2000—2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能變化驅(qū)動因素分析

張 玥,許端陽,王子玉,張曉宇

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 北京林業(yè)大學(xué),北京 100083

中國是世界上受風(fēng)蝕危害最嚴(yán)重的國家之一,國家林業(yè)局第五次沙化土地監(jiān)測結(jié)果表明我國沙化土地面積達(dá)172.12×104km2,占國土面積的17.93%[1]。在干旱和半干旱沙區(qū),防風(fēng)固沙服務(wù)功能是沙區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的存在對風(fēng)蝕作用的削弱功能,保障沙區(qū)人民可持續(xù)地進(jìn)行生產(chǎn)生活[2- 5]。近年來我國相繼實(shí)施了“三北”防護(hù)林、退耕還林還草、天然林保護(hù)、京津風(fēng)沙源治理、草原禁牧、退牧還草等生態(tài)治理工程,使得我國北方沙區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)功能得到有效提升。與此同時,我國北方地區(qū)在全球變暖背景下出現(xiàn)的氣候暖干化趨勢以及城鎮(zhèn)化發(fā)展中人為干擾強(qiáng)度的增大導(dǎo)致的局部地區(qū)土壤風(fēng)蝕危害不容忽視。因此,開展區(qū)域尺度的防風(fēng)固沙服務(wù)功能演變以及驅(qū)動機(jī)制研究對于區(qū)域生態(tài)科學(xué)治理與逐漸改善具有重要意義。

近年來,許多學(xué)者應(yīng)用多源數(shù)據(jù)、采用不同方法對防風(fēng)固沙服務(wù)功能演變及驅(qū)動因素進(jìn)行了研究[6- 11]。在影響防風(fēng)固沙服務(wù)功能的氣候因素方面,一些學(xué)者利用相關(guān)系數(shù)、趨勢分析方法探討風(fēng)速、溫度、降雨量、植被蓋度等因子與土壤風(fēng)蝕的關(guān)系,如Garbrecht等在美國大平原南部農(nóng)田區(qū)域的研究表明溫度升高和降雨減少會導(dǎo)致土壤干燥、降低農(nóng)作物產(chǎn)量,從而加劇土壤風(fēng)蝕,也有一些研究分析未來氣候情境下防風(fēng)固沙服務(wù)功能演變過程[12- 15]；在人為因素方面,多元回歸分析、隨機(jī)過程模型、疊加分析等方法被用來評估放牧、開墾土地、人工造林、土地利用變化等因子對防風(fēng)固沙服務(wù)功能的影響,如Li等基于多元回歸分析認(rèn)為造林面積增加是內(nèi)蒙古地區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)功能提升的主要因素,Sharratt等發(fā)現(xiàn)哥倫比亞高原農(nóng)作物產(chǎn)量的提高能夠減輕土壤風(fēng)蝕危害[16- 19]。上述已有研究對認(rèn)識和理解防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間分布格局的驅(qū)動機(jī)制具有重要意義,但這些方法的不足是無法處理類別變量,受到較多假設(shè)條件制約,在充分挖掘防風(fēng)固沙服務(wù)功能與其驅(qū)動因素之間的關(guān)聯(lián)信息,特別是不同驅(qū)動因素交互作用方面存在局限性[20- 21]。

