錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)格局演變及驅(qū)動因素分析

劉亞紅，石磊，常虹，謝宇，維拉，孫海蓮，翟琇

（內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010030）

生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，人類在向生態(tài)系統(tǒng)攫取資源的同時也在影響著生態(tài)系統(tǒng)的格局和質(zhì)量。而生態(tài)系統(tǒng)格局與質(zhì)量直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化，研究生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量時空變化對于生態(tài)保護(hù)、實(shí)現(xiàn)生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。相比生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化，生態(tài)系統(tǒng)類型的變化（或土地覆蓋/利用變化）更容易引起察覺和重視；而生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化是隱性的、漸進(jìn)的，不易察覺，并且涉及范圍更廣，從而可能對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、生態(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生更大影響［1］。所以，通過分析導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)格局與質(zhì)量時空動態(tài)演變的驅(qū)動力因素［2-3］，有助于量化分析已有生態(tài)保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)政策措施實(shí)施的具體效果［4］，能夠?yàn)榻窈蟮膮^(qū)域生態(tài)保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)政策研究、城市發(fā)展戰(zhàn)略制定提供可靠的科學(xué)依據(jù)［5］。傅伯杰［6］指出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受土地利用類型的影響，并對不同的土地利用類型、土地利用格局變化和不同利用強(qiáng)度3 個方面引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化進(jìn)行分析。

錫林郭勒盟位于內(nèi)蒙古中部地區(qū)，是我國北部生態(tài)安全屏障的核心部分，也是重要的畜產(chǎn)品生產(chǎn)基地和距京津冀地區(qū)最近的草原牧區(qū)，因其國家級草原自然保護(hù)區(qū)聞名全國。與此同時，錫林郭勒盟生態(tài)環(huán)境十分脆弱，人類活動對土地利用、生態(tài)環(huán)境特征演變的影響成為研究熱點(diǎn)問題。2000 年以來，錫林郭勒盟實(shí)施了一系列生態(tài)工程，草地退化態(tài)勢得到緩解和遏制［7-8］。

本試驗(yàn)通過研究錫林郭勒盟2000-2015 年生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量變化，探討資源開發(fā)、城市化發(fā)展、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)政策等多重驅(qū)動因素對生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律的具體作用，為生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量提高、中國北部地區(qū)的生態(tài)屏障構(gòu)建提供可信的科學(xué)數(shù)據(jù)和可實(shí)施的政策建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

錫林郭勒盟（簡稱錫盟）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，42°32′-46°41′N，111°59′-120°00′E（圖 1）?？偯娣e20.26 萬km2，邊境線長1103 km；距北京直線距離460 km，錫盟是典型的草原分布區(qū)，是京津冀地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)地。錫盟地處中溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候帶，南部有中國十大沙地之一的渾善達(dá)克沙地。東北部的烏拉蓋草原是世界上保存最完好的天然草原。錫盟氣候寒冷、風(fēng)沙大、少雨。大部地區(qū)年平均氣溫在0～3 ℃，年降水量大部分地區(qū)200～350 mm，全年蒸發(fā)量1700～2600 mm。

圖1 錫林郭勒盟地理位置Fig.1 Location of Xilingol League

1.2 數(shù)據(jù)來源

錫林郭勒盟土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，NDVI 數(shù)據(jù)通過MODIS 影像反演得到，氣象數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局。人口、牲畜數(shù)量、國內(nèi)生產(chǎn)總值等數(shù)據(jù)來源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒》。

1.3 錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)分類

錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)分類以全國生態(tài)環(huán)境調(diào)查評估的生態(tài)系統(tǒng)分類體系為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)錫林郭勒盟的生態(tài)系統(tǒng)特征分為采礦用地、草地、耕地、灌木林、建設(shè)用地、裸地、其他、沙漠、濕地、水域、有林地等11 類［9-10］。

1.4 研究方法

1.4.1 生態(tài)系統(tǒng)類型面積比例 錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)類型的面積比例由生態(tài)系統(tǒng)分類系統(tǒng)中各種類型生態(tài)系統(tǒng)面積（Sij）占總面積的比例得到［11］。

式中：Lij代表土地利用類型中第i類生態(tài)系統(tǒng)第j年的面積比例；Sij代表生態(tài)系統(tǒng)類型中第i類生態(tài)系統(tǒng)在第j年的面積；LS代表研究區(qū)域的總面積。

