土地退化零增長評估
——以蒙古高原為例

鄭欣雨,呂 楠,*,張 璐

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085

2 中國科學院大學,北京 100049

土地退化是在自然和人為因素影響下,土地生產潛力持續下降的過程[1—4]。聯合國防治荒漠化公約(UNCCD)把土地退化定義為“土地的生物或經濟生產力和復雜性兩方面的減少或損失”,雨養農田、灌溉農田、牧場、草原、森林等各類土地都可能發生退化。導致退化的原因有土地利用變化、人類活動、生產生活方式變化、以及氣候變化等一種或幾種因素相互疊加[5]。

為了制止和扭轉土地退化和恢復已退化的土地,全球和區域范圍內制定了若干的目標和倡議[6]。2015年9月,聯合國大會通過的《2030年可持續發展議程》提出了17個可持續發展目標,其中可持續發展目標(SDG) 15.3明確給出了“努力建立一個不再出現土地退化的世界”的表述,隨后,UNCCD提出“土地退化零增長”(LDN)的概念(或稱為土地退化中性)。LDN的定義為,在一定時空尺度與生態系統范圍內,保障生態系統功能與服務,以及保持或增加健康土地資源的數量與質量以維持糧食安全的一種生態系統狀態[7]。作為一項政治目標,LDN被納入2030年可持續發展目標[8],即到2030年前,實現全球土地退化的零凈增長。

國內外學者陸續開展了關于LDN概念、指標體系和評估方法的相關研究[8—9]。當前LDN研究大部分著眼于概念框架和指標體系的完善,針對具體區域的LDN實證研究較少[10—12]。現有的評估如Dengiz[10]基于LDN框架分析了2001—2015年亞洲蓋迪茲河流域(亞濕潤陸地生態系統)的土地生產力動態(LPD),結果表明該區域大部分土地呈現退化狀態或退化的早期跡象。Kapovic等[11]評估了2000—2010年歐洲斯普斯卡共和國(亞濕潤生態系統)的LDN狀態及主要驅動因素,并指出該區域未來生態恢復工程實施的熱點區域。LDN概念最初是針對干旱區提出的[13],但是當前針對干旱區的評估非常缺乏,現有的研究只有關于LDN概念框架的合理性、LDN目標設定對干旱區荒漠化問題的有效性等的討論[14]。由于干旱區分布范圍較廣且干旱區的土地退化將帶來沙塵暴等一系列環境問題,評估干旱區的LDN目標的實現狀態對于認識區域氣候變化和恢復工程的對土地健康的影響具有重要意義。

蒙古高原位于亞洲東北部,區域海拔較高且絕大部分地區位于干旱或半干旱區。自20世紀90年代以來,由于溫度和大氣中CO2濃度升高導致植被的蒸騰作用增強,加之森林砍伐、對礦產資源的持續開發等人類活動,導致蒙古高原草地退化,生態系統遭到嚴重破壞[15]。21世紀初,隨著區域降雨量增加、以及蒙古國和中國兩國政府開始實施一系列生態保護工程,蒙古高原地區的土地退化得到遏制,退化面積逐漸減小[16—17]。蒙古高原的生態恢復與生態安全是區域可持續發展的關鍵。本文首先介紹LDN概念的發展歷程與評估方法,接下來以蒙古高原為例開展LDN的區域評估,旨在評估蒙古高原生態恢復的成效并識別現階段存在的問題,為蒙古高原地區未來生態恢復管理供科學依據。

1 土地退化零增長的概念與評估方法

1.1 概念

土地退化零增長的概念最初是由Grainger等[13]在干旱區提出的,他們指出在干旱地區研究土地退化對實現可持續發展目標具有重要意義,將LDN作為一種新的科學框架用于恢復退化土地、規劃土地利用,通過在干旱區實施綜合全面的計劃來減少荒漠化。LND目標一方面要求避免或減少土地退化,另一方面要求恢復已退化的土地,使土地退化和土地恢復的面積相平衡,最終目的是讓土地呈現健康、生產力向好、沒有凈損失的狀態[7,18]。由于不同國家和區域的特殊性,在國家一級實行LDN評估還存在較大的挑戰,如區域和全球定量數據集的缺失、以及量化土地退化的方法的不一致性[19]。

