黃　麟，曹　巍，鞏國麗，趙國松

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京　100101

2000—2010年中國三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)時空變化特征

黃麟*，曹巍，鞏國麗，趙國松

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101

摘要:基于遙感解譯反演、模型模擬估算等方法，以地面調(diào)查作為主要驗證手段，分析了21世紀前10年我國三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及關(guān)鍵服務(wù)變化狀況及其驅(qū)動因素。結(jié)果表明：(1)2000—2010年，三北地區(qū)林地面積凈增加了0.69萬km2，草地面積減少了0.13萬km2，濕地面積凈減少0.21萬km2，耕地面積減少了0.87萬km2，人工表面增加了0.57萬km2，其它類型面積持續(xù)減少了496.5km2。(2)近10年，三北地區(qū)歸一化植被指數(shù)(NDVI)、葉面積指數(shù)(LAI)、地上植被生產(chǎn)力總體呈現(xiàn)輕微增加趨勢，特別是黃土高原丘陵溝壑區(qū)，然而植被覆蓋度總體呈現(xiàn)微弱減少趨勢。(3)近10年，三北地區(qū)單位面積土壤風蝕模數(shù)下降了27.25%，減少速率為每年1.13t/hm2，由于風蝕力逐年減弱導(dǎo)致防風固沙服務(wù)量呈現(xiàn)減弱趨勢。三北地區(qū)水蝕區(qū)近10年土壤水蝕模數(shù)總體呈現(xiàn)微弱增加趨勢，而黃土高原區(qū)和風沙區(qū)則呈現(xiàn)降低趨勢，生態(tài)系統(tǒng)單位面積土壤保持服務(wù)量呈現(xiàn)增加趨勢，年增速0.28t/hm2，說明土壤保持能力有所提高。(4)三北地區(qū)近10年氣溫變化斜率為0.02℃/a，適度增溫、降水量增加有利于植被恢復(fù)；東北華北平原農(nóng)區(qū)和黃土高原丘陵溝壑區(qū)人類負向擾動指數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，說明人類活動對這兩個區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的擾動有所遏制。

關(guān)鍵詞：三北地區(qū)；生態(tài)系統(tǒng)；時空格局；十年變化；遙感

三北地區(qū)是我國最重要的自然資源儲備區(qū)和生態(tài)屏障區(qū)，也是我國荒漠化最嚴重的地區(qū)[1]，荒漠化土地面積占全國荒漠化土地面積的55%以上[2]。地表徑流和地下水資源不足，地面植被覆蓋度不高、生產(chǎn)量偏低，生態(tài)環(huán)境極其脆弱[3]，風沙危害和水土流失十分嚴重[4- 5]。為了從根本上改善三北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況，我國于1978年啟動了三北防護林體系建設(shè)工程，至2010年完成了三北防護林四期工程。2000年以來，我國在三北地區(qū)還實施了退耕還林(還草)、退牧還草、天然林保護等重大生態(tài)保護與建設(shè)工程。

許多學(xué)者開展了三北地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況相關(guān)的研究，集中在三北地區(qū)防護林體系區(qū)域分異與開發(fā)潛力[3]、區(qū)域氣候變化及防護林的氣候生態(tài)適應(yīng)性[5- 7]，區(qū)域蒸散發(fā)變化[8]，喬、灌木樹種最適分布范圍[9]，防護林空間分布信息提取及遙感監(jiān)測[10- 11]，多年NDVI與植被覆蓋度時空變化[12- 14]，土地退化及趨勢[15]，水土流失和土壤侵蝕估算[16- 17]等。此外，探究三北地區(qū)生態(tài)問題亦成為眾多學(xué)者的一個主要研究方向，比如違背植被地帶性分布規(guī)律，重喬輕灌草、土壤水分虧缺、土壤肥力不足和不平衡等[18- 20]。然而，上述研究主要針對三北地區(qū)生態(tài)環(huán)境單因素開展分析，缺少對該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)整體狀況的全面、科學(xué)、準確地把握。

