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环境科学研究
ResearchofEnvironmentalSciences
ISSN1001-6929,CN11-1827/X
《环境科学研究》网络首发论文
题目:鄂尔多斯市防风固沙功能时空变化及驱动因素分析
作者:马苏,刘军会,康玉麟,刘洋,郑颖娟,周甲男
DOI:.1001-
收稿日期:2022-06-20
网络首发日期:2022-10-08
引用格式:马苏,刘军会,康玉麟,刘洋,郑颖娟,
时空变化及驱动因素分析[J/OL].环境科学研究.
/-
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:.
췸싧쫗랢쪱볤ꎺ2022-10-0818:43:13
췸싧쫗랢뗘횷ꎺ.
鄂尔多斯市防风固沙功能时空变化及驱动因素分析
马苏,刘军会*,康玉麟,刘洋,郑颖娟,周甲男
中国环境科学研究院环境信息研究所,北京100012
摘要:鄂尔多斯市是京津风沙源治理的重点区域,其防风固沙功能提升对于筑牢北方生态屏障和维护环京
、植被、土壤等数据资料,采
用修正的风蚀模型(RWEQ),评估了鄂尔多斯市防风固沙功能,揭示了防风固沙功能时空变化规律及驱动
:①×108t,×104t/km2,高值区主
要位于东部和北部,整体上呈现自东向西递减的趋势.②2000—2018年,鄂尔多斯防风固沙功能呈增加趋
势,%;空间上,防风固沙功能明显提升区域主要位于准格尔旗和乌审旗的东南部,面
%;稳定区域位于杭锦旗鄂托克旗、伊金霍洛旗的部分区域,%;降低区
域位于杭锦旗北部和鄂托克旗西部,%.③鄂尔多斯防风固沙功能变化与降雨量和土地利
,长期生态保护修复显著提升了防风固沙功能,但由于气候变
化和人类活动影响仍存在功能退化区域,未来科学实施生态修复是筑牢鄂尔多斯市生态屏障的主要方向.
关键词:防风固沙功能;修正的风蚀模型(RWEQ);时空变化;驱动因素;鄂尔多斯市
中图分类号:X901
文献标志码:ADOI:.1001-
Spatio-TemporalChangesofSand-FixingFunctionandItsDrivingFactorsin
theOrdos
MASu,LIUJunhui*,KANGYulin,LIUYang,ZHENGYingjuan,ZHOUJianan
InstituteofEnvironmentalInformation;ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China
Abstract:-breakingand
sand-fixation(WBSF)functionisofgreatimportanceforbuildingastrongecologicalsecuritybarrierandmaintainingenvironmental
,basedonlong-termseriesremotesensingdata,meteorologicaldata,vegetation,andlandusedata,wesimulated
thespatio-temporalchangeofWBSFfunctioninOrdosfrom2000to2018usingthemodifiedwinderosionmodel(RWEQ),and
:(1)In2018,×108t,
×104t/
west.(2)From2000to2018,theWBSFfunctioninOrdosshowedanincreasingtrend,%.
%area,whereWBSFimprovedsignificantly,wasmainlylocatedinthesoutheastofJungarBannerandUxinBanner;
%wasstablearea,andwaslocatedinsomeareasofHangginBanner,OtogBannerandtheEjinHoroBanner;%
area,whereWBSFdecreased,waslocatedintheKubuzidesertandwesternOtogBanner.(3)ThechangeoftheWBSFfunctionwas
-termecologicalprotectionandrestorationprojects
,duetotheinfluenceofclimatechangeandhumanactivities,therearestill
,scientificimplementationofecologicalrestorationinthefutureappearstobethemain
directionforbuildingtheecologicalsecuritybarrierinOrdos.
Keywords:wind-breakingandsand-fixation(WBSF)function;revisedwinderosionequation(RWEQ);spatio-temporalchange;
drivingforce;Ordos
收稿日期:2022-06-20修订日期:2022-09-19
作者简介:马苏(1986-),女,河北衡水人,助理研究员,主要从事生态环境变化研究,ma.******@
1
:.
