黃　麟，曹　巍，鞏國(guó)麗，趙國(guó)松

中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京　100101

2000—2010年中國(guó)三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空變化特征

黃麟*，曹巍，鞏國(guó)麗，趙國(guó)松

中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101

摘要:基于遙感解譯反演、模型模擬估算等方法，以地面調(diào)查作為主要驗(yàn)證手段，分析了21世紀(jì)前10年我國(guó)三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及關(guān)鍵服務(wù)變化狀況及其驅(qū)動(dòng)因素。結(jié)果表明：(1)2000—2010年，三北地區(qū)林地面積凈增加了0.69萬km2，草地面積減少了0.13萬km2，濕地面積凈減少0.21萬km2，耕地面積減少了0.87萬km2，人工表面增加了0.57萬km2，其它類型面積持續(xù)減少了496.5km2。(2)近10年，三北地區(qū)歸一化植被指數(shù)(NDVI)、葉面積指數(shù)(LAI)、地上植被生產(chǎn)力總體呈現(xiàn)輕微增加趨勢(shì)，特別是黃土高原丘陵溝壑區(qū)，然而植被覆蓋度總體呈現(xiàn)微弱減少趨勢(shì)。(3)近10年，三北地區(qū)單位面積土壤風(fēng)蝕模數(shù)下降了27.25%，減少速率為每年1.13t/hm2，由于風(fēng)蝕力逐年減弱導(dǎo)致防風(fēng)固沙服務(wù)量呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。三北地區(qū)水蝕區(qū)近10年土壤水蝕模數(shù)總體呈現(xiàn)微弱增加趨勢(shì)，而黃土高原區(qū)和風(fēng)沙區(qū)則呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，生態(tài)系統(tǒng)單位面積土壤保持服務(wù)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，年增速0.28t/hm2，說明土壤保持能力有所提高。(4)三北地區(qū)近10年氣溫變化斜率為0.02℃/a，適度增溫、降水量增加有利于植被恢復(fù)；東北華北平原農(nóng)區(qū)和黃土高原丘陵溝壑區(qū)人類負(fù)向擾動(dòng)指數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，說明人類活動(dòng)對(duì)這兩個(gè)區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)有所遏制。

關(guān)鍵詞：三北地區(qū)；生態(tài)系統(tǒng)；時(shí)空格局；十年變化；遙感

三北地區(qū)是我國(guó)最重要的自然資源儲(chǔ)備區(qū)和生態(tài)屏障區(qū)，也是我國(guó)荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)[1]，荒漠化土地面積占全國(guó)荒漠化土地面積的55%以上[2]。地表徑流和地下水資源不足，地面植被覆蓋度不高、生產(chǎn)量偏低，生態(tài)環(huán)境極其脆弱[3]，風(fēng)沙危害和水土流失十分嚴(yán)重[4- 5]。為了從根本上改善三北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況，我國(guó)于1978年啟動(dòng)了三北防護(hù)林體系建設(shè)工程，至2010年完成了三北防護(hù)林四期工程。2000年以來，我國(guó)在三北地區(qū)還實(shí)施了退耕還林(還草)、退牧還草、天然林保護(hù)等重大生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程。

許多學(xué)者開展了三北地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況相關(guān)的研究，集中在三北地區(qū)防護(hù)林體系區(qū)域分異與開發(fā)潛力[3]、區(qū)域氣候變化及防護(hù)林的氣候生態(tài)適應(yīng)性[5- 7]，區(qū)域蒸散發(fā)變化[8]，喬、灌木樹種最適分布范圍[9]，防護(hù)林空間分布信息提取及遙感監(jiān)測(cè)[10- 11]，多年NDVI與植被覆蓋度時(shí)空變化[12- 14]，土地退化及趨勢(shì)[15]，水土流失和土壤侵蝕估算[16- 17]等。此外，探究三北地區(qū)生態(tài)問題亦成為眾多學(xué)者的一個(gè)主要研究方向，比如違背植被地帶性分布規(guī)律，重喬輕灌草、土壤水分虧缺、土壤肥力不足和不平衡等[18- 20]。然而，上述研究主要針對(duì)三北地區(qū)生態(tài)環(huán)境單因素開展分析，缺少對(duì)該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)整體狀況的全面、科學(xué)、準(zhǔn)確地把握。

人們迫切需要了解，三北地區(qū)過去10年實(shí)施了大量重大生態(tài)建設(shè)工程后，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)如何變化？發(fā)生變化的主要驅(qū)動(dòng)因素是什么？哪些因素產(chǎn)生正面作用，哪些產(chǎn)生負(fù)面作用？因此，本文試圖通過分析2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)類型、質(zhì)量以及防風(fēng)固沙、土壤保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空格局變化，了解氣候變化與生態(tài)工程背景下三北地區(qū)近10年生態(tài)系統(tǒng)變化狀況，并分析氣候因子與人類擾動(dòng)對(duì)三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化的驅(qū)動(dòng)作用，為科學(xué)地評(píng)估生態(tài)工程的生態(tài)效應(yīng)以及后續(xù)生態(tài)工程的滾動(dòng)實(shí)施提供理論依據(jù)。

