蒙古高原長時序生態系統質量綜合評價及時空變化分析

張惠婷，薩楚拉，2，3，孟凡浩，2，3，羅敏，2，3，王牧蘭，2，3

（1.內蒙古師范大學 地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2.內蒙古自治區遙感與地理信息系統重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010022；3.內蒙古自治區蒙古高原環境與全球變化重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010022）

隨著社會經濟快速發展，生態系統的結構和功能在人類活動干擾下發生改變，影響區域生態環境穩定及可持續發展，生態系統質量的相關研究逐漸增多［1-2］。生態系統質量指在一定時空范圍內生態系統整體或部分生命組分的質量，主要表現為生產能力的大小及受外界干擾后的變化和對人類社會發展的影響［3］。通過定量分析區域生態系統變化狀況，客觀評價生態系統質量水平，明確掌握區域生態環境的時空動態特征，對區域生態環境修復和人類社會可持續發展意義重大［4］。

國外對生態系統質量的相關研究始于20 世紀80 年代初，如美國環保局從國家、州域、區域及小流域尺度提出的環境監測和評價項目（EMAP）［5］。隨后，生態健康、生態穩定性和安全度等相關概念被提出［6］。國內對生態系統評價的研究起步雖晚，但成果大量涌現。任平等［7］通過遙感技術建立“干擾-響應”指標體系實現對2005 年長江上游森林生態系統的穩定性評價。張峰等［8］采用層次分析法建立水質-生態-社會經濟指標體系，綜合評價2012 年南四湖的生態健康水平。金悅等［9］從生態彈性力、承載支撐力和承載壓力三方面構建生態系統承載力評價體系，評價唐山市生態承載力狀況。總體來說，目前生態系統質量評價的研究尺度較小，研究對象多從單一生態系統展開，缺少從連續時序上對多種生態區組成的生態系統質量進行綜合評價。

蒙古高原地處歐亞大陸內部干旱、半干旱氣候區，生態環境脆弱且敏感，景觀生態類型多樣，是我國北方重要的綠色生態屏障，其生態系統狀況及變化對中國華北乃至整個東北地區的生態環境都有重要影響［10-11］。然而，由于人類活動和氣候等因素的干擾，蒙古高原出現草場退化、土地荒漠化、鹽堿化等一系列生態環境問題［12］，雖然退耕還林、荒漠化治理等生態工程的實施使生態環境狀況有所改善［11］，但生態系統質量水平如何變化尚未可知。厘清蒙古高原生態系統質量狀況及其在不同時空范圍內的變化趨勢，對了解該地區生態環境狀況和開展生態保護工作具有重要意義。本文綜合評價蒙古高原連續多年的生態系統質量，以期揭示生態質量狀況及時空演變規律，為高原生態環境保護工作的順利開展和資源可持續利用提供科學參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

蒙古高原地處歐亞大陸中部內陸地區，位于37°46'～53°20'N，87°43'～126°04'E，主體包括中國內蒙古自治區和蒙古國。蒙古高原整體地勢自東向西逐漸升高，丘陵分布于中東部，西南部為戈壁沙漠，西北部多山地，平均海拔在1 600 m 左右。蒙古高原屬典型溫帶大陸性氣候，季節變化明顯，冬季嚴寒漫長，夏季炎熱短暫，降水稀少，年均降水量在200 mm 左右［13］。研究區植被類型復雜多樣構成多種生態區，包括荒漠區、荒漠草原區、典型草原區、草甸草原區、森林草原區、落葉林區、混交林區和針葉林區［14］。由于地理位置的特殊性，高原生態環境脆弱且對變化的環境適應能力有限，是氣候變化的敏感區域［15］。

圖1 蒙古高原高程（a）及生態地理區劃圖（b）Fig.1 Elevation（a）and eco-geographical region（b）of the Mongolian Plateau

