1981-2010年內(nèi)蒙古沙漠化演變對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響

丁 雪, 雷國平,3, 許端陽, 李達凈, 王子玉

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101; 3.東北大學(xué) 土地管理研究所, 沈陽 110819;4.華中師范大學(xué) 農(nóng)村改革發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心, 武漢430000; 5.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 北京 100101)

土地沙漠化是指干旱、半干旱及部分半濕潤地區(qū)因人類活動和氣候變異，導(dǎo)致土壤中細粒物質(zhì)及營養(yǎng)物質(zhì)被風(fēng)吹走，土地生產(chǎn)力下降、地表呈現(xiàn)不同程度的沙質(zhì)荒漠景觀的土地退化[1-2]。我國是受沙漠化影響最為嚴重的國家之一，根據(jù)全國第五次荒漠化監(jiān)測結(jié)果，截至2014年末我國沙漠化土地面積達到172.12萬km2，占國土面積的17.87%[3]。為了控制土地沙漠化，我國先后實施了三北防護林、京津風(fēng)沙源治理、退耕還林(草)、圍封禁牧等生態(tài)保護工程與政策[4-5]，造成局部沙漠化得以逆轉(zhuǎn)，但總體形勢依然十分嚴峻。

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，沙漠及沙化土地具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，如防風(fēng)固沙、固碳釋氧、水文調(diào)節(jié)、土壤保持、維持生物多樣性、生態(tài)旅游等[6]。在氣候變化和人類活動的共同影響下，沙漠化土地的結(jié)構(gòu)、功能也隨之發(fā)生變化，進而對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值產(chǎn)生顯著的影響[7]。如在沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中，植被群落及優(yōu)勢種逐漸由天然零星分布的一年生草本植物向半灌木和多年生草木演變，植被物種豐富度、植被蓋度逐漸提高，土壤沙粒含量逐漸減少，表層土壤有機質(zhì)含量、有機碳儲量逐漸升高，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值也會顯著提升[8]。同時，岳耀杰等諸多學(xué)者的研究表明，當(dāng)前人們利用沙漠及沙化土地所提供的物質(zhì)產(chǎn)品僅是其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的一小部分，其內(nèi)部還蘊藏著巨大的生態(tài)經(jīng)濟價值[9-10]。然而，目前許多研究僅將其作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的一部分進行宏觀分析[11]，很少從沙漠化土地面積、程度及空間分布變化的角度探討其對區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值的影響。因此，有必要針對干旱—半干旱地區(qū)開展沙漠化動態(tài)變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響的研究，這對于評估沙漠化治理成效，合理保護與經(jīng)營區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

內(nèi)蒙古地處北部邊疆，長期以來，受惡劣的氣候條件以及過度放牧等人為因素的影響，該區(qū)沙漠生態(tài)系統(tǒng)逐漸占據(jù)發(fā)展優(yōu)勢[12]；雖然近年來實施了多項生態(tài)保護工程與政策，局部地區(qū)沙漠化治理成效顯著，但全區(qū)沙漠化情況依然較為嚴峻。因此，本文選擇內(nèi)蒙古自治區(qū)為研究區(qū)：(1) 分析1981—2010年該地區(qū)沙漠化動態(tài)變化；(2) 研究沙漠化動態(tài)變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響，旨在為區(qū)域沙漠化防治提供科學(xué)依據(jù)和決策支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于37°24′—53°23′N，97°12′—126°04′E，東西直線距離約2 400 km，土地面積118.3萬km2，占全國總面積的12.3%。地處干旱、半干旱溫帶大陸性氣候向東南沿海濕潤、半濕潤季風(fēng)氣候的過渡帶，降水量由東北向西南逐漸減少，年均降水量50～450 mm；年均氣溫0～8℃，且東西差異顯著。受氣溫、降水等氣候因素影響，內(nèi)蒙古地區(qū)整體呈現(xiàn)出東部地區(qū)森林遼闊、南部地區(qū)以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主、北部地區(qū)畜牧業(yè)發(fā)達的空間分布形態(tài)。據(jù)統(tǒng)計，全區(qū)森林面積約20.80萬km2，草原面積約86.67萬km2，不同區(qū)域之間植被覆蓋率差異顯著；土壤從東北到西南依次為黑土、暗棕壤、黑鈣土、栗鈣土、棕壤土、黑壚土、灰鈣土、風(fēng)沙土、灰棕漠土，呈條帶狀分布。為了便于沙漠化監(jiān)測與分析，根據(jù)全區(qū)植被、土壤以及沙漠化土地的空間分布規(guī)律，將其劃分為呼倫貝爾草原(呼倫貝爾)、錫林郭勒草原和渾善達克沙地(渾善達克)、科爾沁草原、察哈爾草原、烏蘭察布草原、內(nèi)蒙古高原后山地區(qū)(內(nèi)蒙后山)、河套平原、烏蘭察布盟前山和土默特草原(土默特)、阿拉善高原(阿拉善)、鄂爾多斯草原和毛烏素沙地(鄂爾多斯)10個沙區(qū)。

