2000-2015年內蒙古地區土地沙漠化脆弱性評估

趙志榮, 許端陽, 張緒教, 盧周揚帆, 張曉宇

(1.中國地質大學, 北京 100083; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京 100101)

沙漠化是干旱、半干旱及部分半濕潤地區由于人地關系不相協調所造成的以風沙活動為主要標志的土地退化[1]，是區域經濟社會發展和生態環境脆弱的重要特征之一[2]；具體表現為可供農牧的土地面積減少、植被覆蓋度及生物量減少、土地生產能力退化、作物單位面積產量降低及引發的貧困、社會動蕩等問題，嚴重限制了人類福祉的提升[3]。自然條件(干旱、土壤類型、植被等)和社會經濟條件(人口、放牧、人均收入等)共同影響土地沙漠化的演化過程，導致區域沙漠化—社會—經濟復合系統十分脆弱，并在空間上呈現典型的區域差異[4]；開展區域沙漠化脆弱性評估，識別其動態演化特征及關鍵影響因素，對于沙漠化防治及區域經濟社會可持續發展具有重要的意義。

脆弱性是一個相對的、負面的、針對結果的描述詞語[5]，作為一項有效描述一個系統受外界變化破壞難易程度的指標，在可持續發展中是不可或缺的[6]。不同的研究領域對脆弱性的定義有所差異，自然災害、氣候變化等自然科學領域認為脆弱性是系統由于災害、氣候變化等不利影響而遭受損害的程度或可能性，側重研究單一擾動所產生的多重影響，是氣候的變率特征、幅度和變化速率及其暴露度、敏感性和適應性的函數[7]。社會生態系統研究領域認為脆弱性是在自然或人文因素的不利擾動下，社會—生態系統的敏感程度和應對能力，是系統所受壓力和自身敏感性相互作用的結果[8]。近年來，隨著人們對自然—社會—經濟復合系統認識的不斷拓展，脆弱性從單純針對自然系統的固有脆弱性逐漸演化為針對自然和社會系統的意義更為廣泛的綜合概念，其研究應用逐漸變廣，可見到社會—生態系統綜合性脆弱性評價[9-10]、基于氣候變化的生態系統脆弱性和植被NPP脆弱性研究[11]和針對土地退化及干旱條件的脆弱性研究[12-13]等。脆弱性評估方法多樣，不同的理論模型側重點不同，如在全球氣候變化背景下以可持續發展為角度的AHV(airlie house vulnerability)理論模型，針對災害的R-H(risk-hazards)模型，HOP(hazards of place)模型[14]和VSD評價整合模型[15]等。其中VSD評價整合模型基于“暴露—敏感—適應”的3個維度，用“方面層—指標層—參數層”逐級遞進的方式組織、評價數據，結合暴露度、敏感性和適應能力的數學關系揭示自然與人文要素的雙重影響，得到廣泛應用。

土地沙漠化脆弱性是沙漠或沙地生態系統在特定時空尺度暴露在外界干擾時具有的反應程度和自我恢復能力[16]。已有學者在土地沙漠化脆弱性方面進行了大量研究，例如，周利光等[17]利用脆弱性評估模型計算了內蒙古錫林郭勒草原畜牧業對干旱的脆弱性指數；魯大銘等[18]研究表明西北干旱地區脆弱性指數時空格局整體呈現北低南高、東低西高的格局，且經濟脆弱性持續下降。在沙漠化脆弱性影響因素方面，Salvati等[19]研究認為人均收入、作物密度、灌溉和海拔高度是意大利土地沙漠化的關鍵指標；Ren[20]對長江黃河源頭流域沙漠化脆弱性研究表明，氣溫升高是該研究區脆弱性演變的主要自然因素，過度放牧和使用沼澤水是該研究區脆弱性演變的主要人為因素；郭兵等[21]研究表明，2000—2013年我國北方半干旱荒漠草原生態區生態脆弱性呈減小趨勢，受GDP密度、氣溫、降水等因子影響顯著。總體來看，目前我國沙漠化脆弱性評估尚處起步階段，不同研究對沙漠化土地內涵的認識及指標體系設計差異較大，一方面現有指標體系對區域沙漠化土地特征及社會經濟因素考慮不充分，另一方面是對區域土地沙漠化脆弱性時空演變關鍵影響因素缺乏識別，且缺乏大尺度的土地沙漠化脆弱性評估實踐，對區域沙漠化防治的支撐能力不強。

