全球主要生態退化區和研究熱點區的空間分布與演變

張云芝,胡云鋒,*,韓月琪,戰 勝

1 資源與環境信息系統國家重點實驗室,中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 2 中國科學院大學,北京 100049 3 聊城大學,聊城 252000

工業革命以來,全球氣候變暖、淡水資源短缺、環境污染、生物多樣性銳減、土地荒漠化等問題日益突出,不僅影響了全球經濟和社會的可持續發展,而且威脅著人類的生存。生態退化已經成為全球面臨的重大問題之一。生態退化是指由于人類對自然資源過度以及不合理利用而造成的生態系統結構破壞、功能衰退、生物多樣性減少、生物生產力下降以及土地生產潛力衰退、土地資源喪失等一系列生態環境惡化的現象[1]；生態退化主要包括荒漠化、水土流失、石漠化、森林破壞、濕地萎縮等多種退化類型,其中又以荒漠化、水土流失和石漠化三種生態退化過程最為普遍、最受公眾所關注[2]。

荒漠化從本質上說是一種土地退化,土地退化帶來了不同程度的荒漠化問題[3]。1991年,全球人為土壤退化評價(Global Assessment of Human-induced Soil Degradation,GLASOD)項目基于各國科學家的經驗知識,發布了全球第一份土壤退化評估報告[4]。GLASOD是在聯合國環境署(United Nations Environment Programme,UNEP)資助和領導下,由各國科學家在統一準則指導下研制的全球尺度土地退化數據集。鑒于其權威性、專業性和全球尺度的特點,GLASOD數據集自發布以來,一直廣受科學界和國際組織的廣泛重視和使用[5- 7]。近年來,隨著遙感技術的快速發展,衛星遙感技術已成為荒漠化監測評價的主要手段。第一版的《全球荒漠化地圖集》對全球荒漠化狀況的描述直接引用了GLASOD土壤退化評估結果[8],第三版的《全球荒漠化地圖集》則基于衛星影像數據評估了全球土地退化狀況[9]。需要特別指出的是：荒漠化作為一個動態過程,荒漠化區與荒漠、沙漠并不能混為一談[10]。

廣義的“水土流失”是地表土壤及母質、巖石受到各種破壞和移動、堆積過程以及水本身損失的自然現象,但狹義的“水土流失”則是特指水力侵蝕過程[11]。這種“水土流失”導致土地貧瘠、巖石裸露、植被破壞、生態惡化,影響到人類和其他動植物的生存,是另一種廣泛發生的生態退化過程。在水土流失評價方面,美國學者Wischmeier最早提出了著名的通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)[12]；Chang和Bayes則將修正通用水土流失方程(Revised USLE,RUSLE)與GIS結合起來,分析了美國俄亥俄州查爾斯米爾湖流域最易遭受侵蝕的區域[13]。在中國,學者們開發了適用于我國的水土流失遙感定量快速監測方法(Chinese Soil Loss Equation,CSLE)[14]；應用遙感技術,繪制了中國土壤侵蝕的空間分布圖[15]。

相比于水土流失,石漠化是一特殊的、發生在亞熱帶喀斯特環境中的土壤侵蝕過程[16]。當前,基于衛星遙感影像的地表類型解譯、時序變化檢測是提取石漠化空間分布、分析其動態演化過程的主要技術手段。在中國,姚永慧等利用SPOT5/ALOS、高分一號/資源三號數據等,結合地面調查、解譯方法分析了貴州省關嶺縣石漠化分布與時空演化過程[17]；劉鵬等在縣域尺度上繪制了云南省石漠化分布區劃圖[18]；齊向坤等比較了高度非均勻喀斯特地貌下石漠化遙感監測提取方法的適用性[19]。在歐洲,Daly等提出了喀斯特-地下水-脆弱性評價和制圖的“歐洲方法”[20]；Bartolomé Andreo等采用該方法在西班牙南部開展了喀斯特石漠化脆弱性、危害和風險性制圖[21]。

