科尔沁沙地防风固沙服务时空变化

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00083

摘要/Abstract

摘要：

科尔沁沙地土地沙化严重，研究其防风固沙服务的时空演变规律对区域生态安全与可持续发展具有重要意义。本研究利用修正风蚀方程（RWEQ）模型、XGBoost-SHAP、HYSPLIT（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model）等方法，系统分析了2000—2020年科尔沁沙地防风固沙服务时空演变、驱动机制。结果表明：（1）科尔沁沙地防风固沙服务呈现显著的时空异质性特征，单位面积固沙量呈先降后升态势，空间格局表现为中南高、北部低的分异特征。（2）XGBoost-SHAP模型显示，植被覆盖度是实际风蚀作用的核心驱动因子，而风速、降水与气温气象要素通过非线性作用影响风蚀过程。（3）HYSPLIT模拟揭示2000—2020年共产生3 559条风沙传输路径，轨迹数量整体下降，表明固沙能力提升。聚类分析识别出4条主导路径：31.67%向东入太平洋，29.92%向东北影响吉林省和黑龙江省，20.46%跨境扩散至朝鲜、日本等区域，17.95%南下抵达东南沿海。本文研究结果可为优化沙地治理策略、协调区域生态补偿机制提供科学依据，同时为干旱半干旱区生态系统服务流动研究提供方法参考。

关键词: 防风固沙服务, HYSPLIT, XGBoost-SHAP, 科尔沁沙地

Abstract:

The Horqin Sandy Land suffers from severe land desertification. Research into the spatiotemporal evolution patterns of the wind erosion prevention and sand fixation service holds significant importance for regional ecological security and sustainable development. This study systematically analyzed the spatiotemporal dynamics， driving mechanisms of wind erosion prevention and sand fixation service in the Horqin Sandy Land from 2000 to 2020 using the Revised Wind Erosion Equation （RWEQ） model， the XGBoost-SHAP algorithm， and HYSPLIT trajectory simulations. The results indicate：（1） The wind erosion prevention and sand fixation service exhibited significant spatiotemporal heterogeneity. The sand fixation per unit area showed a trend of initial decrease followed by increase， with a spatial pattern characterized by a higher in the central-southern regions and lower in the northern areas. （2） The XGBoost-SHAP model quantified vegetation coverage as the core driving factor， while interactions among wind days， precipitation， and temperature nonlinearly influenced wind erosion processes. （3） HYSPLIT simulations identified 3 559 sand transport trajectories over the 20-year period， with an overall decline in trajectory frequency， indicating enhanced sand fixation capacity. Cluster analysis revealed four dominant pathways： 31.67% of trajectories moved eastward into the Pacific Ocean， 29.92% influenced northeastern regions （Jilin and Heilongjiang）， 20.46% crossed borders to areas such as North Korea and Japan， and 17.95% migrated southward to China’s southeastern coast. These findings provide a scientific basis for optimizing desertification control strategies and coordinating regional ecological compensation mechanisms， while offering methodological references for studying ecosystem service flows in arid and semi-arid regions.

Key words: wind erosion prevention and sand fixation service, HYSPLIT model, XGBoost-SHAP model, Horqin Sandy Land

中图分类号:

S717.19+3

张慧琳, 王卫国, 薄一览, 晋子振. 科尔沁沙地防风固沙服务时空变化[J]. 中国沙漠, 2025, 45(4): 227-240.

Huilin Zhang, Weiguo Wang, Yilan Bo, Zizhen Jin. Spatiotemporal dynamics of wind erosion prevention and sand fixation service in the Horqin Sandy Land[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(4): 227-240.

图/表 10

图1 研究区位置示意图注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号为GS（2016）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Location of the study area

表1 数据来源

Table 1 Data source

数据分类	数据名称	时、空分辨率	数据来源
RWEQ模型驱动	气象数据	逐日	国家气象信息中心
	土壤数据	1 km	世界土壤数据库
	DEM	30 m	美国国家航空航天局
	地表潜在蒸散发	逐日/1 km	国家青藏高原科学数据中心
	雪深数据	逐日/0.25°	国家青藏高原科学数据中心
HYSPLIT模型驱动	再分析资料	6 h/2.5°	美国国家海洋和大气管理局（https://ready.arl.noaa.gov/）
XGBoost-SHAP 模型驱动	气温	逐日	国家气象信息中心（https://data.cma.cn）
	降水
	大风天数
	植被覆盖度	16天/500 m	GEE

