生態工程對科爾沁沙地主要生態服務功能的影響

張 鈐, 張方敏, 盧 琦, 李云鵬, 翁升恒, 韓典辰

(1.南京信息工程大學 應用氣象學院 氣象災害預報預警與評估協同創新中心/江蘇省農業氣象重點實驗室, 江蘇 南京 210044; 2.中國林業科學研究院 荒漠化研究所/沙漠林業試驗中心, 北京 100091; 3.內蒙古自治區生態與農業氣象中心, 內蒙古 呼和浩特 010051)

中國的北方農牧交錯帶是分割中國東部農耕區和西部畜牧區的過渡條帶，亦是干旱與半濕潤的過渡帶[1]，由于干旱少雨的氣候特征以及脆弱的生態條件，加上長期放牧、過度開墾等人為因素的影響，該區的水土流失、草地退化及沙漠化等生態問題日益嚴重[1-3]。為了解決北方水土流失及沙漠化等生態問題，中國實施了一系列生態建設工程(如“三北”防護林工程、退耕還林工程等)[4-6]。生態工程的實施對該區生態環境的改善做出了巨大的貢獻，當地的生態系統服務功能也隨之發生顯著的變化。

內蒙古自治區通遼市科爾沁沙地位于中國的北方農牧交錯帶，是氣候變化較為劇烈的地區之一[7]，亦是中國沙地面積最大且土地沙化較為嚴重的地區之一[8]。因此，在已有生態系統服務功能的研究方法基礎上，開展位于農牧交錯帶的科爾沁生態系統服務功能變化評估，可以有助于認清氣候變化背景下生態建設工程對該地區的生態建設成效。

目前，已有許多生態模型及方法應用于生態系統服務功能的評估。InVEST模型因數據獲取簡單、操作方便、結果可靠而被廣泛應用[9]，尤其在計算水土保持服務功能時，考慮了泥沙輸移和沉積，因此在評估水土保持方面更為精確[10]，但在一些指標的計算上仍存在局限性，如在固碳量的計算上，忽略了土地利用類型上年際間的碳量變化，可能會由于林木生長引起的碳量增加而產生誤差[11]。綜合考慮科爾沁沙地的實際情況，本文根據《森林生態系統服務功能評估規范》(GB/T38582-2020)[12]及《荒漠生態系統服務功能評估規范》(LY/T2006-2012)[13]中固碳量的估算方法，以及通過水量平衡法、InVEST模型，分別對科爾沁沙地的固碳量、水源涵養及水土保持服務功能進行評估，以期為生態保護建設提供依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

科爾沁沙地地處內蒙古東南部，位于41°41′—46°05′N，117°49′—123°42′E，面積約為1.48×105km2。該區處于中溫帶亞濕潤邊緣地區，是典型的農牧交錯帶[14]。年均降水量為412.60 mm，但年際變化較大；年均氣溫為6.5 ℃，平均風速為3.8 m/s，春季大風日較多。土壤類型主要為暗棕壤、栗鈣土、黑壚土、沙土、草甸土以及鹽堿土，植被以蒙古植物區系的植物為主[15]。土地利用類型以耕地、林地和草地為主，地形呈西高東低的特征[14]，平均海拔高度約為446.86 m(附圖1,見封3)。

1.2 數據來源

本文的土地利用數據(2000，2010，2018年)和高程(DEM)數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(http:∥www.resdc.cn)，空間分辨率為1 km；氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.cn)，包括降水、氣溫日數據；遙感數據來源于MODIS數據產品，主要包括植被監測數據歸一化植被指數(NDVI)，空間分辨率為1 km；蒸散(ET)和凈生產力(NPP)數據通過生態過程模型BEPS模型計算得到，該模型的結果已在東亞等地區得到了很好的驗證和應用[16-17]。

1.3 方 法

1.3.1 土地利用分析 轉移矩陣可以定量描述各類土地利用類型之間的相互轉化，由此確定土地利用類型的變化方向，其計算公式如下[18]：

(1)

