黄土高原北部风蚀区防风固沙服务时空分异及驱动因素

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00007

黄土高原北部风蚀区防风固沙服务时空分异及驱动因素

王金凤^,¹, 刘小玲¹, 李庆^,², 王仁德², 王盛¹

1.山西师范大学地理科学学院，山西太原 030000

2.河北省科学院地理科学研究所/河北省地理信息开发应用工程技术研究中心，河北石家庄 050011

Spatio-temporal differentiation and driving factors of windbreak and sand fixation services in wind erosion area of the northern Loess Plateau

Wang Jinfeng^,¹, Liu Xiaoling¹, Li Qing^,², Wang Rende², Wang Sheng¹

1.School of Geographical Science，Shanxi Normal University，Taiyuan 030000，China

2.Institute of Geographical Sciences / Hebei Engineering Research Center for Geographic Information Application，Hebei Academy of Sciences，Shijiazhuang 050011，China

通讯作者: 李庆（E-mail： qingli2020@outlook.com）

收稿日期: 2022-12-02 修回日期: 2023-02-11

基金资助:

国家自然科学基金项目.  42077069
国家重点研发计划项目.  2020YFF0305905
山西省基础研究计划项目.  202103021223248.  202203021211258
河北省科学院科技计划项目.  23107.  22103

Received: 2022-12-02 Revised: 2023-02-11

作者简介 About authors

王金凤（1987—），女，山东潍坊人，博士，副教授，研究方向为水文气象与生态系统服务E-mail：wangjinfeng@sxnu.edu.cn , E-mail：wangjinfeng@sxnu.edu.cn

摘要

黄土高原北部是黄河流域土壤风蚀典型区，评估防风固沙服务对黄河流域生态安全屏障建设具有重要意义。基于京津风沙源治理工程效益评价中的风蚀模型估算黄土高原北部风蚀区固沙量，定量评估2000—2020年防风固沙服务，并结合土地利用、植被覆盖度与气候变化分析其驱动机制。结果表明：（1）2000—2020年黄土高原北部风蚀区年均固沙量5.52亿t，年际变化总体呈减少趋势，平均变化率-0.12 t·hm^-2·a^-1；而防风固沙服务保有率以每年0.50%的速率增加，研究区植被防风固沙服务增强。空间分布上榆林北部风沙区、宁夏东部风沙区、甘肃庆阳、毛乌素沙地中南部及沙地北部达拉特旗植被防风固沙服务有所增强。（2）草地是控制土壤风蚀、发挥防风固沙作用的主要土地利用类型。荒漠化逆转与退耕还草明显增强了防风固沙能力，草地退化将造成固沙服务显著减弱。（3）风速是引起黄土高原北部风蚀区防风固沙服务变化的主要驱动因子，植被恢复对库布齐沙漠和毛乌素沙地等关键区域的防风固沙起到了不可忽视的作用。

关键词： 防风固沙 ; 防风固沙服务保有率 ; 风蚀模型 ; 黄土高原

Abstract

The wind erosion area in the northern Loess Plateau is the typical area of soil wind erosion in the Yellow River Basin. Evaluating windbreak and sand fixation services is of great significance for the construction of ecological security barrier in the Yellow River Basin. Based on the wind erosion model in the benefit evaluation of the Beijing-Tianjin sandstorm source control project， the amount of sand fixation in wind erosion area of the northern Loess Plateau was estimated， windbreak and sand fixation services were quantitatively evaluated from 2000 to 2020， and the driving mechanism was analyzed in combination with land use， vegetation coverage and climate change. The results showed that：（1） From 2000 to 2020， the annual average amount of sand fixation in wind erosion area of the northern Loess Plateau was 5.52×10⁸ t， and presented a decreasing trend， with the average change rate of -0.12 t·hm^-2·a^-1. However， the retention rate of windbreak and sand fixation services increased at a rate of 0.50%·a^-1， showing an upward trend. The windbreak and sand fixation services of vegetation in study areas were enhanced. In terms of spatial distribution， windbreak and sand fixation services of vegetation were enhanced in northern Yulin， eastern Ningxia， Qingyang， the central and southern parts of Mu Us Sandy Land and Dalad Banner in the northern sandy land. （2） Grassland is the main land use type on controlling soil wind erosion and playing the role of windbreak and sand fixation. Desertification reversal and conversion of farmland to grassland significantly improved windbreak and sand fixation services， while grassland degradation will significantly weaken sand fixation services. （3） Wind speed is the main driving factor for the change of windbreak and sand fixation services in wind erosion area of the northern Loess Plateau. Vegetation restoration plays an important role in windbreak and sand fixation for the key regions， such as Kobq Desert and Mu Us Sandy Land. This study will provide reference for the construction of aeolian sand control project in the Loess Plateau.

