1981-2010年內蒙古沙漠化演變對區域生態系統服務價值的影響

丁 雪, 雷國平,3, 許端陽, 李達凈, 王子玉

(1.東北農業大學 資源與環境學院, 哈爾濱 150030; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101; 3.東北大學 土地管理研究所, 沈陽 110819;4.華中師范大學 農村改革發展協同創新中心, 武漢430000; 5.北京林業大學 林學院, 北京 100101)

土地沙漠化是指干旱、半干旱及部分半濕潤地區因人類活動和氣候變異，導致土壤中細粒物質及營養物質被風吹走，土地生產力下降、地表呈現不同程度的沙質荒漠景觀的土地退化[1-2]。我國是受沙漠化影響最為嚴重的國家之一，根據全國第五次荒漠化監測結果，截至2014年末我國沙漠化土地面積達到172.12萬km2，占國土面積的17.87%[3]。為了控制土地沙漠化，我國先后實施了三北防護林、京津風沙源治理、退耕還林(草)、圍封禁牧等生態保護工程與政策[4-5]，造成局部沙漠化得以逆轉，但總體形勢依然十分嚴峻。

作為陸地生態系統的重要組成部分，沙漠及沙化土地具有重要的生態系統服務功能，如防風固沙、固碳釋氧、水文調節、土壤保持、維持生物多樣性、生態旅游等[6]。在氣候變化和人類活動的共同影響下，沙漠化土地的結構、功能也隨之發生變化，進而對區域生態系統服務價值產生顯著的影響[7]。如在沙漠化逆轉過程中，植被群落及優勢種逐漸由天然零星分布的一年生草本植物向半灌木和多年生草木演變，植被物種豐富度、植被蓋度逐漸提高，土壤沙粒含量逐漸減少，表層土壤有機質含量、有機碳儲量逐漸升高，生態系統服務價值也會顯著提升[8]。同時，岳耀杰等諸多學者的研究表明，當前人們利用沙漠及沙化土地所提供的物質產品僅是其生態系統服務功能的一小部分，其內部還蘊藏著巨大的生態經濟價值[9-10]。然而，目前許多研究僅將其作為陸地生態系統的一部分進行宏觀分析[11]，很少從沙漠化土地面積、程度及空間分布變化的角度探討其對區域生態服務價值的影響。因此，有必要針對干旱—半干旱地區開展沙漠化動態變化對區域生態系統服務價值影響的研究，這對于評估沙漠化治理成效，合理保護與經營區域生態系統具有重要意義。

內蒙古地處北部邊疆，長期以來，受惡劣的氣候條件以及過度放牧等人為因素的影響，該區沙漠生態系統逐漸占據發展優勢[12]；雖然近年來實施了多項生態保護工程與政策，局部地區沙漠化治理成效顯著，但全區沙漠化情況依然較為嚴峻。因此，本文選擇內蒙古自治區為研究區：(1) 分析1981—2010年該地區沙漠化動態變化；(2) 研究沙漠化動態變化對區域生態系統服務價值的影響，旨在為區域沙漠化防治提供科學依據和決策支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古自治區位于37°24′—53°23′N，97°12′—126°04′E，東西直線距離約2 400 km，土地面積118.3萬km2，占全國總面積的12.3%。地處干旱、半干旱溫帶大陸性氣候向東南沿海濕潤、半濕潤季風氣候的過渡帶，降水量由東北向西南逐漸減少，年均降水量50～450 mm；年均氣溫0～8℃，且東西差異顯著。受氣溫、降水等氣候因素影響，內蒙古地區整體呈現出東部地區森林遼闊、南部地區以農業發展為主、北部地區畜牧業發達的空間分布形態。據統計，全區森林面積約20.80萬km2，草原面積約86.67萬km2，不同區域之間植被覆蓋率差異顯著；土壤從東北到西南依次為黑土、暗棕壤、黑鈣土、栗鈣土、棕壤土、黑壚土、灰鈣土、風沙土、灰棕漠土，呈條帶狀分布。為了便于沙漠化監測與分析，根據全區植被、土壤以及沙漠化土地的空間分布規律，將其劃分為呼倫貝爾草原(呼倫貝爾)、錫林郭勒草原和渾善達克沙地(渾善達克)、科爾沁草原、察哈爾草原、烏蘭察布草原、內蒙古高原后山地區(內蒙后山)、河套平原、烏蘭察布盟前山和土默特草原(土默特)、阿拉善高原(阿拉善)、鄂爾多斯草原和毛烏素沙地(鄂爾多斯)10個沙區。

