2000—2020年北方農牧交錯區植被生態功能變化及驅動因子分析

王麗霞，史園莉，張宏偉，畢曉玲，申文明，馬萬棟

生態環境部衛星環境應用中心，北京 100094

北方農牧交錯區北起大興安嶺西麓的呼倫貝爾，向西南延伸經過內蒙古東南、冀北、晉北、陜北以及鄂爾多斯高原，直至寧夏南部和甘肅南部（周立華等，2019）。北方農牧交錯區是從半干旱區向干旱區過渡的廣闊區域，也是傳統農業種植向畜牧業過渡的區域，屬于生態脆弱帶和生態敏感帶。北方農牧交錯區草場資源非常豐富，是中國非常重要的畜牧業基地，也是遏制荒漠化、沙化東移及南下的重要生態屏障，對保護華北平原與京津地區免受沙塵侵襲有重要作用（袁宏霞等，2014；鄭圓圓等，2014）。

北方農牧交錯區是受人類活動和氣候變化影響最顯著的區域之一。北方農牧交錯區年降水量偏低，一般250—500 mm，且蒸發強烈，降水年際間變化較大，大范圍干旱經常發生。北方農牧交錯區土壤質地輕且粗疏，以沙土類和壤土類居多，土壤中有機質含量普遍較低。土地利用方式主要是草地、林地和耕地，以半農半牧、時農時牧的土地利用方式為特征。由于種植業比牧業效益高，草地被大量開墾為耕地。常常因氣候干旱、土地沙化和肥力衰退等原因，耕地生產力迅速降低。實驗證實草地轉化為耕地10年后，土壤有機質減少34%（Jiao et al.，2009）。農牧交錯區農田絕大部分沒有灌溉條件，很少施肥，長期以來形成了撂荒耕作制度（Chen et al.，2021）。一般情況下草地開荒耕作后4—5年就使土壤肥力基本耗竭，不得不撂荒，另外開墾新田種植（孟慶濤等，2003）。撂荒耕作制度使土地利用方式頻繁改變，致使地表植被的組成和結構發生重大變化，極易導致水土流失和土地沙化等生態問題。

北方農牧交錯區生態脆弱，對氣候變化和土地利用改變都十分敏感（Liu et al.，2011；Zhu et al.，2021）。氣候變化明顯驅動農牧交錯區生態狀況發展變化（史文嬌等，2017）。牧草適應能力強，大范圍干旱對牧草造成的減產幅度遠比糧食作物小。從生態環境保護角度看，畜牧業更適合于農牧交錯區的自然環境。1999年開始，北方農牧交錯區實施了大規模“三北”防護林工程、退耕還林還草工程、天然林保護工程和京津冀風沙源治理工程等。在人為保護措施和氣候變化共同作用下，北方農牧交錯區NDVI明顯提高（Su et al.，2016），植被生產力得到顯著提升（Huang et al.，2013），植被展示出顯著變綠趨勢（Liu et al.，2018；Pei et al.，2021）。

針對北方農牧交錯區生態功能的長期變化趨勢及其變化速率，仍然缺乏定量化的辨識。為探討2000—2020年北方農牧交錯區植被生態功能變化趨勢及其驅動因子，本研究利用 2000年以來衛星遙感數據、土地覆蓋和氣象觀測數據，選擇了植被凈初級生產力（NPP）、水源涵養和水土保持3個生態功能指標，在1 km×1 km空間精度上量化北方農牧交錯區生態功能及其變化速率，并分析氣候變化和人為活動對生態功能的制約關系。本研究對北方農牧交錯區應對氣候變化，保護生態環境可持續發展具有重要的現實意義。

1 數據與研究區

1.1 研究區概況

北方農牧交錯區（北至49°36′N，東至 124°42′E，西至 105°45′E，南至 36°01′N）是傳統農業種植向畜牧業過渡的區域，空間范圍涉及內蒙古自治區、黑龍江省、吉林省、遼寧省、河北省、山西省、陜西省、寧夏回族自治區和甘肅省等9個省區（圖1A）。北方農牧交錯區屬于中國地勢的第二階梯，海拔多在1000 m以上，空間上包括黃土高原北部、內蒙古高原南緣和東北地區西部，大部分屬于典型高原地貌。北方農牧交錯區西部是黃土高原，地形比較破碎，黃土丘陵廣泛分布；中部是內蒙古高原與燕山山脈交接處，以平坦高原和低山丘陵為主；東部為大興安嶺余脈及其向東北平原過渡區，以低山丘陵和平原為主（圖1B）。

