基于PSR框架的內蒙古自治區土壤保持服務分區

彭 建,武文歡,劉焱序, 胡熠娜

1 北京大學城市與環境學院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 100871 2 北京大學深圳研究生院城市規劃與設計學院,城市人居環境科學與技術重點實驗室,深圳 518055

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基于PSR框架的內蒙古自治區土壤保持服務分區

彭 建1,2,武文歡1,劉焱序2, 胡熠娜2

1 北京大學城市與環境學院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 100871 2 北京大學深圳研究生院城市規劃與設計學院,城市人居環境科學與技術重點實驗室,深圳 518055

土壤侵蝕是中國北方重要的生態問題,內蒙古自治區位于干旱半干旱地區,是中國北方典型的土壤侵蝕區。針對以往生態功能分區分析框架復雜多樣、權重設定人為主觀等問題,以內蒙古自治區為例,基于壓力-狀態-響應系統分析框架,從氣候背景-土壤保持-植被條件三方面構建指標體系,運用自組織特征映射(SOFM)神經網絡和GIS空間分析技術,以1280個小流域為基本單元進行土壤保持服務分區,按照分區單元的聚集度對多種方案進行優選,并依據區域共軛性原則最終將研究區劃分為3個土壤保持服務區和11個土壤保持服務亞區。

土壤保持服務；RUSLE模型；RWEQ模型；SOFM神經網絡；內蒙古自治區

土壤是一種有限的自然資源,由于土壤侵蝕導致的土地退化,威脅全球經濟發展、糧食安全和人類福祉[1]。風蝕和水蝕是導致土地退化面積最大、影響范圍最廣的主要土壤侵蝕類型,其中水蝕占全球土壤侵蝕面積約56%、風蝕約占28%[2]。中國是世界上土壤侵蝕最嚴重的國家之一[3],因水蝕和風蝕造成的土壤退化占全國總土地退化面積的83.56%[4]。另一方面,自然資源開發利用的同時,需要確保生態基礎、生態環境得到最大限度保護[5]。因此,開展以土壤保持服務為重點的生態功能分區能夠明確區域生態系統特征,辨析主要生態環境問題及其空間分異,從而有助于實現區域可持續發展的分區管治。

空間區劃一直以來都是地理學的傳統研究主題。生態功能分區研究最早于1976年在美國興起[6],重點關注國家等大尺度研究[7-9]。自21世紀以來,隨著人地矛盾不斷加劇,我國以政府為主導的生態功能分區工作自“十一五”開始[10],先后開展了多項以國家和省域尺度為重點的生態功能分區[11-14]。此后,越來越多的學者將研究尺度推廣到市[15-20]、縣[21],以至于流域[10,22-24]。總體而言,現有生態功能區劃研究在分區視角上基本相似,多數注重對單一分區方案的宏觀描述,而多種分區方案的對比和定量化方案篩選逐步成為研究熱點方向。在分區方法和技術層面,已有研究多采用專家集成方法[25],存在主觀性強、個體差異大等缺點。雖然回歸分析、主成分分析和聚類分析等數理方法能夠對線性可分問題給出詳細解釋,但針對線性不可分問題難以給出合理解決方案[26]。隨著地理學計量革命的興起,計算機技術在自然地理區劃研究中的應用越來越廣泛,新方法逐漸興起,如人工神經網絡、模糊集合理論、模擬退火算法和遺傳算法等[27]。其中,憑借非線性優勢的自組織特征映射(self-organizing feature maps, SOFM)神經網絡模型在地理學分區工作中受到越來越多的學者青睞[28-35]。而重點關注土壤保持服務相關的分區研究,目前大多注重結果的宏觀表達,在全國尺度上較為完善[36-38],分別完成全國土壤侵蝕區劃[39]及土壤侵蝕調查[40]。此外,大多數研究側重水蝕性或風蝕等單一類型土壤侵蝕評估[41-43],缺乏小尺度的綜合性土壤保持服務研究。

