半干旱區生態恢復關鍵生態系統識別——以內蒙古自治區和林縣為例

彭 羽，高 英，馮金朝，王德智，姚 森，劉 洋，薛達元，3，*

(1.中央民族大學生命與環境科學學院，北京100081;2.大自然保護協會，北京100600;3.環保部南京環境科學研究所，南京210042)

我國土地退化面積占國土面積的57%，盡管部分改善，但總體繼續退化［1-3］。土地退化集中于天然草地退化和非農建設占用，占66.27%［1］。我國草地面積廣闊，約占國土面積的1/3以上，其中約50%—60%的天然草地存在著不同程度的退化現象［2］。草地退化主要表現為草地質量下降，生態服務功能下降和生態承載力降低。

土地退化主要發生在我國干旱、半干旱地區［1，4］。我國半干旱區生態系統類型多為典型草原，也分布有森林、灌叢等生態系統。而且，同一區域生態系統類型空間分布的差異也較大，例如，典型草原生態系統就包括叢生禾草草原、蒿類草原、灌叢化草原、濕生草甸草原、鹽生草甸草原等十多種不同類型。且不同生態系統類型的優勢種也不同。半干旱地區需要進行生態恢復，恢復為何種生態系統類型，是生態恢復成功與否的關鍵，受到多個方面的關注。本文嘗試采用生態功能區劃的方法，通過不同生態功能區主體生態系統服務功能的分析，在縣域尺度上識別區域生態恢復的關鍵生態系統類型。

1 研究區概況

和林縣地處內蒙古自治區中部，隸屬呼和浩特市，位于呼市南部。區域范圍在東經110°26'52″—112°18'11″，北緯39°58'11″—40°41'31″。南北長80.1 km，東西寬72.9 km，轄地面積3401 km2。全縣人口18.7萬人，蒙古族0.76萬人，其他少數民族0.17萬人。全縣轄四個鄉、三個鎮、兩個經濟園區。2010年底全縣GDP達到130億元，第一、二、三產業結構比為11∶64∶25。現代農業快速發展，形成了乳、肉、薯、沙棘和檸條四大優勢特色產業。農民年人均純收入8100元，地方年財政收入13.2億元。

和林縣地處土默特平原向東南部晉西北黃土丘陵和蠻漢山脈過渡地帶。東南部山丘密布，溝壑縱橫，西南部丘陵起伏，西北部系平原區。氣候屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫5.6℃，≥10℃積溫2769℃，無霜期118 d，年均降水量417.57 mm，植物生長期6—8月份的降水量占全年降水量的59.3%。該縣多為黃土地貌，溝谷縱橫，河流切割作用明顯，南部山地土層瘠薄，該縣屬于生態脆弱區，植被退化，水土流失嚴重。

2 研究方法

關鍵生態系統類型識別主要分為三步:(1)根據國家生態功能區劃中對和林縣主要功能的定位以及生態敏感性、生態服務功能等因子，結合氣候變化模型，確定和林縣生態功能分區;(2)根據和林縣生態功能區劃圖，分析各生態功能區的主體生態系統服務功能，推導發揮此功能的可能生態系統類型;(3)與該縣全國自然植被區劃圖、氣候變化下植被類型圖進行疊加分析，通過與現狀植被圖的對比，識別關鍵生態系統類型。

生態功能區劃一級、二級分區方法，以及生態敏感性、生態服務功能重要性評價采用國務院西部地區開發領導小組辦公室、國家環境保護部頒布的《生態功能區劃技術暫行規程》(2002)。各因素權重采取文獻參考、專家咨詢、內部討論后確定。

該縣土壤類型、地貌、降水量、行政區劃、DEM數據來源于全國基礎地理信息數據庫，并經現場調查核準。植被現狀圖來源于植被遙感圖解譯。遙感圖來源于2004年7月LandsatTM遙感影像，并經野外調查取樣驗證，野外調查樣點163個隨機分布全縣，kappa驗證指數90%。植被區劃圖來源于《中國植被區劃》［5］。植被氣候變化模型來源于課題組氣候變化小組。將獲取的數據在ArcGIS10平臺下，進行數據提取、地理配準、格式轉換、精度匹配，建成數據庫，對數據進行字段編輯、疊加分析、空間分析等處理。

