生態-經濟發展情景下內蒙古宏觀生態系統模擬與分析

王婉瑩,劉琳,李夢嬌,劉立程,張 倩,*

1 衡水市自然資源和規劃局, 衡水 053000 2 河北地質大學, 石家莊 050031 3 中國農業大學土地科學與技術學院,北京 100193

陸地生態系統格局與過程的不斷改變是人類生存環境與社會經濟可持續發展的重要影響因素。隨著工業化及城市化進程的持續推進,高強度的人類活動導致生態系統不斷發生變化[1-4],區域層面上過度開發及系統失衡問題屢被報道[5-9]。從1987 年聯合國大會首次提出“可持續發展”的概念到1992年聯合國環境與發展大會通過了《21世紀議程》,再到2000 年的千年發展目標(Millennium Development Goals, MDGs)以及2015 年聯合國指定的17 個全球可持續發展目標(Sustainable Development Goals, SDGs),均強調以系統思維解決社會、經濟和環境三個維度的協調發展問題。探索生態-經濟的協同發展下陸地宏觀生態系統的動態變化路徑已成為實現全球可持續發展目標亟待解決的核心科學與實踐議題。

現有陸地生態系統變化過程研究主要從時間動態和空間分布著眼,基于土地利用等各項數據對陸地宏觀生態系統數量、質量、結構、功能、分布的時空變化等方面進行研究[10-16]。較為常見的是基于土地利用/覆蓋變化遙感監測數據,對區域陸地生態系統宏觀結構以及面積的動態變化進行時空特征分析[17]；也有學者從陸地生態系統的分布及演替入手,系統地論述了氣候變暖對陸地生態系統的影響[18]。上述研究針對陸地生態系統已發生的變化進行了系統研究,之后有學者基于土地利用、氣候變化等現有數據,對陸地生態系統變化進行情景模擬[19-20]。例如,Xu等利用構建的碳流模型模擬了不同土地利用情景下馬納斯河流域未來生態系統的發展趨勢[21]。有學者利用耦合模式初步分析了溫控目標下陸地生態系統的變化過程[22]。范澤孟等改進了HLZ生態系統模型,構建了植被生態系統平均中心時空偏移分析模型,基于歐亞大陸的氣候觀測數據,對歐亞大陸植被生態系統的時空分布格局進行了不同情景下的模擬分析[23]。陸地宏觀生態系統的也變化受到自然環境與人為因素的雙重影響[24-28],但同時陸地宏觀生態系統變化也作用于人類社會經濟系統,影響著人與自然耦合系統的可持續發展。自然環境,如土壤類型、地貌、坡度、海拔高度、氣候類型等地理稟賦因子對陸地宏觀生態系統變化有著較強的限制作用,不同屬性的地塊適應于特定的利用方式[29-31]。此外,陸地宏觀生態系統變化還受社會經濟因子的驅動作用,包括政策變動、經濟發展、技術進步與人口增長等外來因素的影響[19,32-33]。現有研究中對自然與人為因素耦合驅動下的陸地宏觀生態系統變化的深入探討、定量化的情景參數設置方案的遴選、以及空間顯性的情景模擬分析尚存較大提升空間,而這些又恰是回答生態-經濟協同發展路徑下的陸地宏觀生態系統將如何變化的核心科學問題的重要技術支撐。

