塞罕坝生态模式的效用及其推广研究

南京信息工程大学 窦晗

一、引言

塞罕坝人工林场的建造和维护，有利于改善当地及周边的生态环境，尤其为减轻京津冀地区沙尘暴、雾霾等天气现象的发生起到了至关重要的作用。

人工造林是我国保护生态环境的重要手段，对生态的可持续发展及碳排放总量的控制有着重要意义。在“双碳”计划的背景下，探究塞罕坝的效用并模拟塞罕坝生态模式的推广，对生态环境保护工作具有极大的指导意义。

二、区域生态环境指标体系

《中华人民共和国国家环境保护标准》规定，某区域生态环境影响的预测和评价应从水环境、大气环境、土壤环境、声环境、生态环境等方面着手[1]。塞罕坝的声环境在其修复前后无明显变化，且均处于达标水平。因此，文章使用大气环境、水土环境、生物物种环境作为评估塞罕坝生态环境的主要指标（二级指标）。这3个指标允许进一步细化，扩展至10个具体指标（三级指标）：温度、露点温度、空气质量指数AQI、氧气含量、二氧化碳含量、涵养水量、土壤酸碱度、森林覆盖率、林木蓄积、区域物种多样性。

选取1952年至2021年塞罕坝的相关数据[2-5]，进行正向化和标准化处理后，通过熵权法确定10个三级指标的权重，通过客观赋值法确定3个二级指标的权重。其中，部分数据难以精确至塞罕坝区域，以围场县数据代替。

最终，将各指标按权重综合为塞罕坝生态环境指数Z1。该指标值越大，表示塞罕坝的生态环境越优良，反之越恶劣。塞罕坝修复前后，其生态环境指数Z1随时间的变化关系如图1所示。

三、塞罕坝对京津冀地区抗沙尘暴的影响

京津冀地区的抗沙尘暴能力可通过沙尘暴天气发生的次数直观反映，也可通过城市绿化覆盖率、粉尘排放量、降水情况等间接反映。因此，定义从现实能力和潜在能力两个角度探究京津冀的抗沙尘暴能力。

（一）沙尘暴指数

1.现实能力

沙尘暴天气依据强度由高到低依次为沙尘暴、扬沙和浮尘[6]，将三者发生的次数按权重综合为风沙指数：

其中，S为风沙指数，即结合了强度因素的沙尘暴天气发生的综合次数，S值越大，表示京津冀的风沙天气状况越严重，即抗沙尘暴能力相对越弱。S1、S2、S3依次为沙尘暴、扬沙、浮尘天气发生的次数。w1:w2:w3=3:2:1，依次为3种强度沙尘暴天气现象的权重值。

2.潜在能力

考虑京津冀地区汽车逐年增多、干旱少雨、常见大规模基建施工等的地域特点，以及其为环境保护实施的城市绿化措施，该地区的粉尘排放量越低、降水量越大、城市绿化率越高，表示其抗沙尘暴能力相对越强。

对上述4项指标：风沙指数、粉尘排放量、降水量、城市绿化率进行正向化和标准化处理后，使用熵权法计算权重，按权重综合为京津冀抗沙尘暴指数。选取1952年至2021年京津冀地区的相关数据[4-5]进行计算，得到逐年的抗沙尘暴指数如图1所示。

图1 塞罕坝生态环境指数与京津冀地区沙尘暴指数随时间的变化曲线图

（二）塞罕坝与京津冀沙尘暴间的关系

计算塞罕坝的三级生态指数分别与京津冀抗沙尘暴指数之间的皮尔逊相关系数，如表1所示。可知，二氧化碳含量和森林覆盖率与抗沙尘暴指数间的相关系数大于0.95，同时，超过三分之二的生态指标与抗沙尘暴指数之间的相关系数大于0.8。综合而言，塞罕坝的生态环境状况与京津冀地区的抗沙尘暴能力之间的相关性很强，塞罕坝人工林场对京津冀沙尘暴天气状况的改善具有重要影响。分析其中的缘由，塞罕坝的建立调节了其周边区域的气象状态，直接影响了碳循环和水循环，进而对降水格局做出了调整，使得京津冀的降水量增大，风沙天气状况得以改善。同时，北京以北直线距离不足200公里的内蒙古浑善达克沙地是京津冀地区沙尘暴的重要来源地之一，若无阻挡，来自西伯利亚的北风将携沙尘大举南下[7]。而塞罕坝位于北京与浑善达克沙地之间，其中茂密高耸的森林筑起了一道绿色屏障，风沙得以有效拦截。

表1 塞罕坝生态指标与京津冀地区沙尘暴指数之间的相关系数

四、我国部分省市自治区生态区建设

（一）生态环境指数

近年来，我国的生态工作更加注重于对森林覆盖率、PM2.5、人均水资源占有量的监测。与塞罕坝生态环境指数的求解类似，使用上述3个指标的数据[5][8]计算2021年我国部分省市自治区的生态环境指数Z2。

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（二）生态异常省份

中国整体的生态环境状况较稳定，以此为标准状态，偏离程度大者意味着生态处于异常状态，设定生态异常临界值如下：

其中，EIab为生态异常临界值，μ(Z2)2021为2021年我国部分省份生态环境指数均值，σ(Z2)2021为2021年我国生态环境指数的一倍标准差。若某省2021年的生态环境指数小于临界值，即认为该省份生态状况异常，需要考虑建造生态区。