1.2 數據來源與預處理

研究采用的遙感數據包括2001—2019 年土地覆蓋類型、植被指數（NDVI）、植被總初級生產力（GPP）和葉面積指數（LAI），均于美國NASA 陸地過程分布式數據檔案中心（https：//lpdaacsvc.cr.usgs.gov/appeears/）免費下載。土地覆蓋類型采用MCD12Q1 數據集，時空分辨率為500 m/年，參與景觀格局指數計算。NDVI 數據采用空間分辨率為1 km 的月尺度MOD13A3 數據集，GPP 和LAI 數據分別為8 天合成分辨率500 m 的MOD17A2 和MOD15A2 數據集。經無效值剔除將NDVI、GPP 和LAI 數值合成年數據。

人口密度數據源自WorldPop 人口數據網（https：//www.worldpop.org/）提供的分辨率為1 km 的年尺度數據。30 m 分辨率的數字高程模型ASTER GDEM 從美國NASA（https：// lpdaac.usgs.gov/products/）免費獲取。生態地理區劃數據來源于世界野生動物基金會（https：//www.worldwildlife.org/），根據蒙古高原氣候特征和植被類型，參考已有研究將生態區整合為針葉林區、落葉林區、混交林區、森林草原區、典型草原區、草甸草原區、荒漠草原區和荒漠區8 種［14］。

通過MODIS Reprojection Tools（MRT）軟件將HDF 格式的遙感數據轉換為Tiff 格式，并進行圖像拼接處理。利用ArcGIS 10.4 軟件平臺將所有數據均轉換為相同的空間參考，投影為Albers 等積投影，坐標系統為WGS_1984，通過重采樣將空間分辨率統一為1 km，最后利用蒙古高原邊界進行掩膜。景觀格局指數的計算在Fragstats4.2 中實現，其他數據處理通過MATLAB 進行分析計算。

1.3 研究方法

1.3.1 生態系統質量綜合評價模型 本研究2001—2019 年從反映生態系統生產能力（EPI）、穩定性（ESI）和承載力（EBCI）展開搭建蒙古高原生態系統質量綜合評價模型，進而評價蒙古高原19 年來生態系統質量水平和變化情況。計算公式為［16］

式中：E代表生態系統質量指數；yi表征基于生態系統質量三方面構建的EPI、ESI 和EBCI 指數；wi則表示各指標的權重值。采用自然段點法［6］對各指數分別進行等級劃分，Ⅰ-Ⅴ級分別代表低、較低、中等、較高和高，取值范圍依次為（10～30）、（30～55）、（55～70）、（70～80）、（80～100）。

1.3.2 生態系統生產能力指數 生態系統生產能力常用地上生物量、陸地總初級生產力（GPP）及植被指數等指標表征［20-21］。以GPP 反映蒙古高原生態系統的生產能力，計算公式為［3］

式中：Gt，k為像元k第t年的GPP 總量；IEPt，k為像元k第t年的生產能力指數，無量綱，值越大說明生態系統生產能力水平越高；a均指拉伸常數；Gmax和Gmin分別為GPP 多年平均的上下限。

1.3.3 生態系統穩定性指數 生態系統生產能力的波動狀況可反映其穩定性水平，選用生產能力的變異系數建立生態系統穩定性指數（IES）［3］。根據每8 天GPP 的值逐像元構建三維時間序列數組G=(Gt，y，k，t=1，2，…，T；y=1，2，…，Y；k=1，2，…，K)，對于像元k，第t年第y個8 天的GPP 記為Gt，y，k，則第t年的GPP 年均值［3］為

式中y表示8 天的個數。像元k第t年GPP 年均值變異系數［4］為

式中：ct，k表示第t年像元k的GPP 年均值的變異系數，st，k為第t年像元k的GPP 標準差。

生態系統穩定性指數的計算公式［3］為

式中：IESt，k為像元k第t年的穩定性指數；cmax和cmin分別為GPP 多年平均變異系數的上下限。

1.3.4 生態系統承載力指數 基于壓力-狀態-響應模型（PSR），選取人口密度和人類干擾指數為壓力指標，狀態指標由植被覆蓋度、GPP、葉面積指數、斑塊數量、多樣性指數、生態彈性度、斑塊面積標準差、斑塊密度和斑塊平均分維數表征，NDVI 變異系數為響應指標，以此建立生態系統承載力評價體系。采用層次分析法確定各指標權重w，計算生態系統健康指數（IEH）。計算公式［3］為