人們迫切需要了解，三北地區(qū)過去10年實施了大量重大生態(tài)建設(shè)工程后，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)如何變化？發(fā)生變化的主要驅(qū)動因素是什么？哪些因素產(chǎn)生正面作用，哪些產(chǎn)生負面作用？因此，本文試圖通過分析2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)類型、質(zhì)量以及防風固沙、土壤保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空格局變化，了解氣候變化與生態(tài)工程背景下三北地區(qū)近10年生態(tài)系統(tǒng)變化狀況，并分析氣候因子與人類擾動對三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化的驅(qū)動作用，為科學(xué)地評估生態(tài)工程的生態(tài)效應(yīng)以及后續(xù)生態(tài)工程的滾動實施提供理論依據(jù)。

1研究方法與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)概況

中國三北地區(qū)系指昆侖-秦嶺-大巴山以北的部分地區(qū)，橫跨我國西北、華北和東北三大地域[2]，轄13省(市)，面積約占國土面積的42.4%。該區(qū)氣候差異顯著，大部分屬于干旱、半干旱氣候帶，降水量由東向西、從南到北遞減，年均降水量在20—450mm[4]。受降水量的影響，天然植被類型從東到西依次為森林、森林草原、草原和荒漠。

1.2生態(tài)系統(tǒng)類型及其時空變化分析

三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型主要劃分為林地、草地、濕地、耕地、人工表面、其它等6個類型。林地即木本為主的植物群落，郁閉度不低于0.2，高度在0.3m以上，包括自然、半自然植被及集約化經(jīng)營和管理的人工木本植被。草地是一年或多年生草本植被為主的植物群落，覆蓋度大于20%，高度在3m以下。濕地包括沼澤、水域、永久性冰川、灘地等。耕地是以收獲為目的、有耕犁活動的人工種植草本植物覆蓋表面。人工表面即人工建造用于城鄉(xiāng)居民點、工礦、交通等的陸地表面。其它包括年內(nèi)最大植被覆蓋度小于20%的地表及冰雪?；?000、2005、2010年TM/ETM+、環(huán)境小衛(wèi)星等30m空間分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，經(jīng)圖像精糾正和拉伸處理后，通過遙感解譯判讀，生成幾期生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布數(shù)據(jù)。通過1°×1°經(jīng)緯度交叉點的野外調(diào)查信息進行結(jié)果的校正與驗證，類型精度達到85%以上。進而對生態(tài)系統(tǒng)類型空間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，綜合評價6大生態(tài)系統(tǒng)類型的時空變化態(tài)勢。

1.3生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及其變化分析

收集2000年至2010年MODIS的16天250m分辨率NDVI數(shù)據(jù)(MOD13Q1)，數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、重投影、圖像的空間拼接、重采樣和濾波處理，采用最大合成法(MVC)得到年NDVI數(shù)據(jù)。利用NDVI數(shù)據(jù)計算植被覆蓋度，根據(jù)像元二分模型理論，可以認為一個像元的NDVI值是由綠色植被部分貢獻的信息與無植被覆蓋部分貢獻的信息組合而成，最大植被覆蓋度根據(jù)以下公式計算：

(1)

式中，F(xiàn)C是植被覆蓋度，NDVIveg是純植被像元的NDVI值；NDVIsoil是完全無植被覆蓋像元的NDVI值，純植被像元和完全無植被像元根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)進行識別。

采用CASA模型[21]計算植被凈初級生產(chǎn)力，輸入?yún)?shù)包括氣象數(shù)據(jù)插值的1km平均溫度、蒸散量、日照時數(shù)，MODIS1km分辨率反照率與植被指數(shù)產(chǎn)品，數(shù)字化的1∶100萬植被類型分布等，計算過程如下：

(2)

APAR=FPAR×PAR

(3)

從資料文檔、氣象數(shù)據(jù)中得到太陽總輻射量及日照時數(shù)等信息，然后結(jié)合像元經(jīng)緯度計算得到PAR。利用NDVI計算比值指數(shù)SR，通過FPAR與SR之間存在關(guān)系得到FPAR。

(4)

(5)

