薩日蓋，包玉海，竇銀銀，董禹麟，潘 濤,4，匡文慧

（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古師范大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；4.曲阜師范大學(xué)，山東 日照 276826）

陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力是評估區(qū)域植被固碳功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要指標(biāo)［1-2］。隨著聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估計(jì)劃的廣泛開展，生態(tài)評估已成為全球生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域的前沿課題［3-4］。凈初級生產(chǎn)力是指單位時(shí)間單位面積上綠色植物所積累的生物量，其變化深刻地影響著全球碳循環(huán)和生物賴以生存的環(huán)境質(zhì)量［2,5］。土地利用/覆蓋變化影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及其穩(wěn)定性［6-8］，其中城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)擴(kuò)張是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力下降的重要原因［9-13］，延緩了區(qū)域“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，監(jiān)測城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)的擴(kuò)張及其對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響，對于實(shí)現(xiàn)國家戰(zhàn)略目標(biāo)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。

內(nèi)蒙古高原地處典型的溫帶干旱/半干旱氣候區(qū)，從西南到東北分布著荒漠、草地和森林生態(tài)系統(tǒng)［14］，是中國北方重要生態(tài)屏障，也是生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱的地理分區(qū)［15］。同時(shí)，中國四大沙地（呼倫貝爾沙地、科爾沁沙地、渾善達(dá)克沙地和毛烏素沙地）是我國荒漠化的熱點(diǎn)地區(qū)［16］。受氣候變化和開墾、過度放牧、能源開采等人類活動的影響，內(nèi)蒙古高原出現(xiàn)了土地退化、沙漠化、植被干擾和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降等生態(tài)環(huán)境問題［14］。及時(shí)監(jiān)測內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)現(xiàn)狀、速度和規(guī)模及其對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響，能夠?yàn)樘岣邊^(qū)域資源管理能力和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力產(chǎn)生了明顯且多樣影響。已有研究表明，鄂爾多斯露天煤礦的快速增加導(dǎo)致該地區(qū)的草地、森林和沙地等自然生態(tài)系統(tǒng)喪失，并對植被生產(chǎn)力造成嚴(yán)重負(fù)面影響［17-18］；內(nèi)蒙古高原典型礦區(qū)周圍500 m范圍內(nèi)植被受到的破壞性極強(qiáng)［19］；然而，也有研究指出，2000—2015 年呼和浩特-包頭-鄂爾多斯（呼包鄂）地區(qū)城市擴(kuò)張?zhí)岣吡顺鞘芯G化水平，區(qū)域凈初級生產(chǎn)力有所增加［20］。這些研究大多為典型區(qū)域，研究尺度較小，缺少一致的研究結(jié)論，對整個(gè)內(nèi)蒙古高原的資源管理的指導(dǎo)意義有限。因此，本研究面向整個(gè)內(nèi)蒙古高原，基于衛(wèi)星影像、土地利用數(shù)據(jù)、氣象觀測資料和其他輔助信息，通過分析2000—2020年城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)規(guī)模、速度及其對生態(tài)系統(tǒng)的占用和凈初級生產(chǎn)力的變化，揭示21世紀(jì)以來城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)活動對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響，為內(nèi)蒙古高原合理優(yōu)化城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)進(jìn)程以及實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)、生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供重要科學(xué)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古高原（36°16′～52°99′N，92°68′～125°83′E）是中國的第二大高原，地跨我國東北、西北和華北地區(qū)，是中國重要的北方生態(tài)安全屏障。研究區(qū)包括內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)和河北省4 省區(qū)，24 個(gè)地級市和133 個(gè)縣域，總面積約為124.70×104km2，平均海拔約1145.92 m，地貌以平原為主。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水量由西向東逐漸增加［21］。研究區(qū)主體生態(tài)系統(tǒng)為草地和荒漠（圖1），分別占土地面積的40.34%和30.24%［22］。依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、氣候區(qū)、地貌區(qū)劃等分為東部地區(qū)（森林生態(tài)系統(tǒng)為主）、中部地區(qū)（草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主）和西部地區(qū)（荒漠生態(tài)系統(tǒng)為主）［14］。此外，內(nèi)蒙古高原承載呼倫貝爾沙地、科爾沁沙地、渾善達(dá)克沙地和毛烏素沙地四大沙 地，面 積 分 別 為42065.32 km2、9022.04 km2、39979.18 km2和33130.64 km2，生態(tài)系統(tǒng)組成和分布在內(nèi)蒙古高原具有代表性，是分析和認(rèn)識內(nèi)蒙古高原生態(tài)系統(tǒng)功能和質(zhì)量變化的重點(diǎn)區(qū)域［16］。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究使用了土地利用/覆蓋、增強(qiáng)型植被指數(shù)（Enhanced vegetation index，EVI）、氣象、NPP 和其他輔助數(shù)據(jù)（表1）。土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)集（China’s Land Use/Cover Dataset，CLUD）［22-23］。CLUD 由20 世紀(jì)80 年代末到2020 年每5 a生產(chǎn)的連續(xù)性數(shù)據(jù)庫，空間分辨率為30 m，主要由每個(gè)時(shí)段的Landsat TM/ETM+/OLI 和HJ-1A/1B影像通過人機(jī)交互目視解譯方法獲取，包含6 個(gè)一級土地利用/覆蓋類型和25 個(gè)子類型，其中二級類精度超過85%［22-23］。依據(jù)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)類型定義和內(nèi)蒙古高原生態(tài)系統(tǒng)分布狀態(tài)，分為農(nóng)田、草地、森林、荒漠和其他5個(gè)生態(tài)系統(tǒng)類型。