图2 2000—2020年单位面积固沙量和防风固沙保有率

Fig.2 Unit area and preservation rate of WEPS from 2000 to 2020

图3 2000—2020年防风固沙服务空间分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号为GS（2016）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.3 The spatial distribution of WEPS from 2000 to 2020

表2 侵蚀强度分级及占比 (%)

Table 2 Classification and proportion of WEPS

等级	侵蚀强度 /（t·km^-²）	年份
等级	侵蚀强度 /（t·km^-²）	2000	2005	2010	2015	2020
微度	<500	8	8	8	9	8
轻度	1 500~2 500	27	54	51	52	42
中度	2 500~5 000	31	7	10	8	17
强烈	5 000~8 000	4	2	2	3	3
极强烈	8 000~15 000	6	13	9	7	5
剧烈	>15 000	25	17	21	21	24

图4 2000—2020年防风固沙保有率空间分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号为GS（2016）0650）制作，底图边界无修改

Fig.4 Preservation rate of WEPS from 2000 to 2020

图5 SHAP重要性蜂群图和条形图注：WIN：风速；TEM：气温；PRE：降水量；FVC：植被覆盖度

Fig.5 SHAP importance swarm plot and bar chart in 2000， 2010 and 2020

图6 影响因素与风蚀的SHAP散点图

Fig.6 SHAP dependence plots of influencing factors and wind erosion

图7 2000—2020年风沙轨迹数量图

Fig.7 Number of wind sand trajectories from 2000 to 2020

图8 2000—2020年沙尘轨迹聚类注：基于自然资源部标准地图服务站标准地图（审图号为（2016）1600号）制作，底图边界无修改

Fig.8 Trajectory clustering from 2000 to 2020

参考文献 59

[1]	Ravi S， D.Odorico P， Over T M，et al.On the effect of air humidity on soil susceptibility to wind erosion：the case of air-dry soils［J］.Geophysical Research Letters，2004，31（9）：L09501.
[2]	Huang M， Xiao Y， Zhang C，et al.Wind erosion prevention and trans-boundary ecosystem service payments in the Hunshandake region［J］.Journal of Cleaner Production，2024，475：143664.
[3]	Sun R， He H， Jing Y，et al.Global wind erosion reduction driven by changing climate and land use［J］.Earth's Future，2024，12（10）：e2024EF004930.
[4]	Jarrah M， Mayel S， Tatarko J，et al.A review of wind erosion models：data requirements，processes，and validity［J］.Catena，2020，187：104388.
[5]	巩国丽，刘纪远，邵全琴.基于RWEQ的20世纪90年代以来内蒙古锡林郭勒盟土壤风蚀研究［J］.地理科学进展，2014，33（6）：825-834.
[6]	邢春燕，郭中领，常春平，等.RWEQ模型在河北坝上地区的适用性［J］.中国沙漠，2018，38（6）：1180-1192.
[7]	邢丽珠，张方敏，邢开成，等.基于RWEQ模型的内蒙古巴彦淖尔市土壤风蚀变化特征及归因分析［J］.中国沙漠，2021，41（5）：111-119.
[8]	Baddock M C， Zobeck T M， Ravi S，et al.Aeolian dust as a transport hazard［J］.Atmospheric Environment，2013，71：7-14.
[9]	Bangnold R A， Sandford K S， Shaw W B K，et al.A further journey through the Libyan Desert［J］.The Geographical Journal，1933，82（2）：126-129.
[10]	Gregory J M， Borrelli J， Fedler C B.Team：texas erosion analysis model［C］//Proceedings of 1988 Wind Erosion Conference，Lubbock，Tesas.Tesas Technology University，1988：88-103.