式中，F(xiàn)PARmin和FPARmax的取值與植被類型無關(guān)，分別取值為0.001和0.95，SRmin和SRmax與植被類型有關(guān)，為對應(yīng)植被類型NDVI的5%和95%的下側(cè)百分位數(shù)。NIR和RED分別表示近紅外波段和紅波段的反射率。

植被將吸收的光合有效輻射(APAR)通過光合作用轉(zhuǎn)化為有機碳的效率計算如下：

(6)

式中，ε*是最大光利用率(g/MJ),T1和T2表示環(huán)境溫度對光利用的抑制影響，W為水分影響脅迫系數(shù)，均為無量綱參數(shù)。

葉面積指數(shù)(LAI)是利用遙感反射率數(shù)據(jù)，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)得到調(diào)查區(qū)域內(nèi)不同植被類型的像元的NDVI，然后采用查找表的方法，反演區(qū)域尺度上植被冠層LAI。

1.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其變化分析1.4.1防風固沙服務(wù)量變化分析

在充分考慮氣候條件、植被狀況、地表土壤的粗糙度、土壤可蝕性、土壤結(jié)皮的情況下，利用修正的土壤風蝕方程(RWEQ)定量評估土壤風蝕量。

(7)

Qmax=109.8×(WF×EF×SCF×K′×COG)

(8)

式中，SL表示土壤風蝕模數(shù)，x表示地塊長度，Qx表示地塊長度x處的沙通量(kg/m)；Qmax表示風力的最大輸沙能力(kg/m)；s表示關(guān)鍵地塊長度(m)；WF表示氣象因子；EF表示土壤可蝕性成分；SCF表示土壤結(jié)皮因子；K′表示土壤糙度因子；COG表示植被因子，包括平鋪、直立作物殘留物和植被冠層。氣候因子中的風和土壤濕度根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)下載的日均風速、降水、溫度、日照時數(shù)等計算；雪蓋因子利用從中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)下載的中國雪深長時間序列數(shù)據(jù)集來計算。土壤可蝕性因子根據(jù)Fryear等[22]方程計算。土壤數(shù)據(jù)來源于西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心1∶100萬土壤類型圖所附的土壤屬性表和空間數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻收集地面測定的我國不同地區(qū)的風蝕模數(shù)結(jié)果[23-26]對本估算結(jié)果進行驗證。

通過對生態(tài)系統(tǒng)防風固沙服務(wù)量進行定量分析來衡量生態(tài)系統(tǒng)防風固沙的能力。防風固沙服務(wù)量為裸土條件和地表覆蓋植被條件下的土壤風蝕量的差值：

SLSV=SLS-SLV

(9)

式中,SLSV表示防風固沙服務(wù)量，SLS表示裸土條件下的潛在土壤風蝕量，SLV表示植被覆蓋條件下的現(xiàn)實土壤風蝕量。

1.4.2土壤保持服務(wù)量變化分析

基于修正的通用水土流失方程(RUSLE)計算單位面積土壤流失量，即土壤侵蝕模數(shù)。RUSLE包含降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)、坡長因子(L)、坡度因子(S)、覆蓋和管理因子(C)等:

A=R×K×L×S×C

(10)

基于國家氣象臺站的日降雨量數(shù)據(jù)以及日平均氣溫等氣象資料，采用日降雨量擬合模型[27]來估算降雨侵蝕力。利用1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫，根據(jù)Nomo圖法估算土壤可蝕性因子值?；赟RTM3 V4.1數(shù)據(jù)加工制作得到的90m分辨率DEM數(shù)據(jù)，根據(jù)McCool等[28]和Liu等[29]的核心算法計算坡度坡長因子。蓋度和管理因子采用蔡崇法[30]提出的利用植被覆蓋度計算C值的方法。通過查找文獻搜集到多個地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)資料，將估算得到的土壤侵蝕模數(shù)與其進行對比驗證。

通過對生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量進行定量分析來衡量生態(tài)系統(tǒng)保育土壤的能力。土壤保持量為生態(tài)系統(tǒng)在極度退化狀況下的土壤流失量與現(xiàn)實狀況下土壤流失量的差值。

AC=AD-AR

(11)

AD=R×K×L×S×CD×P

(12)