地理探測器是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法開發(fā)的揭示地理現(xiàn)象空間分布格局與其影響因素之間關(guān)系的模型,數(shù)值型數(shù)據(jù)與定性數(shù)據(jù)均可帶入模型運(yùn)算以及探測因子交互作用的特點(diǎn)使得地理探測器在氣象、環(huán)境污染、生態(tài)、人類健康、區(qū)域規(guī)劃等領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用[22- 28]。防風(fēng)固沙服務(wù)功能是沙區(qū)多種自然和人為因素相互作用的體現(xiàn),與多元回歸分析、主成分分析等傳統(tǒng)方法相比,應(yīng)用地理探測器在分析其驅(qū)動因素、氣候和人為因子耦合研究方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。因此,本研究選擇內(nèi)蒙古錫林郭勒盟為研究區(qū),在評估2000—2015年該區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能時空變化基礎(chǔ)上,應(yīng)用地理探測器模型分析自然和人為因子對錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間分布格局的影響,并結(jié)合趨勢分析法檢測結(jié)果探討不同影響因子在防風(fēng)固沙服務(wù)功能演變過程中的交互作用,旨在為科學(xué)認(rèn)識區(qū)域防風(fēng)固沙生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能形成機(jī)制、實(shí)現(xiàn)對區(qū)域生態(tài)治理的精準(zhǔn)管控以及沙區(qū)生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制建立提供有力支撐。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒盟位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部北側(cè),地理位置處于北緯42°02′—47°77′和東經(jīng)111°21′—120°12′之間,面積為20.3萬km2,總?cè)丝?05.16萬,是隔斷蒙古沙源與京津冀區(qū)域的重要植被沙障(圖1)。海拔在800—1800 m之間,地勢自西南向東北傾斜,其中渾善達(dá)克沙地位于錫林郭勒盟中部,由西北向東南呈條帶狀分布,屬于半固定沙地。冬寒夏燥,春秋多風(fēng),屬于中溫帶干旱、半干旱大陸性氣候,年均溫為0—4 ℃；雨季短促,年降水量250—350 mm,由東南向西北遞減,且降雨多集中在夏秋季節(jié)；太陽輻射強(qiáng),蒸發(fā)量大(1500—2700 mm)且由東向西遞增。草地是錫林郭勒盟的主要土地覆被類型,該區(qū)域草原類型空間分布與水熱條件密切相關(guān),由西南到東北依次為荒漠草原、典型草原和草甸草原,土壤類型以黑鈣土、栗鈣土、風(fēng)化土和棕鈣土為主。錫林郭勒盟是京津風(fēng)沙源治理工程的主體區(qū)域,在京津風(fēng)沙源治理一期工程結(jié)束時該區(qū)域完成沙源治理任務(wù)21500 km2,其中造林面積6200 km2,流動半流動沙地面積減少4500 km2。

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

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用的溫度、降雨、風(fēng)速、太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)源自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；雪蓋數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心,其中雪蓋數(shù)據(jù)從中國雪深長時間序列數(shù)據(jù)集(1979—2016年)中提取,空間分辨率為0.25°,土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)來源于中國土壤特征數(shù)據(jù)集,空間分辨率為1 km；歸一化植被指數(shù)(Normalized Vegetation Index,NDVI)數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)戈達(dá)德航天中心的GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)集,時間分辨率為半月,并進(jìn)行幾何校正、圖形增強(qiáng)等處理；1∶100萬土壤類型、1∶100萬植被類型、1∶100萬地貌類型數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)以及GDP和人口密度數(shù)據(jù)在中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站下載,空間分辨率均為1 km；DEM以及坡度數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云。本研究所使用的牲畜數(shù)量數(shù)據(jù)來源于相關(guān)年份錫林郭勒盟統(tǒng)計(jì)年鑒,人工造林面積數(shù)據(jù)查閱相關(guān)年份中國林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒。為體現(xiàn)人為因子作用空間異質(zhì)性,本研究綜合考慮數(shù)據(jù)可獲取性、錫林郭勒盟實(shí)際情況并參考相關(guān)文獻(xiàn)資料,將旗縣尺度的牲畜數(shù)量和人工造林面積結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)賦予不同權(quán)重離散到柵格尺度上,其中牲畜數(shù)量數(shù)據(jù)按照高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地權(quán)重分別為0.5、0.3、0.2進(jìn)行離散；人工造林面積數(shù)據(jù)按照裸土地、坡度大于6°耕地、沼澤地、鹽堿地、沙地權(quán)重分別為0.25、0.25、0.2、0.15、0.15進(jìn)行離散。為便于模型運(yùn)算,本研究所用柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為1 km×1 km,采用Krasovsky_1940_Albers投影。

2 研究方法

2.1 防風(fēng)固沙服務(wù)功能評估

(1)

PD=109.8×(CF×SCF×SEF×SRF)

(2)

PL=150.71×(WF×SCF×SEF×SRF)-0.3711

(3)

(4)

RD=109.8×(CF×SCF×SEF×SRF×VF)

(5)

RL=150.71×(CF×SCF×SEF×SRF×VF)-0.3711

(6)

SF=PWE-RWE

(7)

式中,PWE代表潛在土壤風(fēng)蝕量(kg/m2)；PD指潛在風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m)；PL為潛在關(guān)鍵地塊長度(m)；RWE代表實(shí)際土壤風(fēng)蝕量(kg/m2)；RD指實(shí)際風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m)；RL為實(shí)際關(guān)鍵地塊長度(m)；SF表示單位面積防風(fēng)固沙量(kg/m2)；l代表下風(fēng)向距離(m)；CF表示氣候因子(kg/m)；SCF表示土壤結(jié)皮因子；SEF表示土壤可蝕性因子；SRF為土壤粗糙度因子；VF為植被因子。

