江　凌，肖　燚，饒恩明，王莉雁，歐陽(yáng)志云

1. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100085 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100049

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內(nèi)蒙古土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能的影響

江凌1,2，肖燚1,*，饒恩明1,2，王莉雁1,2，歐陽(yáng)志云1

1. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

摘要:土壤風(fēng)蝕是內(nèi)蒙古的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題之一。在對(duì)內(nèi)蒙古2000年到2010年的土地利用變化特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分析了內(nèi)蒙古土地利用變化的主要特征，以RWEQ模型估算了內(nèi)蒙古2000年和2010年的固沙物質(zhì)量，采用空間統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估了固沙功能對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，結(jié)果表明：(1)2000—2010年土地利用變化以城鎮(zhèn)高速發(fā)展、草地和濕地面積銳減、林地灌叢有所恢復(fù)以及荒漠環(huán)境改善為主要特征。(2)2000—2010的十年間內(nèi)蒙古固沙物質(zhì)總量增長(zhǎng)了17.75%，草地總面積雖有所降低，但是部分區(qū)域草地覆蓋度的上升增強(qiáng)了草地固沙能力，而林地的固沙物質(zhì)量則由于農(nóng)田、草地改為林地的短期內(nèi)地表保護(hù)力的下降而有所降低。(3)十年間農(nóng)田退耕還草、荒漠環(huán)境的改善、草地質(zhì)量提高等土地利用變化方式有益于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提高，使生態(tài)防風(fēng)固沙功能得以增強(qiáng)，造成固沙物質(zhì)量提高了約0.25億t。(4)農(nóng)田開(kāi)墾、城鎮(zhèn)發(fā)展、荒漠化發(fā)展、濕地萎縮以及草地的退化等土地利用變化會(huì)使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能下降，累計(jì)造成的固沙物質(zhì)量的減少總量約為0.19億t。從十年間綜合來(lái)看，內(nèi)蒙古的土地利用變化對(duì)區(qū)域固沙功能有一定的增強(qiáng)作用，但是尚存在城鎮(zhèn)發(fā)展過(guò)快、草地濕地轉(zhuǎn)化壓力過(guò)大、草地退化、荒漠化對(duì)固沙功能的弱化問(wèn)題，需要在今后的土地利用規(guī)劃和管理工作中予以改進(jìn)以進(jìn)一步增強(qiáng)區(qū)域固沙功能，構(gòu)建北方地區(qū)生態(tài)安全屏障。

關(guān)鍵詞：LUCC(土地利用變化)；RWEQ(修正風(fēng)蝕方程)；防風(fēng)固沙功能

土壤風(fēng)蝕是干旱半干旱地區(qū)廣泛存在的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題之一[1]。防風(fēng)固沙功能是風(fēng)蝕地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)重要的生態(tài)服務(wù)功能之一，生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)風(fēng)沙的抑制和固定作用[2- 5]，為區(qū)域生產(chǎn)生活可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件。土地利用是人類(lèi)根據(jù)土地自然特點(diǎn)采取生物、技術(shù)等手段對(duì)土地進(jìn)行長(zhǎng)期的經(jīng)營(yíng)管理以達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)目的的活動(dòng)。土地利用方式的改變被認(rèn)為是全球變化的決定因素之一，會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的格局和質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的相應(yīng)改變[6- 8]。近年來(lái)，在土地利用變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的量化評(píng)價(jià)成為研究熱點(diǎn)[9- 12]，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能的關(guān)注度也逐漸提高[13-14]，而土地利用變化對(duì)防風(fēng)固沙功的影響方面的研究還相對(duì)涉及較少。

內(nèi)蒙古地處中國(guó)北部，屬于典型的干旱半干旱氣候區(qū)，我國(guó)三分之一面積的沙漠和沙地分布于此[15]，充沛的沙源和頻發(fā)的大風(fēng)天氣使該區(qū)域飽受土壤風(fēng)蝕的侵?jǐn)_，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來(lái)的高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)和劇烈的土地類(lèi)型轉(zhuǎn)變更是加劇了風(fēng)蝕過(guò)程。土壤風(fēng)蝕導(dǎo)致的土地退化、沙漠化降低了土壤的生產(chǎn)力，削弱生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的同時(shí)[16- 19]，揚(yáng)沙、沙塵以至沙塵暴天氣對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的影響[20- 21]更是對(duì)整個(gè)中國(guó)的華北、東北地區(qū)乃至周邊國(guó)家和地區(qū)的人民生活質(zhì)量以及身心健康造成了嚴(yán)重的困擾[22- 25]。在土地利用變化的基礎(chǔ)上研究其和防風(fēng)固沙這一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的關(guān)系對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)固沙功能的恢復(fù)和改善具有重要意義。