1.2 研究方法

1.2.1 沙漠化判別方法 為滿足研究需要，本文將研究區(qū)土地利用類型中的未利用地細分為輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化、極重度沙漠化、原生沙漠5類，加之城鎮(zhèn)、水域、森林、草地、農(nóng)田共計10個小類。以年度歸一化植被指數(shù)總和(以下簡稱NDVI)為判別沙漠化程度的重要指標(biāo)，對1981年和2010年兩個時段沙漠化程度進行判別與統(tǒng)計，步驟如下：(1) 非沙漠化土地提取。在實地考察的基礎(chǔ)上，利用1∶100 000土地利用圖提取城鎮(zhèn)、水域、森林、農(nóng)田的分布區(qū)域；考慮內(nèi)蒙古地區(qū)草地退化現(xiàn)象嚴重，利用高分辨率遙感影像，針對每個沙區(qū)選擇100個可以明顯判別為未退化草地的樣點，提取1981—2010年均NDVI值，建立未退化草地NDVI閾值表，進而提取未退化草地并與上述城鎮(zhèn)等區(qū)域合并作為非沙漠化區(qū)域。(2) 沙漠化土地提取。按照上述草地NDVI閾值表建立的規(guī)則，同步確定了不同沙區(qū)原生沙漠的NDVI閾值；根據(jù)草地與原生沙漠的NDVI閾值情況，按照等間距劃分原則，建立輕度、中度、重度、極重度沙漠化NDVI閾值體系。為避免氣候短期波動帶來的誤差，采用相鄰3 a的NDVI均值來提取1981年和2010年的沙漠化土地信息。本研究在每個沙區(qū)隨機選取50個點對分類結(jié)果進行驗證，總體分類精度達90%以上。

1.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估 本文借鑒謝高地改進的中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量進行內(nèi)蒙古地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值測算[8]。經(jīng)調(diào)查，研究區(qū)濕地面積約7 000 km2，多分布于河流、草甸附近，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與水域、草地相近，為與上述土地利用類型分類保持一致，在這里不再單獨計算濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；原生沙漠單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量用荒漠單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量替代。輕度、中度、重度、極重度沙漠化四個生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價值當(dāng)量根據(jù)沙漠化分級權(quán)重因子確定(表1)。

表1 內(nèi)蒙古自治區(qū)單位面積生態(tài)服務(wù)價值 萬元/km2

(1)

式中：V為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值(萬元)；Pi為表1中不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值基準單價(萬元/km2)；Ai為研究區(qū)內(nèi)土地利用/覆被類型的面積(km2)；n為土地利用/覆蓋類型的數(shù)量。

Pij=(bj×cB)Pi

(2)

式中：Pij為單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(萬元/km2)；bj為NDVI數(shù)據(jù)中j類型生態(tài)系統(tǒng)的平均值；B為1981—2010年各生態(tài)系統(tǒng)NDVI年均值。

1.2.3 敏感性分析 本研究引入敏感度系數(shù)(SAF)分析沙漠化演變對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的敏感程度，計算公式如下：

(3)

式中：VC代表1981年沙漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；VC′代表2010年沙漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；S代表1981年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值；S′代表2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值。 越大，表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對沙漠化演變越敏感；|SAF|反之，則不敏感。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)主要包括遙感影像、土地利用數(shù)據(jù)等。NDVI數(shù)據(jù)中，1981—2006年為8 km分辨率的GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，來源于美國航空航天局全球監(jiān)測與模型研究組發(fā)布的16 d最大值合成數(shù)據(jù)；2007—2010年為1 km分辨率的MODIS NDVI數(shù)據(jù)；精度為1 km的土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心；用于生成研究區(qū)邊界數(shù)據(jù)的全國縣級行政區(qū)劃圖來源于國家基礎(chǔ)地理中心?？紤]到所有數(shù)據(jù)中最低的分辨率，本研究將所有柵格、矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣或轉(zhuǎn)換為分辨率為8 km×8 km的空間數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 1981-2010年內(nèi)蒙古沙漠化動態(tài)變化

由圖1看出，1981—2010年，內(nèi)蒙古沙漠化土地面積有所擴大，從1981年的55.53萬km2增加至2010年的62.45萬km2。除原生沙漠面積減少2.80萬km2，輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化、極重度沙漠化均呈現(xiàn)出不同程度的增加，其中中度沙漠化增加最為明顯，較1981年增加了48.77%。沙漠化不同等級之間、沙漠化和非沙漠化土地之間的逆轉(zhuǎn)和發(fā)展同樣顯著，且具有明顯的空間異質(zhì)性。30 a間，內(nèi)蒙古地區(qū)沙漠化逆轉(zhuǎn)面積17.09萬km2，發(fā)展面積20.43萬km2。