1研究方法與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)概況

中國(guó)三北地區(qū)系指昆侖-秦嶺-大巴山以北的部分地區(qū)，橫跨我國(guó)西北、華北和東北三大地域[2]，轄13省(市)，面積約占國(guó)土面積的42.4%。該區(qū)氣候差異顯著，大部分屬于干旱、半干旱氣候帶，降水量由東向西、從南到北遞減，年均降水量在20—450mm[4]。受降水量的影響，天然植被類型從東到西依次為森林、森林草原、草原和荒漠。

1.2生態(tài)系統(tǒng)類型及其時(shí)空變化分析

三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型主要?jiǎng)澐譃榱值?、草地、濕地、耕地、人工表面、其它?個(gè)類型。林地即木本為主的植物群落，郁閉度不低于0.2，高度在0.3m以上，包括自然、半自然植被及集約化經(jīng)營(yíng)和管理的人工木本植被。草地是一年或多年生草本植被為主的植物群落，覆蓋度大于20%，高度在3m以下。濕地包括沼澤、水域、永久性冰川、灘地等。耕地是以收獲為目的、有耕犁活動(dòng)的人工種植草本植物覆蓋表面。人工表面即人工建造用于城鄉(xiāng)居民點(diǎn)、工礦、交通等的陸地表面。其它包括年內(nèi)最大植被覆蓋度小于20%的地表及冰雪?；?000、2005、2010年TM/ETM+、環(huán)境小衛(wèi)星等30m空間分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，經(jīng)圖像精糾正和拉伸處理后，通過遙感解譯判讀，生成幾期生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布數(shù)據(jù)。通過1°×1°經(jīng)緯度交叉點(diǎn)的野外調(diào)查信息進(jìn)行結(jié)果的校正與驗(yàn)證，類型精度達(dá)到85%以上。進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)類型空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，綜合評(píng)價(jià)6大生態(tài)系統(tǒng)類型的時(shí)空變化態(tài)勢(shì)。

1.3生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及其變化分析

收集2000年至2010年MODIS的16天250m分辨率NDVI數(shù)據(jù)(MOD13Q1)，數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、重投影、圖像的空間拼接、重采樣和濾波處理，采用最大合成法(MVC)得到年NDVI數(shù)據(jù)。利用NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算植被覆蓋度，根據(jù)像元二分模型理論，可以認(rèn)為一個(gè)像元的NDVI值是由綠色植被部分貢獻(xiàn)的信息與無植被覆蓋部分貢獻(xiàn)的信息組合而成，最大植被覆蓋度根據(jù)以下公式計(jì)算：

(1)

式中，F(xiàn)C是植被覆蓋度，NDVIveg是純植被像元的NDVI值；NDVIsoil是完全無植被覆蓋像元的NDVI值，純植被像元和完全無植被像元根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。

采用CASA模型[21]計(jì)算植被凈初級(jí)生產(chǎn)力，輸入?yún)?shù)包括氣象數(shù)據(jù)插值的1km平均溫度、蒸散量、日照時(shí)數(shù)，MODIS1km分辨率反照率與植被指數(shù)產(chǎn)品，數(shù)字化的1∶100萬植被類型分布等，計(jì)算過程如下：

(2)

APAR=FPAR×PAR

(3)

從資料文檔、氣象數(shù)據(jù)中得到太陽總輻射量及日照時(shí)數(shù)等信息，然后結(jié)合像元經(jīng)緯度計(jì)算得到PAR。利用NDVI計(jì)算比值指數(shù)SR，通過FPAR與SR之間存在關(guān)系得到FPAR。

(4)

(5)

式中，F(xiàn)PARmin和FPARmax的取值與植被類型無關(guān)，分別取值為0.001和0.95，SRmin和SRmax與植被類型有關(guān)，為對(duì)應(yīng)植被類型NDVI的5%和95%的下側(cè)百分位數(shù)。NIR和RED分別表示近紅外波段和紅波段的反射率。

植被將吸收的光合有效輻射(APAR)通過光合作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率計(jì)算如下：

(6)

式中，ε*是最大光利用率(g/MJ),T1和T2表示環(huán)境溫度對(duì)光利用的抑制影響，W為水分影響脅迫系數(shù)，均為無量綱參數(shù)。

葉面積指數(shù)(LAI)是利用遙感反射率數(shù)據(jù)，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)得到調(diào)查區(qū)域內(nèi)不同植被類型的像元的NDVI，然后采用查找表的方法，反演區(qū)域尺度上植被冠層LAI。

