21世纪初, 连续多次扬沙和沙尘暴天气横扫我国华北和部分华东地区^[1-3]。沙尘策源地位于蒙古共和国中南部、内蒙古中东部和河北北部^[4-6], 这些区域广布草地、沙地和旱作耕地, 气候变化与人类活动导致植被退化、沙丘活化, 为沙尘暴大面积发生提供了丰富的沙尘来源^[7]。春季地面回暖解冻、地表裸露, 多细沙尘土, 大风时在本地及风过境地带形成沙尘天气^[8]。风速变化直接影响沙尘暴, 冬季地面风速越大, 来年春季沙尘暴就越多, 反之沙尘暴就越少^[9]。此外, 沙尘天气的发生很大程度上受大风和降水的时空配合^[10]。近十几年, 全球变暖导致亚洲大陆中纬度地区冬季风明显减弱^[11-13], 加之各类生态工程, 植被有所恢复, 风沙天气和沙尘暴天气减少, 沙尘天气的强度和频度显著下降^[14-17]。

为减轻京津地区风沙危害, 2003年启动了京津风沙源治理一期工程, 投入资金412亿元^[1]。针对京津风沙源治理区生态环境变化开展了大量研究, 分析了区域植被覆盖变化^[18-21]、沙化土地动态^[22-23]、沙尘天气变化^[13]、植被覆盖变化对生态系统防风固沙服务^[24]以及沙尘天气的影响^[16]等。聚焦京津风沙源治理工程, 分析了工程对于土壤风蚀控制^[25]、土壤有机碳^[26]的影响, 评价京津风沙源治理工程的生态成效^[27-29]或综合效益^[30-33]。研究表明, 工程区沙化土地得到一定程度的治理与修复^[34-36], 流动沙丘得到初步治理^[37], 生态环境总体有所好转^[38]。人工植被恢复速度快、短期成效显现, 然而, 构建的人工植物群落结构较为单一、稳定性较差, 生态系统的发展和维持不具可持续性^{[36, 39]}, 人工固沙植被大面积退化, 局部地区生态恶化趋势没有从根本上扭转, 造林作为半干旱区草地退化和沙化治理的恢复手段具有局限性^[40-41]。

京津风沙源治理区作为我国北方地区重要的生态屏障、国家生态修复环境改善示范区^[42]和京津冀协同生态环境治理关键地带, 凸显了京津风沙源治理工程的重要性^{[34, 39]}。为了巩固一期工程成效, 进一步改善京津地区生态环境, 解决沙尘策源区风沙危害严重、人工固沙植被退化等问题, 2013年启动了京津风沙源治理二期工程, 规划投入878亿元。近十几年来, 京津风沙源治理工程是否取得了预期的生态效果？京津风沙源治理区生态状况如何变化？哪些措施产生了正面作用, 哪些不利于工程规划目标的实现？本研究结合站点观测、遥感监测、模型模拟等方法, 分析京津风沙源治理区宏观生态状况变化, 揭示气候变化、植被覆盖、土壤风蚀、沙尘天气等相互作用关系, 进一步基于工程规划目标评估京津风沙源治理工程的生态保护与修复效应。

1 数据与方法 1.1 研究区概况

京津风沙源治理一期工程(2003—2012年)涉及北京、天津、河北、山西及内蒙古等5个省域的75个县域^[1], 工程区总人口1958万人, 总面积45.8万km², 沙化土地面积10.1万km²。一期工程分为4个治理区, 即北部草原沙化治理区、浑善达克沙地治理区、农牧交错地带沙化土地治理区和燕山丘陵山地水源保护区。二期工程(2013—2022年)包括一期工程范围, 并增加陕西省部分县域, 共涉及6个省域的138个县域^[38](图 1)。

1.2 数据收集与处理

风速与沙尘天气数据：从国家气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn/)收集并整理了2003—2017年京津风沙源治理区范围内143个气象台站的风速与沙尘、扬尘、浮尘天气日数。分析每个站点的春季起沙风速(>5.0 m/s)^[43]、年沙尘日数、年扬尘日数、年浮尘日数的变化趋势, 划分为极明显减少、明显减少、轻微减少、无明显变化、轻微增加、明显增加、极明显增加等7种变化程度。