AR=R×K×L×S×CR×P

(13)

(14)

式中，AC為土壤保持量，AD和AR分別表示生態(tài)系統(tǒng)在極度退化狀況下的土壤流失量與現(xiàn)實狀況下土壤流失量，可以發(fā)現(xiàn)AD和AR的差異僅僅體現(xiàn)在C因子。

1.5驅(qū)動力因子分析

采用最小二乘法分析氣溫、降水等氣象要素的年際變化趨勢：

(15)

式中，S為變化斜率，Xi為氣溫、降水量觀測值，i=1, 2, 3,…,n,mi為年份序數(shù)，m1=1,m2=2,m3=3,…,mn=n。

此外，根據(jù)趙國松等[31]，通過人類擾動指數(shù)評價人類活動對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響程度，擾動指數(shù)值越高，人類擾動程度越高，當同一區(qū)域人類擾動程度下降時，認為人類對自然生態(tài)系統(tǒng)的威脅程度減小。只考慮有自然植被分布的生態(tài)系統(tǒng)類型的人類擾動，而對稀少植被或無植被分布生態(tài)系統(tǒng)類型的人類擾動不作考慮。將生態(tài)系統(tǒng)分級賦值，得到4種擾動程度的分級指數(shù)，如表1所示。

表1　人類擾動指數(shù)分級表

根據(jù)不同類型所占比例進行加權(quán)求和，形成一個0—3之間的值，標準化后擾動指數(shù)值域范圍0—1，綜合反映了某一地區(qū)的擾動程度，計算方法如下：

(16)

式中，Ai表示第i級生態(tài)系統(tǒng)擾動程度分級指數(shù)，Pi表示第i級擾動程度分級面積所占百分比，D為人類擾動指數(shù)。為便于多期綜合人類擾動指數(shù)的對比，直接扣除無植被或稀疏植被分布生態(tài)系統(tǒng)類型占比超過95%的區(qū)域。

2結(jié)果與分析

2.1三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)及其變化

結(jié)果表明(圖1，表2)，2010年，三北地區(qū)以荒漠等其它類型與草地生態(tài)系統(tǒng)為主，其它類型面積約占全區(qū)總面積的44%，草地占全區(qū)總面積的22.9%。其次是耕地和林地，分別占全區(qū)的15.8%和13%。此外，濕地面積占2.6%，人工表面占1.6%。2000—2010年，三北地區(qū)林地面積凈增加了0.69萬km2(表3)，轉(zhuǎn)入林地面積11312.4 km2，以草地和耕地轉(zhuǎn)入林地為主，林地轉(zhuǎn)出面積4438.6 km2，以轉(zhuǎn)出到耕地為主。草地面積總體減少了0.13萬km2，其中，轉(zhuǎn)入草地面積6848.8 km2，以耕地和其它轉(zhuǎn)入草地為主，草地轉(zhuǎn)出面積8132.5 km2，主要轉(zhuǎn)出為耕地。濕地面積凈減少0.21萬km2，其中轉(zhuǎn)入濕地面積2360km2，濕地轉(zhuǎn)出面積4415.7 km2，主要轉(zhuǎn)出為耕地和其它。耕地面積減少了0.87萬km2，其中轉(zhuǎn)入耕地面積7209.2km2，以林地、草地轉(zhuǎn)入耕地為主，耕地轉(zhuǎn)出面積15906.1km2，主要轉(zhuǎn)出為人工表面。人工表面增加了0.57萬km2，其它類型面積持續(xù)減少了496.5km2。

圖1　三北地區(qū)2010年生態(tài)系統(tǒng)空間分布Fig.1　The distribution map of ecosystem in the Three Northern Region in 2010

年份Year統(tǒng)計指標Statisticalindex林地Forestland草地Grassland濕地Wetland耕地Farmland人工表面Artificialcoverage其它Others2000面積/(萬km2)57.6102.211.870.255.8198.6比例/%12.922.92.615.81.344.52005面積/(萬km2)58.21102.5611.7170.56.31197.24比例/%13.122.92.615.81.644.02010面積/(萬km2)58.6102.111.870.477.0196.2比例/%13.023.02.615.71.444.2