1.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其變化分析1.4.1防風(fēng)固沙服務(wù)量變化分析

在充分考慮氣候條件、植被狀況、地表土壤的粗糙度、土壤可蝕性、土壤結(jié)皮的情況下，利用修正的土壤風(fēng)蝕方程(RWEQ)定量評(píng)估土壤風(fēng)蝕量。

(7)

Qmax=109.8×(WF×EF×SCF×K′×COG)

(8)

式中，SL表示土壤風(fēng)蝕模數(shù)，x表示地塊長(zhǎng)度，Qx表示地塊長(zhǎng)度x處的沙通量(kg/m)；Qmax表示風(fēng)力的最大輸沙能力(kg/m)；s表示關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度(m)；WF表示氣象因子；EF表示土壤可蝕性成分；SCF表示土壤結(jié)皮因子；K′表示土壤糙度因子；COG表示植被因子，包括平鋪、直立作物殘留物和植被冠層。氣候因子中的風(fēng)和土壤濕度根據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)下載的日均風(fēng)速、降水、溫度、日照時(shí)數(shù)等計(jì)算；雪蓋因子利用從中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)下載的中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集來計(jì)算。土壤可蝕性因子根據(jù)Fryear等[22]方程計(jì)算。土壤數(shù)據(jù)來源于西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心1∶100萬土壤類型圖所附的土壤屬性表和空間數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn)收集地面測(cè)定的我國(guó)不同地區(qū)的風(fēng)蝕模數(shù)結(jié)果[23-26]對(duì)本估算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

通過對(duì)生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)量進(jìn)行定量分析來衡量生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙的能力。防風(fēng)固沙服務(wù)量為裸土條件和地表覆蓋植被條件下的土壤風(fēng)蝕量的差值：

SLSV=SLS-SLV

(9)

式中,SLSV表示防風(fēng)固沙服務(wù)量，SLS表示裸土條件下的潛在土壤風(fēng)蝕量，SLV表示植被覆蓋條件下的現(xiàn)實(shí)土壤風(fēng)蝕量。

1.4.2土壤保持服務(wù)量變化分析

基于修正的通用水土流失方程(RUSLE)計(jì)算單位面積土壤流失量，即土壤侵蝕模數(shù)。RUSLE包含降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)、坡長(zhǎng)因子(L)、坡度因子(S)、覆蓋和管理因子(C)等:

A=R×K×L×S×C

(10)

基于國(guó)家氣象臺(tái)站的日降雨量數(shù)據(jù)以及日平均氣溫等氣象資料，采用日降雨量擬合模型[27]來估算降雨侵蝕力。利用1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫，根據(jù)Nomo圖法估算土壤可蝕性因子值。基于SRTM3 V4.1數(shù)據(jù)加工制作得到的90m分辨率DEM數(shù)據(jù)，根據(jù)McCool等[28]和Liu等[29]的核心算法計(jì)算坡度坡長(zhǎng)因子。蓋度和管理因子采用蔡崇法[30]提出的利用植被覆蓋度計(jì)算C值的方法。通過查找文獻(xiàn)搜集到多個(gè)地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)資料，將估算得到的土壤侵蝕模數(shù)與其進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

通過對(duì)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量進(jìn)行定量分析來衡量生態(tài)系統(tǒng)保育土壤的能力。土壤保持量為生態(tài)系統(tǒng)在極度退化狀況下的土壤流失量與現(xiàn)實(shí)狀況下土壤流失量的差值。

AC=AD-AR

(11)

AD=R×K×L×S×CD×P

(12)

AR=R×K×L×S×CR×P

(13)

(14)

式中，AC為土壤保持量，AD和AR分別表示生態(tài)系統(tǒng)在極度退化狀況下的土壤流失量與現(xiàn)實(shí)狀況下土壤流失量，可以發(fā)現(xiàn)AD和AR的差異僅僅體現(xiàn)在C因子。

1.5驅(qū)動(dòng)力因子分析

采用最小二乘法分析氣溫、降水等氣象要素的年際變化趨勢(shì)：

(15)

式中，S為變化斜率，Xi為氣溫、降水量觀測(cè)值，i=1, 2, 3,…,n,mi為年份序數(shù)，m1=1,m2=2,m3=3,…,mn=n。

此外，根據(jù)趙國(guó)松等[31]，通過人類擾動(dòng)指數(shù)評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的影響程度，擾動(dòng)指數(shù)值越高，人類擾動(dòng)程度越高，當(dāng)同一區(qū)域人類擾動(dòng)程度下降時(shí)，認(rèn)為人類對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的威脅程度減小。只考慮有自然植被分布的生態(tài)系統(tǒng)類型的人類擾動(dòng)，而對(duì)稀少植被或無植被分布生態(tài)系統(tǒng)類型的人類擾動(dòng)不作考慮。將生態(tài)系統(tǒng)分級(jí)賦值，得到4種擾動(dòng)程度的分級(jí)指數(shù)，如表1所示。

