土壤风蚀是浑善达克地区面临的重要生态环境问题,防风固沙功能大小决定了整个区域的生态安全程度.为了阐明浑善达克功能区防风固沙情况,指导区域的荒漠化防治,本文基于气象数据、遥感数据,利用修正风蚀方程模型(RWEQ)定量分析2000—2010年浑善达克防风固沙功能区防风固沙能力的时空变化格局,并通过主成分分析方法分析了功能区各县(旗)土壤风蚀的主要影响因素.结果表明: 研究期间,浑善达克防风固沙能力随时间产生波动,总量呈下降趋势;单位面积防风固沙功能较强的地类有落叶针叶林和草原;功能区西部和东南部区域的防风固沙功能较弱,需要加强生态修复力度;对功能区内各行政区进行社会驱动力分析得出,土壤风蚀的3个主要社会驱动力分别为投入产出强度、经济发展水平和农牧业发展水平.
Soil erosion is an important ecological and environmental problem in Hunshandake Desert, and the sandfixing function determines the degree of ecological security in the entire region. In order to clarify the situation of windbreak and sand fixation in Hunshandake area, and to guide the prevention and treatment of desertification on regional scale, based on the meteorological and remote sensing data, this paper quantitatively analyzed the temporal and spatial pattern of windbreak and sand fixation ability between 2000-2010 by the revised wind erosion equation (RWEQ) model, meanwhile, the driving forces for each county (or banner) in the functional zone were analyzed with the method of principal component analysis. The results showed that there was a fluctuation of the sand fixing capacity in Hunshandake over time, generally rendering a decline trend. The coniferous forest and grassland had strong windbreak and sand fixation capacity in unit area among the various land categories. In terms of spatial distribution, the windbreak and sand fixation function in western and southeastern region was weak and needed to be strengthened with ecological restoration efforts. Through the study of the social driving forces of each administrative region in the function zone, there were 3 main social driving forces of soil erosion in the administrative functions: the intensity of inputoutput, the level of economic development and the level of agriculturehusbandry development.
全 文 :浑善达克沙漠化防治生态功能区防风固沙
功能的时空变化及驱动力
申 陆1,2 田美荣2∗ 高吉喜2 钱金平1
( 1河北师范大学资源与环境科学学院, 石家庄 050016; 2环境保护部南京环境科学研究所, 南京 210042)
摘 要 土壤风蚀是浑善达克地区面临的重要生态环境问题,防风固沙功能大小决定了整个
区域的生态安全程度.为了阐明浑善达克功能区防风固沙情况,指导区域的荒漠化防治,本文
基于气象数据、遥感数据,利用修正风蚀方程模型(RWEQ)定量分析 2000—2010 年浑善达克
防风固沙功能区防风固沙能力的时空变化格局,并通过主成分分析方法分析了功能区各县
(旗)土壤风蚀的主要影响因素.结果表明: 研究期间,浑善达克防风固沙能力随时间产生波
动,总量呈下降趋势;单位面积防风固沙功能较强的地类有落叶针叶林和草原;功能区西部和
东南部区域的防风固沙功能较弱,需要加强生态修复力度;对功能区内各行政区进行社会驱
动力分析得出,土壤风蚀的 3个主要社会驱动力分别为投入产出强度、经济发展水平和农牧
业发展水平.
关键词 修正风蚀方程模型; 防风固沙; 时空变化; 驱动力
Spatio⁃temporal change of sand⁃fixing function and its driving forces in desertification con⁃
trol ecological function area of Hunshandake, China. SHEN Lu1,2, TIAN Mei⁃rong2∗, GAO Ji⁃
xi2, QIAN Jin⁃ping1 (1College of Resource and Environmental Sciences, Hebei Normal University, Shi⁃
jiazhuang 050016, China; 2Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental
Protection, Nanjing 210042, China) .
Abstract: Soil erosion is an important ecological and environmental problem in Hunshandake De⁃
sert, and the sand⁃fixing function determines the degree of ecological security in the entire region.
In order to clarify the situation of windbreak and sand fixation in Hunshandake area, and to guide
the prevention and treatment of desertification on regional scale, based on the meteorological and re⁃
mote sensing data, this paper quantitatively analyzed the temporal and spatial pattern of windbreak
and sand fixation ability between 2000-2010 by the revised wind erosion equation (RWEQ) mod⁃
el, meanwhile, the driving forces for each county (or banner) in the functional zone were analyzed
with the method of principal component analysis. The results showed that there was a fluctuation of
the sand fixing capacity in Hunshandake over time, generally rendering a decline trend. The coni⁃
ferous forest and grassland had strong windbreak and sand fixation capacity in unit area among the
various land categories. In terms of spatial distribution, the windbreak and sand fixation function in
western and southeastern region was weak and needed to be strengthened with ecological restoration
efforts. Through the study of the social driving forces of each administrative region in the function
zone, there were 3 main social driving forces of soil erosion in the administrative functions: the in⁃
tensity of input⁃output, the level of economic development and the level of agriculture⁃husbandry
development.
