锡林郭勒盟生态系统格局演变及驱动因素分析

刘亚红，石磊，常虹，谢宇，维拉，孙海莲，翟琇

（内蒙古农牧业科学院，内蒙古呼和浩特010030）

生态系统是人类赖以生存和发展的基础，人类在向生态系统攫取资源的同时也在影响着生态系统的格局和质量。而生态系统格局与质量直接影响生态系统服务功能的变化，研究生态系统格局和质量时空变化对于生态保护、实现生态资源可持续发展具有重要意义。相比生态系统质量变化，生态系统类型的变化（或土地覆盖/利用变化）更容易引起察觉和重视；而生态系统质量的变化是隐性的、渐进的，不易察觉，并且涉及范围更广，从而可能对生态系统稳定性、生态系统功能和生态系统服务产生更大影响［1］。所以，通过分析导致生态系统格局与质量时空动态演变的驱动力因素［2-3］，有助于量化分析已有生态保护和生态恢复政策措施实施的具体效果［4］，能够为今后的区域生态保护和生态恢复政策研究、城市发展战略制定提供可靠的科学依据［5］。傅伯杰［6］指出生态系统服务受土地利用类型的影响，并对不同的土地利用类型、土地利用格局变化和不同利用强度3 个方面引起的生态系统服务变化进行分析。

锡林郭勒盟位于内蒙古中部地区，是我国北部生态安全屏障的核心部分，也是重要的畜产品生产基地和距京津冀地区最近的草原牧区，因其国家级草原自然保护区闻名全国。与此同时，锡林郭勒盟生态环境十分脆弱，人类活动对土地利用、生态环境特征演变的影响成为研究热点问题。2000 年以来，锡林郭勒盟实施了一系列生态工程，草地退化态势得到缓解和遏制［7-8］。

本试验通过研究锡林郭勒盟2000-2015 年生态系统格局和质量变化，探讨资源开发、城市化发展、社会经济发展与生态保护政策等多重驱动因素对生态系统演变规律的具体作用，为生态系统恢复、生态系统质量提高、中国北部地区的生态屏障构建提供可信的科学数据和可实施的政策建议。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

锡林郭勒盟（简称锡盟）位于内蒙古自治区中部，42°32′-46°41′N，111°59′-120°00′E（图 1）。总面积20.26 万km2，边境线长1103 km；距北京直线距离460 km，锡盟是典型的草原分布区，是京津冀地区重要的水源涵养地。锡盟地处中温带干旱半干旱大陆性季风气候带，南部有中国十大沙地之一的浑善达克沙地。东北部的乌拉盖草原是世界上保存最完好的天然草原。锡盟气候寒冷、风沙大、少雨。大部地区年平均气温在0～3 ℃，年降水量大部分地区200～350 mm，全年蒸发量1700～2600 mm。

图1 锡林郭勒盟地理位置Fig.1 Location of Xilingol League

1.2 数据来源

锡林郭勒盟土地利用数据来源于中国科学院生态环境研究中心，NDVI 数据通过MODIS 影像反演得到，气象数据来源于内蒙古自治区气象局。人口、牲畜数量、国内生产总值等数据来源于《内蒙古统计年鉴》。

1.3 锡林郭勒盟生态系统分类

锡林郭勒盟生态系统分类以全国生态环境调查评估的生态系统分类体系为标准，根据锡林郭勒盟的生态系统特征分为采矿用地、草地、耕地、灌木林、建设用地、裸地、其他、沙漠、湿地、水域、有林地等11 类［9-10］。

1.4 研究方法

1.4.1 生态系统类型面积比例 锡林郭勒盟生态系统类型的面积比例由生态系统分类系统中各种类型生态系统面积（Sij）占总面积的比例得到［11］。

式中：Lij代表土地利用类型中第i类生态系统第j年的面积比例；Sij代表生态系统类型中第i类生态系统在第j年的面积；LS代表研究区域的总面积。

1.4.2 生态系统类型变化的转移矩阵分析 对锡林郭勒盟2000 和2015 年两个年份的生态系统类型组成变化、转变方向及转变数量进行转移矩阵比对分析。

式中：i代表锡林郭勒盟2000 年生态系统类型；j代表锡林郭勒盟2015 年生态系统类型；cij代表生态系统类型的面积；Cij代表 2000 年第i类生态系统 2015 年转变为j类生态系统的比例；Dij代表 2000 年的第i类生态系统 2015 年转变为j类生态系统的比例；Rij代表生态系统类型转变方向。

1.4.3 生态系统质量评估方法 锡林郭勒盟生态系统质量通过分析生态系统地上生物量和植被覆盖度数据，计算锡林郭勒盟相对生物量密度，得到森林、灌丛和草地生态系统的质量。通过对比锡林郭勒盟2000 和2015 年森林、灌丛和草原生态系统质量的时空变化趋势，确定锡林郭勒盟生态系统质量改善与退化显著的区域空间分布特征［12-13］。

锡林郭勒盟森林、灌丛生态系统质量评价采用基于像元的相对生物量密度方法。草地生态系统通过植被覆盖度进行评估，其中净初级生产力（net primary productivity，NPP）通过CASA 模型推演得到［14］。