目前,我國的關于宏觀生態系統變化研究主要集中在兩類地區,一是“自然、城市開發熱點區”, 即快速城鎮化地區和人文自然景觀變化劇烈的區域; 二則是“生態環境敏感脆弱區”,即在生態保護上具有哨卡和戰略地位的敏感區域,以及在經濟社會發展與資源消耗過程中生態環境脆弱性不斷增加、容易誘發各種生態環境問題的脆弱地區。具體已報道案例中陸地宏觀生態系統的研究較多且較為深入的區域主要集中在西北干旱半干旱地區的黑河流域、寧夏,新疆中部、青海三江源地區等,多側重于短時間序列[24,26,34]、市縣境內研究,或者多針對特定類型生態系統變化的分析[35-36]。內蒙古自治區是我國北方面積最大、種類最全的生態功能區,它重要的生態系統服務功能是構筑我國北方生態屏障的雄厚資本,同時內蒙古自治區資源富集,是我國重要的能源及化工基地,因而,其陸地宏觀生態系統狀況不僅關系全區各族群眾生存和發展,而且關系華北、東北、西北乃至全國生態安全[37-40]。針對內蒙古自治區這樣兼具開發熱點區和生態敏感脆弱區雙重屬性的研究區域,亟待加強在該區域探索宏觀陸地生態系統情景及生態-經濟協同發展路徑,這不僅能夠為有關氣候、生態模型的運行提供高精度的下墊面數據和地表參數庫,揭示陸地宏觀生態系統動態變化的影響因子及其相互聯系,而且對于研究全球變化作用下的區域響應,維持國家北方乃至全國生態安全,實現區域可持續發展目標,具有重要的理論意義和現實價值[41-44]。

本文擬回答內蒙古自治區不同的生態-經濟關系情景下陸地宏觀生態系統將發生什么樣的時間和空間上的動態變化。本文首先構建了三期宏觀生態系統格局數據與影響因子數據集,進而基于內蒙古六大生態系統的發展規劃,設置了2025 年與2035 年基準情景、生態-經濟協同發展情景和生態-經濟權衡發展三種情景；接著利用土地利用均衡分析模型模擬了未來情景下內蒙古六大類生態系統結構、空間分布格局與社會經濟系統的發展路徑,預測了未來不同社會經濟活動對生態系統的擾動強度以及陸地宏觀生態系統的演變態勢,提煉了新時期生態安全屏障建設的政策建議,以期為推動全區生態文明建設,促進內蒙古經濟社會與生態協調發展提供定量化科學支撐。

1 研究區概況

1.1 基本概況

內蒙古自治區地處北緯37°24′—53°23′,東經97°12′—126°04′,總面積約為118.3×104km2。內蒙古生態系統復雜多樣,包含農田、森林、草地、濕地、城市、荒漠等六大類生態系統,其中,草地、森林、農田、荒漠是自治區的主要生態系統類型。內蒙古自治區東部、中部和西部區域的自然條件差異使得各類生態系統在空間分布上異質性顯著,且呈現不同程度的演化趨勢。總體來說,東部區域地勢較為平坦,水分充足,主要以農田、森林生態系統為主；中部地區水資源稀缺,主要以草地生態系統為主；西部地區處于干旱、半干旱區,地勢較高,降雨少,主要以荒漠生態系統為主。內蒙古年降水量稀少,由東北向西南遞減,多年平均降水量僅為239.2 mm。截至2018 年,全區常住總人口共計2534.0 萬人,城鎮人口共計1589.1 萬人,全區地區生產總值為17289.2 億元,第一、二、三產業增加值分別為1753.8、6807.3、8728.1 億元。

1.2 內蒙古宏觀生態系統變化歷史

1990—2000年內蒙古自治區生態系統動態變化最大的是草地與農田生態系統之間的轉變(草地向農田轉變居首位,農田向草地轉換次之),草地生態系統向森林生態系統的轉變次之。總體規律上,呈現出以草地生態系統面積的縮減為代價,支撐其它各類陸地生態系統面積的擴張；同時,森林生態系統面積有所減少；濕地生態系統面積有所增加,主要來源于草地和荒漠轉換；農田和荒漠生態系統面積增加,主要是由于人口及牛羊總數持續增加,人類活動強度增大對草地生態系統造成了較大的壓力。經濟的快速發展,使得草地開墾和過度放牧現象嚴重。與其它陸地生態系統相比,內蒙古1990—2000 年間城鎮擴張面積規模較小(表1)。這期間生態系統變化的主要驅動力來自于自然因素(氣候的暖干化)和人類活動(人口的持續增長、牛羊數量的增加、經濟快速發展)。