Keywords： windbreak and sand fixation ; retention rate of windbreak and sand fixation services ; wind erosion model ; the Loess Plateau

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本文引用格式

王金凤, 刘小玲, 李庆, 王仁德, 王盛. 黄土高原北部风蚀区防风固沙服务时空分异及驱动因素. 中国沙漠[J], 2023, 43(4): 220-230 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00007

Wang Jinfeng, Liu Xiaoling, Li Qing, Wang Rende, Wang Sheng. Spatio-temporal differentiation and driving factors of windbreak and sand fixation services in wind erosion area of the northern Loess Plateau. Journal of Desert Research[J], 2023, 43(4): 220-230 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00007

0 引言

防风固沙服务指风蚀区植被通过覆盖地表、降低风速、吸附颗粒物等作用，减少或避免土壤风蚀产生沙尘天气对人类产生有害影响^［1］。土壤风蚀不仅导致当地的土地退化、土地生产力降低甚至沙漠化^［2］，引发的扬沙、浮尘、沙尘暴天气还会威胁当地及周边地区生态安全和人民健康^［3］。因此，及时开展生态系统防风固沙服务评估和监测，掌握区域防风固沙服务的时空变化，对风蚀区生态屏障建设及生态治理具有重要意义。

近年来，学者们利用修正风蚀方程（RWEQ）、风蚀预报系统（WEPS）、混合单粒子拉格朗日积分轨道（HYSPLIT）等模型，对京津风沙源区^［4-5］、防沙带^［6］、国家重点生态功能区^［7］、单个沙漠或沙地^［8］防风固沙服务的时空变化、区域差异、效益扩散、空间流动的区域关联度等开展研究，尤其中国北方荒漠草原防风固沙服务动态变化及驱动机制的研究已成为该领域的研究热点^［9-11］。作为黄河流域生态保护和高质量发展示范区的重要组成部分，黄土高原是中国土壤侵蚀最严重的地区之一，尤其是北部地区更是中国土地沙漠化和土壤风蚀灾害防治的重点区。然而已有研究更多关注水力侵蚀和土壤保持服务的时空变化及其驱动机制^［12-13］，对黄土高原风蚀区防风固沙服务时空变化及其驱动力的研究较少。目前仅有少数学者依照水土保持侵蚀标准考虑风力侵蚀的危害，尝试建立了适合陕北黄土高原的防风固沙量模型^［14］。

防风固沙服务显著变化大多是人类活动与气候变化共同作用的结果^［2］。在人类活动中，土地利用/覆被变化对区域风蚀过程的影响是改善区域生态系统服务和可持续发展的关键^［15］。近年来，在土地利用变化背景下的生态系统服务量化评价已成为研究热点，对土地利用变化影响防风固沙服务的关注度也逐渐提高。草地退化是中国北方防风固沙服务减弱的主要驱动因子^［9］，而农田开垦、城镇发展、荒漠化发展、湿地萎缩等使内蒙古地区防风固沙服务明显下降^［10］。植被通常被认为是保护土壤表面免受侵蚀的关键因素，植被覆盖度可以作为防风固沙效益的直接监测指标^［16-17］。如京津风沙源区防风固沙服务与植被覆盖度的同步变化指数（SI）多年均值为0.85，区域内83%的地区存在显著响应^［17］。另一方面，气候变化的作用更不容忽视。在中国北方固沙量显著增加的区域中，气候变化的贡献率约为70%，气温、降水和风速的耦合效应是主要驱动因子^［9］。其中，风速是影响固沙量与固沙保有率最为敏感的气候因子，≥5 m·s^-1风速的大小和频率直接影响风力侵蚀力^［18］。而降水影响土壤水分，使土壤颗粒之间产生张力，增强颗粒之间的黏结力，降低土壤可蚀性，从而提高防风固沙能力^［19-20］。Teng等^［21］认为气候变化对青藏高原风蚀的影响具有大尺度和空间连续性；彭婉月等^［22］评估了黑河中下游地区的防风固沙服务，基于灰色关联法分析得出风力因子是影响其变化的最主要因子。