表3　2000—2010年三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣

2.2三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況及其變化

2000—2010年，三北地區(qū)NDVI平均值約0.39，總體呈現(xiàn)輕微弱增加趨勢(圖2，表4)，年增加速率0.008，特別是黃土高原丘陵溝壑區(qū)，年增速為0.077，僅內(nèi)蒙中東部呈現(xiàn)顯著減少趨勢。三北地區(qū)多年平均最大植被覆蓋度為37.66%，總體呈現(xiàn)微弱減少趨勢，年減少速率約為0.07%，其中東北華北區(qū)平均最大植被覆蓋度89.94%，近10年減少速率最大，約為0.196%/a；黃土高原丘陵溝壑區(qū)平均最大植被覆蓋度61.02%，近10年表現(xiàn)為大面積覆蓋度增加趨勢，增加速率0.611%/a。多年平均植被LAI約為1.13，近10年總體呈現(xiàn)微弱增加趨勢，增加速率0.009/a，特別是黃土高原丘陵溝壑區(qū)和東北華北平原農(nóng)區(qū)，年增加速率分別為0.041和0.024。近10年，三北地區(qū)多年平均地上植被生產(chǎn)力為236.65 gC m-2a-1，總體呈現(xiàn)增加趨勢，年增速為1.345gC/m2，其中，黃土高原區(qū)年增速高達8.828gC/m2。

圖2　2000—2010年三北地區(qū)NDVI、最大植被覆蓋度、LAI、地上植被生產(chǎn)力變化Fig.2　The trends of NDVI, vegetation coverage, LAI and production of the Three Northern Region, 2000—2010

區(qū)名ZoneNDVI平均Mean變化趨勢Trend最大植被覆蓋度Maximumvegetationcoverage平均Mean/%變化趨勢Trend/(%/a)LAI平均Mean變化趨勢Trend植被生產(chǎn)力/(gCm-2a-1)Vegetationproduction平均Mean變化趨勢Trend東北華北區(qū)NortheastandNorthChina0.870.00289.94-0.1964.070.024604.640.725風沙區(qū)Windysandyarea0.540.00952.63-0.1681.370.01300.501.534黃土高原區(qū)LoessPlateau0.620.07761.020.6111.570.041452.248.828西北荒漠區(qū)Northwestdesertarea0.200.00215.81-0.0780.260.00294.900.555合計Total0.390.00837.66-0.071.130.009236.651.345

2.3三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵服務(wù)及其變化

2.3.1生態(tài)系統(tǒng)防風固沙服務(wù)及其變化

2000—2010年，三北地區(qū)風蝕區(qū)多年平均單位面積土壤風蝕模數(shù)為20.69 t/hm2(表5，圖3)，其中西北荒漠區(qū)最高，約30.71 t/hm2，黃土高原丘陵溝壑區(qū)和東北華北平原農(nóng)區(qū)最低，分別約為1.07和2.01 t/hm2。近10年，全區(qū)單位面積土壤風蝕模數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，減少速率為每年1.13 t/hm2，年平均風蝕模數(shù)下降了25.25%，其中減速最高的是西北荒漠區(qū)。甘肅西部與蒙新銜接區(qū)域、柴達木盆地等則呈現(xiàn)明顯增加趨勢。三北地區(qū)多年平均生態(tài)系統(tǒng)防風固沙服務(wù)量為32.17 t/hm2，其中風沙區(qū)最高，約53.31t/hm2，黃土高原丘陵溝壑區(qū)最低，約為6.06 t/hm2。然而，近10年全區(qū)年平均防風固沙服務(wù)量則呈現(xiàn)減弱趨勢，這與風蝕力逐年減弱有關(guān)，風蝕驅(qū)動力的減少使得裸土和植被覆蓋條件下的土壤風蝕量明顯減少，服務(wù)量也相對減少。但這并不能表明生態(tài)系統(tǒng)的防風固沙服務(wù)能力在降低，而僅僅表示在風蝕力減小的情況下，土壤防治的風蝕量也相應(yīng)減少。

