青海省风蚀量及防风固沙量时空特征分析
赖 锋1,2 ，乔占明1,2,3，熊增连1,2
1.青海省自然资源综合调查监测院，西宁 810000；
2. 青海省地理空间信息技术与应用重点实验室，西宁 810000；
3.青海大学 畜牧兽医科学院/青海省畜牧兽医科学院，西宁 810016
摘要:
针对青海省整体防风固沙时空变化和重要性评估研究相对较少的问题，该文采用修正风蚀模型，分析2000—2020年青海省土壤风蚀物质量、防风固沙量的时空变化特征及其影响因素，并对青海省防风固沙功能重要性进行评估。结果表明：①2000—2020年，青海省风蚀物质总量共减少1.822 746×1012kg，风蚀强度为剧烈区域面积下降，土壤风蚀状况逐步改善。②2000—2020年，青海省防风固沙量共增加1. 653 44×1011kg，防风固沙能力逐渐提升，但区域差异较大。③青海省通过实施一系列生态工程，荒漠化、沙化土地面积减少，区域生态状况得到明显改善。④青海省防风固沙功能极重要区域主要分布在三江源国家级自然保护区、可可西里国家级自然保护区等地。
0 引言
土壤风蚀是指在风力作用下沉积物的分离、搬运和沉积，是松散、干燥和裸露地表土壤被气流或气固两相流吹蚀、磨蚀、传输的一个连续的动力学和物理学过程，同时也是一个多元、连续、复杂的综合自然地理过程[1-4]。土壤风蚀对土壤颗粒的搬运作用，直接影响土壤结构稳定及土壤养分的分布。在干旱、半干旱及一些半湿润地区土壤风蚀容易造成严重的生态问题[5]。目前，我国干旱、半干旱和易干旱区域面积超过5.4×106km2，极易遭受土壤风蚀侵袭[6]。土壤风蚀极易造成土地荒漠化，并由于风力作用造成土壤养分和有机物的流失，导致土壤肥力和土地生产力的下降。除此之外，土壤风蚀过程中产生的悬浮土壤颗粒是引起沙尘暴和空气污染的主要原因，对农牧业生产、生态环境及公共健康产生严重影响-8]。根据第五次全国荒漠化和沙化监测结果，全国荒漠化土地面积为2.611 6×106km2，沙化土地面积为1.721 2×106km2 [9]。为遏制土地退化与生态环境恶化，我国相继实施了三北防护林体系建设工程、退耕还林工程、退牧还草工程、京津风沙源治理工程、石漠化综合治理工程、沙区自然保护区及沙化土地封禁保护区等一系列重大生态建设重大生态保护与建设工程-11]，并推进生态功能区划，增加自然保护区个数，扩大自然保护区面积，加大生态环境保护力度-13]。由于生态建设工程工期长、地域广，加上生态系统恢复漫长复杂，及时监测、评估风沙区生态状况及防风固沙功能变化极为重要[11,14-15]。
防风固沙功能指生态系统通过其结构与过程减少由于风蚀所导致的土壤侵蚀的作用，从而降低或避免土壤被吹蚀后产生沙尘天气带来的有害影响，这种保持土壤、抑制风蚀过程的功能即为防风固沙功能[16-18]。风蚀模型是防风固沙功能分析的主要方法，它主要选用生态系统中气候因素、植被覆盖状况、土壤质地等因素综合评价生态系统减少风蚀量、防风固沙的能力。目前，国内外评估防风固沙功能的风蚀模型主要有德克萨斯模型(Texas erosion analysis model，TEAM)[19]、风蚀方程(wind erosion equation，WEQ)[20]、修正风蚀方程 ( revised wind erosion equation，RWEQ)[21]、风蚀预报系统(wind erosion prediction system，WEPS) [22]等。TEAM利用理论模型和经验模型结合的思路确定系数，但考虑因子较少，不能全面反映风蚀过程；WEQ主要分析田间地表状况和管理措施对侵蚀速率的影响，但所需因子获取成本较高，不能有效预报风蚀过程的动态趋势；WEPS可作为指导风蚀防治实践及环境评价的重要工具。RWEQ充分考虑了土壤、气候、植被等因素，且数据易获取与 GIS 系统具有较强的亲和力，因此被广泛应用到我国防风固沙功能评估中。文献[23]利用RWEQ模型定量分析了20世纪90年代以来锡林郭勒盟的土壤风蚀时空格局及主要影响因素；文献[24]基于RWEQ模型，运用遥感和地理信息技术对青海省年均风蚀模数进行了估算；文献[25]基于RWEQ模型对2000—2015年间宁夏草地防风固沙服务功能进行了定量化的估算；文献[26] ]基于RWEQ模型分析了2000—2017 年黑河中下游防风固沙功能动态变化及其影响因子；朱文献[27]]采用RWEQ模型定量评估了内蒙古荒漠草原2000和2017年的防风固沙量并分析了防风固沙服务的影响因素。虽然国内利用RWEQ模型大量研究评估了防风固沙功能，但有关青海省整体的防风固沙时空变化和重要性评估的研究相对较少。