北方農牧交錯區氣候是溫帶大陸性季風氣候，降水主要來自夏季風，具有從東南向西北逐漸減少的趨勢，年際波動較大，多年平均降水量較低，一般250—500 mm（圖1C）。但是年蒸發量比較高，是年降水量的2—3倍，大部分屬于干旱區。北方農牧交錯區年均氣溫普遍較低，2000—2020年平均溫度為5.9 ℃（圖1D）。北方農牧交錯區植被類型以草地為主，兼有開墾的農田和人工林。該區域受氣候變化影響和人為干預十分強烈，水土流失和土地沙化現象比較嚴重，是中國退耕還林還草的重點區。

圖1 研究區地理位置（A）、地形特征（B）、年降水（C）和年均氣溫（D）分布圖Fig. 1 Location (A), geomorphological features (B), annual precipitation (C) and annual average temperature (D) of study area

1.2 數據來源

為計算植被NPP、植被覆蓋度、水土保持功能和水源涵養能力，使用了歸一化植被指數 NDVI、數字高程模型DEM、年降水、年氣溫等數據。其中，2000—2020年的 NDVI來源于美國宇航局中分辨率成像光譜輻射計傳感器（Moderate Resolution Imaging Spectro radiometer sensors）16 d時間分辨率、1 km×1 km空間分辨率的NDVI柵格產品，然后采用最大值合成法提取每年的NDVI最大值，用于計算植被NPP和覆蓋度。DEM來源于美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯合測量的SRTM3（Shuttle Radar Topography Mission）數據，空間分辨率為90 m×90 m。DEM主要用于提取1 km×1 km空間分辨率的高程、坡長和坡度等參數，以及年氣溫的空間插值。2000—2020年的年降水、年氣溫等來源于中國氣象局國家氣象業務內網的氣象站點觀測數據，然后結合DEM數據插值成1 km×1 km空間分辨率的柵格數據。2000年和2018年土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn），數據土地利用二級分類的 30 m分辨率柵格形式，通過重分類轉化成一級分類。

2 研究方法

植被覆蓋度、NPP、水源涵養能力和水土保持都與植被類型關系密切。根據模型適用范圍、模型模擬精度等標準，植被覆蓋度采用了基于NDVI的傳統計算方法。在植被NPP、水源涵養能力和水土保持計算時，選擇適合中國森林、草地、荒漠等植被類型的模型及參數（包括系數）。其中，植被類型的分布信息來源 2018年國土資源調查的土地利用分類圖。

2.1 植被覆蓋度模型

氣候和人類共同影響下的植被覆蓋度通過MODIS數據產品 NDVI獲取。首先從評估年的一系列NDVI中提取年最大值NDVI。然后根據如下公式計算各個格點的植被覆蓋度（Wang et al.，2019）。

式中：

Cv——植被覆蓋度；

VNDVI——年最大值標準化植被指數；

VNDVI-soil——完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值；

VNDVI-max——完全被植被所覆蓋的像元NDVI，即純植被像元的NDVI值。

2.2 植被NPP模型

首先利用時間序列的 16 d MODIS數據產品NDVI提取評估年的最大值 NDVI，然后采取分植被類型、分區模擬植被NPP，以提高模擬精度。其中，（森林灌叢）林地植被NPP是由海拔、每年的最大值NDVI、年降水和年均溫來計算（Ji et al.，2020）。

式中：

VNPP——凈初級生產力（g·m?2·a?1）；

t——年均溫（℃）；

P——年降水（mm）；

A——海拔（m）；

VNDVI—— 一年內最大的歸一化植被指數NDVI。

草地和荒漠的植被 NPP由每年的 NDVI最大值反演濕草質量，然后轉化為NPP。徐斌（2007）將全國草地分為6個區，分別建立草原產草量遙感監測模型。北方農牧交錯區涉及3個區，各區分別對應一個計算鮮草質量的公式（表1）。然后根據《中國草地資源》（1996）中的草地干濕比系數（0.31）折算成植被NPP。