[11]	Woodruff N P， Siddoway F H.A wind erosion equation1［J］.Soil Science Society of America Journal，1965，29（5）：602-605.
[12]	Fryrcar D W， Chen W， Lester C.Revised wind erosion equation ［J］.Annals of Arid Zone，2001，40（3）：265-279.
[13]	Hagen L J.Evaluation of the wind erosion prediction97 system （WEPS） erosion sub model on cropland fields［J］.Environmental Modelling & Software，2004，19（2）：171-176.
[14]	巩国丽，黄麟.RWEQ模型中土壤结皮和可蚀性因子的改进和应用［J］.水土保持通报，2018，38（2）：271-274.
[15]	王洋洋，肖玉，谢高地，等.基于RWEQ的宁夏草地防风固沙服务评估［J］.资源科学，2019，41（5）：980-991.
[16]	李琪，武志涛，杜自强，等.基于多源数据的京津风沙源区防风固沙功能变化［J］.水土保持学报，2021，35（3）：156-162.
[17]	柴茵超，左合君，闫敏，等.基于RWEQ模型的毛乌素沙地2000-2022年土壤风蚀量时空变化及驱动因素分析［J］.西南农业学报，2025，38（3）：647-654.
[18]	黄孟冬，肖玉，秦克玉，等.1980-2018年浑善达克地区防风固沙服务时空变化及其驱动因素［J］.生态学报，2022，42（18）：7612-7629.
[19]	王国宇，李晶，张娅.无定河流域防风固沙服务流动模拟［J］.生态学报，2024，44（6）：2323-2336.
[20]	Smith P， Ashmore M R， Black H I J，et al.REVIEW：the role of ecosystems and their management in regulating climate，and soil，water and air quality［J］.Journal of Applied Ecology，2013，50：812-829.
[21]	Gao X， Zhang H， Huang L，et al.Where，when，and how much should we pay for wind erosion prevention services of the largest Chinese Grassland Reserve？［J］.Environmental Science & Technology，2024，58（6）：2615-2626.
[22]	徐洁.生态系统服务空间流动研究：以宁夏回族自治区为例［D］.北京：中国科学院地理科学与资源研究所，2019.
[23]	Stein A F， Draxler R R， Rolph G D，et al.NOAA's HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system［J］.Bulletin of the American Meteorological Society，2015，96（12）：20592077.
[24]	王式功，董光荣，陈惠忠，等.沙尘暴研究的进展［J］.中国沙漠，2000，20（4）：5-12.
[25]	李丽，肖舜，董治宝，等.西安春季沙尘对环境空气质量的影响及来源［J］.中国沙漠，2025，45（1）：266-276.
[26]	Bera B.Bhattachariee S，Sengupla N，et al.Variation and dispersal of PM10 and PM2.5 during COVlD-19 lockdown over 5 city，India investigated through HYSPLIT model［J］.Geoscienee Frontiers，2022，13（1）：101291.
[27]	Yu W， Ma X， Wang Y，et al.Simulating wind prevention and sand fixation service flow in arid Inland River basins：insights from the Tarim River Basin，China［J］.Science of the Total Environment，2025，959：178241.
[28]	Xu J， Xiao Y， Xie G，et al.Computing payments for wind erosion prevention service incorporating ecosystem services flow and regional disparity in Yanchi County［J］.Science of the Total Environment，2019，674：563-579.
[29]	肖玉，谢高地，鲁春霞，等.基于供需关系的生态系统服务空间流动研究进展［J］.生态学报，2016，36（10）：3096-3102.
[30]	国务院.全国主体功能区划［EB/OL］.中国政府网，（2010-12-21）.
[31]	赵哈林，赵学勇，张铜会，等.科尔沁沙地沙漠化过程及其恢复机理［M］.北京：海洋出版社，2003：92-101.
[32]	连杰，赵学勇，左小安，等.科尔沁沙地水域景观格局的时空动态：以奈曼旗为例［J］.中国沙漠，2012，32（1）：210-218.
[33]	段翰晨，王涛，薛娴，等.基于RS与GIS的科尔沁沙地沙漠化时空演变［J］.中国沙漠，2013，33（2）：470-477.
