（0.71 t/hm2）,但受土地面积较小影响,防风固沙量仅增加145.31万t/a（表3）。
Table 3 Statistical variables on the sand-fixing services in subzones of the Beijing-Tianjin sandstorm source region

表3 京津风沙源区亚区防风固沙功能变化统计

治理分区 防风固沙量相关检验与拟合 防风固沙能力相关检验与拟合
相关系数r 显著性
Sig.		 防风固沙量
变化/(万t/a)		 相关系数r 显著性
Sig.		 防风固沙能力
变化/(t/hm2)
科尔沁沙地亚区 0.596 0.015* 218.44 0.506 0.045* 0.50
典型草原亚区 0.368 0.161 — 0.183 0.498 —
浑善达克沙地亚区 0.490 0.054 — 0.304 0.253 —
大兴安岭南部亚区 0.562 0.023* 210.00 0.534 0.033* 0.45
农牧交错带草原亚区 0.505 0.046* 291.56 0.432 0.094 0.55
燕山丘陵山地水源保护亚区 0.745 0.001** 681.56 0.745 0.001** 0.97
晋北山地丘陵亚区 0.518 0.040* 145.31 0.533 0.034* 0.71
荒漠草原亚区 0.327 0.217 — 0.121 0.657 —

注：*、**分别为0.05、0.01水平下显著,—为非线性关系下未拟合其趋势变化,下同。

2.4 地市防风固沙功能差异

京津风沙源区11个地市防风固沙功能也存在明显差异（图7）。锡林郭勒盟防风固沙量最高（14.42亿t/a）,贡献了全区防风固沙量的48.11%;其次为赤峰市（5.59亿t/a）和乌兰察布市（3.04亿t/a）,分别供给了18.64%和10.16%的防风固沙量;张家口市、承德市和包头市年均防风固沙量较高,而大同市、朔州市、北京市和忻州市年防风固沙量较低;天津市防风固沙量最低（0.08亿t/a）,不及防风固沙总量的0.26%,主要因该地区（蓟县）面积较小所致。不过,从防风固沙能力来看,朔州市最高（84.38 t/hm2）,其次为包头市（81.71 t/hm2）,锡林郭勒、乌兰察布市和大同市防风固沙能力分布在71.45~74.23 t/hm2;相比之下,北京市和承德市防风固沙能力较低,分别为46.33 t/hm2和38.21 t/hm2,主要原因是京承地区山体高大,受阻后的风力变小,加上茂密植被覆盖,土壤风蚀的风险很小,因而实际发挥的防风固沙功能较低。
Fig. 7 Municipal differences of sand-fixing service in the Beijing-Tianjin sandstorm source region

图7 京津风沙源区不同地市防风固沙功能差异

2000-2015年京津风沙源区地市防风固沙功能均与年份变化有相关性（表4）,其中,赤峰、承德、张家口、北京、天津、大同以及忻州等地市为显著正相关,包头市、乌兰察布市及朔州市的相关性不显著,虽然锡林郭勒盟防风固沙能力与年份变化不显著相关,但是受其面积影响,防风固沙量呈显著相关性,且增幅明显。对地市防风固沙功能线性拟合发现,北京市和天津市（蓟县）防风固沙能力增幅明显,但因其地域面积较小,防风固沙量增幅并不大;张家口与承德市防风固沙功能变化接近,而忻州市和赤峰市防风固沙能力增幅较小,但受地域面积影响,赤峰市防风固沙量增幅相对较大（表4）。
Table 4 Statistical variables on the sand-fixing service of cities in the Beijing-Tianjin sandstorm source region

表4 京津风沙源区地市防风固沙功能变化统计

地市 相关系数r 显著性
Sig.		 防风固沙
变化/(万t/a)		 相关系数r 显著性
Sig.		 防风固沙能力
变化/(t/hm2)
锡林郭勒盟 0.505 0.046* 1095.00 0.306 0.248 —
赤峰市 0.582 0.018* 463.13 0.525 0.037* 0.45
包头市 0.146 0.590 — –0.158 0.559 —
承德市 0.722 0.002** 368.44 0.719 0.002** 0.95
张家口市 0.717 0.002** 360.94 0.704 0.002** 0.96
乌兰察布市 0.396 0.129 — 0.225 0.403 —
北京市 0.736 0.001** 89.06 0.750 0.001** 1.05
天津市 0.718 0.002** 15.94 0.729 0.001** 1.42
大同市 0.562 0.024* 70.31 0.575 0.020** 0.78
朔州市 0.468 0.068 — 0.480 0.060 —
忻州市 0.512 0.043* 20.63 0.532 0.034* 0.56