2.2 防風(fēng)固沙服務(wù)功能變化趨勢分析

本研究采用線性趨勢法分析錫林郭勒盟防風(fēng)固沙量2000—2015年變化趨勢。線性趨勢法在柵格尺度上對防風(fēng)固沙量變化趨勢進(jìn)行模擬,能夠反映研究時段內(nèi)防風(fēng)固沙量變化幅度的空間分布[32]。此外,為識別防風(fēng)固沙服務(wù)功能發(fā)生顯著變化的區(qū)域,利用t檢驗(yàn)法(P<0.05)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。趨勢分析法的計(jì)算公式如下：

(8)

式中,m代表擬計(jì)算時間長度；SFj為第j年的年均防風(fēng)固沙量。當(dāng)Trend為正時,表明該區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能具有增強(qiáng)趨勢；當(dāng)Trend為負(fù)時表明具有減弱趨勢。

2.3 防風(fēng)固沙服務(wù)功能驅(qū)動因素交互作用分析

本研究應(yīng)用地理探測器模型分析錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能變化過程中不同驅(qū)動因素的交互作用,其基于空間方差分析,兼容類型數(shù)據(jù)(如土壤類型)和連續(xù)數(shù)據(jù)(如降雨量),包括分異及因子探測、交互作用探測、風(fēng)險區(qū)探測和生態(tài)探測四部分(http://www.sssampling.org/GeogDetector/)[20,28]。

(1)因子探測器中潛在影響因子對防風(fēng)固沙服務(wù)功能的解釋力計(jì)算公式如下：

(9)

(2)交互作用探測用于判斷不同影響因子共同作用于防風(fēng)固沙服務(wù)功能時的交互效果,識別影響因子共同作用對防風(fēng)固沙服務(wù)功能的解釋力是否有增強(qiáng)或減弱作用,或者是彼此獨(dú)立的。交互作用類型如圖2所示。

(3)風(fēng)險區(qū)探測用于判斷兩個影響因子分區(qū)間的屬性均值是否有顯著的差別,可用于揭示防風(fēng)固沙服務(wù)功能較強(qiáng)區(qū)域的因子分區(qū)特征,用t統(tǒng)計(jì)量來檢驗(yàn)：

(10)

(4)生態(tài)探測用于評估兩影響因子Xa比Xb對防風(fēng)固沙量空間分布的影響是否具有顯著性差異,以γ統(tǒng)計(jì)量來判斷：

(11)

(12)

式中,SXa與SXb分別為影響因子Xa與Xb的樣本數(shù)目；VXa和VXb分別表示因子Xa與Xb分層之間的層內(nèi)方差和；Na和Nb代表因子Xa與Xb的分層數(shù)目。

圖2 地理探測器原理示意與交互作用類型[28]Fig.2 Geographical detector principle diagram and interaction typesM：某個研究區(qū)域；SF1、SF2、SF3：用于探測的因變量,例如在本文中為防風(fēng)沙量；C1、C2、C3、C4：影響因子C的子分區(qū)；D1、D2、D3、D4：影響因子D的子分區(qū)；PD,SF：影響因子對防風(fēng)固沙服務(wù)功能的解釋力

防風(fēng)固沙服務(wù)功能的產(chǎn)生受到土壤、地形等自然本底因素的制約,同時氣溫、風(fēng)速等氣候因素以及禁牧造林等人類活動也會對其產(chǎn)生影響,因此本研究選取包括自然和人為兩大類的12個影響因子分析錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能變化驅(qū)動機(jī)制(表1)。在ArcGIS 10.2中利用自然斷點(diǎn)法將年均降水量、年均溫度、年均風(fēng)速、高程、坡度、牲畜數(shù)量、GDP、人口密度、人工造林面積劃分6類；同時將土壤類型、植被類型、地貌類型分別劃分為7類、7類和5類。為深入探究錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能時空變化驅(qū)動機(jī)制及不同影響因素作用差異,本研究從防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間格局形成及時間變化兩個維度進(jìn)行地理探測；其中,變化區(qū)域探測針對防風(fēng)固沙服務(wù)功能增加區(qū)域和降低區(qū)域分別開展。