表1 三大草地區的鮮草質量計算公式1）Table 1 Formula of fresh grass mass in three grass areas

2.3 水源涵養模型

水源涵養功能采用《生態保護紅線劃定指南》（環境保護部，2017）里的計算方法，由植被因子、土壤滲流因子、降水因子、地形坡度因子等計算。

式中：

VWR——水源涵養能力；

VNPP-mean——植被凈初級生產力（g·m?2·a?1）；

Fsic——土壤滲流因子；

Fpre——降水量因子；

Fslo——坡度因子。

這種基于 NPP計算水源涵養量的方法得到的數值實際上是水源涵養服務能力指數（李萌等，2019），無法給出水源涵養功能的物理量值，但能評估水源涵養功能的空間上或時間變化上的相對大小（高吉喜等，2019）。

2.4 水土保持模型

水土保持功能采用《生態保護紅線劃定指南》（環境保護部，2017）里的計算方法，通過降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長因子、坡度因子、植被覆蓋因子參數計算水土保持量。

式中：

Ac——水土保持量（t·hm?2·a?1）；

Ap——潛在土壤侵蝕量；

Ar——實際土壤侵蝕量；

R——降雨侵蝕力因子（MJ·mm·hm?2·h?1·a?1）；

K——土壤可蝕性因子（t·hm2·h·hm?2·MJ·mm?1）；

L——坡長因子；

S——坡度因子；

C——植被覆蓋度因子。

2.5 生態功能變化的氣候作用識別

為識別氣候因子對生態功能變化的作用，分析了2000—2020年的植被NPP、水土保持、水源涵養能力指數、降水、氣溫等生態氣象要素的年際變化趨勢。在機理分析基礎上，根據變化趨勢及其波動特點的相似性，可以判斷要素之間的相關性，初步判別氣候因子在生態功能變化中的作用。然后，降水和氣溫分別與植被NPP、水土保持、水源涵養能力指數進行相關性分析，用擬合系數（r2）量化彼此之間的相關性，擬合系數（r2）越大，二者相關性越大。

2.6 生態功能變化的人為作用識別

為識別人為因子對生態功能變化的作用，分析了研究區主要人類活動。一方面是退耕還林還草、“三北”防護林和天然林保護等生態工程促進了生態環境改善。另一方面是開荒、建設用地擴張對局部植被造成一定程度破壞。土地利用變化則集中體現了上述人類活動的影響。因此，采用（2000—2018年）土地利用圖的疊加分析的方法，識別生態用地和建設用地的相互轉換。生態用地增加代表人類活動對生態功能的正面作用，建設用地增加則代表人類活動對生態功能的負面作用。

3 結果分析

3.1 生態功能及其變化

基于遙感信息和地面氣象觀測數據，在1 km×1 km空間精度上量化了北方農牧交錯區植被NPP、水土保持和水源涵養能力等基本生態功能。2000—2020年北方農牧交錯區平均 NPP 為 652.8 g·m?2·a?1，平均水土保持量為 615.5 t·hm?2·a?1，平均水源涵養能力指數為54.2。這些基本生態功能的空間差異比較顯著，但是它們具有相似的空間分布規律。在東部和中南部NPP、水土保持量和水源涵養能力指數相對較高，而在西北部NPP、水土保持量和水源涵養能力指數相對較低（圖2A、2C、2E）。

2000—2020年北方農牧交錯區的NPP、水土保持功能和水源涵養能力等生態功能顯著提高。NPP呈明顯增加趨勢的面積占北方農牧交錯區面積 95%以上，尤其是東部和南部 NPP增加最明顯，增加速率為 20—50 g·m?2·a?1。北方農牧交錯區（1 km×1 km柵格）平均NPP由2000年的502.6 g·m?2·a?1增加到 2020 年 789.6 g·m?2·a?1，增加幅度為 57.1%，多年平均增加速率為 13.6 g·m?2·a?1（圖2B）。

2000—2020年北方農牧交錯區的水土保持量大幅度增加，呈明顯增加趨勢的面積占北方農牧交錯區總面積 98%左右，絕大部分區域的水土保持增加速率 0—50 t·hm?2·a?1。北方農牧交錯區（1 km×1 km 柵格）平均的水土保持量由 2000年的473.5 t·hm?2·a?1增加到 2020 年的 744.9 t·hm?2·a?1，增加幅度達 57.3%，多年平均增加速率為 12.9 t·hm?2·a?1（圖 2D）。