雖然研究人員針對荒漠化、水土流失、石漠化等主要生態退化過程開展了不同地域、不同空間尺度、不同主題方向的研究,但總的來看,目前還缺乏一個對全球生態退化空間分布格局總體的和全局性的認識和研究框架。繪制全球主要生態退化類型的空間分布地圖,掌握21世紀以來各個重點退化區內生態變化的基本態勢,這不僅是當前生態地理學研究的重要主題,同時也是各國開展工程建設生態影響評估的重要基礎。在繪制生態退化空間分布地圖的基礎上,進一步探討生態退化與生態退化研究、生態退化與生態治理的時空耦合關系,這是改進和完善全球生態退化治理的前提條件。然而,既有的研究在上述兩方面所取得的進展并不十分令人滿意。

首先,在主要生態退化過程的時空分布格局及其演變態勢的認識方面,各國科學家應用衛星遙感方法,在區域尺度上、針對單一的生態退化過程的研究已經取得了很好的進展[22- 26]。然而,在全球尺度上,過去20年來全球科學家對于生態退化的空間制圖研究并沒有取得實質性進步。來自土壤學、風沙學、水土保持科學、巖溶學、農業等多種學科的科研人員分別繪制了本專業的土地退化圖[4, 27- 30],但是很少有綜合多種學科,特別是將土地退化與植被退化相結合起來、針對生態單元變化態勢的綜合制圖研究。在應用多學科專業知識集成與制圖方面,其難點和突破點在于一張圖的綜合集成、多退化類型的重疊判別；結合長時序衛星遙感產品分析,如何將植被態勢、土地變化向生態退化類型轉變也仍有待探究。

其次,在生態退化區域與科學研究關注區、生態退化重點治理區的空間匹配和相互關系研究領域,目前生態學界的相關研究總體上是偏少的、甚至可以說是缺乏的。已有的研究中,絕大多數是針對生態退化及其影響的刻畫和描述[28],少量是針對生態退化治理工程的成效分析[31]。雖然所有的生態學研究都會對生態研究的前沿方向進行綜述[32],對于熱點地區進行快速的追蹤分析[23-24]；但對于生態退化研究熱點的分析是描述性的、非空間化的。對于生態退化現狀與相關科學研究關注熱點的空間匹配,以及退化態勢與研究關注及治理的綜合聯系,目前絕大多數研究者都沒有注意到,或者是缺乏相應的技術手段開展這種耦合匹配分析。在互聯網大數據技術研究地理生態學領域,已經有研究人員提出應用互聯網爬蟲技術開展生態監測與評估的設想[33]?？紤]到在科學研究中,眾多知識庫平臺已經繼承了海量的科技期刊論文。從這些科技論文中提取特定主題的地理空間信息,從而分析特定自然和生態過程的空間分布規律、時間演化特征并最終形成制圖成果,這是將大數據技術與專業研究相結合的重要研究方向。在這方面,胡云鋒、韓月琪等利用中國期刊網(China National Knowledge Infrastructure,CNKI)、Web of Sciences(WOS)等知識引擎,研制了中國和全球尺度的石漠化、荒漠化研究熱點地圖[34- 36]。在互聯網大數據生態監測評估和制圖研究領域,一個研究難點是需要解決各種地名信息的自動化提取和空間匹配、基于位置的自然地理和生態環境問題建模分析,以及針對時空分析結果的知識凝練和實踐應用。

針對上述問題,特別是考慮到當前全球生態退化研究中基礎數據豐富、互聯網大數據方法日益突出的現實,本文作者聚焦于荒漠化、水土流失、石漠化等主要生態退化類型,依據國際權威和主流的多源、多尺度的生態退化基礎數據集成果,結合21世紀以來的長時序衛星遙感影像、陸地生態系統地表關鍵參數數據集,主要應用多源數據整合與融合、互聯網文獻大數據采集和建模分析方法,開展了全球尺度的生態退化空間分布、變化態勢和研究熱點研究。通過研究,作者試圖回答以下3個科學問題：