內蒙古自治區處于干旱半干旱地區,生態環境敏感脆弱,植被覆蓋率低,存在大范圍的生態破壞和嚴重的水土流失現象[44]。該地區經濟結構單一,長期以來以資源消耗為主的經濟增長方式,使得對水土資源的過度利用,造成了嚴重的土地退化。同時,我國三分之一面積的沙漠和沙地分布于此[45],大面積的沙源和高頻發的大風使內蒙古土壤侵蝕過程加劇。土壤侵蝕導致的土地沙漠化和土地退化導致土壤的生產力降低[46-49],而揚沙大風和沙塵暴等惡劣的天氣更是對空氣質量造成嚴重影響。針對內蒙古自治區特殊的生態環境問題,開展土壤保持服務分區能夠為土壤保持功能的修復及土壤侵蝕防護提供決策指引。因此,本研究以內蒙古自治區為例,基于壓力-狀態-響應系統分析框架,從氣候背景-土壤保持-植被條件三方面構建指標體系,運用SOFM神經網絡和GIS空間分析技術,以1280個小流域為基本單元進行土壤保持服務分區,按照分區單元的聚集度對多種方案進行優選,并依據區域共軛性原則開展內蒙古自治區土壤保持服務區劃。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

內蒙古自治區地處中國北部邊疆,是我國重要的生態屏障與農牧業生產基地。全區位于中緯度內陸,總面積約118.3萬km2；以溫帶大陸季風性氣候為主,從東到西跨越了溫帶濕潤區、半濕潤區、半干旱區、干旱區和極端干旱區等5個氣候類型區,從而形成了多樣的地理環境和豐富的自然資源；年降水量約為30—500mm,由東北向西南遞減,植被類型上由東到西分別為森林、草原、荒漠草原、沙漠等[50-51]。內蒙古地貌以內蒙古高原為主(圖1),大部分地區海拔在1000m以上[52],生態系統呈現“東林中草西沙、北牧南農”基本格局,草地是內蒙古最主要的生態系統類型。近年來,由于內蒙古地區經濟快速增長,資源開發力度增大,過度放牧和草原大范圍墾殖,造成了大面積的草地退化和荒漠化,加之該地區分布大面積的沙漠、大風天氣頻發以及常年干旱少雨使該區域土壤侵蝕現象加劇[53]。針對土壤侵蝕和生態退化問題,內蒙古自治區實行了退耕還林還草、天然林保護、京津風沙源治理、生態移民、封育輪牧等一系列生態保護和建設工程,以緩解生態壓力[54]。

圖1 內蒙古自治區地理位置示意Fig.1 Location of Inner Mongolia Autonomous Region

1.2 土壤保持服務分區指標體系

土壤保持服務分區是側重于單一類型生態系統服務的生態功能分區,而生態功能分區的本質是根據區域資源環境要素、生態系統類型、生態系統受脅迫過程與效應、生態敏感性與生態系統服務空間分異的規律進行的地理空間分區,從而將特定區域劃分成不同的生態功能區。因此,基于景觀生態學生態空間理論,可以將氣候背景、土壤保持和植被條件分別表征生態系統受到的壓力、土壤保持服務狀況及其適應能力,對應“壓力-狀態-響應”(Pressure-State-Response, PSR) 模型,構建土壤保持服務分區概念框架。以壓力、狀態和響應3類指標表征,能全面系統地反映自然生態系統受到外界作用的因果關系。其中,壓力指外界對自然生態系統的干擾,狀態指特定時間階段的生態環境狀態或生態環境健康水平,響應代表生態系統對外界干擾做出的反應。具體而言,本研究選擇對內蒙古自治區土壤保持服務影響顯著的氣候因素——降水和風速作為壓力指標,以風蝕性土壤保持量和水蝕性土壤保持量,共同表征土壤保持服務狀態。用直接反映生態系統新陳代謝和活力的凈初級生產力(net primary productivity, NPP)表征生態系統的響應,則是因為NPP和NDVI具有顯著線性關系,能反映該地區植被條件和生態恢復的波動情況；而以NPP變化率和均值作為響應指標,是對未來生態系統服務變化延展性的良好表達,具有穩健性。因此,綜合考慮指標的實效性和合理性,選擇三大類6個指標作為內蒙古自治區土壤保持服務分區的定量依據(表1)。需要說明的是,本文采用PSR框架僅僅是作為指標體系選擇的指導,由于SOFM模型可以規避主觀因素的影響,所以不存在權重設置的問題。

表1 內蒙古自治區土壤保持服務分區指標體系

Table 1 Index system for soil conservation service zonation in Inner Mongolia Autonomous Region