沙漠化逆轉(zhuǎn)區(qū)域主要位于西南部的鄂爾多斯、阿拉善、烏蘭察布等地區(qū)，其中鄂爾多斯逆轉(zhuǎn)面積占內(nèi)蒙古自治區(qū)沙漠化土地面積的8.71%，阿拉善、烏蘭察布等地區(qū)的逆轉(zhuǎn)面積也分別達到了沙漠化面積的8.33%，5.1%。不同沙漠化等級土地間的逆轉(zhuǎn)占沙漠化總面積的17.98%；而沙漠化地區(qū)逆轉(zhuǎn)為非沙漠化地區(qū)占沙漠化總面積的9.38%，主要以各沙漠化類型向草地的逆轉(zhuǎn)為主。沙漠化發(fā)展主要發(fā)生在呼倫貝爾西南部、渾善達克、察哈爾等內(nèi)蒙古中北部地區(qū)，其中渾善達克沙漠化發(fā)展占沙漠化總面積的比例最大，達13.76%。沙漠化不同等級間發(fā)展面積占沙漠化土地總面積的12.28%，類型上主要是向相鄰較重等級沙漠化發(fā)展；而非沙漠化發(fā)展為沙漠化地區(qū)的面積近沙漠化等級間發(fā)展面積的2倍，以草地的沙漠化為主。

2.2 沙漠化演變對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響

2.2.1 1981—2010年內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化情況 1981—2010年，內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少了671.57億元(表2)，相當(dāng)于內(nèi)蒙古2010年GDP的5.74%。從不同土地利用類型上看，森林、草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少明顯，二者總價值構(gòu)成比例由1981年的52.02%下降至2010年的44.18%。此外，原生沙漠的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值亦呈現(xiàn)降低趨勢，變化率為-19.12%。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加的土地利用類型主要為農(nóng)田與沙漠化土地(輕度、中度、重度、極重度沙漠化)，其中沙漠化土地增加了199.71億元。

圖11981-2010年內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用及沙漠化變化

從空間分布上看，內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值具有顯著的空間異質(zhì)性(圖2)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值由東向西大致呈現(xiàn)出階梯狀分布，表現(xiàn)為東部高于西部、南部高于北部，且差異顯著。其中，高值區(qū)(5 000～11 000萬元)主要位于內(nèi)蒙古東北部的呼倫貝爾地區(qū)，單位柵格(64 km2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值達到5 000萬以上，而西部的阿拉善地區(qū)單位柵格生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值不到500萬元，這主要與植被的地帶性分布密切相關(guān)。從區(qū)域變化上來看，相較于1981年，渾善達克東北部地區(qū)、呼倫貝爾中部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有所減少，而鄂爾多斯東北部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值有所增加，其他地區(qū)則未發(fā)生明顯變化。

2.2.2 沙漠化演變對內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的總體影響 1981—2010年，內(nèi)蒙古土地沙漠化動態(tài)變化(逆轉(zhuǎn)和發(fā)展)對全區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值帶來了明顯的影響，其造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失達158.9億元(表3)，占損失總量的23.7%。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化量與沙漠化導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化之間的Pearson相關(guān)系數(shù)達到0.634(p<0.05)，也表明二者具有中度線性相關(guān)關(guān)系。

表2 內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值

土地沙漠化逆轉(zhuǎn)導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加量共計324.25億元，占2010年價值總量的6.25%。沙漠化不同等級間逆轉(zhuǎn)使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加了100.47億元，其中，重度沙漠化逆轉(zhuǎn)增加41.70億元。沙漠化土地逆轉(zhuǎn)為非沙漠化造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加量約為沙漠化不同等級間逆轉(zhuǎn)的2.2倍，僅逆轉(zhuǎn)為草地就使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加106.48億元。在沙漠化發(fā)展方面，原有的沙漠化土地中有7.66萬km2進一步發(fā)展，造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失101.68億元，其中以輕度、中度沙漠化發(fā)展的影響最為明顯，二者共導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失93.2億元。非沙漠化發(fā)展為沙漠化的總面積12.77萬km2，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量381.5億元，主要來自于林地、草地向輕度、中度沙漠化的轉(zhuǎn)變。非沙漠化轉(zhuǎn)變?yōu)樯衬挠绊懢薮螅m然其面積僅是不同沙漠化等級之間發(fā)展的1.67倍，但造成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失量則是后者的3.75倍。

圖2 1981-2010年內(nèi)蒙古自治區(qū)單位柵格生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布