式中，j和m為評價指標及個數，wt，k，j表征像元k第t年第j個指標權重值。xt，k，j代表像元k第t年第j個指標標準化后的值。通過對IEH值進行線性拉伸和分段處理，得到研究區生態系統承載力指數（IEBC）。計算公式［3］為

式中：IEBCt，k值越大代表生態系統遭到破壞的可能性越小，生態系統承載力越強；IEHmax和IEHmin分別為IEH多年平均的上下限。

1.3.5 層次分析法 層次分析法（AHP）將復雜的多指標問題劃分成相互聯系的不同層級，確定各層級中相應指標并進行量化，厘清復雜問題脈絡的評價方法［17］。本研究基于該方法獲得生態系統承載力體系中各指標的相應權重。

1.3.6 熵值權重法 采用熵值權重法對IEP、IES和IEBC進行客觀賦權處理，以修正AHP 方法計算的指標權重，使各權重更加客觀、準確［18］。

2 結果分析

2.1 蒙古高原生態系統生產能力評價

2001—2019 年蒙古高原生態系統生產能力均值為35.92，表明高原生產能力整體處于較低水平，等級Ⅰ的面積占40.5%，等級Ⅱ占46.2%，等級Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別占9.1%、4.0%、0.2%。從生產能力的空間分布來看（圖2），總體由東北向西南逐漸遞減。大興安嶺森林區、肯特山及山間盆地的針葉林區生產能力較高；蒙古阿爾泰山、戈壁阿爾泰山、中部戈壁和陰山及其周邊荒漠草原區生產能力較低。統計各生態區生產能力等級面積百分比發現，針葉林區生產能力最高，其次是混交林區，兩者的生產能力指數均值分別為61.06 和60.35，等級Ⅲ分別占41.1%、47.2%，由于地處半濕潤氣候區，水熱條件較好適合植被生長，植被覆蓋密集生產能力水平較高。再次是落葉林區、典型草原區、森林草原區和草甸草原區。荒漠和荒漠草原生態區的生產能力相比較低，均值分別為24.84 和20.94，等級Ⅰ分別占72.5%、96.8%，這與荒漠區氣候干旱導致植被覆蓋稀少有關［19］。

圖2 蒙古高原生態系統生產能力等級的空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem productivity grades of Mongolian Plateau

2.2 蒙古高原生態系統穩定性評價

2001—2019 年蒙古高原生態系統穩定性均值為70.48，表明高原生態系統穩定性處于中等偏高水平，等級Ⅴ的面積占14.4%，等級Ⅳ占31.8%，等級Ⅲ、Ⅱ分別占50.6%、3.2%。從穩定性的空間分布來看（圖3），總體由東北向西南呈遞增趨勢。其中，穩定性較高的區域主要分布于荒漠區、荒漠草原區及毛烏素沙地等。薩彥嶺、杭愛山西南部及蒙古阿爾泰山北部等地區的穩定性水平較低。統計各生態區穩定性等級面積百分比發現，荒漠區穩定性指數最高，均值為81.80，等級Ⅴ的面積占比高達60.3%，說明19 年來其生產能力的波動變化情況最小。其次是荒漠草原區、落葉林區、典型草原區、混交林區、針葉林區和森林草原區，草甸草原區的穩定性水平相比最低，穩定性指數均值為55.42，等級Ⅱ占50.1%。

圖3 蒙古高原生態系統穩定性等級的空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem stability grades of Mongolian Plateau