表1 內蒙古1990—2000年生態系統類型轉移矩陣/km2

2000—2015 年內蒙古草地生態系統被侵占的現象更為明顯,面積縮減最多,是動態變化最為強烈的陸地生態系統類型,草地轉換成森林、農田和荒漠的比例較高(表2)。城市生態系統迅速擴張是內蒙古生態環境在這一時期變化的另一個顯著特征,主要來源于侵占草地和農田。除此之外,森林生態系統面積出現小幅度增加,荒漠生態系統轉化為草地生態系統面積占比較高,濕地生態系統面積呈基本穩定的態勢。這與國家及地方政府實施的一系列生態工程與生態退耕政策有關,同時,“京津風沙源綜合治理工程”、“天然林資源保護工程”、“三北防護林”、“水土保持”、“生態重點縣”、“天然草原保護工程”等多個不同時段、不同方式的生態恢復與重建工程,也對內蒙古生態系統質量提升產生著積極影響。2000年國家退耕還林還草政策出臺的同時,經濟補償因素驅動農田生態系統向森林和草地生態系統轉變。

表2 內蒙古2000—2015年生態系統類型轉移矩陣/km2

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究構建了1990 年,2000 年及2015 年三期宏觀生態系統數據,包括6 個一級分類和25 個二級分類的100 m×100 m柵格數據,用于內蒙古自治區宏觀生態系統變化的模擬與驗證。宏觀生態系統變化影響因子數據集中的因子(表3)主要包括區位條件、統計數據、氣候數據、土壤屬性、地形數據等。區位條件主要包括到公路、省會城市、水域的距離等,此類數據基于國家1：25 萬基礎地理數據提取,并通過距離測算工具自動生成。統計數據主要來自于內蒙古統計年鑒,中國畜牧業年鑒,中國農業年鑒,主要包括人口、GDP、糧食生產、畜牧業生產、退耕還林還草政策、自然保護區、污染治理等數據。氣候數據主要包括氣溫、降水、日照時長和大于0℃積溫,來源于內蒙古氣象臺站的文本數據,通過空間插值方法實現氣候數據的柵格化。常用于氣象數據空間插值的方法主要有距離權重法、克里格法與梯度距離平方反比法等,本研究主要采用雙線性距離加權插值和海拔調整方程構建了氣象數據模型進行空間插值,得到了1 km×1 km柵格數據。土壤屬性包括壤土含量、土壤有機氮、土壤有機磷、土壤鉀以及土壤pH值。地形數據包括高程(DEM)及坡度,高程數據基于1∶25 萬數字地面高程模型(DEM)提取,并形成1 km×1 km GRID數據,通過ArcGIS提取內蒙古的坡度分布。土壤、氣候、地形等自然條件影響用地類型的產出,加之社會經濟與管理政策的外來沖擊,從而影響社會主體對土地利用的選擇行為,進而對宏觀生態系統變化進程產生影響。

表3 內蒙古自治區宏觀生態系統分析數據一覽表

2.2 研究方法

2.2.1土地利用均衡分析模型原理介紹

內蒙古各類生態系統空間分布情景模擬通過土地利用均衡分析模型實現。它由非空間子模塊和空間子模塊構成,基于區域尺度描述自然-人文耦合要素驅動的土地利用需求變化,并基于柵格尺度空間顯性地表達需求驅動下地土地利用變化。土地利用均衡分析模型非空間模塊是基于可計算一般均衡理論(Computable General Equilibrium, CGE)構建的一般均衡模型。模型實際是由一系列經濟學方程構成的有且僅有唯一解的聯立方程組,不同的土地利用類型作為生產要素在經濟學方程中體現。當外生變量發生改變時,作為方程組解的各種土地利用類型的需求就會發生改變,從而導致區域土地利用結構改變。在非空間模塊實現了區域土地利用需求估計后,空間模塊實現將土地利用需求量的空間顯性表達,即在柵格尺度上基于各種自然、經濟、政策、社會條件等將土地利用需求量進行合理地空間迭代分配。該模塊考慮了氣溫、降水、輻射、坡度、高程、土壤N含量、土壤P含量、土壤K含量、土壤顆粒組成、生產規模等信息,用以判斷相應土地利用/覆蓋類型的生產力,同時結合土地利用與收益案例庫和非空間模塊提供的產品價格數據,估算出各種潛在土地利用類型地收益。在非空間模塊提供的土地利用需求量約束下,對各種土地利用類型按照收益的高低進行分配,直至與土地利用需求量最為接近為止(圖1)。