(1)荒漠化、水土流失和石漠化等主要生態退化類型有著怎樣的全球空間分布規律？

(2)21世紀以來,全球主要生態退化類型區有著怎樣的變化態勢？

(3)世界各國的科研人員對哪些生態退化區比較重視？又對哪些生態退化區有所忽視？

1 數據與方法

1.1 基礎數據

全球土地退化程度數據集(Land Degradation Severity Map)來自于1991年聯合國GLASOD(Global Assessment of Human-Induced Soil Degradation)項目發布的全球第一份土壤退化評估報告。該數據集是以世界各國科學家在統一的準則指導下,參考衛星遙感所得的NDVI指標,主要根據專家自身經驗和知識,對各種地理單元的屬性(退化類型、范圍、程度、比率和主要原因等)進行判別,并最終形成全球制圖成果[37]。全球喀斯特巖溶地圖(World Karst Aquifer Map)是由Hartmann和Moosdorf[27]研制的全球數字巖性圖為依據,在世界水文地質制圖和評估方案(World-wide Hydrogeological Mapping and Assessment Programme,WHYMAP)框架下編制的。

中國土壤侵蝕空間分布數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心,該數據集是依據中華人民共和國行業標準SL190- 96《土壤侵蝕分類分級標準》的總體要求編制而成。中國沙漠、戈壁和綠洲分布來自于《中國自然地理圖集(第三版)》。巖溶地區石漠化土地狀況分布來自于國家林業局,是全國巖溶地區第二次石漠化監測工作成果。

用于提取全球生態退化研究熱點區信息的數據源自Web of Sencince(WOS)互聯網大數據平臺。WOS是全球領先的跨學科引文數據庫,它收錄了11000多種世界權威的、高影響力的學術期刊及全球110,000多個國際學術會議錄,內容涵蓋自然科學、工程技術、生物醫學、社會科學、藝術與人文等領域,WOS的論文文獻最早可以回溯至1900年。

用于開展全球生態退化區生態系統時序變化監測的基礎數據是MODIS NDVI產品(MOD13A3),該數據集來源于美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)。MODIS NDVI植被指數產品由大氣校正后的雙向地表反射率反演得到,該產品有效地描述了全球范圍內的植被狀態和過程[38]。研究中,作者使用了2000—2017年、空間分辨率為1 km的MOD13A3月產品,通過應用年內最大值合成方法得到年度NDVI產品。

1.2 研究方法

1.2.1總體技術路線

本研究首先開展了多源、多尺度數據集成與數據融合,即將不同來源的土地退化圖、土壤侵蝕圖、DEM地圖等開展空間疊加,通過一系列復雜的地圖綜合操作,實現多源數據在主題、屬性、等級、尺度、維度上的整合和融合,由此形成了全球生態退化區空間分布地圖。在此基礎上,進一步應用21世紀以來的長時序年際NDVI變化斜率分析方法,判別全球各生態退化區的演變態勢。而后,作者運用互聯網文獻大數據方法,提取國際學術界生態退化研究相關論文中的地名信息,構建生態退化研究熱度指數,并形成其空間化的表達。最后,作者綜合上述3方面成果,對全球生態退化空間分布、退化區變化態勢、生態退化與生態研究的空間耦合關系等開展深入的討論。

論文整體技術路線如下圖所示(圖1)。

圖1 總體技術路線圖Fig.1 General technical flowchart

1.2.2多源數據集成

為了生成全球尺度生態退化區的空間分布圖,需要開展多源、多尺度數據集成分析,即將不同來源、不同尺度的土地退化圖、土壤侵蝕圖、DEM地圖等開展空間疊加,通過一系列地圖綜合操作,實現多源數據在主題、屬性、等級、尺度、維度上的整合和融合。具體做法是：

首先,基于GLASOD數據集的退化類別屬性,獲得荒漠化和水土流失區的斑塊,同時繼承這些斑塊的生態退化嚴重程度評價分值；而后,將其中的水土流失斑塊與全球喀斯特地貌圖集進行疊加,將位于喀斯特地區的水土流失斑塊確定為石漠化區域。將以上成果數據進一步與全球NDVI數據疊加,并使用NDVI<0.8作為閾值開展掩膜處理、剔除高覆蓋植被區域,由此得到一個較粗分辨率的全球尺度生態退化區空間分布數據集。