2.3 蒙古高原生態系統承載力評價

通過層次分析法得到承載力體系12 項指標的權重分別為0.139、0.139、0.163、0.101、0.122、0.022、0.026、0.065、0.035、0.038、0.075 和0.072，由此計算承載力指數。2001—2019 年蒙古高原生態系統承載力均值為53.58，說明高原生態系統承載力處于中等偏低水平，等級Ⅱ的面積占60.1%，等級Ⅲ占總面積的36.9%，等級Ⅳ、Ⅴ分別占2.7%、0.3%。從承載力的空間分布來看（圖4），總體由東北向西南呈減少趨勢。承載力較高的區域零星分布在大興安嶺、肯特山及山間盆地周圍。中部典型草原區為過渡帶。荒漠草原區、中部戈壁及蒙古阿爾泰山、戈壁阿爾泰山等地的承載力水平較低。統計各生態區承載力等級面積百分比發現，針葉林區承載力最高，其次是混交林區，二者的均值分別為63.11 和61.59，等級Ⅲ分別占51.0%、66.8%，這是由于高原北部森林區自然環境較好，氣候濕潤植被茂密，加之天然林保護等生態工程的實施。再次是落葉林區、典型草原區、森林草原區、草甸草原區和荒漠區。荒漠草原區的承載力相比最低，均值為47.44，等級Ⅱ占90.37%，與荒漠區氣候干燥、植被覆蓋度低有關［20］。

圖4 蒙古高原生態系統承載力等級的空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecosystem bearing capacity grades of Mongolian Plateau

2.4 蒙古高原生態系統3 項指數變化特征

根據三項指數年際變化趨勢可以看出（圖5），2001—2019 年總體上生態系統的生產能力和穩定性波動程度較小，生產能力以0.38/a 的速率增長，穩定性以0.08/a 的速率緩慢下降。承載力表現出2001—2012 年上升且在2012 年達到峰值，2013—2019 年逐漸下降，整體以1.14/a 的速率增長。

圖5 2001—2019 年蒙古高原生態系統IEP、IES 和IEBC年際變化特征Fig.5 Interannual changes of IEP、IES and IEBC of Mongolian Plateau ecosystem from 2001 to 2019

從三項指數變化趨勢空間分布可知（圖6），生產能力呈增加趨勢的面積占98.16%（slope＞0），其中顯著增加的區域占60.98%（P＜0.05），分布于高原西南部、東部、北部及杭愛山附近等大部分區域。顯著減少的區域占0.20%（P＜0.05）。穩定性呈下降趨勢的面積占57.16%（slope＜0），其中顯著下降的區域僅占9.09%（P＜0.05），分布在蒙古阿爾泰山、中部荒漠草原、典型草原區及科爾沁沙地和毛烏素沙地周圍。顯著上升區域僅占4.46%（P＜0.05）。承載力呈增加趨勢的面積占89.61%（slope＞0），顯著增加的地區占22.77%（P＜0.05），分布于高原東部森林區、南部典型草原區、肯特山、杭愛山及其北部草原區、薩彥嶺東南部針葉林區和蒙古阿爾泰山西北部森林草原區。

圖6 2001—2019 年EPI（a）、ESI（b）和EBCI（c）變化趨勢的空間分布Fig.6 Spatial distribution of EPI（a）、ESI（b）and EBCI（c）trends during 2001—2019

