汉瑞英，赵志平，肖能文，史娜娜，张风春，高晓奇，刘高慧

(中国环境科学研究院，北京 100012)

0 引 言

被喻为“地球癌症”的荒漠化是当今世界关注的十大环境问题之一[1-2]，中国的荒漠化形势十分严峻[3]。根据第五次全国荒漠化和沙化土地监测结果，全国荒漠化面积为261.2×104km2，占国土面积的27.2%。1992年联合国环境与发展大会后，根据联合国决议，部分国家政府形成《联合国关于在发生严重干旱和/或荒漠化的国家特别是在非洲防治荒漠化的公约》(简称《联合国防治荒漠化公约》)。中国作为第一批签署该公约的国家之一，非常重视荒漠化的防治。党的十九大报告亦明确提出“开展国土绿化行动，推进荒漠化、石漠化、水土流失综合治理”[4]。土地沙化是中国西北地区荒漠化的主要类型之一[5]。

目前国内外学者针对沙化动态变化、沙化风险评估进行了大量研究工作。早期的沙化动态变化研究仅仅是进行局地沙化监测[6]。近年来随着遥感技术的发展，遥感数据[7]和沙丘活动指数[8-9]被广泛应用于土地沙化动态变化研究中。沙化风险研究多采用选取的沙漠化敏感性指标进行分级评价[10-11]，并基于评价结果来指示区域环境质量，因此,识别沙源区域对于沙化研究十分重要。Rayegan等利用陆地卫星Landsat8遥感数据得到植被覆盖、土壤水分和土地利用风侵敏感性图，进而获取沙源地潜在空间分布[12]。伊塔娜通过对比分析3期TM遥感影像，提取内蒙古乌梁素海地区土地沙化信息[13]。侯阁通过对1984～2013年NDVI遥感影像分析，并结合景观指数分析方法，探究了羌塘地区高寒草地沙化的时空动态变化[14]。但上述研究都没有分析沙源扩散路径，无法揭示沙化动态变化趋势，目前国内外仍缺乏大尺度沙源扩散路径的相关研究。

为了更好地揭示宏观尺度沙源扩散变化，本文应用“源-汇”景观生态学理论，将沙源扩散动态过程融入到静态格局中。2006年，陈利顶等首次提出“源-汇”景观生态学理论[15]。“源”是事物向外扩散的起点与物质基础，是能促进生态过程发展的景观类型[16]；“汇”是阻止延缓生态过程发展的景观类型[17-18]。目前，“源-汇”理论已广泛应用于生态网络构建、环境风险评价、景观生态安全格局构建等领域[19-21]。本文以新疆和田地区为研究对象，综合考虑土壤风蚀、土壤类型、湿润指数、土壤侵蚀等因子，通过生态阻力面(Urban Expansion Ecological Resistance，UEER)模型提取沙源地，利用ArcGIS10.2软件Cost Distance工具提取研究区潜在沙源扩散路径，同时采用重力模型筛选出沙源扩散的重要路径，分析沙源变化扩散过程，厘清和田地区沙源扩散规律，识别沙源扩散节点，并提出在Ⅰ类沙源扩散节点建设绿洲防护区来阻碍沙源地的流动扩散，以期为沙源动态变化研究提供一种新的思路，并为区域沙化防治提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

和田地区位于新疆塔里木盆地西南部，地理坐标范围为34°22′N～39°38′N和77°31′E～84°55′E，包含皮山县、墨玉县、和田县、洛浦县、策勒县、于田县、民丰县及和田市(图1)。研究区山势起伏大，南依昆仑山和喀喇昆仑山，北临塔克拉玛干沙漠，大部分市县处于被沙漠包围和半包围的状态，是典型的内陆干旱区。研究区位于中亚干旱区腹地，常年干旱少雨[22]，地表土质疏松，流动沙丘不断侵占绿洲、草地、耕地[23]。年降水量为28.9～47.1 mm，年潜在蒸发量为2 198～2 790 mm[24]，日照时数为2 470～3 000 h，光照充足，无霜冻期。在气候变化和人类活动的双重影响下，该地区土地沙化严重，生态安全受到威胁。