3 生態功能區劃

3.1 一級生態區分區方案

將全國生態功能區劃圖、地形地貌圖疊加，劃定一級生態區。一級區劃主要考慮區內氣候特征的相似性與地貌單元的完整性。在中國氣候分布圖上，全縣都屬于半干旱中溫帶。和林縣地貌明顯分為3種類型:平原、黃土粱峁和山地丘陵。在全國生態功能區劃中，和林縣大部分為陰山南部農田-草原復合生態功能區，小部分位于土默特平原灌溉農業生態功能區，東南部小部分位于山地森林-灌叢涵養水源土壤保持及生物多樣性保護生態功能區。由此，和林縣一級生態區分為三類:西北部平原灌溉農業生態區，中部黃土丘陵農田、草原復合生態區，東南部山地森林、灌叢水源涵養土壤保持生態區。

3.2 二級生態區分區方案

在一級生態區內，分析主要生態功能和生態問題，對生態功能和生態問題相同的區域進行歸類，得到二級生態區:即生態功能區。此外，邊界的確定還綜合考慮了山脈、河流等自然特征以及行政邊界的完整性，以便于對各功能分區的管理和建設。針對半干旱區實際情況，主要生態問題是土壤侵蝕敏感性和沙漠化敏感性。

3.2 .1生態敏感性分析

生態敏感性是指生態系統對各種環境變異和人類活動干擾的敏感程度，它反映生態系統遇到干擾時發生生態環境問題的難易程度和可能性大小，或者是在同樣的外來干擾強度下，生態系統產生生態問題的可能性大小。

生態敏感性的計算公式為:

式中，SSj為j空間單元生態敏感性指數;Ci為i因素敏感性等級值，Wi為i因素的權重。生態敏感性指數越大，說明該區域對外界干擾越敏感，容易發生生態退化問題。

土壤侵蝕敏感性指數計算的因素及權重見表1。

表1 和林縣土壤侵蝕敏感性指數評價的組成因素及分值Table 1 Ingredient and its score for soil erosion sensitivity assessment in Helin County

續表

和林縣土壤侵蝕敏感性空間分布圖(圖1)表明，土壤侵蝕敏感性較高的地區位于縣域中部的城關鎮、黑老夭鄉，南部的羊群溝鄉。

土地沙漠化敏感性用濕潤指數、土壤質地及植被覆被等影響因素來評價。基于全球氣候變化考慮，將該區域未來50、100a氣候變化預測數值考慮在內，構建沙漠化敏感性評價的指標體系(表2)。各因素綜合計算，得到土地沙漠化敏感性分布圖(圖2)。根據土地荒漠化分布圖可以發現，和林縣沙漠化高敏感區分布較為集中，均位于黃土坮塬和黃土粱峁地區，而敏感性低的地區集中分布于黑老夭山區、渾河干流兩側及支流部分;東南部淺山丘陵區沙漠化敏感性也較低;其他地區生態敏感性中等。

3.2 .2生態系統服務功能評價

生態系統保護重要性評價。有4類生態系統具有重要的保護價值:優勢地帶性生態系統、特殊的非地帶性植被、只在中國分布的特有生態系統類型、國家珍稀瀕危物種棲息地。生態區的優勢生態系統往往是該地區氣候、地形與土壤特征的綜合反映，體現了植被與動植物物種地帶性分布特點。和林縣符合該類要求的優勢生態系統類型為溫帶典型草原。特定生態系統類型通常能反映地區的非地帶性氣候地理特征，體現非地帶性植被分布與動植物的分布，為動植物提供棲息地。和林縣主要的非地帶性植被為針闊葉混交林生態系統。和林縣無其他兩類具有重要保護價值的生態系統。據此分析，和林縣生態系統保護重要性評價見圖3。

圖1 和林縣土壤侵蝕敏感性空間分布圖Fig．1 Map of soil erosion sensitivity in Helin County

表2 和林縣土地沙漠化敏感性指數評價的組成因素及分值Table 2 Ingredient and its score for land desertification sensitivity assessment in Helin County

圖2 和林縣考慮氣候變化的土地沙漠化敏感性分布圖Fig．2 Map of land desertification sensitivity considering climatic change in Helin County

圖3 和林縣生態系統保護重要性空間分布圖Fig．3 Map of ecosystem protection importance in Helin County

水源涵養重要性評價。區域水源涵養的生態重要性在于該區域對整個評價地區水資源的貢獻程度及洪水調節作用。本文采用降水匯集量來評價各個小流域對和林縣水資源貢獻的重要性。首先，計算河流累計匯集量，提取和林縣河流網絡。其次，對和林縣進行流域分割。小流域是一個降水匯集單元，該單元的降水將匯集到區域內河流內，由區域的一個共同排水口流出。對流域進行分割，便于確定各個流域的降水匯集量大小。和林縣小流域可以分割為209個區域。最后，對各個小流域按照降水匯集量進行分級，得到結果見圖4。

