ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis
Evaluation the Effects of Wind Erosion Control Projects in Typical Sandy Area Based on RWEQ Model
ZHANG Hanbing1,2, GAO Yang1,2,†, CUI Yanzhi1
1. College of Land Science and Technology, Beijing 100193; 2. Key Laboratory of Agricultural Land Quality, Ministry of Land and Resources, Beijing 100193; 3. Sino-japan Friendship Centre for Environmental Protection, Beijing 100029; † Corresponding author, E-mail: yanggao@cau.edu.cn
Abstract The revised wind erosion equation (RWEQ) is used to calculate the spatial and temporal changes of the wind erosion in Horqin Left Back Banner from 2010 to 2016, to evaluate the implementation effect of “Double Ten Million Mu” comprehensive management project in Horqin sandy land carried out by Tongliao Government. The results show that the wind erosion decreases significantly in Horqin Left Back Banner from 2010 to 2016, and the total wind erosion decreases from 38.93 million tons in 2010 to 18.83 million tons in 2016, down by 51.63%. The average wind erosion in the project implementation area is higher than the average wind erosion in Horqin Left Back Banner, which shows that the project construction achieves remarkable achievements and reduces the erosion effectively in the project area with high wind erosion. Project area construction has certain extraterritorial effect, and the positive effect of the project construction works not only within the project area, but also in the surrounding areas. The effective range is about 3 km far from the project area. After two years of project implementation, the relative wind erosion coefficient of different distance buffers decreases, and the closer to the project area the buffer is, the more positive effects it behaves. Key words wind erosion; RWEQ; “Double Ten Million Mu” comprehensive management project; Horqin Left Back Banner
土壤风蚀是土壤表层在风力作用下, 相对较细小的颗粒被吹蚀、搬运与沉积的过程[1], 是半干旱地区土地退化的主要原因[2–3]。作为内蒙古自治区
面积最大的沙地, 科尔沁沙地是我国北方七大强风蚀区之一, 不合理放牧和种植导致土壤风蚀加剧,扬尘起沙严重, 地表土壤平均粒径增大[4–5], 又因其
