內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量空間特征及其驅(qū)動(dòng)力

肖 洋,歐陽志云,王莉雁,饒恩明,江 凌,張 路

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國科學(xué)院研究生院,北京 100039

?

內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量空間特征及其驅(qū)動(dòng)力

肖 洋1,2,歐陽志云1,*,王莉雁1,2,饒恩明1,2,江 凌1,2,張 路1,2

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國科學(xué)院研究生院,北京 100039

植被作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,聯(lián)結(jié)著大氣、水分和土壤等自然過程,其變化將直接影響該區(qū)域氣候水文和土壤等狀況,是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的重要指示器。植被狀況的好壞,主要通過生物量和植被覆蓋度因子來表示。內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國北方生態(tài)環(huán)境問題十分嚴(yán)重的省份,弄清當(dāng)前區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況與變化及其近10年來變化的驅(qū)動(dòng)因素,對分析與制定區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)決策具有十分重要的意義?；?000—2010年生物量和植被覆蓋度,并結(jié)合地區(qū)植被區(qū)劃數(shù)據(jù),對內(nèi)蒙古植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況進(jìn)行分析,并評估其與氣候(降水、溫度),人類活動(dòng)(交通密度、農(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)恢復(fù)工程)的相關(guān)關(guān)系,在此基礎(chǔ)上探討了氣候和人類活動(dòng)對近年來內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的影響。結(jié)果表明：(1) 內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況整體偏低,其中森林生態(tài)系統(tǒng)平均質(zhì)量最高,灌叢、草原生態(tài)系統(tǒng)次之?？臻g分布呈明顯的經(jīng)度地帶性,由東向西,質(zhì)量逐漸降低。2000—2010年內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體上呈現(xiàn)緩慢增長趨勢,但局部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量仍存在惡化,其中在107°E以東的草原和森林區(qū)域,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化十分劇烈。(2) 近10年來內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化與氣候和人類活動(dòng)的關(guān)系非常密切,其與降水、GDP1、化肥施用量、天保工程和退耕還草工程呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)。而與溫度、道路密度和京津風(fēng)沙治理工程呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)。其中,生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外的相關(guān)性存在顯著的差異性。隨著內(nèi)蒙古社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的影響逐漸加強(qiáng),但降水仍是該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的主要影響因子。(3) 在內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化典型區(qū)域內(nèi),質(zhì)量的增長主要是由于降水的增加、溫度的降低、農(nóng)業(yè)的發(fā)展、退耕還草工程的作用和交通發(fā)展的放緩。質(zhì)量的降低則是因?yàn)榻邓臏p少、溫度的增加、農(nóng)業(yè)發(fā)展緩慢和交通發(fā)展的加快所致。

生物量；植被覆蓋度；生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量；氣候；人類活動(dòng)

植被作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,聯(lián)結(jié)著大氣、水分和土壤等自然過程,其變化將直接影響該區(qū)域氣候、水文和土壤等狀況,對區(qū)域能量循環(huán)及物質(zhì)的生物化學(xué)循環(huán)具有重要的影響,是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的重要指示器。目前反映植被生長狀況及生長活力的因子較多,有植被歸一化因子NDVI、葉面積指數(shù)LAI、凈第一生產(chǎn)力NPP、植被覆蓋度VC、生物量Biomass等。由于各因子所具有的生態(tài)學(xué)意義不同,所以其適用范圍也存在差異。其中生物量作為生態(tài)系統(tǒng)中植物有機(jī)物總量,不僅是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的能量基礎(chǔ)和營養(yǎng)物質(zhì)來源,還能反映生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)演替和人為干擾過程[1]。其中,森林地上生物量不僅能充分體現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量,衡量森林生產(chǎn)力,也是評估森林碳收支的重要參數(shù)[2- 4]。生物量在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能、碳儲(chǔ)量和碳動(dòng)態(tài)方面的有著廣泛應(yīng)用[5- 8]。植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比[9-10]。它是全球及區(qū)域氣候模型、水土流失監(jiān)測、土地沙漠化評價(jià)和分布式水文模型的重要輸入?yún)?shù),是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[11- 13]。在分析生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境狀態(tài),揭示其變化趨勢方面,植被覆蓋度應(yīng)用廣泛[14-15]。植被因子作為表征生態(tài)系統(tǒng)變化的綜合指示器,對評價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、調(diào)節(jié)生態(tài)過程具有重要的理論和實(shí)際意義。