本文采用RWEQ修正风蚀模型，研究了2000—2020年青海省土壤风蚀物质量、防风固沙量的时空变化特征及其影响因素，并对青海省防风固沙功能重要性进行评估，为青海省生态保护提供辅助决策。
1 研究区概况
青海省位于中国西部，雄踞世界屋脊青藏高原的东北部，全省均属青藏高原范围内，地理位置介于东经89°24′3"~103°04′10"，北纬31°36′2"~39°12′45"之间，全省东西长1 240.6 km，南北宽844.5 km，总面积7.223×105 km2，平均海拔3 000 m以上。青海省主要生态类型为草地生态系统，面积为3.947×105 km2。
青海省风力侵蚀属于全国三北戈壁沙漠及沙地风沙二级类型区的蒙新青高原盆地荒漠强度风蚀区[24]。青海省是全国荒漠化土地面积大、分布广、风沙危害严重的省份之一，持续加强荒漠化防治工作迫在眉睫。“十三五”以来，青海省积极采取一系列行之有效的政策举措，经过不断治理，沙区生态环境明显好转，初步建成以农田和道路防护林为主体的区域性绿色生态屏障，全省共完成治理任务5 000 km2 。
2 研究方法
2.1数据来源与处理
青海省2000年和2020年基础数据包括：①土地覆盖产品，来源于PIE-Engine遥感服务云平台，空间分辨率为30 m，产品整体精度为79.31%。②数字高程数据来源于地理空间数据云，空间分辨率为30 m。③逐日积雪深度数据来源于国家青藏高原科学数据中心 [28-29]，空间分辨率为0.05°，均方根误差为1.54 cm。④增强型植被指数来源于美国地球资源观测系统数据中心的MOD13A1产品，时空分辨率为16 d和500 m。⑤净初级植被生产力来源于美国地球资源观测系统数据中心的MOD17A2H产品，时空分辨率为16 d和500 m。⑥潜在蒸发量数据来源于美国地球资源观测系统数据中心的MOD16A2产品，时空分辨率为8 d和500 m。⑦地表温度来源于美国地球资源观测系统数据中心的MOD11A2产品，时空分辨率为8 d和1 000 m。⑧1∶1 000 000土壤属性数据集来源于中国科学院南京土壤研究所。⑨青海省逐日降水量和风速来源于美国国家海洋和大气管理局国家环境信息中心。
为保证气象资料的完整性及持续性，将青海省2000年和2020年逐日降水量、风速等数据经过校正处理，剔除异常值，并对缺失数据采用邻近站点数据进行插补，通过插值得到分辨率为500 m的气象栅格数据。为便于计算分析，本研究中将所有数据通过ENVI软件中的Layer Stacking工具统一处理为分辨率为500 m、投影坐标系统为Albers_Conical_Equal_Area的栅格数据。
2.2 RWEQ模型
土壤风蚀是特定空间区位上多因素共同作用的结果，主要包括气候因素、植被、土壤性状、土地利用、覆盖结构，地形与地貌等要素交互作用，是大气（气流）与土壤界面相互作用机制的连续动力学过程[30]。
1）气候因子。气候因子是温度、降雨和风速等各种气象因素对土壤风蚀的影响的综合反应[31]。
2）土壤可蚀性因子与土壤结皮因子。土壤可蚀性表征土壤对侵蚀的敏感性，土壤结皮因子表征土壤结皮能够有效抵抗风力侵蚀能力的大小。
3）地表粗糙度因子。地表粗糙度因子表征地表起伏不平造成的地势高低变化反映出来的地球表面粗糙程度。
表1地势起伏参数L取值表
4）植被覆盖因子。植被覆盖因子反映不同土地利用单元下植被覆盖情况，表征植被阻碍地表细小颗粒物移动的能力。
表2 不同植被利用类型系数取值表
2.3 防风固沙功能重要性评估
根据《生态保护红线划定指南》中的评价方法建立防风固沙功能重要性评价体系。