在风蚀危害严重地区，土地利用、植被覆盖度、气候因子与防风固沙服务之间的关系相当复杂。目前，黄土高原北部土壤风蚀与防风固沙的关注度较低，鲜有研究综合剖析多种因素对防风固沙服务的影响。因此，本研究以黄土高原北部风蚀区为研究区，基于京津风沙源治理工程效益评价中的风蚀模型估算固沙量和防风固沙服务保有率两个指标，综合分析2000—2020年防风固沙服务的时空变化及主要驱动力，为黄土高原风沙治理工程建设提供参考和借鉴。

1 研究区概况

黄土高原北部（34°15′—41°16′N、102°23′—114°33′E）属于中国北方风蚀区（图1），包括晋北、陕北、宁夏大部和内蒙古以及陇中部分地区，风蚀强烈，生态环境脆弱^［23］。该区土地利用类型以草地为主，面积占比61.78%；其次是耕地和荒漠，面积占比分别为26.30%和6.90%。区域地处干旱半干旱气候过渡带，年均气温2~11 ℃，年降水量131~593 mm，集中在6—9月，占全年的60%以上，且以暴雨为主。在全球气候变化背景下，区域冬季气候呈暖湿化态势，其他季节呈暖干化趋势^［24］。2000—2020年黄土高原北部风蚀区≥5 m·s^-1风速累积时间整体呈减少趋势（-18 h·a^-1）；与2000—2009年相比，2010—2020年≥5 m·s^-1平均风速累积时间下降12.55%，风力侵蚀力减弱。2000—2020年区域植被覆盖度为19.23%，整体以每年0.3%的速率增加；空间分布上，晋北山区及陇中高原部分地区植被覆盖度较高，其余地区植被覆盖度均较低。土壤质量较低，以黄绵土、风沙土为主，易于风蚀。受气候和人类活动影响，区域存在严重的土壤侵蚀问题，其中毛乌素沙地与库布齐沙漠土地沙化和荒漠化问题尤为严重^［25］。

图1

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图1 黄土高原北部风蚀区（A）土地利用、（B）≥5 m·s^-1风速累积时间和（C）植被覆盖度的空间格局

Fig.1 Spatial patterns of （A） land use，（B） cumulative time of wind speed （≥5 m·s^-1） and （C） vegetation coverage in wind erosion area of the northern Loess Plateau

2 数据与方法

2.1　数据来源及预处理

本研究的基础数据集包括中国北方风蚀区边界、土地利用数据、土壤类型数据、气象数据、归一化植被指数（NDVI）等。中国北方风蚀区边界来源于第一次全国水利普查-水土保持普查成果。土地利用数据来源于武汉大学2000—2020年逐年尺度的中国土地覆盖数据集（CLCD）（http：//doi.org/10.5281/zenodo. 4417810），为空间分辨率30 m×30 m的栅格数据。土壤类型数据由中国科学院资源环境科学与数据中心下载获得（https：//www.resdc.cn/），空间分辨率1 km×1 km。基于土壤类型，将土地利用类型重新划分为非风蚀地、林草地、沙地和耕地，处于风沙土范围内的沙地、林草地和耕地重新划归为沙地，而风沙土范围以外的土地利用类型保持不变，由此获得黄土高原北部风蚀区风蚀地表类型。

风速数据来源于美国国家气候数据中心（NCDC，ftp：//ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/noaa/isd-lite/），本研究选取了黄土高原北部风蚀区及周边2000—2020年44个站点的逐时数据。数据获取后利用MATLAB软件统计逐年大于（等于）临界侵蚀风速（5 m·s^-1）的各等级风速累积时间。降水数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http：//cdc.cma.gov.cn/home.do），选取了81个站点的逐月数据，数据获取后利用AUSPLINE软件插值为空间分辨率1 km×1 km的栅格数据。

归一化植被指数（NDVI）为2000—2020年MODIS 1 km/16天NDVI遥感数据产品（MOD13A2），由美国地质勘探局网站（USGS，https：//www.usgs.gov/）下载获得。预处理过程包括使用MRT、ENVI、ArcGIS软件将MOD13A2数据产品进行拼接、计算、裁剪和重投影处理，采用像元二分法计算植被覆盖度（VC）。所有数据均统一处理为空间分辨率1 km×1 km、投影坐标系统Krasovsky_1940_Albers的栅格数据。