內(nèi)蒙古位處中國北部邊疆,是我國北部重要的生態(tài)屏障,同時(shí)也是我國重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地,人類活動(dòng)強(qiáng)度大,且大部分植被地處干旱、半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū),生態(tài)環(huán)境脆弱,是全球氣候變化最為敏感的區(qū)域之一[16]。特別是,近年來內(nèi)蒙古發(fā)生著巨大的變化,經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、資源開發(fā)力度的增大、生態(tài)環(huán)境受到一定的沖擊,同時(shí)生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程 (天然林保護(hù)、退耕還林還草) 又在一定程度上減緩著人類活動(dòng)造成的壓力。這些變化必然會(huì)影響內(nèi)蒙古的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況,進(jìn)而影響了地區(qū)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此,全面了解內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況和10年來的變化趨勢,客觀認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能,確定重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域以及目前存在的潛在威脅,探討生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的驅(qū)動(dòng)作用,實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古的可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本研究結(jié)合內(nèi)蒙古的生態(tài)環(huán)境特征,選擇能有效反映森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的生物量因子和表征草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的植被覆蓋度因子來評估地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況的好壞。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

地上生物量數(shù)據(jù)采用植被指數(shù)-生物量法(對于森林/草地生態(tài)系統(tǒng))和累積NPP法(對于草地/農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng))對植被生物量進(jìn)行估算[20]。其中植被指數(shù)-生物量法是采用實(shí)地測量的植被生物量的數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型,然后在遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上反演得到區(qū)域范圍內(nèi)植被生物量；而累積NPP 法是通過草地或農(nóng)田的生長期(開始生長時(shí)間與結(jié)束生長時(shí)間)的確定,對生長期內(nèi)的NPP進(jìn)行累加以計(jì)算地上生物量,NPP算法選用CASA模型[21]。植被覆蓋度數(shù)據(jù)是基于像元二分模型[22-24]通過Modis影像反演得到。像元二分模型是一種簡單實(shí)用的遙感估算模型,它假設(shè)一個(gè)像元的地表由有植被覆蓋部分與無植被覆蓋部分地表組成,而遙感傳感器觀測到的光譜信息也由這2個(gè)組分因子線性加權(quán)合成,各因子的權(quán)重是各自的面積在像元中所占的比率,其中植被覆蓋度可以看作是植被的權(quán)重。生態(tài)系統(tǒng)類型圖主要基于LandsatTM數(shù)據(jù)采用的面向?qū)ο蟮姆诸惣夹g(shù),引入非影像光譜信息強(qiáng)化目標(biāo)的識(shí)別能力；實(shí)現(xiàn)快速、高效的分類技術(shù)運(yùn)作。數(shù)字高程模型DEM,空間分辨率為90 m, 來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。降水與溫度數(shù)據(jù),基于局部薄盤樣條函數(shù)插值理論,來源于中國國家計(jì)量信息中心/中國氣象局(NMIC/CMA)。詳細(xì)數(shù)據(jù)信息,見表1。

表1 主要數(shù)據(jù)來源

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量

本文選取地上生物量和植被覆蓋度因子,結(jié)合植被區(qū)劃數(shù)據(jù),以期反映內(nèi)蒙古森林和草地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況。基于內(nèi)蒙古2000與2010年生態(tài)系統(tǒng)分類圖,結(jié)合原始森林和草地調(diào)查樣方,選取各植被地帶內(nèi)的多個(gè)原始森林樣方的生物量的均值和草地樣方的覆蓋度均值來代表該范圍內(nèi)頂級群落的生物量和覆蓋度。其中,頂級群落的樣方是經(jīng)過設(shè)定嚴(yán)格的條件,如生物量高、凋落物厚、樹齡高等,篩選得到。以各個(gè)地帶的頂級群落的生物量和覆蓋度為分母,生物量和覆蓋度為分子,得到各個(gè)植被地帶的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。公式如下：

式中,RBDi為森林或草地生態(tài)系統(tǒng)i像元的相對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量密度；Bi為森林生態(tài)系統(tǒng)i像元的生物量,通過遙感反演獲得；Ci為草地生態(tài)系統(tǒng)i像元的覆蓋度,通過遙感反演獲得；CCB為森林生態(tài)系統(tǒng)頂級群落像元的生物量；CCC為草地生態(tài)系統(tǒng)頂級群落像元的覆蓋度；頂級群落樣本均運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測數(shù)據(jù),或樣地調(diào)查數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 變化趨勢分析

為研究10a來我國生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化對區(qū)域氣候、人類活動(dòng)變化的響應(yīng)以及這種變化在時(shí)空上的差異,選用一元線性回歸分析來處理多年氣候和人類活動(dòng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[25-26],得到其變化趨勢,計(jì)算公式為：

