1975—2015年寧夏生態系統格局宏觀變化分析

幸贊品,顏長珍,*,馮 坤,謝家麗,錢大文

1 中國科學院西北生態環境資源研究院,蘭州 730000 2 中國科學院大學,北京 100049

生態系統是人類賴以生存的物質基礎,其格局和結構反映了各類生態系統自身的空間分布規律和相互之間的空間結構關系,其類型的變化最能反映人類活動與生態系統間相互關系[1- 3]。為全面掌握全國生態環境狀況,環境保護部和中國科學院于2012年啟動了“全國生態環境十年變化(2000—2010年)遙感調查與評估”項目[4],結果表明10年間全國生態系統格局局部變化劇烈[5]。目前,我國的土地覆被/生態系統研究主要集中在兩類地區,一類是“熱點地區”,即人文和自然驅動力極為活躍的地區;另一類是“脆弱區”,即隨著人口增長、經濟發展和資源消耗地區,即區域生態環境的脆弱性和敏感性不斷增加,甚至導致各種生態環境問題的地區[6]。寧夏回族自治區生態本底脆弱,是我國典型的生態脆弱區。受干旱和水資源缺乏的困擾, 生態系統轉換給原本脆弱的生態環境帶來了諸多問題[7],嚴重影響和制約了當地社會經濟發展。因此,通過對以寧夏為典型區進行長時間、多層次的生態系統的遙感監測,可了解我國北方干旱區生態系統時空變化特征。

對干旱區生態系統的監測與分析,目前研究比較多且深入的區域主要有黑河流域[8-9]、新疆地區[10]、內蒙古地區[11-13]以及山西地區[14]等地,已有對寧夏生態系統的變化研究多側重于短時間序列[15-16]及局部地區、市縣境內研究[17-21],或者是只針對特定類型生態系統變化的分析[22-25],目前全區范圍內、較長時間序列的完整生態系統的監測及區內變化差異特征的分析比較缺乏。本研究利用遙感與地理信息系統技術結合,通過對近40年寧夏生態系統格局宏觀變化的幅度、速率、轉換類型及人類擾動程度定量分析,揭示干旱區脆弱生態系統宏觀結構演變的機制和規律,以期為后續土地資源合理利用和開發及生態環境治理和建設提供參考依據。

1 研究區概況

寧夏回族自治區是中國五大自治區之一,共設銀川市、石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛市5個地級市。全區居黃河上游,南北狹長,地勢南高北低,西部高差較大,東部起伏較緩。黃河縱貫北部全境,灌溉農業發達。從西面、北面至東面,被騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地相圍,南面與黃土高原相連。按地貌特征,全區可分為黃土高原、鄂爾多斯臺地、洪積沖積平原和六盤山、羅山、賀蘭山山地四部分。年降水量全區為183—677 mm,南多北少,且多集中在夏季,其中干旱山區年均400 mm,引黃灌區年均157 mm。氣溫和蒸發量均由南向北遞增,年均氣溫在5—9℃之間,年蒸發量在1214 mm至2803 mm之間。根據自然條件,全區分為南部暖溫帶平原地帶、中部中溫帶半荒漠地帶和北部中溫帶荒漠地帶。

2 數據源及研究方法

2.1 數據來源與處理方法

2.2 研究方法

圖1 寧夏生態系統現狀及分區示意圖Fig.1 Ecosystem status quo and zoning of Ningxia

為了對比生態系統變化的內部差異性,本文將寧夏分為北部、中部及南部三大區域進行研究,據此將黃河灌區及以北地區作為北部區,將六盤山以北、黃河灌區以南的鹽池縣、同心縣、海原縣和紅寺堡區為中部,六盤山及以南地區為南部[24](圖1)。北部以綠洲為主,是城市和農業集中區域,中部干旱帶土地荒漠化比較嚴重,南部主要是黃土旱作農業區。不同區域,通過單一年均生態系統類型凈變化率、轉移矩陣、土地開發度綜合指數等指標來分析區域差異特征。

2.2.1 生態系統類型凈變化率

采用年均生態系統類型凈變化率作為生態系統動態度[28]來定量反映該生態系統面積變化速率,其對比較各生態系統變化的區域差異和預測未來各生態系統變化趨勢都具有重要作用[29]。計算過程為：

(1)

