基于RWEQ 模型的疏勒河流域防風固沙功能價值評估

藺阿榮， 周冬梅， 馬 靜， 朱小燕， 江 晶， 張 軍,3

（1.甘肅農業大學管理學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省節水農業工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730070）

防風固沙是干旱內陸河流域重要的生態功能之一，防風固沙功能在一定程度上反映了干旱、半干旱地區生態系統的穩定性。風蝕是指在風力作用下地表物質被侵蝕、磨蝕并搬運的過程，其發生極易造成土壤養分和有機物的流失進而導致土地荒漠化。截至2019 年，中國荒漠化土地面積約為257.37×104km2，占國土面積的26.8%，而沙化土地面積168.78×104km2，占國土面積的17.6%［1］。干旱區沙漠化以及其為人類提供生態服務能力的消減嚴重威脅到全人類的生存和發展，關于該問題的研究引起越來越多學者的關注［2］。疏勒河流域地處西北內陸，是河西走廊內流水系的第二大河，同時也是“一帶一路”的關鍵節點，是典型的生態系統脆弱區［3-4］。受全球變化影響，祁連山脈為其提供充足的冰川融水，因此近年來河流上游山區徑流量明顯增多，人工綠洲面積得以迅速擴張。過快地擴張使原本脆弱的流域出現中下游河流斷流、濕地萎縮、植被退化、土地沙化和鹽漬化等問題，生態環境問題日益突出［5-6］。因此，對該流域開展防風固沙服務功能研究及價值評估對于確定流域生態補償，加強生態環境保護具有重要作用。

防風固沙功能指生態系統通過其結構與過程減少風蝕導致的土壤侵蝕作用，從而降低或避免土壤被風蝕后產生沙塵天氣帶來的有害影響，這種保持土壤、抑制風蝕過程的功能即為防風固沙功能［7］，它作為一項為風蝕地區生態系統提供服務的重要防護型舉措，對風蝕發生地與周邊地區風沙災害治理、生態環境恢復具有重要意義。目前，對該項服務使用的模型，常見的有Bagnold 等提出的輸沙模型［8］、風蝕模型（WEQ）［9］、德克薩斯侵蝕風蝕模型（TEAM）［10］、Bocharov 等提出的描述模型［11］、風蝕隨 機仿真模型（WESS）［12］、修正風蝕方程模型（RWEQ）［13-14］、風蝕預報系統（WEPS）［15］。RWEQ模型因運算簡單，所需數據量少，以及綜合考慮了各項因子對風蝕的影響，被不斷驗證并廣泛應用于防風固沙方面的研究［16-20］。

本研究以疏勒河流域為研究對象，利用RWEQ模型對疏勒河流域2008、2013 年和2018 年防風固沙量進行估算，根據獲得的防風固沙量從4 個方面對防風固沙功能進行價值評估，為該流域生態環境保護及未來生態補償政策制定提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

疏勒河流域位于中緯度北溫帶（92°11′～98°30′E，38°00′～42°48′N），是河西走廊三大內陸河流域之一，也是西北地區重要的生態屏障。流域總面積為1.28×105km2，海拔791～5569 m［21］，地勢總體呈南高北低（圖1）。疏勒河發源于祁連山脈托勒南山與疏勒南山之間，向西流經肅北蒙古族自治縣、玉門市、瓜州縣和敦煌市；屬典型大陸性干旱氣候，年平均降水量不足70 mm；蒸發強烈、日照時間長，蒸發量達3000 mm 以上；冬冷夏熱溫差大，秋涼春旱多風沙，大風高發期集中在3—6月，主導風向為西南風，最大風速為26 m·s-1；主要土壤類型為沼澤土、草甸土和棕漠土［22］。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 數據來源