2.5 蒙古高原生態系統質量綜合評價

通過熵權法得到三項指數的權重分別為0.400、0.283 和0.317，進一步計算蒙古高原生態系統質量值。2001—2019 年蒙古高原生態系統質量處于中等偏低水平，其中等級Ⅱ的面積占79.4%，等級Ⅲ、Ⅳ分別占18.8%、1.9%。從生態系統質量空間分布可知（圖7）整體呈東北高西南低的趨勢，內蒙古境內的分布趨勢與肖洋等［21］就內蒙古生態系統質量的研究結果相一致。北部針葉林區、大興安嶺森林區及東部混交林區等地生態系統質量較高，荒漠草原和荒漠區的質量較低。統計各生態區生態系統質量等級面積百分比發現，混交林區生態系統質量狀況最好，其次是針葉林區，均值分別為62.56 和61.34，等級Ⅲ的面積分別占78.90%、55.62%，再次是落葉林區、典型草原區、荒漠區、森林草原區和荒漠草原區，草甸草原區質量水平較低，均值為43.48，等級Ⅱ占99.35%。對森林區來說生產能力、承載力均優于其他生態區，穩定性水平也較高，生態系統質量最高。草甸草原區生態系統質量較低的原因可能是2000—2012 年受植被覆蓋退化及人類活動的影響使生產能力發生較大變化，且穩定性、承載力有所下降，導致生態系統質量偏低［16］。荒漠區的穩定性水平較高，受區域氣候影響植被較稀疏［22］，生產能力和承載力均為低值，因此生態系統質量水平較低。

圖7 蒙古高原生態系統質量等級的空間分布Fig.7 Spatial distribution of ecosystem quality grades of Mongolian Plateau

2001—2019 年蒙古高原生態系統質量均值為50.89，峰值58.79 出現在2012 年。通過Pettitt 非參數檢驗法對19 年來生態系統質量的檢驗發現，2009 年突變顯著。生態系統質量總體以0.48/a 的速率呈不顯著上升（圖8），2009 年為突變點是由于2000—2009 年蒙古高原出現嚴重干旱，2010 年后干旱逐漸好轉，植被生長改善，生產能力隨之提升［23］。落葉林區年際波動幅度最大，變化率高達1.01/a。典型草原區變化程度居中，荒漠草原區的質量水平較差，變化幅度平緩，僅為0.35/a。

圖8 2001—2019 年蒙古高原生態系統質量年際變化特征Fig.8 Interannual changes of ecosystem quality in Mongolian Plateau during 2001—2019

從生態系統質量空間變化趨勢發現（圖9），近19 年整體呈上升的區域面積占92.55%，其中顯著增加的區域占31.07%（P＜0.05），集中在森林區和草原區，肯特山西北部、薩彥嶺北部、科爾沁沙地附近及西北部荒漠草原區呈顯著減少趨勢，所占面積比為0.37%（P＜0.05）。統計各生態區生態系統質量變化趨勢發現，各生態區變化趨勢與高原整體較一致。

圖9 2001—2019 年蒙古高原生態系統質量變化趨勢空間分布Fig.9 Spatial distribution of the variation of ecosystem quality of Mongolian Plateau from 2001 to 2019

3 結論

本文基于遙感數據、基礎地理信息數據、社會經濟等多源數據，從生態系統生產能力、穩定性和承載力三方面構建生態系統質量綜合評價模型，動態評價2001—2019 年蒙古高原及各生態區生態系統質量水平并分析其時空變化特征。主要結論如下：

（1）2001—2019 年蒙古高原生產能力整體處于較低水平，多年均值為35.92。以針葉林為主的森林區生產能力水平較高，草原、荒漠生態區次之。穩定性整體處于中等偏高水平，多年均值為70.48，各生態區中荒漠區穩定性水平最高，草甸草原區穩定性相比較差。承載力整體處于中等偏低水平，多年均值為53.58，針葉林區的承載力居各生態區首位，荒漠草原區承載力水平最低。

（2）蒙古高原生態系統質量整體處于中等偏低水平，多年均值為50.89，最高值58.79，出現在2012 年。空間上呈現由東北向西南逐漸遞減的分布趨勢。各生態區生態系統質量差異顯著，森林區生態系統質量平以混交林區最好，草原及荒漠生態區次之。

（3）近19 年蒙古高原生產能力以0.38/a 的速率顯著增加、承載力以1.14/a 的速率不顯著增加，穩定性則以0.08/a 的速率呈不顯著減小趨勢。生態系統質量以0.48/a 的速率升高。19 年來各生態區生產能力均呈上升趨勢，主要在森林區。承載力也在不斷提升，變化幅度較大。除森林區外，各生態區穩定性均有下降跡象。