（三）具体建造计划

生态状况呈现异常的省份，可以认为其在生态环境保护方面已有的措施效果较弱。为其建立生态区后，生态区发挥的作用可作为今后该省生态发展的主要影响因素。因此做出假设，先忽略其他因素的影响，只考虑生态区的引入对该省份生态环境指数变化的影响。

使用2021年及之前的塞罕坝生态环境指数Z1与时间t进行logistics回归拟合，得到二者的函数关系f(Z1,t)，并用此函数关系预测未来10年塞罕坝的生态环境指数。

对于不同的省份，它们的经济、工业、人类活动对生态区的制约不同，生态区的作用可发挥的程度不同。同时，不同省份现有的生态环境状况基础也不同。若要达到相同的生态环境目标，可以作出如下推导：

其中，Y为某省某年（建造生态区后）的生态环境指数，Y0为该省于2021年（未建造生态区时）的生态环境指数，N为需要建造同塞罕坝生态模式与规模相同的生态区的个数，y’为一个生态区对该省生态环境指数的变化带来的作用，Z1满足关系f(Z1,t)。系数b的值由省份的经济、工业发展等因素决定，表征生态区的作用可发挥的程度大小，例如，某省份经济发展越强，生态区受到的制约越大，则b越小，表明建造生态区可带来的生态环境改善效果越弱。

根据引入塞罕坝生态模式并建造生态区的最初目的，可作出计划：在理想情况下，自2021年起，以9年为限，生态异常省份的生态环境指数达到2021年我国生态环境指数均值μ(Z2)2021。据此计划，总计至少需要建造35个生态区。

五、对碳达峰的影响

（一）引入生态区的影响

根据“双碳”计划，中国预计在2030年前实现“碳达峰”，且实现的时间越早，越有利于未来实现碳中和目标[9]。

可以认为，2030年实现碳达峰的同时，我国整体生态环境指数也达到一个局部极值。在进行预测工作时，选用2030年生态环境指数达到极值代替碳排放量达到峰值作为前提基准，再变动碳排放量峰值年份，保证经济受到的影响在相较之下更小，加速生态环境发展时各方因素的平衡受到的破坏也更小。

为了探究生态区的建造为碳排放量带来的影响，假设除建造生态区的省份外，其他省份的生态环境状况始终保持在2021年的水平。

我国整体生态环境指数随时间的变化受到生态区带来的影响，因此有：

其中，Yall为某年（建造生态区后）我国整体的生态环境指数，Yall0为2021年的我国生态环境指数初值，Zall’为2021年考虑建造的所有生态区共同对我国生态环境指数的变化带来的影响，b1,b2,...,bn和 N1,N2,...,Nn分别依次对应生态异常的省份。

同样的，碳排放量随时间的变化也受到生态区建造带来的影响：

其中，Wall为某年（建造生态区后）我国整体的碳排放量，Wall0为2021年的我国碳排放量初值，k表示理想贡献Zall’在碳排放量方面的实际效用权重。

（二）碳达峰年份的变化

假设无论是否建设生态区，生态环境指数Zall均在2030年达到峰值，此假定已在前文作出解释。利用式（4）计算生态区建设后2030年的生态环境指数值，再通过关系f(Zall,C)计算该值对应的碳排放量值，则可通过式（5）计算得到此时的碳排放量峰值对应的年份。建造生态区后，相比未建造生态区时，我国的碳排放量达到峰值的年份提前了2.5年，该峰值也有所降低。

六、结论与讨论

环境保护是21世纪的主题，是我国的一项基本国策。适地人工造林、划分自然保护区、南水北调等工程，是我国在实现生态可持续发展进程中探索出的一条条成功之路。这些措施带来的效果有目共睹，且其具备的生态改善潜力是巨大的。如何从已有成效的生态环境改善措施中总结经验、发掘模式，并进一步推广至其他区域，是我国现阶段生态环境发展工作的重要内容。

文章通过探究历年来塞罕坝生态指数与京津冀地区抗沙尘暴指数之间的关系，说明塞罕坝对京津冀沙尘暴天气状况的改善具有重要作用。同时，界定区域生态异常的标准，计算生态异常省份需要建造的生态区规模，据此，为这些省份提供了生态环境治理力度的参考。进一步模拟建造生态区后我国碳排放量的变化，探究塞罕坝生态模式在部分省市自治区的推广对我国“碳达峰”计划的推动作用。

人工造林等生态改善措施的意义已远远超出环境保护的意义。文章中考虑了经济、工业状况对生态区功能的制约作用，以及“碳达峰”年份提前对中国经济带来的影响，则对于经济与生态环境之间的关系，可以有进一步的思考：经济发达地区往往因为在工业发展、建设过程中不可避免的“环境消耗”，面临着生态环境日益恶化的问题；经济欠发达地区则面临着可依托当地良好的生态环境资源实现超越式经济发展的机遇[11]。

今后，随着生态环境治理工作的逐步完善，治理方案将更加全面并具有针对性。生态区的建设和维护为经济和生态的共同发展提供了一个可操作的模式，若能因地制宜地规划生态区建造方案，我国的生态环境有望得到更有效的保护。