半干旱区生态恢复关键生态系统识别——以内蒙古自治区和林县为例

彭 羽，高 英，冯金朝，王德智，姚 森，刘 洋，薛达元，3，*

(1.中央民族大学生命与环境科学学院，北京100081;2.大自然保护协会，北京100600;3.环保部南京环境科学研究所，南京210042)

我国土地退化面积占国土面积的57%，尽管部分改善，但总体继续退化［1-3］。土地退化集中于天然草地退化和非农建设占用，占66.27%［1］。我国草地面积广阔，约占国土面积的1/3以上，其中约50%—60%的天然草地存在着不同程度的退化现象［2］。草地退化主要表现为草地质量下降，生态服务功能下降和生态承载力降低。

土地退化主要发生在我国干旱、半干旱地区［1，4］。我国半干旱区生态系统类型多为典型草原，也分布有森林、灌丛等生态系统。而且，同一区域生态系统类型空间分布的差异也较大，例如，典型草原生态系统就包括丛生禾草草原、蒿类草原、灌丛化草原、湿生草甸草原、盐生草甸草原等十多种不同类型。且不同生态系统类型的优势种也不同。半干旱地区需要进行生态恢复，恢复为何种生态系统类型，是生态恢复成功与否的关键，受到多个方面的关注。本文尝试采用生态功能区划的方法，通过不同生态功能区主体生态系统服务功能的分析，在县域尺度上识别区域生态恢复的关键生态系统类型。

1 研究区概况

和林县地处内蒙古自治区中部，隶属呼和浩特市，位于呼市南部。区域范围在东经110°26'52″—112°18'11″，北纬39°58'11″—40°41'31″。南北长80.1 km，东西宽72.9 km，辖地面积3401 km2。全县人口18.7万人，蒙古族0.76万人，其他少数民族0.17万人。全县辖四个乡、三个镇、两个经济园区。2010年底全县GDP达到130亿元，第一、二、三产业结构比为11∶64∶25。现代农业快速发展，形成了乳、肉、薯、沙棘和柠条四大优势特色产业。农民年人均纯收入8100元，地方年财政收入13.2亿元。

和林县地处土默特平原向东南部晋西北黄土丘陵和蛮汉山脉过渡地带。东南部山丘密布，沟壑纵横，西南部丘陵起伏，西北部系平原区。气候属于中温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温5.6℃，≥10℃积温2769℃，无霜期118 d，年均降水量417.57 mm，植物生长期6—8月份的降水量占全年降水量的59.3%。该县多为黄土地貌，沟谷纵横，河流切割作用明显，南部山地土层瘠薄，该县属于生态脆弱区，植被退化，水土流失严重。

2 研究方法

关键生态系统类型识别主要分为三步:(1)根据国家生态功能区划中对和林县主要功能的定位以及生态敏感性、生态服务功能等因子，结合气候变化模型，确定和林县生态功能分区;(2)根据和林县生态功能区划图，分析各生态功能区的主体生态系统服务功能，推导发挥此功能的可能生态系统类型;(3)与该县全国自然植被区划图、气候变化下植被类型图进行叠加分析，通过与现状植被图的对比，识别关键生态系统类型。

生态功能区划一级、二级分区方法，以及生态敏感性、生态服务功能重要性评价采用国务院西部地区开发领导小组办公室、国家环境保护部颁布的《生态功能区划技术暂行规程》(2002)。各因素权重采取文献参考、专家咨询、内部讨论后确定。

该县土壤类型、地貌、降水量、行政区划、DEM数据来源于全国基础地理信息数据库，并经现场调查核准。植被现状图来源于植被遥感图解译。遥感图来源于2004年7月LandsatTM遥感影像，并经野外调查取样验证，野外调查样点163个随机分布全县，kappa验证指数90%。植被区划图来源于《中国植被区划》［5］。植被气候变化模型来源于课题组气候变化小组。将获取的数据在ArcGIS10平台下，进行数据提取、地理配准、格式转换、精度匹配，建成数据库，对数据进行字段编辑、叠加分析、空间分析等处理。