特殊的地理位置而成为华北平原沙尘的主要来源,严重影响当地以及华北地区居民的生产生活[6]。
为缓解风蚀造成的土地退化和环境污染问题[7], 2000年6月, 国家在科尔沁沙地启动京津风沙源治理一期工程, 2012年启动二期工程, 通过荒山造林、封山育林和退耕还草等一系列措施增加科尔沁沙地的植被覆盖, 治沙止漠。经过十多年的建设,工程区风蚀模数整体上呈下降趋势, 相对容易治理的沙地已经得到初步改善, 林地与牧草地面积增大,风蚀程度有所减轻[8]。但是, 目前科尔沁沙地仍有部分“远沙大沙”没有得到有效的治理, 区域环境恶化状况没有从根本上得到扭转, 沙漠化形势仍然严峻[9]。为进一步加快防沙治沙步伐, 改善沙区群众生产生活环境, 2014年, 位于科尔沁沙地腹地的通辽市政府开展“双千万亩”综合治理工程, 计划利用7年时间完成1000万亩林业生态治理工程和1000万亩草原生态治理工程, 逐步恢复疏林草原生态系统,以期减缓土壤风蚀和土地退化, 提高当地生态环境质量。
修正的风蚀方程(revised wind erosion equation, RWEQ)是一种以较高时空分辨率对区域土壤风蚀状况进行长时间序列估算, 从而有效预测风蚀量的模型[10],可以为土地沙化防治提供依据[11]。江凌等[12]利用RWEQ模型计算青海省的风蚀情况, 发现在国内区域尺度上运用RWEQ模型具有一定的可行性。巩国丽等[13]将RWEQ模型应用于内蒙古锡林郭勒盟, 计算1991—2010年间20年的土壤风蚀空间分布, 发现位于锡林郭勒盟西部的浑善达克沙地地区土壤侵蚀最严重。郭中领提出RWEQ模型在我国北方的参数修订方案[14], 并分析环境治理政策对区域风蚀强度的影响[7]。但是, 现有研究多侧重于探究风蚀强度的时空分布, 与区域政策管理, 尤其是工程治理成效评估相结合的研究较少[15]。此外, 现有研究在小时风速估计方面多采用模型内插模拟的方法, 在一定程度上低估了局地风蚀量[16]。在局地起沙风速估计中, 多采用系统默认值, 对当地实际情
[17]况考虑不足 。科学客观地评价风沙防治工程建设成效, 度量区域风蚀强度的时空变化特征, 评估工程建设对风蚀的削减作用, 可为区域风沙治理与管控提供科学依据。
本研究基于RWEQ模型, 以通辽市科尔沁左翼后旗(简称科左后旗)为例, 使用时间分辨率较高的实测小时风速参与RWEQ模型的计算, 并通过实地
测量科左后旗剖面土壤含水量来修正当地起沙风速, 提高风因子计算精度, 最终得到2010, 2012, 2014和2016年4期风蚀强度的时空变化, 测度重点项目区内外风蚀变化的差异, 评估风沙防治工程成效, 为典型沙区生态系统保护和防风固沙工作提供科学依据。
1 研究区概况
通辽市科左后旗(121.5°—123.7°E, 42.7°—43.7°N)地处科尔沁沙地东南端(图 1), 年降水量为350~ 450 mm, 植被类型自东向西由森林草原向典型草原、荒漠草原过渡, 土地利用以耕地、草地和林地为主, 耕地集中在水利灌溉条件较好的东部及东南部地区, 草地广泛分布在西部及北部地区。旗内多风沙, 风积物覆盖范围广, 流动和半流动沙丘占全旗面积的47.2%, 沙地土壤表层颗粒结构松散, 有一定的粗化现象, 可风蚀性较强[18], 风沙干旱、水土流失、土地沙化和草场退化是该旗的主要特点,生态环境十分脆弱, 土壤风蚀危害大。
作为典型的半干旱沙区[19]及强风蚀区[20], 科左后旗是《内蒙古自治区林业发展“十三五”规划》中东部风蚀沙化治理的重点区域, 也是“京津风沙源治理工程(一期及二期)”、“天然林保护”、“退耕还林(草)”等一系列防沙治沙工程的重点实施区域。2014年, 科左后旗开始实施科尔沁沙地“双千万亩”综合治理工程, 依照“因地制宜、适地适树”的原则,对沙化严重地区进行林业生态综合治理, 并根据立地条件实施退耕还林还草, 逐步引导农牧民实现全部退耕, 恢复天然林原貌。至2020年, 科左后旗拟通过强化治沙造林措施, 使未治理沙化土地得到初步保护与治理, 森林覆盖率年均提高1.2%以上, 草原植被盖度年均提高2%以上[21]。重点项目区主要分布在努古斯台、阿古拉及好通高速道路沿线等地(表1)。
2 研究方法与数据来源2.1 RWEQ 模型
修正的风蚀方程(Revised Wind Erosion Equation, RWEQ)计算多因素影响下的区域土壤转运总量(SL), 作为该区域的土壤风蚀量[11]。首先计算受气象、土壤侵蚀、土壤结皮、地表粗糙度和植被覆盖状况等因素影响的风力最大转运容量Qmax (式(1)),当土壤转移量达到Qmax的63.2%时, 对应的地块长