1.2 数据来源

图1 新疆和田地区土地利用现状Fig.1 Present Situation of Land Use in Hotan Area of Xinjiang

2016年土地利用数据(空间分辨率为30 m×30 m)和湿润指数数据(空间分辨率为1 km×1 km)来源于中国科学院资源环境科学数据中心；NDVI遥感数据采用中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http:∥www.gscloud.cn)提供的2016年逐月数据，利用最大值合成法获取年NDVI遥感数据(空间分辨率为500 m×500 m)；土壤湿度因子(2016年)、日均风速、降水、温度和日照时数等来源于中国气象科学数据共享网(http:∥cdc.cma.gov.cn)，用于计算风蚀因子；土壤类型和土壤理化性状、雪覆盖因子数据来源于中国西部环境与生态科学数据中心网站(http:∥westdc.westgis.ac.cn)，分辨率为1 km。

2 分析方法

2.1 基于生态阻力面模型的沙源潜在扩散途径模拟

最小阻力模型(Minimal Cumulative Resistance，MCR)被广泛应用于城市建设、保护地规划等景观格局分析以及生态网络构建等领域[25-29]。本文采用经最小阻力模型改进后的生态阻力面模型，即引入不同等级源的相对阻力因子(K)[30]，以沙源地为“源”，以阻碍沙源扩散为“汇”，构建适合于新疆和田地区的沙源扩散模拟模型。其表达式为

(1)

式中：FUEER表示沙源扩散最小生态累积阻力面值；f函数表示最小累积阻力与生态适宜性的负相关关系；min表示某景观单元对不同的沙源取累积阻力最小值；Dij表示从源j到栅格单元i的空间距离；Ri表示栅格单元i对运动过程的阻力系数；Kj表示源j所属等级的阻力因子，沙源风险等级越高，扩展能力越强，相对阻力因子就越小。

2.1.1 沙源地提取方法

研究区起沙风险评价综合考虑区域土壤风蚀、土壤侵蚀、土壤类型、湿润指数4个因子，基于经典层次分析(AHP)法确定评价因子权重，通过Arc-GIS10.2软件空间叠加运算生成起沙风险评价图层，并采用自然断点法将其分为低度、较低、中度、较高和高度5个扩散风险等级。根据风险等级划分结果及区域生态状况，提取高度风险等级区域作为沙源地。对确定权重的单因子进行一致性检验。当一致性比例(CR)小于0.1时，表示判断矩阵一致性较好，反之则需要调整。其具体表达式为

(2)

(3)

式中：n为判断矩阵阶数；λmax为判断矩阵特征值；RI为平均随机一致性指标，当阶数为4时，RI=0.94；CI为一致性指标。

(1)利用风蚀模型(RWEQ)开展土壤风蚀评估。风蚀模型充分考虑了气候、土壤可蚀性、土壤结皮、地表粗糙度及植被覆盖状况等，其因子覆盖全面。通过修正的风蚀方程计算多因素影响下的区域土壤转运总量，可作为该区域的土壤风蚀量[31]。在理想数据情况下，风蚀模型能很好地完成对土壤侵蚀情况的预测，计算公式[32]为

Qmax=109.8WFEFSCFK′C

(4)

S=150.71(WFEFSCFK′C)-0.371

(5)

(6)

式中：Qmax表示风力的最大输沙能力；WF表示气象因子；EF表示土壤可蚀性因子；SCF表示土壤结皮因子；K′表示土壤糙度因子；C表示植被因子；S为关键地块长度；SL为土壤损失量；X表示距上风向距离，本次计算取50 m。

土壤风蚀评估结果如图2(a)所示。

气象因子计算公式为

(7)

式中：WS2为2 m处风速；WSt为2 m处临界风速(假定为5 m·s-1)；N为风速的观测次数(一般为500次)；Nd为试验的天数；ρ为空气密度；g为重力加速度；SW为土壤湿度因子,无量纲；SD为雪覆盖因子。

土壤可蚀性因子计算公式为

式中：Sa为土壤砂粒含量(质量分数，下同)；Si为土壤粉砂含量；Cl为黏土含量；OM为有机质含量；w(CaCO3)为碳酸钙含量。

土壤结皮因子计算公式为

(9)

式中：Cl为5.0%～39.3%;OM为0.32%～4.74%。

土壤糙度因子计算公式为

(10)

(11)

式中：Crr为随机粗糙度，取值为0；Kr为地形粗糙长度；ΔH为距离L范围内的海拔高程差。

(2)土壤侵蚀评估。区域土地特征信息评价主要参考全国生态系统格局和全国1∶1 000 000数字化土壤图中的数据，基于水利部发布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)[33]，将土壤侵蚀等级分类合并为轻度、中度、较强、强度与极强5个等级[图2(b)]。