2.2　研究方法

2.2.1　固沙量估算模型

防风固沙服务以自然植被的固沙量作为评价指标。固沙量的运算本质是以无植被覆盖条件下产生的潜在风蚀量减去实际植被保护条件下的风蚀量，二者差值即为该区域的植被风沙固定量^［11］。计算公式如下：

G = Q_{p o t} - Q_{a c t}

（1）

式中：G为固沙量；Q_pot为潜在风蚀量；Q_act为实际风蚀量。参考中国北方固沙量划分等级^［9］，将黄土高原北部风蚀区单位面积固沙量分为低（0~2 t·hm^-2·a^-1）、较低（2~10 t·hm^-2·a^-1）、中等（10~25 t·hm^-2·a^-1）、较高（25~80 t·hm^-2·a^-1）和高（>80 t·hm^-2·a^-1）5个等级。

潜在风蚀量与实际风蚀量的估算采用京津风沙源治理工程效益评价中的风蚀模型。该模型是北京师范大学研究团队开发的风蚀预报模型^［26］，模型结构简单、操作方便且应用广泛。模型参数由中国半干旱典型草原区栗钙土和风沙土的风洞实验结果得出，估算结果经检验较准确^［27］。该模型针对不同土地利用类型设立了草（林）地模块、沙地模块和农田模块，其计算公式为：

Q_{f a} = 10 \cdot \hat{C} \cdot \sum_{j = 1}^{n} 〈T_{j} \cdot e x p \{a_{1} + \frac{b_{1}}{z_{0}} + c_{1} \cdot [{(A \cdot U_{j})}^{0.5}]\}〉

（2）

Q_{f g f} = 10 \cdot \hat{C} \cdot \sum_{j = 1}^{n} \{T_{j} \cdot e x p [a_{2} + b_{2} \cdot V C^{2} + c_{2} / (A \cdot U_{j})]\}

（3）

\begin{array}{l} Q_{f s} = 10 \cdot \hat{C} \cdot \\ \sum_{j = 1}^{n} \{T_{j} \cdot e x p [a_{3} + b_{3} \cdot V C + c_{3} \cdot l n (A \cdot U_{j}) / (A \cdot U_{j})]\} \end{array}

（4）

式中：Q_fa、Q_fgf和Q_fs分别为耕地、林草地和沙地的土壤风蚀模数（t·hm^-2·a^-1）； $\hat{C}$ 为尺度修订系数，取值0.0018；U_j 为气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第j级风速（m·s^-1）；T_j 为该级风速的累积时间（min）；VC为植被覆盖度（%），VC为0时，计算结果为潜在风蚀量；z₀为地表空气动力学粗糙度（cm）；A为与下垫面性质有关的风速修订系数；a₁~c₃共9个参数均为常数项，取值借鉴《京津风沙源治理工程效益评估》^［28］。

2.2.2　防风固沙服务保有率

单位面积防风固沙量可以表示生态系统中植被作用引起的风蚀减少量，由于潜在风蚀量与实际风蚀量均与风力侵蚀力有关，不能有效表征生态系统本身对固沙的贡献率，因此将单位面积防风固沙量（G）与潜在土壤风蚀量（Q_pot）的比值作为防风固沙服务保有率（F）来表征黄土高原北部风蚀区植被防风固沙服务^［9］。公式如下：

F = \frac{G}{Q_{p o t}}

（5）

2.2.3　空间相关性分析

风速、降水和植被覆盖度与固沙量之间的空间相关性分析采用双变量局部空间自相关方法，该方法通过计算机制图得到Moran's I指数及LISA集聚图，进而分析具体空间要素与周围要素之间的差异程度和显著性^［29］。Moran's I指数取值［-1，1］，Moran's I>0代表变量间呈正相关，Moran's I<0代表变量间呈负相关，Moran's I=0代表没有通过显著性检验，变量间表现为空间随机分布。按照变量间的局部空间相关性，LISA集聚图分为High-High（H-H）、Low-Low（L-L）、High-Low（H-L）、Low-High（L-H）、Not Significant（NS）5种类型，其中H-H和L-L型为空间正相关，H-L和L-H型为空间负相关^［30］。

3 结果分析

3.1　固沙量时空变化特征

固沙量是评估生态系统防风固沙服务的重要指标^［31］。2000—2020年黄土高原北部风蚀区年均单位面积固沙量为15.41 t·hm^-2·a^-1，固沙量为5.52亿t。单位面积固沙量的年际变化总体呈减少趋势，平均变化率为-0.12 t·hm^-2·a^-1。其中，2000—2009年平均固沙量为5.55亿t·a^-1，而2010—2020年降低至5.48亿t·a^-1，下降了1.21%（图2）。2000—2020年防风固沙服务保有率的年际变化呈上升趋势，以每年0.50%的速率增加，说明2000—2020年黄土高原北部风蚀区植被防风固沙服务增强。