3 生态功能区划

3.1 一级生态区分区方案

将全国生态功能区划图、地形地貌图叠加，划定一级生态区。一级区划主要考虑区内气候特征的相似性与地貌单元的完整性。在中国气候分布图上，全县都属于半干旱中温带。和林县地貌明显分为3种类型:平原、黄土粱峁和山地丘陵。在全国生态功能区划中，和林县大部分为阴山南部农田-草原复合生态功能区，小部分位于土默特平原灌溉农业生态功能区，东南部小部分位于山地森林-灌丛涵养水源土壤保持及生物多样性保护生态功能区。由此，和林县一级生态区分为三类:西北部平原灌溉农业生态区，中部黄土丘陵农田、草原复合生态区，东南部山地森林、灌丛水源涵养土壤保持生态区。

3.2 二级生态区分区方案

在一级生态区内，分析主要生态功能和生态问题，对生态功能和生态问题相同的区域进行归类，得到二级生态区:即生态功能区。此外，边界的确定还综合考虑了山脉、河流等自然特征以及行政边界的完整性，以便于对各功能分区的管理和建设。针对半干旱区实际情况，主要生态问题是土壤侵蚀敏感性和沙漠化敏感性。

3.2 .1生态敏感性分析

生态敏感性是指生态系统对各种环境变异和人类活动干扰的敏感程度，它反映生态系统遇到干扰时发生生态环境问题的难易程度和可能性大小，或者是在同样的外来干扰强度下，生态系统产生生态问题的可能性大小。

生态敏感性的计算公式为:

式中，SSj为j空间单元生态敏感性指数;Ci为i因素敏感性等级值，Wi为i因素的权重。生态敏感性指数越大，说明该区域对外界干扰越敏感，容易发生生态退化问题。

土壤侵蚀敏感性指数计算的因素及权重见表1。

表1 和林县土壤侵蚀敏感性指数评价的组成因素及分值Table 1 Ingredient and its score for soil erosion sensitivity assessment in Helin County

续表

和林县土壤侵蚀敏感性空间分布图(图1)表明，土壤侵蚀敏感性较高的地区位于县域中部的城关镇、黑老夭乡，南部的羊群沟乡。

土地沙漠化敏感性用湿润指数、土壤质地及植被覆被等影响因素来评价。基于全球气候变化考虑，将该区域未来50、100a气候变化预测数值考虑在内，构建沙漠化敏感性评价的指标体系(表2)。各因素综合计算，得到土地沙漠化敏感性分布图(图2)。根据土地荒漠化分布图可以发现，和林县沙漠化高敏感区分布较为集中，均位于黄土坮塬和黄土粱峁地区，而敏感性低的地区集中分布于黑老夭山区、浑河干流两侧及支流部分;东南部浅山丘陵区沙漠化敏感性也较低;其他地区生态敏感性中等。

3.2 .2生态系统服务功能评价

生态系统保护重要性评价。有4类生态系统具有重要的保护价值:优势地带性生态系统、特殊的非地带性植被、只在中国分布的特有生态系统类型、国家珍稀濒危物种栖息地。生态区的优势生态系统往往是该地区气候、地形与土壤特征的综合反映，体现了植被与动植物物种地带性分布特点。和林县符合该类要求的优势生态系统类型为温带典型草原。特定生态系统类型通常能反映地区的非地带性气候地理特征，体现非地带性植被分布与动植物的分布，为动植物提供栖息地。和林县主要的非地带性植被为针阔叶混交林生态系统。和林县无其他两类具有重要保护价值的生态系统。据此分析，和林县生态系统保护重要性评价见图3。

图1 和林县土壤侵蚀敏感性空间分布图Fig．1 Map of soil erosion sensitivity in Helin County

表2 和林县土地沙漠化敏感性指数评价的组成因素及分值Table 2 Ingredient and its score for land desertification sensitivity assessment in Helin County

图2 和林县考虑气候变化的土地沙漠化敏感性分布图Fig．2 Map of land desertification sensitivity considering climatic change in Helin County

图3 和林县生态系统保护重要性空间分布图Fig．3 Map of ecosystem protection importance in Helin County

水源涵养重要性评价。区域水源涵养的生态重要性在于该区域对整个评价地区水资源的贡献程度及洪水调节作用。本文采用降水汇集量来评价各个小流域对和林县水资源贡献的重要性。首先，计算河流累计汇集量，提取和林县河流网络。其次，对和林县进行流域分割。小流域是一个降水汇集单元，该单元的降水将汇集到区域内河流内，由区域的一个共同排水口流出。对流域进行分割，便于确定各个流域的降水汇集量大小。和林县小流域可以分割为209个区域。最后，对各个小流域按照降水汇集量进行分级，得到结果见图4。