表1　人類擾動(dòng)指數(shù)分級(jí)表

根據(jù)不同類型所占比例進(jìn)行加權(quán)求和，形成一個(gè)0—3之間的值，標(biāo)準(zhǔn)化后擾動(dòng)指數(shù)值域范圍0—1，綜合反映了某一地區(qū)的擾動(dòng)程度，計(jì)算方法如下：

(16)

式中，Ai表示第i級(jí)生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)程度分級(jí)指數(shù)，Pi表示第i級(jí)擾動(dòng)程度分級(jí)面積所占百分比，D為人類擾動(dòng)指數(shù)。為便于多期綜合人類擾動(dòng)指數(shù)的對(duì)比，直接扣除無植被或稀疏植被分布生態(tài)系統(tǒng)類型占比超過95%的區(qū)域。

2結(jié)果與分析

2.1三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)及其變化

結(jié)果表明(圖1，表2)，2010年，三北地區(qū)以荒漠等其它類型與草地生態(tài)系統(tǒng)為主，其它類型面積約占全區(qū)總面積的44%，草地占全區(qū)總面積的22.9%。其次是耕地和林地，分別占全區(qū)的15.8%和13%。此外，濕地面積占2.6%，人工表面占1.6%。2000—2010年，三北地區(qū)林地面積凈增加了0.69萬km2(表3)，轉(zhuǎn)入林地面積11312.4 km2，以草地和耕地轉(zhuǎn)入林地為主，林地轉(zhuǎn)出面積4438.6 km2，以轉(zhuǎn)出到耕地為主。草地面積總體減少了0.13萬km2，其中，轉(zhuǎn)入草地面積6848.8 km2，以耕地和其它轉(zhuǎn)入草地為主，草地轉(zhuǎn)出面積8132.5 km2，主要轉(zhuǎn)出為耕地。濕地面積凈減少0.21萬km2，其中轉(zhuǎn)入濕地面積2360km2，濕地轉(zhuǎn)出面積4415.7 km2，主要轉(zhuǎn)出為耕地和其它。耕地面積減少了0.87萬km2，其中轉(zhuǎn)入耕地面積7209.2km2，以林地、草地轉(zhuǎn)入耕地為主，耕地轉(zhuǎn)出面積15906.1km2，主要轉(zhuǎn)出為人工表面。人工表面增加了0.57萬km2，其它類型面積持續(xù)減少了496.5km2。

圖1　三北地區(qū)2010年生態(tài)系統(tǒng)空間分布Fig.1　The distribution map of ecosystem in the Three Northern Region in 2010

年份Year統(tǒng)計(jì)指標(biāo)Statisticalindex林地Forestland草地Grassland濕地Wetland耕地Farmland人工表面Artificialcoverage其它Others2000面積/(萬km2)57.6102.211.870.255.8198.6比例/%12.922.92.615.81.344.52005面積/(萬km2)58.21102.5611.7170.56.31197.24比例/%13.122.92.615.81.644.02010面積/(萬km2)58.6102.111.870.477.0196.2比例/%13.023.02.615.71.444.2

表3　2000—2010年三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣

2.2三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況及其變化

2000—2010年，三北地區(qū)NDVI平均值約0.39，總體呈現(xiàn)輕微弱增加趨勢(shì)(圖2，表4)，年增加速率0.008，特別是黃土高原丘陵溝壑區(qū)，年增速為0.077，僅內(nèi)蒙中東部呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)。三北地區(qū)多年平均最大植被覆蓋度為37.66%，總體呈現(xiàn)微弱減少趨勢(shì)，年減少速率約為0.07%，其中東北華北區(qū)平均最大植被覆蓋度89.94%，近10年減少速率最大，約為0.196%/a；黃土高原丘陵溝壑區(qū)平均最大植被覆蓋度61.02%，近10年表現(xiàn)為大面積覆蓋度增加趨勢(shì)，增加速率0.611%/a。多年平均植被LAI約為1.13，近10年總體呈現(xiàn)微弱增加趨勢(shì)，增加速率0.009/a，特別是黃土高原丘陵溝壑區(qū)和東北華北平原農(nóng)區(qū)，年增加速率分別為0.041和0.024。近10年，三北地區(qū)多年平均地上植被生產(chǎn)力為236.65 gC m-2a-1，總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，年增速為1.345gC/m2，其中，黃土高原區(qū)年增速高達(dá)8.828gC/m2。