3 结论与讨论

3.1 结论

研究表明,2000-2015年京津风沙源区防风固沙功能明显提升,年均防风固沙量为28.98亿t,防风固沙能力达68.24 t/hm2,且呈西北高、东南低的空间格局,近一半地区防风固沙能力高于全区平均值;相比2000年,2015年东南部地区防风固沙能力增加明显,而西部地区防风固沙能力有所下降,需要重点加以关注。此外,浑善达克沙地亚区、典型草原亚区和荒漠草原亚区是防风固沙功能的主要供给区,评估期内燕山丘陵山地水源保护亚区和晋北山地丘陵亚区的防风固沙能力提升显著。从地市来看,锡林郭勒盟、赤峰市和乌兰察布市是防风固沙功能的主要供给区,不过朔州市与包头市防风固沙能力较高,京津冀地区防风固沙能力增速最明显,未来需重点提升北部和西部地区防风固沙功能。
为此,建议将京津风沙源区依据区域防风固沙能力、提升潜力以及生态功能定位划分为重点提升区、生态维护区与综合优化区,并施以不同的管理措施。重点提升区以目前防风固沙能力较低且有较大提升潜力的西部与北部区域为主,加大生态工程治理力度,高效提升区域防风固沙功能;生态维护区集中在目前防风固沙能力较高且生态恢复效果较稳定区域,逐步减少生态工程治理与人工干扰措施,增强生态系统的自然演替;综合优化区分布在土壤风蚀风险较低且需保障综合生态功能的区域,比如张家口—承德地区,重点优化水源涵养、水土保持、防风固沙等生态屏障功能,恢复与维护丰富多样的生态系统。

3.2 讨论

本文评估分析了2000-2015年京津风沙源区防风固沙功能的变化及其区域差异,结果发现,京津风沙源区防风固沙功能有所提升,这与滑永春等[31]、吴丹等[12]研究认为京津风沙源区土地沙化状况已有所改善的结论一致。此外,测算京津风沙源区防风固沙能力多年均值为68.24 t/hm2,略高于江凌等[11]估算2000-2010年内蒙古生态系统年均防风固沙48.80 t/hm2的结果,原因可能与内蒙古北部地区防风固沙能力较小有关。此外,本研究统计典型草原亚区防风固沙能力均值为61.04 t/hm2,与巩国丽等[9]测算内蒙古典型草原区防风固沙能力50~70 t/hm2的结果一致。不过,本文中浑善达克沙地亚区防风固沙能力均值为90.09 t/hm2,高于申陆等[10]评估浑善达克沙地防风固沙功能区的结论,主要原因是后者研究区包括浑善达克沙地亚区以及丰宁、围场、张北等风蚀低风险地区,降低了区域防风固沙能力的均值。此外,京津风沙源区防风固沙功能的变化,不仅受风沙源治理工程的影响,而且与气象条件的波动有一定关系,未来研究应重点关注该区域防风固沙功能与工程布局、措施以及气象波动之间的关系解析。
不过,RWEQ模型是美国农业部20世纪80年代建立的经验模型,计算参数均来源于美国大平原的统计值,缺乏一定的理论与物理过程基础[32],且具有很强的地域性,比如土壤粒径分类系统、管理措施以及可蚀性边界等,具体应用时需进行修正。本文在借鉴前人研究成果基础上[9,10,11],采用了中国北方沙化地区修正后的关键参数和计算公式。为满足模型对数据空间和时间分辨率的要求,对部分输入参数进行了插值处理,可能导致评估结果的误差与不确定性,未来需要进一步完善与验证。此外,RWEQ模型在风蚀因子分类与相互影响方面存在不足,以至于风蚀影响因子仅是特定区域的经验表达,不具有普适性的风蚀动力学理论基础[33]。因此,重新构建具有理论基础与广泛适用性的土壤风蚀模型势在必行。

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