1.4.2 生態(tài)系統(tǒng)類型變化的轉(zhuǎn)移矩陣分析 對錫林郭勒盟2000 和2015 年兩個年份的生態(tài)系統(tǒng)類型組成變化、轉(zhuǎn)變方向及轉(zhuǎn)變數(shù)量進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣比對分析。

式中：i代表錫林郭勒盟2000 年生態(tài)系統(tǒng)類型；j代表錫林郭勒盟2015 年生態(tài)系統(tǒng)類型；cij代表生態(tài)系統(tǒng)類型的面積；Cij代表 2000 年第i類生態(tài)系統(tǒng) 2015 年轉(zhuǎn)變?yōu)閖類生態(tài)系統(tǒng)的比例；Dij代表 2000 年的第i類生態(tài)系統(tǒng) 2015 年轉(zhuǎn)變?yōu)閖類生態(tài)系統(tǒng)的比例；Rij代表生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)變方向。

1.4.3 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估方法 錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量通過分析生態(tài)系統(tǒng)地上生物量和植被覆蓋度數(shù)據(jù)，計算錫林郭勒盟相對生物量密度，得到森林、灌叢和草地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量。通過對比錫林郭勒盟2000 和2015 年森林、灌叢和草原生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的時空變化趨勢，確定錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量改善與退化顯著的區(qū)域空間分布特征［12-13］。

錫林郭勒盟森林、灌叢生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價采用基于像元的相對生物量密度方法。草地生態(tài)系統(tǒng)通過植被覆蓋度進(jìn)行評估，其中凈初級生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）通過CASA 模型推演得到［14］。

式中：i代表i像元數(shù)量；RBDij代表j類生態(tài)系統(tǒng)i像元的相對生物量密度；Bij代表j生態(tài)系統(tǒng)i像元生物量；CCBj代表j類生態(tài)系統(tǒng)頂級群落每像元的生物量，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)。

式中：Fc代表植被覆蓋度；NDVI為植被覆蓋指數(shù)，通過錫林郭勒盟遙感影像近紅外波段與紅光波段的發(fā)射率計算得到；NDVIveg代表純植被像元的NDVI值；NDVIsoil代表完全無植被覆蓋像元的NDVI值。

1.5 驅(qū)動力分析

錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)格局與質(zhì)量變化的驅(qū)動力包括自然因素和人為活動，自然因素主要探討氣候驅(qū)動力，考慮溫度、降水對生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量變化的影響；人為活動主要考慮產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口、城市擴(kuò)張、城鎮(zhèn)化、政策法規(guī)等因素［15］。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)分布與構(gòu)成

2015 年，錫林郭勒盟草地面積1728.76 萬hm2，約占錫盟總面積的86.15%，是錫林郭勒盟最大的生態(tài)系統(tǒng)類型（表 1）。其中典型草原 1618.69 萬 hm2，草甸草原 38.95 萬 hm2，荒漠草原 71.12 萬 hm2。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 43.08 萬hm2，約占全盟面積的 2.15%，其中旱地 42.86 萬 hm2，園地 0.22 萬hm2；灌叢生態(tài)系統(tǒng) 44.78 萬 hm2，約占全盟面積的2.23%；沙漠生態(tài)系統(tǒng)50.74 萬hm2，約占全盟面積的2.53%；濕地生態(tài)系統(tǒng)43.39 萬hm2，約占全盟面積的2.16%；采礦用地、森林生態(tài)系統(tǒng)、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)、裸地等類型累計占錫林郭勒盟總面積的3%左右。從空間分布上看，草原生態(tài)系統(tǒng)是面積最大的生態(tài)系統(tǒng)，覆蓋錫林郭勒盟大部分地區(qū)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要集中在南部地區(qū)，森林生態(tài)系統(tǒng)集中在東北部地區(qū)（圖2）。

表1 2015 年錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成Table 1 The composition of Xilingol League ecosystem in 2015

2.2 生態(tài)系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)移

2000-2015 年，錫林郭勒盟草地、灌叢、城鎮(zhèn)建筑用地、裸地、濕地、森林、采礦用地的面積均有所增加，其中采礦用地面積增幅最大，增加了69.90%，其次是城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)，增加19.06%，增加幅度最小的是草地生態(tài)系統(tǒng)，增加0.15%。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、沙漠生態(tài)系統(tǒng)、水域生態(tài)系統(tǒng)面積均有降低，降幅最大的是水域生態(tài)系統(tǒng)，降低了97.46%，其次是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，降低了10.40%，沙漠生態(tài)系統(tǒng)降低了2.54%（表2）。