将和林县生态系统保护重要性评价图、和林县小流域重要性分级图进行归一化处理，便于二者累加计算生态系统服务功能。二者高值为1，低值为0，权重均为0.5.图5中的一个图层为二者经过计算得到的和林县生态系统服务功能重要性空间分布图。

3.3 .3二级生态区分区结果

二级生态区的划分，主要基于生态敏感性和生态服务功能重要性的分析。将和林县土壤侵蚀敏感性空间分布图、土地沙漠化敏感性空间分布图、生态系统服务功能重要性空间分布图各分为高、中、低三类，然后3个图层进行叠加(图5)，便于划分二级生态区。

二级生态区边界划分原则:(1)以每个一级生态区为单位;(2)以生态评价分值高的类型作为边界;(3)生态评价分值接近、生态问题相同的小区划分为相同的二级区;(4)综合考虑山脉、河流等自然特征以及行政边界的完整性。由此原则划分出11个二级生态区(图6)。

图4 和林县水土保持重要性空间分布图Fig．4 Map of water and soil conservation importance in Helin County

4 待恢复关键生态系统识别

生态功能区生态系统服务功能的发挥，需要该生态功能区具有能够发挥此功能的生态系统类型。由区域气候、地形地貌等生态条件决定的，天然条件下能够存在的此类生态系统类型是该生态功能区的关键生态系统。然而，由于人为活动的干扰，现状生态系统类型不一定就是该区域的关键生态系统类型。因此，需要进行生态系统识别，识别各个生态功能区发挥主体功能的关键生态系统类型。

关键生态系统识别的原则:(1)能够发挥生态功能区主体生态系统功能;(2)能够在当地自然生态条件下存在与发展;(3)以生态功能区为单位进行关键生态系统识别。关键生态系统识别的步骤:(1)根据和林县生态功能区划图，确定各生态功能区的主体生态系统服务功能;(2)推测发挥此种功能的生态系统类型;(3)根据全国植被区划、现状植被调查以及气候变化条件下植被变化，确定关键生态系统类型;(4)通过与现有植被图的对比，发现需要进行生态恢复和保护的区域。

根据《全国生态功能区划》，和林县位于三种类型生态功能区:大部分为阴山南部农田-草原复合生态功能区，小部分位于土默特平原灌溉农业生态功能区，东南部小部分位于蛮汉山山地森林-灌丛涵养水源土壤保持及生物多样性保护生态功能区。据此，和林县主体生态功能可以按照一级生态区分为3种:农产品提供、土壤保持、水源涵养土壤保持及生物多样性保护。

分析和林县生态功能区划中二级生态功能区的主体功能(表3)，进一步分析发挥此项生态系统功能的生态系统类型。一般而言，生态系统发挥着多种生态服务功能，其中有主要的服务功能类型，也有次要的服务功能类型。按照生态系统服务功能理论，针对和林县自然气候条件，发挥农产品提供的主要为一年一熟粮食作物及耐旱经济作物，因其处于防风固沙区，所以建成的生态系统类型应当为具有农田防护林的农田生态系统。发挥土壤保持功能的生态系统类型首先是森林生态系统，其次为灌丛生态系统，再次为草原生态系统。发挥水源涵养与生物多样性保护的关键生态系统类型为温带阔叶林、温带针叶林，部分地区为温带落叶灌丛。尚需根据不同二级生态区的自然植被类型、气候变化趋势，识别出具体类型。根据以上原则，识别出关键生态系统类型，识别结果见表3最后一列。

5 需要进行生态恢复区域的分析

分析现状植被生态系统类型分布图，将现状植被类型图与识别出来的关键生态系统类型进行对比，二者有差异的地方，为可能需要进行生态恢复的区域。

待生态恢复区域判定的原则为:(1)以二级生态功能区为单位进行分析;(2)现状植被类型符合识别出来的关键生态系统类型之一，即为符合要求的生态系统类型;现状生态系统类型与任一关键生态系统类型都不相同的区域作为待生态恢复区域;(3)按照气候变化趋势，不能自然恢复为关键生态系统类型的区域为待生态恢复区域;(4)土地利用现状是农田，但是如果位于生态敏感性很高的区域，则划为生态恢复区。按照此原则，判定待生态恢复区。待生态恢复区再减去河流、水库、人工与居民用地、公共设施用地，剩下的地区即为生态恢复区(图7)。