圖2　2000—2010年三北地區(qū)NDVI、最大植被覆蓋度、LAI、地上植被生產(chǎn)力變化Fig.2　The trends of NDVI, vegetation coverage, LAI and production of the Three Northern Region, 2000—2010

區(qū)名ZoneNDVI平均Mean變化趨勢(shì)Trend最大植被覆蓋度Maximumvegetationcoverage平均Mean/%變化趨勢(shì)Trend/(%/a)LAI平均Mean變化趨勢(shì)Trend植被生產(chǎn)力/(gCm-2a-1)Vegetationproduction平均Mean變化趨勢(shì)Trend東北華北區(qū)NortheastandNorthChina0.870.00289.94-0.1964.070.024604.640.725風(fēng)沙區(qū)Windysandyarea0.540.00952.63-0.1681.370.01300.501.534黃土高原區(qū)LoessPlateau0.620.07761.020.6111.570.041452.248.828西北荒漠區(qū)Northwestdesertarea0.200.00215.81-0.0780.260.00294.900.555合計(jì)Total0.390.00837.66-0.071.130.009236.651.345

2.3三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵服務(wù)及其變化

2.3.1生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)及其變化

2000—2010年，三北地區(qū)風(fēng)蝕區(qū)多年平均單位面積土壤風(fēng)蝕模數(shù)為20.69 t/hm2(表5，圖3)，其中西北荒漠區(qū)最高，約30.71 t/hm2，黃土高原丘陵溝壑區(qū)和東北華北平原農(nóng)區(qū)最低，分別約為1.07和2.01 t/hm2。近10年，全區(qū)單位面積土壤風(fēng)蝕模數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，減少速率為每年1.13 t/hm2，年平均風(fēng)蝕模數(shù)下降了25.25%，其中減速最高的是西北荒漠區(qū)。甘肅西部與蒙新銜接區(qū)域、柴達(dá)木盆地等則呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)。三北地區(qū)多年平均生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)量為32.17 t/hm2，其中風(fēng)沙區(qū)最高，約53.31t/hm2，黃土高原丘陵溝壑區(qū)最低，約為6.06 t/hm2。然而，近10年全區(qū)年平均防風(fēng)固沙服務(wù)量則呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，這與風(fēng)蝕力逐年減弱有關(guān)，風(fēng)蝕驅(qū)動(dòng)力的減少使得裸土和植被覆蓋條件下的土壤風(fēng)蝕量明顯減少，服務(wù)量也相對(duì)減少。但這并不能表明生態(tài)系統(tǒng)的防風(fēng)固沙服務(wù)能力在降低，而僅僅表示在風(fēng)蝕力減小的情況下，土壤防治的風(fēng)蝕量也相應(yīng)減少。

表5　2000—2010年三北地區(qū)防風(fēng)固沙與土壤保持服務(wù)量及其變化統(tǒng)計(jì)

圖3　2000—2010年三北地區(qū)風(fēng)蝕模數(shù)與防風(fēng)固沙服務(wù)量及其變化Fig.3　The ecosystem wind erosion modulus and volumes of wind prevention and sand fixation in the Three Northern Region in 2000—2010

2.3.2生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)及其變化

2000—2010年，三北地區(qū)水蝕區(qū)多年平均土壤水蝕模數(shù)為10.37 t/hm2(表5，圖4)，其中黃土高原丘陵溝壑區(qū)最高，約31.23 t/hm2，東北華北平原農(nóng)區(qū)和風(fēng)沙區(qū)最低，分別約為2.73和5.79 t/hm2。近10年，全區(qū)土壤水蝕模數(shù)總體呈現(xiàn)微弱增加趨勢(shì)，年增加速率為0.08 t/hm2。而黃土高原區(qū)和風(fēng)沙區(qū)的土壤水蝕模數(shù)則呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，特別是黃土高原區(qū)，年減少1.93 t/hm2。三北地區(qū)水蝕區(qū)多年平均土壤保持服務(wù)量為12.31 t/hm2，其中黃土高原丘陵溝壑區(qū)最高，約54.76 t/hm2，東北華北平原農(nóng)區(qū)和西北荒漠區(qū)最低，約為8.7和9.3 t/hm2。近10年，單位面積生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，年增速0.28 t/hm2，其中黃土高原區(qū)年增速達(dá)到1.23 t/hm2。

圖4　2000—2010年三北地區(qū)土壤水蝕模數(shù)與土壤保持服務(wù)量變化Fig.4　The ecosystem water erosion modulus and volumes of soil conservation in the Three Northern Region in 2000—2010