內蒙古自治區(以下簡稱“內蒙古”)地處我國北部邊疆，沙漠及沙漠化土地廣泛分布，經濟社會發展及生態環境極其脆弱。據國家林業局第五次中國荒漠化和沙化狀況公報[22]，內蒙古沙化土地面積達40.79萬km2，在我國的省份中位列第二，沙漠化防治形勢依然十分嚴峻。本文以內蒙古為典型研究區，參考VSD脆弱性評估框架，構建土地沙漠化脆弱性評估指標體系，根據沙漠化脆弱性與暴露度、敏感性和適應能力之間的數學關系，對2000—2015年內蒙古土地沙漠化脆弱性進行評估，識別關鍵影響因素，以期為內蒙古沙漠化防治以及經濟社會可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古位于37°24′ —53°23′N，97°12′—126°04′E(圖1)，跨中國東北、華北、西北三大地區，由東北向西南斜伸，呈狹長形，轄12盟市，102旗縣區，總面積118.3萬km2。氣候以溫帶大陸性季風氣候為主，年平均氣溫-3～9℃，年總降水量50～450 mm，年日照時數大于2 700 h，蒸發量很大，干旱問題異常突出，全區干旱、半干旱區占總面積的60%以上；全年大風天氣大部分發生在春季，大風日數平均在10～40 d，大部分地區沙塵暴日數為5～20 d；土壤帶基本呈東北—西南向排列，以栗鈣土、棕鈣土、風沙土等為主。在干旱多風沙天氣和長期過度放牧等人類活動影響下，內蒙古土地沙漠化嚴重，包括巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、巴音溫都爾沙漠、庫布齊沙漠和烏蘭布和沙漠，科爾沁沙地、毛烏素沙地、渾善達克沙地和呼倫貝爾沙地[23]；2000年以來，“三北”防護林建設、京津風沙源治理、退耕還林、天然林保護等一系列生態工程的實施使得研究區土地沙漠化得到控制、生態環境好轉，但國家林業局第五次中國荒漠化和沙化狀況公報顯示內蒙古荒漠化和沙化土地面積仍占土地總面積的50%和30%以上，研究區生態環境脆弱，沙漠化防治任務艱巨。

圖1 研究區范圍及土地利用基本情況

1.2 數據收集

本研究所使用數據包括歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)、氣候、土地利用、土壤、植被以及經濟社會數據等。NDVI為GIMMS NDVI3g V1.0數據，來源于美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)全球監測與模型研究組(Global Inventor Modeling and Monitoring group，GIMMS)發布的最新版全球植被指數變化數據；氣象數據為國家氣象科學數據共享服務平臺下載的國家臺站的風速、降雨、溫度等月值數據，采用反距離權重法(IDW)進行插值；土地利用數據來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統科學數據共享服務平臺；水資源數據來源于內蒙古水資源公報；土壤數據來源于寒區旱區科學數據中心；社會經濟數據為內蒙古自治區統計年鑒和中國林業統計年鑒整理得到。為了便于統計分析，同時考慮到所有數據中的最低分辨率，本研究將所有數據重采樣為8 km×8 km的柵格數據。