*责任作者,刘军会(1976-),男,河北保定人,研究员,主要从事生态遥感与全球变化研究,******@
基金项目:国家重点研发计划项目()
SupportedbyNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina()
土壤风蚀是干旱与半干旱地区广泛存在的严重环境问题之一[1].土壤风蚀导致的土地沙化和土地退化
降低了土壤的生产力,削弱了土壤保持服务功能[2-3],威胁着区域经济发展、粮食安全和人类福祉[4-5].根
据2015年发布的《中国荒漠化和沙化状况公报》,截至2014年,×104km2和
×,国家相继实施了一系列重大的生态保护与
建设工程,如三北防护林、黄土高原中上游退耕还林还草、京津风沙源治理等,使得我国北方地区土壤风
蚀得到了有效缓解[6-7],但是生态系统的恢复是漫长复杂的过程,及时监测、评估工程区生态状况及功能变
化尤为重要[8].而现有研究多侧重于植被覆盖状况的监测,对区域防风固沙功能的动态变化及其空间差异
的研究相对较少.
防风固沙是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[9],这种保持土壤、抑
制风蚀过程的功能即为防风固沙功能[10-11].风蚀模型是评估防风固沙功能的主要技术手段,并已经发展演
化出通用风蚀方程(WEQ)[12]、德克萨斯侵蚀分析模型(TEAM)[13]、Bocharov模型[14]、风蚀预报系统(WEPS)[15]
和修正的风蚀模型(RWEQ)[16-17],RWEQ是目前应用最广泛的土壤风蚀模型[18-23],该模
型充分考虑气候变化、植被覆盖状况、土壤质地、地表粗糙度等因素,通过参数的修正和公式调整可以应
用到我国北方土壤风蚀状况的评估[24-32].
鄂尔多斯市地处我国“北方防沙屏障带”的南侧,境内分布有库布齐沙漠和毛乌素沙地,土壤风蚀严
重,生态环境脆弱,是京津地区主要风沙源之一,其防风固沙能力不仅影响当地生态屏障建设,而且关系
、植被、土壤等数据资料,
采用修正的风蚀模型(RWEQ)与GIS技术,研究2000—2018年鄂尔多斯市防风固沙功能的时空变化规律,
并从气候变化和人类活动角度探讨驱动影响机理,以期为鄂尔多斯市科学实施生态修复和筑牢生态安全屏
障提供科学参考.
1研究区概况
鄂尔多斯市位于106°27′~111°27′E和37°18′~40°17′N之间,ד几字
弯”腹地,三面黄河环抱,平均海拔1000~1500m,北部为黄河冲积平原,东部为丘陵沟壑水土流失区和
砒砂岩裸露区,西北部为库布齐沙漠,东南部为毛乌素沙地,沙化土地约占全市总面积的48%.气候类型
为温带大陆性干旱半干旱气候,年降水量170~350mm,年蒸发量高达2000~3000mm;多大风,年均
,最大风速可达22m/、
栗钙土、棕钙土和风沙土等.
2
:.
图1鄂尔多斯市的地理位置示意
2数据来源及处理
遥感数据:归一化植被指数(NDVI)为MOD13Q1产品,该数据已经经过几何精纠正、辐射校正、大气
,然后采用最大值合成法(maximumvalue
composite)获得NDVI数据,并基于像元二分法生产2000—2018年的植被覆盖度.
土地覆被数据:使用2000年的Landsat-TM遥感影像数据和2018年的Landsat8遥感影像数据,结合
高分遥感影像,采用CART决策树分类分别得到2000年和2018年的土地覆被图.
气象数据:来源于中国气象科学数据共享服务网()以及鄂尔多斯市气象局8个气象
、经纬度和海拔,以及每个气象站点在相应分析
时间尺度内的降水量、风速、气温、日照时数等;采用Kriging对长时间序列离散点的气象数据进行插值
处理,以得到气象要素的栅格图像.
土壤数据:来源于中国科学院南京土壤研究所提供的1:1000000土壤图及所附的土壤属性表,包括有
机质、砂粒和黏粒含量等属性.
其他数据:雪盖数据采用中国科学院旱区寒区科学数据中心()的中国雪深长
(DEM)来源于中国科学院资源环境科学数据中心(),
空间分辨率为90m.
所有数据在ArcGIS中进行运算时投影坐标系统一为Krasovsky_1940_Albers,数据均重采样为250m
的空间精度.