Key words: revised wind erosion equation (RWEQ) model; sand⁃fixing effect; spatio⁃temporal
change; driving force.
本文由国家环境保护公益性行业科研专项(201409055)和中央级公益性科研院所基本科研业务专项资助 This work was supported by the Nation⁃
al Environmental Protection Public Welfare Industry Research Special Fund (201409055) and the Central Level, Scientific Research Institutes for Basic
R&D Special Fund.
2015⁃04⁃17 Received, 2015⁃10⁃27 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: tianmeirong007@ 163.com
应 用 生 态 学 报 2016年 1月 第 27卷 第 1期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2016, 27(1): 73-82 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201601.015
浑善达克防风固沙功能区属于我国重点生态功
能区[1],是北方生态屏障的重要组成部分,是“京津
冀”风沙源治理工程的重点区域,国家投入大量的
人力、物力、财力对其进行风沙化治理.该区地处北
方农牧交错带[2],气候条件恶劣,生态系统十分脆
弱[3],抗干扰能力较弱,成为我国学者研究风沙化
理论和治理的典型区域,主要包括沙地气候变化、土
地沙漠化与监测、沙地植被、草原生态修复与生态效
率评估等方面研究并取得了诸多成果,如刘树林
等[4-5]通过 GIS技术和野外调查结合方式对浑善达
克沙地土地沙漠化过程进行研究,并提出了防治区
划方案和治理对策;敖艳红等[6]通过遥感监测手段
分析了浑善达克沙地 20 多年植被和土地覆盖的变
化情况;范宁宁等[7]研究了浑善达克沙地植被恢复
过程中对土壤理化性质的影响;高凯等[8]研究了沙
地 14种植物的热值特征,为沙地能用植物筛选提供
了参考;张宝林等[9]分析了浑善达克沙地的温度和
降水的时空特征;孟庆华[10]利用生态足迹的方法,
对浑善达克沙地生态效率进行了计算分析.
浑善达克地区由于其较恶劣的自然环境造成了
生态恢复具有较大难度,如何有效提升生态治理效
率成为亟需解决的问题.应用风蚀模型分析防风固
沙功能的时空分布特征,可以从时间上反映防风固
沙能力变化、从空间上反映出防风固沙功能较弱地
区范围,进而指引生态治理工程有针对性的投入,成
为有效分析区域防风治沙的前提.风蚀模型是防风
固沙功能分析的技术手段,英国科学家 Bangnold[11]
提出的输沙率方程是最早的风蚀模型.随着地理信
息系统、遥感、模型模拟等技术的发展与综合应用,
基于统计和经验的风蚀模型研究也随之发展[12],相
继提出了通用风蚀方程(WEQ) [13]、基于风速廓线
发育的德克萨斯侵蚀分析模型(TEAM) [14]、涉及人
类活动因素的 Bocharov模型[15]、修正风蚀方程模型
(RWEQ) [16-17]以及以过程为基础的风蚀预报系统
(WEPS) [18]等主要风蚀模型.国内学者应用风蚀模
型进行了诸多的研究与探讨,并通过试验提出了各
自的模型[19],对塔里木河下游防风固沙[20]、黑河下
游[21]等地区防风固沙功能进行评估等[22-23] .其中,
RWEQ模型充分考虑气候条件、植被覆盖状况、土
壤可蚀性、土壤结皮、地表粗糙度等因素,经验证,通
过参数的修正和公式调整可以应用到我国北方草地
风蚀评估中,如巩国丽等[24]应用 RWEQ 模型分析
了锡林郭勒盟防风固沙服务功能的时空变化趋势,
取得较好结果.为此,本文应用 RWEQ 模型,估算
2000、2005和 2010 年浑善达克防风固沙功能区防
风固沙量以及功能区内不同生态系统的防风固沙能
力,并应用主成分分析方法分析影响生态功能的关
键因素,以期为未来生态治理提供针对性方案、提高
生态修复效率、以及实现生态恢复与持续发展提供
科学依据.
1 研究地区与研究方法
1 1 研究区概况
浑善达克沙地防风固沙功能区位于内蒙古自治
区与河北省境内、内蒙古高原东部、阴山北麓,功能
区大部分地区位于 40.7°—45.5° N、111.1°—118.5°
E (图 1),地势东南高西北低,东北部多河流,总面
积约为 16.81×104 km2 .行政区包括克什克腾旗、阿
巴嘎旗、苏尼特左旗、苏尼特右旗、太仆寺旗、镶黄
旗、正镶白旗、正蓝旗、多伦县、丰宁满族自治县、围
场满族蒙古族自治县、张北县、康保县、沽源县、尚
义县.