圖1 土地利用均衡分析模型空間模塊運行流程Fig.1 The operation process of the spatial module for land use equilibrium model

2.2.2情景設置

根據內蒙古社會經濟發展特征,本文設置了基準情景、生態-經濟協同發展情景和生態-經濟權衡發展情景三種情景。基準情景主要反映基于歷史趨勢的人口與GDP增長變化。生態-經濟協同發展情景下內蒙古自治區會優先采用一系列的環境保護、生態恢復和可持續發展策略,人口與GDP將進入一個相對平緩的增長階段。生態-經濟權衡發展情景主要考慮未來產業結構調整、政策或技術變化等將推動人口與經濟的快速增長。在生態系統情景預測時,本文選擇反映人類活動強度的關鍵指標(GDP、城鎮化率和人口規模)作為核心參數。同時參考我國《國民經濟社會發展規劃》、《國家主體功能區劃》、《內蒙古自治區主體功能區劃》、《內蒙古自治區社會經濟發展規劃》、《內蒙古生態環境保護十三五規劃》、《內蒙古土地利用規劃(2006—2020)》等相關文件,設定了內蒙古自治區生態系統2025 年、2035 年三種情景的相關參數值。

在基準情景中,假設社會經濟發展按照歷史變化趨勢繼續推進。依據《內蒙古自治區“十三五”新型城鎮化規劃》,全區到2025 年戶籍人口城鎮化率提高到50%左右,常住人口城鎮化率提高到65%左右,兩個城鎮化率均高于全國平均水平5 個百分點左右。據《內蒙古自治區國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》測算,戶籍人口城鎮化每年增長約50 萬人。人口增速相比于2000 年前的趨勢而言,其自然增長率逐漸下降。但是以市鎮人口比例表示的城鎮化率會隨著社會經濟的發展而逐漸上升,全區2025 年人口總量為2712 萬人,城鎮化率為65%。中長期來看,預估2035 年全區總人口為3000 萬人,城鎮化率為71.7%。

相比于基準情景,生態-經濟協同發展情景更注重新時期的生態文明建設,對于農田、草地、森林、濕地生態系統的保護力度加強,此時勞動力投入水平不及基準情景,因此人口增速會低于基準情景。在此種情景下,2025 年全區人口總數為2549 萬人,城鎮化率為63.6%。遠期2035 年,全區人口總數為2603 萬人,城鎮化率為66.6%。在生態-經濟權衡發展情景下,更多考慮技術進步、政策調控、產業結構調整等促進經濟發展的措施,因此其重要的經濟指標都高于前兩個情景,但第一產業比例相對降低。由于經濟發展占用了更多的生態資源及更多的勞動力投入,因此人口總量也相對較高,且更多勞動力投入到市鎮區域的第二、三產業中。在此情景下,內蒙古2025 年全區人口總量為2587 萬人,城鎮化率為65.2%,遠期2035 年,人口達2694 萬人,城鎮化率為72.4%(表4)。

表4 內蒙古經濟發展情景預測參數設定(相對于基準情景的變化)