表1 數(shù)據(jù)源Tab.1 Data sources

遙感數(shù)據(jù)為Terra 衛(wèi)星的MOD13Q1 產(chǎn)品，時(shí)間和空間分辨率分別為16 d 和250 m。從下載的2000—2020 年數(shù)據(jù)產(chǎn)品中提取EVI 后，對覆蓋內(nèi)蒙古高原范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、投影轉(zhuǎn)換和裁剪等預(yù)處理，最終獲得研究區(qū)逐年16 d EVI數(shù)據(jù)。

NPP數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所［24］。該數(shù)據(jù)集是基于中分辨率成像光譜儀衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和氣象觀測數(shù)據(jù)，通過植被光合模型模擬得到。該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為500 m，本文選取2000—2021年NPP數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心的1 km分辨率中國逐月降水量和氣溫?cái)?shù)據(jù)集［25］，通過MATLAB 讀取nc 格式的2000—2020 年逐月氣象數(shù)據(jù)。通過重采樣，氣象數(shù)據(jù)空間分辨率與EVI保持一致?？紤]到研究區(qū)植被生長季主要集中在5—10月，因此選每年5—10月EVI和降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行植被干擾指數(shù)計(jì)算。

其他輔助數(shù)據(jù)包括城鎮(zhèn)人口、國內(nèi)生產(chǎn)總值（Gross domestic product，GDP）、草地植被類型、四大沙地邊界和行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)。城鎮(zhèn)人口和GDP 來自世界人口格網(wǎng)數(shù)據(jù)和中國GDP 空間化數(shù)據(jù)。草地植被類型和四大沙地邊界為矢量數(shù)據(jù)類型，分別來自資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心和中國北方沙漠與荒漠化圖集。內(nèi)蒙古高原1:1000000 行政區(qū)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自國家測繪中心。

1.3 城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)提取及其對生態(tài)系統(tǒng)影響評估

1.3.1 城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)用地提取本文定義的城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)用地包括城市用地、工礦用地和農(nóng)村居民點(diǎn)，在2000、2010 年和2020 年的CLUD 數(shù)據(jù)中提取。城市用地指大、中、小城市及縣鎮(zhèn)以上建成區(qū)用地；工礦用地主要指廠礦、大型工業(yè)區(qū)、油田、鹽場、采石場等用地以及交通道路、機(jī)場及特殊用地；獨(dú)立于城市用地以外的為農(nóng)村居民點(diǎn)［22-23］。采用疊加分析方法提取2000—2010 年、2010—2020 年和2000—2020 年城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)擴(kuò)張區(qū)。采用土地利用動態(tài)度法分析城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)擴(kuò)張速度以及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)擴(kuò)張過程中占用的生態(tài)系統(tǒng)面積及變化方向。