1.2 研究方法

1.2.1 沙漠化判別方法 為滿足研究需要，本文將研究區土地利用類型中的未利用地細分為輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化、極重度沙漠化、原生沙漠5類，加之城鎮、水域、森林、草地、農田共計10個小類。以年度歸一化植被指數總和(以下簡稱NDVI)為判別沙漠化程度的重要指標，對1981年和2010年兩個時段沙漠化程度進行判別與統計，步驟如下：(1) 非沙漠化土地提取。在實地考察的基礎上，利用1∶100 000土地利用圖提取城鎮、水域、森林、農田的分布區域；考慮內蒙古地區草地退化現象嚴重，利用高分辨率遙感影像，針對每個沙區選擇100個可以明顯判別為未退化草地的樣點，提取1981—2010年均NDVI值，建立未退化草地NDVI閾值表，進而提取未退化草地并與上述城鎮等區域合并作為非沙漠化區域。(2) 沙漠化土地提取。按照上述草地NDVI閾值表建立的規則，同步確定了不同沙區原生沙漠的NDVI閾值；根據草地與原生沙漠的NDVI閾值情況，按照等間距劃分原則，建立輕度、中度、重度、極重度沙漠化NDVI閾值體系。為避免氣候短期波動帶來的誤差，采用相鄰3 a的NDVI均值來提取1981年和2010年的沙漠化土地信息。本研究在每個沙區隨機選取50個點對分類結果進行驗證，總體分類精度達90%以上。

1.2.2 生態系統服務價值評估 本文借鑒謝高地改進的中國生態系統單位面積生態系統服務價值當量進行內蒙古地區生態系統服務價值測算[8]。經調查，研究區濕地面積約7 000 km2，多分布于河流、草甸附近，其生態系統服務價值與水域、草地相近，為與上述土地利用類型分類保持一致，在這里不再單獨計算濕地生態系統服務價值；原生沙漠單位面積生態系統服務價值當量用荒漠單位面積生態系統服務價值當量替代。輕度、中度、重度、極重度沙漠化四個生態系統單位面積服務價值當量根據沙漠化分級權重因子確定(表1)。

表1 內蒙古自治區單位面積生態服務價值 萬元/km2

(1)

式中：V為研究區生態系統服務總價值(萬元)；Pi為表1中不同生態系統服務價值基準單價(萬元/km2)；Ai為研究區內土地利用/覆被類型的面積(km2)；n為土地利用/覆蓋類型的數量。

Pij=(bj×cB)Pi

(2)

式中：Pij為單位面積生態系統服務價值(萬元/km2)；bj為NDVI數據中j類型生態系統的平均值；B為1981—2010年各生態系統NDVI年均值。

1.2.3 敏感性分析 本研究引入敏感度系數(SAF)分析沙漠化演變對區域生態系統服務價值變化的敏感程度，計算公式如下：

(3)

式中：VC代表1981年沙漠生態系統服務價值；VC′代表2010年沙漠生態系統服務價值；S代表1981年生態系統服務總價值；S′代表2010年生態系統服務總價值。 越大，表明生態系統服務價值對沙漠化演變越敏感；|SAF|反之，則不敏感。

1.3 數據來源

本研究所用數據主要包括遙感影像、土地利用數據等。NDVI數據中，1981—2006年為8 km分辨率的GIMMS NDVI數據，來源于美國航空航天局全球監測與模型研究組發布的16 d最大值合成數據；2007—2010年為1 km分辨率的MODIS NDVI數據；精度為1 km的土地利用數據來源于中國科學院資源環境數據中心；用于生成研究區邊界數據的全國縣級行政區劃圖來源于國家基礎地理中心。考慮到所有數據中最低的分辨率，本研究將所有柵格、矢量數據統一重采樣或轉換為分辨率為8 km×8 km的空間數據。

2 結果與分析

2.1 1981-2010年內蒙古沙漠化動態變化

由圖1看出，1981—2010年，內蒙古沙漠化土地面積有所擴大，從1981年的55.53萬km2增加至2010年的62.45萬km2。除原生沙漠面積減少2.80萬km2，輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化、極重度沙漠化均呈現出不同程度的增加，其中中度沙漠化增加最為明顯，較1981年增加了48.77%。沙漠化不同等級之間、沙漠化和非沙漠化土地之間的逆轉和發展同樣顯著，且具有明顯的空間異質性。30 a間，內蒙古地區沙漠化逆轉面積17.09萬km2，發展面積20.43萬km2。