表5　2000—2010年三北地區(qū)防風固沙與土壤保持服務(wù)量及其變化統(tǒng)計

圖3　2000—2010年三北地區(qū)風蝕模數(shù)與防風固沙服務(wù)量及其變化Fig.3　The ecosystem wind erosion modulus and volumes of wind prevention and sand fixation in the Three Northern Region in 2000—2010

2.3.2生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)及其變化

2000—2010年，三北地區(qū)水蝕區(qū)多年平均土壤水蝕模數(shù)為10.37 t/hm2(表5，圖4)，其中黃土高原丘陵溝壑區(qū)最高，約31.23 t/hm2，東北華北平原農(nóng)區(qū)和風沙區(qū)最低，分別約為2.73和5.79 t/hm2。近10年，全區(qū)土壤水蝕模數(shù)總體呈現(xiàn)微弱增加趨勢，年增加速率為0.08 t/hm2。而黃土高原區(qū)和風沙區(qū)的土壤水蝕模數(shù)則呈現(xiàn)降低趨勢，特別是黃土高原區(qū)，年減少1.93 t/hm2。三北地區(qū)水蝕區(qū)多年平均土壤保持服務(wù)量為12.31 t/hm2，其中黃土高原丘陵溝壑區(qū)最高，約54.76 t/hm2，東北華北平原農(nóng)區(qū)和西北荒漠區(qū)最低，約為8.7和9.3 t/hm2。近10年，單位面積生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)量呈現(xiàn)增加趨勢，年增速0.28 t/hm2，其中黃土高原區(qū)年增速達到1.23 t/hm2。

圖4　2000—2010年三北地區(qū)土壤水蝕模數(shù)與土壤保持服務(wù)量變化Fig.4　The ecosystem water erosion modulus and volumes of soil conservation in the Three Northern Region in 2000—2010

2.4三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化的驅(qū)動力分析

2000—2010年，三北地區(qū)氣溫以增溫為主，年平均氣溫變化斜率為0.02℃/a，特別是西北荒漠區(qū)。年降水量以增加趨勢為主，變化斜率為3.00mm/a，特別是東北華北平原農(nóng)區(qū)(圖5，表6)。適度增溫、降水量增加有助于增加植被高度和生產(chǎn)力，加快植物物候進程，延長生長季，促進植物生長發(fā)育。近10年，三北地區(qū)人類擾動指數(shù)增加了0.003(圖6，表6)，特別是風沙區(qū)和西北荒漠區(qū)，分別增加了0.309和0.007，而東北華北平原農(nóng)區(qū)和黃土高原丘陵溝壑區(qū)則呈現(xiàn)相反的減少趨勢，分別減少了0.151和0.005，說明人類活動對這兩個區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的擾動有所遏制，有利于植被恢復(fù)。

表6　2000—2010年三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化驅(qū)動力因子及其變化統(tǒng)計

圖5　1990—2010年三北地區(qū)氣溫、降水量變化分布圖Fig.5　The distribution map of temperature and precipitation variation in the Three Northern Region in 2000—2010

圖6　2000—2010年三北地區(qū)人類擾動指數(shù)及其變化分布圖Fig.6　The human disturbances index and its change in the Three Northern Region in 2000—2010

3討論與結(jié)論

本文分析了2000—2010年我國三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及關(guān)鍵服務(wù)變化狀況及其驅(qū)動因素，得到幾點結(jié)論：

首先，三北地區(qū)林地面積持續(xù)增加，草地面積持續(xù)減少。根據(jù)林業(yè)統(tǒng)計年鑒，2000—2010年，三北防護林體系工程完成人工造林面積達4.61萬km2。而本文結(jié)果顯示10年間，林地面積凈增加了0.69萬km2，由其他類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱值氐拿娣e為1.13萬km2，僅占統(tǒng)計面積的24.51%，主要原因是三北防護林中的農(nóng)田防護林、公路大綠化和村旁植樹難以遙感識別。