土地利用与土地覆盖变化数据：基于刘纪远等^[44]土地利用与土地覆被变化解译方法, 以陆地卫星TM/ETM+遥感图像为信息源, 结合中巴资源卫星、环境小卫星图像数据, 经图像精校正和拉伸处理后, 通过人工解译获得治理区2003年、2012年和2017年土地利用类型及2003—2012年、2012—2017年土地利用变化数据, 土地利用类型分为林地、草地、耕地、沙地和其他。利用野外调查资料和高分GF—1、GF—2号图像进行统一质量检查和精度验证, 类型综合评价精度达到90%以上。

植被覆盖度数据：收集2003—2017年治理区1 km空间分辨率、16天时间分辨率的MODIS归一化植被指数(NDVI)数据, 通过格式转换、重投影、拼接、重采样和S—G滤波处理, 采用最大合成法(MVC)得到连续时间序列的半月NDVI数据。根据像元二分模型理论, 认为一个像元的NDVI值是由绿色植被部分贡献的信息与无植被覆盖部分贡献的信息组合而成, 利用NDVI计算半月尺度的植被覆盖度, 根据如下公式估算得到：

(1)

式中, F_C为植被覆盖度, NDVI_veg是纯植被像元的NDVI值, NDVI_soil是完全无植被覆盖像元的NDVI值, 依据1 km栅格百分比土地利用类型数据确定纯植被和完全无植被覆盖的像元。

采用最小二乘法分析植被覆盖度的年际变化趋势, 计算公式为：

(2)

式中, i为2003年到2017年的年序号, 某栅格像元的趋势线是这个像点的F_C值用一元线性回归模拟出来的一个总的变化趋势, slo即这条趋势线的斜率, 斜率为正, 说明此像元植被覆盖度在该时间段的变化趋势是增加, 反之则是减少。

1.3 土壤风蚀模数估算方法

土壤风蚀模型是开展大时空尺度土壤风蚀研究的必要手段, 如WEQ、RWEQ、WEPS、TEAM、风蚀预报与风蚀量统计模型等。在充分考虑气候条件、植被状况、地表土壤的粗糙度、土壤可蚀性、土壤结皮的情况下, 本文利用修正的土壤风蚀方程(RWEQ)估算区域尺度土壤风蚀模数^[45-46]。

(3)

(4)

式中, M_w表示土壤风蚀模数, x表示地块长度, Q_x表示x处的沙通量(kg/m), Q_max表示风力的最大输沙能力(kg/m), s表示关键地块长度(m)。WF表示气象因子, EF表示土壤可蚀性成分因子, SCF表示土壤结皮因子, K′表示土壤糙度因子, COG表示植被因子。K′反映地表对风速减弱作用及对风沙活动的影响, 即粗糙度反映了地表抗风蚀的能力, 其大小取决于地表粗糙元的性质, 通过文献参数整理得到草地、沙地、农田等类型的土壤糙度因子值。COG为枯萎植被、直立残茬和生长植被覆盖的土壤流失比率的乘积。

(5)

式中, WS₂为2 m处风速(m/s), WS_t为2 m处临界风速, 风速数据源自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn), 采用克里金插值为空间分布数据；N为风速观测次数(一般500次), 由于日均风速数据达不到500次, 且滤掉了瞬间高风速, 使得估算结果偏小, 为此采用郭中领等^[47]的降尺度方法提高风速数据时间分辨率；N_d为试验天数；ρ为空气密度(kg/m³), g为重力加速度(m/s²)；SW为无量纲的土壤湿度因子；SD为雪覆盖因子, 即计算时段内积雪覆盖深度大于25.4 mm的概率, 利用中国西部环境与生态科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn)的雪深长时间序列数据集来计算。

(6)

(7)

式中, S_a为土壤砂粒含量, S_i为土壤粉砂含量, C_l为土壤粘土含量, OM为有机质含量, CaCO₃为碳酸钙含量。土壤颗粒含量和有机质含量数据源于中国西部环境与生态科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn)的中国土壤特征数据集, 土壤碳酸钙含量源于地球系统科学数据共享服务网(http://www.geodata.cn)的全国1:400万土壤碳酸钙含量分布。估算结果利用已发表基于地面测定的京津风沙源治理区范围内风蚀模数^[48-50]进行验证。

利用生态系统防风固沙服务量(S_w)衡量生态系统防风固沙能力, 即极度退化状态与实际地表覆盖条件土壤风蚀量的差值^[51]。

(8)