1.2 評估方法

由UNCCD科學與政策聯系平臺(SPI)提出的LDN科學概念框架(LDN-SCF)主要包括3個核心指標,即土地覆蓋、土地生產力和土壤有機碳[18,20]。通過分析各個子指標在基線期和評估期的相對變化,可以確定土地退化或恢復的程度和對應面積,并計算LDN綜合指標。基線期是LDN目標評估的參考期,基線期的評估可以確定LDN目標評估的參考基準。LDN綜合指標的計算遵循“one out all out (1OAO)”的原則,即研究單元上某一子指標表現為退化,則認為該區域存在潛在退化風險[21]。評估LDN通常包括3個步驟:

(1)確定基線期(T0)的土地狀態:通過基線期LDN綜合指標來量化。一般選擇基準年之前的10年左右均值作為參考基準[22]。

(2)確定評估期(Tn)的土地狀態:通過評估期LDN綜合指標來量化。一般選擇基準年之后的4年以上作為評估期。

(3)對比評估期相對于基線期土地狀態的變化,即判斷與基線期相比, 評估期內新增退化土地的面積和新增恢復土地面積之間的大小關系,若前者大于后者則LDN目標未實現,否則表明該區域已經實現了LDN目標。

1.2.1土地覆蓋評估

土地覆蓋指標可以表征區域內的社會生產動態,能夠識別自然和人為管理導致的土地覆蓋類別之間的轉換[23]。UNCCD基于生態保護原則,對除水體之外的六種土地覆蓋類型(森林、草地、農業用地、濕地、城鎮和裸地)之間的轉化做了定義,把所有的轉化類型分為退化、穩定和恢復3種。土地覆蓋變化的評估步驟如下[21]:

(1)將土地覆蓋數據重新劃分為森林、草地、農業用地、濕地、城鎮、裸地、水體共7類;

(2)生成基線期(或評估期)起止年份的土地利用轉移矩陣;

(3)根據已有知識及研究區內的情況并參考UNCCD對各地類之間轉化關系的定義,確定不同土地覆蓋轉換與土地狀態(退化、穩定和恢復)之間的關系(表1)。

表1 土地覆蓋類型轉化與土地狀態之間的關系

1.2.2土地生產力評估

圖1 生產力指標評估方法

1.2.3土壤有機碳評估

土壤有機碳(SOC)反映了影響植物生長和分解的多個過程,這些過程共同控制著陸地土壤有機碳庫的損益。由于長時間序列、大尺度的SOC數據難以獲取,在評估SOC變化時可參考聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)指南,即綜合土地覆蓋變化和土壤有機碳靜態數據來評估SOC的變化并確定潛在的退化區域,其計算方法如下:

(1)確定土壤有機碳的參照值。研究可采用SoilGrids 數據序列中表層 30 cm的碳儲量作為參照值。

(2)采用土地利用變化的碳轉換系數來估計碳儲量的變化。采用IPCC和UNCCD推薦的管理措施和碳輸入項。但是在許多地區有關管理措施和碳輸入項的明確的空間信息是很難獲取的,因此只能采用土地利用轉換系數來估計碳儲量的變化[18,21](表2)。

表2 基于土地覆蓋變化的土壤有機碳轉換系數及評價標準

(3)計算土壤有機碳的相對變化率,研究期內土壤有機碳損失10%及以上的區域被確定為潛在退化區域,土壤有機碳增加10%及以上的區域確定為潛在恢復的區域。

1.2.4LDN綜合指標

LDN評估涉及基線確定和動態評估兩個方面,分別通過計算基線期和評估期的LDN綜合指標來量化不同時期的退化與恢復的面積。LDN綜合指標的計算包括土地覆蓋、土地生產力和土壤有機碳3個子指標的綜合評估:在像元水平上,若其中1個指標為退化,則LDN綜合指標為退化;若3個指標都表現為穩定,則LDN綜合指標為穩定;若3個指標中兼有穩定和恢復,則LDN綜合指標為恢復。

2 蒙古高原土地退化零增長評估

2.1 研究區概況

蒙古高原位于亞洲中部(37—53°N,88—120°E),面積約為2.74×106km2,主要由蒙古國(57%)和中國的內蒙古自治區(43%)組成(圖2)。蒙古高原位于干旱和半干旱區,屬于溫帶大陸性氣候,盛行西北風;年均溫度和降雨量分別為1.9℃和233mm[15];夏季高溫,冬季寒冷;天氣驟變,冰凍、暴雪和沙塵暴經常發生在冬季。蒙古高原的土地覆蓋類型多樣,根據MODIS土地覆蓋產品(MCD12Q1,2020),草地約占蒙古高原的68.24%,分布在東南部和北部。植被覆蓋度較低的荒漠也是蒙古高原主要的土地類型,占26.36%,主要分布在蒙古的南部和內蒙的西部。此外,森林和農田也在內蒙古有一定的分布,分別占4.4%和2.56%,主要分布在內蒙的東北部和南部。