2000—2020年北方農牧交錯區的水源涵養能力指數也大幅度增加，呈明顯增加趨勢的區域占北方農牧交錯區總面積96%以上，大部分區域的水源涵養能力指數增加速率為 0—12（圖 2B）。北方農牧交錯區（1 km×1 km柵格）平均水源涵養能力指數由2000年的42.7增加到2020年的79.7，增加幅度達86.7%，多年平均增加速率為1.8（圖2F）。

圖2 2000—2020年研究區平均的NPP（A）、水土保持（C）和水源涵養能力指數（E）及變化（B，D，F）分布圖Fig. 2 Distribution of the average NPP (A), soil and water conservation (C) and water conservation capacity index (E)and their changes (B, D, F) from 2000 to 2020 in the study area

北方農牧交錯區植被NPP、水土保持功能和水源涵養能力明顯提高，是植被生態質量改善和生態功能提高的直接體現，預示氣候變化和人類活動共同作用推動該區域生態系統向良性發展。

3.2 生態功能變化的氣候作用

理論上，氣溫和降水量都與植被生態質量密切相關，氣溫和降水量變化都是植被變化的重要驅動力。由于北方農牧交錯區平均氣溫較低，低溫是限制植物生長的重要因素之一，氣溫升高有助于延長植被生長期，有助于提高植被NPP和覆蓋度。北方農牧交錯區相對比較干旱，降水增加為植被提供了更充足的水分。2000—2020年北方農牧交錯區出現顯著暖濕化趨勢，客觀上有利于植被生產功能提高。

為驗證氣候暖濕化對北方農牧交錯區生態功能的影響，分析了2000—2020年期間生態功能指標（NPP、水土保持和水源涵養能力指數）和氣候指標（降水和氣溫）的年際變化趨勢，結果顯示：年降水量與 NPP、水土保持和水源涵養能力指數的多年變化趨勢和波動特點相似（圖3A），溫度和各生態功能都呈增加的趨勢，但就某一年份而言，溫度凸起的高值年份對應的 NPP、水土保持和水源涵養能力指數下凹的低值年份（圖3B）。年降水量與 NPP、水土保持和水源涵養能力指數的擬合系數（r2）相對較高，分別為0.7562（Sig.<0.01）、0.7573（Sig.<0.01）和 0.9155（Sig.<0.01）（圖 3C），預示年降水量升高對植被生態功能提升有非常顯著的影響。年均溫與NPP、水土保持和水源涵養的擬合系數（r2）相對較小，分別為 0.0195（Sig.=0.546）、0.0191（Sig.=0.55）和 0.0164（Sig.=0.58）（圖3D），表明年均溫升高對植被生態功能的提升影響不顯著。

圖3 2000-2020年研究區NPP、水土保持和水源涵養能力指數與年均降水（A）和年均氣溫（B）變化趨勢圖和相關關系圖（C，D）Fig. 3 Trend (A, B) of NPP, soil and water conservation, water conservation capacity index, average annual precipitation and average annual temperature, and their correlations (C, D) in the study area from 2000 to 2020

無論年均溫還是年降水量都與植被生態功能呈正相關，預示無論氣溫升高還是降水增加都對植被生態功能起積極的正效應。氣溫與降水分別與各生態功能的年際波動趨勢顯示：各功能谷值對應氣溫的峰值，各功能的峰值對應降水的峰值，說明氣溫升高可能對農牧交錯區生態功能產生不利影響，而降水量增多是提升該地區生態功能的主要氣候因素。

3.3 生態功能變化的人為作用

人類活動對北方農牧交錯區植被結構和功能的影響十分明顯。一方面是退耕還林還草、“三北”防護林和天然林保護生態工程促進了生態環境改善。另一方面開荒、建設用地擴展對局部植被造成一定程度破壞。2000—2018年土地利用圖的疊加分析結果顯示：北方農牧交錯區土地利用類型轉換非常明顯，人類對土地利用類型的影響十分強烈。2000—2018年，其他類型轉變為生態用地（林地、草地、水域和未利用土地）的面積總計 31120.39 km2，其中轉化為林地、草地、水域和未利用的面積分別為 8174.69、13564.44、1863.19、7518.07 km2；其他類型轉變為非生態用地（耕地和建設用地）的面積總計22540.44 km2，其中轉化為耕地和建設用地的面積分別為15683.81 km2和6856.63 km2（表2、表3、圖4）。轉化為生態用地的面積明顯大于轉化為非生態用地的面積，表明退耕還林還草、人工造林等生態保護措施明顯增加了生態用地，有助于生態環境改善。總體上，北方農牧交錯區土地利用方式的變動有助于植被生態功能的改善，是植被生態功能提升的重要驅動力。