選取城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對周圍區(qū)域的影響時(shí)，在城市用地周邊建立5 km的緩沖區(qū)、農(nóng)村居民點(diǎn)周圍建立1 km的緩沖區(qū)，工礦用地依據(jù)面積大小分為小型和大型工業(yè)用地，分別建立了1 km（面積小于1 km2的工礦用地）和5 km（面積大于等于1 km2的工礦用地）的緩沖區(qū)［28］。該緩沖區(qū)建立法用于植被干擾指數(shù)的計(jì)算和城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響估算。

1.3.3 城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響估算評價(jià)城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)擴(kuò)張對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響時(shí)采用鄰域替代法［29］。假設(shè)在城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)外圍1 km和5 km內(nèi)氣候和植被生長條件基本相同，被城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)擴(kuò)張占用像元的潛在NPP 與周邊1 km 和5 km 范圍內(nèi)同種生態(tài)系統(tǒng)的平均NPP 相近似。因此，對t年到t+10 年之間新擴(kuò)張出現(xiàn)的城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)，將其被占用前生態(tài)系統(tǒng)類型與t+10年城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)外圍1 km 和5 km 內(nèi)相同生態(tài)系統(tǒng)的平均NPP 作為被城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)占用的生態(tài)系統(tǒng)潛在NPP（NPPpot）。通過將被城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)占用的潛在NPP（NPPpot）與t+10年所觀測到的實(shí)際NPP（NPPu&r）相減（NPPpot-NPPu&r），得到因城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)擴(kuò)張導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)NPP 損失（NPPloss）。對t年和t+10 年的NPP，以前后2 a 的均值進(jìn)行代替，如計(jì)算2010—2020 年NPP 損失時(shí)，2010 年的NPP 由2009—2011年的NPP 均值進(jìn)行代替，2020 年的NPP 由2019—2021年的NPP代替。

2 結(jié)果與分析

2.1 城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)的空間范圍和分布

近20 a，內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度顯著提升，城市用地、工礦用地和農(nóng)村居民點(diǎn)的擴(kuò)張面積和速度差異顯著（圖2、圖3）。2020 年內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)面積達(dá)到18206.49 km2，由2000 年占內(nèi)蒙古高原總面積的0.89%上升到2020 年的1.46%。20 a 間內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)建設(shè)擴(kuò)張面積達(dá)到7462.99 km2，占2000 年城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)總面積的67.44%。城市用地在2000—2010 年和2010—2020年2 個(gè)時(shí)期分別擴(kuò)張854.88 km2和872.71 km2，2020年城市用地占比上升4.72%，呈穩(wěn)定增長態(tài)勢。工礦用地?cái)U(kuò)張面積最大及速度最快，特別是2010—2020年擴(kuò)張顯著。20 a間工礦用地以222.94 km2·a-1的速度擴(kuò)張4458.90 km2，占內(nèi)蒙古高原總擴(kuò)張面積的59.76%，其中2010—2020年擴(kuò)張面積占36.02%，2020年工礦用地占比上升22.14%，工礦用地呈快速增長態(tài)勢。2000—2020 年農(nóng)村居民點(diǎn)擴(kuò)張面積最小，為1274.57 km2，占比下降26.86%，呈緩慢增長態(tài)勢。

圖2 2000—2020年內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)的空間分布格局Fig.2 Spatial distributions of urban and rural construction in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020

圖3 2000—2020年內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)擴(kuò)張面積和速度Fig.3 Area and speed of urban and rural construction expansion in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020

