錫林郭勒盟生態系統格局演變及驅動因素分析

劉亞紅，石磊，常虹，謝宇，維拉，孫海蓮，翟琇

（內蒙古農牧業科學院，內蒙古呼和浩特010030）

生態系統是人類賴以生存和發展的基礎，人類在向生態系統攫取資源的同時也在影響著生態系統的格局和質量。而生態系統格局與質量直接影響生態系統服務功能的變化，研究生態系統格局和質量時空變化對于生態保護、實現生態資源可持續發展具有重要意義。相比生態系統質量變化，生態系統類型的變化（或土地覆蓋/利用變化）更容易引起察覺和重視；而生態系統質量的變化是隱性的、漸進的，不易察覺，并且涉及范圍更廣，從而可能對生態系統穩定性、生態系統功能和生態系統服務產生更大影響［1］。所以，通過分析導致生態系統格局與質量時空動態演變的驅動力因素［2-3］，有助于量化分析已有生態保護和生態恢復政策措施實施的具體效果［4］，能夠為今后的區域生態保護和生態恢復政策研究、城市發展戰略制定提供可靠的科學依據［5］。傅伯杰［6］指出生態系統服務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度3 個方面引起的生態系統服務變化進行分析。

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

本試驗通過研究錫林郭勒盟2000-2015 年生態系統格局和質量變化，探討資源開發、城市化發展、社會經濟發展與生態保護政策等多重驅動因素對生態系統演變規律的具體作用，為生態系統恢復、生態系統質量提高、中國北部地區的生態屏障構建提供可信的科學數據和可實施的政策建議。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

錫林郭勒盟（簡稱錫盟）位于內蒙古自治區中部，42°32′-46°41′N，111°59′-120°00′E（圖 1）。總面積20.26 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，是京津冀地區重要的水源涵養地。錫盟地處中溫帶干旱半干旱大陸性季風氣候帶，南部有中國十大沙地之一的渾善達克沙地。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、風沙大、少雨。大部地區年平均氣溫在0～3 ℃，年降水量大部分地區200～350 mm，全年蒸發量1700～2600 mm。

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

1.2 數據來源

錫林郭勒盟土地利用數據來源于中國科學院生態環境研究中心，NDVI 數據通過MODIS 影像反演得到，氣象數據來源于內蒙古自治區氣象局。人口、牲畜數量、國內生產總值等數據來源于《內蒙古統計年鑒》。

1.3 錫林郭勒盟生態系統分類

錫林郭勒盟生態系統分類以全國生態環境調查評估的生態系統分類體系為標準，根據錫林郭勒盟的生態系統特征分為采礦用地、草地、耕地、灌木林、建設用地、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 生態系統類型面積比例 錫林郭勒盟生態系統類型的面積比例由生態系統分類系統中各種類型生態系統面積（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類生態系統第j年的面積比例；Sij代表生態系統類型中第i類生態系統在第j年的面積；LS代表研究區域的總面積。

1.4.2 生態系統類型變化的轉移矩陣分析 對錫林郭勒盟2000 和2015 年兩個年份的生態系統類型組成變化、轉變方向及轉變數量進行轉移矩陣比對分析。

式中：i代表錫林郭勒盟2000 年生態系統類型；j代表錫林郭勒盟2015 年生態系統類型；cij代表生態系統類型的面積；Cij代表 2000 年第i類生態系統 2015 年轉變為j類生態系統的比例；Dij代表 2000 年的第i類生態系統 2015 年轉變為j類生態系統的比例；Rij代表生態系統類型轉變方向。

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

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

式中：i代表i像元數量；RBDij代表j類生態系統i像元的相對生物量密度；Bij代表j生態系統i像元生物量；CCBj代表j類生態系統頂級群落每像元的生物量，運用生態系統長期定位觀測數據或樣地調查數據。

式中：Fc代表植被覆蓋度；NDVI為植被覆蓋指數，通過錫林郭勒盟遙感影像近紅外波段與紅光波段的發射率計算得到；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 驅動力分析

錫林郭勒盟生態系統格局與質量變化的驅動力包括自然因素和人為活動，自然因素主要探討氣候驅動力，考慮溫度、降水對生態系統格局和質量變化的影響；人為活動主要考慮產業結構、人口、城市擴張、城鎮化、政策法規等因素［15］。

2 結果與分析

2.1 生態系統分布與構成

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系統類型（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。農田生態系統 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；灌叢生態系統 44.78 萬 hm2，約占全盟面積的2.23%；沙漠生態系統50.74 萬hm2，約占全盟面積的2.53%；濕地生態系統43.39 萬hm2，約占全盟面積的2.16%；采礦用地、森林生態系統、城鎮生態系統、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，草原生態系統是面積最大的生態系統，覆蓋錫林郭勒盟大部分地區，農田生態系統主要集中在南部地區，森林生態系統集中在東北部地區（圖2）。

表1 2015 年錫林郭勒盟生態系統構成Table 1 The composition of Xilingol League ecosystem in 2015

2.2 生態系統相互轉移

2000-2015 年，錫林郭勒盟草地、灌叢、城鎮建筑用地、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%，其次是城鎮生態系統，增加19.06%，增加幅度最小的是草地生態系統，增加0.15%。農田生態系統、沙漠生態系統、水域生態系統面積均有降低，降幅最大的是水域生態系統，降低了97.46%，其次是農田生態系統，降低了10.40%，沙漠生態系統降低了2.54%（表2）。