圖2 蒙古高原2020年的土地覆蓋類型分布

2.2 數據源和研究方法

自21世紀以來,隨著降水增加以及一系列環境法律和政策的實施,蒙古高原土地退化面積減小,植被生物量和生產力逐漸增加[25—26]。因此,本研究將評估蒙古高原地區2001—2020年間LDN目標的實現情況,其中基線期設置為2001—2010年,評估期為2011—2020年,對比過去20年間前10年和后10年的土地退化和恢復的相對趨勢。LDN綜合指標包括土地覆蓋、土地生產力和土壤有機碳3個子指標,分別采用MODIS土地覆蓋數據(MCD12Q1)、MODIS 歸一化植被指數(NDVI)數據(MOD13A2)和SoilGrids250m土壤有機碳儲量數據作為數據源。

2.2.1土地覆蓋數據

土地覆蓋數據采用的是基于國際地圈-生物圈計劃(IGBP)分類系統的MODIS MCD12Q1(http://modis.gsfc.nasa.gov/),空間分辨率為500m,該數據集是MODIS的反照率數據通過監督分類得到的,其在全球范圍的總體精度約為75%[27]。IGBP定義了17個主要的土地覆蓋類型,將其重新劃分為森林、草地、農業用地、城鎮、荒漠、水體6類[26](由于濕地占比較小,本研究忽略濕地與其余各類型之間的轉化)。

2.2.2土地生產力數據

本研究將NDVI數據作為生產力的代理指標,其來源于MOD13A2(https://modis.gsfc.nasa.gov/),時間分辨率為16d,空間分辨率為1km。由于在秋冬季節蒙古高原大部分植被由冰雪覆蓋或停止生長,因此本研究在計算生產力指標時只考慮生長季(5—9月)NDVI的變化,將各年生長季的NDVI求均值得到逐年的年均NDVI。由于荒漠地區的植被覆蓋度較低,其NDVI值不能反映該區域植被的實際生長情況。因此,本研究將年均NDVI小于0.1的區域定義為“非植被區”,不考慮該區域生產力指標的變化。

2.2.3土壤數據

土壤類型數據采用的是IPCC推薦的土壤分類數據(https://files.isric.org/),該數據集基于一系列分類程序和世界土壤數據庫(HWSD)將聯合國糧農組織(FAO)的土壤分類轉換為7個土壤類型:高活性粘土(HAC)、低活性粘土(LAC)、砂質土 (SAN)、黑土(POD)、火山(VOL)、濕地(WET)和有機土壤(ORG)。土壤有機碳儲量數據采用的是SoilGrids數據集中的0—30cm表層土的碳儲量(https://files.isric.org/),空間分辨率為250m。

3 研究結果

3.1 單個指標評估

3.1.1土地覆蓋評估

基線期(2001—2010年)生態系統總體表現為恢復,即恢復區總面積大于退化區總面積(圖3)。恢復區面積為7.35×104km2,占高原總面積的2.68%。恢復區主要分布在內蒙古的東北、東部和南部以及蒙古的中部以及北部地區。恢復的主要類型是裸地轉化為草地(3.74×104km2)、草地轉化為森林(2.60×104km2)、農業用地轉化為草地(0.98×104km2)。裸地恢復為草地的區域在蒙古西南和內蒙古西部的荒漠和草地的交錯區呈現明顯的帶狀分布,蒙古的中戈壁中部、中戈壁的中部和東部、錫林郭勒的西南部、烏蘭察布的西北部和巴彥卓爾的東部分布尤為集中。草地恢復為森林的區域集中分布于呼倫貝爾東部和興安盟的北部地區,在肯特西北部、中央省東北部色楞格東部,達爾汗烏拉東部、布爾干北部和庫蘇古爾東部還有一些零散的分布。農業用地恢復為草地的區域在呼倫貝爾市的中部東部分布較廣,同時在通遼東部、赤峰南部和呼和浩特中部也有部分分布。退化區面積為2.28×104km2,約占高原總面積的0.83%。退化區主要分布在內蒙古東北部、西南部和蒙古的北部和中部區域。退化的主要類型為草地轉化為農田(8.68×103km2)、林地轉化為草地(8.49×103km2)、草地轉化為裸地(5.44×103km2)。草地退化為農田的區域在呼倫貝爾中部和東部分布較為集中,此外在興安盟、通遼、巴彥卓爾和呼和浩特也有零散分布區;林地退化為草地的區域分布在呼倫貝爾的北部和中部和色楞格的北部;草地退化為裸地的區域在蒙古的戈壁阿爾泰、中戈壁和東戈壁東部分布較多。