基準層Referencelayer準則層Criterialayer評價指標Evaluationindex壓力指標氣候條件風速變化率Pressureindicator降水變化率狀態指標土壤保持服務風蝕性土壤保持量Stateindicators水蝕性土壤保持量響應指標植被條件NPP變化率Responseindicators多年平均NPP

1.2.1 壓力指標

風速狀況和降水條件可以反映區域風力和水分的作用狀況,其變率可以反映穩定性,定量表征生態系統受到的壓力,計算公式如下：

(1)

式中,Slope表示降水或風速的變化率,ai表示每年的降水或風速,n表示年份；當Slope>0時,降水或風速有增大的趨勢；當Slope<0時,降水或風速有減小的趨勢；且數值越趨于0,表示變化越小、土壤侵蝕壓力越小。降水和風速數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)提供的695個氣象站點2005—2015年的觀測數據,為提高準確性,剔除空值,并通過ArcMap10.2中的Kriging插值工具得到。

1.2.2 狀態指標

(1)風蝕性土壤保持量

充分考慮氣象條件、土壤結皮、土壤可蝕性、植被狀況、地表粗糙度等要素,通常采用修正風蝕方程RWEQ計算風蝕性土壤保持量[55],已有研究表明,該模型具有因子全面、構成簡單等優點,并能在區域尺度對土壤風蝕進行準確估算[56-57]。實際土壤侵蝕量的計算公式如下：

(2)

S=150.71(WF·EF·SCF·K′·C)-0.3711

(3)

Qmax=109.8(WF·EF·SCF·K′·C)

(4)

式中,SSL表示實際土壤侵蝕量(kg/m2)；Qmax是最大轉運容量(kg/m)；S是關鍵地塊長度(m)；z是所計算的下風向距離(m)；WF是氣象因子；EF為土壤可蝕性因子；SCF為土壤結皮因子；K′是土壤粗糙度因子；C為植被覆蓋因子。

潛在土壤侵蝕量的計算公式如下：

(5)

SP=150.71(WF·EF·SCF·K′)-0.3711

(6)

QmaxP=109.8(WF·EF·SCF·K′)

(7)

式中,SPL表示潛在土壤侵蝕量(kg/m2)；QmaxP是潛在最大轉運容量(kg/m)；SP是潛在關鍵地塊長度(m)。

實際土壤保持量則由潛在土壤侵蝕量和實際土壤侵蝕量作差得到：

SL=SPL-SSL

(8)

式中,SL表示實際土壤保持量(kg/m2)。其中,風速、降水、太陽輻射數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)提供的695個氣象站點2015年的觀測數據；溫度數據來自于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)提供的2015年中國1km地表溫度的月合成產品；雪蓋因子來源于中國西部環境與生態科學數據中心(http://westdc.westgis.ac.cn)提供的中國雪深長時間序列數據集,空間分辨率為1km；土壤數據來自第二次全國土地調查1：100萬土壤數據；NDVI數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)提供的2015年中國500mNDVI月合成產品；全國范圍1km分辨率的DEM數據來源于“黑河計劃數據管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)。

(2)水蝕性土壤保持量

采用廣泛應用的RUSLE模型來估算潛在土壤侵蝕量和實際土壤侵蝕量,二者之差即為實際的土壤保持量[58]。其中,實際土壤侵蝕量的計算公式如下：

A=R·K·LS·C·P

(9)

式中,A為實際土壤侵蝕量(thm-2a-1),R為降雨侵蝕力因子,K為土壤可蝕性因子,LS統稱為地形因子(其中L為坡長因子、S為坡度因子),C為植被覆蓋管理因子,P為水土保持措施因子。

在RUSLE模型中不考慮植被覆蓋管理因子C與水土保持措施因子P,即將兩項因子的數值設為1,則公式變為：

AP=R·K·LS

(10)

式中,AP為潛在土壤侵蝕量(thm-2a-1),表示在沒有任何植被覆蓋管理與水土保持措施下的土壤侵蝕量。基于“地表覆被替換假設”,土壤保持量即可表示為潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量之差。

1.2.3 響應指標

生態系統受到大風和降水的直接影響,而植被凈初級生產力能夠指示生態恢復的波動狀況[13],所以選擇NPP的變化率和多年均值表示生態系統受到壓力后所做出的響應。其中,NPP變化率的計算公式如下：

(11)