考慮到中國區域生態退化數據集的豐富程度以及數據集本身的精細和準確程度,在上述粗分辨率數據基礎上,作者進一步將中國政府或其它權威部門發布的生態退化空間數據集融合進來。具體做法是：首先,考慮到荒漠化區的定義,需要從全球土地退化地圖中剔除沙漠、戈壁等自然地理單元；而后,基于國家林業局發布的《巖溶地區石漠化土地狀況分布》,可以獲得全國石漠化地區空間分布數據；根據水利部和中國科學院聯合研制并發布的中國土壤侵蝕空間分布圖,可以獲得全國水土流失空間分布數據。將中國境內的高精度數據集替代全球尺度上的相關圖斑,同時開展地圖接邊檢查、地圖屬性一致性檢查、升尺度融合操作,最終得到全球主要生態退化區的空間分布圖。

1.2.3變化趨勢分析

趨勢分析是定量測度生態系統變化方向和變化程度的基本方法,本研究選取長時序(2000—2017年)MODIS NDVI產品作為評價陸表生態系統變化的基礎指標。與簡單對比兩個時間斷面上NDVI差異的方法相比,趨勢分析方法可以消除特定年份的個體效應,更客觀地反映陸表植被覆蓋狀況長期演化的方向和趨勢。趨勢分析中斜率可以通過如下公式計算：

(1)

式中,Slope為變化斜率；Slope為正,意味著NDVI上升、植被蓋度提高,陸地生態系統狀況處于改善過程中；Slope為負,意味著NDVI下降、植被蓋度減小,陸地生態系統狀況處于退化過程中。Yi表示第i年的NDVI值；n為監測時段的年數(n=18)。為了保障趨勢分析結果的有效性,還對結果進行了P值(P<0.05)統計顯著性檢驗。

1.2.4研究熱度分析

作者應用Python語言開發了一個互聯網文獻大數據搜索和分析系統。該系統首先調用Web of Science提供的搜索接口以及Python內置的網絡搜索工具,分別以“Desertification”、“Soil Erosion”、“Karst”為關鍵詞開展檢索。應用程序完成搜索后,自動下載結果文獻的題目、摘要、關鍵詞、作者姓名及其單位等信息,并保存到本地的SQLite數據庫中。針對上述英文文獻信息,利用Stanford NLP提供的NER(Named Entity Recognition)模塊,提取文獻中涉及的地名實體名詞。而后,應用Python地理處理工具包Geopy中Geocoders模塊,實現從地名實體到地址編碼(經緯度信息)的轉換。最后,在ArcGIS環境中,對不同位置上的研究論文數量進行統計,將論文頻次數據進行空間化,得到論文研究的熱力圖。

在全球尺度上,由于各個國家、地區之間的經濟社會發展水平、科學技術研究力量差異巨大,不同地區之間會出現由于技術發展差異導致的“信息鴻溝”。因此,一個地區的研究熱度不能僅僅通過這個地區出現的生態退化研究論文的多少(即絕對熱度)來確定,而是要綜合考慮這個地區生態退化研究論文數量與全部研究論文數量的比值(即相對熱度)來確定的[34- 36]。相對熱度的計算公式如下：

(2)

(3)

式中,Q為相對研究熱度指數；Nspe為某一地點在以荒漠化、水土流失或石漠化為主題檢索得到的文獻出現的總頻次；Nall為某一地點在全部研究文獻中出現的總頻次。對Q進行歸一化處理后,得到標準相對研究熱度指數Q*。其中,max(Q)是Q的最大值,min(Q)是Q的最小值。在研究熱度空間制圖過程中,參考自然斷點法給出的分級閾值方案,將研究熱度分為極高、高、中、較低、低五級。

2 結果分析

2.1 生態退化區空間分布

圖2 全球主要生態退化類型區的空間分布Fig.2 Spatial distribution of global major ecological degradation regions

根據全球主要生態退化區空間分布圖(圖2),可以發現：荒漠化區主要分布在亞洲中部的蒙古高原、中國西北部,南亞次大陸西部,西亞的阿拉伯半島和伊朗高原,歐洲東南部,非洲撒哈拉沙漠北緣及南緣,北美洲的中部大平原,南美洲的巴塔哥尼亞高原等地區。水土流失區主要分布在位于亞洲東部的中國黃土高原和東南亞的中南半島,印度次大陸,歐洲地中海沿岸地區、東歐平原,非洲的撒哈拉沙漠南緣、非洲東部和南部,北美洲的密西西比河流域、南美洲的亞馬遜河流域南部。石漠化區主要分布在中國西南部地區、歐洲地中海沿岸地區以及北美洲墨西哥高原南部地區。