3 結果與分析

3.1 內蒙古陸地宏觀生態系統面積變化

不同發展情景下內蒙古陸地宏觀各類生態系統面積呈現不同的變化趨勢和幅度。全區森林、草地、城市生態系統的面積有所增加,農田、荒漠生態系統的面積有所減少,水體和濕地生態系統基本穩定,有小幅度增加(圖2)。總體而言,相比于基準情景和生態-經濟權衡發展情景,生態-經濟協同發展情景下的草地、森林、濕地等生態系統的面積增幅最大、城市生態系統面積增幅最小、荒漠生態系統面積縮小最大、農田生態系統面積減幅最小,陸地生態系統結構難以達到其規劃目標。

圖2 未來情景下內蒙古六大類生態系統面積變化趨勢Fig.2 The change trend of six types of ecosystem area in Inner Mongolia under three scenarios

作為內蒙古第一大陸地生態系統的草地生態系統(占內蒙古自治區總面積的46%),不同情景下的面積整體呈現增加的趨勢。2025 年三種情景下的草地生態系統面積均恢復至(大于)2015 年的面積(52.63萬km2),但卻均未達到(少于)2000 年的初始面積(52.97萬km2)。值得關注的是,2035 年生態-經濟協同發展情景下,草地生態系統的面積恢復至略大于2000 年的初始面積(52.98萬km2),而其它兩種情景下仍未達到2000 年的數量水平。

括號中的數字為協同發展情景和權衡發展情景相對于基準情景的變化率

農田生態系統未來情景下的面積整體呈減少趨勢,三種情景的面積變化差別不大,生態-經濟權衡發展情景下縮減速度略快。基準情景下,內蒙古經濟結構中第一產業比例逐漸下降,規劃耕地保有量亦呈下降趨勢,農田生態系統的面積隨之相應下降,這與內蒙古的發展戰略定位和該區域激烈的農牧、農林之間的競爭態勢不謀而合。生態-經濟協同發展情景下,對農田生態系統的需求依然較高,因而其下降速度略緩于基準情景。生態-經濟權衡發展情景下,經濟結構調整力度加大,第二、三產業結構比例相比于基準情景高,在滿足農產品供給需求和耕地紅線的同時,農田生態系統面積縮減增速,較基準情景和生態-經濟協同發展情景多減少100 km2和200 km2。

森林生態系統未來情景下的面積整體呈增加趨勢,在生態-經濟協同發展情景下增速最快。森林生態系統作為國家北方生態安全屏障的重要組成部分,按照內蒙古自治區“兩屏三區”為主體的生態安全戰略布局和建設重點,大興安嶺、陰山北麓、沙地防治區、沙漠防治區、黃土高原丘陵溝壑水土保持區的生態恢復政策使得林地面積不斷增加。生態-經濟權衡發展情景較基準情景和生態-經濟協同發展情景,在2035 年的森林生態系統面積減少0.72%和1.38%。

水體和濕地生態系統的面積變化與森林、草地生態系統的變化趨勢基本一致,在生態-經濟協同發展情景下增速最快。在基準情景下,森林與草地生態系統面積的增加,大幅增加了該區域的水源涵養及截留功能,使得水資源總量和濕地面積都有所增加；并在生態-經濟協同發展情景下,水體和濕地生態系統的面積增加幅度更高,但即便如此,至2025 年和2035 年也無一情景達到2000 年的初始面積水平。城市生態系統未來情景下面積整體呈增加趨勢,在2030 年前后三種發展情景下增速均出現變緩的跡象。生態-經濟協同發展情景下,人口增長緩慢,對于城市建設用地、交通用地、工業用地需求相對較少。生態-經濟權衡發展情景下,勞動力需求較高,人口增長加速,工業和服務業的大力發展,促進了城市生態系統面積增加。然而在該區域,注重城市生態系統的提質增效、探索內涵式發展路徑而不是外延式擴展模式更為關鍵。