墓穴被封上了。老巴被扶上去敬了香。然后他點(diǎn)燃了鞭炮。響聲瞬間震撼整個(gè)墓區(qū)，碎紙隨風(fēng)揚(yáng)起，陽光仿佛也在抖動(dòng)。

y=a+b×t+ε

式中,y為因變量,t為年份,a和b為擬合參數(shù) (b為坡度斜率 代表趨勢特征；a為截距),ε為殘差。斜率為負(fù)值的區(qū)域,呈減小趨勢；斜率為正值地區(qū),呈增加趨勢；斜率絕對值越大,變化的幅度越大,反之則變化的幅度越小。

2.2.2 變化相關(guān)性分析

為了探索生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與氣候和人類活動(dòng)之間的關(guān)系,選用皮爾遜相關(guān)性方法進(jìn)行分析。其中氣候因素主要考慮降水和溫度,人類活動(dòng)主要為放牧壓力(牛羊存欄數(shù)),人口 (農(nóng)村和城鎮(zhèn)人口),國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP(農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值GDP1, 工業(yè)生產(chǎn)總值GDP2, 服務(wù)業(yè)生產(chǎn)總值GDP3),交通密度、建設(shè)用地面積、農(nóng)藥化肥施用量、礦區(qū)面積、生態(tài)保護(hù)工程等等。相關(guān)性方分析均以縣域?yàn)榻y(tǒng)計(jì)單元,在SPSS軟件中進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量時(shí)空特性

內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量整體偏低。按等分方法分類,2010年質(zhì)量為RBD>80的生態(tài)系統(tǒng)占總面積的3.1%,質(zhì)量為60

森林生態(tài)系統(tǒng)2010年平均質(zhì)量達(dá)到44.83,主要包括位于呼倫貝爾高原的大興安嶺和西遼河平原的山區(qū)。地處歐亞大陸中高緯度地帶的大興安嶺,受人類活動(dòng)影響較少,植被組成以寒溫帶針葉林為主,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量多為49.11,而處于東北平原與內(nèi)蒙古高原的過渡區(qū)域的山區(qū),是我國北方主要的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū),受人類活動(dòng)影響較大,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量多為32.26。位于溫帶半干旱氣候帶的草地生態(tài)系統(tǒng),2010年平均質(zhì)量為31.70。其中質(zhì)量高的區(qū)域主要分布在呼倫貝爾草原和錫林郭勒草原。鄂爾多斯高原草地質(zhì)量偏低,為16.83。

內(nèi)蒙古2000—2010年的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體上呈現(xiàn)增長狀態(tài),質(zhì)量增加的面積約為120900.43 km2。10a間生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量明顯增加的區(qū)域主要分布在賀蘭山、毛烏素沙地西部及渾善達(dá)克沙地北部地區(qū)、錫林郭勒高原西北部、科爾沁沙地東部、呼倫貝爾高原西部地區(qū)和東北部大興安嶺部分地區(qū)；其中錫林郭勒附近的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量增加趨勢最為明顯,增加面積約為31808.01 km2(圖2)。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量明顯減少的區(qū)域分布相對較集中,除少數(shù)零散分布于科爾沁沙地西部及東北部大興安嶺的部分地區(qū)外,主要沿鄂爾多斯高原-渾善達(dá)克沙地南緣-錫林郭勒高原東南部一線呈條帶狀分布。其中鄂爾多斯和呼和浩特附近的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量下降趨勢明顯,降低面積約為34922.75 km2(圖2)。

圖2 內(nèi)蒙古2010年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量空間分布和內(nèi)蒙古2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化Fig.2 Spatial pattern of ecosystem quality in Inner Mongolia in 2010 and variation of ecosystem quality area in Inner Mongolia from 2000—2010

從內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的隨經(jīng)度變化規(guī)律可看出 (圖3),內(nèi)蒙古2010年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量自西向東的呈逐漸增加趨勢,具有明顯的經(jīng)度地帶性(R2= 0.87,P<0.001)。內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化方面,100°—106°N在地理空間上基本對應(yīng)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)類型,質(zhì)量變化趨勢較平緩；位于107°—117°N的平原地區(qū),由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化劇烈,主要呈降低趨勢；118°N以東地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量主要呈增加趨勢。

圖3 內(nèi)蒙古2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量經(jīng)向變化規(guī)律Fig.3 Spatial pattern of ecosystem quality and its variation with longitude in Inner Mongolia from 2000—2010

3.2 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化與氣候和人類活動(dòng)之間的關(guān)系