式中, S_T表示极度退化状态下的潜在土壤风蚀量, S_S表示实际地表覆盖条件下的现实土壤风蚀量。

1.4 基于工程规划目标的生态保护与修复效应评估

京津风沙源治理一期工程主要目标^[1]：通过保护现有植被、封沙育林, 飞播造林、人工造林、退耕还林、草地治理等生物措施和小流域综合治理等工程措施, 使工程区可治理的沙化土地得到基本治理, 生态环境明显好转, 风沙天气和沙尘暴天气明显减少, 从总体上遏制沙化土地的扩展趋势, 使京津周围生态环境得到明显改善。

二期工程第一阶段目标^[39]：到2017年, 工程区林草植被总量进一步增加, 沙化土地治理取得明显成效, 有效控制沙化土地扩展趋势, 生态环境有所改善, 京津地区沙尘天气进一步减少；基本实现草畜平衡；工程区农牧民收入稳步增加、生产生活条件明显改善。

针对京津风沙源治理工程的规划目标, 本文将通过回答如下几个问题, 从土地利用类型、植被覆盖度、防风固沙量、风沙和沙尘天气、气候与人类活动驱动因素等方面, 分别评估过去10年(2003—2012年)一期工程和近5年(2013—2017年)二期工程第一阶段的生态保护与修复效应：(1)京津及华北北部地区的绿色生态屏障是否初步构成？(2)京津风沙源治理工程是否有效地遏制了沙化土地的扩展趋势？(3)绿色生态屏障是否发挥防风固沙效应？(4)风沙天气和沙尘天气是否明显减少？

2 结果与分析 2.1 京津风沙源治理区绿色生态屏障建设效果

京津风沙源治理区绿色生态屏障主要由草地和林地构成, 其中典型草原与荒漠草原是该区的主体生态系统。2017年, 草地面积占治理区各类生态系统总面积的57.3%, 林地占9.7%。近15年间, 京津风沙源治理一期工程区范围内, 由于工程造林措施的实施, 草地面积减少1305.4 km², 而林地面积增加275.3 km²。京津风沙源治理二期工程新增区域内, 草地减少1488.7 km², 而林地增加1246.1 km²(表 1)。由耕地转为林地主要发生在京津风沙源治理区东部和南部, 特别是山西、河北的北部及其与内蒙古交界的农牧交错带；由草地转林地多发生在京津风沙源治理区东南部, 特别是山西、山西与内蒙古交界区域(图 2)。

2003—2017年, 京津风沙源治理区植被覆盖度平均提高了2.3%。林地平均植被覆盖度由84.2%提高到88.5%, 其中, 原有林地的植被覆盖度由85.3%提高到89.6%, 新增林地的植被覆盖度由70.3%提高到74.1%, 分别比工程实施前提高了4.3%和3.8%。草地平均植被覆盖度由44.7%提高到46.1%。林地和草地植被覆盖度分别比工程实施前提高了4.3%和1.4%。就治理区而言, 全区植被状况趋好(图 2b), 约占总面积63%的植被覆盖度提高。近15年, 从植被覆盖度年际变化趋势来看(表 2), 大部分区域有所上升, 特别是转草地和转林地区域。近5年, 农牧交错地带沙化土地治理区、转草地区域、耕地的植被覆盖度则相对地有所下降。

2.2 京津风沙源治理区沙化土地治理效果

京津风沙源治理区沙化土地面积4.5万km², 占治理区各类生态系统总面积的6.4%, 其中一期工程区沙地面积1.5万km², 占比3.2%, 二期工程新增区域的沙地面积3.1万km², 占比12.5%。沙化土地主要分布在科尔沁沙地、浑善达克沙地、毛乌素沙地、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠等(图 3)。2003—2012年, 京津风沙源治理一期工程区范围内, 沙地面积减少了42.03 km²。2012—2017年, 京津风沙源治理一期工程区范围内沙地面积减少了205.9 km², 二期工程新增区域内沙地面积减少1217.8 km²(表 1), 说明治理区沙化土地面积的扩展趋势有所遏制。沙地转草地主要发生在内蒙古阴山山麓、乌兰布和沙漠、浑善达克沙地(图 3)。