表2 2000 年錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)類型面積構(gòu)成及變化Table 2 The composition of changes of ecosystem types of Xilingol League in 2000

草地生態(tài)系統(tǒng)2015 年面積17287607.71 hm2，比2000 年增加了25997.00 hm2，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、沙漠生態(tài)系統(tǒng)、水域生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)等都有不同程度的轉(zhuǎn)入。采礦用地2015 年面積28195.14 hm2，比2000 年增加了19707.82 hm2，其中17309.70 hm2來源于草地生態(tài)系統(tǒng)，占總增加面積的87.83%。灌叢、裸地、沙漠、濕地、水域、森林等均有不同面積轉(zhuǎn)化為采礦用地。城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)2015 年面積比2000 年增加了27733.75 hm2，主要由草地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積為23735.17 hm2，占總轉(zhuǎn)入量的85.58%（表3）。

表3 2000-2015 年錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)變化轉(zhuǎn)移矩陣分析Table 3 Types of ecosystem type transfer matrix of Xilingol League in 2000-2015（hm2）

2.3 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及演變

2.3.1 灌叢及森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及演變 2015 年，錫林郭勒盟灌叢生態(tài)系統(tǒng)中，良和低等級面積較大，合計占總面積的60% 以上。優(yōu)、良、中、低、差各等級分別占灌叢生態(tài)系統(tǒng)總面積的0.66%、28.95%、17.00%、32.55%、20.83%，其中：優(yōu) 2900 hm2，良 126325 hm2，中 74150 hm2，低 142025 hm2，差 90900 hm2。2000-2015 年，灌叢生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量明顯改善，優(yōu)級增加了1150 hm2，增幅65.71%；良級增加了61575 hm2，增幅95.10%；中級面積減少了20750 hm2，減幅21.87%；低等級減少5800 hm2，減幅4.26%；差級減少36875 hm2，減幅28.86%（圖3）。

圖3 2000-2015 年錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)等級變化Fig.3 Change rate of Xilingol League ecosystem level 2000-2015

2015 年，錫林郭勒盟森林生態(tài)系統(tǒng)中，優(yōu)、良、中、低、差各等級分別占森林生態(tài)系統(tǒng)總面積的12.75%、43.44%、22.13%、18.86%、2.81%。其中：優(yōu) 16550 hm2、良 56375 hm2、中 28725 hm2、低 24475 hm2、差 3650 hm2。2000-2015 年，優(yōu)等林地減少2750 hm2，減幅14.25%；良級林地增加11000 hm2，增幅24.24%；中等森林增加6725 hm2，增幅30.57%；低等森林減少5400 hm2，減幅18.08%；差等森林減少7825 hm2，減幅68.19%（圖4）。

2.3.2 草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及演變 2015 年，錫林郭勒盟草地生態(tài)系統(tǒng)總面積為17716175 hm2，低、差草地合計占總面積的64.73%，其中低級占32.86%；差占31.87%；優(yōu)、良、中分別占2.58%、7.70%、24.98%（圖4）。

2000-2015 年，草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量明顯改善，總面積增加了27400 hm2，優(yōu)、良、中草地所占比例由2000 年的17.91%提高到2015 年的35.26%（圖4）。

圖4 2000-2015 年錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量時空變化Fig.4 Spatiotemporal evolution of Xilingol League ecosystem 2000-2015

3 討論

3.1 經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展對生態(tài)系統(tǒng)格局的影響

2000-2015 年，錫林郭勒盟 GDP、第一、二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值及人均GDP 等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均取得了長足的發(fā) 展 ，2015 年 全 盟 GDP 是 2000 年 的 14.45 倍 。 一 、二、三產(chǎn)業(yè)及人均 GDP 分別增加 4.45、23.71、14.36和 12.82 倍（表 4）。

表4 錫林郭勒盟驅(qū)動機(jī)制的社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 4 Socioeconomic indicators of the driving mechanism in Xilingol League