由于氣候的作用和人類活動(dòng)的影響,內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量發(fā)生著巨大的變化。本文首先對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化與所有可能的影響因子做相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)與降水、溫度、農(nóng)業(yè)、道路密度、生態(tài)工程因子相關(guān)性明顯(表2)。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與降水、GDP1、化肥施用量、天保工程和退耕還草工程呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)(r=0. 543,P<0.01；r=0. 308,P<0.01；r=0. 417,P<0.01；r=0.292,P<0.01；r=0.395,P< 0.01)。然而,與溫度、道路密度和京津風(fēng)沙治理工程呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)(r=-0.381,P<0.01；r=-0.299,P<0.01；r=-0.346,P<0.01)。其中,生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外的相關(guān)性存在顯著的差異性。例如,在實(shí)施天然林保護(hù)和退耕還草工程區(qū)域內(nèi),生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化與降水、溫度、GDP1、道路密度等因子的相關(guān)性不顯著；但在區(qū)域外(未實(shí)施),它們之間的相關(guān)性非常顯著。說明在工程區(qū)域內(nèi),生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化主要與植樹造林、退耕還草、圍封轉(zhuǎn)移和有效管理等密切相關(guān),而受降水、溫度等其他因素的影響較??；而工程區(qū)域外,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化主要受降水、溫度等因素的影響。然而,京津風(fēng)沙工程區(qū)的狀態(tài)剛好與之相反,區(qū)域內(nèi)主要受到降水、溫度的影響,說明該區(qū)域人類活動(dòng)的影響較小,氣候仍然是主導(dǎo)因素。

表2 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化與氣候和人類活動(dòng)之間的相關(guān)系

** 在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);* 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

圖4 內(nèi)蒙古2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化與影響因子的相關(guān)性 (降水、溫度、GDP1、道路密度、化肥用量)Fig.4 Relation between ecosystem quality and driving factors (preicipitation, temperature, gross domestic product (agricultural product), amount of fertilizer use, road density) from 2000 to 2010 in Inner Mongolia (Each dot represents a county; The line represents the fitted curve)

圖4(以縣域?yàn)榻y(tǒng)計(jì)單位的散點(diǎn)圖)清楚的說明了這些相關(guān)信息。近10年來內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化與降水的相關(guān)性最大(r=0.543,P<0.01),反映了降水是該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的主要影響因子。由于內(nèi)蒙古主要的生態(tài)系統(tǒng)類型為草地,同時(shí)草原區(qū)熱量條件相對充足,能夠滿足植被生長的需要,降雨量成為控制植被的生長狀況主要?dú)夂蛞蜃?。張戈麗等[27]研究表明降水是驅(qū)動(dòng)呼倫貝爾草地植被年際變化的主要因素。雖然生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化與溫度的相關(guān)關(guān)系不如降水那樣明顯,但總體而言相關(guān)較為顯著。溫度的增加對植被生長有著正負(fù)效應(yīng)：正效應(yīng)是延長植被生長季節(jié),提高光合作用效率和水分利用率,從而促進(jìn)植被的生長；而負(fù)效應(yīng)主要在于增加水分消耗從而引發(fā)干旱,不利于植被生長[28]。內(nèi)蒙古地區(qū)屬于干旱、半干旱地區(qū),溫度增加使該地區(qū)缺少水分,從而不利于植被生長。除了氣候變化的影響,人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)存在一定的干擾。在人口稀少的內(nèi)蒙古地區(qū),植被生長狀況主要受自然因素的影響較大,而受人類活動(dòng)的影響較小。但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人口的增長對資源的需求量的加大,促進(jìn)交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展,嚴(yán)重制約著該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的恢復(fù)與改善。與此同時(shí),近年來國家實(shí)施了天然林保護(hù)、退耕還草、京津風(fēng)沙源治理、禁牧輪牧和圍封轉(zhuǎn)移等一系列生態(tài)恢復(fù)工程,在一定程度上又減少了人類活動(dòng)的負(fù)面影響。此外,農(nóng)業(yè)的發(fā)展、合理的管理和利用草地資源,在一定程度上利于草地質(zhì)量的改善。因此,該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的恢復(fù)與改善,需要重點(diǎn)考慮水分、溫度、農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)工程的影響。