图2

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图2 2000—2020年黄土高原北部风蚀区单位面积固沙量和防风固沙服务保有率的年际变化

Fig.2 Annual variation of sand fixation per unit area and windbreak and sand fixation services retention rate in wind erosion area of the northern Loess Plateau during 2000-2020

2000—2020年黄土高原北部风蚀区单位面积固沙量整体较少，低和较低等级平均单位面积固沙量分别为0.46 t·hm^-2·a^-1和4.48 t·hm^-2·a^-1，面积占比合计79.07%（表1），主要分布在陇中高原、宁夏中西部、鄂尔多斯高原西部及河套平原地区（图3）。高与较高等级平均单位面积固沙量分别为112.16 t·hm^-2·a^-1和52.11 t·hm^-2·a^-1，面积占比仅为15.40%，主要分布于库布齐沙漠东部、毛乌素沙地、宁夏东部风沙区及晋北地区。与2000—2009年相比，2010—2020年研究区平均单位面积固沙量的变化呈现空间分异。毛乌素沙地南北两侧、宁夏东部风沙区、晋北地区固沙能力减弱，单位面积固沙量减少32.18%；而库布齐沙漠东部、榆林北部风沙区与毛乌素沙地西部固沙能力增强，单位面积固沙量增加46.65%。

表1 不同时段黄土高原北部风蚀区单位面积固沙量的等级划分及面积占比

Table 1 Classification and proportion of sand fixation per unit area in the wind erosion area of the northern Loess Plateau in three periods

等级	分级标准 /(t·hm^-2)	平均单位面积固沙量/(t·hm^-2·a^-1)			面积占比/%
等级	分级标准 /(t·hm^-2)	2000—2020年	2000—2009年	2010—2020年	2000—2020年	2000—2009年	2010—2020年
低	0~2	0.46	0.42	0.42	62.67	63.25	61.48
较低	2~10	4.48	4.50	4.56	16.40	15.94	17.43
中	10~25	16.27	16.23	16.27	5.53	5.28	5.93
较高	25~80	52.11	51.25	50.57	6.42	6.18	6.69
高	>80	112.16	112.38	117.23	8.97	9.35	8.47

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图3

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图3 黄土高原北部风蚀区单位面积固沙量空间分布格局和变化特征

Fig.3 Spatial pattern and variation characteristics of sand fixation per unit area in wind erosion area of the northern Loess Plateau

从黄土高原北部风蚀区防风固沙服务保有率的空间分布格局来看，保有率低值区（保有率<40%）与单位面积固沙量低和较低等级区空间分布基本吻合，而库布齐沙漠东部、毛乌素沙地东部与南部、陕北吴起及晋北地区防风固沙服务保有率相对较高（保有率>60%，图4）。从2000—2009年与2010—2020年防风固沙服务保有率变化状况来看，53.48%的风蚀区防风固沙服务保有率上升，植被防风固沙服务增强。其中，毛乌素沙地中南部防风固沙服务保有率上升0~20%，榆林北部风沙区、宁夏东部风沙区、甘肃庆阳保有率上升20%~50%，毛乌素沙地北部达拉特旗保有率上升50%~70%。19.94%的风蚀区防风固沙服务保有率下降，主要分布在鄂尔多斯高原西部与陇中部分地区。

图4

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图4 黄土高原北部风蚀区防风固沙服务保有率空间分布格局和变化特征

Fig.4 Spatial pattern and change characteristics of windbreak and sand fixation services retention rate in wind erosion area of the northern Loess Plateau

近21年来黄土高原北部风蚀区单位面积固沙量年际变化率呈现显著的空间差异（图5A）。空间上呈减少趋势面积占34.62%，而增加趋势的面积占33.71%，二者极为接近。其中呈显著减少趋势的区域面积占8.89%，主要分布在库布齐沙漠中部、毛乌素沙地南北两侧、宁夏东部风沙区及晋北地区；显著增加的区域面积占4.70%，主要分布在榆林北部风沙区、毛乌素沙地西部及库布齐沙漠东部。而陇中地区与毛乌素沙地西部，2000—2009年和2010—2020年呈现几乎相反的空间格局（图5B、5C）。与2000—2009年相比，2010—2020年单位面积固沙量呈减少趋势的区域面积增加7.91%，毛乌素沙地东缘与南缘、宁夏东部风沙区及库布齐沙漠东部由显著增加趋势转变为显著减少趋势。