2000—2020 年內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)空間分布存在顯著差異，中部地區(qū)是城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)的集中分布區(qū)，城市用地?cái)U(kuò)張?jiān)谥胁康貐^(qū)分布廣，工礦用地?cái)U(kuò)張?jiān)谥胁亢臀鞑康貐^(qū)分布廣泛（圖2、圖3）。2000—2020 年中部地區(qū)城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)面積占內(nèi)蒙古高原總城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)面積的50%左右，2000年最多為53.02%，2020 年略下降4.34%。中部地區(qū)城市用地和工礦用地面積分別占內(nèi)蒙古高原總擴(kuò)張面積的11.92%和24.87%，主要以內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市、包頭市和河北省張家口市城市擴(kuò)張以及內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市、錫林郭勒盟工礦用地開發(fā)建設(shè)為主。2020 年西部地區(qū)工礦用地面積占內(nèi)蒙古高原總擴(kuò)張面積的26.39%，主要以內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市、烏海市、寧夏回族自治區(qū)銀川市、吳忠市和石嘴山市工礦用地?cái)U(kuò)張為主。

2.2 城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對不同生態(tài)系統(tǒng)的占用及干擾

分析城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對農(nóng)田、草地、荒漠、森林和其他5 類生態(tài)系統(tǒng)的占用干擾情況，其中草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步劃分為草甸草原、典型草原和荒漠草原3類。2000—2020年城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)占用的生態(tài)系統(tǒng)類型中農(nóng)田比例最大，達(dá)到45.02%（3360.06 km2），其中22.46%和12.50%被農(nóng)村居民點(diǎn)和城市用地占用。草地生態(tài)系統(tǒng)被城鄉(xiāng)建設(shè)占用面積為2251.64 km2，其中典型草原面積占15.70%。工礦用地占用草地生態(tài)系統(tǒng)的面積占比約21.74%，典型草原占比11.33%。城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)占用荒漠生態(tài)系統(tǒng)的面積為982.21 km2，其中工礦用地占用面積占比88.49%（圖4a、表2）。

表2 2000—2020年內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)用地類型擴(kuò)張對生態(tài)系統(tǒng)的影響Tab.2 Impacts of different types of urban and rural construction land expansion on ecosystems in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020 /km2

圖4 2000—2020年內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對不同生態(tài)系統(tǒng)的影響Fig.4 Impacts of urban and rural construction on different ecosystems in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020

內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)的影響不僅限于占用生態(tài)系統(tǒng)斑塊，而且進(jìn)一步擴(kuò)展至向外更廣的范圍。2020 年內(nèi)蒙古城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)干擾總面積達(dá)11474.07 km2，農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)受到的干擾多，分別占受干擾總面積的39.85%和31.82%，其次為荒漠生態(tài)系統(tǒng)，占比為12.55%（圖4b）。城市用地和農(nóng)村居民點(diǎn)干擾農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，主要是對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的直接占用，對其他生態(tài)系統(tǒng)類型的干擾均小于5%（表2）。自然生態(tài)系統(tǒng)類型受城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)干擾的總面積達(dá)到5806.37 km2，其中典型草原受干擾面積最大，其次是荒漠、荒漠草原、森林和草甸草原。工礦用地對自然生態(tài)系統(tǒng)植被干擾面積最大，干擾面積達(dá)到3962.97 km2，其中典型草原、荒漠和荒漠草原分別占11.22%、9.60%和7.25%。

2.3 城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響

內(nèi)蒙古高原人類城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度不斷提升導(dǎo)致植被生產(chǎn)力銳減。2000年以來，內(nèi)蒙古高原因城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致的NPP 損失顯著，總量達(dá)到143.51×104tC，2010—2020 年損失是2000—2010 年的1.13倍（圖5）。工礦用地?cái)U(kuò)張是NPP損失的主要原因，此類損失占20 a來內(nèi)蒙古高原總NPP 損失的67.71%，并且由2000—2010 年的60.72%增加到2010—2020年的73.91%。相比之下，城市用地和農(nóng)村居民點(diǎn)造成的NPP損失具有減少趨勢。