荒漠生態系統主要是指沙地、戈壁、鹽堿地和其他未利用土地等,占內蒙古自治區生態系統總面積的21%。荒漠生態系統未來情景下面積整體呈現減少的趨勢,在生態-經濟協同發展情景下縮減速度最快。近些年來,未利用地這一具有極大潛力的用地類型,被開發用作生態用地越來越普遍,且隨著沙地沙漠治理、鹽堿地改良等針對性治理技術的日漸成熟,荒漠生態系統轉變成為森林、草地等生態系統的現象屢見不鮮。生態-經濟協同發展情景較基準情景和生態-經濟權衡發展情景,荒漠生態系統面積在2035年將多被開發利用5300 km2(相當于一個日照市總面積)和7000 km2(相當于一個廣州市總面積)。

3.2 內蒙古陸地宏觀生態系統空間動態分析

空間顯性的模擬結果表明,農田生態系統減少的區域主要分布在“農牧交錯帶”地區,以及已有的被城市擴張所侵占的農田生態系統的地區周邊。統計數據表明,農牧交錯帶地區糧食單產低于100 kg/666.67m2的旗縣耕地面積占農牧交錯帶耕地總面積的1/3,低于200 kg/666.67m2的旗縣耕地面積占農牧交錯帶耕地總面積的1/2,這些區域降水量基本處于400 mm以下,將是農田生態系統減少(退耕)的主要發生區域。在這些區域加大退耕還草和人工草地培育力度、推進糧改飼等綜合施策,將在一定程度上恢復和保障內蒙古自治區中國北方生態屏障功能和核心戰略定位。

森林生態系統增加的區域主要集中在大興安嶺西麓根河市、鄂爾多斯市中部等人工造林區以及陰山北麓等植被恢復地。草地生態系統面積擴張主要分布在近十年來發生草地退化的區域。近年來,通過實施“退耕還草”、“京津風沙源治理”、“草原獎補政策”等生態工程建設,內蒙古自治區原有退化的草地生態系統在逐漸恢復中。同時,現存草地生態系統分布地區的周邊,也出現了一定程度的草地擴張現象。水體與濕地生態系統面積變化區域主要分布在呼倫貝爾草原地區、錫林郭勒草原東部及通遼市和赤峰市東部等原有水體及濕地生態系統的區域。城市生態系統主要以原有城鎮居民點為中心,在其周邊區域呈擴散式增長,特別是在采礦場、工業用地、交通沿線附近城鎮面積增加較為顯著。內蒙古自治區在城市生態系統的發展在面積增長的同時,更應該注重提升城市活力、提高城市效率,內涵式增長的發展路徑。荒漠生態系統的縮減主要發生在與其它生態系統的交界處,這與開發利用的便利性、原有生態系統的可開發潛力等密切相關(圖3)。

圖3 未來情景下六大類生態系統變化空間布局Fig.3 The spatial distribution of six types of ecosystem in Inner Mongolia under three scenarios

4 結論

本研究在構建的1990、2000及2015 年三期宏觀生態系統格局與影響因子數據集的基礎上,融合區域生態系統發展規劃,設置了基準、生態-經濟協同發展和生態-經濟權衡發展三種情景；進而應用土地利用均衡分析模型,模擬了三種情景下2025 年及2035 年內蒙古六大類生態系統結構與空間格局變化。定量分析結果表明：在延續歷史發展趨勢的基準情景和注重經濟發展的生態-經濟權衡發展情景下,草地和農田生態系統在2035 年均無法恢復至2000 年的水平,宏觀生態系統結構難以達到規劃目標；在注重生態保育的生態-經濟協同發展情景下,草地、森林與濕地生態系統面積增長較大,符合內蒙古構建中國北方生態屏障的戰略定位。空間顯性的模擬結果表明,農田生態系統面積的減少主要集中在農牧交錯帶地區,該區域的退耕還草構成了草地生態系統增加的主要來源,森林生態系統面積增加主要集中分布在大興安嶺、陰山北麓等幾個區域,城市生態系統面積增加多集聚于現有城鎮周邊區域,特別是在采礦場、工業用地、交通沿線附近城鎮面積增加較多。荒漠生態系統變化主要分布在與其它生態系統的交界地帶。