為了進(jìn)一步了解內(nèi)蒙古近10年來生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化狀態(tài),將生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化區(qū)域分為主要增加和降低兩個(gè)典型區(qū)域。增加典型區(qū)域位于毛烏素沙地西部、錫林郭勒高原西北部和科爾沁沙地東部地區(qū)(圖5)；相對于增長地區(qū),降低典型區(qū)域分布相對較為集中,主要沿鄂爾多斯高原-渾善達(dá)克沙地南緣-錫林郭勒高原東南部一線呈條帶狀分布(圖5)。統(tǒng)計(jì)分析增加和降低區(qū)域內(nèi)各影響因子狀況(表3),發(fā)現(xiàn)增加區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量改善非常明顯,為5.22 遠(yuǎn)高于總區(qū)域均值0.16。其中降水量的增加非常明顯,遠(yuǎn)高于總區(qū)域均值0.28 mm/a。同時(shí),退耕還草工程主要在該地區(qū)實(shí)施(占69.57%的面積),并且效果明顯。這里的溫度也呈一定的降低趨勢,每年降低0.02 ℃。此外,道路密度的增長速度較慢,低于平均水平。農(nóng)業(yè)的發(fā)展和化肥施用量的增加,在一定程度上利于該區(qū)域植被的恢復(fù)。由于內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化與降水、農(nóng)業(yè)、退耕還草成正相關(guān)性,而與溫度和道路成負(fù)相關(guān)性。所以該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的改善主要是由于區(qū)域內(nèi)降水的增加、溫度的降低、農(nóng)業(yè)的發(fā)展、退耕還草工程的作用和交通發(fā)展的放緩。與此同時(shí),降低典型區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量退化非常嚴(yán)重,為-7.43,遠(yuǎn)低于總區(qū)域的均值。其中降水量的減少非常明顯,大約為-0.37 mm/a。這里的溫度也呈現(xiàn)一定的上升趨勢,每年增加0.02 ℃。此外,道路密度的增長速度較快,農(nóng)業(yè)發(fā)展比較緩慢。結(jié)果表明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的下降主要是因?yàn)榻邓臏p少、溫度的增加、農(nóng)業(yè)發(fā)展緩慢和交通發(fā)展的加快所致。雖然京津風(fēng)沙工程主要分布在該地區(qū)(占68.42%的面積),但是治理效果并不明顯,可能是由于降水與溫度的變化導(dǎo)致的植被退化程度要大于生態(tài)恢復(fù)工程的治理效果。

圖5 內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量主要增加區(qū)域和內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量主要降低區(qū)域Fig.5 The mainly increase region of ecosystem quality in Inner Mongolia and the mainly decrease region of ecosystem quality in Inner Mongolia

區(qū)域Regions生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量Ecosystemquality降水/(mm/a)Precipitation溫度/(°/a)TemperatureGDP1Grossdomesticproduc/(×108元)道路密度Roaddensity/(km/km2)化肥總量Amountofchemicalfertilizer/(×104t)天保工程N(yùn)aturalforestprotectionproject/%退耕還草工程GreenforGrainProject/%京津風(fēng)沙工程Windandsandstormcontrolproject/%增加區(qū)域ImprovementAreas5.22(+)0.47(+)-0.02(-)10.04(+)0.18(-)2.52(+)30.43(-)69.57(+)26.09(-)降低區(qū)域Degradationareas-7.43(-)-0.37(-)0.02(+)4.92(-)0.28(+)0.29(-)21.05(-)15.79(-)68.42(+)總區(qū)域Wholeregion0.160.280.008.850.201.1841.1344.8232.51

(+) 相對于總區(qū)域平均值而言,呈增加趨勢; (-) 相對于總區(qū)域平均值而言,呈減少趨勢

近些年來,國家越來越重視生態(tài)環(huán)境的保護(hù),在全國范圍內(nèi)實(shí)施了一系列的生態(tài)恢復(fù)工程,而內(nèi)蒙古又是這些工程的重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域之一。在工程實(shí)施區(qū)域,人類活動(dòng)強(qiáng)度的加大對植被狀況的時(shí)空演變產(chǎn)生了重要影響,同時(shí)導(dǎo)致研究區(qū)植被對氣候因子的變化敏感性降低,這與黃土高原植被變化監(jiān)測結(jié)論類似[29]。大規(guī)模的植被建設(shè)促進(jìn)了區(qū)域植被恢復(fù),區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量顯著增加,同時(shí)對氣候等自然因子的變化敏感度降低。本研究發(fā)現(xiàn)2000—2010年間內(nèi)蒙古一些主要的沙塵源地 (毛烏素沙地西部和科爾沁沙地東部)的植被狀況呈持續(xù)好轉(zhuǎn)趨勢,植樹種草、禁牧輪牧和防沙治沙生態(tài)恢復(fù)措施的廣泛實(shí)施在這一過程中發(fā)揮重要作用,與許多研究結(jié)果一致[30- 31]；此外,內(nèi)蒙古中部地區(qū)受降水、溫度等氣候影響仍很敏感,降水的減少、溫度的升高和交通的發(fā)展,使草原區(qū)中部的大部分區(qū)域10年間植被質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢。