本研究氣候因子數據來源于國家青藏高原科學數據中心（https://data.tpdc.ac.cn）提供的2008、2013年和2018年的中國氣象同化驅動數據集（CMADS）；雪蓋因子來源于中國西部環境與生態科學數據中心（http://westdc.westgis.ac.cn）提供的1978—2021 年的逐日積雪厚度分布，空間分辨率為1 km［23］；土壤數據來源于中國西部環境與生態科學數據中心（http://westdc.westgis.ac.cn），空間分辨率為1:1000000；數字高程模型（DEM）數據來源于地理空間數據云；歸一化植被指數（NDVI）數據來源于美國國家航空航天局（http://edcimswww.cr.usgs.gov）；土地利用數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統提供的30 m分辨率全球地表覆蓋數據（GlobeLand30）。在模型運算過程中，所有柵格數據均采用WGS_1984_UTM_Zone_47N投影，空間分辨率為100 m。

1.3 研究方法

1.3.1 防風固沙量估算本研究使用的RWEQ 模型綜合考慮了氣候、土壤、植被和地形等因素，利用裸土條件下的潛在風蝕量和植被覆蓋條件下的實際風蝕量之間的差值計算防風固沙物質量［24］，具體計算公式如下：

式中：G為單位面積年防風固沙物質量（kg·m-2）；SLr為單位面積年潛在風蝕量（kg·m-2）；SL 為單位面積年實際風蝕量（kg·m-2）；Qrmax為潛在風力的最大輸沙能力（kg·m-1）；z為下風向距離（m），本次計算取值50 m；sr為潛在風蝕量（kg·m-1）；Qmax為風力的最大輸沙能力（kg·m-1）；WF 為氣候因子（kg·m-1）；EF 為土壤可蝕性因子；SCF為土壤結皮因子；K′為土壤糙度因子；s為關鍵地塊長度（m）；C為植被因子；。

（1）氣候因子（WF）。表征了在考慮降雨、溫度、日照及雪蓋等因素條件下風力對土壤顆粒的搬運能力，其表達式如下：

式中：wf為風力因子（m·s-3）；ρ為空氣密度（kg·m-3）；g為重力加速度，取值9.8 m·s-2；SW 為土壤濕度因子；SD為雪蓋因子（無積雪覆蓋天數/研究總天數）；U2為2 m 處風速（m·s-1）；U1為2 m 處臨界風速（假定為5 m·s-1）［25］；Nd為試驗的天數（d）。

（2）土壤可蝕性因子（EF）

式中：Sa 為土壤砂粒含量（%）；Si 為土壤粉砂含量（%）；Cl 為土壤粘粒含量（%）；OM 為土壤有機質含量（%），由土壤有機碳含量乘以1.724 計算獲得［26］；CaCO3為碳酸鈣含量（%）。

（3）土壤結皮因子（SCF）

（4）土壤糙度因子（K′）

式中：α為地形坡度，利用ArcGIS 10.2 軟件中坡度（slope）模塊計算獲得［27］。

（5）植被因子（C）

式中：SC 為植被覆蓋度（%）；NDVI、NDVImax、NDVImin分別為NDVI實際值、最大值和最小值。

1.3.2 防風固沙價值計算防風固沙價值（V，元）被劃分為減少土地損失價值（V1，元）、保持土壤肥力價值（V2，元）、保持土壤有機質價值（V3，元）、減少交通運輸經濟損失價值（V4，元）4種類型：

（1）減少土地損失價值（V1）

式中：A為保持表土面積（km2）；PL為單位面積土地的機會成本，本文以2018年研究區單位面積GDP作為土地的機會成本，取值47.75×104元·km-2；Qc為防風固沙量（kg）；h為土壤層厚度（cm），取值20 cm；b為土壤容重（g·cm-3），取值1.40 g·cm-3。

（2）保持土壤肥力價值（V2）

式中：i=1,2,3 分別代表N、P、K 元素；Si為土壤中i類元素含量，N、P、K分別為0.09%、0.08%和1.54%［28］，尿素、過磷酸鈣和氯化鉀3 種化肥中N、P、K 所占比例，分別為23.33%、24.6%和52.41%；Pi為化肥市場價格（元·t-1），以尿素、過磷酸鈣和氯化鉀2018年的全國平均零售價格作為計算依據，分別為2200元·t-1、735元·t-1、2400元·t-1；Ki為化肥中i類元素含量（%）。