式中,K為某生態系統類型年均凈變化率;Ua、Ub分別為研究初期與末期某一種生態系統的面積;T為研究期時長,時段設定為年。

2.2.2 生態系統轉移矩陣

利用生態系統面積作為生態系統狀態轉移矩陣中的向量,分別統計1975—1990年、1990—2000年以及2000—2015年3期的轉移矩陣[30],計算過程為：

(2)

式中,A為面積;i,j(i,j=1, 2,…,n) 為轉移前與轉移后的生態系統類型;Aij為生態系統類型從類型i變為j的面積;n為轉移前后生態系統類型數。

2.2.3 土地開發度綜合指數

當前，學校共建校外實訓基地30多處，與10多家單位建立院校聯合就業基地，與20余家醫院簽訂訂單培養協議，與30多家醫院簽訂臨床實習協議。這些協議均是學校與醫院就某個項目簽訂，形式比較靈活。

本文的人類活動擾動程度利用生態系統類型進行分等定級,具體賦值參考了劉紀遠等[31]的土地利用程度指數(表1),并在此基礎上構建土地開發度綜合指數。

(1)土地開發度綜合指數可定量地揭示該區生態系統的綜合水平。指數越高,其自然屬性的可利用程度就越低,人類對其擾動程度就越大。計算過程為：

(3)

式中,L為土地開發度綜合指數;Ai為i級人類活動擾動程度分級指數;Ci為i級生態系統類型面積比率。

(2)人類活動擾動程度是多種生態系統類型變化的結果,包括擾動程度變化量和變化率,分別反映了該區生態系統變化的方向和速度。計算過程為：

(4)

(5)

式中,ΔLb-a為人類活動擾動程度變化量,R為人類活動擾動程度變化率;La和Lb分別表示研究初期和末期土地開發度綜合指數。若ΔLb-a>0或R>0或者ΔLb-a<0或R<0則表示該時段內人為活動對生態系統的擾動增強或者減輕。

表1 人類活動擾動程度分級

3 結果與分析

3.1 生態系統類型變化幅度

1975—2015年寧夏整體以農田和草地生態系統為主(表2),各期面積比重之和均在75%以上,其中草地面積始終占比最大,而濕地、荒漠和人工表面生態系統面積占比較小。草地生態系統主要分布在中部和北部,兩者面積之和占草地生態系統總面積的89%以上;森林生態系統主要分布在南部,其面積占森林生態系統總面積的46%以上。

40年間全區森林、農田和人工表面生態系統面積總體呈上升趨勢,其中人工表面的增幅最大,共增加884.6 km2,年均增加2.20%;其次是森林生態系統,共增加477.5 km2,年均增加0.29%;而農田生態系統面積變化特點為“先增后減”,共增加209.8 km2,年均增加0.03%。從區域差異來說,農田和人工表面增加區域主要集中在北部,分別增加了1369.7 km2和664.9 km2,而南部和中部農田分別減少796.3 km2和363.5 km2。其余生態系統類型則處于減少趨勢,其中荒漠縮減幅度最大,共減少1387.0 km2,年均減少0.53%,其中北部面積大幅減少,達1303.6 km2,而中、南部面積減幅較小。草地先減少后增加,共減少了115.51 km2,年均減少0.01%,南部草地增加最多,增加487.4 km2。濕地減少了69.4 km2,年均減少0.29%,在北部地區是凈減少。

1975—1990年,草地和荒漠呈現減少趨勢;草地減少最多,共計656.4 km2,北部為主要減少區域,減少了476.7 km2,其次是中部,減少215.6 km2,南部少量增加。其他類型都有所增加,增加最多的是農田,共計630.1 km2,北部為主要增加區域,共增加578.2 km2。在這一時期內,人口快速增長糧食短缺,在國家的鼓勵下,農民開始大量開荒種地,使得這段時期內農田面積急劇增長,同時也造成了大量草地被毀壞。

1990—2000年,農田和人工表面快速增加;農田增加最多共計1409.6 km2,北部為增加最多的區域。其他地類都有所減少,減少最多的荒漠,共計929.7 km2,北部為主要減少區域;其次是草地,共減少374.2 km2。城鎮建設、過度放牧及對宜農地的開墾導致未利用地被開墾、草地被大量破壞,使得草地和荒漠生態系統大面積減少,農田增多。