本研究在對(duì)2000—2010年內(nèi)蒙古土地利用格局的改變進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能產(chǎn)生的相應(yīng)變化進(jìn)行了定量的分析和評(píng)價(jià)，以期為進(jìn)一步恢復(fù)內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的供給能力，為構(gòu)建京津翼地區(qū)的生態(tài)安全屏障提供參考和借鑒。

1研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)地處我國(guó)北部, 位于37°24′—53°23′N(xiāo)，97°12′—126°04′ E之間，地處內(nèi)蒙古高原，地域遼闊東西狹長(zhǎng)，總面積約118萬(wàn)km2。氣候以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?從東到西跨越了溫帶濕潤(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)、半干旱區(qū)、干旱區(qū)和極端干旱區(qū)等5個(gè)氣候區(qū)，從而形成了多樣的地理環(huán)境和豐富的自然資源，地勢(shì)東西跨越東北、華北、西北地區(qū)。年降水量50—450 mm，由東北向西南遞減；年均氣溫為0—8 ℃[26- 27]。廣袤的沙漠分布、頻發(fā)的大風(fēng)天氣以及干旱少雨的氣象條件使該區(qū)域成為我國(guó)風(fēng)力侵蝕非常嚴(yán)重的地區(qū)之一。內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)基本格局是： “東林中草西沙，北牧南農(nóng)”，草地是內(nèi)蒙古主要的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型(圖1)。

內(nèi)蒙古是我國(guó)典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，土地利用政策在多年的社會(huì)發(fā)展過(guò)程中不斷調(diào)整和變化，從大面積開(kāi)墾草地和林地以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“以糧為綱”到現(xiàn)階段的退耕還林還草的“生態(tài)為先”，土地利用強(qiáng)度和方式都發(fā)生了極大的改變，土地利用格局變化顯著，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局與過(guò)程產(chǎn)生了不同性質(zhì)的影響。高速發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求和快速增長(zhǎng)的人口壓力使得內(nèi)蒙古土地利用變化激烈：在20世紀(jì)80—90年代間，由于人口增長(zhǎng)、過(guò)度放牧、草原大范圍墾殖，造成了大面積的草地退化和荒漠化，失去了地表植被的保護(hù)，土壤發(fā)生嚴(yán)重風(fēng)蝕，風(fēng)蝕迅速擴(kuò)展，嚴(yán)重影響了內(nèi)蒙古的正常生產(chǎn)和生活秩序[28- 32]。90年代末期以來(lái)，內(nèi)蒙古實(shí)行了退耕還林還草、天然林保護(hù)、京津風(fēng)沙源治理、生態(tài)移民、封育輪牧等一系列生態(tài)工程和管理措施，力圖緩解生態(tài)壓力，逐步恢復(fù)生態(tài)質(zhì)量[33- 34]。

圖1　研究區(qū)位置及海拔高程Fig.1　The location and altitude distribution of study area

2數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究采用的主要數(shù)據(jù)均來(lái)自“全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化遙感調(diào)查評(píng)估”項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)，其中土壤屬性數(shù)據(jù)集(包括土種類(lèi)型、土壤粗砂、細(xì)砂、粘粒、土壤容重、N、P、K及有機(jī)質(zhì)含量等理化性質(zhì))[35]、多年平均太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)、多年平均積雪覆蓋深度等1 km×1 km柵格數(shù)據(jù)由寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載；1980—2010年的多年平均降雨、氣溫、風(fēng)速等月均數(shù)據(jù)由中國(guó)地理科學(xué)研究所通過(guò)對(duì)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)空間插值得到氣象柵格數(shù)據(jù)；2000年和2010年250 m植被覆蓋度數(shù)據(jù)和30 m土地利用類(lèi)型分類(lèi)圖由中國(guó)科學(xué)院遙感所制作提供，其中土地利用類(lèi)型結(jié)合氣候、地形等生物地理參量和生態(tài)系統(tǒng)特征，將內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)分為8個(gè)一級(jí)生態(tài)系統(tǒng)和29個(gè)二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)[36]，在此基礎(chǔ)上，參考水土流失強(qiáng)度和土地沙漠化強(qiáng)度劃分閾值，將天然草地被根據(jù)植被覆蓋度整理為高、中、低植被覆蓋度草地生態(tài)系統(tǒng)；90 m數(shù)字高程DEM來(lái)由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心提供。所有空間數(shù)據(jù)在采用前均統(tǒng)一投影方式為Albers等積圓錐投影，大地基準(zhǔn)面為D_WGS_1984，雙標(biāo)準(zhǔn)緯線為25°N和47°N，中央經(jīng)線為105°E，數(shù)據(jù)精度均重采樣為90 m空間精度。

2.2土地利用變化分析

為表征內(nèi)蒙古在十年間的土地利用變化量、變化方向和變化空間形式，本研究以動(dòng)態(tài)度指數(shù)表征各個(gè)地類(lèi)的變化幅度和速度，用轉(zhuǎn)移矩陣分析了地類(lèi)間的相互轉(zhuǎn)移，以此來(lái)揭示研究區(qū)土地利用變化的規(guī)律及特點(diǎn)。