式中,Slope是NPP變化率,表示植被變化幅度,n是年數。NPP數據來源于美國NTSG組織(http://www.ntsg.umt.edu/)提供的2005—2015年1kmMODIS17A03數據。

1.3 生態功能分區方法

目前,傳統的生態分區研究大都選擇自上而下、從高到低的分區方法[13],具有過程復雜、耗時、主觀性強的缺點。本研究選取SOFM神經網絡模型進行自下而上的分區,能有效規避權重設置的主觀性問題,使得分區結果更加精準可靠。SOFM神經網絡又稱自組織特征映射網絡,由芬蘭學者Kohonen于1982年提出[59],是一種非監督型的人工神經網絡模型。該模型的工作原理為在接受輸入樣本之后進行競爭學習,功能相同的輸入距離比較近,不同的距離比較遠,以此將一些無規則的輸入自動排開,即根據各輸入數據的相似性,將其歸為一類。尤其適用于數據結構復雜、數據量大和非線性特征明顯的生態地理問題的求解過程[29]。

多分區方案的優選在區域共軛性原則下進行,要求分區結果具有一定的空間連續性[60]。同時,在多種空間聚類方案中選擇最優分區方案,可以分區單元的聚集程度作為選擇依據[32]。由于聚集度指數(aggregationindex,AI)可以定量描述景觀中各類型區域的團聚程度[61],因此,在本研究中選擇景觀水平的聚集度指數判定最優分區方案：

(12)

式中,gii為斑塊類型i像元之間的節點數；maxgii為斑塊類型i像元之間的最大節點數；Pi為斑塊類型i所占的面積比例。其中,AI隨著斑塊類型的聚集水平增大而增大。由于不同分區數目的景觀聚集度指數不同,當聚集度指數較小時,其結果能夠表現區域內部生態問題的差異性,因此,將景觀聚集度指數較小的聚類結果作為劃分亞區的依據[35]。而當聚集度指數最大時,分區方案中各類型區域聚集程度最高,因此,選取景觀聚集度指數最大時的分區結果作為一級分區的最優方案。基于此,按照區域共軛性原則,在保留二級分區完整性的基礎上進行類型歸并得到內蒙古自治區土壤保持服務一級分區方案。

2 結果與分析

2.1 土壤保持量空間格局

利用RWEQ模型對內蒙古自治區風蝕性土壤保持服務進行評價,實際的土壤侵蝕情況如圖2 所示,研究區風蝕區域集中分布在中西部地區,這也是內蒙古自然地理和氣候分布的特點所致。2015年內蒙古全區風蝕總面積為55.1128萬km2,約占土地總面積的46.6%,風蝕總量為27.33億t。在空間分異上,風蝕較為嚴重的地區主要包括巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、毛烏素沙地、渾善達克沙地和陰山山脈。這些地區植被較差,風場強度較高,降水量較低,雪被覆蓋地表時間較短；而風蝕力是造成土壤侵蝕的主要因素,植被覆蓋則對風蝕的削弱作用較為明顯[41]。利用潛在土壤侵蝕和實際土壤侵蝕的差值得到內蒙古自治區風蝕性土壤保持能力,整體空間格局為東高西低、南多北少,2015年內蒙古風蝕性土壤保持總量為27.21億t,土壤保持量較高的地區主要分布在科爾沁沙地、渾善達克沙地以及鄂爾多斯高原。

圖2 內蒙古自治區風蝕性土壤保持服務空間分布Fig.2 Spatial distribution of wind erosion and soil conservation service in Inner Mongolia Autonomous Region

利用RUSLE模型對內蒙古自治區水蝕性土壤保持服務進行評價,實際的土壤侵蝕情況如圖3所示,呈現出在內蒙古中東部區域由東北向西南的條帶狀分布格局。內蒙古自治區的地貌以高原為主體,平均海拔1000m左右,占總土地面積的50%左右,地勢較高但地形相對平坦。高原四周分布著大興安嶺、陰山(狼山、色爾騰山、大青山、灰騰梁)、賀蘭山等山脈,構成內蒙古高原地貌的脊梁。在大興安嶺的東麓、陰山腳下和黃河岸邊,有嫩江西岸平原、西遼河平原、土默川平原、河套平原及黃河南岸平原。而在山地向高平原、平原的交接地帶,分布著黃土丘陵和石質丘陵,其間雜有低山、谷地和盆地分布,水土流失較嚴重。利用潛在土壤侵蝕和實際土壤侵蝕的差值得到內蒙古自治區的水蝕性土壤保持能力,由于內蒙古水土流失現象較少,其水蝕性土壤保持能力空間格局與水蝕性土壤侵蝕空間格局基本一致,土壤保持量較高的地區主要沿大興安嶺山脈以及烏蘭察布地區分布。2015年內蒙古自治區水蝕性土壤保持物質量為21.41億t,水土流失總面積為17.3萬km2,約占土地總面積的15%。