3研究方法
RWEQ模型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,从而有效预测防风固
沙量的模型[33-36].因此,该研究采用RWEQ模型测算防风固沙量,进而评估鄂尔多斯市防风固沙功能及其
动态变化,(SRA)为潜在土壤风蚀
量(SLp)与实际土壤风蚀量(SLr)的差值,具体计算公式如下:
2Z-(Z/sp)2(1)
SLp=2×Qpmax×e
sr
Qpmax=×WF×EF×SCF×K(2)
3
:.
sp=×(WF×EF×SCF×𝐾)−(3)
2Z-(Z/sr)2(4)
SLr=2×Qrmax×e
sr
Q=×WF×EF×SCF×K×C(5)
rmax
sr=×(WF×EF×SCF×K×C)-(6)
SRA=SLp-SLr(7)
式中:SL为潜在风蚀量,kg/m2;Z为下风向距离;sr为潜在关键地块长度,m;Q为潜在风力的最大
ppmax
输沙能力,kg/m;sp为实际关键地块长度,m;WF为气象因子,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分别为土壤粗糙因子与植被因子;SLr为实际风蚀量,kg/m2;Qrmax为实际风力
的最大输沙能力,kg/m;SRA表示单位面积防风固沙量,kg/m2.
a)气象因子(WF).气象因子表征了在考虑降雨、温度、日照及雪盖等因素下,风力对土壤颗粒的搬
运能力.
N2(8)
∑t=1U2(U2-Ut)×Ndρ
WF=×SW×SD
N×g
式中:g为重力加速度,m/s2,;ρ为空气密度,kg/m3,;SW为土壤湿
度因子,无量纲;SD为雪盖因子(无积雪覆盖天数与研究总天数之比,雪盖深度<),
结合鄂尔多斯市的地理位置以及雪盖数据的处理结果,该文取1;U2为2m处的风速,m/s;Ut为2m处
的临界风速,笔者所在课题组于8—9月在伊金霍洛旗选取22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%左右,而刘玉章等[37]的风洞试验研究表明,起沙风速一般随沙中
含水量的增加而增加,%左右时,~,所以鄂尔多斯市的临界风速取
5m/s;Nd为观测风速大于临界风速的天数,d;N为一次试验中观察的总次数,该研究中进行了1年累计,
所以设定N为365.
b)土壤可蚀性因子(EF)与土壤结皮因子(SCF).土壤可蚀性因子与土壤结皮因子的计算公式分别如式
(9)(10)所示.
+++(sa⁄cl)-[OM]-[CaCO](9)
EF=3
100
1(10)
SCF=22
1+(cl)+[OM]
式中:sa为土壤粗砂含量(~2mm),%;si为土壤粉砂含量,%;cl为土壤黏粒含量,%;[OM]为
土壤有机质含量,%;[CaCO3]为碳酸钙含量,%.
c)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及土壤粗糙
度.
C=e-(SC)(11)
SC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)(12)
式中:SC为植被覆盖度,%;NDVImin为裸地对应NDVI值,取累计频率为2%的值;NDVImax为NDVI
最大值,取累计频率为98%的值.
4
:.
d)地表粗糙因子(K).地表粗糙因子的计算公式如式(13)所示.
π(13)
K=cos(slope×)
180
式中,slope为地形坡度,根据DEM利用ArcGIS软件Slope工具实现.
-Sen趋势分析
该方法在栅格尺度上对防风固沙量的变化趋势进行模拟,能够反映研究时段内防风固沙量变化幅度的
空间分布,其计算公式如下:
m∑mjF-∑mj∑mF(14)
j=1jj=1j=1j
SLOPE=2
m∑mj2-(∑mj)
j=1j=1
式中:SLOPE为回归方程的斜率;m为数据集时间段的年数;Fj为某像元第j年的防风固沙功能,t/
SLOPE为正,表示随着时间变化,防风固沙功能呈上升趋势;反之,当SLOPE值为负数时,表示随着时
间变化,防风固沙功能呈现下降趋势;SLOPE的数值大小反映防风固沙功能变化的程度.
Pearson相关系数能够表征2个变量之间的相关程度,该研究以像元为计算单元,分析降水对防风固
沙功能的影响,其计算公式为
∑∑(15)
∑−𝑚
𝑅=
(∑)2(∑)2
√(∑2−)(∑2−)
𝑚𝑚
式中:x为所有像元的防风固沙功能,t/km2;y为降水量,mm;m为研究时段的年数.
4结果与讨论
为了更好地表达防风固沙功能的空间差异,依据研究区防风固沙功能值域及自然断裂法,设置防风固
沙功能在0~×104t/km2之间为低值区,×104~×104t/km2之间为较低区,×104~×104
t/km2之间为一般区,×104~×104t/km2之间为较高区,×104t/km2以上为高值区.
评估结果表明,×108t,×104t/km2.