通过模型计算得到防风固沙服务能力指数，将防风固沙服务能力指数按从高到低的顺序排列，计算累加服务值。将累加服务值占生态系统服务总值比例的 50%与 80%所对应的栅格值，作为生态系统服务功能评估分级的分界点，将生态系统服务功能重要性分为 3 级：极重要、重要和一般重要，见表3。
表3 防风固沙功能评估分级
3 结果与分析
3.1土壤风蚀物质量时空分布
2000年，青海省土壤风蚀物质总量为4.324 346×1012 kg，2020年青海省土壤风蚀物质总量为2.510 601×1012 kg。青海省土壤风蚀物质总量最高的地区为海西蒙古族藏族自治州，最低的地区为西宁市和海东市，见图1、图2。20年来青海省风蚀物质总量呈下降趋势，共减少1.822 746×1012 kg。20年来青海省土壤风蚀物质总量减少最明显的地区为海西蒙古族藏族自治州，共减少了1.372 794×1012 kg；其次为玉树藏族自治州，共减少2.521 9×1012 kg；减少量最小的地区为黄南藏族自治州，为1.504 5×1010 kg。
根据水利部2008年发布的《土壤侵蚀强度分级标准》( SL190—2007) ，将研究区土壤风蚀物质量进行强度分级。分为微度( ＜0.2 kg·m-2·a-1) 、轻度( 0.2～2.5 kg·m-2·a-1) 、中度( 2.5～5 kg·m-2·a-1) 、强烈( 5～8 kg·m-2·a-1) 、极强烈( 8 ～15 kg·m-2·a-1) 和剧烈( ＞15 kg·m-2·a-1)共 6个等级。由表4可以看出，青海省土壤风蚀强度以轻度、微度、剧烈为主。 和2000年相比，2020年微度面积占比增加14.14%，轻度面积占比下降2.16%，剧烈面积占比下降5.17%。由图3、图4可以看出，青海省风蚀区域主要分布在西部和中部的柴达木盆地、共和盆地、环青海湖区域，以及黄河源区和长江源区，其中，土壤风蚀强度为中度以上的区域主要分布在海西蒙古族藏族自治州、玉树藏族自治州以及中部的贵南县、共和县、刚察县等地。
表4 青海省2000和2020年土壤风蚀分级
3.2防风固沙量时空分布
2000年，青海省防风固沙总量为1 714.05×108 kg，2020年为3 367.49×108 kg，比2000年增加1 653.44×108 kg，说明青海省防风固沙能力逐渐提升。由表5可以看出，2000—2020年，防风固沙量增加最明显的地区为玉树藏族自治州和海西蒙古族藏族自治州，分别增加629.14×108 kg、614.87×108 kg；增加最少的为海南藏族自治州，共增加32.81×108 kg。根据图5、图6可以看出，防风固沙量较高的区域主要集中在青海省东部和西南部地区。
表5 青海省2000和2020年防风固沙量统计
3.3防风固沙影响因素分析
《青海省林业和草原保护发展“十四五”规划》表明，截至2020年底，青海省森林覆盖率达到7.5%，草原综合植被盖度达到57.4%，区域生态状况得到明显改善。
根据《青海省林业和草原保护发展“十四五”规划》，“十三五”期间，青海省持续推进三江源二期、祁连山综合治理、三北、天保、退耕还林、退牧还草、森林经营、防沙治沙等重点生态保护修复工程，全省完成国土绿化1.410 93×104 km2，其中营造林1.170 93×104 km2；累计封育草原1.113 00×105 km2，划定禁牧区1.633 00×105 km2，改良退化草地2.533 00×105 km2，治理黑土型退化草原7 520km2。依托三北防护林体系建设、天然林保护等国家重点工程，建成乌图美仁、大柴旦等12个沙化封禁保护区和茫崖千佛崖等12个国家沙漠公园，不断强化都兰、贵南、海晏、格尔木、共和5个防沙治沙综合示范区建设，推进荒漠化治理，荒漠化土地年均减少102 km2，沙化土地年均减少114 km2，新增沙化土地治理5 000km2，重点沙区实现了“沙逼人退”到“绿进沙退”的历史性转变，表明青海省通过一系列生态保护建设工程的实施，生态环境恶化的趋势得到初步遏制，生态环境状况明显好转，一系列生态工程的实施在提升防风固沙方面取得了成效。
3.4防风固沙功能重要性评估