圖3 內蒙古自治區水蝕性土壤保持服務空間分布Fig.3 Spatial distribution of water erosion and soil conservation service in Inner Mongolia Autonomous Region

2.2 土壤保持服務壓力、響應空間格局

內蒙古自治區多年風速變化趨勢呈現西北部低、東南部和東北部高的空間分布格局(圖4)。呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市的大部分地區呈現風速增大的態勢,鄂爾多斯市和呼和浩特市也呈現風速增大的趨勢,而陰山山脈以北和內蒙古高原地區的風速則明顯減小。大興安嶺和陰山山脈是內蒙古自治區氣候差異的重要分界線,對于當地的風速變化率影響很大。該分界線貫穿內蒙古自治區,由東北向西南依次穿過大興安嶺林區、陰山、渾善達克沙地和巴丹吉林沙漠。該分界線的西北側為風速變化率的低值區,呈現風速減小的趨勢,也屬于內蒙古自治區的干旱區；而分界線的東南側為風速變化率的高值區,呈現出風速增大的趨勢,也是內蒙古自治區降水相對豐沛的區域。

內蒙古自治區多年降水變化趨勢呈現中部地區低、東北和西北地區高的空間分布格局(圖4),這表明內蒙古自治區降水變化的空間分布在一定程度上受大尺度海陸格局的影響。中部大部分地區降水較為穩定,有降水逐漸減小的趨勢,呼倫貝爾地區呈現降水豐沛且逐漸增大的趨勢,而巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠雖然降水量極少,但變化幅度較大,有降水量增大的趨勢。這種降水變化率的空間分布同濕潤區向干旱半干旱區過渡的空間分布較為符合。從內蒙古自治區的植被覆蓋空間分布角度分析,荒漠植被覆蓋區降水量變化明顯,且呈現增加趨勢,森林覆蓋區降雨量逐漸增大,而草場、農業植被覆蓋的大部分地區降雨量下降的趨勢略顯。由于內蒙古自治區植被由西向東依次為荒漠植被、農業區、草原和稀疏灌叢、灌叢、草甸和森林[62],這一現象反映出內蒙古地區降水呈現兩極變化的趨勢,即西部的荒漠集中地區溫度和降水全部增加,呈現出暖濕化的趨勢,而與此相反,中東部地區則降水減少溫度增加,呈現出了暖干化的趨勢[63]。

圖4 內蒙古自治區土壤保持服務壓力空間格局Fig.4 Spatial pattern of pressure on soil conservation service in Inner Mongolia Autonomous Region

內蒙古自治區的NPP變化率空間分布(圖5),總體上呈現出由西南向東北逐漸升高的分異格局。NPP變化率高值區主要分布在呼倫貝爾市,表現出NPP增大的趨勢；NPP變化率低值區則主要分布在阿拉善盟,表現出NPP下降的趨勢。內蒙古自治區的NPP空間分布受水熱條件限制明顯[64],并與NPP變化率的空間分布相似,亦呈現出東北高、西南低的格局。東北部地區是大興安嶺林區,植被覆蓋率高,植被類型豐富,且分布著額爾古納河,水源充沛,生境良好,NPP平均值超過了437gCm-2a-1；中部地區主要為草原草甸,伴隨著降水的較少,NPP值在246gCm-2a-1左右；西部地區主要分布著巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠和毛烏素沙地,荒漠區的植被覆蓋率低,NPP平均值在100gCm-2a-1以下。

圖5 內蒙古自治區土壤保持服務響應空間格局Fig.5 Spatial pattern of soil conservation service response in Inner Mongolia Autonomous Region