图5

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图5 黄土高原北部风蚀区单位面积固沙量年际变化率

Fig.5 Annual variation rate of sand fixation per unit area in wind erosion area of the northern Loess Plateau

3.2　防风固沙量的影响因素

3.2.1　固沙量与土地利用类型的关系

2000—2009年和2010—2020年黄土高原北部风蚀区不同土地利用类型的固沙量及年均保有率见表2。与2000—2009年相比，2010—2020年黄土高原北部风蚀区建设用地、林地、水域、草地分别增加50.72%、13.85%、12.00%、3.77%，而灌丛、荒漠、耕地分别减少31.93%、24.85%、6.42%，林草地的增加主要来源于土地荒漠化逆转与退耕还林还草。2000—2009年各土地利用类型单位面积固沙量序列依次为荒漠（24.63 t·hm^-2·a^-1）>草地（18.31 t·hm^-2·a^-1）>灌丛（15.89 t·hm^-2·a^-1）>林地（15.50 t·hm^-2·a^-1）>耕地（7.20 t·hm^-2·a^-1）>建设用地（3.48 t·hm^-2·a^-1）；2010—2020年依次为草地（18.73 t·hm^-2·a^-1）>荒漠（16.99 t·hm^-2·a^-1）>灌丛（12.67 t·hm^-2·a^-1）>林地（11.61 t·hm^-2·a^-1）>耕地（7.85 t·hm^-2·a^-1）>建设用地（3.68 t·hm^-2·a^-1）。两个时期荒漠、林地、灌丛单位面积固沙量变化量较大，分别下降31.04%、25.11%、20.26%。草地生态系统类型在2000—2009年和2010—2020年分别贡献了73.05%和77.82%的固沙量，2010—2020年草地年均保有率提高7.73%，草地是控制土壤风蚀、发挥防风固沙作用的主要土地利用类型。林地与灌丛两个时期年均保有率均大于95%，防风固沙服务表现出优越性。

表2 2000—2009年和2010—2020年黄土高原北部风蚀区不同土地利用类型的固沙量及防风固沙服务保有率

Table 2 Sand fixation and annual average windbreak and sand fixation services retention rate of different land use types in wind erosion area of the northern Loess Plateau in 2000-2009 and 2010-2020

项目	研究时段	耕地	林地	灌丛	草地	荒漠	建设用地	水域
土地利用/万km²及变化率	P₁(2000—2009年)	9.41	1.10	0.07	22.11	2.47	0.47	0.16
	P₂(2010—2020年)	8.81	1.25	0.05	22.94	1.86	0.70	0.18
	P₁-P₂变化量	-0.60	0.15	-0.02	0.83	-0.61	0.24	0.02
	P₁-P₂变化率/%	-6.42	13.85	-31.93	3.77	-24.85	50.72	12.00
平均单位面积固沙量 /(t·hm^-2·a^-1) 及变化率	P₁(2000—2009年)	7.20	15.50	15.89	18.31	24.63	3.48	2.82
	P₂(2010—2020年)	7.85	11.61	12.67	18.73	16.99	3.68	2.36
	P₁-P₂变化量	0.65	-3.89	-3.22	0.42	-7.65	0.20	-0.46
	P₁-P₂变化率/%	8.98	-25.11	-20.26	2.30	-31.04	5.70	-16.25
平均固沙量/(亿t·a^-1) 及贡献率	P₁(2000—2009年)	0.68	0.17	0.012	4.04	0.61	0.02	0.0045
	P₁贡献率/%	12.23	3.06	0.21	73.05	11.09	0.29	0.08
	P₂(2010—2020年)	0.69	0.18	0.006	4.30	0.32	0.03	0.0043
	P₂贡献率/%	12.52	3.26	0.11	77.82	5.74	0.47	0.08
年均防风固沙服务保有率/%	P₁(2000—2009年)	27.50	95.05	98.41	47.05	20.88	29.38	31.37
	P₂(2010—2020年)	31.51	95.53	99.23	54.78	13.18	33.19	34.70
	P₁-P₂变化量	4.01	0.48	0.82	7.73	-7.70	3.80	3.33