10年間，三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和服務(wù)能力有所提升，NDVI、LAI、植被生產(chǎn)力總體呈現(xiàn)輕微增加趨勢，特別是黃土高原丘陵溝壑區(qū)，然而植被覆蓋度總體呈現(xiàn)微弱減少趨勢，部分區(qū)域的植被覆蓋度呈現(xiàn)增長趨勢，特別是陜甘寧地區(qū)，而新疆北部、內(nèi)蒙古東部等植被覆蓋度呈下降趨勢。近10年，三北地區(qū)由于風蝕力逐年減弱導(dǎo)致土壤風蝕模數(shù)降低，同時生態(tài)系統(tǒng)防風固沙服務(wù)量也呈現(xiàn)減弱趨勢。水蝕區(qū)土壤水蝕模數(shù)總體呈現(xiàn)微弱增加趨勢，而生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)量呈現(xiàn)增加趨勢。

從過去10年三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)時空變化可以看出，近40年的生態(tài)工程在三北地區(qū)生態(tài)建設(shè)中發(fā)揮了極為重要的作用，但也存在較多問題，本區(qū)多為干旱半干旱區(qū)，很多地方抽取地下水噴灌、滴灌造林，甚至移土造林、在山地草甸上造林，不僅成本高、成活率也低，破壞了草地原生植被，而且不可持續(xù)。因此，未來三北地區(qū)生態(tài)建設(shè)應(yīng)該基于“宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草、宜荒則荒”原則，優(yōu)先保護優(yōu)良、原生生態(tài)系統(tǒng)，以自然恢復(fù)為主。此外，如何科學(xué)正確地評估三北地區(qū)生態(tài)工程的生態(tài)效應(yīng)，是調(diào)整后續(xù)工程措施的主要依據(jù)，也是未來的研究重點。

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Spatial and temporal variations in ecosystems in the three northern regions of

China, 2000—2010

HUANG Lin*, CAO Wei, GONG Guoli, ZHAO Guosong

InstituteofGeographicScienceandNaturalResourcesResearch,Beijing100101，China

Abstract：This study analyzed the ecosystem macrostructure, quality, and key services and their driving forces in the three northern regions (northeastern, northwestern, and northern) of China, in the first 10 years of the 21stCentury. The results showed that (1) during 2000—2010, forestland area increased by 10,300 km2; grassland decreased by 900 km2; wetland area decreased by 33.9 km2; farmland increased by 1900 km2; artificial coverage increased by 12400 km2; and other ecosystems decreased by 23700 km2in the three northern regions. (2) The normalized difference vegetation index (NDVI), leaf area index (LAI), and aboveground vegetation productivity in these regions increased slightly over the past 10 years, especially in the Loess Hilly Region. However, the vegetation coverage decreased slightly. (3) The soil erosion modulus per unit area decreased by 27.25% in the three northern regions, with an annual reducing rate of 1.13 t/hm2. The amount of sand-fixing services was low because the force of wind erosion decreased annually, suggesting that a reduced force in wind erosion decreases the amount of soil erosion. In soil water erosion zones of the three northern regions, the soil water erosion modulus showed a slight increasing trend in the past 10 years, whereas the modulus in the Loess Plateau and sand areas showed decreasing trends. The amount of ecosystem soil conservation service per unit area showed an increasing trend, with an annual increasing rate of 0.28 t/hm2, indicating improved soil conservation capacity. (4) The temperature increased by 0.02℃/a, and precipitation increased by 3.00 mm/a in the past 10 years in the three northern regions, and the moderate warming and increased precipitation were useful for vegetation recovery. The human disturbance index showed decreasing trends in Loess Plateau and in the agricultural areas of Northeast and North Plain, indicating that the effect of human disturbances on natural ecosystems has been suppressed in these two regions.

Key Words:the three northern regions; ecosystem; spatial and temporal patterns; variations in the last 10 years; remote sensing

DOI:10.5846/stxb201408281708

*通訊作者Corresponding author.E-mail: huanglin@igsnrr.ac.cn

收稿日期:2014- 08- 28;

修訂日期:2015- 06- 01

基金項目:國家“十二五”科技支撐計劃課題(2013BAC03B04);全國生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010年)變化遙感調(diào)查與評估項目專題(STSN- 14-00)

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