2.3 土壤保持服務分區

圖6 不同分區方案景觀聚集度指數對比Fig.6 AI contrast among different zonations

對比內蒙古自治區土壤保持服務10種分區方案的景觀聚集度指數(圖6),為了更深入地反映內蒙古自治區不同功能區內部主要生態環境問題的差異性,在空間集聚度最小的11類分區方案的基礎上,將其劃分為11個土壤保持服務亞區。另一方面,當土壤保持服務區劃分為3類時,分區單元的空間聚集度達到最高,分區結果最理想。因此,依據區域共軛性原理進行修正,將內蒙古自治區劃分為3個土壤保持服務一級區及11個土壤保持服務二級區(圖7,表2)。

圖7 內蒙古自治區土壤保持服務分區Fig.7 Soil conservation service zonation in Inner Mongolia Autonomous Region

分區壓力Pressure狀態State響應Response風速變化率降水變化率風蝕性土壤保持量水蝕性土壤保持量NPP變化率NPP平均值I-11.211.14-1.600.241.881.63I-21.170.89-1.311.391.421.25I-30.560.220.051.140.910.96I-40.970.070.271.110.380.58I-50.81-0.491.680.04-0.010.23II-1-0.24-0.471.060.92-0.160.02II-2-0.62-0.520.61-0.50-0.41-0.31II-3-0.16-1.180.91-0.98-0.69-0.60III-1-1.65-1.47-0.33-1.27-0.89-0.89III-2-0.33-0.30-0.18-0.48-1.08-1.23III-3-1.722.11-1.17-1.60-1.36-1.65

(1)土壤保持服務保護區(I)：位于內蒙古自治區東部,主要包括呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市,占內蒙古自治區土地總面積的41.3%。本區海拔89—1753m,涵蓋多種地貌類型,植被覆蓋高；生境質量優良,有大面積的林地、耕地和草場,在土壤保持方面發揮著重要作用。保護區的降水與風速壓力相對最大,但土壤保持服務能力最強,生態系統功能對環境氣候條件的響應最顯著。本區共包含5個土壤保持服務亞區,I-1區主要位于呼倫貝爾東北部地區,植被生長狀況良好,分布著莫道爾噶國家森林公園；風速波動性最大,但風蝕性土壤保持量最低、水土流失較為敏感,應通過劃定天然林保護區、實施退耕還林、建設基本農田等措施加強水土流失治理。I-2區分布在呼倫貝爾市內,位于大興安嶺北段兩側,該區域由于原始森林遭受多次采伐及農田開墾面積較大等因素,導致區域內有較為嚴重的水土流失問題；宜逐步發展林緣草地畜牧業,開展森林生態重建工作,調整產業結構,發展森林生態經濟。I-3區分布較為零散,主要集中在興安盟與呼倫貝爾交界處、赤峰市南部和通遼與沈陽交界處；該區域生境質量較好,有阿爾山國家森林公園,但由于受到人為擾動較大,存在土壤侵蝕現象,應加大自然保護力度,禁止礦產資源開發活動。主要分布在興安盟、通遼市和赤峰市的I-4區和I-5區是綜合性土壤保持量最高的土壤保持服務亞區,I-4區的水蝕性土壤保持量最高,I-5區的風蝕性土壤保持量最高,兩個區域的植被覆蓋均較好。同時,I-4區由于人為砍伐樹木和放牧等擾動程度較大,森林資源受到多次破壞,破碎化現象較為嚴峻,應劃定天然林、林緣草甸草原保護區,實施退耕還林還草以提升森林草原的土壤保持能力。而I-5區由于土地退化使得農田的土壤肥力有所下降,因此,應通過農田防護林的建設,加強基本農田保護,實施免耕、草田輪作等旱地保護性耕作法即降低土壤侵蝕、提升農田生產力。