2.2.1土地利用變化動(dòng)態(tài)度

土地利用變化動(dòng)態(tài)度反映了研究區(qū)某一時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化情況，可以直觀反映土地利用類(lèi)型的變化幅度和速度，揭示土地利用變化的基本特征。其表達(dá)式為：

(1)

式中，Ua、Ub分別為研究初期和末期某地類(lèi)的面積，T為研究時(shí)段，本次研究取1，計(jì)算10 a總動(dòng)態(tài)度。

2.2.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是對(duì)土地利用類(lèi)型間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量和方向定量研究的主要方法，它能夠具體的反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征和各類(lèi)型間的轉(zhuǎn)移方向。在ARCGIS工具軟件中利用疊加分析功能對(duì)兩期土地利用變化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析即可得到內(nèi)蒙古兩個(gè)年份間的土地利用轉(zhuǎn)移關(guān)系矩陣。

2.3防風(fēng)固沙功能物質(zhì)量估算方法

內(nèi)蒙古防風(fēng)固沙功能以自然植被的沙物質(zhì)固定量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，固沙物質(zhì)量的計(jì)算思路是以假設(shè)沒(méi)有植被的條件下產(chǎn)生的風(fēng)蝕總量減去在實(shí)際植被保護(hù)條件下的風(fēng)蝕總量，二者差值即代表區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)風(fēng)沙的固定量。本研究選取RWEQ模型作為風(fēng)蝕量的計(jì)算工具估算鄂爾多斯生態(tài)系統(tǒng)潛在風(fēng)蝕SL潛和實(shí)際風(fēng)蝕量SL，以?xún)烧咧頖表征內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能的變化量。在ARCGIS的疊加分析功能下，對(duì)兩年的土地利用發(fā)生轉(zhuǎn)移的柵格的固沙量變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)作為土地利用變化對(duì)固沙功能影響的表征。固沙物質(zhì)量的基本計(jì)算公式如下：

(2)

S潛=150.71·(WF×EF×SCF×K′)-0.3711

(3)

(4)

(5)

S=150.71·(WF×EF×SCF×K′×C)-0.3711

(6)

(7)

G=S潛-SL

(8)

式中，G為固沙量；SL為土壤風(fēng)蝕量；Qmax為風(fēng)沙最大轉(zhuǎn)運(yùn)容量；S為關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度；S潛、Qmax潛、S潛分別代表潛在風(fēng)蝕、潛在轉(zhuǎn)運(yùn)量、潛在地塊長(zhǎng)度；z為下風(fēng)向最大風(fēng)蝕出現(xiàn)距離；WF為氣象因子；EF為土壤可蝕性因子；SCF為土壤結(jié)皮因子；K′為地表糙度因子；C為植被覆蓋因子。各因子計(jì)算方法如下所述。

2.3.1氣象因子(WF)

氣象因子WF即風(fēng)速、溫度及降雨等各類(lèi)氣象因子對(duì)風(fēng)蝕綜合影響的反映[37]，其表達(dá)式如下:

(9)

(10)

式中,WF為氣象因子(kg/m)；Wf為風(fēng)力因子(m/s)3；g為重力加速度(m/s2)；ρ為空氣密度(kg/m3)；SW為土壤濕度因子；SD為雪蓋因子；u1為起沙風(fēng)速，本次計(jì)算取5m/s；u2為氣象站月均風(fēng)速值(m/s)；Nd為各月風(fēng)速大于5m/s的天數(shù)。

2.3.2土壤可蝕性因子(EF)

土壤可蝕因子EF是一定土壤理化條件下土壤受風(fēng)蝕影響大小[38]，其表達(dá)式如下:

(11)

式中，sa為土壤粗砂含量(%)，si為土壤粉砂含量(%)，cl為土壤粘粒含量(%)，OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)，CaCO3為碳酸鈣含量(%)，本次計(jì)算取0。

2.3.3土壤結(jié)皮因子(SCF)

土壤表層的堅(jiān)硬結(jié)皮能有效防止風(fēng)蝕的發(fā)生。土壤結(jié)皮因子SCF即在一定土壤理化條件下土壤結(jié)皮抵抗風(fēng)蝕能力的大小[39]，其表達(dá)式如下：

(12)

式中，cl為土壤粘粒含量(%)；OM為土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)。

2.3.4植被因子(C)

植被覆蓋因子C表示一定植被條件對(duì)風(fēng)蝕的抑制程度[40]，其表達(dá)式如下:

C=e-0.0483(SC)

(13)

式中，SC為植被覆蓋度(%)。

2.3.5地表糙度因子(K′)

地表糙度K′是由地形所引起的地表粗糙程度對(duì)風(fēng)蝕影響的反映[41]，其表達(dá)式如下:

14)

(15)

式中， Crr為隨機(jī)糙度因子(cm),本次計(jì)算暫未考慮；Kr為地形糙度因子(cm)；L為地勢(shì)起伏參數(shù)；△H為距離L范圍內(nèi)的海拔高程差。