表1 探測因子指標(biāo)

3 結(jié)果分析

3.1 防風(fēng)固沙服務(wù)功能時空變化分析

錫林郭勒盟2000—2015年單位面積防風(fēng)固沙量在空間分布上差異明顯,總體上表現(xiàn)為東南部溫帶落葉闊葉林及灌叢區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能高、東北部草甸草原地區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)功能較高、西部荒漠區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能低的分布格局(圖3)。從行政區(qū)劃來看,正藍(lán)旗平均防風(fēng)固沙量最高,達(dá)14.68 kg/m2,正鑲白旗、多倫縣和東烏珠穆沁旗平均防風(fēng)固沙量較高,均在6 kg/m2以上,鑲黃旗、二連浩特市和蘇尼特右旗最低,不足4 kg/m2。

通過對錫林郭勒盟2000—2015年單位面積防風(fēng)固沙量變化趨勢及顯著性分析,可以發(fā)現(xiàn)2000—2015年防風(fēng)固沙量總體上呈增加趨勢,增加區(qū)域面積為115104 km2,其中顯著增加的面積為27839 km2,占總增加面積的24.19%,主要分布在蘇尼特左旗中東部、多倫縣和東烏珠穆沁旗部分區(qū)域。與此同時,防風(fēng)固沙量呈減少趨勢的面積為84756 km2,其中顯著減少的面積為24985 km2,占總減少面積的29.48%,集中分布在太仆寺旗、正鑲白旗、西烏珠穆沁旗和鑲黃旗南部區(qū)域(圖4)。

圖3 2000和2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間格局Fig.3 Spatial pattern of windbreak and sand-fixing function in Xilingol League in 2000 and 2015

圖4 2000—2015年錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能變化趨勢Fig.4 Change trends of windbreak and sand-fixing function in study area between 2000 and 2015

3.2 防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間格局形成的驅(qū)動因素交互作用分析

本研究運(yùn)用因子探測器探索影響因子在錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間分布格局中的重要程度,因子探測器能夠量化潛在影響因子對防風(fēng)固沙量的解釋力。各因子對防風(fēng)固沙量的解釋力(PD,SF)排序?yàn)椋和寥李愋?64.07%)>植被類型(19.97%)>人工造林面積(18.49%)>牲畜數(shù)量(14.44%)>年均風(fēng)速(12.65%)>年均降水量(10.5%)>地貌類型(10.45%)>人口密度(9.45%)>GDP(8.96%)>年均溫度(7.73%)>高程(4.93%)>坡度(0.22%)。

根據(jù)各探測因子的PD,SF值,可以看出土壤類型是影響防風(fēng)固沙服務(wù)功能最重要的因子,植被類型、人工造林面積、牲畜數(shù)量、年均風(fēng)速對防風(fēng)固沙量空間分布也有較強(qiáng)的影響,解釋力均在12%以上,年均溫度、GDP等因子對防風(fēng)固沙量空間分布影響較小,高程與坡度兩個因子幾乎沒有影響。在生態(tài)探測結(jié)果中,大多數(shù)影響因子之間均具有統(tǒng)計(jì)顯著性差異(表2)。因子探測與生態(tài)探測結(jié)果相結(jié)合表明土壤類型在錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間分布格局中發(fā)揮最重要的作用,其PD,SF值最高且與其它因子具有顯著性差異。