2.4三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化的驅(qū)動(dòng)力分析

2000—2010年，三北地區(qū)氣溫以增溫為主，年平均氣溫變化斜率為0.02℃/a，特別是西北荒漠區(qū)。年降水量以增加趨勢(shì)為主，變化斜率為3.00mm/a，特別是東北華北平原農(nóng)區(qū)(圖5，表6)。適度增溫、降水量增加有助于增加植被高度和生產(chǎn)力，加快植物物候進(jìn)程，延長(zhǎng)生長(zhǎng)季，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育。近10年，三北地區(qū)人類擾動(dòng)指數(shù)增加了0.003(圖6，表6)，特別是風(fēng)沙區(qū)和西北荒漠區(qū)，分別增加了0.309和0.007，而東北華北平原農(nóng)區(qū)和黃土高原丘陵溝壑區(qū)則呈現(xiàn)相反的減少趨勢(shì)，分別減少了0.151和0.005，說明人類活動(dòng)對(duì)這兩個(gè)區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)有所遏制，有利于植被恢復(fù)。

表6　2000—2010年三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化驅(qū)動(dòng)力因子及其變化統(tǒng)計(jì)

圖5　1990—2010年三北地區(qū)氣溫、降水量變化分布圖Fig.5　The distribution map of temperature and precipitation variation in the Three Northern Region in 2000—2010

圖6　2000—2010年三北地區(qū)人類擾動(dòng)指數(shù)及其變化分布圖Fig.6　The human disturbances index and its change in the Three Northern Region in 2000—2010

3討論與結(jié)論

本文分析了2000—2010年我國(guó)三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及關(guān)鍵服務(wù)變化狀況及其驅(qū)動(dòng)因素，得到幾點(diǎn)結(jié)論：

首先，三北地區(qū)林地面積持續(xù)增加，草地面積持續(xù)減少。根據(jù)林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒，2000—2010年，三北防護(hù)林體系工程完成人工造林面積達(dá)4.61萬km2。而本文結(jié)果顯示10年間，林地面積凈增加了0.69萬km2，由其他類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱值氐拿娣e為1.13萬km2，僅占統(tǒng)計(jì)面積的24.51%，主要原因是三北防護(hù)林中的農(nóng)田防護(hù)林、公路大綠化和村旁植樹難以遙感識(shí)別。

10年間，三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和服務(wù)能力有所提升，NDVI、LAI、植被生產(chǎn)力總體呈現(xiàn)輕微增加趨勢(shì)，特別是黃土高原丘陵溝壑區(qū)，然而植被覆蓋度總體呈現(xiàn)微弱減少趨勢(shì)，部分區(qū)域的植被覆蓋度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，特別是陜甘寧地區(qū)，而新疆北部、內(nèi)蒙古東部等植被覆蓋度呈下降趨勢(shì)。近10年，三北地區(qū)由于風(fēng)蝕力逐年減弱導(dǎo)致土壤風(fēng)蝕模數(shù)降低，同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙服務(wù)量也呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。水蝕區(qū)土壤水蝕模數(shù)總體呈現(xiàn)微弱增加趨勢(shì)，而生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

從過去10年三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空變化可以看出，近40年的生態(tài)工程在三北地區(qū)生態(tài)建設(shè)中發(fā)揮了極為重要的作用，但也存在較多問題，本區(qū)多為干旱半干旱區(qū)，很多地方抽取地下水噴灌、滴灌造林，甚至移土造林、在山地草甸上造林，不僅成本高、成活率也低，破壞了草地原生植被，而且不可持續(xù)。因此，未來三北地區(qū)生態(tài)建設(shè)應(yīng)該基于“宜喬則喬、宜灌則灌、宜草則草、宜荒則荒”原則，優(yōu)先保護(hù)優(yōu)良、原生生態(tài)系統(tǒng)，以自然恢復(fù)為主。此外，如何科學(xué)正確地評(píng)估三北地區(qū)生態(tài)工程的生態(tài)效應(yīng)，是調(diào)整后續(xù)工程措施的主要依據(jù)，也是未來的研究重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]聶浩剛, 張維吉, 李智佩, 岳樂平, 王岷. 中國(guó)三北地區(qū)荒漠化與可持續(xù)發(fā)展. 地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào), 2005, 27(4): 63- 70.

[2]李智佩, 岳樂平, 聶浩剛, 王岷, 孫虎, 王飛躍. 中國(guó)三北地區(qū)荒漠化區(qū)域分類與發(fā)展趨勢(shì)綜合研究. 西北地質(zhì), 2002, 35(4): 135- 153.

[3]申元村. 我國(guó)“三北”防護(hù)林地區(qū)土地資源及其開發(fā)潛力探討. 地理研究, 1994, 13(2): 20- 26.