4 結(jié)論

本文基于2000—2010年生物量和植被覆蓋度,并結(jié)合植被區(qū)劃數(shù)據(jù),對內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況進(jìn)行分析,并評估其與氣候(降水、溫度),人類活動(dòng)(農(nóng)業(yè)、交通、生態(tài)恢復(fù)工程等)的相關(guān)關(guān)系,在此基礎(chǔ)上探討了氣候和人類活動(dòng)對內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的影響。得出以下結(jié)論：

(1) 內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況整體偏低,2010年平均生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量為33.80,其中森林生態(tài)系統(tǒng)平均質(zhì)量最高,灌叢、草原生態(tài)系統(tǒng)次之?？臻g分布呈明顯的經(jīng)度地帶性,由東向西,質(zhì)量逐漸降低。2000—2010年內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體上呈現(xiàn)緩慢增長趨勢,但局部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量仍存在惡化,其中質(zhì)量增加的面積約為120900.43 km2。在位于100°—106°E的荒漠地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化趨勢較平緩；在位于107°—117°E的草原地區(qū)由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化劇烈,主要呈降低趨勢；118°E以東地區(qū),植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量主要呈增加趨勢。

(2) 近10年來內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化與氣候和人類活動(dòng)的關(guān)系非常密切,其與降水、GDP1、化肥施用量、天保工程和退耕還草工程呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)。而與溫度、道路密度和京津風(fēng)沙治理工程呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)。其中,生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外的相關(guān)性存在顯著的差異性。說明在工程區(qū)域內(nèi),生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化主要與植樹造林、退耕還草、圍封轉(zhuǎn)移和有效管理等人類活動(dòng)密切相關(guān),而受降水、溫度等其他因素的影響較??；而工程區(qū)域外,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化主要受降水、溫度等因素的影響。但是,京津風(fēng)沙工程區(qū)的狀態(tài)剛好與之相反,主要受到降水、溫度的影響,而人類活動(dòng)的影響相對較小。隨著內(nèi)蒙古社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的影響逐漸加強(qiáng),但降水仍是該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的主要影響因子。

(3) 內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量增加典型區(qū)域主要位于毛烏素沙地西部、錫林郭勒高原西北部和科爾沁沙地東部地區(qū)；降低典型區(qū)域主要沿鄂爾多斯高原-渾善達(dá)克沙地南緣-錫林郭勒高原東南部一線呈條帶狀分布。典型區(qū)內(nèi)質(zhì)量的增長主要是由于降水的增加、溫度的降低、農(nóng)業(yè)的發(fā)展、退耕還草工程的作用和交通發(fā)展的放緩。質(zhì)量的降低則是因?yàn)榻邓臏p少、溫度的增加、農(nóng)業(yè)發(fā)展緩慢和交通發(fā)展的加快所致。

[1] 趙敏, 周廣勝. 基于森林資源清查資料的生物量估算模式及其發(fā)展趨勢. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 15(8): 1468- 1472.

[2] Brown S, Sathaye J, Cannell M, Kauppi P E. Mitigation of carbon emissions to the atmosphere by forest management. Commonwealth Forestry Review, 1996, 75(1): 80- 90, 109- 109, 111- 112.

[3] Fang J Y, Chen A P, Peng C H, Zhao S Q, Ci L J. Changes in forest biomass carbon storage in China between 1949 and 1998. Science, 2001, 292(5525): 2320- 2322.

[4] 方精云, 陳安平, 趙淑清, 慈龍駿. 中國森林生物量的估算: 對Fang等Science一文(Science, 2001, 291: 2320—2322)的若干說明. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2002, 26(2): 243- 249.

[5] 方精云, 劉國華, 徐嵩齡. 我國森林植被的生物量和凈生產(chǎn)量. 生態(tài)學(xué)報(bào), 1996, 16(5): 497- 508.

[6] 劉國華, 傅伯杰, 方精云. 中國森林碳動(dòng)態(tài)及其對全球碳平衡的貢獻(xiàn). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 20(5): 733- 740.

[7] 王效科, 馮宗煒, 歐陽志云. 中國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳儲(chǔ)量和碳密度研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2001, 12(1): 13- 16.

[8] 劉曉梅, 布仁倉, 鄧華衛(wèi), 胡遠(yuǎn)滿, 劉志華, 吳志偉. 基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)豐林自然保護(hù)區(qū)森林生物量估測及空間格局分析. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(16): 4843- 4890.

[9] Adams J E, Arkin G F. A light interception method for measuring row crop ground cover. Soil Science Society of America Journal, 1977, 41(4): 789- 792.