图5 和林县侵蚀敏感性、沙漠化敏感性、生态服务功能重要性叠加示意图Fig．5 Map of ecological sensitivity in soil erosion，desertification and ecosystem service importance in Helin County图中两位数字分别代表生态敏感性和生态系统服务功能重要性等级

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6 结论与讨论

和林县地处黄土高原北缘，土壤侵蚀敏感性、沙漠化敏感性较高，风沙干旱、水土流失是该县面临的主要生态问题。和林县生态恢复的目的就是恢复其生态系统服务功能。根据和林县生态系统要发挥的主体功能:土壤保持、农产品提供、水源涵养与生物多样性保护，本文分析了其不同生态功能区要生态恢复的关键生态系统类型，并与生态系统分布现状进行对比，识别需要进行生态恢复的地区。

生态恢复，并不是要恢复50a甚至1000a前的生态系统，而是要采取措施，重建生态系统结构，使生态系统发挥该区域生态条件下健康的生态系统服务功能［6-8］。生态恢复所要恢复的植被类型，实际上是一种潜在植被类型。潜在植被作为一种与所处立地条件达到的动态平衡态，反映的是无人类干扰的情况下，立地所能发育形成的一种稳定成熟的顶极或亚顶级植被类型，对本地区植被生态的恢复和重建具有重要的指导意义［8-10］。

潜在植被类型的识别，有不同的研究方法。有学者利用气候、土壤、光照等条件，模拟干旱、半干旱区潜在植被类型，将潜在植被分为阿拉善高原、鄂尔多斯、呼伦贝尔、浑善达克、锡林郭勒等地域植被类型［11］。但是这种模拟植被类型往往尺度较大，难以指导县域植被生态恢复。张厚华等［12］根据不同的生物气候状况，将黄土高原分成5个生物气候区:暖温带湿润半湿润森林区、暖温带半湿润半干旱森林草原区、中温带半干旱典型草原区、中温带干旱半干旱荒漠草原区以及中温带干旱草原化荒漠区，计划在不同的生物气候区构建与该区大环境一致的不同的生态系统，以改变那种在黄土高原全面植树造林而成效不佳的做法。也有学者根据全国水土保持一级区，以及干燥度、人口密度等指标，将全国划分为4个一级生态修复区、13个二级生态修复区［13］。该生态恢复主要从水土保持目的出发，偏重植被生态恢复的水土保持功能。有学者指出，县域植被生态恢复建设，需要符合国家主体功能区规划对该县的定位要求［14］，将植被生态恢复与区域经济社会布局结合起来，并从引导过载人口外迁、提高农民生活水平和生态得到持久恢复等方面为生态恢复提供政策保障。

图6 和林县生态功能区区划图Fig．6 Map of ecological function zoning of Helin County

图7 和林县发挥主体生态系统服务功能需要进行生态恢复的区域Fig．7 The key restored zone for serving main ecosystem service function in Helin County

本文在前人研究的基础上，采用生态功能区区划的方法，根据各个生态功能区的主体生态系统服务功能、主要生态问题和植被现状，结合全国植被区划，确定需要恢复的关键生态系统类型。生态功能区分区的过程也考虑了生境特征、生态过程、生态系统服务功能等多种诊断指标，符合生态恢复诊断的多指标原则［15］。根据本文提出的技术路线和关键生态系统识别方法，识别出关键生态系统类型，和林县待生态恢复区主要位于城关镇和黑老夭乡结合部，舍必崖乡和羊群沟乡结合部。致谢:大自然保护协会(TNC)马剑、王龙柱博士等对气候变化数据处理提供帮助，中国科学院生态环境研究中心陈利顶研究员对研究技术路线给予指导，和林县政府对数据调研提供支持，内蒙古师范大学生命科学与技术学院哈斯巴根教授、贺俊英副教授、中央民族大学生命与环境科学学院石莎副教授及部分研究生参与野外植被调研，特此致谢。

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