[4]張澤秀, 劉利民, 賈燕, 李秀芬. 三北地區(qū)防護(hù)林氣候生態(tài)適應(yīng)性分析. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(9): 1696- 1701.

[5]張桂英, 姜秀萍, 王麗娟, 周光會(huì), 張鈺, 劉佳. 三北防護(hù)林工程建設(shè)前后科爾沁沙地環(huán)境變化. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2014, 30(5): 181- 184.

[6]王強(qiáng), 張勃, 戴聲佩, 張芳芳, 趙一飛, 尹海霞, 何旭強(qiáng). 三北防護(hù)林工程區(qū)植被覆蓋變化與影響因子分析. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2012, 32(7): 1302- 1308.

[7]王曉慧, 陳永富, 陳爾學(xué), 張?jiān)獞?yīng), 雒艷蘭. 基于遙感和GIS的三北防護(hù)林工程生態(tài)效益評(píng)價(jià)研究——以山西省中陽縣為例. 水土保持通報(bào), 2011, 31(5): 171- 175.

[8]Yao Y J, Liang S L, Zhao S H, Zhang Y H, Qin Q M, Cheng J, Jia K, Xie X H, Zhang N N, Liu M. Validation and application of the modified satellite-based priestley-taylor algorithm for mapping terrestrial evapotranspiration. Remote Sensing, 2014, 6(1): 880- 904.

[9]王效瑞, 范建華, 汪祥森. “三北”防護(hù)林地區(qū)主要樹種的分布與水、熱條件的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)雜志, 1986, 5(1): 13- 17, 37.

[10]鄭曉, 朱教君. 基于多元遙感影像的三北地區(qū)片狀防護(hù)林面積估算. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(8): 2257- 2264.

[11]鄭曉, 朱教君, 閆妍. 三北地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林面積的多尺度遙感估算. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(5): 1355- 1363.

[12]吳云, 曾源, 吳炳方, 李曉松, 武文波. 基于MODIS數(shù)據(jù)的三北防護(hù)林工程區(qū)植被覆蓋度提取與分析. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(9): 1712- 1718.

[13]Duan H C, Yan C Z, Atsushi Tsunekawa, Song X, Li S, Xie J L. Assessing vegetation dynamics in the Three-North Shelter Forest region of China using AVHRR NDVI data. Environmental Earth Sciences, 2010, 64(4): 1011- 1020.

[14]王強(qiáng), 張勃, 戴聲佩, 鄒悅, 馬中華, 張亞寧. 基于GIMMS AVHRR NDVI數(shù)據(jù)的三北防護(hù)林工程區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化. 資源科學(xué), 2011, 33(8): 1613- 1620.

[15]黃森旺, 李曉松, 吳炳方, 裴亮. 近25年三北防護(hù)林工程區(qū)土地退化及驅(qū)動(dòng)力分析. 地理學(xué)報(bào), 2012, 67(5): 589- 598.

[16]姬翠翠. 基于遙感和GIS的三北地區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究[D]. 阜新: 遼寧工程技術(shù)大學(xué), 2009.

[17]王曉慧, 陳永富, 陳爾學(xué). 近30年三北防護(hù)林工程區(qū)中陽縣土壤侵蝕變化分析. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2012, 27(5): 1- 5.

[18]侯慶春, 黃旭, 韓仕峰, 張孝忠. 黃土高原地區(qū)小老樹成因及其改造途徑的研究Ⅰ小老樹的分布及其生長(zhǎng)特點(diǎn). 水土保持學(xué)報(bào), 1991, 5(1): 64- 72.

[19]朱教君, 姜鳳岐, 范志平, 周新華. 林帶空間配置與布局優(yōu)化研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 14(8): 1205- 1212.

[20]姜鳳岐, 于占源, 曾德慧, 朱教君. 氣候變化對(duì)三北防護(hù)林的影響與應(yīng)對(duì)策略. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(9): 1702- 1705.

[21]Christopher S Potter, James T Randerson, Christopher B Field, Pamela A Matson, Peter M Vitousek, Harold A Mooney, Steven A Klooster. Terrestrial ecosystem production: A process model based on global satellite and surface data. Global Biogeochemical Cycles, 1993, 7(4): 811- 841.

[22]Fryrear D W, Krammes C A, Williamson D L, Zobeck T M. Computing the wind erodible fraction of soils. Journal of Soil and Water Conservation, 1994, 49(2): 183- 188.

[23]Liu J Y, Qi Y Q, Shi H D, Zhuang D F, Hu Y F. Estimation of wind erosion rates by using137Cs tracing technique: A case study in Tariat-Xilin Gol Transect, Mongolian Plateau. Chinese Sciences Bulletin, 2008, 53(5): 751- 758.