3結(jié)果與分析

3.1內(nèi)蒙古土地利用變化特點(diǎn)

3.1.1土地利用構(gòu)成及變化

受地形氣候影響，內(nèi)蒙古地區(qū)從西向東呈現(xiàn)“荒漠-草原-森林”逐漸變化的空間格局(圖2)，草地是內(nèi)蒙古的主要土地利用類(lèi)型，也是內(nèi)蒙古植被生態(tài)系統(tǒng)的主體。2010年內(nèi)蒙古草地分布面積53.8萬(wàn)km2，占研究區(qū)總面積的47.89%。在2000—2010年的十年間，內(nèi)蒙古土地利用類(lèi)型隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不斷變動(dòng)，其中其中草地、裸地和濕地面積呈減少趨勢(shì)，而林地、灌叢、農(nóng)田、城鎮(zhèn)均表現(xiàn)出不同程度的面積擴(kuò)展(表1)。十年間，內(nèi)蒙古草地面積減少了3111.4 km2，濕地面積減少了921.29 km2，裸地面積減少了305.5 km2，變化幅度分別為-0.57%、-1.89%和-0.25%，是其他各類(lèi)土地利用類(lèi)型得以擴(kuò)展的來(lái)源(圖2)。在面積增加的土地利用類(lèi)型中，以城鎮(zhèn)的動(dòng)態(tài)度變化最大，十年間其面積增長(zhǎng)了2482.64 km2，動(dòng)態(tài)度為22.4%，城市發(fā)展十分迅速；林地和灌叢的面積也出現(xiàn)了不同程度的增加，分別增加了928.43 km2和608.87 km2，動(dòng)態(tài)度分別為0.56%和2.35%，生態(tài)系統(tǒng)在局部區(qū)域得到了恢復(fù)和提高。

圖2　內(nèi)蒙古2010年土地利用現(xiàn)狀及10年變化Fig.2　Mapping of 2010 land use and dynamic change of ten years in the Inner Mongolia

3.1.2土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移特征

根據(jù)內(nèi)蒙古一級(jí)土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣(表2)，十年間內(nèi)蒙古的土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)換主要是從草地、濕地和部分裸地向林地、灌叢、農(nóng)田和城鎮(zhèn)的轉(zhuǎn)移，根據(jù)其轉(zhuǎn)移特點(diǎn)和方向，將2000—2010年內(nèi)蒙古土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移特征總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

(1)城鎮(zhèn)擴(kuò)展迅速十年間，內(nèi)蒙古城市面積凈增長(zhǎng)了22.4%，草地和農(nóng)田是城鎮(zhèn)面積擴(kuò)展的主要來(lái)源。圖3反應(yīng)了各類(lèi)型土地轉(zhuǎn)成城鎮(zhèn)用地后的轉(zhuǎn)換特征：轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)的草地面積中的39.5%是轉(zhuǎn)換為采礦場(chǎng)，22.99%直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫幼∮玫?，其余?6.85%分別轉(zhuǎn)換為工業(yè)和交通用地；而轉(zhuǎn)為城市的農(nóng)田的59.1%面積直接轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ǔ蓞^(qū)，另有39.8%的農(nóng)田面積分別轉(zhuǎn)換為工業(yè)、交通和采礦用地。從分布空間上看，內(nèi)蒙古城市發(fā)展速度要以呼和浩特市、包頭、烏海和鄂爾多斯市為代表的中部區(qū)域高于東部和西部區(qū)域。相對(duì)于城市的大面積轉(zhuǎn)入，城市的轉(zhuǎn)出顯得微不足道，這也是城市用地的顯著特點(diǎn)之一。在十年間，僅有約25.1 km2的土地由城市轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌玫仡?lèi)型，其中由工業(yè)和采礦用地轉(zhuǎn)為草地約10 km2，轉(zhuǎn)為農(nóng)田約5.5 km2。

(2)農(nóng)業(yè)用地變化劇烈從農(nóng)業(yè)用地面積總變化來(lái)看，十年間內(nèi)蒙古農(nóng)用地面積僅增加了299.33 km2，變化不大，變化幅度僅為0.245(圖3)。但從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可見(jiàn)，十年間農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)出計(jì)1097.1369 km2，同時(shí)轉(zhuǎn)入面積約1396.46 km2，波動(dòng)面積達(dá)到2493.6 km2，變動(dòng)強(qiáng)度較為大。十年間，除了轉(zhuǎn)為城市建設(shè)用地和退耕還林地還草的轉(zhuǎn)出外，分別有673.6和542.7 km2的草地和濕地重新轉(zhuǎn)入為農(nóng)田，是退耕農(nóng)田數(shù)量的1.90倍。從空間上看，新開(kāi)墾的農(nóng)田大多分布在雨水相對(duì)充沛的內(nèi)蒙古東部區(qū)域，如呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市區(qū)域，而農(nóng)田的退耕主要在在內(nèi)蒙古中部農(nóng)牧交錯(cuò)帶，如包頭市、呼和浩特市、烏蘭察布市等區(qū)域，東部區(qū)域雖然也有部分的農(nóng)田實(shí)現(xiàn)了退耕，但是其農(nóng)田新開(kāi)墾的力度遠(yuǎn)大于退耕力度。