浑善达克沙地防风固沙功能区属于中纬度半干
旱、干旱大陆性季风气候,由东南边缘的半湿润地区
经半干旱地区进入西部的干旱气候区.热量和蒸发
量从西北向东南递减.冬季漫长寒冷,夏季短促温热
少雨,降水主要集中在 7—9月,约占全年降雨量的
80%~90%,降水季节分配不均,年变化率大.主要灾
害性天气有干旱、冰雹、寒流、大风及沙尘暴[25] .沙
漠化是浑善达克沙地面临的主要环境问题[26] .位于
防风固沙功能区中部的浑善达克沙地在地质构造上
为发生于第三纪初及第三纪与第四纪的地堑式凹陷
带,沙地形成的物质基础主要为断陷疏松的湖相砂
页岩、薄层灰岩、泥岩及细砂岩[27] .
1 2 RWEQ模型方法
在充分考虑气候条件、植被覆盖状况、土壤可蚀
图 1 浑善达克防风固沙功能区地形图
Fig.1 Topographic map of Hunshandak sand⁃fixing area.
47 应 用 生 态 学 报 27卷
性、土壤结皮、地表粗糙度等要素情况下,采用修正
风蚀方程模型(RWEQ)评估土壤风蚀量.其中,潜在
风蚀量和防风固沙量的计算公式如下:
SL= 2z
S2
Qmax·e
-( z / s) 2
S′= 150.71×(WF×EF×SCF×K′×C) -0.3711
Q′max = 109.8×(WF×EF×SCF×K′×C)
SR= 2z
S2
Qmax·e
-( z / s) 2
S= 150.71×[WF×EF×SCF×K′×(1-C)] -0.3711
Qmax = 109.8×[WF×EF×SCF×K′×(1-C)]
式中:SL 为计算风蚀量(kg·m-2);SR 为防风固沙
量( kg·m-2);S′为潜在区域侵蚀系数;S 为区域
防风固沙系数; Q′max 为潜在风蚀最大转移量
(kg·m-1);Qmax为风沙滞留量(kg·m
-1);C 为植被
覆盖度;WF 为气象因子;EF 为土壤可蚀性因子;
SCF为土壤结皮因子;K′为地表粗糙度因子.
1 2 1气象因子 气象因子的计算公式如下:
WF=WE× ρ
g
×SW×SD
WU=u2×(u2-u1) 2×Nd
SW=
ETp-(R+I)(Rd / Nd)
ETp
式中:WF 为气象因子;WE 为风场强度因子;ρ 为空
气密度(kg·m-3);g为重力加速度(m·s-2);SW为
土壤湿度因子;SD为雪盖因子(无积雪覆盖天数 /研
究总天数,定义雪盖深度 < 25. 4 mm 为无积雪覆
盖[28];u2为监测风速 ( m· s
-1 ); u1 为起沙风速
(m·s-1);Nd为计算周期天数;R 为平均降水量; I
为灌溉量(本文取 0);ETp为潜在蒸发量,采用辐射
估算法计算[29-31] .
ETp = 0.7×
Δ
Δ+γ
×
Rs
λ
γ= 1.013
×10-3×P
0.622λ
λ= 2.501-0.002361T
P= 101× 293
-0.0065h
293
æ
è
ç
ö
ø
÷
5.26
Δ=
4096×[0.6108×exp( 17.27T
T+273.3
)]
(T+273.3) 2
式中:Rs为太阳辐射(MJ·m
-2·d-1);Δ为饱和水汽
压与气温曲线的斜率( kPa·℃ -1);γ 为干湿表常
数;λ为蒸发的潜热系数;P 为大气压 (kPa);T 为
平均气温(℃);h为海拔(m).
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)提供的国家台站数据.月平
均风速、月平均降水、月平均温度、月平均日照时数
通过计算获得,并应用 ArcGIS软件的 Natural Neigh⁃
bor插值方法进行插值.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)
提供的中国雪深长时间序列数据集[32-33]进行计算,
该数据集提供了 1978—2010 年的积雪厚度分布数
据,时间分辨率为日,空间分辨率为 25 km.起沙风速
数据参考文献[34-37].
1 2 2土壤可蚀性因子 土壤可蚀性因子的计算公
式如下:
EF= [ 29. 09 + 0. 31sa + 0. 17si + 0. 33 ( sa / cl) -
2 59OM-0 95C] / 100
式中:EF为土壤可蚀因子;sa为土壤粗砂含量;si为
土壤粉砂含量;cl为土壤黏粒含量;OM 为有机质含
量;C为土壤中 CaCO3含量.