圖5 2000—2020年內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致的NPP損失量Fig.5 NPP loss of urban and rural construction in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020

不同生態(tài)系統(tǒng)類型中，因城鄉(xiāng)建設(shè)擴(kuò)張導(dǎo)致的NPP 損失差異顯著，草地和農(nóng)田損失較多，但2010—2020年農(nóng)田被占用的NPP損失有所緩解，而草地NPP 損失在加?。▓D6）。相比2000—2010 年，2010—2020年內(nèi)蒙古高原農(nóng)田NPP損失減少最多，由2000—2010 年的18.05×104tC 減少到5.38×104tC，其次為森林和其他生態(tài)系統(tǒng)，分別減少了0.96%和1.53%。然而，同時(shí)期草地和荒漠的NPP 損失在增加，分別增加了16.23×104tC和5.96×104tC。

圖6 2000—2020年內(nèi)蒙古高原不同生態(tài)系統(tǒng)NPP損失量Fig.6 NPP loss of different ecosystems in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020

2000—2020 年工礦用地?cái)U(kuò)張是自然生態(tài)系統(tǒng)NPP損失的主要原因，此類占比由2000—2010年的43.57%增加到2010—2020 年的66.01%，其中在典型草原的損失顯著（圖6）。相比2000—2010 年，2010—2020 年工礦用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致的典型草原NPP損失增加了2.40 倍。2010—2020 年工礦用地占用草甸草原、荒漠草原、森林和荒漠生態(tài)系統(tǒng)NPP 損失均增加，相比之下，工礦用地占用農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP損失減少了4.61×104tC。

2.4 內(nèi)蒙古高原四大沙地城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)狀況及生態(tài)系統(tǒng)的影響

2000年以來，內(nèi)蒙古高原四大沙地城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)主要以工礦用地?cái)U(kuò)張為主，對區(qū)域植被生產(chǎn)力產(chǎn)生影響。然而，城市綠化導(dǎo)致城市周邊生態(tài)系統(tǒng)NPP 略有增加。2000—2020 年四大沙地城鄉(xiāng)建設(shè)擴(kuò)張面積為389.51 km2，占內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)建設(shè)擴(kuò)張面積的5.22%，其中工礦用地?cái)U(kuò)張面積占3.62%（圖7a）。沙地城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對植被的干擾面積為527.47 km2（圖7b），NPP 損失達(dá)到6.26×104tC（圖7c），是內(nèi)蒙古高原總NPP損失的4.36%。工礦用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致的NPP 損失量達(dá)到5.40×104tC，是四大沙地總NPP損失的86.26%。相反，城市用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致NPP 略增加了0.07×104tC，與城市綠化有關(guān)。相比沙地原有灌叢和低矮草地，城市建成區(qū)綠地樹種生物量積累能力較強(qiáng)，并在精細(xì)的人工管理下，使NPP顯著高于擴(kuò)張之前。

圖7 2000—2020年四大沙地城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)對生態(tài)系統(tǒng)的影響Fig.7 Impacts of urban and rural construction on ecosystem in four sandy lands from 2000 to 2020

四大沙地的城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對植被生產(chǎn)力的影響差異顯著，在毛烏素沙地最強(qiáng)，其次是呼倫貝爾沙地，渾善達(dá)克沙地和科爾沁沙地受到的負(fù)面影響較小。近20 a，毛烏素沙地城鄉(xiāng)建設(shè)擴(kuò)張面積為222.50 km2，其中工礦用地占83.03%，導(dǎo)致的NPP損失量為4.08×104tC。呼倫貝爾沙地和渾善達(dá)克沙地工礦用地?cái)U(kuò)張分別為44.38 km2和35.77 km2，但呼倫貝爾沙地NPP 損失量是渾善達(dá)克沙地NPP 損失量的1.76 倍。科爾沁沙地因人工開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致的NPP增加了0.20×104tC。

3 討論

3.1 21 世紀(jì)以來內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)活動持續(xù)增強(qiáng)