(3)林地、灌叢有所恢復(fù)，草地轉(zhuǎn)換強(qiáng)度較大林灌草是自然生態(tài)系統(tǒng)的主要類(lèi)型，在十年間，內(nèi)蒙古的自然植被系統(tǒng)變化特征表現(xiàn)為林地、灌叢面積的小幅度恢復(fù)，而草地則表現(xiàn)為大面積凈轉(zhuǎn)出特征(圖3)。林地、灌叢的面積增長(zhǎng)主要來(lái)自于789.9 km2草地、147.4 km2農(nóng)田和以及小面積濕地、裸地和沙漠等土地利用類(lèi)型。十年間總計(jì)有1064.7 km2的濕地、農(nóng)田和沙漠裸地轉(zhuǎn)為草地，但草地在十年間轉(zhuǎn)出面積達(dá)4168.3 km2，其中有34.2%的轉(zhuǎn)出草地是向林地、灌叢和濕地等生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，另有58.4%的草地主要轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)和農(nóng)田等人工生態(tài)系統(tǒng)，另有7.4%的草地生態(tài)系統(tǒng)退化為沙地和裸地。從空間上看，林灌草等土地類(lèi)型有所增加的區(qū)域相對(duì)集中分布在內(nèi)蒙古西部阿拉善盟、中部包頭市、鄂爾多斯的達(dá)拉特旗，東部的通遼市、赤峰市以及北部的呼倫貝爾市。而內(nèi)蒙古各大城市周邊的草地、濕地在城市發(fā)展下轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)或農(nóng)田的壓力較大。

表1　2000—2010內(nèi)蒙古土地利用類(lèi)型生態(tài)質(zhì)量指數(shù)

表2　內(nèi)蒙古2000—2010年土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣

(4)荒漠化改善內(nèi)蒙古有20%左右的國(guó)土面積為各類(lèi)沙漠、沙地和裸地等荒漠類(lèi)型所占據(jù)，曾經(jīng)在90年代初由于人為擾動(dòng)導(dǎo)致的嚴(yán)重荒漠化，在近十年里出現(xiàn)了程度較輕的改善，十年間，沙漠面積基本維持而裸地面積則減小了306.2 km2(圖3)。從空間上看，巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠的南部以及科爾沁沙地的南部均有較大面積的沙漠沙地或裸地轉(zhuǎn)為林草地等生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了荒漠化有效改善，但同時(shí)烏蘭布和沙漠北部、科爾沁沙地東部和北部以及呼倫貝爾沙地西部則有小區(qū)域的土地出現(xiàn)輕度荒漠化。

圖3　內(nèi)蒙古土地利用轉(zhuǎn)移特征Fig.3　The characteristics of the land use type transferring in Inner Mongolia圖中正值代表轉(zhuǎn)入面積，負(fù)值代表轉(zhuǎn)出面積

3.2內(nèi)蒙古風(fēng)蝕計(jì)算結(jié)果及其驗(yàn)證

本研究采用RWEQ進(jìn)行了內(nèi)蒙古2000年和2010年潛在風(fēng)蝕和實(shí)際風(fēng)蝕的計(jì)算，依據(jù)水利部《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190—2007)風(fēng)蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了風(fēng)蝕強(qiáng)度分級(jí)，并在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步獲得了兩年的固沙物質(zhì)量(圖4)。內(nèi)蒙古風(fēng)蝕分布總體上為東低西高，北多南少，這也是內(nèi)蒙古自然地理和氣候分布的特點(diǎn)所致。2010年內(nèi)蒙古全區(qū)風(fēng)蝕總面積為53.15萬(wàn)km2，中度以上風(fēng)蝕發(fā)生面積合計(jì)為29.66萬(wàn)km2，占全部風(fēng)蝕區(qū)面積的56.5%。2010年內(nèi)蒙古固沙物質(zhì)總量為57.58億t，科爾沁沙地、渾善達(dá)克沙地以及鄂爾多斯高原是固沙物質(zhì)量較多的區(qū)域(圖4)。

圖4　2010內(nèi)蒙古風(fēng)蝕分級(jí)和固沙物質(zhì)量分布圖Fig.4　The Wind erosion classification and sand fixation amount distribution of Inner Mongolia in 2010