將和林縣生態系統保護重要性評價圖、和林縣小流域重要性分級圖進行歸一化處理，便于二者累加計算生態系統服務功能。二者高值為1，低值為0，權重均為0.5.圖5中的一個圖層為二者經過計算得到的和林縣生態系統服務功能重要性空間分布圖。

3.3 .3二級生態區分區結果

二級生態區的劃分，主要基于生態敏感性和生態服務功能重要性的分析。將和林縣土壤侵蝕敏感性空間分布圖、土地沙漠化敏感性空間分布圖、生態系統服務功能重要性空間分布圖各分為高、中、低三類，然后3個圖層進行疊加(圖5)，便于劃分二級生態區。

二級生態區邊界劃分原則:(1)以每個一級生態區為單位;(2)以生態評價分值高的類型作為邊界;(3)生態評價分值接近、生態問題相同的小區劃分為相同的二級區;(4)綜合考慮山脈、河流等自然特征以及行政邊界的完整性。由此原則劃分出11個二級生態區(圖6)。

圖4 和林縣水土保持重要性空間分布圖Fig．4 Map of water and soil conservation importance in Helin County

4 待恢復關鍵生態系統識別

生態功能區生態系統服務功能的發揮，需要該生態功能區具有能夠發揮此功能的生態系統類型。由區域氣候、地形地貌等生態條件決定的，天然條件下能夠存在的此類生態系統類型是該生態功能區的關鍵生態系統。然而，由于人為活動的干擾，現狀生態系統類型不一定就是該區域的關鍵生態系統類型。因此，需要進行生態系統識別，識別各個生態功能區發揮主體功能的關鍵生態系統類型。

關鍵生態系統識別的原則:(1)能夠發揮生態功能區主體生態系統功能;(2)能夠在當地自然生態條件下存在與發展;(3)以生態功能區為單位進行關鍵生態系統識別。關鍵生態系統識別的步驟:(1)根據和林縣生態功能區劃圖，確定各生態功能區的主體生態系統服務功能;(2)推測發揮此種功能的生態系統類型;(3)根據全國植被區劃、現狀植被調查以及氣候變化條件下植被變化，確定關鍵生態系統類型;(4)通過與現有植被圖的對比，發現需要進行生態恢復和保護的區域。

根據《全國生態功能區劃》，和林縣位于三種類型生態功能區:大部分為陰山南部農田-草原復合生態功能區，小部分位于土默特平原灌溉農業生態功能區，東南部小部分位于蠻漢山山地森林-灌叢涵養水源土壤保持及生物多樣性保護生態功能區。據此，和林縣主體生態功能可以按照一級生態區分為3種:農產品提供、土壤保持、水源涵養土壤保持及生物多樣性保護。

分析和林縣生態功能區劃中二級生態功能區的主體功能(表3)，進一步分析發揮此項生態系統功能的生態系統類型。一般而言，生態系統發揮著多種生態服務功能，其中有主要的服務功能類型，也有次要的服務功能類型。按照生態系統服務功能理論，針對和林縣自然氣候條件，發揮農產品提供的主要為一年一熟糧食作物及耐旱經濟作物，因其處于防風固沙區，所以建成的生態系統類型應當為具有農田防護林的農田生態系統。發揮土壤保持功能的生態系統類型首先是森林生態系統，其次為灌叢生態系統，再次為草原生態系統。發揮水源涵養與生物多樣性保護的關鍵生態系統類型為溫帶闊葉林、溫帶針葉林，部分地區為溫帶落葉灌叢。尚需根據不同二級生態區的自然植被類型、氣候變化趨勢，識別出具體類型。根據以上原則，識別出關鍵生態系統類型，識別結果見表3最后一列。

5 需要進行生態恢復區域的分析

分析現狀植被生態系統類型分布圖，將現狀植被類型圖與識別出來的關鍵生態系統類型進行對比，二者有差異的地方，為可能需要進行生態恢復的區域。

待生態恢復區域判定的原則為:(1)以二級生態功能區為單位進行分析;(2)現狀植被類型符合識別出來的關鍵生態系統類型之一，即為符合要求的生態系統類型;現狀生態系統類型與任一關鍵生態系統類型都不相同的區域作為待生態恢復區域;(3)按照氣候變化趨勢，不能自然恢復為關鍵生態系統類型的區域為待生態恢復區域;(4)土地利用現狀是農田，但是如果位于生態敏感性很高的區域，則劃為生態恢復區。按照此原則，判定待生態恢復區。待生態恢復區再減去河流、水庫、人工與居民用地、公共設施用地，剩下的地區即為生態恢復區(圖7)。