圖3 基于土地覆蓋指標的評估結果(基線期,2001—2010年)

評估期(2011—2020年)生態系統退化和恢復的總體規模相當(圖4)。恢復區總面積為5.26×104km2,占高原總面積的1.92%。恢復區主要分布在蒙古在西部、東南部以及內蒙古的東北和西南部。恢復的主要類型為裸地轉換為草地(3.52×104km2)、草地轉換為林地(1.05×104km2)、農業用地轉換為草地(0.67×104km2)。裸地恢復為草地的區域呈現明顯的帶狀分布,從蒙古西部的巴彥烏列蓋往東途經科布多、戈壁阿爾泰、前杭愛、中戈壁、東戈壁、烏蘭察布、鄂爾多斯和阿拉善東南部;草地恢復為林地分布于呼倫貝爾東部和蒙古的色楞格和布爾干北部。農業用地恢復為草地的區域分布與呼倫貝爾中部和東部、赤峰南部。退化區總面積為4.74×104km2,占高原總面積的1.73%。退化區主要在內蒙古的東北、蒙古的北部和西南部集中分布,此外在蒙古的北部和中部區域有部分零散分布。退化的主要類型為林地轉換為草地(2.49×104km2)、草地轉換為農業用地(1.66×104km2)、草地轉換為裸地(0.58×104km2)。林地退化為草地的區域在呼倫貝爾中東部和蒙古的色楞格東部;草地退化為農業用地的區域在呼倫貝爾東北、通遼東南部、呼和浩特中部和巴彥卓爾南部;草地退化為裸地的區域在高草中部的草地-荒漠交錯帶上零散分布,其中在巴彥洪戈爾中部和東戈壁分布較多。

圖4 基于土地覆蓋指標的評估結果(評估期,2011—2020年)

3.1.2土地生產力評估

基線期和評估期生態系統總體均表現為恢復。前者恢復、穩定、退化和非植被區的面積分別為8.00×105km2、9.81×105km2、1.13×105km2和8.45×105km2,分別占高原總面積的29.21%、35.79%、4.13%和30.87%;后者四種類型的面積分別為10.64×105km2、7.42×105km2、1.19×105km2、8.16×105km2,分別占38.82%、27.07%、4.35%、29.77%。恢復區在整個蒙古高原廣泛分布,包括蒙古的北部和內蒙古的東部地區。退化區在高原中部的荒漠-草原交錯區呈帶狀分布,其中基線期在前杭愛中部、中戈壁中部、東戈壁西北和東南部以及赤峰的西北部分布較集中,此外在巴彥烏列蓋、科布多、戈壁阿爾泰、巴彥洪戈爾、肯特和烏蘭察布也有零散分布;而評估期在戈壁阿爾泰東部、巴彥卓爾北部、前杭愛東部、中戈壁中部分布較為明顯(圖5、圖6)。

圖5 基于土地生產力指標的評估結果(基線期,2001—2010年)

圖6 基于土地生產力指標的評估結果(評估期,2011—2020年)

3.1.3土壤有機碳評估

基線期恢復區和退化區的面積分別為4.70×104km2、1.39×104km2,分別占高原總面積的1.71%和0.51%,土壤有機碳儲量在2001—2010年間增速為7.11×106tC/a。恢復區在巴彥烏列蓋北部、烏布蘇南部、科布多北部和扎布汗西部有一個明顯的塊狀分布;在中戈壁東南、南戈壁的北部、東戈壁南部和烏蘭察布的北部也有一個較為集中的塊狀分布區;在呼倫貝爾中部有一個較小的條帶狀分布區。退化區在蒙古國的科布多中部、戈壁阿爾泰北部、巴彥洪戈爾中部和前杭愛南部分布較為集中;在內蒙古呼倫貝爾東部,興安盟東部、通遼東部和巴彥卓爾也有明顯的分布(圖7)。