（3）保持土壤有機質價值（V3）

式中：Sc為土壤中有機質含量，取值1.23%［28］；Pc為有機質價格，取值550元·t-1。

（4）減少交通運輸經濟損失價值（V4）

式中：r為沙物質容重（g·cm-3），取值1.35 g·cm-3；w為單位清理流沙成本（元·m-3）。2018年河道清淤的定額為：在內陸工程、水域面積小于5×104m2的河道清淤中，挖泥機清淤的人力價格6.5元·m-3。

1.3.3 防風固沙服務驅動因素分析主成分分析法是通過降維思想，利用統計學原理處理復雜、多維的數據，得到少數幾個包含所有因子大部分信息，而且所包含的信息也不會互相重復的綜合指標［29］。本文根據研究區自然環境特征及社會環境狀況選取了包括植被覆蓋度、土壤濕度、人均GDP 和人口密度等在內的6項指標（表1），評價各指標因子與防風固沙服務功能間的定量關系。

表1 疏勒河流域防風固沙功能評價指標體系Tab.1 Evaluation index system of wind prevention and sand fixation function in Shule River Basin

2 結果與分析

2.1 疏勒河流域土地利用時空動態

根據GlobalLand30提供的全球土地利用數據分析，疏勒河流域主要土地利用類型為未利用地和草地，分別占總面積的85.6%和9.4%；耕地、林地、水域、建設用地和濕地總占比不足5%。其中，未利用地分布在研究區北部和中部地區，南部也略有分布；草地主要分布在肅北蒙古族自治縣南部；農田生態系統主要分布在研究區中部綠洲區；水域主要分布在肅北蒙古自治縣南山地區，水源主要依靠冰川和泉水補給，支流較多（圖2）。

圖2 2008—2018年疏勒河流域土地利用Fig.2 Land use in the Shule River Basin from 2008 to 2018

數量上（表2），除未利用地之外疏勒河流域草地占較大比重，2008、2013、2018 年占比分別為11.70%、13.01%、12.98%，總體呈波動式增加趨勢，到2018 年時增加了1488.49 km2；其次為耕地，所占比例依次為1.21%、1.50%、1.54%，呈持續增長之勢；水域呈持續減少趨勢，到2018年減少了150.50 km2；建設用地面積從2008 年的7.63 km2增至2018 年的9.23 km2，10 a間增加了1.60 km2；林地和濕地都呈緩慢增長之勢，10 a間分別增加了0.12 km2、0.05 km2。

表2 2008—2018年疏勒河流域土地利用變化特征Tab.2 Land use change in Shule River Basin from 2008 to 2018

2.2 防風固沙功能

根據疏勒河流域不同地表覆被下各年單位面積防風固沙平均值（表3）可知，2008—2018 年疏勒河流域單位面積防風固沙量為129.00～371.35 t·km-2，防風固沙總量為43.93×104～129.53×104t·km-2，總體防風固沙量呈上升趨勢，與鄭續等［30］研究結果一致。

表3 2008—2018年疏勒河流域防風固沙服務Tab.3 Wind prevention and sand fixation services in the Shule River Basin from 2008 to 2018

防風固沙能力與地表覆蓋物密切相關，林地防風固沙能力最強，但林地面積僅占研究區總面積的0.02%，流域防風固沙能力以草地為主，2008—2018年研究區草地年均防風固沙量高達68.22×104t·km-2，其次為耕地、水域、林地，分別為23.03×104t·km-2、1.14×104t·km-2、0.02×104t·km-2。

空間上，疏勒河流域防風固沙能力總體表現為南部草地、中部耕地以及西北部草地普遍高于流域其他地區的空間分布格局，高值區分布較為零散稀疏（圖3）。2008—2018年玉門市單位面積防風固沙量一直較其他市縣固沙量較高，數值均在38 t·km-2上；肅北和敦煌單位防風固沙量較低，10 a來單位面積防風固沙量均在20 t·km-2以下。此外，較其他市縣，10 a間肅北南部防風固沙能力逐漸增強，較2008年和2013 年防風固沙量增長4 倍。2013—2018 年肅北南部防風固沙增長6.69 t·km-2。