2000年，青海省防风固沙功能极重要区面积为9.303 175×104 km2，占比为8.93%；重要区域面积为1.476 65×105 km2，占比为14.18%；一般重要区域面积为8.005 365×105 km2，占比为76.88%。2020年，青海省防风固沙功能极重要区面积为9.599 675×104 km2，占比为9.22%；重要区域面积为1.180 297 5×105 km2，占比为11.34%；一般重要区域面积为8.272 067 5×105 km2，占比为79.44%。根据图7、图8可以看出，青海省防风固沙功能重要性以一般重要区为主，极重要区域主要分布在青海省东部、南部；结合青海省自然保护区和生态红线数据，可以看出青海省防风固沙功能极重要区域主要分布在三江源国家级自然保护区、可可西里国家级自然保护区等地。
4 讨论
本文研究表明：时间上，青海省在2000—2020年，防风固沙量总体呈现增加趋势，说明青海省防风固沙能力逐渐提升，主要原因 是“三北”防护林体系建设工程、退耕还林工程、退牧还草工程、沙区自然保护区及沙化土地封禁保护区 [11]等生态工程和林（草）长制考核等政策得到了有效实施，促进了青海省生态环境得到好转，同时也表明“东部沙棘、西部枸杞、河湟杂果、南部藏茶”的绿色产业发展格局实现了生态建设与产业发展的良性互动。空间上，各地区防风固沙量差异较大，因此未来可依据防风固沙能力的重要分布区域，采用不同的管理治理措施，为精准实策提供支撑。
结合青海省自然保护区和生态红线数据，可以看出青海省防风固沙功能极重要区域主要分布在三江源国家级自然保护区、可可西里国家级自然保护区等地，说明防风固沙功能的重要性评估可以为科学合理地划定生态保护红线提供数据支撑。后期应综合研究生态服务功能和生态敏感性因子，建立一套完整且便于管理的保护体系，充分考虑水源涵养、生物多样性维护、水土保持、防风固沙等功能，以及水土流失、土地沙化、石漠化、盐渍化等生态环境敏感脆弱现象，为产业的合理布局、生态保护建设提供有利支撑。
5 结束语
本文基于青海省的气候、土壤、植被等数据，采用RWEQ修正风蚀模型，研究了2000—2020年青海省土壤风蚀物质量、防风固沙量的时空变化特征及其影响因素，并对青海省防风固沙功能重要性进行评估，得到以下结论。
1) 2000—2020年间，青海省风蚀物质总量呈下降趋势，共减少1.822 746×1012 kg。青海省土壤风蚀强度以轻度为主。和2000年相比，2020年微度面积增加，剧烈面积下降,说明青海省土壤风蚀状况正在逐步改善。
(2) 2000—2020年间，青海省防风固沙量呈增加趋势，共增加1. 653 44×1011 kg，防风固沙量较高的区域主要集中在青海省东部和西南部地区，表明虽然青海省防风固沙能力逐渐提升，但防风固沙能力区域差异较大。
(3)截至2020年底，通过三北防护林体系建设工程、退耕还林工程、退牧还草工程等一系列生态工程实施，青海省森林覆盖率达到7.5%，草原综合植被盖度达到57.4%，荒漠化土地、沙化土地减少，区域生态状况得到明显改善，表明近年来实施的一系列生态工程在提升防风固沙能力方面取得了成效。
4)青海省防风固沙功能极重要区域主要分布在三江源国家级自然保护区、可可西里国家级自然保护区等地，说明防风固沙功能的重要性评估可以为科学合理划定生态保护红线提供数据支撑。 （原文有删减）
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【作者简介】赖锋(1995—),女,青海乐都人,助理工程师,主要研究方向为自然资源遥感监测｡
E-mail:laif789@163.com
【基金资助】青海省科技厅应用基础研究计划项目(2018-ZJ-780)
【引用格式】赖锋，乔占明，熊增连． 青 海 省 风 蚀 量 及 防 风 固 沙 量 时 空 特 征 分 析 ［Ｊ］． 测 绘 科 学，２０２３，４８（１）：１４８-１５６。
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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