空间上,防风固沙功能存在明显地域差异(见图2),高值区域主要分布在鄂尔多斯市东部和北部黄河沿岸,
包括准格尔旗、达拉特旗东部和北部、东胜区、康巴什区、伊金霍洛旗东部等地区,%;
较高区域零散分布在鄂尔多斯市中部和南部,包括鄂托克旗西北部、鄂托克前旗大部、乌审旗南部、达拉
特旗南部等区域,%;一般区域集中分布在杭锦旗、鄂托克旗和乌审旗的部分区域,面积
%;较低区和低值区主要分布在库布齐沙漠和毛乌素沙地,%、%.
5
:.
图22018年鄂尔多斯市防风固沙功能的空间分布
-breakingandsand-fixingfunctionintheOrdosin2018
从时间变化(见图3)上看,2000—2018年,
×104t/×104t/km2,%,
2000—2009年,单位面积防风固沙量变化相对平缓,%,×104
t/km2;2009—2018年增长幅度较大,%,×104t/km2.
120000
100000
2)
80000
/(t/km
60000
风固沙功能
防40000
20000
0
2000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018
年份
图32000—2018年鄂尔多斯市防风固沙功能的变化
-breakingandsand-fixingfunctioninOrdosfrom2000to2018
从空间变化(见图4)上看,2000—%,防风
固沙功能明显增加区主要分布在准格尔旗和乌审旗的东南部等区域,%;
防风固沙功能一般增加区主要分布在杭锦旗的库布齐沙漠北部、乌审旗的毛乌素沙地、鄂托克前旗、达拉
特旗、伊金霍洛旗、东胜区、康巴什区等区域,%.此外,相比2000
年,%的区域防风固沙功能下降,主要分布在杭锦旗北部的库布齐沙漠和鄂托
%的防风固沙功能没有发生明显变化.
6
:.
图4鄂尔多斯市2000—2018年防风固沙功能的空间分布
-breakingandsand-fixationfunctioninOrdosfrom2000to2018
利用R语言编程进行降雨量和防风固沙功能的显著性检验,结果表明年降雨量(P<,r=)与防
—~,多年平均降雨
,呈现波动增加的趋势,
化较大的年份分析,2012年降雨量较2011年大幅增加,2012年防风固沙功能也显著增加;而2017年降
雨量下降,防风固沙功能也小幅下降(见图5).
空间上,%~(见图6),主要分布在降雨量≥200mm区域,该区域为防风
固沙功能一般区及以上,而相关系数为负值的占比较小,主要分布在库布齐沙漠,该区域为防风固沙功能
.
7
:.
120000600
防风固沙功能降雨量
100000500
2)
t/km80000400
(/(/
/mm
60000300
降雨量
防风固沙功能40000200
20000100
00
2000200120022003200420052006200720082009201020112012201320142015201620172018
年份
图52000—2018年鄂尔多斯市防风固沙功能和降雨量的变化
图6鄂尔多斯市降雨量与防风固沙功能相关系数的空间分布
根据鄂尔多斯市土地利用类型转移矩阵(见表1),2000—2018年,鄂尔多斯土地利用类型变化的主要
特点是城市扩张、林地和草地增加以及沙地、、草地、建设用地表现出不同程
度的增加,%、%、%,其中林地和草地面积的增加主要来源于沙地,沙地
整体呈现出净转出的特征,,%
%,其中耕地主要转换为建设用地以及退耕还草.
通过对2000—2018年土地利用类型变化和防风固沙功能变化的叠加(见图7),可统计分析不同土地利
,鄂尔多斯市土地利用类型发生变化的面积占研究区
%,而在土地利用类型发生变化的区域,其防风固沙量的变化占研究区总防风固沙量变化的
%,
用地类型主要在林地、、京津风
沙源治理工程以及禁牧、休牧等措施,,%,沙
8
:.
地主要转变为草地、林地和耕地,%.草地和林地增加区域防风固沙
%%.而耕地转为林地,%,耕地向林地转换大多是
人为造林的结果,新造林地在生长初期植被覆盖度较低,导致了短期内地表植被的保护作用下降,固沙功
,与生态环境质量提高相关的土地利用类型变化对区域防风固沙功能起到了一定的
增强作用.
表1鄂尔多斯市2000—2018年土地利用类型转移矩阵
Table1TransferringmatrixoflandusetypeinOrdosfrom2000to2018km2
2018年
2000年
耕地林地草地湿地建设用地未利用地沙地
耕地20051611658**********
林地95523663329636231
草地158377744031414**********
湿地19929520104773141105
建设用地193292