(3)土壤类型评估。荒漠化直接作用的对象是土壤，土壤类型不仅是土壤抗风蚀能力的综合体现，而且是影响土地风蚀的重要因素[13]。不同类型的土壤及其母质对于各种侵蚀营力的抵抗作用不同。根据研究区土壤类型，利用ArcGIS10.2软件工具箱Reclassify功能，将不同类型的土壤划分为5类[图2(c)]起沙等级：林地、冰川和建设用地划为不起风沙区；草甸土和灌淤土划为不易起风沙区；石质土和棕漠土划为较易起风沙区；新积土和粗骨土划为易起风沙区；风沙土划为极易起风沙区。

(4)湿润指数。湿润指数适用于旬以上尺度干湿研究[34]，能很好地反映和田地区气候干湿状况变化特征[35][图2(d)]。

区域环境因子和区域生态背景共同控制着沙源扩散，因此，确定各因子对沙源扩散的贡献在沙源风沙扩散等级评价中尤其重要。应用经典层次分析法确定各指标权重(表1)，计算判断矩阵一次性比例，得出CR=0.018，该值小于0.1，符合判断矩阵一致性检验结果。

表1 判断矩阵Tab.1 Judgement Matrix

2.1.2 生态阻力面构建方法

考虑不同土地利用景观类型的景观阻力、植被覆盖情况，经专家打分确定不同生境斑块的阻力大小(表2)。

（5）砼工程中砼标号分多种强度等级和不同的配合比，一般情况应该把砼配合比单独归纳到一章内，套定额时，再根据不同标号在本章节中查找换算。但考虑到系统内填写检修计划委托书的是设备点检员，定额编制组在编制砼浇筑子目时，直接将厂内常用的强度等级混凝土按照不同标号编制在砼浇筑子目内。这样，使用者就不用选定子目后再进行查找、换算操作了。

图2 土壤风蚀、土壤侵蚀、土壤类型和湿润指数分级评价等级分布Fig.2 Grade Distributions for Grading Evaluation of Soil Drifting, Soil Erosion, Soil Type and Moisture Index

沙源扩散必须克服阻力。不同等级的沙源扩张能力不同，如沙漠腹地的沙源扩张速度明显快于覆有灌丛、草地的沙源，风蚀模型考虑了沙源地等级。基于ArcGIS10.2软件栅格计算工具，分别生成一级源地、二级源地、三级源地的生态阻力面，通过对3幅生态阻力面图层进行叠加分析，计算各栅格单元的最小值，最终生成沙源扩散生态阻力面(图3)。

2.2 基于重力模型的沙源重要扩散路径提取

重力模型普遍应用于生态网络中重要生态廊道的提取[36-37]，生态廊道的重要性可用生态斑块之间的相互作用力大小进行度量[38]。在已构建的沙源扩散网络基础上，基于重力模型计算出沙源斑块之间相互作用力大小，结合沙源地等级，定量评价每条扩散路径的相对重要程度。重力模型计算公式为

(12)

式中：Gab为斑块a和斑块b的相互作用力；Na、Nb分别表示斑块a和斑块b的权重值；Dab为斑块a和斑块b之间扩散路径阻力的标准化值；Pa为斑块a的阻力值；Pb为斑块b的阻力值；Sa为斑块a的面积；Sb为斑块b的面积；Lab为斑块a与斑块b之间的生态廊道累积阻力值；Lmax为研究区所有扩散路径阻力最大值。

基于ArcGIS10.2软件空间提取工具计算沙源斑块之间累积阻力值，采用重力模型计算沙源斑块之间的相互作用力大小，选取相互作用力较大的沙源扩散路径。

3 结果分析

3.1 沙源地划定

表2 生态阻力面赋值及权重Tab.2 Values and Weights of Ecological Resistance Surface

图3 沙源扩散生态阻力面Fig.3 Ecological Resistance Surface of Sand Source Diffusion

图4 沙源扩散等级评价及沙源地分级图Fig.4 Maps of Grading Evaluation of Sand Source Diffusion and Classification of Sand Source Area

3.2 提取沙源扩散路径

基于沙源扩散生态阻力面和提取的沙源地，采用最小费用路径法，生成沙源斑块之间的沙源扩散路径，得到和田地区最小生态功能耗费梯度数据，形成由多条沙源潜在扩散路径组成的沙源扩散网络。研究区共有128条沙源潜在扩散路径[图5(a)]，路径密度较高的区域集中分布于和田地区西北部的墨玉县、皮山县、于田县中部、民丰县南部。于田县到民丰县沙源扩散阻力较大，扩散路径仅两条，主要是因为该区域的林地、草地阻碍了沙源扩散。对生成的沙源扩散路径设置阈值，提取最小生态功能耗费路径，剔除其中经过同一斑块的冗余路径，最后生成斑块间相互作用较强的最优路径，即沙源扩散重要路径，共71条[图5(b)]。