(2)土壤保持服務控制區(II)：位于內蒙古自治區中部,主要包括錫林郭勒盟、烏蘭察布南部,呼和浩特市和鄂爾多斯市,占內蒙古自治區土地總面積的25.2%。本區海拔825—2007m,地貌以高原為主,植被覆蓋不高；生境質量一般,降水和風速常年較為穩定,防風固沙能力較強；城市化程度高,是內蒙古自治區的政治、經濟和文化中心,人口相對較為密集。控制區的降水與風速壓力相對最小,但土壤保持服務能力相對較強,生態系統功能對環境氣候條件的響應較為顯著。本區共包含了3個土壤保持服務亞區,II-1區主要分布在錫林郭勒東部邊緣、呼倫貝爾西部以及呼和浩特市周邊,存在的主要問題是超載放牧引起的草原退化、沙化、草場質量下降和耕地利用不合理,應設立草原生態功能保護區和封育保護區,實施強制性保護措施,退耕還草,堅決貫徹以牧為主的方針,恢復植被,發展農區畜牧業和養殖業。II-2區集中分布在呼倫貝爾高原中部和錫林郭勒-烏蘭察布-鄂爾多斯條帶,草地生產力普遍下降,部分地區退化嚴重,應強調土地資源的合理開發利用,不宜過度開墾和放牧。II-3區土壤風蝕沙化和礫石化現象較為明顯,并存在水土流失問題。該區植被稀疏,超載放牧導致草場的退化嚴重,應采取人工種草、圍封、輪牧、加強防護林網配置等措施,建立人工草地,增加舍飼比重來恢復草地植被,防止草原退化。

(3)土壤保持服務重建區(III)：位于內蒙古自治區西南部,主要包括錫林郭勒盟、烏蘭察布市、包頭市、巴彥淖爾和鄂爾多斯的部分地區和整個阿拉善盟,占內蒙古自治區土地總面積的33.5%。本區海拔942—3432m,地勢起伏較大,植被覆蓋稀疏；生境質量較差,沙漠化程度高,常年降水較少,分布騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠,生態環境脆弱。重建區的降水與風速壓力相對較最大,但土壤保持服務能力最弱,生態系統功能對環境氣候條件的響應最不顯著。本區共包含3個土壤保持服務亞區,III-1區主要位于渾善達克沙地西北部,橫跨錫林郭勒盟西北部、烏蘭察布西北部、包頭市北部、巴彥淖爾東北部和鄂爾多斯西部的少部分地區,風速和降水的波動性最大,并呈現出減小的趨勢；作為我國北方重要的沙塵暴源頭區,土地沙化、水土流失和植被退化現象嚴重；要以保護和恢復植被為重點,強化退牧還草,禁止開荒、濫樵采及過度放牧。III-2區位于巴彥淖爾、鄂爾多斯及阿拉善盟三地交界處,存在草場退化和土地沙化問題,由于自然和人為活動的原因造成沙丘活化,生物多樣性受到威脅；應重點保護天然植被,采取絕對保護措施控制沙化,在沙漠邊緣地帶設置鎖邊林帶和沙障,通過封育和飛播等措施穩定沙漠,減少人為活動,遏制生態惡化。III-3區主要位于阿拉善高原,分布著巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠,降水量常年稀少,近年來出現增加的趨勢；水蝕性土壤保持量最低,植被覆蓋不高且逐漸退化,沙漠活化、生態環境退化問題突顯；應以保護戈壁地表形態為重點,限制人類開發活動,控制沙化,保護沙漠周邊地區的現存植被,維護生態環境現狀。

將分區結果同內蒙古自治區多年平均等溫線和等年降水量線疊置(圖8),比較分區結果和生態基底要素的一致性。對比年均溫等值線的空間分布和分區結果,可以發現本分區方案對于熱量要素的分區效果明顯,11類二級分區呈現出顯著的熱量梯度變化等級,符合內蒙古自治區由東向西的溫度變化特征。對照年降水等值線的空間分布和分區結果,可以發現本分區方案劃分的3類一級區呈現出由東北向西南的變化梯度,與內蒙古自治區的400、200mm等降水量線走向基本一致。總體而言,對照分區結果和內蒙古自治區的生態基底要素空間分布,3類一級區及11類二級區的分區方案和研究區域的自然地理界線大致相符,這在一定程度上指示了自然地理要素對于生態系統服務空間分異的控制作用。

圖8 土壤保持服務分區方案同自然地理界線對比Fig.8 Contrast of soil conservation service zoning and physical geography boundary