表2 探測因子之間統(tǒng)計(jì)顯著性

風(fēng)險探測器用于探測各因子分區(qū)中防風(fēng)固沙服務(wù)功能最高的區(qū)域,從而揭示防風(fēng)固沙功能空間格局形成的內(nèi)在機(jī)制。風(fēng)險探測結(jié)果如表3所示,從中可以看出隨年均降雨量的增加,單位面積防風(fēng)固沙量逐漸增大,在錫林郭勒盟年均降雨量為357—490 mm時,防風(fēng)固沙量均值達(dá)到最大值,為8.823 kg/m2,表明年均降雨量的增加通過促進(jìn)植被生長、增大土壤濕度等方式使得防風(fēng)固沙服務(wù)功能得到有效提升；防風(fēng)固沙量均值隨著年均溫度和年均風(fēng)速分別呈現(xiàn)先逐漸增高、后快速減少的趨勢和波動變化,在2.45—3.22 ℃和2.78—3.08 m/s范圍時達(dá)到最大值,分別為8.03 kg/m2和8.397 kg/m2。隨土壤、植被、地貌等類型的不同,單位面積防風(fēng)固沙量均值波動變化,荒漠風(fēng)沙土、草原風(fēng)沙土、石質(zhì)土、酸性粗骨土、鈣質(zhì)粗骨土等土壤類型的防風(fēng)固沙量最高，均值為18.08 kg/m2，溫帶落葉闊葉林、溫帶落葉小葉疏林等植被類型以及低海拔丘陵、中海拔丘陵等地貌類型的防風(fēng)固沙量最高,均值分別為17.289 kg/m2和8.585 kg/m2。隨高程、坡度的增加,防風(fēng)固沙量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,分別在1249—1371 m和1.22—2.75 °范圍時達(dá)到最大值9.328 kg/m2和6.642 kg/m2。在影響錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能的人為因子中,防風(fēng)固沙量基本隨著各人為因子增加呈現(xiàn)出先波動增大后減少的趨勢,在牲畜數(shù)量為122—270頭、人工造林面積為8.51—11.35 hm2時達(dá)到最大值,分別為12.035 kg/m2和10.548 kg/m2；防風(fēng)固沙量隨人口密度和GDP的增加表現(xiàn)為先增加后減少再增加到最大值的波動變化,防風(fēng)固沙量分別在人口密度和GDP為4—16人/km2和42—101萬元/km2范圍時達(dá)到最大值8.972 kg/m2和8.807 kg/m2。

表3 防風(fēng)固沙量最大均值因子分區(qū)特征(置信水平95%)

3.3 防風(fēng)固沙服務(wù)功能變化的驅(qū)動因素交互作用分析

3.3.1防風(fēng)固沙服務(wù)功能增強(qiáng)區(qū)域

在錫林郭勒盟2000—2015年間防風(fēng)固沙服務(wù)功能增強(qiáng)區(qū)域,各因子對防風(fēng)固沙量的解釋力(PD,SF)排序?yàn)椋和寥李愋?56.2%)>年均風(fēng)速(15.55%)>人工造林面積(12.03%)>植被類型(11.63%)>牲畜數(shù)量(10.72%)>地貌類型(10.63%)>年均降水量(9.42%)>年均溫度(7.16%)>人口密度(5.34%)>GDP(5.06%)>高程(1.24%)>坡度(0.43%)。根據(jù)PD,SF值可以看出土壤類型是影響該區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間布局的主要因子,年均風(fēng)速、人工造林面積、植被類型、牲畜數(shù)量、地貌類型也具有較強(qiáng)的影響,解釋力均在10%以上,且自然因子的影響總體高于人為因子。

本研究對該區(qū)域2000年、2005年、2010年、2015年的防風(fēng)固沙量與各影響因子圖層相應(yīng)屬性數(shù)據(jù)分別進(jìn)行地理探測(圖5),可以發(fā)現(xiàn)土壤類型、植被類型的解釋力相對穩(wěn)定,呈現(xiàn)微弱增加趨勢；年均降水量、年均溫度、年均風(fēng)速等其它自然因子的解釋力基本表現(xiàn)為減少趨勢；而人工造林面積、城鎮(zhèn)化率、農(nóng)作物耕種面積與牲畜數(shù)量的解釋力呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢,除牲畜數(shù)量外,其他人為因子的解釋力均在2010年達(dá)到最大值,在2015年則有較大幅度減少。

圖5 2000—2015年防風(fēng)固沙服務(wù)功能變化區(qū)域PD,SF值動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes ofPD,SF value in the area of windbreak and sand-fixing function changes between 2000 and 2015X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12表示探測因子,具體見表1

防風(fēng)固沙服務(wù)功能增強(qiáng)區(qū)域交互探測器結(jié)果顯示各因子對錫林郭勒盟防風(fēng)固沙功能影響存在交互作用,且任意兩種探測因子交互作用的解釋力高于單個因子(表4)。從表4可以看出除地貌類型外,土壤類型與其它因子的交互作用關(guān)系均為非線性增強(qiáng),且其PD,SF值最高,表明土壤類型在該區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間格局中發(fā)揮著最重要的作用；除高程和坡度因子外,地貌類型與其它因子的交互作用均為雙因子增強(qiáng),主要是由于該區(qū)域地貌類型大多是平原和低海拔臺地,空間異質(zhì)性不太明顯；值得注意的是雖然高程的PD,SF較小,但與其它因子的交互作用類型均表現(xiàn)非線性增強(qiáng)關(guān)系,這表明高程通過影響植被生長和放牧活動等因素在該區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能分布格局形成中也具有重要作用；人為因子間的交互作用主要為雙因子增強(qiáng)關(guān)系,結(jié)合人為因子的PD,SF值可以發(fā)現(xiàn)人為因子在該區(qū)域?qū)Ψ里L(fēng)固沙服務(wù)功能的影響略低于自然因子。