1.3 方 法

1.3.1 沙漠化脆弱性評估指標體系 VSD脆弱性評價框架將脆弱性分解為暴露性、敏感性和適應能力3個維度，暴露度包含干旱、人類活動等指標，敏感性包含植被、土壤、經濟等因素，適應能力包含技術、經濟等指標[9,15]。本文參考VSD脆弱性評價框架逐級遞進、細化評價指標和數據，結合土地沙漠化的影響因素以及研究區實際情況，構建沙漠化脆弱性評估指標體系。基于前人研究以及專家知識，利用層次分析法，按照目標層、準則層和指標層建立層次結構，構建判斷矩陣評定各層次中各有關因素相對重要性，進行層次單排序來確定各因素重要性次序的權重值，利用ArcGIS柵格計算器對各項指標進行加權求和得到各維度的空間分布圖層，根據3個維度的關系(公式1)計算得到沙漠化脆弱性評估結果。

V=E+S-A

(1)

式中：V為脆弱性；E為暴露度；S為敏感性；A為適應能力。

沙漠化暴露度是沙漠化系統暴露于外界壓力或風險干擾與脅迫的程度，主要指氣候變量及人類活動的干擾[11,23]，包括干濕指數、風蝕氣候侵蝕力、人口密度、放牧密度和未利用地比重5個指標(表1)，均與沙漠化暴露度呈正相關，即暴露度隨著各指標數值增加而升高。干濕指數綜合了降雨、氣溫、輻射等多個氣候要素，是表征一個地區干濕程度及對植被生長影響的重要指標，風蝕氣候侵蝕力是影響土地沙漠化的重要外部營力[24]，二者分別從地表干濕條件和風蝕程度表征土地沙漠化暴露度高低；內蒙古地區農村人口比重較高，種植業和畜牧業是其主要的經營活動，人口的增多和畜牧量的增加會加劇土地退化，因此用人口密度和放牧密度代表人類活動對土地沙漠化暴露度的影響；未利用土地比重是在自然環境的限制下，人類活動未開發利用的土地數量，未利用土地比重越高土地沙漠化暴露度越高。

表1 沙漠化暴露度指標體系

E1=ET0/P

(2)

(3)

ET0=0.19(20+T)2(1-r)

(4)

式中：E1為干濕指數(mm/mm)；ET0為最大潛在蒸散(mm)；P為降雨量(mm)；E2為風蝕氣候侵蝕力(無單位)；ˉu為2 m高處的月均風速(m/s)；d為月天數；T為月平均氣溫；r為月平均相對濕度。

沙漠化敏感性是指外界條件變化對系統的格局、過程和功能的影響程度[9]，包括植被覆蓋度、土壤沙粒含量、糧食單產、單位面積水資源量、人均GDP和農村人口比重6個指標(表2)。植被覆蓋度作為反映地表信息的重要參數，是影響土地荒漠化直接有效的指標，植被覆蓋度越高沙漠化敏感性越低；土壤沙粒含量和單位面積糧食產量代表了土壤質地和土壤肥力，作為代表土壤退化的敏感性指標，土壤沙粒含量越高、單位面積糧食產量越低沙漠化敏感性越高；單位面積水資源量作為衡量某一地區的水量自我供給能力，不僅僅包括降水量還包括水庫、江河湖泊和地下水，單位面積水資源量越高沙漠化敏感性越低；內蒙古地區人均GDP和農村人口比重是影響沙漠化敏感性的經濟因素，人均GDP越高、農村人口比重越低沙漠化敏感性越低。

表2 沙漠化敏感性指標體系

、

S1=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(5)

式中：S1為植被覆蓋度(%)；NDVImax和NDVImin分別為區域內最大和最小的NDVI值。

沙漠化適應能力是指沙漠系統適應氣候變率和極端氣候事件時減輕潛在損失、利用機會或應付氣候變化的能力，是系統對變化的環境做出的調整[9,17]，主要受社會經濟因素影響，包括當年造林面積占總面積比重[26]、社會固定資產投資密度、第三產業比重、農牧民人均可支配收入、農林牧漁業總產值和各類技術人員比重6個指標(表3)，各指標數值越高沙漠化適應能力越強。