2000—2015年,農田和荒漠呈現減少趨勢,農田大幅度減少共計1829.9 km2,其中南部和中部是主要減少區域;其次是荒漠生態系統,共減少352.2 km2,北部為主要減少區域,。其他類型都有所增加,增加最多的是草地,共增加915.0 km2,其中南部和中部是主要增加區域;其次是人工表面,共增加721.4 km2,北部為主要增加區域。森林生態系統也有所增加,但是相對較小。這15年間,在西部大開發背景下,寧夏實行了“三北”防護林、退耕還林及沙化草原治理等生態環境建設與恢復工程,草地、森林和人工表面都有所增加,耕地大幅減少。由于寧夏北部經濟建設發展較中部和南部更迅速,城市擴張更為明顯,使得北部人工表面增加明顯。

表2 寧夏1975、1990、2000、2015生態系統構成特征及其變化

3.2 生態系統類型變化轉移特征(表3,圖2)

1975—1900年占全區總面積97.25%的生態系統未發生類型變化。該時期生態系統類型轉移主要是在草地、農田和荒漠生態系統間。其中草地轉出最明顯,占該時期整個轉出貢獻率的60.37%,轉出大于轉入;農田的轉入效果最明顯,占該時期整個轉入率的56.13%,轉入大于轉出。2.64%的草地轉變為農田,占新增農田面積的74.22%,同時農田和荒漠轉化為草地,分別占草地新增面積的36.48%和37.56%;濕地生態系統中有62.7%來源于草地,人工表面生態系統的主要來源為草地和農田生態系統;該時期森林生態系統的轉入率和轉出率都很低,轉入大于轉出,新增的森林主要來源于草地。

1990—2000年,占全區總面積93.94%的生態系統未發生類型變化,人為活動對生態系統的影響程度比上一時期有所增強。該時期生態系統類型仍然是草地、農田和荒漠生態系統之間的轉換,在轉出類型中草地和荒漠的轉出量最大,分別占轉出貢獻率的34.83%和36.09%,農田生態系統轉入效果最明顯,占轉入貢獻率的61.52%。草地和荒漠轉為農田比例占新增農田面積的87.52%,同時農田和荒漠轉出為草地的面積占新增草地面積的83.18%;人工表面來自于農田和荒漠,占新增人工表面生態系統的83.22%;森林和濕地主要變為農田,占新增農田面積的12.48%。

表3 1975—2015年生態系統轉移矩陣/km2

1—6：生態系統類型 Ecosystem type;1：森林Forestland;2：草地Grassland;3：農田Farmland;4：濕地Wetland;5：人工表面Artificial Surface;6：荒漠 Desert; S1:轉出面積Area of transfer out; S2:轉入面積Area of transfer in; R1:轉出貢獻率Area ratio of transfer out;R2:轉入貢獻率Area ratio of transfer in

2000—2015年,占全區總面積91.51%的生態系統未發生類型變化,人為活動對生態系統的影響程度比上一時期更強。該時期生態系統類型主要在草地、農田和人工表面之間轉換,轉出貢獻率最大的是農田,占58.30%。草地主要由農田轉變而來,占整個新增草地面積的82.90%。該時期是寧夏森林和人工表面生態系統增長最迅速的階段。新增人工表面主要來源于草地和農田,占新增人工表面的面積81.95%;新增森林主要來源的于草地和農田,占新增森林面積的92.03%。

圖2 寧夏生態系統類型變化圖譜Fig.2 Ecosystem types atlas of the Ningxia Hui Autonomous during different period1—6：生態系統類型 Ecosystem type;1：森林Forestland;2：草地Grassland;3：農田Farmland;4：濕地Wetland;5：人工表面Artificial Surface;6：荒漠Desert. 十位數和個位數分別代表前一年代和后一年代的生態系統類型

3.3 人類活動對生態系統的擾動程度

寧夏近40年來土地開發程度均接近全國平均水平[32],處于中等利用水平,且整體人類活動擾動程度呈現增長趨勢,全區人類活動擾動程度變化量和變化率為6.48和2.89%。是由于擾動程度分級較高的森林、草地和人工表面生態系統的面積增加產生的。北部以綠洲為主,是城市和農業發展的主要場所,農田和人工表面生態系統擴張主要集中在該區域,故生態狀況和經濟發展最好,人類活動呈增強趨勢,人類活動擾動程度變化量和變化率分別為17.63和8.62%,是寧夏全區的3—4倍。中部干旱帶荒漠化問題嚴重,人地關系緊張,但近年來實施了一系列生態恢復工程和退耕還林還草政策,中部生態環境得到了有效改善。雖然林、草地和人工表面生態系統增加,但農田生態系統有所減少,從而中部的擾動指數呈下降態勢,其人類活動擾動程度減小幅度極小僅為-0.17,變化率為-0.07%,處于人為活動減弱期。南部主要是黃土丘陵區,氣候干燥,但農田面積大,人口-農田-水資源成為其主要矛盾,是主要的生態移民工程遷出地,荒漠和農田大幅減少,人類活動擾動程度變化量大幅減少,人為活動對生態系統的擾動更為減弱(表4)。