(2)

(3)

式中：Mij為土地利用類型i變為j的轉移量;Ai為在t1時期第i個土地利用類型的面積(km2);Bj為t2時期第j種土地利用類型的面積(km2)。

1.3.2 固碳量評估 固碳服務功能是生態系統所提供的重要服務功能之一，在改善生態環境和緩解全球氣候變化等方面起重要作用。根據光合作用的方程可知，植物利用太陽光能吸收CO2和H2O，生成葡萄糖的碳水化合物并釋放O2，再以葡萄糖轉化為多糖，光合作用方程如下：

6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2

↓

多糖+H2O

(4)

植被每積累1單位干物質，吸收固定1.63單位的二氧化碳，固碳量計算公式為[19]：

G固碳=1.63×R碳×NPP

(5)

式中：G固碳為植被年固碳量〔g/(m2·a)〕(以C計)；R碳為CO2中碳的含量(27.27%)； NPP為單位面積植被凈生產力〔g/(m2·a)〕(以C計)。

1.3.3 水源涵養評估 本研究基于水量平衡原理計算水源涵養量。考慮降水量、蒸散及土地類型等相關因素，水源涵養量計算公式如下[20]：

TQ=(1-α)×PRE-ET

(6)

式中：TQ為總水源涵養量(mm);α為平均地表徑流系數; PRE為年總降水量; ET為年總實際蒸散量。

1.3.4 水土保持評估 本研究采用InVEST模型計算水土保持量，即為潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量之差，其計算方法總結如下[21]：

AC=Ap-Ar

(7)

Ap=R×K×L×S

(8)

Ar=R×K×L×S×C×P

(9)

式中：AC為水土保持量〔t/(hm2·a)〕;Ap為潛在土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕;Ar為實際土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕;R為年降水侵蝕力因子〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕;K為土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·hm2·MJ·mm)〕;L,S分別為坡長、坡度因子;C為植被覆蓋因子;P為保持措施因子。

1.3.5 生態系統服務功能變化量 本研究采用絕對變化量直觀反映生態系統服務功能的變化情況，即：

ΔX=Xt-X0

(10)

式中：ΔX為各生態系統服務功能變化量;Xt為第t年的生態系統服務功能量;X0為研究期內初始年的生態系統服務功能量。

2 結果與分析

2.1 氣候和土地利用變化特征

圖1給出了科爾沁沙地氣候要素的時間變化趨勢。由圖1a可知，降水呈顯著上升趨勢(p<0.05)，年均降水量在316.09～559.23 mm之間變化，多年平均降水量為412.60 mm。2001，2007，2009年降水量較少，而2005，2010，2012年降水量較多，且2012年降水量大幅度增加，為研究期內的最高值559.23 mm。氣溫呈略微升高的趨勢，年均氣溫變化范圍在5.14～7.53 ℃之間，多年平均氣溫為6.50 ℃。其中，2005，2010，2012年氣溫較低，而2007年氣溫較高。綜合分析降水和氣溫條件，2007年科爾沁沙地高溫少雨，2005，2010，2012年氣溫低但降雨多，氣候較為濕潤。根據圖1b，蒸散呈極顯著增加趨勢(p<0.01)，年均蒸散量在357.14～429.81 mm之間變化，多年平均蒸散為380.20 mm。2003，2005，2008，2010年蒸散較小，而2001，2007，2017年蒸散較大。

植被覆蓋歸一化指數(NDVI)能較好地表征植被特征。從圖1可知，NDVI呈現極顯著上升的趨勢(p<0.01)，其變化介于0.27～0.33之間，多年平均NDVI為0.30。2001，2007，2009年NDVI處于較低水平，2003，2005，2008，2012年以后NDVI處于較高水平。