2008—2018年疏勒河流域防風固沙能力增強，潛在防風固沙量和實際防風固沙量皆呈不同程度的上升趨勢（表3）。這可能與這一時期生態保護政策有關，自“十三五”規劃以來，酒泉市完成營造林12.57×108hm2，治理沙化土地32.27×104hm2，且該市積極聚焦綠色發展，構建循環農業體系，探索培育全鏈生態循環發展新模式，扶持并壯大種業、蔬菜、草食畜牧三大產業，提高了該流域防風固沙的能力。

2.3 防風固沙保有率

2008—2018 年疏勒河流域防風固沙保有率總體呈增長之勢（圖4），其中肅北縣南部、玉門市及瓜州縣增加趨勢明顯。以2013年為研究節點，發現不同時段內，防風固沙保有率存在差異：2008—2013年疏勒河流域大部分市縣防風固沙保有率呈增長趨勢，其中玉門市和瓜州縣呈顯著增長之勢；2013—2018年肅北縣北部和敦煌市呈降低趨勢，說明該時段內植被對該服務的影響減弱。

2.4 防風固沙功能價值

對疏勒河流域植被的防風固沙功能進行價值評估（表4），該流域植被生態系統具有重要的保持土壤肥力和減少土地損失價值。2008、2013 年和2018年，區域防風固沙總價值分別達到741.559×104元、1756.590×104元和2196.925×104元。從生態系統服務防風固沙價值的構成來看，減少土地損失價值所占比例最高，達98%以上，其次分別為保持土壤肥力價值、保持土壤有機質價值和減少交通運輸經濟損失價值，這3項所占比重不到2%。

2.5 防風固沙服務影響因素

通過SPSS 25.0軟件計算得出的特征值、貢獻率及累計貢獻率對疏勒河流域2008—2018 年防風固沙功能驅動因子進行分析。第一個主成分特征值為4.559，包含的信息占所有指標的75.977%；第二個主成分特征值為1.038，包含的信息占所有指標的12.471%。得到的2 個主成分可以反映88.448%的信息，超過85%，因此符合要求，可以將這2 個因子成分作為疏勒河流域防風固沙服務功能變化的主成分，并據此得到主成分載荷矩陣（表5）。

表5 主成分特征值與貢獻率Tab.5 Eigenvalues and contribution rates of principal component

由表6可知，植被指數、人口密度及土壤濕度在主成分1中作用明顯，表明提高植被覆蓋率，可以有效增強土壤蓄水能力，減小大風等惡劣天氣對地表的侵蝕，增強流域防風固沙能力。在主成分2 中占比最大的是年均溫度；而人均GDP和人口密度等因素相對較弱，這說明疏勒河流域防風固沙功能的強弱主要跟自然因素有關。因此，改善流域生態環境質量，減少沙塵等惡劣天氣，重在保護生態環境，提高植被覆蓋率。

表6 主成分荷載矩陣Tab.6 Principal component load matrix

根據主成分F1 和F2 得分貢獻率，計算得出綜合得分F（表7）。如果綜合得分為正，表明防風固沙能力增強，生態環境得以保護；反之，綜合得分為負，得分越低，表明防風固沙能力較差，生態環境問題突出，應引起人們的高度重視。

表7 防風固沙功能綜合評價Tab.7 Comprehensive evaluation of wind prevention and sand fixation function

由表7 可知，2008—2018 年疏勒河流域防風固沙能力總體呈上升趨勢，由《中央生態環境保護督察工作規定》等政策引導，酒泉市不斷加強生態文明建設，并利用制度推動生態文明建設，使流域生態環境得以恢復與發展。第一主成分和防風固沙能力的總趨勢基本保持一致，主要是因為第一主成分包含了75.977%的變化率，是影響該流域防風固沙能力的主要因子。第一主成分是自然和社會因子共同作用后的結果，防風固沙功能主要受植被指數和人口密度影響。第二主成分變動較大，先后經歷了上升、下降、再上升的階段，這與疏勒河流域年均溫度，土壤濕度有較強的相關性。疏勒河流域必須采取積極措施，保持土壤水分含量，增加土壤顆粒凝聚力，進一步提高生態系統防風固沙能力。