[10] Gitelson A A, Kaufman Y J, Stark R, Rundquist D. Novel algorithms for remote estimation of vegetation fraction. Remote Sensing of Environment, 2002, 80(1): 76- 87.

[11] Purevdorj T S, Tateishi R, Ishiyama T, Honda Y. Relationships between percent vegetation cover and vegetation indices. International Journal of Remote Sensing, 1998, 19(18): 3519- 3535.

[12] Wang G, Wente S, Gertner G Z, Anderson A. Improvement in mapping vegetation cover factor for the universal soil loss equation by geostatistical methods with Landsat Thematic Mapper images. International Journal of Remote Sensing, 2002, 23(18): 3649- 3667.

[13] Moreau S, Bosseno R, Gu X F, Baret F. Assessing the biomass dynamics of Andeanbofedalandtotorahigh-protein wetland grasses from NOAA/AVHRR. Remote Sensing of Environment, 2003, 85(4): 516- 529.

[14] 吳云, 曾源, 趙炎, 吳炳方, 武文波. 基于MODIS數(shù)據(jù)的海河流域植被覆蓋度估算及動(dòng)態(tài)變化分析. 資源科學(xué), 2010, 32(7): 1417- 1424.

[15] 徐涵秋, 何慧, 黃紹霖. 福建省長汀縣河田水土流失區(qū)植被覆蓋度變化及其熱環(huán)境效應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(10): 2954- 2963.

[16] 孫根年, 王美紅. 內(nèi)蒙古植被覆蓋與土地退化關(guān)系及空間結(jié)構(gòu)研究. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2008, 22(2): 140 - 144.

[17] 孫艷玲, 郭鵬, 延曉冬, 趙天寶. 內(nèi)蒙古植被覆蓋變化及其與氣候、人類活動(dòng)的關(guān)系. 自然資源學(xué)報(bào), 2010, 25(3): 407- 414.

[18] 時(shí)忠杰, 高吉喜, 徐麗宏, 馮朝陽, 呂世海, 尚建勛. 內(nèi)蒙古地區(qū)近25年植被對氣溫和降水變化的影響. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2011, 20(11): 1594- 1601.

[19] Guo Q, Hu Z M, Li S G, Li X R, Sun X M, Yu G R. Spatial variations in aboveground net primary productivity along a climate gradient in Eurasian temperate grassland: effects of mean annual precipitation and its seasonal distribution. Global Change Biology, 2012, 18(12): 3624- 3631.

[20] 婁雪婷, 曾源, 吳炳方, 蘇常紅, 徐延達(dá), 趙炎. 延河流域闊葉林地上生物量遙感監(jiān)測及空間分布特征分析. 資源科學(xué), 2010, 32(11): 2229- 2238.

[21] 樸世龍, 方精云, 郭慶華. 利用CASA模型估算我國植被凈第一性生產(chǎn)力. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2001, 25(5): 603- 608.

[22] Leprieur C, Verstraete M M, Pinty B. Evaluation of the performance of various vegetation indices to retrieve vegetation cover from AVHRR data. Remote Sensing Review, 1994, 10(4): 265- 284.

[23] Jiapaer G, Chen X, Bao A M. A comparison of methods for estimating fractional vegetation cover in arid regions. Agricultural and Forest Meteorology, 2011, 151(12): 1698- 1710.

[24] Qi J, Marsett R C, Moran M S, Goodrich D C, Heilman P, Kerr Y H, Dedieu G, Chehbouni A, Zhang X X. Spatial and temporal dynamics of vegetation in the San Pedro River basin area. Agricultural and Forest Meteorology, 2000, 105(1/3): 55- 68.

[25] 于小飛, 孫睿, 陳永俊, 劉紹民, 周會(huì)珍, 張忠山. 烏審旗植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化及其與降水量的關(guān)系. 資源科學(xué), 2006, 28(4): 31- 37.

[26] Loyarte M M G, Menenti M. Impact of rainfall anomalies on Fourier parameters of NDVI time series of northwestern Argentina. International Journal of Remote Sensing, 2008, 29(4): 1125- 1152.

[27] 張戈麗, 徐興良, 周才平, 張宏斌, 歐陽華. 近30年來呼倫貝爾地區(qū)草地植被變化對氣候變化的響應(yīng). 地理學(xué)報(bào), 2011, 66(1): 47- 58.

[28] Mooney H A, Canadel J, Chapin III F S, Ehleringer J R, K?rner C, McMurtrie R E, Parton W J, Pitelka L F, Schulze E D. Ecosystem physiology responses to global change // Walker B, Steffem W, Canadell J, eds. The Terrestrial Biosphere and Global Change. Cambridge: Cambridge University Press, 1999: 190- 228.