科爾沁沙地的土地利用類型主要為耕地、林地和草地，面積大小為：草地>耕地>林地?？臻g上，林地集中分布在位于西北部的科爾沁右翼中旗、扎魯特旗、阿魯科爾沁旗和巴林左旗，耕地和草地則交錯分布(圖1)。從時間變化上看(圖2)，2000—2010年土地利用類型變化比較小，而2000—2018年出現較大幅度的增減。其中耕地面積增加了3 280 km2，林地面積增加了8 448 km2及其他用地增加了892 km2，草地面積減少了12 639 km2，濕地和建設用地增減不明顯。

圖2 2000-2018年科爾沁沙地土地利用類型變化情況

土地利用轉移矩陣可以清晰地掌握研究時期內土地轉移動向，2000—2018年科爾沁沙地土地利用轉移矩陣見表1。2000—2018年有9 471 km2草地轉為耕地，有8 574 km2草地轉為林地，有6 886 km2草地轉為其他用地。草地大幅度轉為耕地的同時還有1 989 km2的林地轉為耕地，1 152 km2的建設用地轉為耕地，以及2 166 km2其他用地轉為耕地。另外，有3 216 km2的耕地轉為林地，濕地、建設用地及其他用地均有不同程度地向林地轉移，林地面積有明顯的增加。

表1 2000-2018年土地利用類型轉移矩陣 km2

2.2 固碳量功能變化特征

2001—2018年，科爾沁沙地固碳量極顯著增加(p<0.01)(圖3)，共增加3.34×106t(表2)。其中，耕地和林地的固碳量呈增加趨勢，而草地呈減少趨勢。2001年耕地、林地和草地的固碳量分別占所有土地類型固碳量的26.61%，15.22%，44.28%。2018年分別占所有固碳量的31.21%，20.39%，32.44%。對空間上單位面積的固碳量進行分析(附圖2,見封3)，林地、草地和耕地3種主要土地類型相比，林地的單位面積固碳量最大，耕地次之，草地最??；對比3種不同土地類型的單位面積固碳量變化情況(附圖3,見封3)，2001—2018年單位面積固碳量變化介于-60～90 g/m2(以C計)之間，結果表明耕地增加最顯著，草地和林地次之。

圖3 2001-2018年各生態系統服務功能時間序列

表2 2001-2018年科爾沁各土地利用類型固碳量

2.3 水源涵養功能變化特征

2001—2018年科爾沁沙地水源涵養功能明顯改善，水源涵養總量呈先增加后略微減少的趨勢，從2001年的3.19×108m3增加到2010年的1.40×1010m3，后減少為2018年的6.41×109m3(表3)。在所有土地利用類型中，林地的水源涵養總量持續增加，2001年林地水源涵養總量為3.10×107m3，占所有地類水源涵養總量的9.71%，2018年增長為9.14×108m3，占所有地類水源涵養總量的14.25%。受降水量、蒸散等多方面影響，空間上單位面積水源涵養量分布不均，如2018年的巴林左旗、開魯縣、科爾沁區和敖漢旗基本無水源涵養能力，翁牛特旗、通榆縣、科爾沁右翼中旗、左翼中旗和左旗后旗的平均單位面積水源涵養量大于30 mm，水源涵養能力較強(附圖2，見封3)。2001—2018年單位面積水源涵養變化量由北向南逐漸降低(附圖3，見封3)，變化范圍為-260～360 mm，表明研究期間通榆縣和科爾沁右翼中旗在生態工程實施下的水源涵養能力改善明顯。