鑒于固沙功能無(wú)監(jiān)測(cè)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)以供驗(yàn)證，本文以基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)監(jiān)督分類(lèi)得到的土壤流失遙感調(diào)查中內(nèi)蒙古各旗縣不同風(fēng)蝕級(jí)別的面積與本模型計(jì)算評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示(圖5)，二者具有較高的擬合性(R2=0.89)，從側(cè)面說(shuō)明了RWEQ模型用于評(píng)估內(nèi)蒙古風(fēng)蝕強(qiáng)度并以此計(jì)算固沙物質(zhì)量的可行性。

圖5　RWEQ計(jì)算結(jié)果與遙感調(diào)查結(jié)果關(guān)系　Fig.5　Relationship between the remote sensing result and RWEQ result

3.3內(nèi)蒙古固沙功能對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

3.3.1土地利用類(lèi)型與固沙物質(zhì)量

基于GIS軟件下將2個(gè)時(shí)期的土地利用類(lèi)型圖與相應(yīng)的固沙物質(zhì)量分布圖分別進(jìn)行疊加統(tǒng)計(jì)分析，得到2個(gè)時(shí)期不同土地利用類(lèi)型下的固沙量。由表3可見(jiàn)，內(nèi)蒙古各土地利用類(lèi)型固沙物質(zhì)量序列依次為草地>沙漠>農(nóng)田>灌叢>裸地>林地>城鎮(zhèn)，草地是控制內(nèi)蒙古風(fēng)力侵蝕，起到防風(fēng)固沙作用的主要土地利用類(lèi)型，草地固沙物質(zhì)量在2000年和2010年兩個(gè)年份中分別占到固沙物質(zhì)總量的67.9%和63.9%，濕地如湖泊、河流等類(lèi)型由于在計(jì)算中假設(shè)其不發(fā)生任何形式的風(fēng)蝕，因此不做固沙物質(zhì)量序列比較，其所產(chǎn)生的少量固沙物質(zhì)量是由于濕地轉(zhuǎn)為其他用地類(lèi)型出現(xiàn)風(fēng)蝕后同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的固沙能力。十年間，固沙物質(zhì)總量增長(zhǎng)了8.68億t，增幅為17.75%，在全部變化中，土地利用變化造成的固沙物質(zhì)變化量為0.44億t，雖然總量不大，但是在人類(lèi)活動(dòng)主導(dǎo)下的土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)固沙功能的影響意義重大。十年間，各個(gè)土地利用類(lèi)型的固沙總量均有所增加，但林地、濕地和農(nóng)田有微量的減少(表3)。

表3　內(nèi)蒙古不同土地利用類(lèi)型固沙物質(zhì)量及其變化

3.3.2防風(fēng)固沙功能與土地利用變化

通過(guò)對(duì)2000年和2010年土地利用變化圖和固沙物質(zhì)量變化圖的疊加(圖6), 可統(tǒng)計(jì)分析不同土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)化對(duì)固沙功能的影響。結(jié)果表明，土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換分別造成了0.25億t的固沙物質(zhì)量的增加和0.19億t固沙物質(zhì)量的減少。影響固沙功能的用地類(lèi)型的轉(zhuǎn)換主要在林灌草等自然生態(tài)系統(tǒng)用地與城鎮(zhèn)、農(nóng)田和荒漠之間進(jìn)行，表4是對(duì)固沙功能增加和減少影響力分別位列前20種的土地轉(zhuǎn)變形式，其中：農(nóng)田的退耕(農(nóng)田轉(zhuǎn)灌叢、農(nóng)田轉(zhuǎn)草地)、荒漠的改造(裸地轉(zhuǎn)灌叢、裸地轉(zhuǎn)草地、裸地轉(zhuǎn)農(nóng)田)、沙漠的逆轉(zhuǎn)(沙漠沙地轉(zhuǎn)林灌草、沙漠轉(zhuǎn)農(nóng)田)以及草地質(zhì)量的提高(低覆蓋度草地轉(zhuǎn)中覆蓋度草地、地覆蓋度草地轉(zhuǎn)灌叢)等轉(zhuǎn)換類(lèi)型增加了90.6%的固沙物質(zhì)量；而農(nóng)田開(kāi)墾(中覆蓋度草地轉(zhuǎn)農(nóng)田、草本沼澤轉(zhuǎn)農(nóng)田)、城鎮(zhèn)發(fā)展(中覆蓋度草地轉(zhuǎn)城鎮(zhèn)、農(nóng)田轉(zhuǎn)城鎮(zhèn))、荒漠化(中覆蓋度草地轉(zhuǎn)沙漠、湖泊轉(zhuǎn)沙漠)以及濕地萎縮(河流和草本沼澤轉(zhuǎn)中覆蓋度草地)和草地的退化(高覆蓋度草地轉(zhuǎn)中覆蓋度草地、中覆蓋度草地轉(zhuǎn)低覆蓋度草地)等轉(zhuǎn)換方式累計(jì)減少了89.65%的固沙物質(zhì)量。