圖7 基于土壤有機碳指標的評估結果(基線期,2001—2010年)

評估期恢復區和退化區的面積分別為4.15×104km2、2.21×104km2,分別占高原總面積的1.51%和0.81%,土壤有機碳儲量在2011—2020年間增速為6.04×106tC/a。恢復區從蒙古西部的巴彥烏列蓋,往東經過科布多戈壁阿爾泰、巴彥洪戈爾、前杭愛、南戈壁、中戈壁和東戈壁,往南經過內蒙的錫林郭勒、烏蘭察布、巴彥卓爾和包頭,形成一條從西至東,再往南的貫通的帶狀分布于蒙古高原的荒漠和草地的交錯帶。退化區在內蒙古呼倫貝爾的中部和東南部分布較為集中,在興安盟、通遼、赤峰、巴彥卓爾和呼和浩特也有零散分布;在蒙古的中戈壁和東戈壁也有小部分的分布。基線期恢復區的分布面積是明顯大于退化區的,在蒙古的南部與內蒙古的西南呈帶狀分布,在內蒙古的東北有較明顯的塊狀集中分布區(圖8)。

圖8 基于土壤有機碳指標的評估結果(評估期,2011—2020年)

3.2 綜合評估

基于土地覆蓋、土地生產力和土壤有機碳3個核心指標,根據“1OAO”的原則分別計算基線期和評估期的LDN綜合指標。基線期LDN綜合指標表明,退化區主要分布在蒙古的西北部和東南以及內蒙古的西北、東北及東部邊緣,退化區域的總面積為1.32×105km2,約占高原總面積的4.82%;基線期恢復區的面積為8.24×105km2,約占高原總面積的30.09%。基線期的退化區主要分布于巴彥洪戈爾中部、戈壁阿爾泰北部、科布多、巴彥烏列蓋、烏布蘇南部、庫蘇古爾北部和色楞格北部;在中戈壁東部、東戈壁北部和南部以及烏蘭察布、包頭北部和巴彥卓爾東南部呈現半環狀分布;呼倫貝爾東部、興安盟、通遼和赤峰有一些零散分布區。基線期的恢復區分布范圍較廣,包括蒙古的北部和內蒙古的東北及東南地區(圖9)。3個指標均表現為退化的區域約占0.0096%、3個指標均表現為穩定的區域約占35.03%、3個指標均表現為恢復的區域約占0.20%;由NDVI主導的退化約占4.00%,由NDVI主導的恢復約占27.88%;由土地覆蓋主導的退化約占0.28%,由土地覆蓋主導的恢復約占0.23%;3個指標中任意兩指標組合來決定土地狀態的區域約占31.22%(圖10)。

圖9 LDN綜合指標(基線期,2001—2010年)

圖10 基線期和評估期各個指標的貢獻率

評估期的LDN綜合指標的結果表明,退化區在蒙古的中部和西部分布較為集中,在內蒙古的東北和東部區域也有一些零散分布區。評估期退化區的面積為1.63×105km2,約占高原總面積的5.94%。恢復區的面積約為10.63×105km2,約占高原總面積的38.79%。退化區從西至東依次經過科布多、戈壁阿爾泰北部、巴彥洪戈爾中部、前杭愛中部、中戈壁西部形成一條明顯的帶狀退化區;在內蒙古的北部和東部,包括呼倫貝爾東部、興安盟、通遼和赤峰有零散分布區。評估期恢復區的面積也是明顯大于退化區的,恢復區分布于蒙古的北部和東部以及內蒙的北部和中部地區(圖11)。3個指標均為退化的區域約占0.01%、3個指標均表現為穩定的區域約占26.22%、3個指標均表現為恢復的區域約占0.14%;由NDVI主導的退化約占4.23%,由NDVI主導的恢復約占37.35%;由土地覆蓋主導的退化約占0.87%,由土地覆蓋主導的恢復約占0.12%;3個指標中任意兩指標組合來決定土地狀態的區域約占29.91%(圖10)。

圖11 LDN綜合指標(評估期,2011—2020年)