圖4 研究區2018年土地利用（A）和2000—2018年土地利用變化（B）分布圖Fig. 4 Distribution map of land use in 2018 (A) and their changes from 2000 to 2018 (B) in the study area

表2 2000—2018年研究區土地利用面積Table 2 Land use area from 2000 to 2018 in the study area km2

表3 2000—2018年研究區土地利用轉移矩陣Table 3 Land use transfer matrix from 2000 to 2018 in the study area km2

4 討論

本研究證實 2000—2020年北方農牧交錯區的NPP、水源涵養能力和水土保持等生態功能明顯提升，體現了生態環境改善。這與該區域NDVI明顯提高，植被顯著變綠趨勢是一致的（Su et al.，2016；Liu et al.，2018；Chen et al.，2021）。同時，基于《生態環境狀況評價技術規范》（HJ/T 192—2015）的評估結果也與本研究結果一致，2000—2020年北方農牧交錯帶生態環境質量“穩中變好”（何立環等，2014；劉嬋等，2020）。

北方農牧交錯區生態環境比較脆弱，對氣候變化和人為活動均表現為比較敏感。盡管一些研究認為氣候變化導致的極端氣候事情增多增強，可能對北方農牧交錯區生態環境帶來不利影響（Xu et al.，2018；Wang et al.，2018）。本研究結果表明：2000—2020年農牧交錯區的植被生產功能、水源涵養能力和水土保持功能等生態功能仍然呈現出明顯增加趨勢（圖2、3）。

氣候要素的長期變化趨勢對北方農牧交錯區的空間格局有顯著影響，其邊界范圍明顯隨著降水量變化而波動（Li et al.，2018；史文嬌等，2017）。本研究對比了 2000—2020年北方農牧交錯區的年降水、NPP、水土流失和水源涵養能力變化特征，在1 km×1 km空間精度上證實年降水量與NPP、水土流失和水源涵養能力的多年變化趨勢比較相似（圖 3），從另一個側面驗證了降水量等氣候變化因素對促進生態功能提升起到顯著影響。這與以前的研究結論“水分條件是影響農牧交錯帶生態環境變化的主要因子”基本一致（何立環等，2014）。

北方農牧交錯區的開荒、棄耕、退耕還林還草、防護林建設、風沙源治理、生態移民工程等人類活動對生態環境產生了重要影響。一些研究表明北方農牧交錯區的植被恢復工程明顯地改善了生態服務功能（Liu et al.，2021）。研究認為農牧交錯區開荒、棄耕等活動直接影響到農牧交錯區的空間格局（Liu et al.，2011），植被生產力增加與農田的相對比例密切相關，退耕還林還草導致農田比例下降，對改善和恢復植被生產力起到積極的促進作用（Huang et al.，2013；王一帆等，2020）。農牧交錯區植被覆蓋度的增加在很大程度上取決于生態工程建設及其相關的保護措施（Liu et al.，2018）。本研究結果顯示：其他類型用地轉化為生態用地或生態用地內部轉化的面積為31220.38 km2，而其他土地利用類型轉化為耕地和建設用地的面積為22540.44 km2，一系列生態保護措施使其他類型土地轉化為生態用地的面積大于墾荒和建設破壞的面積，這有助于生態環境改善（表2、3和圖4）。

5 結論

2000—2020年北方農牧交錯區 95%以上區域的生態系統功能明顯提高，植被生態環境呈現總體變好趨勢，這與全球植被整體變化趨勢基本一致。植被凈初級生產力（NPP）、水土保持功能和水源涵養能力指數的提升幅度分別為 57.1%、57.3%和86.7%。NPP由2000年的502.6 g·m?2·a?1增加到2020年的 789.6 g·m?2·a?1；水土保持量由 2000 年的 473.5 t·hm?2·a?1增加到 2020 年的 744.9 t·hm?2·a?1；水源涵養能力指數由2000年的42.7增加到2020年的79.7。2000—2020年暖濕化氣候變化趨勢和人們的生態保護活動都對北方農牧交錯區生態功能提升起了積極作用，尤其是年降水量增加對生態功能提升有非常顯著的促進作用。人們利用暖濕化的有利氣候條件，實施退耕還林還草、防護林建設促進了當地生態系統功能提高。