表4 防風(fēng)固沙服務(wù)功能增強(qiáng)區(qū)域因子交互作用類型

3.3.2防風(fēng)固沙服務(wù)功能減弱區(qū)域

在錫林郭勒盟2000—2015年間防風(fēng)固沙服務(wù)功能減弱區(qū)域,各因子對防風(fēng)固沙量的解釋力(PD,SF)排序?yàn)椋和寥李愋?76.1%)>植被類型(24.55%)>人工造林面積(22.51%)>牲畜數(shù)量(16.35%)>高程(12.72%)>年均溫度(12.15%)>人口密度(11.98%)>GDP(11.29%)>年均風(fēng)速(10.98%)>地貌類型(10.82%)>年均降水量(10.15%)>坡度(0.96%)。根據(jù)PD,SF值可以看出各影響因子的解釋力總體較高,這表明地理探測器在該區(qū)域具有更強(qiáng)的適用性,土壤類型的解釋力高達(dá)76.1%,在影響該區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間分布方面具有絕對優(yōu)勢,植被類型和人工造林面積的PD,SF值均高于22%,表明這兩個因子也具有相當(dāng)重要的影響,且人為因子的影響總體高于自然因子。

從各影響因子的解釋力時間變化圖來看(圖5),土壤類型、植被類型、地貌類型等自然本底背景因子的解釋力相對穩(wěn)定；年均降水量、風(fēng)速、溫度等氣候因子的解釋力表現(xiàn)為增加趨勢；在人為因子中,除GDP的解釋力呈現(xiàn)先減少后增加外,其它3個因子的解釋力均為大幅度增加趨勢,尤其是牲畜數(shù)量和人工造林面積,2015年P(guān)D,SF值分別為38.51%和23.73%。

該區(qū)域交互探測器結(jié)果亦顯示出各因子之間交互作用顯著(表5),任意兩因子對防風(fēng)固沙服務(wù)功能的影響均高于單個因子；牲畜數(shù)量與其它因子間的交互作用均為非線性增強(qiáng)關(guān)系,表明放牧活動對該區(qū)域防風(fēng)固沙量具有重要影響；人為因子間的交互作用主要表現(xiàn)為非線性增強(qiáng)關(guān)系,結(jié)合人為因子的PD,SF值進(jìn)一步證明人為因子對該區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能的影響高于自然因子。

表5 防風(fēng)固沙服務(wù)功能減弱區(qū)域因子交互作用類型

4 討論與結(jié)論

在影響錫林郭勒盟防風(fēng)固沙服務(wù)功能演變的探測因子中,與年均溫度、風(fēng)速等氣候因子相比,年均降水量對防風(fēng)固沙量的影響相對較高,證實(shí)了降水在較干旱地區(qū)促進(jìn)植被生長從而減少風(fēng)蝕發(fā)生的重要作用,這與前人的研究成果一致[33-36]；溫度升高有利于植物發(fā)育降低土壤侵蝕,然而隨溫度升高帶來的水分蒸發(fā)、降低土壤濕度的影響有可能會抵消對防風(fēng)固沙功能提升的積極作用；錫林郭勒盟風(fēng)速最低的多倫縣由于耕地面積較多,翻種耕地造成土壤疏松帶來的風(fēng)蝕作用較大。因此,適宜的氣候因子范圍對于防風(fēng)固沙服務(wù)功能提升具有重要影響,同時不同影響因子之間的精準(zhǔn)契合有助于單位面積防風(fēng)固沙量的增加。