1 2 3土壤结皮因子 土壤结皮因子的计算公式
如下:
SCF= 1 / (1+0.0066cl2+0.021OM2)
式中:SCF为土壤结皮因子;cl 为土壤黏粒含量;OM
为有机质含量.土壤颗粒含量、有机质含量数据和土
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
图以及所附的土壤属性表[38] .
1 2 4地表粗糙度因子 地表粗糙度因子(k′)的计
算公式如下:
k′=cosα
式中:α为地形坡度,根据中国 10 km 地形图利用
ArcGIS软件 Slope工具实现.
1 3 驱动力分析方法
根据任志远等[39]提出的区域土地利用 /土地覆
盖变化驱动力指数评价方法,依据不同驱动力与各
指标的联系,确定各指标的权重矩阵 N,然后计算驱
动力指数[40-42]:
F=XNT
式中:F为驱动力指数;X为指标矩阵要通过归一化
处理;NT为各类指标权重矩阵.数据均来源于内蒙古
自治区和河北省政府发布的统计年鉴.
沙漠化的发展受到气候变化与人类活动共同影
响[43] .本文综合浑善达克防风固沙功能区内 15 个
县(旗)的年统计指标,通过主成分分析法(PAC)、
聚类分析方法从经济社会的角度分析该地区土地利
571期 申 陆等: 浑善达克沙漠化防治生态功能区防风固沙功能的时空变化及驱动力
用的社会驱动力,归纳关键因子.在计算驱动力指数
的基础上,以行政县(旗)为单元,应用研究区的驱
动力指数矩阵进行聚类分析,可以获得反映各个行
政县土地利用景观变化的主要驱动力,用以探讨研
究区内不同驱动因子的空间异质性[44] .
2 结果与分析
2 1 防风固沙功能的时空变化
2 1 1功能区防风固沙总量 应用 RWEQ模型对浑
善达克防风固沙功能区进行防风固沙总量计算,获
得浑善达克防风固沙功能区防风固沙总量及变化率
数据和功能区防风固沙功能强度分布图(图 2).
研究区 2000年浑善达克防风固沙功能区防风
固沙量最高,达 26485.1×104 t,2005 年防风固沙总
量最低,为 18969.5 × 104 t,2005 年较 2000 年防风
固沙总量减少了 28. 4%;2010 年防风固沙总量约
21218.6×104 t,较 2005 年增长了 11.9%,与 2000 年
相比,防风固沙总量减少了 19.9%.研究期间,浑善
达克防风固沙区防风固沙总量呈波动式减少趋势.
从浑善达克防风固沙功能强度分布图(图2)可
图 2 不同年份浑善达克防风固沙功能区防风固沙功能分布
Fig. 2 Distribution of sand⁃fixing function in Hunshandake
sand⁃fixing area in different years (kg·m-1·a-1).
知,2000—2010年,功能区全年防风固沙总量偏低
的区域不断增加,主要分布在功能区西部和东北部
地区,并呈现向西北和中部地区蔓延的趋势;受到位
于中部的浑善达克沙地的影响,中部和东北部地区
防风固沙量不断减少,防风固沙能力较低的区域逐
渐扩大并连接成片,使原功能区东北部固沙能力较
强的地区受到侵蚀,防风固沙功能减弱.2010 年,功
能区东北部边缘防风固沙功能有所好转,南部地区
防风固沙能力提高显著,主要集中在张北县、沽源县
和丰宁满族自治县.
2 1 2不同行政区防风固沙功能及变化 受到气
候、植被盖度、土壤类型、人类活动等诸多因素的影
响,不同行政区位的防风固沙功能具有差异性.本文
应用 RWEQ模型对浑善达克防风固沙功能区内各
行政单位(县、旗)进行分析统计(图 3、图 4).总体
来看,阿巴嘎旗、苏尼特右旗、正蓝旗、丰宁满族自治
县防风固沙功能较好,防风固沙总量较多. 2000—
2005年,只有尚义县、张北县、丰宁满族自治县和围
场满族蒙古族自治县防风固沙总量小幅增加,其他
行政县区均减少,其中,苏尼特右旗、镶黄旗、苏尼特
左旗防风固沙总量减幅最大,分别减少了 66.7%、
65.1%、57.1%.2005—2010 年,苏尼特左旗、苏尼特
右旗、围场满族蒙古族自治区、阿巴嘎旗防风固沙量
减少现象突出,分别减少 57. 1%、24. 9%、17 6%、
17 4%;其他行政县区防风固沙总量均有增加,
其中,康保县、镶黄旗、沽源县、太仆县、丰宁满族自
图 3 浑善达克各行政区不同年份固沙量
Fig. 3 Amount of sand fixation in different administration
regions of Hunshandake in different years.