值得注意的是，中、低覆蓋度草地、旱地等土地利用類(lèi)型在向林地轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，固沙能力有所降低，以中覆蓋度草地轉(zhuǎn)為林地后降低最多，為固沙物質(zhì)降低總量的2.67%，其次為農(nóng)田轉(zhuǎn)為林地。草地和農(nóng)田向林地的轉(zhuǎn)換大多是人為造林活動(dòng)的結(jié)果，新造林地在生長(zhǎng)初期無(wú)論其生物量抑或植被覆蓋程度都遠(yuǎn)低于自然草地甚或農(nóng)田，導(dǎo)致了短期內(nèi)地表植被的保護(hù)作用下降，固沙功能的輕度降低。

綜合來(lái)說(shuō)，十年間，內(nèi)蒙古的土地利用類(lèi)型的變化對(duì)區(qū)域固沙功能起到了一定的增強(qiáng)作用，而這種增強(qiáng)并不以某類(lèi)土地利用類(lèi)型面積的增減為絕對(duì)導(dǎo)向，而是與生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量高度相關(guān)，如草地覆蓋度得以提升的地區(qū)，固沙物質(zhì)量往往會(huì)大幅增加，而草地覆蓋度下降的區(qū)域固沙物質(zhì)量明顯下降。

圖6　內(nèi)蒙古土地利用和固沙功能空間變化Fig.6　The spatial change of Environment Index and Sand Fix function in Inner Mongolia土地利用類(lèi)型在兩個(gè)年份間發(fā)生變化的區(qū)域即以紅色表示，兩個(gè)年份固沙總量的差值，其中差值大于0為提高，大于1000為顯著提高，反之，小于0為降低，小于-1000為顯著降低

4結(jié)論與討論

土地利用結(jié)構(gòu)與土壤水分、養(yǎng)分、水土流失等生態(tài)過(guò)程之間關(guān)系的研究, 是近年來(lái)景觀格局與生態(tài)過(guò)程研究的重要方面。土地利用及其結(jié)構(gòu)的變化不僅能夠改變自然景觀的面貌, 而且深刻影響著景觀中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng), 改變著土壤水分、養(yǎng)分和土壤侵蝕等生態(tài)過(guò)程的時(shí)空分布。對(duì)土地利用變化和生態(tài)質(zhì)量與功能的關(guān)系探討有助于把握土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和環(huán)境功能影響, 對(duì)探討區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化具有重要的意義[42]。在GIS 和RWEQ模型支持下, 本研究對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)土地利用變化特征與生態(tài)質(zhì)量和固沙功能的關(guān)系進(jìn)行深入的分析與探討，結(jié)果表明：

(1)近十年來(lái)，內(nèi)蒙古地區(qū)土地利用變化的主要特點(diǎn)是城市的快速擴(kuò)張和草地、濕地資源的高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)利用。農(nóng)田總量微度增長(zhǎng)的表象下實(shí)際是農(nóng)田空間上的劇烈更替，原有農(nóng)田被大面積轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地以及政策退耕為林灌草等用地類(lèi)型，同時(shí)又以大面積灌叢、草地和濕地等用地類(lèi)型開(kāi)墾為新的農(nóng)田予以替代。

表4　不同土地利用轉(zhuǎn)變類(lèi)型固沙物質(zhì)量變化及其占比

(2)在退耕還林還草等生態(tài)保護(hù)工程的用地政策導(dǎo)向下，林地、灌叢面積得到了一定程度的恢復(fù)，荒漠化逆向發(fā)展有所增加，荒漠總面積開(kāi)始減小。草地面積雖然在向城市建設(shè)用地和農(nóng)耕地的轉(zhuǎn)換過(guò)程中大幅度減少，并且局部區(qū)域的禁牧輪牧使草地覆蓋度有所增加，但過(guò)度放牧、破壞草地礦業(yè)開(kāi)采、蟲(chóng)鼠害和氣候等原因也導(dǎo)致了部分區(qū)域草地質(zhì)量明顯下降?？傮w而言，十年間內(nèi)蒙古生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體改善，局部地區(qū)存在一定惡化趨勢(shì)。

(3)基于RWEQ模型的內(nèi)蒙古固沙物質(zhì)量估算結(jié)果表明，十年來(lái)，內(nèi)蒙古固沙物質(zhì)量的增減在空間上交替更迭，但總體來(lái)說(shuō)固沙物質(zhì)量相對(duì)十年前增長(zhǎng)了17.75%，達(dá)到2010年的57.54億t，增長(zhǎng)明顯。草地固沙物質(zhì)量在2000年和2010年兩個(gè)年份中分別占到固沙物質(zhì)總量的67.9%和63.9%，是內(nèi)蒙古防風(fēng)固沙功能的主要土地利用類(lèi)型。