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图6展示了2000—2020年不同土地利用类型转移引起的固沙量变化状况。59.62%的固沙量变化发生在土地利用类型发生转移的区域，荒漠、耕地与草地之间的相互转化对防风固沙服务的影响较大，造成了固沙量的净增加324.59万t。其中，荒漠化逆转与退耕还草（荒漠、耕地转草地）固沙量分别增加630.61万t（67.20%）、177.82万t（18.95%）；而草地退化（草地转耕地、建设用地）固沙量分别减少329.19万t（54.86%）、58.43万t（9.74%）。

图6

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图6 2000—2020年不同土地利用类型转移引起的固沙量变化

Fig.6 Variation in sand fixation caused by different land use type transition from 2000 to 2020

3.2.2　固沙量与植被覆盖度的关系

2000—2020年黄土高原北部风蚀区单位面积固沙量与植被覆盖度Moran'I指数为-0.091，表现为微弱负相关。空间分布上，2000—2020年呈正相关关系的面积占比38.74%，主要表现为L-L型（35.94%），分布在鄂尔多斯高原西部、河套平原及宁夏中部；呈负相关关系的面积占比29.04%，在毛乌素沙地与库布齐沙漠东部集中呈现L-H型（10.38%，图7）。与2000—2009年相比，2010—2020年H-H型面积增加0.69%，毛乌素沙地北部与东南缘、库布齐沙漠东南缘增加最为明显。

图7

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图7 2000—2020年黄土高原北部风蚀区植被覆盖度与单位面积固沙量的局部LISA图

Fig.7 Local LISA plots of vegetation coverage and sand fixation per unit area in wind erosion area of the northern Loess Plateau from 2000 to 2020

3.2.3　固沙量与气候因子的关系

2000—2020年黄土高原北部风蚀区单位面积固沙量与≥5 m·s^-1风速累积时间Moran'I指数为0.246，呈正相关关系。空间分布上，2000—2020年呈正相关关系的面积占比49.99%，其中以L-L型为主，H-H型仅占2.64%（主要分布在毛乌素沙地中部与晋北地区）。呈负相关关系的面积占比16.42%，主要表现为L-H型（10.85%），分布在毛乌素沙地与库布齐沙漠东部；H-L型则主要分布在宁夏中卫市（图8）。2000—2009年和2010—2020年的L-H型与H-H型在毛乌素沙地、库布齐沙漠东部表现出相反的空间格局。单位面积固沙量与降水Moran'I指数为-0.038，表现为微弱负相关。在400 mm等降水量线以西以L-L型为主，但毛乌素沙地与库布齐沙漠呈L-H型；400 mm等降水量线以东以H-L型为主。与2000—2009年相比，2010—2020年毛乌素沙地东部边缘降水量与固沙量的空间相关性由L-H型转变为H-H型。

图8

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图8 2000—2020年黄土高原北部风蚀区≥5 m·s^-1风速累积时间/降水与单位面积固沙量的局部LISA图

Fig.8 Local LISA plots for cumulative time of wind speed（≥5 m·s^-1）/precipitation and sand fixation per unit area in wind erosion area of the northern Loess Plateau during 2000-2020

4 讨论

本研究发现2000—2020年黄土高原北部风蚀区单位面积固沙量整体呈下降趋势，这主要与风力侵蚀力的减弱有关，≥5 m·s^-1风速累积时间从2000年的1 360 h下降至2020年的735 h（图1），风力侵蚀力减弱导致潜在风蚀量与实际风蚀量均下降，综合作用下固沙量也呈下降趋势。从2000—2020年黄土高原北部风蚀区植被覆盖度与防风固沙服务保有率的变化趋势来看，植被对固沙量的贡献率上升，防风固沙服务趋好，这与宁佳等^［32］、王晓峰等^［33］关于黄土高原及黄河流域防风固沙服务变化特征的研究结果一致。