針對不同類型、不同等級的生態退化區進行統計,結果表明(表1)：在全球尺度上,荒漠化區域面積最大(15.4×106km2)；水土流失區的面積與荒漠化的面積大致相當(14.3×106km2),而石漠化區域的面積最小,其總面積(1.1×106km2)不到荒漠化區或者水土流失區總面積的8%。在退化程度上,有一半以上荒漠化區為中度退化,而全球的水土流失與石漠化主要以輕度退化為主(77.9%、64.2%)。

表1 全球主要生態退化類型的面積統計

針對不同生態退化類型在全球各大洲的空間分布進行統計,結果表明(圖3)：亞洲3種主要生態退化區的面積最大(12.0×106km2),占全球生態退化總面積的39.0%。在上述6個大洲中,亞洲、北美洲、南美洲、大洋洲的生態退化類型以荒漠化為主、水土流失次之,石漠化最??；而非洲、歐洲則是以水土流失為主,荒漠化、石漠化次之。

圖3 各大洲主要生態退化類型面積統計Fig.3 Area statistics of global major ecological degradation regions

2.2 生態退化區變化態勢

對全球時序(2000—2017年)NDVI變化態勢制圖(圖4),結果表明：2000—2017年,全球植被總體趨勢有所改善,生態系統狀況處于轉好態勢。全球NDVI上升區域(75.6%)明顯大于下降區域(24.4%)。其中,NDVI呈上顯著升趨勢區域(23.6%)主要分布在中國大部,俄羅斯遠東地區、印度次大陸、歐洲東南部,非洲北部、澳大利亞北東部和南部的沿海地區,加拿大東北部等地區。已有的研究表明,植被覆蓋度上升主要受全球氣溫上升、人類對土地的可持續利用、管理及保護活動能力的提升有關[29]。NDVI呈顯著下降趨勢區域(2.5%)主要分布在俄羅斯中部,沙特阿拉伯中部,非洲中、東部,南美洲東部等地區。相關研究表明,這些地區植被覆蓋度的下降受氣候干旱以及快速的城市化等人類負向干擾等影響顯著[39- 41]。除上述顯著變化地區之外,全球另有74.0%的區域,其陸地植被雖然呈現變化,但是不具有統計顯著性。

圖4 2000—2017年全球陸表植被年內最大NDVI的變化趨勢Fig.4 Evolution tendency of annual maximum NDVIs of global terrestrial vegetation during 2000—2017

圖5 2000—2017年全球主要生態退化區植被生態變化的空間分布Fig.5 Spatial distribution of global terrestrial vegetation ecosystem evolution in different ecological degradation regions

結合全球主要生態退化區空間分布圖,對各個生態退化區的植被變化態勢開展疊加分析,可以顯示21世紀以來各個生態退化區的最新生態變化(圖5、表2)。結果顯示：2000年以來,大約有3.9%的生態退化區處于退化加重態勢。其中：荒漠化退化加重區主要分布在阿拉伯半島中部；水土流失加重區主要分布在非洲中東部、安哥拉中部以及亞丁灣沿岸；石漠化退化加重區零星分布于小亞細亞半島南部及中國云貴高原。大約有22.8%的生態退化區處于退化逆轉、即生態改善的態勢。其中：荒漠化退化逆轉區主要分布在加拿大南部、印度半島北部、伊朗南部、非洲北部以及中國西北部分地區；水土流失退化逆轉區主要分布在歐洲地中海沿岸、小亞細亞半島、印度半島中部及中國黃土高原等地；石漠化退化逆轉主要分布在中國西南部云貴高原等地。全球其它生態退化區(占全部生態退化區總面積的73.3%)的植被變化呈現持衡趨勢。