a) 克什克腾旗 Keshiketeng Banner; b) 阿巴嘎旗 Abaga Banner; c)
多伦县 Duolun County; d) 苏尼特左旗 Sonid Zuo Banner; e) 苏尼特
右旗 Sonid You Banner; f) 太仆寺旗 Taipusi County; g) 镶黄旗 Xiang⁃
huang Banner; h) 正蓝旗 Zhenglan Banner; i) 正镶白旗 Zhengxiang⁃
bai Banner; j) 沽源县 Guyuan County; k) 康保县 Kangbao County; l)
尚义县 Shangyi County; m) 张北县 Zhangbei County; n) 丰宁满族自
治县 Fengning Man Autonomous County; o) 围场满族蒙古族自治县
Fengning Man Autonomous County. 下同 The same below.
67 应 用 生 态 学 报 27卷
图 4 不同时期各行政区防风固沙功能变化
Fig.4 Changes of sand⁃fixing function in different administra⁃
tive regions in different periods.
治县增幅较大,分别为 153. 2%、117. 7%、100. 4%、
79 7%、62.7%.2000—2010 年,张北县、丰宁满族自
治县、康保县、沽源县、尚义县防风固沙总量增加量
显著,分别增加了 70. 0%、68. 9%、52. 0%、49. 5%、
47 8%;苏尼特右旗、苏尼特左旗、阿巴嘎旗、镶黄旗
防风固沙总量明显减少,分别减少 85.7%、67.8%、
33.4%、24.1%.
2 2 不同土地利用各类型的防风固沙量分布特征
不同土地类型的地理分布和发展演化受到自然
条件和人类活动的影响,同时不同地类也影响着防
风固沙功能[45] .
浑善达克防风固沙功能区主要土地利用类型有
旱地(S1)、建筑用地(S2) (包括交通用地、工业用
地、居住用地、采矿场用地)、沙漠 /沙地(S3)、草原
(S4)(包括草丛)、稀疏草地(S5)、草甸( S6)、湿地
(S7)(草本沼泽、草本湿地)、落叶阔叶灌木林(S8)、
常绿针叶林( S9)、落叶阔叶林( S10 )、落叶针叶林
(S11)、常绿针叶灌木林(S12)、稀疏灌木林(S13)、稀
疏林(S14)和园地(S15) .2000—2010年,研究区沙地
表 1 不同时期浑善达克各土地类型面积变化率
Table 1 Change rate of area of different land use types in
Hunshandake in different periods (%)
土地利用类型
Land use type
2000-2005 2005-2010 2000-2010
S1 0.3 0.7 1.0
S2 9.6 16.1 27.2
S3 3.0 2.9 5.9
S4 -0.3 -0.5 -0.8
S5 0 3.4 3.4
S6 1.1 1.5 2.6
S7 -13.7 -3.5 -16.8
S8 0 0.2 0.2
S9 -0.3 -0.6 -0.8
S10 0.7 2.1 2.7
S11 0 0 0
S12 0 0 0
S13 5.4 -16.2 -11.6
S14 0 0 0
S15 0 33.4 33.4
S1: 旱地 Dryland; S2: 建筑用地 Construction land; S3: 沙地 Sandy
land; S4: 草原 Grassland; S5: 稀疏草地 Sparse grassland; S6: 草甸
Meadow steppe; S7: 湿地 Wetland; S8: 落叶阔叶灌木林 Deciduous
broad⁃leaved shrub forest; S9: 常绿针叶林 Evergreen coniferous forest;
S10: 落叶阔叶林 Deciduous broad⁃leaved forest; S11: 落叶针叶林 De⁃
ciduous conifer forest; S12:常绿针叶灌木林 Coniferous evergreen shrub
forest; S13: 稀疏灌木林 Sparse shrubbery forest; S14: 稀疏林 Sparse
forest; S15: 园地 Garden. 下同 The same below.
和建筑用地的面积显著增加,稀疏草地、落叶阔叶林
面积有所增加但变化不大;草原、湿地、常绿针叶林、
稀疏灌木林面积持续减少;稀疏林、落叶针叶林、常
绿针叶灌木林面积基本未发生改变(表 1).可见,10
年间功能区内植被盖度高、系统稳定性强、具有较强
防风固沙功能的生态系统面积在不断减少;防风固
沙功能低、系统稳定性较差、不利于降尘固沙的生态
系统面积在增加,严重影响着功能区的防风固沙
功能.