对于不同的土地利用类型，土壤结构、功能、粗糙度、植被覆盖度均发生了显著变化，导致固沙功能存在差异^［34］。而土地利用与经营方式可以直接影响土壤特性及其对外界环境变化的抵抗能力^［35］，对防风固沙的影响往往体现在较长的时间尺度上^［36］。黄土高原北部风蚀区林地与灌丛的保有率均大于95%，表明林地与灌丛可以起到很好的防风固沙作用，但对于陇中高原、晋北部分地区，其面积占比不到3%，固沙量仅为0.18亿t a^-1。虽然长期造林可使土壤理化性质提高、近地表风速降低，土壤抗侵蚀能力显著增强^［37］，但对于干旱半干旱的黄土高原北部而言，在人工造林过程中超出了土壤水分承载力，可能导致林木生长过程中水分供应不足，衰败死亡现象严重，防护效应降低^［38］。因此，两个时期（2000—2009年与2010—2020年）相比黄土高原北部风蚀区林地与灌丛的固沙量显著降低。与林地、灌丛相比，草地对防风固沙服务的作用更大。天然草地根系密集，地表硬度、水分含量较高，表层土壤粗颗粒含量最低，输沙量少^［39］。Cao等^［40］发现，通过改变生态恢复策略，从造林到保护或重建草地群落，中国北方的水资源利用效率平均可提高20%。本研究中，2010—2020年草地固沙量可达4.30亿·a^-1，单位面积固沙量在所有土地利用类型中最高，2000—2009年与2010—2020年相比，83.81%的固沙量增加来源于荒漠化改善与退耕还草，因此草地是最适合黄土高原北部风蚀区防风固沙的土地利用类型。

植被恢复是减少和控制干旱半干旱地区风蚀、提高防风固沙服务的重要措施^［41-42］。与大多数研究结论不同^［5，10］，本研究中黄土高原北部风蚀区植被覆盖度与单位面积固沙量呈负相关关系，这可能主要与风力侵蚀力变化幅度大有关。受风力侵蚀力减弱影响，潜在土壤风蚀量降低速率超过实际风蚀量，导致固沙量呈现降低趋势，而防风固沙服务保有率在一定程度上消除了气候变化的影响，呈现出增大趋势。对于植被恢复较好的区域，植被恢复仍能有利于固沙量的增加。2010—2020年毛乌素沙地东南缘与北部H-H型面积明显增加。相关研究表明，大规模的生态工程实施后毛乌素沙地植被恢复效果明显，沙地东北及东南部边缘地带，NDVI呈显著上升趋势，属于植被恢复较好的区域，防风固沙服务也趋于增强^［43］。因此区域植被恢复，尤其是植被恢复明显的区域，有利于防风固沙服务的增加。

此外，气候是影响土壤风力侵蚀的主要因素，其中风速是最直接的动力来源，降水可以决定土壤表面颗粒的稳定性，改变土壤表面水分和能量的平衡，进而影响土壤湿度与植被覆盖度来调节风蚀^［44］。本研究中2000—2020年≥5 m·s^-1风速累积时间与固沙量相关性最强，且在毛乌素沙地西部与库布齐沙漠东部H-H型表现尤为显著，主要是由于该区域风速增加，导致潜在风蚀量与实际风蚀量共同增加，从而解释了该区域两个时期固沙量变化明显增加的原因。另一方面，黄土高原北部降水集中于夏季，以极端降水为主^［45］，春季风较大^［46］，夏季降水对土壤湿度与植被的影响不足以抑制多发于春季的土壤侵蚀。降水量与固沙量在空间上表现为微弱负相关，也说明降水对固沙量的影响较小。

5 结论

2000—2020年黄土高原北部风蚀区年均固沙量5.52亿t，其年际变化总体呈减少趋势，平均变化率为-0.12 t·hm^-2·a^-1，而防风固沙服务保有率以每年0.50%的速率增加，呈上升趋势，黄土高原北部风蚀区植被防风固沙服务增强。空间分布上榆林北部风沙区、宁夏东部风沙区、甘肃庆阳、毛乌素沙地中南部及沙地北部达拉特旗植被防风固沙服务有所增强。2000—2009年毛乌素沙地东缘与南缘、宁夏东部风沙区及库布齐沙漠东部单位面积固沙量年际变化呈显著增加趋势，2010—2020年转变为显著减少趋势。

草地是控制黄土高原北部风蚀区风力侵蚀、发挥防风固沙作用的主要土地利用类型；荒漠化逆转与退耕还草明显增强了防风固沙服务，草地退化（草地转耕地、建设用地）将造成固沙服务显著减弱。气候因素中，风速是引起黄土高原北部风蚀区防风固沙服务变化的主要驱动因子，而降水影响较小。此外，植被恢复对库布齐沙漠和毛乌素沙地等关键区域的防风固沙起到了不可忽视的作用。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

肖玉，谢高地，甄霖，等.

北麓草原生态功能区防风固沙服务受益范围识别

［J］.自然资源学报，2018，33（10）：1742-1754.