對錫林郭勒盟的GDP、人均GDP、第一、二、三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與草地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)、水域生態(tài)系統(tǒng)、采礦用地等進(jìn)行相關(guān)性分析（表5）。在置信度為0.05 時，采礦用地與一產(chǎn)和三產(chǎn)的相關(guān)性達(dá)到顯著水平；灌叢生態(tài)系統(tǒng)與一產(chǎn)、三產(chǎn)顯著正相關(guān)。因此，錫林郭勒盟的經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)的演變具有顯著的相關(guān)性，特別是采礦用地表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，說明社會經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可能導(dǎo)致了采礦用地的擴(kuò)張［16-17］。

表5 生態(tài)系統(tǒng)演變與指標(biāo)相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between ecosystem evolution and indicators

3.2 城鎮(zhèn)化對生態(tài)系統(tǒng)格局的影響

2000-2015 年，錫林郭勒盟城鎮(zhèn)化水平從35.60%上升到63.87%，增幅達(dá)1.79 倍，城鎮(zhèn)化水平處于逐年上升的趨勢，且人口密度由4.49 人·km-2增加到5.15 人·km-2，增幅1.15 倍，城鎮(zhèn)化水平上升明顯。人口密度和城鎮(zhèn)化水平對錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)影響趨勢整體同步［18］。在置信度為0.05 時，與灌叢生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。這也在一定程度上說明了城鎮(zhèn)化是錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)演變的一個驅(qū)動因素［19］。

3.3 政策因素對生態(tài)系統(tǒng)格局的影響

2011 年開始，國家啟動實(shí)施了草原生態(tài)補(bǔ)助獎勵政策，內(nèi)蒙古全區(qū)投入300 億元，2015 年內(nèi)蒙古實(shí)施第二輪草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎勵政策。在2000-2015 年，錫林郭勒盟有10 多項(xiàng)生態(tài)保護(hù)建設(shè)方面的政策實(shí)施，包括：《內(nèi)蒙古自治區(qū)實(shí)施〈中華人民共和國防沙治沙法〉辦法》（2004 年9 月1 日）；《草原征占用審核審批管理辦法》（2006年3 月1 日）；《錫林郭勒盟生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目資產(chǎn)管理辦法》（2006 年 2 月）；《錫林郭勒盟草畜平衡實(shí)施細(xì)則》（2007 年9 月）；《內(nèi)蒙古自治區(qū)草原野生植物采集收購管理辦法》（2008 年12 月）；《關(guān)于加強(qiáng)牧場土地承包經(jīng)營流轉(zhuǎn)管理服務(wù)的意見》（2009 年4 月）等，使錫林郭勒盟草原生態(tài)得到了一定的恢復(fù)，2000-2015 年，沙漠面積減少，農(nóng)田轉(zhuǎn)化為草地，草地質(zhì)量整體提高［20］。

3.4 氣候因素對生態(tài)系統(tǒng)格局的影響

自然因素中生長季降水和溫度是主要影響因素。從2000 年到2015 年錫林郭勒盟降水年際波動較大，溫度呈波動性升高的趨勢［21］，本研究分析了錫林郭勒盟2000 年以來年降水量和年平均氣溫與生態(tài)系統(tǒng)格局的相關(guān)性關(guān)系（表5），發(fā)現(xiàn)年降水量和年均溫度不是影響錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)格局變化的決定性因素。

4 結(jié)論

本研究分析了2000-2015 年錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量變化情況，從生態(tài)系統(tǒng)類型、植被覆蓋度、生物量、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)幾個方面，分析了錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)格局變化及其驅(qū)動力。研究結(jié)果表明：1）2000-2015年，錫林郭勒盟草地、灌叢、城鎮(zhèn)、裸地、濕地、森林、礦區(qū)面積有所增加，農(nóng)田、沙地、水域面積有所下降。其中，面積增幅最大的是城鎮(zhèn)，其次是草地。面積降幅最大的是水域、其次是農(nóng)田。從空間格局來看，全盟的水域均有不同程度的減少，以中部最為明顯。2）從錫林郭勒盟生態(tài)質(zhì)量來看，2000-2015 年呈整體好轉(zhuǎn)的局勢，其中，草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量中東部地區(qū)提高最為明顯，而西南部地區(qū)呈不變和下降的態(tài)勢。3）錫林郭勒盟生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量受到人為和自然因素的共同影響，其中，人為因素的影響是決定性因素，GDP 與采礦用地顯著正相關(guān)，退耕還草政策促使農(nóng)田向草原轉(zhuǎn)變。