表3 2001-2018年科爾沁各土地利用類型水源涵養量

2.4 水土保持功能變化特征

2001—2018年科爾沁沙地水土保持總量呈持續顯著上升的趨勢(p<0.05)(表4)，2001年水土保持總量為1.63×107t，2018年為3.01×107t，約增加1.38×107t。2001—2018年耕地和草地的水土保持總量在所有土地類型水土保持總量中的占比有所下降，而林地占比升高，2001年耕地、草地和林地占比分別為21.41%，46.70%，24.03%。2018年三者的比例分別為20.55%，34.00%，37.53%。單位面積水土保持的空間分布受地勢影響，大致呈現西高東低的分布特征，比如2018年科爾沁右翼中旗西北部、扎魯特旗、巴林左旗的平均單位面積水土保持量較高，超過3 t/hm2(附圖2，見封3)。2001—2018年單位面積水土保持量變化范圍介于-2.5～35.0 t/hm2之間，總體表現為西北增加顯著，其次為西南，其中增長較高的地區主要集中分布在科爾沁右翼中旗西北部、扎魯特旗、阿魯科爾沁旗西北部、巴林左旗北部、翁牛特旗西部(附圖3，見封3)。

表4 2001-2018年科爾沁各土地利用類型水土保持量

3 討 論

生態建設工程的實施改變當地土地利用情況，并對生態系統服務功能產生一定影響[22]。研究表明研究區固碳量顯著增長主要是由于耕地和林地固碳量的增加造成，這與耕地和林地面積增加相吻合，說明土地利用類型面積的變化是固碳量變化的主要原因，與楊殊桐等[22]的研究結果一致。水源涵養總量呈先增加后略微減少的趨勢，在生態工程實施期間，植被覆蓋得到改善，水源涵養量增加，但同時也加大了蒸散量，從而引起水源涵養量的減少，并且隨著耕地面積的擴大，農業耗水量增加，亦使水源涵養量減少，與祝萍等[23]、王秀明等[24]和曹葉琳等[25]的研究結果相近。水土保持總量持續上升，林地水土保持總量在所有土地類型水土保持總量中的占比有所提高，說明林地在改善水土保持方面起著重要作用，與康慧慧等[26]的研究結果一致。

另外，分析各生態系統服務功能的時間序列可知，2005年和2012年固碳量、水源涵養及水土保持均處于高水平，而2007，2009年處于低水平。結合降水與氣溫的年際變化，發現2005，2012年降雨充沛，氣溫略低，而2007，2009年高溫少雨。說明干旱會造成生物量的減少以及植物生產力的降低，從而導致固碳量的減少，水源涵養量和水土保持量也因干旱而略微降低。由此可以判斷位于農牧交錯帶的科爾沁沙地各項生態系統服務功能的變化受氣候條件的影響，尤其受降水量影響明顯。因此，在未來的生態系統服務功能的評估中需加強驅動因素分析，使評估結果更準確和科學。

4 結 論

本研究計算并評估2001—2018年科爾沁沙地的固碳、水源涵養和水土保持生態服務功能的變化情況，得出如下結論：

(1) 科爾沁沙地2000—2018年土地利用類型主要為耕地、林地和草地，在生態建設工程下土地利用類型面積變化顯著，耕地面積增加3 280 km2，林地面積增加8 448 km2，草地面積減少12 639 km2，這主要是耕地、林地和草地間相互轉移的結果。

(2) 2001—2018年科爾沁沙地固碳量顯著增長，耕地、林地的固碳量在所有土地類型固碳量中的占比分別增加4.50%，5.17%。草地固碳量占比減少10.84%，但草地固碳量仍最大。林地單位面積固碳量最大，耕地和草地次之。

(3) 2001—2018年科爾沁水源涵養總量呈先增加后略微減少的趨勢，與植被覆蓋及氣候條件密切相關，林地的水源涵養總量不斷增加。2001年林地水源涵養總量為3.10×107m3，占所有土地類型的9.71%。2018年增加為9.14×108m3，占所有土地類型的14.25%。

(4) 2001—2018年科爾沁沙地水土保持總量持續上升，約增加1.38×107t，但受地勢影響，呈西高東低的分布特征。林地水土保持總量在所有土地類型水土保持總量中的占比有所提高，2001年為24.03%，而2018年提高到37.53%，說明林地具有較好的水土保持能力。