由表 2 可见,2000—2005 年,除落叶阔叶灌木
林、落叶阔叶林防风固沙总量有限增加外,其他地类
的防风固沙总量均减少,其中,稀疏灌木林、稀疏
林、常绿针叶灌木林、沙漠 /沙地、草本湿地、园地减
少量尤为严重,分别减少了 89.4%、84.4%、38.4%、
36 583%、29.5%、29.4%;2005—2010 年,大部分地
类的防风固沙量有所增加,但沙漠 /沙地、草原、稀疏
草地、稀疏灌木林、稀疏林的防风固沙量仍在减少,
其中,稀疏灌木林、常绿针叶灌木林减少量尤为突
出,分别减少 85.5%和 73.9%;2000—2010 年,落叶
针叶林、落叶阔叶灌木林、旱地的防风固沙量增加显
著,分别增加了 84.9%、47.6%、42.2%,稀疏灌木林、
稀疏林、常绿针叶灌木林减少量突出,分别减少
771期 申 陆等: 浑善达克沙漠化防治生态功能区防风固沙功能的时空变化及驱动力
表 2 浑善达克不同地类防风固沙单位面积量、总量及其变化率
Table 2 Sand⁃fixing per unit area and total amount of sand fixation and change rate on different land types in Hunshandake
土地利用
类型
Land use
type
2000年
单位固沙量
W in 2000
(t·km-2)
2000年
固沙总量
T in 2000
(×104 t)
2005年
单位固沙量
W in 2005
(t·km-2)
2005年
固沙总量
T in 2005
(×104 t)
2010年
单位固沙量
W in 2010
(t·km-2)
2010年
固沙总量
T in 2010
(×104 t)
变化率
Change rate during (%)
2000-2005 2005-2010 2000-2010
S1 1574.55 2682.40 1347.41 2307.31 2212.21 3815.62 -14.0 65.4 42.2
S2 6001.06 175.01 4054.96 143.32 5090.81 224.94 -18.1 57.0 28.5
S3 1102.66 624.99 659.55 384.91 586.62 352.21 -38.4 -8.5 -43.6
S4 2801.69 17509.43 2597.18 11013.46 3004.73 10485.14 -37.1 -4.8 -40.1
S5 1478.58 467.82 1098.77 347.65 870.20 284.73 -25.7 -18.1 -39.1
S6 1751.55 744.06 1284.29 551.73 1385.26 603.98 -25.8 9.5 -18.8
S7 3224.55 77.67 2511.48 54.74 3858.71 82.60 -29.5 50.9 6.4
S8 1889.22 1869.57 1997.50 1977.53 2781.01 2758.76 5.8 39.5 47.6
S9 2126.32 308.74 2035.09 294.68 2172.51 312.84 -4.6 6.2 1.3
S10 1761.48 1595.19 1777.82 1620.66 2131.08 1982.76 1.6 22.3 24.3
S11 2396.73 21.09 2504.54 22.04 4432.48 39.01 4.5 77.0 84.9
S12 668.22 3.74 423.76 2.37 177.57 0.99 -36.6 -58.1 -73.4
S13 754.24 38.92 76.14 4.14 13.19 0.60 -89.4 -85.5 -98.5
S14 1484.53 0.59 232.19 0.09 60.55 0.02 -84.4 -73.9 -95.9
S15 2730.51 5.53 1632.22 3.90 2071.63 5.82 -29.4 49.4 5.4
W: 单位固沙量 Sand⁃fixing per unit area; T: 固沙总量 Total amount of sand fixation.
98 5%、95.9%、73.4%.
研究区单位面积防风固沙功能较好的地类为建
筑用地、园地、草原、常绿针叶林、落叶针叶林和湿
地,说明植被盖度较高、系统稳定性强的土地类型的
防风固沙效果较好;其中建筑用地受到人为因素的
影响,改变了地表环境直接影响到防风固沙能力.
2000年到 2010 年十年间,落叶针叶林、落叶阔叶灌
木林、旱地、落叶阔叶林单位面积防风固沙功能增加
量明显,分别增加了 84.9%、47.2%、40.5%、21.0%;
稀疏灌木林、稀疏林、常绿针叶灌木林、沙漠 /沙地等
生态系统单位面积防风固沙功能减弱突出,分别减
少 98.3%、95.9%、73.4%、46.8%.
研究期间,旱地、建筑用地、落叶阔叶灌木林、湿
地、落叶阔叶林面积增加,单位面积防风固沙量功能
增强,防风固沙总量增加,防风固沙功能较好.稀疏
草地、草甸虽然面积有所增加,但单位面积防风固沙
功能严重下降,导致防风固沙总量下降,防风固沙功
能下降.落叶阔叶灌木林、落叶针叶林、常绿针叶灌
木林面积基本没有变化,单位面积防风固沙功能增
强,防风固沙总量总体上升.常绿针叶林、稀疏林面
积基本没有变化,但单位面积防风固沙功能退化,防
风固沙功能减弱,防风固沙总量减少.草原、稀疏灌
木林在面积减少、单位面积防风固沙能力降低的双
重影响下,防风固沙总量下降明显.园地属人工生态
系统,受到人为因素的影响较强,面积和单位面积防
风固沙能力均呈现波动态势.