通過對比評估期與基線期的土地狀態——疊加評估期和基線期LDN綜合指標的結果,判斷新增退化土地與新增恢復土地面積的大小關系得到當前LDN的總體情況(圖12)。

圖12 以2001—2010年為基準期的2011—2020年動態變化評估

結果表明,與基線期相比,評估期新增退化區域的面積為7.77×104km2,約占高原總面積的2.84%;評估期新增恢復區域面積約為10.83×104km2,約占高原總面積的3.96%。新增退化區在高原中部呈現明顯的帶狀分布,從戈壁阿爾泰東部往東依次經過巴彥洪戈爾北部、前杭愛省中部和中戈壁西部;同時在內蒙古東北部也有較為明顯的散亂分布,包括呼倫貝爾中東部和通遼東部等。新增恢復區在中戈壁東部、東戈壁東南部和赤峰的西北部分布較為集中。

4 討論

土地退化和恢復評估很難用單一的指標充分反映土地的狀態,多個指標共同監測才能更充分地反映研究區內的土地狀況[28]。LDN評估作為SDG 15.3的目標,其核心是退化土地的基線評估和相對于基線期的動態監測。

4.1 蒙古高原的LDN評估

本研究基于LDN-SCF的3個核心指標,分別從不同的角度量化了蒙古高原土地的退化和恢復情況。

土地覆蓋變化反映了由于自然條件和人類活動而造成的景觀組分和結構的狀態和轉變[30],可以直觀地反映由于土地狀態的變化從而識別出退化和恢復的區域。研究發現蒙古高原地區土地覆蓋類型在過去20年間的變化相對較小且恢復占主導,退化區域和恢復區域主要分布在森林-草地和草地-裸地交錯地區。有研究采用更為精細的草地分類,發現蒙古高原地區1990—2015年不同類型草地之間的轉換較活躍且呈現退化趨勢[17,29—32],2000年之后土地恢復的能力逐漸提升。本研究所采用的土地覆蓋類型較粗糙,只能識別出不同類型之間的轉換,因此忽略了不同草地之間的轉化(如典型草原轉化為荒漠草原)導致的土地退化。由于土地利用與覆蓋類型的變化較小(基線期變化占比為3.51%,評估期變化占比為3.65%),因此基于這一指標識別出的生態系統變化的范圍也很小。

土地生產力指標表征土地的健康和生產能力的變化,并反映了生態系統功能的變化對植物和生物量增長的凈影響,其下降趨勢往往是土地退化的一個決定性特征。本研究將NDVI作為土地生產力的代理指標,發現區域生產力顯著增加,且恢復區域的面積遠大于退化區(基線期恢復區面積占29.21%,退化區約占4.13%;評估期恢復區面積約占38.82%,退化區約占4.35%),這與全球生態系統變綠的大趨勢一致,體現了大氣二氧化碳濃度的施肥效應[33],同時也受到區域降水量增多和生態工程的實施的影響[25]。生產力降低的區域主要分布在高原中部的草地-荒漠交錯區和高原西北的草地區域,與現有研究識別的生態退化區的空間范圍大體一致[26,34—35]。

土壤有機碳指標的變化較緩慢,在數年或者數十年的研究尺度內變化相對較小。本研究發現,20年間SOC發生變化的區域較少,整體表現為微弱的上升趨勢,退化區主要分布在內蒙古的草地和草地-農田過渡區以及高原中部的草地-荒漠過渡區,恢復區主要分布在高原北部的森林-草地交錯帶和中部的草地-荒漠交錯帶,這一結果與Shi等[36]模型模擬的結果相似。本研究結果表明,2001—2010年和2011—2020年兩個時間段,區域土壤有機碳庫總體為重要的碳匯(分別為7.11×106tC/a和6.04×106tC/a),這一數值與已有的估計相差不大(8×106tC/a)[37—39]。

土地覆蓋、土地生產力和土壤有機碳3個指標分別從最直觀的土地覆蓋類型的轉變、地上植被生產力的動態和地下土壤碳儲量的變化來評估土地的質量。3個指標中,NDVI的變化最為顯著、其次為土地覆蓋、SOC最穩定,因此以上評估結果中NDVI占主導作用。3個指標評估結果一致的區域在兩個時期分別占35.25%和26.38%;由NDVI指標主導的區域在兩個時期分別占31.88%和41.57%;由土地覆蓋指標主導的區域在兩個時期均不足1%。基于LDN-SCF的3個核心指標的結果表明,在2001—2020年間,蒙古高原的退化面積小于恢復面積,意味著與基線期(2001—2010年)相比,蒙古高原已實現LDN目標,這與采用植被綠度、植被生產力和植被冠層結構等指標(1982—2018年)發現的總體恢復趨勢一致[35,40]。由于干旱區NPP較低且受到降雨波動以及方面活動等影響較大,而土壤有機碳的積累相對較慢,因此區域中已恢復的生態系統應加以保護,減少干擾。生態系統健康狀態評估還需要更長時間尺度的監測[41]。