2.3 京津风沙源治理区绿色生态屏障的防风固沙效应

2003—2017年, 在沙尘天气发生的春季, 京津风沙源治理区的土壤风蚀量由5.21亿t减少至2.56亿t, 减少幅度为54%。近十几年, 京津风沙源治理一期工程区的土壤风蚀模数在大部分区域皆有所减少(表 3), 绿色生态屏障发挥了防风固沙作用, 特别是北部草原沙化治理区和浑善达克沙地治理区；二期工程区的土壤风蚀模数以减少为主, 特别是阴山山麓与乌兰布和沙漠(图 4)。在防风固沙服务总量的贡献中, 草地、沙地和转草地的土壤风蚀模数减少速率最大(表 3), 由草地和沙地生态系统贡献71%, 耕地贡献8.8%, 林地6.6%, 其他生态系统0.8%。就各类生态系统防风固沙服务而言, 占主体地位的草地和沙地生态系统植被恢复, 对京津风沙源治理区生态系统防风固沙服务的提高发挥了最为重要的作用。综上所述, 观测分析数据说明京津风沙源治理一期工程初步遏制了风沙危害加剧的趋势。除治理区植被有所恢复外, 由于气候变暖, 一期工程10年间, 京津风沙源治理区的风场强度有所减弱。其中, 沙尘天气易发生的春季, 风场强度减弱近45%(图 4), 也是影响京津风沙源区风蚀量下降的一个重要原因。

2.4 京津风沙源治理区风沙天气和沙尘天气变化

2003—2017年, 京津风沙源治理区约33%站点的风速减小, 60%站点的风速明显增大, 其余无明显变化(图 4)。近15年, 沙尘天气日数呈现自西向东、自北向南逐渐递减的规律, 其中, 内蒙古部分地区为沙尘天气发生频率最高区域, 而京津地区则表现为极明显或明显减少(图 5)。扬尘天气日数呈现出极明显或明显减少趋势, 特别是内蒙古部分地区, 京津地区则表现为无明显变化(图 5)。浮尘天气日数亦呈现自西向东、自北向南逐渐递减的规律, 其中, 内蒙古部分地区和北京表现为明显增加或极明显增加, 而河北大部分地区则表现为极明显或明显减少(图 5)。

3 讨论与结论 3.1 结论

本文对京津风沙源治理区生态系统变化的监测结果显示：

(1) 过去15年, 京津风沙源治理一期工程区和二期新增工程区的草地、耕地、沙地面积减少, 而林地和其他类型面积增加。治理区植被覆盖度平均提高了2.3%, 其中, 林地植被覆盖度比工程实施前提高了4.3%, 草地植被覆盖度提高了2.4%。沙尘天气发生的春季, 京津风沙源治理区的土壤风蚀量减少了54%。上述结果说明, 京津风沙源治理一期工程初步遏制了风沙危害加剧的趋势。

(2) 在防风固沙服务总量的贡献中, 草地、沙地和转草地的土壤风蚀模数减少速率最大, 其中草地和沙地贡献了71%。因此, 占主体地位的草地生态系统植被恢复, 对京津风沙源区生态系统防风固沙服务的提高发挥了最为重要的作用。

(3) 除治理区植被有所恢复外, 由于气候整体变暖, 近15年京津风沙源治理区的风场强度有所减弱。其中, 沙尘天气易发生的春季, 风场强度减弱近45%, 也是影响京津风沙源治理区风蚀量下降的一个重要原因。

3.2 讨论

京津风沙源治理一期工程采取了行之有效的生态保护与修复措施, 加之区域气候变化的影响, 风沙危害加剧的趋势得到了初步遏制。但是, 该区域仍有大面积退化和沙化草地有待持续治理, 浑善达克等沙地生态系统仍十分脆弱, 初步形成的有效治理模式有待坚持和推广, 治理区生态保护与社会经济发展的矛盾较为突出。因此, 二期工程滚动实施过程中需要注意, 对京津冀地区构成重大威胁的沙尘灾害源于可以治理的退化草地和耕地, 以内蒙古中部和河北省北部的退化草地、撂荒耕地及旱作耕地为主, 而不是难以治理的天然沙漠和戈壁。因此, 退化草原和沙地是京津风沙源治理工程的主体, 工程经费投入的侧重点应该转移到现有草地和沙地的保护与恢复上来, 坚持“保护优先、自然恢复为主”的原则, 有效地抑制影响京津地区的主要沙尘来源, 形成京津冀地区的绿色生态屏障。