表3 沙漠化適應能力指標體系

1.3.2 數據處理 將社會經濟數據的各指標數據賦值到以縣為單位的矢量圖中進行空間化，然后再根據不同的指標字段值生成對應的柵格數據層。由于評價指標類型多樣，單位不一，需要對各項指標數據進行標準化統一處理，本文采用常用的min—max標準化(min—max normalization)方法(公式6，7)對數據進行無量綱化處理，在沙漠化脆弱性評價體系中，有些指標與維度呈正效應(暴露度、敏感性或適應能力隨著相應指標數值的增大而升高)，有些呈負效應(暴露度、敏感性或適應能力隨著相應指標數值的增大而降低)，根據各指標對相應維度的不同影響區別對待，最終將各指標數據整理為具有空間屬性的歸一化柵格數據。以2000—2015年脆弱性指數的均值的自然間斷點為標準，對研究區沙漠化脆弱性進行等級劃分，由低到高分為不脆弱、較低脆弱、中等脆弱、較高脆弱和高脆弱(表4)。

正效應的指標處理方法為：

(6)

負效應的指標處理方法為：

(7)

式中：Xij為標準化數據；xij為第i個評價對象的第j項評價指標；maxxij和minxij分別為第j項評價指標的最大值和最小值。經處理后的Xij∈[0,1]；Xij越趨于1，說明其對相對應維度的貢獻越大；反之，則越小。

表4 沙漠化脆弱性分級

1.3.3 分析方法 利用線性回歸模型分析柵格尺度上的內蒙古地區2000—2015年土地沙漠化脆弱性、暴露度、敏感性和適應能力的年際變化趨勢，并通過t檢驗法(p<0.05)對脆弱性以及構成脆弱性的3個維度進行顯著性檢驗，判斷其是否發生顯著變化，來確定研究區沙漠化脆弱性演變趨勢。為了進一步識別影響沙漠化脆弱性的關鍵因素，使用相關性系數分析各指標與沙漠化脆弱性評估結果的相關性，相關性系數絕對值越大則此指標對脆弱性結果影響越明顯。若相關性系數大于0則表示正相關，此指標對脆弱性指數呈正向影響；若相關性系數小于0表示負相關，此指標對脆弱性指數呈反向影響。相關性系數絕對值大于0.5時，指標y與x具有強相關關系。

2 結果與分析

2.1 內蒙古土地沙漠化脆弱性空間分異

基于2000—2015年研究區各指標均值，計算得出內蒙古沙漠化暴露度、敏感性、適應能力以及脆弱性空間分異情況(表5)。研究區沙漠化暴露度大致呈現東北部低—西南部高的規律，而這也與內蒙古沙漠化土地、植被、降雨空間分布基本一致；其中，暴露度高的區域位于阿拉善盟、巴彥淖爾市西部和錫林郭勒盟西南部，且阿拉善盟中北部暴露度最高，內蒙古東北部及河套平原地區沙漠化暴露度均較低。在盟市層面，阿拉善盟沙漠化暴露度最高，興安盟和呼倫貝爾市沙漠化暴露度最低。研究區沙漠化敏感性空間分布與暴露度基本相似，呈現由東北向西南逐漸升高的規律；沙漠化高敏感性區域集中分布在阿拉善盟額濟納旗、巴彥淖爾市北部、包頭市北部和錫林郭勒盟西部。在盟市層面，沙漠化敏感性均值最高的是阿拉善盟、烏蘭察布市和包頭市，最低的是興安盟和呼倫貝爾市。沙漠化適應能力主要受經濟條件影響；隨著近年來內蒙古社會經濟的快速發展以及生態建設投入力度的不斷加大，各盟市的土地沙漠化適應能力也逐漸增強，其中通遼市、呼和浩特市和烏海市沙漠化適應能力平均值最高，烏蘭察布市最低。基于暴露度、敏感性、適應能力的沙漠化脆弱性呈東北部低—西南部高格局分布，沙漠化脆弱性較高的區域主要集中在內蒙古西部和中北部，較多分布在阿拉善盟、巴彥淖爾市、錫林郭勒盟和烏蘭察布市。阿拉善盟沙漠化脆弱性指數平均值最高，呼倫貝爾市最低。