3 討論

疏勒河流域單位面積防風固沙量總體呈上升趨勢，主要與流域內土地利用方式有關，自“十三五”規劃以來，酒泉市積極響應政策，聚焦綠色發展，先后完成營造林12.57×108hm2，治理沙化土地32.27×104hm2。植被覆蓋率地提高，可以有效增強土壤蓄水能力，減小大風等惡劣天氣對地表的侵蝕，增強流域防風固沙能力。從疏勒河流域防風固沙保有率及土地利用變化趨勢上來看，土地覆蓋的變化對固沙的貢獻率整體是上升的，該結論與前人研究相一致［31］。

從主成分分析結果上看，溫度、降水等氣候因素對流域防風固沙服務的影響普遍較強，氣候變化是影響流域土壤風蝕的主導因素［32-33］。其中，雨量的增加可有效使土壤顆粒間形成毛細作用力增強土壤凝聚力［34］促進區域植被生長，增強地表對風蝕的抵抗力［35］，而溫度的升高會導致蒸散量升高使土壤濕度降低，地表更加干燥，極易發生風蝕［36］。除氣候因素外，植被指數因子對防風固沙功能也具有較大影響，植被可增強土壤抗侵蝕能力同時會影響區域環境如溫度、土壤濕度、蒸散發等［37］。肅北蒙古族自治縣以南覆蓋有大面積的草地，草地生態系統具有防風固沙、涵養水源、增強土壤有機質含量等功能，這可能是造成疏勒河流域防風固沙功能存在空間差異的主要原因。

本文針對疏勒河流域防風固沙服務功能及價值評估進行了有益探索和嘗試。在模型運行時，參考相關學者的研究成果［18,25,38-39］對模型中的一些參數和因子進行了處理，如，在計算單位面積年潛在風蝕量時，下風向距離參考相關研究取值為50 m，這對于小流域尺度范圍的研究區域而言，這樣的取值是否合適仍需進一步研究。綜合植被因子是倒伏殘茬、直立和作物覆蓋3個因子乘積獲得的結果［15］，但在計算時，考慮到疏勒河流域因生活需要，農作物收獲后會直接將秸稈、殘茬加工成牲畜飼料，因此無法獲取對應時段內的倒伏殘茬數據，所以本文采用現有的NDVI 數據對植被因子數據進行替換，可能也對最終結果產生了影響。氣象因子數據為研究時段內日均站點數據，難以對瞬時發生的降雨及風速數據進行準確監測，因此今后需采用多源數據相結合的方式來獲取分辨率更高的氣象數據［40］從而避免對土壤風蝕速率的粗糙評估，為確定流域生態補償主客體及補償標準提供依據。

4 結論

（1）2008—2018年疏勒河流域防風固沙功能總體呈增長趨勢。期間，潛在防風固沙量與實際防風固沙量增速幅度相差較小，流域總的防風固沙量變化差距較大，由2008 年的43.927×104t·km-2增長至2018年的129.530×104t·km-2，這主要與期間土地利用方式有關。10 a 間，耕地、草地面積都呈增長之勢，未利用地及水域面積呈減少之勢。

（2）2008—2018年疏勒河流域防風固沙價值由741.559×104元增長至2196.925×104元，其中減少土地損失價值>保持土壤肥力價值>保持土壤有機質價值>減少交通運輸經濟損失價值。

（3）疏勒河流域防風固沙功能空間分布差異性明顯。防風固沙能力較強的區域主要分布在肅北蒙古自治縣東南部、瓜州縣和玉門市中部、敦煌市西北部及肅北自治縣北部；防風固沙能力低值區主要分布在肅北蒙古自治縣北部和南部、瓜州縣北部和南部、玉門市及敦煌市大部分地區。

（4）自然因素中植被指數因子較其他因子對防風固沙功能作用最大，表明植被對減小風速、穩定流沙具有重要作用。