度称为关键地块长度S (式(2)), 然后通过Qmax和s计算得到区域土壤转运总量SL (式(3))。式中: Qmax为风力最大运转量(kg/m); S为关键地块长度(m); SL为土壤损失量(kg/m2); x表示距上风向距离(m), 取50 m; Wf表示气象因子(kg/m); EF表示土壤可侵蚀程度(无量纲); SCF 表示土壤结皮因子(无量纲); K´ 表示土壤粗糙度因子(无量纲); C表示植被覆盖因子(无量纲)。
2.1.1 气象因子(WF)
风是风蚀发生的基本动力。气象因子的计算公式为
式中,风速(m/s)。需要注意的是,水量的增加而增加, U2为2m高处风速(m/s),在含水量为0.8%左右时,起沙风速一般随沙中含Ut为2m处的起沙临界起沙风速约为4.5~5.0 m/s[22]。科尔沁沙地的沙土以中细沙为主, 本研究组于2016年6—9月在科左后旗乌旦塔拉村布控12个土壤剖面, 采用TDR100时域反射仪测度土壤水分含量, 发现土壤含水量均在1%以下, 此处起沙风速取5 m/s。Nd 表示一次实验的观测天数(d), N为一次实验中观察总次数; ρ为空气密度(kg/m3); g表示重力加速度(m/s2), 本文取9.8 m/s2; SW为土壤湿度因子; SD为雪盖因子。其中Ρ由海拔高度EL (km)和绝对温度t (K)计算得到:
ETP为潜在相对蒸发量(MM)[23], R为降雨量(mm), I为灌溉量(mm), 取I=0; Rd为降雨或灌溉的次数或天数(d); Nd为观测天数(d); SR为太阳辐射总量(cal/cm2); DT为平均温度(ºC)。
P为此次计算时段内雪盖深度大于25.4 mm的概率。2.1.2 土壤可蚀因子(EF)与土壤结皮因子(SCF) EF值和SCF值与土壤的基本物理化学性质相关[24−25]。本研究采用如下公式计算:
式中: Sa为土壤砂粒含量(5.50%~93.60%); Si为土壤粉砂含量(0.50%~69.50%); Cl为黏土含量(5.00%~
39.30%); Sa/cl为土壤砂粒和黏土含量比(1.20%~ 53.00%); OM表示有机质含量 (0.32%~4.74%); CACO3表示碳酸钙含量(0~25.20%), 括号中百分数为RWEQ模型要求的数据含量范围, 本研究区土壤属性绝大部符合模型要求, 对少数不符合模型准入范围的土壤参数, 采用RWEQ内嵌的土壤质地资料建议的输入参数。
地表糙度分为土垄糙度Kr和随机糙度Crr, 地表糙度因子K'的计算公式如下:
由于本研究区土地随机粗糙度的空间数据难以获得, 故 Crr 值取 0。地形粗糙长度一般通过 Smithcarson方程计算:
式中, ΔＨ表示距离 L 范围内的海拔高程差(cm), L为地势起伏参数(cm), 本研究中 L 取5×105 cm[26]。
2.1.4 植被覆盖因子(C )
植被覆盖度是影响风蚀的关键因子, 其覆盖程度直接影响近地表风速以及土地粗糙程度, 计算公式如下:
式中: VEG表示植被覆盖度(%); NDVII为I栅格中的NDVI值; NDVISOIL为研究区裸地对应NDVI值, 取最小5%对应值; NDVIMAX为研究区年NDVI最大值。
2.2 相对风蚀系数
气候和植被覆盖是影响风蚀的主要原因。科左后旗项目区建设主要通过增加植被覆被的手段改善风蚀状况, 并不能改变或影响气候等不可控因子。不可控的天气状况导致科左后旗各年份之间风蚀总量不同。为更好地表征项目内外风蚀程度的相对变化, 本文设置相对风蚀系数α来表示项目区相对于同年份全旗风蚀的程度, 避免由于不同年份气候差异带来的不确定性, 计算公式如下:
其中, Qi表示该年项目区平均风蚀量, Qo表示该年
全旗平均风蚀量。α 值越大, 相对风蚀程度越高;当α>1时, 表明项目区平均风蚀程度高于全旗平均水平; 当α=1时, 表明项目区平均风蚀程度与全旗平均水平一致。
2.3 数据来源
气象因子中的风因子和土壤湿度因子利用中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)提供的科左后旗及周边14个气象台站的风速、降水和温度等数据, 经克里金差值计算得到, 其中风速采用小时风速(每小时前后的10分钟平均风速), 每天24期。此外, 本研究组于2015年6—10月和2016年6—9月赴科左后旗进行野外调查, 并在甘旗卡镇乌旦塔拉村进行野外土壤剖面观测, 获得土壤含水量等数据。日照时数来源于中国气象科学数据共享服务网的中国辐射日值数据集。雪盖因子采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得到。DEM数据来源于ASTER数据生成的全球数字高程模型Global Digital Elevation Model (https://wist.echo.nasa. gov/~wist/api/imswelcome/), 空间分辨率为30 m。土壤砂土、粉砂土与黏土、CACO3和有机碳含量数据来自世界土壤数据库(Harmonized World Soil Database, HWSD), 并结合实地测量数据矫正得到。植被覆盖度采用MODIS MOD13Q1V006每16天一期最大合成的NDVI数据计算得到。所有数据经重采样, 空间分辨率为250 m, 时间分辨率为16天, 全年共23期, 计算结果累加得到年总风蚀量。