表5 2000-2015年內蒙古地區各盟市沙漠化暴露度、

2.2 內蒙古土地沙漠化脆弱性時空演變

2000年、2005年、2010年和2015年內蒙古土地沙漠化脆弱性分級結果見圖2。總體上看，2000—2015年內蒙古土地沙漠化脆弱性明顯降低，高脆弱性和不脆弱土地面積級變化尤其明顯，土地沙漠化高脆弱性區域由2000年的4.28×105km2降低到2015年的6.04萬km2，不脆弱土地面積由2000年的5.52萬km2升高到2015年的4.02×105km2。2015年，內蒙古沙漠化脆弱性以不脆弱和較高脆弱為主，分別為4.02×105km2，2.32×105km2，分別占研究區總面積的36.61%和21.16%，沙漠化高脆弱性區域最少，為6.04萬km2，占5.50%，集中分布在阿拉善盟中北部、巴彥淖爾市西北部和錫林郭勒盟西部。

2000—2015年，內蒙古土地沙漠化脆弱性呈升高趨勢的土地面積為1.27萬km2，僅占研究區總面積1.16%，其中顯著升高的面積為1.73×103km2，占研究區總面積的0.16%，沙漠化脆弱性顯著升高的區域集中在巴彥淖爾市烏拉特后旗中部；沙漠化脆弱性呈降低趨勢的土地面積為1.08×106km2，占研究區總面積的98.84%，其中顯著降低的面積為1.04×106km2，占研究區總面積95.51%(圖3)。在沙漠化脆弱性升高區域，沙漠化暴露度以顯著升高為主，占脆弱性升高區域總面積的92.93%，而沙漠化敏感性變化不顯著，說明沙漠化脆弱性升高主要由沙漠化暴露度升高造成；在沙漠化脆弱性降低區域，東北部脆弱性降低是沙漠化暴露度降低、敏感性降低和適應能力提高綜合影響的結果，西南部在沙漠化暴露度顯著增加的情況下沙漠化脆弱性仍顯著降低，說明西南部脆弱性降低是沙漠化敏感性降低和沙漠化適應能力升高的結果。

圖2 2000-2015年內蒙古地區沙漠化脆弱性分級

2.3 土地沙漠化脆弱性變化關鍵驅動因素識別

基于相關性分析，可以看出2000—2015年各指標對內蒙古土地沙漠化脆弱性變化的影響不同且存在明顯的空間分異。在暴露度方面，干濕指數和風蝕氣候侵蝕力與脆弱性指數呈現較強的正相關性；在敏感性各指標中人均GDP、單位面積糧食產量和植被覆蓋度與脆弱性指數呈現較強的負相關性；在適應能力方面，農牧漁業總產值和農牧民純收入與脆弱性指數呈現較強的負相關性。總體來看，由于氣候、土壤和植被等一些自然條件的年際變化不是很明顯，脆弱性降低與十多年來經濟指標不斷升高密切相關，整體來看沙漠化脆弱性與經濟指標具有較強的負相關關系，相關系數絕對值為0.5～1，與自然條件一些指標具有中等或較弱的相關性，且相關系數呈現出明顯的空間異質性，其中與干濕指數的相關系數值最高為0.40，其次為植被覆蓋度和風蝕氣候侵蝕力。

在脆弱性降低區域，大部分地區沙漠化脆弱性與農牧民純收入、農林牧漁業總產值和人均GDP共3個指標均呈現較高的相關性，其中農牧民純收入對沙漠化脆弱性影響最大，影響面積為1.02×106km2；在自然條件因素中，植被覆蓋度因子分布廣且分散，風蝕氣候侵蝕力因子和干濕指數因子主要分布在內蒙古東北部和中部，其中干濕指數對沙漠化脆弱性影響最大，影響面積為4.95×105km2。在脆弱性升高區域，農村人口比重、農林牧漁業產值、三產比重和農牧民收入是主要的社會經濟因素，其中農村人口比重對脆弱性升高的影響最明顯，主要集中在巴彥淖爾市西部和錫林郭勒盟西部，其影響面積為2.56×103km2，占脆弱性指數升高面積的20.16%；單位面積水資源量和糧食單產是主要的自然因素，單位面積水量對脆弱性升高的影響更明顯，影響面積為1.02×103km2，占脆弱性指數升高面積的8.06%。