21世紀(jì)以來，內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度不斷提升，城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)面積占比由2000 年的0.89%上升到2020 年的1.46%，以工礦用地?cái)U(kuò)張為主。資源分布、社會經(jīng)濟(jì)要素和相關(guān)政策是城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)布局和變化的決定性因素［27,30］。內(nèi)蒙古高原煤炭、稀土和鐵礦等資源富集，采礦業(yè)的發(fā)展帶動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的增長［17,27,31］。同時(shí)，內(nèi)蒙古高原城鎮(zhèn)人口增幅由2000 年的42.70%增加到2020 年的67.48%，城市化進(jìn)程中吸納的大量外來勞動力對城市基礎(chǔ)設(shè)施的需求增大，因此推動各類建設(shè)用地?cái)U(kuò)張。20 a 間內(nèi)蒙古高原GDP 增加了11.30 倍，其中煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與全區(qū)GDP具有密切相關(guān)。2000年以來，國家相繼出臺了“西部大開發(fā)”“中部崛起”等區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，同時(shí)內(nèi)蒙古自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)、河北省和甘肅省依托資源優(yōu)勢編制區(qū)域發(fā)展政策推動城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)。如內(nèi)蒙古自治區(qū)2011年和2016年編制的“內(nèi)蒙古自治區(qū)煤炭工業(yè)‘十二五’發(fā)展規(guī)劃”和“內(nèi)蒙古自治區(qū)能源發(fā)展‘十三五’規(guī)劃”對烏海市、鄂爾多斯市、錫林郭勒盟、呼倫貝爾市和阿拉善油氣田產(chǎn)能的加大開發(fā)建設(shè)具有重要意義。城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)下的土地利用/覆蓋變化過程明顯，本研究評估其對陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響，有利于深入理解內(nèi)蒙古高原生態(tài)脆弱地區(qū)人類活動對生態(tài)系統(tǒng)功能和質(zhì)量變化的驅(qū)動效應(yīng)。并且，本研究在大尺度范圍明晰區(qū)域人類城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)活動進(jìn)程及生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力變化，對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、我國北方生態(tài)屏障的建設(shè)具有重要意義。

3.2 內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)活動削弱了自然生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田NPP

內(nèi)蒙古高原的溫帶草原是瀕危的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型，易受人類活動影響而嚴(yán)重退化［32］。本研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)建設(shè)占用了大面積的自然和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，與已有研究結(jié)論相近［27,30-31］。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)城市用地和農(nóng)村居民點(diǎn)主要占用和干擾農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，工礦用地主要影響自然生態(tài)系統(tǒng)。因此，應(yīng)針對不同的人類城鄉(xiāng)建設(shè)活動調(diào)整用地方案，在整體上加強(qiáng)北方生態(tài)屏障的生態(tài)系統(tǒng)功能和質(zhì)量。