表2 2000 年錫林郭勒盟生態系統類型面積構成及變化Table 2 The composition of changes of ecosystem types of Xilingol League in 2000

草地生態系統2015 年面積17287607.71 hm2，比2000 年增加了25997.00 hm2，農田生態系統、沙漠生態系統、水域生態系統、濕地生態系統等都有不同程度的轉入。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來源于草地生態系統，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化為采礦用地。城鎮生態系統2015 年面積比2000 年增加了27733.75 hm2，主要由草地生態系統轉入，轉入面積為23735.17 hm2，占總轉入量的85.58%（表3）。

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

2.3 生態系統質量及演變

2.3.1 灌叢及森林生態系統質量及演變 2015 年，錫林郭勒盟灌叢生態系統中，良和低等級面積較大，合計占總面積的60% 以上。優、良、中、低、差各等級分別占灌叢生態系統總面積的0.66%、28.95%、17.00%、32.55%、20.83%，其中：優 2900 hm2，良 126325 hm2，中 74150 hm2，低 142025 hm2，差 90900 hm2。2000-2015 年，灌叢生態系統質量明顯改善，優級增加了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 年錫林郭勒盟生態系統等級變化Fig.3 Change rate of Xilingol League ecosystem level 2000-2015

2015 年，錫林郭勒盟森林生態系統中，優、良、中、低、差各等級分別占森林生態系統總面積的12.75%、43.44%、22.13%、18.86%、2.81%。其中：優 16550 hm2、良 56375 hm2、中 28725 hm2、低 24475 hm2、差 3650 hm2。2000-2015 年，優等林地減少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 草地生態系統質量及演變 2015 年，錫林郭勒盟草地生態系統總面積為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、良、中分別占2.58%、7.70%、24.98%（圖4）。

2000-2015 年，草地生態系統質量明顯改善，總面積增加了27400 hm2，優、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 年錫林郭勒盟生態系統質量時空變化Fig.4 Spatiotemporal evolution of Xilingol League ecosystem 2000-2015

3 討論

3.1 經濟與產業發展對生態系統格局的影響

2000-2015 年，錫林郭勒盟 GDP、第一、二、三產業產值及人均GDP 等主要經濟指標均取得了長足的發 展 ，2015 年 全 盟 GDP 是 2000 年 的 14.45 倍 。 一 、二、三產業及人均 GDP 分別增加 4.45、23.71、14.36和 12.82 倍（表 4）。

表4 錫林郭勒盟驅動機制的社會經濟指標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、三產業的發展與草地生態系統、農田生態系統、城鎮生態系統、水域生態系統、采礦用地等進行相關性分析（表5）。在置信度為0.05 時，采礦用地與一產和三產的相關性達到顯著水平；灌叢生態系統與一產、三產顯著正相關。因此，錫林郭勒盟的經濟和產業發展與生態系統的演變具有顯著的相關性，特別是采礦用地表現為顯著正相關，說明社會經濟和產業的發展可能導致了采礦用地的擴張［16-17］。

表5 生態系統演變與指標相關性分析Table 5 Correlation analysis between ecosystem evolution and indicators

3.2 城鎮化對生態系統格局的影響

2000-2015 年，錫林郭勒盟城鎮化水平從35.60%上升到63.87%，增幅達1.79 倍，城鎮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，城鎮化水平上升明顯。人口密度和城鎮化水平對錫林郭勒盟生態系統影響趨勢整體同步［18］。在置信度為0.05 時，與灌叢生態系統相關性達到極顯著水平。這也在一定程度上說明了城鎮化是錫林郭勒盟生態系統演變的一個驅動因素［19］。

3.3 政策因素對生態系統格局的影響

2011 年開始，國家啟動實施了草原生態補助獎勵政策，內蒙古全區投入300 億元，2015 年內蒙古實施第二輪草原生態保護補助獎勵政策。在2000-2015 年，錫林郭勒盟有10 多項生態保護建設方面的政策實施，包括：《內蒙古自治區實施〈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）；《錫林郭勒盟生態建設項目資產管理辦法》（2006 年 2 月）；《錫林郭勒盟草畜平衡實施細則》（2007 年9 月）；《內蒙古自治區草原野生植物采集收購管理辦法》（2008 年12 月）；《關于加強牧場土地承包經營流轉管理服務的意見》（2009 年4 月）等，使錫林郭勒盟草原生態得到了一定的恢復，2000-2015 年，沙漠面積減少，農田轉化為草地，草地質量整體提高［20］。

3.4 氣候因素對生態系統格局的影響

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系統格局的相關性關系（表5），發現年降水量和年均溫度不是影響錫林郭勒盟生態系統格局變化的決定性因素。

4 結論

本研究分析了2000-2015 年錫林郭勒盟生態系統格局和質量變化情況，從生態系統類型、植被覆蓋度、生物量、社會經濟數據幾個方面，分析了錫林郭勒盟生態系統格局變化及其驅動力。研究結果表明：1）2000-2015年，錫林郭勒盟草地、灌叢、城鎮、裸地、濕地、森林、礦區面積有所增加，農田、沙地、水域面積有所下降。其中，面積增幅最大的是城鎮，其次是草地。面積降幅最大的是水域、其次是農田。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）從錫林郭勒盟生態質量來看，2000-2015 年呈整體好轉的局勢，其中，草地生態系統質量中東部地區提高最為明顯，而西南部地區呈不變和下降的態勢。3）錫林郭勒盟生態系統格局和質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，退耕還草政策促使農田向草原轉變。