[29] 張寶慶, 吳普特, 趙西寧. 近30a黃土高原植被覆蓋時(shí)空演變監(jiān)測與分析. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011, 27(4): 287- 293.

[30] 王娟, 李寶林, 余萬里. 近30年內(nèi)蒙古自治區(qū)植被變化趨勢及影響因素分析. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2012, 26(2): 132- 138.

[31] 殷賀, 李正國, 王仰麟, 蔡福. 基于時(shí)間序列植被特征的內(nèi)蒙古荒漠化評價(jià). 地理學(xué)報(bào), 2011, 66(5): 653- 661.

Spatial patterns of ecosystem quality in Inner Mongolia and its driving forces analysis

XIAO Yang1,2, OUYANG Zhiyun1,*, WANG Liyan1,2, RAO Enming1,2, JIANG Ling1,2ZHANG Lu1,2

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China

Vegetation is an important component of ecosystems, and it is involved in natural processes such as regional climate circulation, the hydrologic cycle, soil conditions, and other natural processes. It is also an important indicator of regional ecosystem quality change. Aboveground biomass and vegetation cover are important variables for describing vegetation quality and documenting ecosystem changes. Moreover, they are controlling factors in transpiration, photosynthesis, and other terrestrial processes, and are sensitive indicators of land degradation and desertification in arid and semi-arid regions. Aboveground biomass and vegetation cover have been used widely in the analysis of vegetation quality and changes. Inner Mongolia, an important province of northern China that is located mostly in arid and semi-arid areas, is undergoing a process of significant warming and drying, which could lead to serious ecological problems such as land degradation and desertification. Determining the driving cause of these problems has become a focus of vegetation research. Many researchers have attributed the degradation and desertification in northern China to long-term over-grazing, extensive cutting, and widespread conversion of grassland to cropland. Other studies have found that poor climate conditions, such as drought, severe wind erosion, temperatureuctuation, and winter precipitation are the primary cause of degradation and desertification. Nevertheless, some recent studies have shown that human activities can control the degradation in selected study regions of northern China. It is necessary to investigate current ecosystem quality and its response to climatic variation and human activities for a better understanding of the accumulated cons`equences of changes in climate and human activities. In this study, combining remote sensing products (aboveground biomass and vegetation cover) with vegetation regionalization data, we quantified ecosystem quality in Inner Mongolia, and analyzed the effects of climate and human activities on spatial variations in quality change from 2000 to 2010. Our results indicated that overall ecosystem quality in Inner Mongolia is very low. Among the ecosystem types, the highest quality was exhibited in forest ecosystems, followed by shrub and grassland ecosystems, respectively. Ecosystem quality displayed evident spatial heterogeneities, divided according to latitude, and reduced gradually from east to west. There was a slight increase in ecosystem quality over the study period. However, degradation and desertification also existed in some regional areas. The spatial variation characteristics of ecosystem quality are formed by interactions between the inuencing factors. The partial correlations among ecosystem quality and precipitation, GDP1, fertilizer, the natural forest protection project, and the returning farmland to grassland project were positive and statistically significant. By contrast, ecosystem quality was negatively correlated with temperature, road density, and the treatment of sand and wind sources. With the rapid development of the social economy of Inner Mongolia, the influence of human activities on ecosystem quality gradually increased, but precipitation was still the dominant factor that influenced the spatial variation characteristics of ecosystem quality. The main reasons for the improvement of ecosystem quality in a typical area were increasing precipitation, decreasing temperature, development of agriculture, returning farmland to grassland, and a slowing of traffic development. In addition, decreasing precipitation, increasing temperature, a slowdown of agricultural development, and a speeding up of traffic development led to degradation and desertification. These results provide specific information that may serve to strengthen the necessary public awareness about protecting and restoring ecosystems.

aboveground biomass; vegetation cover; ecosystem quality; climatic interaction; human activities

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(40901289)；國家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAC09B08-02)

2015- 01- 29;

日期:2016- 01- 15

10.5846/stxb201501290245

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zyouyang@rcees.ac.cn

肖洋,歐陽志云,王莉雁,饒恩明,江凌,張路.內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量空間特征及其驅(qū)動(dòng)力.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(19):6019- 6030.

Xiao Y, Ouyang Z Y, Wang L Y, Rao E M, Jiang L, Zhang L.Spatial patterns of ecosystem quality in Inner Mongolia and its driving forces analysis.Acta Ecologica Sinica,2016,36(19):6019- 6030.