表3 沙漠化逆轉(zhuǎn)與發(fā)展對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響 億元

2.2.3 不同沙區(qū)沙漠化演變對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響 沙漠化演變對內(nèi)蒙古地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響具有顯著的空間異質(zhì)性。歷經(jīng)30 a變化，烏蘭察布、河套平原、鄂爾多斯等地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈上升趨勢，沙漠化演變表現(xiàn)為對其的促進作用，也即沙漠化土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增加；呼倫貝爾、渾善達克、察哈爾、科爾沁等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈下降趨勢，沙漠化演變亦表現(xiàn)為對其的促進作用；而土默特、內(nèi)蒙后山、阿拉善地區(qū)沙漠化演變對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化則具有反向影響。

為定量分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對沙漠化演變的敏感度，本文引入敏感度系數(shù)，結(jié)果表明：各沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對沙漠化演變均具有一定的敏感性，但敏感強度存在巨大差異?？茽柷?、河套平原的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對沙漠化演變非常敏感，敏感度分別為74.53，53.15。而呼倫貝爾、內(nèi)蒙后山等無論表現(xiàn)為同向敏感或反向敏感，系數(shù)均在0附近徘徊，敏感度相對較小。

3 討 論

在氣候變化和人類活動的共同作用下，過去30 a內(nèi)蒙古沙漠化發(fā)生了顯著的變化?！叭薄狈雷o林工程、京津風(fēng)沙源治理、天保工程等工程措施的實施，導(dǎo)致植被的覆蓋度提高，局部地區(qū)呈現(xiàn)出明顯的沙漠化逆轉(zhuǎn)態(tài)勢[13]，為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的增加提供了可能性。但同時，不合理的人類活動，如煤炭和油汽資源鉆采，鐵路、公路、管線的鋪設(shè)，雖促進了農(nóng)牧區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，也使生態(tài)環(huán)境本就脆弱的資源富集區(qū)植被破壞，土地沙漠化問題更加突出[14]，造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損失。上述各種原因?qū)е碌纳衬葑儗ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響具有空間差異性，進一步通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對沙漠化的敏感程度計算，發(fā)現(xiàn)30 a來鄂爾多斯、阿拉善等沙區(qū)在沙漠化的影響下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加，發(fā)展形勢良好。而內(nèi)蒙后山、科爾沁等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少，尤其是科爾沁敏感度指數(shù)高達74.53，未來應(yīng)作為防沙治沙重點控制區(qū)；對于呼倫貝爾等敏感度小的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少區(qū)域，則需要投入更大的精力在保護和防止破壞上，通過水土治理、合理開采、提高人口素質(zhì)、劃定“生態(tài)紅線”等手段，保證現(xiàn)有森林和草地面積不減少、質(zhì)量不下降，從而保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全。

表4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對沙漠化演變的敏感度分析

基于時間序列的各等級沙漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化及動態(tài)趨勢的評價研究將沙漠化演變帶來的影響貨幣化，本文按照等間距原則細分輕度、中度、重度、極重度以及原生沙漠5個沙漠化等級，其中所劃分的輕度、中度沙漠化地區(qū)也即具有一定程度沙漠化趨勢的草地，因此與其他研究成果比較[10,15]，可能會出現(xiàn)沙漠化地區(qū)面積、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均偏高，草地面積、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值偏低現(xiàn)象。但這一設(shè)定可以更為客觀地分析不同的沙漠化演變過程對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響。下一步，將進一步結(jié)合氣候與人類活動數(shù)據(jù)，定量分析原因與機制。

4 結(jié) 論

(1) 1981—2010年，內(nèi)蒙古各區(qū)沙漠化變動明顯。逆轉(zhuǎn)面積17.09萬km2，主要發(fā)生于西南部的鄂爾多斯、阿拉善等沙區(qū)；發(fā)展面積20.43萬km2，集中分布在渾善達克等中北部沙區(qū)。沙漠化發(fā)展與逆轉(zhuǎn)具有顯著空間異質(zhì)性的同時，在類型上大致以相鄰沙漠化等級之間變化為主。

(2) 30 a來，內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降671.57億元。由東向西大致呈階梯狀分布。相較于1981年，渾善達克東北部、呼倫貝爾中部價值減少，鄂爾多斯東部價值增加。

(3) 土地沙漠化演變對內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值產(chǎn)生明顯的影響，二者具有中度線性相關(guān)關(guān)系。沙漠化演變使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少158.9億元，占價值損失總量的23.7%。

(4) 沙漠化演變對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響具有空間異質(zhì)性。對烏蘭察布、呼倫貝爾等沙區(qū)價值變化具有促進作用，而對于對土默特等地的價值變化則起反向作用。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對沙漠化的敏感性差異顯著?？茽柷?、河套平原等地表現(xiàn)為非常敏感，敏感度均高于50。呼倫貝爾、內(nèi)蒙后山等的敏感性較小。

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