表2 全球主要生態退化區內不同植被變化趨勢區域的面積統計

2.3 生態退化研究熱點區及其演變

根據全球英文SCI文獻檢索和自然語言理解、分詞、空間制圖的結果,可以得到1970年代以來全球生態退化研究熱點區的空間分布圖(圖6)。結果表明：在亞洲,阿拉伯半島西部及伊朗高原西部呈現為較高比例的荒漠化研究；中國北部主要為荒漠化研究,中部為水土流失研究；在歐洲大部,水土流失研究占據絕對優勢,其中巴爾干半島地區還伴有較高熱度的石漠化研究；在非洲的維多利亞湖沿岸表現出較多的水土流失研究；在北美洲,美國西海岸及東部平原地區均以水土流失研究為主；在南美洲西南部,出現了水土流失研究的集聚區；在大洋洲,澳大利亞東部主要為水土流失研究。

圖6 全球主要生態退化研究熱點區的空間分布Fig.6 Spatial distribution of the global major ecological degradation research hotspot regions

就單一的生態退化研究來說,僅體現為石漠化高研究熱度的區域范圍小、且集中分布于歐洲亞得里亞海東岸,如：波斯尼亞和黑塞哥維那、黑山以及塞爾維亞等國家。對水土流失的研究關注區域分布在除南極洲以外的其他所有大洲,其中以西歐和地中海沿岸研究熱度最高,如：西班牙、法國、瑞士、意大利、德國以及英國等地區；此外,東亞黃土高原地區、南澳大利亞科西阿斯科山附近、東非維多利亞湖周圍、北美阿巴拉契亞山脈附近均出現不同程度的水土流失研究關注熱度?；哪难芯繜岫葏^域集中分布在亞洲、非洲以及北美洲等地,其中以東亞蒙古高原、黃土高原以及云貴高原為高熱度區域。此外,在南亞印度河流域、西亞伊朗高原、東非撒哈拉沙漠、埃塞俄比亞高原以及北美墨西哥高原等地也有中等熱度的荒漠化研究。

此外,就復合生態的研究熱點區來說,研究者對荒漠化與水土流失同時關注的區域為中國東部和南部、伊朗西部、以色列、意大利南部、摩洛哥北部以及墨西哥南部等地區,其中以中國東部及南部研究熱度最高,其他區域研究熱度基本持平。對石漠化與水土流失同時關注的區域為歐洲亞得里亞海東岸,例如：奧地利、斯洛文尼亞克羅地亞等國家。對荒漠化、水土流失與石漠化研究相對共同關注的區域較小,僅集中在歐洲地中海沿岸包括希臘及意大利南部等。

全球荒漠化研究熱點區域范圍呈擴張趨勢(圖7)。1990年以前,荒漠化研究主要集中在美國西南部的科迪勒拉山系南段、印度西南部的塔爾沙漠、亞洲地中海沿岸部分區域、非洲乍得盆地和東非高原及德拉肯斯山脈等地區。1991—2000年,研究熱點逐漸開始向全球擴張,非洲及美國依舊是熱點區域,同時研究熱點的范圍進一步擴大。在歐洲西南部和東南部地區、亞洲蒙古國西部和東南部區域以及中國北方地區、南美洲秘魯境內的安第斯山脈等地區,都有比較明顯的荒漠化研究熱點出現。進入21世紀后, 研究熱點進一步擴張,非洲、美國及歐洲南部仍舊是熱點區域。亞洲荒漠化研究擴張明顯,研究熱點范圍進一步擴大,其中中國和蒙古國擴張最為明顯,印度半島、阿拉伯半島、伊朗高原等地區也有明顯的荒漠化研究熱點。

圖7 1970—2017年全球荒漠化研究熱點空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of global desertification research hotspots from 1970 to 2017

全球水土流失研究熱點在東亞地區大體呈現持續擴張趨勢,但在其他大洲呈現先擴張、后收縮的變化態勢(圖8)。1990年以前,水土流失研究主要集中在非洲埃及部分區域以及埃塞俄比亞高原、亞洲印度西北部、北美洲美國西部等地區。1991—2000年,研究熱點逐漸開始向全球擴張,歐洲以及美國成為熱點區域；歐洲波羅的海沿岸、地中海沿岸、阿拉伯半島紅海沿岸以及波斯灣沿岸,都有比較明顯的熱點出現；中國和俄羅斯以及非洲南部地區也開始出現水土流失相關研究。進入21世紀后,研究熱點進一步擴張,除美國和西歐仍舊是水土流失的研究熱點,東亞地區出現水土流失研究明顯增多之外,南美洲西海岸、非洲東部的亞丁灣和維多利亞湖周邊以及南部的德拉肯斯山脈、澳大利亞東南部、東南亞大部以及南亞西部,水土流失研究熱度都有不同程度下降。