圖5 和林縣侵蝕敏感性、沙漠化敏感性、生態服務功能重要性疊加示意圖Fig．5 Map of ecological sensitivity in soil erosion，desertification and ecosystem service importance in Helin County圖中兩位數字分別代表生態敏感性和生態系統服務功能重要性等級

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6 結論與討論

和林縣地處黃土高原北緣，土壤侵蝕敏感性、沙漠化敏感性較高，風沙干旱、水土流失是該縣面臨的主要生態問題。和林縣生態恢復的目的就是恢復其生態系統服務功能。根據和林縣生態系統要發揮的主體功能:土壤保持、農產品提供、水源涵養與生物多樣性保護，本文分析了其不同生態功能區要生態恢復的關鍵生態系統類型，并與生態系統分布現狀進行對比，識別需要進行生態恢復的地區。

生態恢復，并不是要恢復50a甚至1000a前的生態系統，而是要采取措施，重建生態系統結構，使生態系統發揮該區域生態條件下健康的生態系統服務功能［6-8］。生態恢復所要恢復的植被類型，實際上是一種潛在植被類型。潛在植被作為一種與所處立地條件達到的動態平衡態，反映的是無人類干擾的情況下，立地所能發育形成的一種穩定成熟的頂極或亞頂級植被類型，對本地區植被生態的恢復和重建具有重要的指導意義［8-10］。

潛在植被類型的識別，有不同的研究方法。有學者利用氣候、土壤、光照等條件，模擬干旱、半干旱區潛在植被類型，將潛在植被分為阿拉善高原、鄂爾多斯、呼倫貝爾、渾善達克、錫林郭勒等地域植被類型［11］。但是這種模擬植被類型往往尺度較大，難以指導縣域植被生態恢復。張厚華等［12］根據不同的生物氣候狀況，將黃土高原分成5個生物氣候區:暖溫帶濕潤半濕潤森林區、暖溫帶半濕潤半干旱森林草原區、中溫帶半干旱典型草原區、中溫帶干旱半干旱荒漠草原區以及中溫帶干旱草原化荒漠區，計劃在不同的生物氣候區構建與該區大環境一致的不同的生態系統，以改變那種在黃土高原全面植樹造林而成效不佳的做法。也有學者根據全國水土保持一級區，以及干燥度、人口密度等指標，將全國劃分為4個一級生態修復區、13個二級生態修復區［13］。該生態恢復主要從水土保持目的出發，偏重植被生態恢復的水土保持功能。有學者指出，縣域植被生態恢復建設，需要符合國家主體功能區規劃對該縣的定位要求［14］，將植被生態恢復與區域經濟社會布局結合起來，并從引導過載人口外遷、提高農民生活水平和生態得到持久恢復等方面為生態恢復提供政策保障。

圖6 和林縣生態功能區區劃圖Fig．6 Map of ecological function zoning of Helin County

圖7 和林縣發揮主體生態系統服務功能需要進行生態恢復的區域Fig．7 The key restored zone for serving main ecosystem service function in Helin County

本文在前人研究的基礎上，采用生態功能區區劃的方法，根據各個生態功能區的主體生態系統服務功能、主要生態問題和植被現狀，結合全國植被區劃，確定需要恢復的關鍵生態系統類型。生態功能區分區的過程也考慮了生境特征、生態過程、生態系統服務功能等多種診斷指標，符合生態恢復診斷的多指標原則［15］。根據本文提出的技術路線和關鍵生態系統識別方法，識別出關鍵生態系統類型，和林縣待生態恢復區主要位于城關鎮和黑老夭鄉結合部，舍必崖鄉和羊群溝鄉結合部。致謝:大自然保護協會(TNC)馬劍、王龍柱博士等對氣候變化數據處理提供幫助，中國科學院生態環境研究中心陳利頂研究員對研究技術路線給予指導，和林縣政府對數據調研提供支持，內蒙古師范大學生命科學與技術學院哈斯巴根教授、賀俊英副教授、中央民族大學生命與環境科學學院石莎副教授及部分研究生參與野外植被調研，特此致謝。

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