[34]	苏立娟，李喜仓，邓晓东.1951-2005年内蒙古东部气候变化特征分析［J］.气象与环境学报，2008（5）：25-28.
[35]	张莉，李继峰，常春平，等.风速分辨率对土壤风蚀模数计算结果的影响［J］.中国沙漠，2022，42（3）：21-30.
[36]	王晓菲，邳华伟，李思思.青藏高原土壤风蚀潜力时空特征及驱动因素分析［J/OL］.干旱区地理，2025：1-14..
[37]	蔺阿荣，周冬梅，马静，等.基于RWEQ模型的疏勒河流域防风固沙功能价值评估［J］.干旱区地理，2024，47（1）：58-67.
[38]	王卫国，李弘毅，朱小凡，等.1979-2018年青藏高原不同地区积雪季极端降水水汽来源分析［J］.高原气象，2022，41（6）：1367-1383.
[39]	张涛，王新明，周炎，等.利用HYSPLIT模型研究珠三角地区 VOCs 时空分布特征［J］.中国环境科学，2020，40（10）：4216-4223.
[40]	Wang W， Li H， Wang J，et al.Water vapor from Western Eurasia promotes precipitation during the snow season in northern Xinjiang，a typical arid region in Central Asia［J］.Water，2020，12（1）：141.
[41]	杨静宜，李亚菲，罗忠伟，等.武汉市典型颗粒物污染过程演变特征及来源研究［J］.环境科学学报，2024，44（5）：310-323.
[42]	谭洁，危千骏，廖朝阳，等.基于XGBoost-SHAP可解释机器学习模型的城市形态与地表温度的关系［J］.应用生态学报，2025，36（3）：659-670.
[43]	Chen T， Guestrin C.XGBoost：A Scalable Tree Boosting System［C］.New York，USA：Association for Computing Machinery，2016：785-794.
[44]	Lundberg S， Lee S I.A unified approach to interpreting model predictions［C］//Advances in Neural Information Processing Systems.Long Beach，USA：NIPS，2017：4765-4774.
[45]	赵晓萌，程宏，蒋宁，等.京津风沙源土壤风蚀时空格局及其演化［J］.科学通报，2023，68 （）：238-253.
[46]	邵国媚，乔琴，张文婷，等.科尔沁草原生态功能区防风固沙功能时空变化及驱动因素分析［J］.环境科学研究，2025，38 （1）：139-150.
[47]	朱梦媛，田一辰，金磊，等.科尔沁沙地南缘生态屏障区防风固沙功能时空变化及其影响因素［J］.生态学杂志，2025，44（6）：1857-1865.
[48]	Du H， Liu X， Jia X，et al.Assessment of the effects of ecological restoration projects on soil wind erosion in Northern China in the past two decades［J］.Catena，2022，215：106360.
[49]	黄麟，祝萍，曹巍.中国退耕还林还草对生态系统服务权衡与协同的影响［J］.生态学报，2021，41（3）：1178-1188.
[50]	迟文峰，白文科，刘正佳，等.基于RWEQ模型的内蒙古高原土壤风蚀研究［J］.生态环境学报，2018，27（6）：1024-1033.
[51]	Zou X， Li J， Cheng H，et al.Spatial variation of topsoil features in soil wind erosion areas of Northern China［J］.Catena，2018，167：429-439.
[52]	谢舒笛，莫兴国，胡实，等.三北防护林工程区植被绿度对温度和降水的响应［J］.地理研究，2020，39（1）：152-165.
[53]	陈雪萍，赵学勇，张晶，等.基于地理探测器的科尔沁沙地植被NDVI时空变化特征及其驱动因素［J］.植物生态学报，2023，47 （8）：1082-1093.
[54]	邹学勇，张春来，程宏，等.土壤风蚀模型中的影响因子分类与表达［J］.地球科学进展，2014，29（8）：875-889.
[55]	邢恩德，马少薇，郭建英，等.植被盖度对典型草原区地表风沙流结构及风蚀量影响［J］.水土保持研究，2015，22（6）：331-334.
[56]	Ma X， Zhao C， Zhu J.Aggravated risk of soil erosion with global warming：a global meta-analysis［J］.Catena，2021，200：105129.
[57]	Gao Q， Ci L， Yu M.Modeling wind and water erosion in Northern China under climate and land use changes［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2002，57（1）：46-55.
[58]	李庆，周娜，王盛，等.气候变化和人类活动对土壤风蚀影响的定量评估：以内蒙古自治区为例［J］.中国沙漠，2024，44（1）：178-188.
[59]	韩广，尤莉，程玉琴.科尔沁沙地春季冷锋过境的地面风况特征［J］.中国沙漠，2016，36（4）：1087-1096.