圖8 1930—2017年全球水土流失研究熱點空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of global soil erosion research hotspots from 1930 to 2017

全球喀斯特/石漠化研究熱點區域范圍大體呈現先擴張后收縮的變化趨勢(圖9)。1990年以前,石漠化研究主要集中在歐洲西部,如斯洛文尼亞、克羅地亞、瑞士、比利時以及德國西部、法國東北部、英國南部、瑞典南部等地區；北美洲中部,如加拿大地盾、美國密西西比河流域以及落基山脈等地區；南美洲北部圭亞那高原,如委內瑞拉等地區。1991—2000年,研究熱點逐漸開始向全球擴張,歐洲以及美洲等地區依舊是熱點區域,但是熱點研究區域范圍逐漸擴大；此外,歐洲波羅的海沿岸、地中海沿岸,如西班牙、意大利、土耳其等國家；非洲直布羅陀海峽沿岸、索馬里半島,如摩洛哥以及埃塞俄比亞等地區；印度半島、中南半島、以及中國東部及西南部,澳大利亞東南部、墨西哥東部等地區,都有比較明顯的熱點出現,成為石漠化研究的熱點區域。進入21世紀后,研究熱點出現一定程度收縮,除西歐地中海、波羅的海沿岸以及北美洲阿巴拉契亞山脈仍然保持石漠化研究熱點區域以外,東亞云貴高原研究熱度有一定范圍的擴大；而此前研究熱點區域,例如非洲埃塞俄比亞高原、南美洲圭亞那高原以及澳大利亞大分水嶺等地區,其研究熱度有明顯下降。

圖9 1920—2017年全球石漠化研究熱點空間分布Fig.9 Spatial distribution of global karst rocky desertification research hotspots from 1920 to 2017

3 討論

3.1 退化區與研究熱點區

對比全球主要生態退化區空間分布圖(圖2)與全球生態退化研究熱點區空間分布圖(圖6),可以發現：全球主要生態退化區與生態退化研究熱點在空間上總體呈現出一致性。具體地,就荒漠化而言,全球的研究者對于荒漠化重視較多,研究地域覆蓋較為全面。例如：在中國西北部、中亞、非洲撒哈拉沙漠的南部與北部等地區,荒漠化問題都得到足夠的重視；就水土流失而言,例如：在中國黃土高原、歐洲地中海沿岸、美國東部等地區,均有較高的研究熱度。這體現了全球科學家對各個生態退化區近年來生態演變態勢的準確判斷,也是全球各國政府精準投入科學資源的一種體現。

但是,在全球一些地區也存在“較高的生態退化卻對應著較低的研究熱度”的錯位現象、或者是“較輕的生態退化卻對應著較高的研究熱度”的錯位現象。例如：在南美洲北部、南部的荒漠化地區則缺少足夠的科研關注；在非洲中部、南部,印度次大陸等地區,針對當地水土流失的研究顯然不夠充分。另一方面,則是如歐洲地中海北岸地區的西班牙、法國、德國、奧地利、羅馬尼亞地區,整體的水土流失強度為輕,但研究熱度卻極其高。毫無疑問,這里出現的生態退化嚴重程度與生態退化研究熱門程度在空間上的脫節,其原因與這些地區的經濟社會發展水平、科研力量以及研究歷史有著密切關系[42- 44]。

此外,根據全球生態退化研究熱點區空間分布圖(圖6)可以發現：中國西南部(即云貴高原喀斯特地貌區)呈現出較高的荒漠化研究熱度,而不是學者們一般認為的“石漠化”、“水土流失”研究熱點區。這主要是學者們在論文中通常習慣于將石漠化進一步解釋為石質荒漠化過程的原因[45-46]。因此,對于中國西南部的嚴重的石漠化問題,中國的學者們仍然給予了極高的重視。