沙漠化逆轉區域主要位于西南部的鄂爾多斯、阿拉善、烏蘭察布等地區，其中鄂爾多斯逆轉面積占內蒙古自治區沙漠化土地面積的8.71%，阿拉善、烏蘭察布等地區的逆轉面積也分別達到了沙漠化面積的8.33%，5.1%。不同沙漠化等級土地間的逆轉占沙漠化總面積的17.98%；而沙漠化地區逆轉為非沙漠化地區占沙漠化總面積的9.38%，主要以各沙漠化類型向草地的逆轉為主。沙漠化發展主要發生在呼倫貝爾西南部、渾善達克、察哈爾等內蒙古中北部地區，其中渾善達克沙漠化發展占沙漠化總面積的比例最大，達13.76%。沙漠化不同等級間發展面積占沙漠化土地總面積的12.28%，類型上主要是向相鄰較重等級沙漠化發展；而非沙漠化發展為沙漠化地區的面積近沙漠化等級間發展面積的2倍，以草地的沙漠化為主。

2.2 沙漠化演變對區域生態系統服務價值的影響

2.2.1 1981—2010年內蒙古生態系統服務價值變化情況 1981—2010年，內蒙古生態系統服務價值減少了671.57億元(表2)，相當于內蒙古2010年GDP的5.74%。從不同土地利用類型上看，森林、草地生態系統服務價值減少明顯，二者總價值構成比例由1981年的52.02%下降至2010年的44.18%。此外，原生沙漠的生態系統服務價值亦呈現降低趨勢，變化率為-19.12%。生態系統服務價值增加的土地利用類型主要為農田與沙漠化土地(輕度、中度、重度、極重度沙漠化)，其中沙漠化土地增加了199.71億元。

圖11981-2010年內蒙古自治區土地利用及沙漠化變化

從空間分布上看，內蒙古自治區生態系統服務價值具有顯著的空間異質性(圖2)。生態系統服務價值由東向西大致呈現出階梯狀分布，表現為東部高于西部、南部高于北部，且差異顯著。其中，高值區(5 000～11 000萬元)主要位于內蒙古東北部的呼倫貝爾地區，單位柵格(64 km2)生態系統服務價值達到5 000萬以上，而西部的阿拉善地區單位柵格生態系統服務價值不到500萬元，這主要與植被的地帶性分布密切相關。從區域變化上來看，相較于1981年，渾善達克東北部地區、呼倫貝爾中部地區生態系統服務價值有所減少，而鄂爾多斯東北部地區生態系統服務價值有所增加，其他地區則未發生明顯變化。

2.2.2 沙漠化演變對內蒙古生態系統服務價值的總體影響 1981—2010年，內蒙古土地沙漠化動態變化(逆轉和發展)對全區生態系統服務價值帶來了明顯的影響，其造成生態系統服務價值損失達158.9億元(表3)，占損失總量的23.7%。生態系統服務價值變化量與沙漠化導致的生態系統服務價值變化之間的Pearson相關系數達到0.634(p<0.05)，也表明二者具有中度線性相關關系。

表2 內蒙古自治區生態系統服務總價值

土地沙漠化逆轉導致的生態系統服務價值增加量共計324.25億元，占2010年價值總量的6.25%。沙漠化不同等級間逆轉使生態系統服務價值增加了100.47億元，其中，重度沙漠化逆轉增加41.70億元。沙漠化土地逆轉為非沙漠化造成生態系統服務價值增加量約為沙漠化不同等級間逆轉的2.2倍，僅逆轉為草地就使生態系統服務價值增加106.48億元。在沙漠化發展方面，原有的沙漠化土地中有7.66萬km2進一步發展，造成生態系統服務價值損失101.68億元，其中以輕度、中度沙漠化發展的影響最為明顯，二者共導致生態系統服務價值損失93.2億元。非沙漠化發展為沙漠化的總面積12.77萬km2，生態系統服務價值損失量381.5億元，主要來自于林地、草地向輕度、中度沙漠化的轉變。非沙漠化轉變為沙漠化的影響巨大，雖然其面積僅是不同沙漠化等級之間發展的1.67倍，但造成的生態系統服務價值損失量則是后者的3.75倍。