图5 沙源扩散路径空间分布Fig.5 Spatial Distributions of Diffusion Paths of Sand Sources

研究区西北部沙源扩散作用最强。该区域位于塔克拉玛干沙漠腹地，沙丘植被稀少，沙源主要以流动沙丘为主。中部沙源等级较低，沙源扩散路径较少，沙化主要是流沙侵蚀绿洲和耕地而形成，沙源扩散作用较弱。东南部沙源扩散作用较集中，主要沙化形式是流沙侵占裸土地、裸岩石地和稀疏草地。

3.3 沙源扩散节点识别

在构建沙源扩散网络时，除了面积较大的沙源斑块，沙源扩散路径之间的交点、路径和最小阻力路径的交点也是沙源扩散汇集的地方，即沙源扩散节点。基于和田地区沙源扩散的重要路径识别，研究区沙源扩散节点共有48个(图6)。为有效阻碍沙源在节点区域汇集，将沙源扩散节点划分为Ⅰ类和Ⅱ类沙源扩散节点。Ⅰ类沙源扩散节点31个，主要分布在有植被覆盖的绿洲、荒漠交错区域，这些区域也是防沙治沙的关键区域；Ⅱ类沙源扩散节点17个，主要分布在没有植被覆盖的沙地或裸土地，沙源流动活跃。因此，建议将识别的31个Ⅰ类沙源扩散节点建设为绿洲防护区，可以阻碍沙源地之间的交流，防止沙漠对绿洲和农田的侵蚀。

图6 沙源扩散节点分布Fig.6 Distribution of Diffusion Nodes of Sand Sources

4 结 语

在绿色“一带一路”建设背景下，荒漠化防治是保障丝绸之路生态安全和可持续发展的重要措施[39]，沙源扩散路径的识别可以为荒漠化防治提供有效方法。本文尝试将“源-汇”景观生态学理论应用于沙源扩散过程，通过生态阻力面模型构建新疆和田地区沙源扩散路径，同时运用重力模型获取沙源扩散的重要路径，并识别沙源扩散节点，厘清了和田地区沙源扩散规律，将沙化动态过程融入到荒漠静态景观。不同于生态流的扩散，沙源扩散阻力较大的地区反而有利于生态流扩散，本文将提取的沙源地分级，在构建阻力面时引入不同等级源地的相对阻力因子，综合考虑土地利用、植被覆盖和生态等重要性因素，最终生成沙源扩散生态阻力面。根据生态阻力面模型结果，一级源地扩散作用最强，二级源地次之，三级源地扩散作用最弱，但从荒漠化防治角度上看，三级源地主要分布在绿洲、荒漠交错区域，是防沙治沙最关键的区域，而分布在沙漠腹地的沙源虽然流动多活跃，但不是防治沙化优先区。

(1)和田地区一级源地占提取沙源总面积的73.57%，面积占比最大，集中分布在研究区西北部塔克拉玛干沙漠腹地和民丰县南部，是沙源扩散过程的主要“源”物质；二级源地占沙源总面积的17.35%，主要分布在于田县中部、皮山县中部；三级源地占沙源总面积的9.07%，零星分散在绿洲、荒漠交错区域，是沙化防治重点关注区域。

(2)和田地区西北部沙源扩散作用最强，东南部沙源扩散作用较集中，中部沙源等级较低，沙源扩散作用最弱。

(3)和田地区共有71条沙源扩散重要路径，31个Ⅰ类沙源扩散节点，建议将其建设为绿洲防护区，可以阻碍沙源地之间的交流，防止沙漠对绿洲和农田的侵蚀。

(4)沙源地阻力面的生成受诸多因素影响，很难准确量化。由于本研究数据的可获得性，沙源扩散生态阻力面构建未能考虑荒漠植被防风固沙能力、地表径流量等因素，划定的沙源地也没有进行现场调研修正。下一步将在本研究基础上进行沙源扩散生态阻力面的不可替代性评估，同时识别沙源类型，并基于不同类型的沙源地和沙源扩散路径实施相应的荒漠区域沙化防治措施。