3 討論與結論

本文研究結果與前人研究保持較好的一致性，例如2000—2013年我國北方半干旱荒漠草原生態區生態脆弱性呈減小趨勢[21]；蒸發、降水、氣溫和人類活動是控制錫林郭勒盟暴露敏感性格局的關鍵因素[27]。本文探討各指標對沙漠化脆弱性影響的空間差異，以識別內蒙古地區土地沙漠化脆弱性變化關鍵驅動因素，相對以往研究[11-12]，彌補了脆弱性框架未能清晰識別不同因素對脆弱性的影響的不足。從研究結果看，由于研究時段內經濟指標快速升高，沙漠化脆弱性的適應能力不斷提升，導致沙漠化脆弱性指數變化幅度較大，但沙漠化暴露度和敏感性呈現出較強的空間異質性，尤其需要關注沙漠化暴露度和敏感性顯著增加的區域，未來研究要考慮到實際經濟發展走勢和社會經濟發展狀況，進一步提升經濟指標在時間序列上演變的可參照性；本研究未考慮相關的政策變量，如放牧禁令、公益林保護、人工草地修復、農田開墾和草方格固沙等生態項目和政策，今后考慮將生態政策的實施引入沙漠化脆弱性評估體系，以獲得有關人為導致的荒漠化和恢復過程的更準確信息。

圖3 內蒙古地區暴露度、敏感性、適應能力和脆弱性演變趨勢

內蒙古沙漠化暴露度和敏感性演變均呈現出較強的空間異質性，暴露度顯著增加區域主要集中在內蒙古西南部，敏感性顯著增加區域位于內蒙古中部；沙漠化脆弱性適應能力不斷提升。研究區沙漠化脆弱性呈現“東北部低—西南部高”的空間格局，沙漠化脆弱性較高的區域主要集中在內蒙古西部和中北部。

2000—2015年，絕大部分地區沙漠化脆弱性呈降低趨勢，在巴彥淖爾市烏拉特后旗中部沙漠化脆弱性顯著增加，且沙漠化脆弱性升高主要由沙漠化暴露度升高造成。2000年以來內蒙古地區經濟發展及其帶來的適應能力提升是導致內蒙古土地沙漠化脆弱性普遍降低的重要原因，如烏蘭察布市2015年農林牧漁業總產值229.77億元較2000年的57.62億元增長298.75%，2015年農牧民人均收入8 428元較2000年的2 003元增長320.77%，適應能力由2000年的0.059提升至2015年的0.172，即使在暴露度和敏感性均增加的情況下，烏蘭察布市的沙漠化脆弱性仍降低了0.05。自然條件改善也是導致研究區脆弱性降低的重要因素；如2000年以來內蒙古植被覆蓋度呈增加趨勢，干濕指數呈降低趨勢均為沙漠化脆弱性的降低做出了貢獻。

綜合來看，內蒙古東北部和河套地區為低暴露度—低敏感性—高適應能力區域，沙漠化脆弱性相對較低，應在實施好現有生態治理政策和工程基礎上，做好沙漠化防治成果的鞏固；內蒙古西部是沙漠化高暴露度—高敏感性—低適應能力區域，沙漠化脆弱性較高，須重點防護；建議在今后沙漠化治理中，重點關注鄂爾多斯、阿拉善等內蒙古西部地區的沙漠化防治工作，加大防沙治沙投入力度和適應能力建設，在嚴格執行禁牧和公益林保護政策基礎上，引導京津風沙源治理工程布局向該區域傾斜，并根據區域水資源承載力積極發展沙區生態產業，在發展區域特色經濟的同時引導民間力量參與沙漠化防治。