[24]沙占江, 馬海州, 李玲琴, 樊啟順, 吳非權(quán). 基于遙感和137CS方法的半干旱草原區(qū)土壤侵蝕量估算. 中國(guó)沙漠, 2009, 29(4): 589- 595.

[25]鄭兵, 呂偉, 姚洪林, 海拉蘇, 張連根, 孟令東. 渾善達(dá)克沙地南緣風(fēng)蝕量的研究. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2010, 24(6): 112- 117.

[26]王云超, 張立峰, 侯大山, 高運(yùn)青. 河北壩上農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)不同下墊面土壤風(fēng)蝕特征研究. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2006, 22(8): 565- 568.

[27]章文波, 謝云, 劉寶元. 利用日雨量計(jì)算降雨侵蝕力的方法研究. 地理科學(xué), 2002, 22(6): 705- 711.

[28]McCool D K, Brown L G, Foster G R, Mutchler C K, Meyer L D. Revised slope steepness factor for the Universal Soil Loss Equation. Transactions of American Society of Agriculture Engineers, 1987, 30(5): 1387- 1396.

[29]Liu B Y, Nearing M A, Risse L M. Slope gradient effects on soil loss for steep slopes. Transaction of American Society of Agriculture Engineers, 1994, 37(6): 1835- 1840.

[30]蔡崇法, 丁樹文, 史志華, 黃麗, 張光遠(yuǎn). 應(yīng)用USLE模型與地理信息系統(tǒng)IDRISI預(yù)測(cè)小流域土壤侵蝕量的研究. 水土保持學(xué)報(bào), 2000, 14(2): 19- 24.

[31]趙國(guó)松, 劉紀(jì)遠(yuǎn), 匡文慧, 歐陽志云. 1990- 2010年中國(guó)土地利用變化對(duì)生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)區(qū)域的擾動(dòng). 地理學(xué)報(bào), 2014, 69(11): 1640- 1650.

Spatial and temporal variations in ecosystems in the three northern regions of

China, 2000—2010

HUANG Lin*, CAO Wei, GONG Guoli, ZHAO Guosong

InstituteofGeographicScienceandNaturalResourcesResearch,Beijing100101，China

Abstract：This study analyzed the ecosystem macrostructure, quality, and key services and their driving forces in the three northern regions (northeastern, northwestern, and northern) of China, in the first 10 years of the 21stCentury. The results showed that (1) during 2000—2010, forestland area increased by 10,300 km2; grassland decreased by 900 km2; wetland area decreased by 33.9 km2; farmland increased by 1900 km2; artificial coverage increased by 12400 km2; and other ecosystems decreased by 23700 km2in the three northern regions. (2) The normalized difference vegetation index (NDVI), leaf area index (LAI), and aboveground vegetation productivity in these regions increased slightly over the past 10 years, especially in the Loess Hilly Region. However, the vegetation coverage decreased slightly. (3) The soil erosion modulus per unit area decreased by 27.25% in the three northern regions, with an annual reducing rate of 1.13 t/hm2. The amount of sand-fixing services was low because the force of wind erosion decreased annually, suggesting that a reduced force in wind erosion decreases the amount of soil erosion. In soil water erosion zones of the three northern regions, the soil water erosion modulus showed a slight increasing trend in the past 10 years, whereas the modulus in the Loess Plateau and sand areas showed decreasing trends. The amount of ecosystem soil conservation service per unit area showed an increasing trend, with an annual increasing rate of 0.28 t/hm2, indicating improved soil conservation capacity. (4) The temperature increased by 0.02℃/a, and precipitation increased by 3.00 mm/a in the past 10 years in the three northern regions, and the moderate warming and increased precipitation were useful for vegetation recovery. The human disturbance index showed decreasing trends in Loess Plateau and in the agricultural areas of Northeast and North Plain, indicating that the effect of human disturbances on natural ecosystems has been suppressed in these two regions.

Key Words:the three northern regions; ecosystem; spatial and temporal patterns; variations in the last 10 years; remote sensing

DOI:10.5846/stxb201408281708

*通訊作者Corresponding author.E-mail: huanglin@igsnrr.ac.cn

收稿日期:2014- 08- 28;

修訂日期:2015- 06- 01

基金項(xiàng)目:國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2013BAC03B04);全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010年)變化遙感調(diào)查與評(píng)估項(xiàng)目專題(STSN- 14-00)

黃麟，曹巍，鞏國(guó)麗，趙國(guó)松.2000—2010年中國(guó)三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空變化特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(1):107- 117.

Huang L, Cao W, Gong G L, Zhao G S.Spatial and temporal variations in ecosystems in the three northern regions of China, 2000—2010.Acta Ecologica Sinica,2016,36(1):107- 117.