2 3 防风固沙功能驱动力
本文依据指标的相关性选取能反映区域经济发
展状况的指标,包括:年末总人口(X1)、乡村劳动力
(X2)、农村人口(户数) (X3)、国内生产总值(X4)、
工业总值(X5)、农林牧渔业总产值(X6)、农牧民人
均纯收入(X7)、全社会固定资产投资(X8)、农牧业
机械总动力(X9)、化肥施用量(X10)、农村用电量
(X11)、农作物播种总面积 ( X12 )、粮食总产量
(X13)、猪牛羊产量(X14)、各类在校生人数(X15)、
医院卫生院床位数(X16)共 16 个指标.首先进行主
成分分析,确定其中的主导成分(表 3).定义特征值
>1的成分数据作为主成分,得出 3 个主成分(PC1、
PC2、PC3),对其进行对应特征向量分析,以明确 3
个主要成分所代表的综合意义.
根据主成分因子载荷矩阵(表 4)分析 15 个行
政县(旗)的 16 个指标对 3 个主成分[投入产出强
度(PC1)、经济发展水平( PC2)、农牧业发展水平
(PC3)]的贡献度.投入产出指标包括:年末总人口、
乡村劳动力、国内生产总值、工业总值、农林牧渔业
总产值、农牧民人均纯收入、全社会固定资产投资、
农牧业机械总动力、化肥施用量、农村用电量、粮食
总产量、各类在校生人数、医院卫生院床位数.经济
发展水平指标包括:国内生产总值、工业总值、农牧
民人均纯收入、全社会固定资产投资.农牧业发展水
平指标包括:农村人口(户数)、农作物播种总面积、
猪牛羊产量.
87 应 用 生 态 学 报 27卷
表 3 主成分分析成分矩阵
Table 3 Component matrix of PAC
指标
Index
特征值
Eigenvalue
偏差
Deviation
(%)
累计贡献度
Cumulative
contribution (%)
X1 11.163 69.77 69.77
X2 2.142 13.39 83.15
X3 1.239 7.74 90.90
X4 0.690 4.31 95.21
X5 0.279 1.74 96.95
X6 0.183 1.15 98.10
X7 0.128 0.80 98.90
X8 0.096 0.60 99.49
X9 0.055 0.34 99.84
X10 0.012 0.08 99.91
X11 0.009 0.06 99.97
X12 0.004 0.02 99.99
X13 0 0.003 99.99
X14 0 0.001 100
X15 0 0 100
X16 0 0 100
X1: 总人口 Population; X2: 乡村劳动力 Rural labor force; X3: 农村
人口 Rural population; X4: 国内生产总值 GDP; X5: 工业总值 Gross
industrial output value; X6: 农林牧渔业总产值 GDP of primary indus⁃
try; X7: 农牧民人均纯收入 Net income of rural residents per capita;
X8: 全社会固定资产投资 Fixed assets investment; X9: 农牧业机械总
动力 Total power of agricultural machine; X10: 化肥施用量 Chemical
fertilizer application; X11: 农村用电量 Rural electricity consumption;
X12: 农作物播种总面积 Crop area; X13: 粮食总产量 Total grain
yield; X14: 猪牛羊产量 Oxenandrams yield; X15: 各类在校生人数
Students enrollment; X16: 医院卫生院床位数 Hospital beds. 下同 The
same below.
表 4 特征载荷矩阵
Table 4 Loading matrix
指标
Index
主成分 1
PC1
主成分 2
PC2
主成分 3
PC3
X1 0.292 -0.120 0.064
X2 0.289 -0.148 0.056
X3 0.217 0.041 -0.533
X4 0.197 0.476 -0.172
X5 0.125 0.596 -0.094
X6 0.286 -0.133 0.119
X7 -0.185 0.356 0.167
X8 0.233 0.342 -0.135
X9 0.282 -0.102 0.040
X10 0.287 -0.051 0.157
X11 0.287 0.014 0.203
X12 0.243 -0.208 -0.311
X13 0.249 -0.147 -0.207
X14 0.176 0.159 0.608
X15 0.288 -0.038 0.181
X16 0.284 0.124 0.025
对 15个县(旗)的 16 个指标进行标准化矩阵
与成分载荷矩阵利用矩阵卷积得到能够反映各行政
单位投入产出强度、经济发展水平、畜牧业发展水平
3 类因子的社会驱动力矩阵,并对其进行聚类分
析[46] .结果表明,主要驱动力受投入产出强度影响
的县(旗),地区资源空间配置较好,农业和种植业
较发达,主要包括丰宁满族自治县、张北县、克什克
腾旗、围场满族蒙古族自治县;主要受经济发展水平
影响的县(旗),经济发展水平和发展方向、产业结
构和资源利用情况主要影响当地土地利用状况,主
要包括康保县、沽源县、太仆寺旗、尚义县;主要受农
牧业发展水平影响的县(旗),农业耕地面积和耕种
模式、牧业发展水平与放牧密度深刻影响着当地社
会生态状况,有阿巴嘎旗、多伦县、正蓝旗、正镶白
旗、镶黄旗、苏尼特左旗、苏尼特右旗.