3 结果与分析3.1 科左后旗2010—2016年风蚀强度的时空变化
依照水利部《土壤侵蚀分类分级标准(SL190— 2007)》分类标准, 将科左后旗境内风蚀强度划分为微度侵蚀(0~2 t/(hm2·a))、轻度侵蚀(2~25 t/
(hm2·a))、中度侵蚀(25~50 t/(hm2·a))、强烈侵蚀(50 ~80 t/(hm2·a))和极强烈侵蚀(80~150 t/(hm2·a)) 5 个等级。计算结果显示, 科左后旗风蚀强度以轻度侵蚀和中度侵蚀为主(图2), 4年平均风蚀量为19.49 t/(hm2·a), 2010, 2012和2014年均呈现明显的西高东低的空间分布规律, 但2016年全旗风蚀量无明显空间趋势。在年内变化上, 取科左后旗4年各期风蚀量的平均值, 并按月统计(图3), 结果表明全旗年内风蚀量较大的时间段集中于春季, 3—5月风蚀尤为强烈, 占全年风蚀量的89.16%。
在时间变化上, 2010—2016年科左后旗风蚀强度明显下降(图4), 总风蚀量从2010年的3893.87万t下降为2016年的1883.56万t, 降幅为51.63%, 平均风蚀强度从2010年的33.86 t/(hm2·a)下降到2016年的16.37 t/(hm2·a), 年均下降3.49 t/hm2, 全旗风蚀状况得到明显改善。此外, 2010—2016年不同风蚀程度面积占比也明显改变, 微度和轻度风蚀面积占比呈上升趋势, 强烈风蚀和极强烈风蚀面积占比明显下降(图5)。其中, 强烈风蚀地区面积占比从2010年的24.02%下降到2016年的8.08%; 微度风蚀从2.21%增加至9.59%, 轻度风蚀从41.71%增加至65.48%, 增幅较大。从总体上看, 自2010年以来, 作为京津风沙源治理工程项目区之一, 科左后旗风蚀量下降明显, 强烈风蚀与极强烈风蚀侵蚀地区的面积显著减少, 风蚀状况得到一定程度的缓解。
3.2 科左后旗项目区 2010—2016 年风蚀强度的时空变化
依照通辽市“双千万亩”项目分区治理方案, 科左后旗工程选取努古斯台、阿古拉及好通高速道路沿线等明沙集聚、沙化最严重的村镇作为重点治理区域。根据以上测算结果, 科左后旗项目区2010— 2016年平均风蚀量为24.51 t/(hm2·a), 明显高于科左后全旗的平均值(19.48 t/hm2·a), 说明区域选择合理; 从时间上看, 如表2所示, 2010年项目区平均风蚀量为43.03 t/(hm2·a), 2016年降至18.11 t/(hm2·a),下降幅度达到57.91%。
此外, 2010—2016年科左后旗项目区相对风蚀系数 α 分别为1.27, 1.37, 1.19和1.10, 从图 6 的项目区 α 变化曲线(实线)明显看出, 2010—2014年, “双千万亩工程”尚未开展时, 项目区相对风蚀系数较
高, 即项目区平均风蚀状况与全旗平均状况的差距更明显; 2016年项目区相对风蚀系数大幅度下降,说明区域内平均风蚀状况与全旗平均状况的差距减小, 仅为全旗平均风蚀量的1.10倍。由此可见, 自2014年“双千万亩”工程实施后, 与全旗其他区域相比, 原本风蚀强度较大的项目区风蚀状况出现明显改善, 到2016年, 项目区风蚀强度与全旗平均水平基本上一致, 说明2014—2016年间“双千万亩”工程建设效果较显著。
3.3 科左后旗项目区周边地区风蚀强度的时空变化
科左后旗“双千万亩”工程建设以防风林栽种及
[27]禁牧等措施为主 。栽种防风林可在覆盖土壤表面形成保护层, 减缓近地表风速, 阻碍风湿过程中砂砾的运输过程, 进而减缓风蚀[28]。此外, 防风林还可通过吸引传播种子的动物来增加周围地区树木和灌木种子的沉积, 进一步通过生物方式加速自然
[29]的演变过程, 提升周边地域植被覆盖度 。可见,防风林建设不仅可以减缓项目区内风蚀状况, 也可减缓周边地区风蚀状况, 即具有一定的域外效应。因此, 为进一步探究项目区周边地区的风蚀变化,我们在项目区外1 km处、1~2 km处、2~3 km处、3~4 km处和4~5 km处划分缓冲区(以下称为1 km缓冲区、2 km缓冲区、3 km缓冲区、4 km缓冲区和5 km缓冲区), 分别统计2010—2016年各缓冲区的风蚀变化量(表2), 并计算相对风蚀系数(图6)。