3 結語

土壤侵蝕是一種動態發展的土地退化過程。本研究重點關注內蒙古自治區土壤保持服務的空間分異,提出土壤保持服務的“壓力-狀態-響應”分區指標體系,輸入SOFM網絡對比分析多種分區方案,并基于景觀聚集度指數優選分區方案。研究結果表明,內蒙古自治區可劃分出土壤保持服務保護區、控制區和重建區3個一級區及11個二級區。根據分區特點能夠揭示內蒙古地區氣候背景、土壤保持能力和植被條件的地帶性分異特點,更為清晰全面的刻畫了流域尺度不同土壤保持服務區的空間分異特征。同時,將最優土壤保持服務分區結果與內蒙古自治區的年均溫等值線和年降水量等值線進行對比,結果顯示,通過SOFM神經網絡得出的土壤保持服務分區結果與內蒙古生態基底要素具有良好的一致性,分區方案呈現明顯梯度性且與氣溫、降水的變化走向一致。

然而,需要指出的是,本研究仍存在一些不足。首先,目前有關土壤侵蝕模型預測效果尚存爭議,基于RUSLE、RWEQ模型計算出的土壤保持量是潛在侵蝕量和實際侵蝕量相減得到,其數值的絕對值具有較大不確定性,也因此本研究重點關注這一指標的空間分異。如何更準確的度量內蒙古自治區的土壤侵蝕量、保持量,仍有待更多機理模型的探討。其次,地理學和景觀生態學的核心問題之一為尺度效應[65],空間統計單元的變化會對最終的分區結果產生影響,因此在今后的研究工作中可以進一步探討空間統計單元變化對于分區結果的影響。再次,在干旱半干旱地區,風蝕與水蝕經常交替發生,二者之間可能存在疊加效應,對此如何定量表征將成為下一步工作的重點。此外,SOFM神經網絡模型雖能有效規避權重設置等主觀問題,但在網絡的構建及訓練區的選擇等方面仍有一定主觀性,如何規避這些影響、改進SOFM模型,亦是有待深入探討的重點問題。

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Soil conservation service zoning in the Inner Mongolia Autonomous Region based on PSR framework

PENG Jian1,2, WU Wenhuan1,2, LIU Yanxu2, HU Yina2

1LaboratoryforEarthSurfaceProcesses,MinistryofEducation,CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China2KeyLaboratoryforEnvironmentalandUrbanSciences,SchoolofUrbanPlanningandDesign,ShenzhenGraduateSchool,PekingUniversity,Shenzhen518055,China

Soil erosion has been a critical ecological issue in northern China. Inner Mongolia Autonomous Region is located in the arid and semi-arid area, which is a typical soil erosion area in northern China. Based on the analytical framework of pressure-state-response (PSR), this study takes the Inner Mongolia Autonomous Region as the study area, and constructs the index system from three aspects: climatic background, soil conservation, and vegetation condition. It aims at addressing the remaining issue of complexity and subjectiveness in weigh specification towards ecological function zoning in the previous studies. In the study, self-organizing feature map (SOFM) neural network and GIS spatial analysis technique were applied to carry out the soil conservation service zoning with the 1280 small watersheds as the basic unit and the schemes were optimized according to the aggregation degree of the zoning units. The Inner Mongolia Autonomous Region was divided into three ecological functional zones and eleven sub-zones based on the principle of regional conjugation. The three ecological functional zones include Soil Conservation Services Protection Area, Soil Conservation Services Controlling Area, and Soil Conservation Services Rehabilitation Area. According to the characteristics of zoning, the results clearly indicate the zonal distribution of climatic background, soil conservation service and vegetation condition in Inner Mongolia, and quantify the characteristics and spatial differences of the ecological functions at watershed scale more comprehensively. The result of the optimal soil conservation service zoning was compared to the annual average temperature contours and annual precipitation contours in Inner Mongolia. It shows that the ecological function zoning results obtained by SOFM neural network model were in good agreement with the spatial patterns of basic ecological elements. The zoning scheme indicates a significant gradient and is consistent with changes in temperature and precipitation.

soil conservation service; RUSLE model; RWEQ model; SOFM neural network; Inner Mongolia Autonomous Region

國土資源部公益性行業科研專項經費課題(201511001-01)

2017- 02- 22;

2017- 05- 23

10.5846/stxb201702200273

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jianpeng@urban.pku.edu.cn

彭建,武文歡,劉焱序, 胡熠娜.基于PSR框架的內蒙古自治區土壤保持服務分區.生態學報,2017,37(11):3849- 3861.

Peng J, Wu W H, Liu Y X, Hu Y N.Soil conservation service zoning in the Inner Mongolia Autonomous Region based on PSR framework.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3849- 3861.