在不同的探測尺度上,土壤類型、植被類型對防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間分布的解釋力均較高,但在防風(fēng)固沙服務(wù)功能增強(qiáng)區(qū)域,自然因子的解釋力總體相對較高,在防風(fēng)固沙服務(wù)功能減弱區(qū)域,人為因子的解釋力相對較高,說明人為因子的空間分布與防風(fēng)固沙量減少區(qū)域分布更加吻合。在功能增強(qiáng)區(qū)域,人為因子的PD,SF值表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢,可能的解釋是近年來禁牧造林等政策,比如該區(qū)域2002年以來實(shí)施的京津源風(fēng)沙治理工程有利于防風(fēng)固沙服務(wù)功能得到較大幅度提升,但人類活動的作用發(fā)揮到一定程度后,仍然是自然因子發(fā)揮著主導(dǎo)作用。在功能減弱區(qū)域,人為因子的解釋力基本表現(xiàn)為大幅度增加趨勢,對比該區(qū)域2000年和2015年的土地覆蓋數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)變化較大的是低覆蓋度草原面積增加了761 km2,沙地和建設(shè)用地面積增加360 km2,同時高覆蓋度和中覆蓋度草原面積減少了1189 km2,這表明禁牧造林等保護(hù)政策的實(shí)施對防風(fēng)固沙服務(wù)功能的提升作用可能比較微弱,但若不加以保護(hù),沙區(qū)土地退化速度將大幅度增加。這從防風(fēng)固沙服務(wù)功能增強(qiáng)和減弱區(qū)域人為因子之間的交互作用關(guān)系也可以看出,在增強(qiáng)區(qū)域人為因子主要表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng),而在減弱區(qū)域主要表現(xiàn)為非線性增強(qiáng),交互作用更加顯著。

本研究以錫林郭勒盟為研究區(qū),采用修正風(fēng)蝕模型評估其2000—2015年防風(fēng)固沙服務(wù)功能時空變化,應(yīng)用地理探測器分析自然和人為因子對該區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間格局形成及變化過程中的貢獻(xiàn)及交互作用。結(jié)果表明防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間分布差異顯著,防風(fēng)固沙量總體上呈增加趨勢；土壤類型在該區(qū)域防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間分布格局中發(fā)揮最重要的作用,植被類型、人工造林面積、牲畜數(shù)量、年均風(fēng)速等因子對防風(fēng)固沙量空間分布影響較強(qiáng)；防風(fēng)固沙服務(wù)功能變化區(qū)域的2000—2015年動態(tài)地理探測結(jié)果顯示土壤類型、植被類型均具有較高的解釋力且相對穩(wěn)定,功能增強(qiáng)區(qū)域氣候因子的PD,SF值呈現(xiàn)出減少趨勢,人為因子表現(xiàn)為先增加后減少趨勢,功能減弱區(qū)域變化趨勢大體與之相反,探測因子之間交互作用顯著。本研究認(rèn)為土壤類型、植被類型、牲畜數(shù)量等是影響研究區(qū)防風(fēng)固沙服務(wù)功能空間分布格局形成的主要因素,這與前人研究成果不太一致,例如大多研究認(rèn)為風(fēng)速、植被蓋度、溫度等是影響防風(fēng)固沙服務(wù)功能的主要因素,主要是由于本研究中應(yīng)有的地理探測器模型兼容類型數(shù)據(jù)和連續(xù)數(shù)據(jù),而相關(guān)系數(shù)、多元回歸、主成分分析等方法不適用于分析類型量,如土壤類型、植被類型、地貌類型等,這些自然本底背景在影響防風(fēng)固沙服務(wù)功能區(qū)域分異中具有明顯作用。需要指出的是,本文考慮到數(shù)據(jù)尺度匹配問題將旗縣尺度的牲畜數(shù)量和人工造林面積結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)賦予不同權(quán)重離散到柵格尺度上,這可能會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響,但該處理方式能表征因子的相對大小,因此應(yīng)用地理探測器分析仍具有合理性和科學(xué)性。本文對防風(fēng)固沙服務(wù)功能變化的驅(qū)動因素應(yīng)用地理探測器模型進(jìn)行探索性研究,土壤類型、地貌類型等是相對穩(wěn)定的自然因素,而溫度、降雨、風(fēng)速等變率較大的自然因子與人為因子的耦合研究將是下一步有待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題,例如在未來氣候變化情境下牲畜數(shù)量、人工造林面積的最適宜范圍確定將對區(qū)域生態(tài)環(huán)境科學(xué)治理恢復(fù)與經(jīng)濟(jì)高質(zhì)發(fā)展之間的協(xié)調(diào)提供有效參考。