圖2 1981-2010年內蒙古自治區單位柵格生態系統服務價值空間分布

表3 沙漠化逆轉與發展對生態系統服務價值的影響 億元

2.2.3 不同沙區沙漠化演變對區域生態系統服務價值的影響 沙漠化演變對內蒙古地區生態系統服務價值的影響具有顯著的空間異質性。歷經30 a變化，烏蘭察布、河套平原、鄂爾多斯等地生態系統服務價值呈上升趨勢，沙漠化演變表現為對其的促進作用，也即沙漠化土地生態系統服務價值增加導致區域生態系統服務價值的增加；呼倫貝爾、渾善達克、察哈爾、科爾沁等生態系統服務價值呈下降趨勢，沙漠化演變亦表現為對其的促進作用；而土默特、內蒙后山、阿拉善地區沙漠化演變對生態系統服務價值變化則具有反向影響。

為定量分析生態系統服務價值對沙漠化演變的敏感度，本文引入敏感度系數，結果表明：各沙區生態系統服務價值對沙漠化演變均具有一定的敏感性，但敏感強度存在巨大差異。科爾沁、河套平原的生態系統服務價值對沙漠化演變非常敏感，敏感度分別為74.53，53.15。而呼倫貝爾、內蒙后山等無論表現為同向敏感或反向敏感，系數均在0附近徘徊，敏感度相對較小。

3 討 論

在氣候變化和人類活動的共同作用下，過去30 a內蒙古沙漠化發生了顯著的變化。“三北”防護林工程、京津風沙源治理、天保工程等工程措施的實施，導致植被的覆蓋度提高，局部地區呈現出明顯的沙漠化逆轉態勢[13]，為生態系統服務價值的增加提供了可能性。但同時，不合理的人類活動，如煤炭和油汽資源鉆采，鐵路、公路、管線的鋪設，雖促進了農牧區經濟的發展，也使生態環境本就脆弱的資源富集區植被破壞，土地沙漠化問題更加突出[14]，造成生態系統服務價值損失。上述各種原因導致的沙漠化演變對生態系統服務價值的影響具有空間差異性，進一步通過生態系統服務價值對沙漠化的敏感程度計算，發現30 a來鄂爾多斯、阿拉善等沙區在沙漠化的影響下，生態系統服務價值增加，發展形勢良好。而內蒙后山、科爾沁等生態系統服務價值減少，尤其是科爾沁敏感度指數高達74.53，未來應作為防沙治沙重點控制區；對于呼倫貝爾等敏感度小的生態系統服務價值減少區域，則需要投入更大的精力在保護和防止破壞上，通過水土治理、合理開采、提高人口素質、劃定“生態紅線”等手段，保證現有森林和草地面積不減少、質量不下降，從而保障區域生態環境安全。

表4 生態系統服務價值對沙漠化演變的敏感度分析

基于時間序列的各等級沙漠生態系統服務價值變化及動態趨勢的評價研究將沙漠化演變帶來的影響貨幣化，本文按照等間距原則細分輕度、中度、重度、極重度以及原生沙漠5個沙漠化等級，其中所劃分的輕度、中度沙漠化地區也即具有一定程度沙漠化趨勢的草地，因此與其他研究成果比較[10,15]，可能會出現沙漠化地區面積、生態系統服務價值均偏高，草地面積、生態系統服務價值偏低現象。但這一設定可以更為客觀地分析不同的沙漠化演變過程對區域生態系統服務價值的影響。下一步，將進一步結合氣候與人類活動數據，定量分析原因與機制。

4 結 論

(1) 1981—2010年，內蒙古各區沙漠化變動明顯。逆轉面積17.09萬km2，主要發生于西南部的鄂爾多斯、阿拉善等沙區；發展面積20.43萬km2，集中分布在渾善達克等中北部沙區。沙漠化發展與逆轉具有顯著空間異質性的同時，在類型上大致以相鄰沙漠化等級之間變化為主。

(2) 30 a來，內蒙古自治區生態系統服務價值下降671.57億元。由東向西大致呈階梯狀分布。相較于1981年，渾善達克東北部、呼倫貝爾中部價值減少，鄂爾多斯東部價值增加。

(3) 土地沙漠化演變對內蒙古生態系統服務價值產生明顯的影響，二者具有中度線性相關關系。沙漠化演變使生態系統服務價值減少158.9億元，占價值損失總量的23.7%。

(4) 沙漠化演變對生態系統服務價值影響具有空間異質性。對烏蘭察布、呼倫貝爾等沙區價值變化具有促進作用，而對于對土默特等地的價值變化則起反向作用。生態系統服務價值對沙漠化的敏感性差異顯著。科爾沁、河套平原等地表現為非常敏感，敏感度均高于50。呼倫貝爾、內蒙后山等的敏感性較小。

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