隨著內(nèi)蒙古高原人類城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)活動不斷加速，脆弱生態(tài)環(huán)境、糧食產(chǎn)量逐漸受到嚴(yán)重影響，直接的體現(xiàn)是NPP的損失在不斷增加［33-35］。人類城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)活動使區(qū)域內(nèi)土地功能發(fā)生轉(zhuǎn)變、景觀破碎化，同時(shí)對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力具有負(fù)效應(yīng)［9-10］。近20 a，人類城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)活動擴(kuò)張導(dǎo)致的NPP 損失量達(dá)到143.51×104tC，其中工礦用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致的NPP 損失占比達(dá)到67.71%，在2010 年以后更加劇烈。采礦開發(fā)導(dǎo)致的自然生態(tài)系統(tǒng)NPP損失增加，而2010年以后農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP損失有所緩解，這可能是在《基本農(nóng)田保護(hù)條例》基礎(chǔ)上，2010—2012年內(nèi)蒙古高原自治區(qū)建立基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫，把農(nóng)田納入全國農(nóng)田質(zhì)量等級系統(tǒng)有關(guān)。城市擴(kuò)展一方面直接占用外圍生態(tài)系統(tǒng)導(dǎo)致NPP 減少并威脅區(qū)域糧食產(chǎn)量［33-34］，另一方面城市綠化使NPP 有所增加［20］。綜上所述，內(nèi)蒙古高原快速城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)過程中應(yīng)注意區(qū)域產(chǎn)草量的潛在影響，防止其對區(qū)域畜牧業(yè)發(fā)展造成負(fù)面影響。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，至2020年四大沙地生態(tài)環(huán)境狀況改善面積達(dá)到2.27×104km2，退耕還林還草等防沙治沙工程取得顯著成效［36］。然而，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致沙地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)［16］。為探索內(nèi)蒙古高原NPP 損失的驅(qū)動因子，以四大沙地為例，采用逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，2000—2020 年NPP 受氣溫和高程等自然因素的影響在逐漸減弱（P＜0.001）。然而，降水量的影響逐漸增加，同時(shí)人類活動對內(nèi)蒙古高原NPP變化的影響力可能在加劇，特別是2020年GDP的影響開始增加（圖8）。在內(nèi)蒙古高原四大沙地范圍內(nèi)人類活動和自然因素的交互作用加強(qiáng)的結(jié)論類似［37］。此外，GDP 對NPP 的變化具有正面效應(yīng)（P＜0.001），這可能與生態(tài)環(huán)境治理工程的實(shí)施具有密切相關(guān)，體現(xiàn)了現(xiàn)有生態(tài)工程在改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和功能方面的積極作用［38-39］。雖然城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)面積遠(yuǎn)小于生態(tài)環(huán)境工程改善的沙地面積，但對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)NPP 的影響不容忽視，未來需要加強(qiáng)內(nèi)蒙古高原生態(tài)系統(tǒng)NPP對人類城鄉(xiāng)建設(shè)活動的響應(yīng)研究。

圖8 內(nèi)蒙古高原四大沙地NPP與影響因子間的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)Fig.8 Standardized coefficients between NPP and influencing factors in four sandy lands of Inner Mongolia Plateau

綜上所述，本研究結(jié)果對內(nèi)蒙古高原人類城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)活動監(jiān)測和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的科學(xué)評估提供了實(shí)踐意義。同時(shí)，研究結(jié)果可為城鄉(xiāng)建設(shè)活動開發(fā)、土地利用效率和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等相關(guān)研究提供科學(xué)依據(jù)。然而，內(nèi)蒙古高原作為中國北方重要生態(tài)安全屏障、干旱/半干旱地區(qū)的組成部分，面臨著城鎮(zhèn)化持續(xù)加速、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)退化等多重挑戰(zhàn)，需要綜合地開展生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力變化的驅(qū)動因素綜合研究，以明晰制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的限制因素并予以應(yīng)對。

4 結(jié)論

（1）2000—2020年內(nèi)蒙古高原城鄉(xiāng)建設(shè)擴(kuò)張面積達(dá)到7462.99 km2，擴(kuò)張面積占2000年城鄉(xiāng)開發(fā)建設(shè)總面積的67.44%，城市擴(kuò)展和工礦開發(fā)強(qiáng)度顯著提升。2000—2020 年城市和農(nóng)村用地主要占用農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，工礦用地主要占用草地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)，典型草原受到的干擾面積最大。

（2）2000—2020 年內(nèi)蒙古高原約2/3 的NPP 損失由工礦用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐?，中西部地區(qū)尤為顯著，2010—2020 年農(nóng)田NPP 損失顯著減少，而草地NPP損失在增加。未來應(yīng)關(guān)注城鄉(xiāng)建設(shè)（特別是工礦用地）擴(kuò)展對區(qū)域糧食產(chǎn)量和畜牧業(yè)發(fā)展的影響，針對不同的生態(tài)系統(tǒng)類型，應(yīng)調(diào)控城鄉(xiāng)建設(shè)擴(kuò)張的形式和規(guī)模，減小生態(tài)系統(tǒng)受到的干擾強(qiáng)度，保障北方屏障區(qū)的生態(tài)安全和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。