表4 寧夏人類活動擾動程度變化量與變化率

為了進一步研究寧夏各個縣的人類活動干擾程度,本文計算了每個縣的人類活動擾動程度變化率。北部13縣的人類活動擾動程度變化率均大于0,其中人為擾動增強的為寧夏省會銀川市所轄金鳳區、西夏區和永寧縣,R均大于12%,為北部的兩倍多。南部5縣的人類活動擾動程度變化率均小于0,其中隆德縣減輕最明顯。中部各縣人為活動擾動既有增強也有減輕,其中紅寺堡區增強最大,R=3.77%;海原縣減輕最明顯,R=2.72%。北部主要是自然條件相對優越的平原區,其經濟發展速度領先,人類對該區域的生態環境擾動強烈,特別是人工表面生態系統的增加引起的城市擴張加劇,故人類活動擾動程度高。中部屬半干旱區,干旱少雨且蒸發強烈,脆弱的自然條件對其發展有所制約,但相較于南部山區,其交通條件更好,中部地區的社會經濟發展速度較慢,人類活動擾動程度較低。南部地處山區,人工表面生態系統占比較低且水資源匱乏,故人類活動擾動程度最低。在相同的地貌條件下,各縣也呈現出不同的發展狀態。如北部人類活動擾動程度較高的金鳳區、西夏區以及永寧縣均為省會銀川所轄縣(區);而中部鹽池縣和同心縣的擾動程度低于紅寺堡區,是因為這兩個縣縣域面積較大而人工表面和農田生態系統占地較少,故人類活動擾動程度低(圖3)。

圖3 寧夏各縣生態系統變化率圖Fig.3 Ecosystem changes ratio atlas of each county in Ningxia Hui Autonomous

4 討論

本研究基于遙感信息對1975—2015年間寧夏全區及各分區生態系統格局變化在時間和地域上的分異性進行了較為完整的監測與分析,并結合土地開發度綜合指數對全區內部區域生態系統間的變化差異分析比較,進一步探討了人類活動對自治區的擾動情況,可為研究和治理該區不同尺度區域范圍內的生態環境宏觀變化提供較強的理論支撐和科學依據。但也存在許多不足之處,如僅對寧夏自治區生態系統格局的變化進行了分析,而對與之緊密相關的變化的驅動機制自然因素缺乏系統分析。此外,論文所采用的遙感影像數據的空間分辨率較低,雖然解譯期間進行了較為詳盡的實地驗證,但與當前可用的遙感數據相比較精度仍然受限,更適宜于宏觀尺度的趨勢分析,在今后的工作中應考慮采用更高分辨率的數據源來進行細節研究。

5 結論

(1)40年間森林和人工表面生態系統面積增加,荒漠生態系統面積減少,農田生態系統先增后減,草地生態系統先減后增。2000年是變化節點,此前以農業發展為主,生態環境保護有所不足,導致草地破壞,荒漠被開墾為農田;此后城市建設進程明顯加快,受退耕還林一系列生態環境建設和恢復工程的影響,草地大面積恢復,森林面積快速增長,從而有效改善了寧夏的生態環境。

(2)每時段內大約有占寧夏總土地面積6%的生態系統面積發生變化;草地和農田生態系統之間交換頻繁,是寧夏最為主要的生態系統類型轉換方式;其次是草地和荒漠向農田生態系統轉換及農田向草地和人工表面生態系統轉換;濕地表現為增加-減少-增加的趨勢,但是變化量小。

(3)寧夏人為活動對生態系統的擾動程度在全國處于中等水平;40年間人類活動擾動程度全區增加了2.89%,其中北部增加了8.62%,中部和南部分別減少了0.07%和2.20%。因此,應繼續堅持生態優先,做好中部和南部生態環境建設工作,提高區域生態系統服務功能。