3.2 生態退化與生態治理

根據全球生態退化區植被生態變化態勢圖(圖5),可以發現：全球各國政府針對主要生態退化區通過一系列的工程治理,全球尺度上有22.8%的生態退化區內實現了生態系統的好轉。例如：中國政府長期以來實施“三北”防護林工程、天然林保護工程、退耕還林還草工程,這些生態工程基本建成后,使得中國西北部荒漠化區、黃土高原水土流失區、西南喀斯特石漠化區的植被蓋度有了明顯提升,區域生態系統的宏觀結構、植被生長質量以及區域生態系統服務功能等都有了顯著的提升[47- 50]。在國際上,一些國家根據其自身的生態特點,選擇了合適的生態退化治理措施,也取得了明顯成效。例如：土耳其開展人工造林種草[51]、伊朗推廣實施社區-牧民聯合管理[52]、肯尼亞發展人工牧草飼料種植[53]、印度開展水資源高效利用技術推廣[54]等,這些舉措對于地中海、波斯灣沿岸地區以及印度次大陸、非洲北部地區的生態好轉功不可沒。

盡管全球生態退化治理取得了明顯呈現,但是根據我們的研究,全球目前仍然有3.9%的生態退化區出現退化加重現象,另外73.3%的生態退化區的生態系統仍然保持在脆弱的平衡狀態。對于這些生態治理尚未得到明顯改善的、同時又缺乏科學界關注的生態退化區(例如沙特阿拉伯中部、哈薩克斯坦北部,巴西大部,安哥拉、南非等地區)亟需引起全球各國政府與科學界關注。在上述地區,生態之所以未能得到改善,一方面是因全球氣候變化背景下的局地效應,另一方面也是當地經濟社會發展水平較差,政府投入有限所致,同時也有科研能力薄弱,未能根據生態退化的關鍵因子,實施針對性的治理措施所致。因此,未來各國政府和科學家應當考慮,在聯合國和有關國際機構的組織框架下,通過國際合作、南北合作、南南合作等方式,實現對一些嚴重惡化的生態退化區開展生態治理。同時,在具體的生態治理過程中,要深入分析生態退化驅動因素的作用機理,綜合考慮區域的經濟社會和技術條件,考慮區域居民的生計和可持續發展,科學有效地選擇和應用生態治理技術。

4 結論

本文應用多源數據集成融合方法、長時序衛星遙感參數產品分析、互聯網文獻大數據采集和建模分析方法等,開展了針對全球生態退化區、生態退化研究熱點區的空間分布格局及其演變特征的研究。研究不僅實現了從單一退化過程分析到綜合生態退化類型時空動態集成研究的轉換；同時還實現了生態退化分布—生態變化態勢—生態退化研究的貫通研究,為全球生態退化研究、生態退化治理等研究提供了可資參考的基礎底圖和研究范式。

論文編制了全球主要生態退化區的空間分布圖、全球生態退化區變化態勢圖以及全球生態退化研究熱點圖等重要圖件；刻畫了荒漠化、水土流失、石漠化等主要生態退化類型在全球的空間分布格局,定量統計了洲際尺度上各類型生態退化的面積特征；分析了21世紀以來全球生態系統的演變規律,深入探討了上述三種生態退化區內生態系統的變化態勢,指出全球生態退化區內生態惡化的巨大風險；此外,還分析了全球研究學者的重點關注區域的空間分布格局和三種主要生態退化研究熱點區空間分布格局的演變軌跡,探討了研究熱點區域與生態退化區的空間匹配程度,說明了兩者間存在的空間差異所表征的生態退化與生態治理之間的矛盾性問題。

總結起來,本文的研究成果深化了人們對全球主要生態退化區域的分布格局的整體認識,對于防范全球各個區域經濟社會發展和工程項目建設中出現加重的生態退化也具有參考價值。同時,需要指出的是：本文在編制全球主要生態退化區空間分布圖時,采用的技術路線是多源、權威數據集成和融合的方法。包括GLASOD等數據集在內的各種基礎數據都可能存在表征年代偏舊、時空基準不匹配、專業規范不協調等問題,目前所得到的全球主要生態退化區空間分布圖總體上是非常粗糙的,同時還有其它多種的生態退化類型(如濕地萎縮、森林退化等)尚未得到反映。