2 4 不同驱动力下的防风固沙措施
受不同自然条件和社会驱动力影响,各区域应
结合地区自身发展特点,改善地区环境、增强防风固
沙功能,实现“三生” (生产、生活、生态)与“三效”
(经济效益、生态效益、社会效益)的有机结合.主要
驱动力受投入产出强度影响的地区,应充分利用较
好的空间配置,提高农业和种植业的科技生产成分,
在选种、种植、灌溉和施肥过程中应用先进技术,提
高地区作物和牧草生产能力,在草原生态恢复中控
制投入与产出平衡.主要受经济发展水平影响的地
区,应充分考虑保护当地脆弱的生态环境,转变经济
发展方式,优化地区产业结构,提高地区生态产业发
展水平,包括生态农业、生态工业和生态旅游业等.
主要受农牧业发展水平影响的地区,应调整利用土
地资源,走生态平衡发展之路发展畜牧业,采用先进
的草地生态修复模式,如“建、封、退、调、改”五结合
生态修复模式[47],“进一、退二、还三,调整优化结
构,发展畜牧业” [48]等,结合成熟的草原改良技术
(围栏封育、飞播种草、浅耕翻、免耕补播等),实现
资源有效利用,实现草原生态有效好转,使牧民收入
增加.
3 讨 论
研究期间,浑善达克防风固沙功能区防风固沙
功能总体呈减弱趋势,受气候条件、植被覆盖状况、
土壤可蚀性、土壤结皮因素、地表粗糙度、社会驱动
力等诸多因素影响,防风固沙功能空间差异性较大.
防风固沙能力较弱的区域主要分布在浑善达克西部
和东北部地区,主要包括苏尼特右旗、苏尼特左旗、
镶黄旗、克什克腾旗、多伦县与围场满族蒙古族自治
区部分区域,该区域应作为防风固沙功能治理与修
复的重点区域.
971期 申 陆等: 浑善达克沙漠化防治生态功能区防风固沙功能的时空变化及驱动力
应针对不同的地理位置,正确选择适宜防风固
沙植被种类,科学规划适宜种植密度和种植结
构[49],引用先进技术综合管理,合理利用水资源,改
善关键区域植被盖度,提高区域防风固沙能力.各区
域需针对有较强防风固沙功能的地类范围与功能不
断减少现象做出有力措施,控制防风固沙功能较差
地类(如沙漠、稀疏草地)的扩展与蔓延,结合自然
条件改造其向有利于防风固沙功能的地类(如草
甸、湿地、落叶阔叶灌木林、落叶针叶林)进行转变,
同时维护和提高现有生态系统功能.
各行政区应结合自身发展特点与主要社会驱动
力影响因素进行针对性治理.受投入产出强度因素
影响与经济发展水平因素影响的区域,应优化产业
结构,转变经济增长方式,合理规划用地结构,节约
集约利用土地,减少城市化、工业化、过度放牧等带
来的用地扩张、土地非法占用等破坏生态系统功能
现象.受到畜牧业发展水平影响的区域,应合理利用
土地耕种、适度放牧,引进先进技术构建林草间作的
生态防护体系[50],科学汲水、输水与灌溉,保持水
土,使农牧业生产与生态和谐发展.
RWEQ模型针对中国草地的试用研究较少,美
国经验性的模型不能直接用于中国,需要对公式以
及参数进行修正.考虑到我国北方地区的自然因素
条件,本文中潜在蒸发量的计算采用更适合中纬度
地区的辐射估算方法,代替原始 RWEQ 模型中采用
的计算方法,并调整相应参数.本文采用国家共享数
据,受原数据质量的限制对数据进行插值处理以满
足模型对数据空间和时间分辨率的要求,其过程可
能导致结果的误差.今后将进一步通过野外调查及
试验获取模型参数,提高模型运算精度,使结果更好
地指导沙地生态保护与建设,为制定高效的生态修
复方案提供依据.
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作者简介 申 陆,男,1989年生,硕士研究生. 主要从事环
境影响评估与规划研究. E⁃mail: mist_mail@ foxmail.com
责任编辑 杨 弘
申陆, 田美荣, 高吉喜, 等. 浑善达克沙漠化防治生态功能区防风固沙功能的时空变化及驱动力. 应用生态学报, 2016, 27
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