(4)基于疊加分析統(tǒng)計(jì)，土地利用類(lèi)型的變化中的農(nóng)田退耕、荒漠逆轉(zhuǎn)、草地蓋度提高等轉(zhuǎn)換方式貢獻(xiàn)了90.6%的固沙物質(zhì)量的增長(zhǎng)，而農(nóng)田開(kāi)墾、城鎮(zhèn)發(fā)展、荒漠化發(fā)展、濕地萎縮以及草地的退化造成了89.9%的固沙物質(zhì)量的減少，綜合來(lái)看，內(nèi)蒙古的土地利用變化對(duì)區(qū)域固沙功能起到了一定的增強(qiáng)作用，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化造成的土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)化對(duì)固沙功能的影響遠(yuǎn)高于在人類(lèi)干擾下的土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)換所造成的影響。

在2000年到2010年的十年間，在退耕還林、還草等環(huán)保工程的實(shí)施以及禁牧輪牧等措施對(duì)草地的保護(hù)性管理的大背景下，內(nèi)蒙古自治區(qū)整體生態(tài)質(zhì)量得以維持并有小幅度增長(zhǎng)，全區(qū)固沙功能得到了一定程度的增強(qiáng)。但是同時(shí)，城市建設(shè)速度過(guò)快對(duì)農(nóng)田、草地和濕地資源造成了較大的壓力，草地、農(nóng)田的荒漠化現(xiàn)象依舊存在，部分草地生態(tài)系統(tǒng)受氣候和人為因素的雙重影響而出現(xiàn)質(zhì)量降低，部分農(nóng)田和草地在向林地轉(zhuǎn)變的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)短期的地表覆蓋下降，地表保護(hù)力降低的現(xiàn)象，這些問(wèn)題的存在往往會(huì)弱化生態(tài)系統(tǒng)固沙功能，在今后的土地利用規(guī)劃與管理中需要加以注意和調(diào)整：1)合理控制城鎮(zhèn)擴(kuò)張方式和規(guī)模，在規(guī)劃中盡可能提高現(xiàn)有城區(qū)的承載力和加強(qiáng)對(duì)老城區(qū)的改造，減少攤大餅式的城市發(fā)展模式，降低城市周邊農(nóng)田和草地的占用速度。2)繼續(xù)保證退耕還林還草等環(huán)保工程的實(shí)施力度，在退耕后的選擇上應(yīng)注意迎合周邊自然條件和環(huán)境，宜林則林，宜草則草，避免一刀切。3)對(duì)天然草地實(shí)施圍欄封育輪牧，控制草地畜牧強(qiáng)度，防止過(guò)度放牧。4)加快人工草地建設(shè)和天然草地改良工作。5)加強(qiáng)草原鼠害治理，杜絕草原濫采濫挖，加強(qiáng)礦業(yè)開(kāi)采施工管理，促進(jìn)開(kāi)采后的草地恢復(fù)，減少礦業(yè)開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。6)嚴(yán)格限制草地、濕地、林灌地的農(nóng)業(yè)化，合理利用土地資源。

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收稿日期:2015- 04- 13;

修訂日期:2015- 12- 08

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: xiaoyi@rcees.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201504130745

Effects of land use and cover change (LUCC) on ecosystem sand fixing service in Inner Mongolia

JIANG Ling1,2，XIAO Yi1,*， RAO Enming1,2，WANG Liyan1,2，OUYANG Zhiyun1

1.StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2.UniversityofChineseAcademyofScience,Beijing100049,China

Abstract：Wind erosion is one of the most serious environmental problems in Inner Mongolia. Based on the analysis of land use change characteristics from 2000 to 2010 in Inner Mongolia, we quantify ecosystem sand fixation service in 2000 and 2010, and its changes by using revised wind erosion equation (RWEQ). Between 2000 and 2010 the areas of forest/shrub and urban increased with the decrease of grassland and wetland area. The ecosystem sand fixation service increased by 17.75% druing 2000—2010. The grassland coverage increased and the ability of grassland fixing sand increased by about 25 million tons per year correspondingly. However, the sand fixation ability of forest decreased due to the conversion from farmland and grassland to forest, which resulted in surface destruction in the short term. Other land use changes, including farmland reclamation, urban expansion, desertification, wetland and grassland degradation, also decreased ecosystem sand fixation service by about 19 million tons per year.Our results suggest ecosystem sand fixation service increased during 2000—2010 in Inner Mongolia due to the forest/shrub area and grassland coverage increase. However, it shouldn′t be neglected the impacts of fast urbanization, grassland and wetland loss on ecosystem services. Effective measures should be taken to tradeoff the urbanization, agricultural development and ecosystem service conservation.

Key Words:land use and cover change; revised wind erosion equation; ecosystem sand fixation service

江凌，肖燚，饒恩明，王莉雁，歐陽(yáng)志云.內(nèi)蒙古土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)防風(fēng)固沙功能的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016，36(12):3734- 3747.

Jiang L，Xiao Y， Rao E M，Wang L Y，Ouyang Z Y.Effects of land use and cover change (LUCC) on ecosystem sand fixing service in Inner Mongolia.Acta Ecologica Sinica,2016，36(12):3734- 3747.