4.2 LDN評估方法的優缺點

基于LDN-SCF的LDN評估方法的優點在于可操作性強,對于缺少區域數據的地區,可以參考UNCCD指南的數據、指標和方法來評估當前LDN目標的完成情況。但是,LDN-SCF的LDN評估方法目前還存在一些不足。(1)全球數據與區域特性不匹配。由于推薦的數據源大都是全球尺度的,不能充分考略到地區的特點,可能會導致一些變化過程不能被捕捉到[7,32,42];(2)評估方法的分級和分類較為簡單。土地覆蓋類型轉化與土地狀態變化之間的關系存在爭議[21,43],土地生產力各個子指標的分級也比較粗糙;(3)評估指標較為單一。概念框架的3個核心指標不能充分表現不同區域之間的特點[44],某些區域的變化不能充分別識別;(4)缺乏更為具體的量化指標。目前的評估方法只是判斷退化和恢復面積的大小關系,未統計區域上固碳量、生物量等多種生態系統服務數量的變化,這就使得壞地換好地情況的出現,即面積上可以均等,但是壞地恢復獲得的生態系統服務的收益遠遠小于好地退化損失的收益[23,45]。

4.3 LDN評估未來研究方向

未來的LDN研究還須進一步深化:

(1)加強科學數據的研發。后續研究需要根據具體區域的特點開發適合本區的數據,例如蒙古高原地區主要的土地類型為草地和荒漠且不同草地類型之間的轉化較為活躍[46],土地覆蓋產品需要盡可能地細化這兩個地類的類型,才能更充分地識別該區域的變化。土壤有機碳的監測相對而言更為困難[47],一方面需要加密采樣點并訓練模型完成長時序土壤有機碳數據集的建立,另一方面也要完善SOC的動態檢測方法。

(2)細化評估方法的分級和分類。針對土地覆蓋指標,需要進一步明確土地覆蓋類型轉化與土地狀態之間的對應關系,并將目前的定性表述盡可能提升到定量研究。針對土地生產力指標,主要采用遙感指標作為代理,但是大尺度長時序的數據存在較大的波動性[48—49],當前許多基于遙感數據的研究結果存在較大爭議,后續研究在利用全球數據時應先采用高分數據和實地監測數據驗證該數據的可用性。后續研究應對目前應用的統計分析、極限檢測等這些評估方法細化分級數[18,50]。

(3)完善評估指標。后續的研究需要針對具體研究區域的特點來增加量化土地狀態變化的補充指標。例如,根據不同生態系統類型的特點補充評估指標,針對草原生態系統可以補充載畜量,荒漠生態系統可以補充防風固沙量等[5,51]。

(4)完善評估方法。為了更為準確地評估恢復土地的生態效應是否能夠抵消土地退化的效應,除了簡單地統計面積的變化之外,需要增加生物量、固碳量、以及其他生態系統服務的增減統計。

5 結論

LDN評估采用基線評估和評估期的動態監測來量化研究區域內土地的動態變化,通過對比基線期和評估期間退化和恢復土地的面積可以判斷是否實現LDN目標。蒙古高原評估結果表明,相對于基準年2010年的生態系統狀態,到2020年區域LDN目標已經達到,即恢復的面積超過退化的面積,而且SOC表現出弱的碳匯。由于全球尺度的數據空間分辨率較粗,如草地和荒漠在分類上較為粗糙,給區域LDN的評估帶來了較大的不確定性。同時,SOC指標由于缺少長時間序列的數據,通過區分不同氣候區的土地利用轉換系數來推算SOC的變化,其結果的不確定性也較大。未來需要結合模型和大量樣點數據的交差驗證提高SOC估算精度[37]。LDN案例評估的作用一方面可以根據研究區的具體情況補充評估指標并完善評估方法,另一方面區域評估能為該區域的管理實踐提供指導。本研究強調,未來LDN研究需要在區域數據的研發、評估方法的細化、評估指標的完善、定量化研究的加強等方面進一步深化;荒漠和草地交錯帶是蒙古高原地區退化顯著的區域,是未來生態恢復的關鍵區域。