在时间变化上, 2014年项目启动后, 科左后旗项目区外不同距离缓冲区的相对风蚀系数均下降(图6), 说明项目区建设降低了项目区域内及域外一定距离缓冲区的风沙侵蚀。2010—2016年各区域相对风蚀系数的标准差逐渐下降, 分别为0.12, 0.15, 0.11和0.06, 不同区域间风蚀程度差距减小, 进一步说明项目区治理取得一定成效。
在空间分布上, 项目区的风蚀程度高于全旗的平均水平, 距项目区距离越远, 风蚀程度越低(表2)。3 km缓冲区2010—2016年的相对风蚀系数分别为1.03, 1.04, 0.98和0.97 (图6), 即项目区外2~3 km处风蚀强度已与全旗平均水平相当。此外, 2016年项目区内及1~5 km缓冲区的相对风蚀系数分别下降0.16, 0.15, 0.012, 0.08, 0.05和0.02, 说明越靠近项目区, 相对风蚀系数降低越明显。但是, 在3 km缓冲区外, 相对风蚀系数的变化不明显, 4 km缓冲区与5 km缓冲区相对风蚀系数相差不大, 与全旗平均水平相近。2014—2016年 4 km缓冲区相对风蚀系数几乎没有变化, 5 km缓冲区的相对风蚀系数甚至出现一定程度的增加, 因此项目区建设的域外效应边界约在项目区外3 km处。
4 讨论
与文献[30]相比, 本研究模拟得到的区域风蚀
强度略高, 但时空分布格局基本上一致。在利用传统方法的研究中, 多通过统计型风速生成器(wind Generator)模拟风速, 以期达到模型要求, 这可能会
[16]在一定程度上低估风速 。本研究采用国家气象局信息中心从2005年开始收集的小时风速作为因子计算的数据来源, 风速的时间分辨率更高。因此,模拟得到的风蚀量较大。
此外, 以风速为代表的气候因素是影响风蚀的主要原因, 风沙治理主要通过增加植被覆被的手段来改善区域风蚀状况, 不能改变或影响气候等不可控因子。本研究模拟结果中, 科左后旗2014年风蚀量较小, 2016年风蚀量略有增加, 但仍低于项目启动前2010年及2012年的两期结果。统计研究区周边各气象站2010—2016年的大风天气(2 m处风速大于8 m/s)的频次, 发现2010—2016年大风次数分别为289, 182, 92和192次, 2014年大风发生的次数明显少于其他三期, 这也是导致2014年风蚀量小的重要因素。
本研究存在一些不足之处。1) RWEQ风蚀模型中, 计算风蚀因子所需的风速为2 m处风速, 但我国气象站数据为10 m处风速, 计算中使用的2 m处风速是用《中华人民共和国气象行业标准QX/T 81— 2007》提供的校正方式校正得到, 因缺乏实地风速的检测与校正, 与真实值相比, 可能存在一些偏差。2) 本文的主要目的是探讨科左后旗防风固沙项目的建设成效, 故研究的时间范围(2010, 2012, 2014和2016年)是根据项目建设时间确定的。由于气候具有一定的随机性, 在接下来的研究中, 应采用较长的时间序列探究科左后旗以及京津风沙源治理工程重点实施区域的风蚀强度变化。3) 本文提出防风林的建设具有一定的域外效应, 但由于本研究区域仅限科左后旗, 未考虑周边地区的防风固沙建设工作对科左后旗风蚀强度的影响, 因此, 扩大研究区范围是今后工作的重点之一。
5 结论
“双千万亩”整治工程是通辽市改善当地环境、治理土壤风蚀的重要尝试。本文以通辽市科左后旗为研究区, 通过RWEQ模型计算区域内风蚀强度,评估其实施效果, 主要结论如下。
1) 2010—2016年科左后旗风蚀强度明显下降,总风蚀量从2010年的3893.87万t下降到2016年的1883.56万t, 降幅为51.63%, 防风固沙整治工程项
目在全旗取得一定的成效。在空间分布上, 科左后旗风蚀强度自东向西递增, 风蚀较强的时间主要集中在3—5月, 因此, 下一步应加强春季的风沙治理工作, 并将资金和力量集中在西部地区。
2) “双千万亩”项目工程实施前, 项目区平均风蚀强度明显大于全旗平均风蚀; 2014年项目区开始建设之后, 项目区内相对风蚀系数明显下降。项目区2014—2016的建设成效显著, 有效地缓解了项目区内的风沙侵蚀。
3) 项目区的建设具有一定的域外效应。距项目区不同距离缓冲区内, “双千万亩”项目实施后,相对风蚀系数都明显下降, 且越靠近项目区, 下降越明显, 且各区域之间的差距减小。距离风蚀区2~3 km范围内的风蚀强度与全旗风蚀强度基本上一致, 相对风蚀系数下降不显著, 项目区的域外效应范围约为3 km。
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