式中：i代表i像元数量；RBDij代表j类生态系统i像元的相对生物量密度；Bij代表j生态系统i像元生物量；CCBj代表j类生态系统顶级群落每像元的生物量，运用生态系统长期定位观测数据或样地调查数据。

式中：Fc代表植被覆盖度；NDVI为植被覆盖指数，通过锡林郭勒盟遥感影像近红外波段与红光波段的发射率计算得到；NDVIveg代表纯植被像元的NDVI值；NDVIsoil代表完全无植被覆盖像元的NDVI值。

1.5 驱动力分析

锡林郭勒盟生态系统格局与质量变化的驱动力包括自然因素和人为活动，自然因素主要探讨气候驱动力，考虑温度、降水对生态系统格局和质量变化的影响；人为活动主要考虑产业结构、人口、城市扩张、城镇化、政策法规等因素［15］。

2 结果与分析

2.1 生态系统分布与构成

2015 年，锡林郭勒盟草地面积1728.76 万hm2，约占锡盟总面积的86.15%，是锡林郭勒盟最大的生态系统类型（表 1）。其中典型草原 1618.69 万 hm2，草甸草原 38.95 万 hm2，荒漠草原 71.12 万 hm2。农田生态系统 43.08 万hm2，约占全盟面积的 2.15%，其中旱地 42.86 万 hm2，园地 0.22 万hm2；灌丛生态系统 44.78 万 hm2，约占全盟面积的2.23%；沙漠生态系统50.74 万hm2，约占全盟面积的2.53%；湿地生态系统43.39 万hm2，约占全盟面积的2.16%；采矿用地、森林生态系统、城镇生态系统、裸地等类型累计占锡林郭勒盟总面积的3%左右。从空间分布上看，草原生态系统是面积最大的生态系统，覆盖锡林郭勒盟大部分地区，农田生态系统主要集中在南部地区，森林生态系统集中在东北部地区（图2）。

表1 2015 年锡林郭勒盟生态系统构成Table 1 The composition of Xilingol League ecosystem in 2015

2.2 生态系统相互转移

2000-2015 年，锡林郭勒盟草地、灌丛、城镇建筑用地、裸地、湿地、森林、采矿用地的面积均有所增加，其中采矿用地面积增幅最大，增加了69.90%，其次是城镇生态系统，增加19.06%，增加幅度最小的是草地生态系统，增加0.15%。农田生态系统、沙漠生态系统、水域生态系统面积均有降低，降幅最大的是水域生态系统，降低了97.46%，其次是农田生态系统，降低了10.40%，沙漠生态系统降低了2.54%（表2）。

表2 2000 年锡林郭勒盟生态系统类型面积构成及变化Table 2 The composition of changes of ecosystem types of Xilingol League in 2000

草地生态系统2015 年面积17287607.71 hm2，比2000 年增加了25997.00 hm2，农田生态系统、沙漠生态系统、水域生态系统、湿地生态系统等都有不同程度的转入。采矿用地2015 年面积28195.14 hm2，比2000 年增加了19707.82 hm2，其中17309.70 hm2来源于草地生态系统，占总增加面积的87.83%。灌丛、裸地、沙漠、湿地、水域、森林等均有不同面积转化为采矿用地。城镇生态系统2015 年面积比2000 年增加了27733.75 hm2，主要由草地生态系统转入，转入面积为23735.17 hm2，占总转入量的85.58%（表3）。

表3 2000-2015 年锡林郭勒盟生态系统变化转移矩阵分析Table 3 Types of ecosystem type transfer matrix of Xilingol League in 2000-2015（hm2）

2.3 生态系统质量及演变

2.3.1 灌丛及森林生态系统质量及演变 2015 年，锡林郭勒盟灌丛生态系统中，良和低等级面积较大，合计占总面积的60% 以上。优、良、中、低、差各等级分别占灌丛生态系统总面积的0.66%、28.95%、17.00%、32.55%、20.83%，其中：优 2900 hm2，良 126325 hm2，中 74150 hm2，低 142025 hm2，差 90900 hm2。2000-2015 年，灌丛生态系统质量明显改善，优级增加了1150 hm2，增幅65.71%；良级增加了61575 hm2，增幅95.10%；中级面积减少了20750 hm2，减幅21.87%；低等级减少5800 hm2，减幅4.26%；差级减少36875 hm2，减幅28.86%（图3）。

图3 2000-2015 年锡林郭勒盟生态系统等级变化Fig.3 Change rate of Xilingol League ecosystem level 2000-2015

2015 年，锡林郭勒盟森林生态系统中，优、良、中、低、差各等级分别占森林生态系统总面积的12.75%、43.44%、22.13%、18.86%、2.81%。其中：优 16550 hm2、良 56375 hm2、中 28725 hm2、低 24475 hm2、差 3650 hm2。2000-2015 年，优等林地减少2750 hm2，减幅14.25%；良级林地增加11000 hm2，增幅24.24%；中等森林增加6725 hm2，增幅30.57%；低等森林减少5400 hm2，减幅18.08%；差等森林减少7825 hm2，减幅68.19%（图4）。

2.3.2 草地生态系统质量及演变 2015 年，锡林郭勒盟草地生态系统总面积为17716175 hm2，低、差草地合计占总面积的64.73%，其中低级占32.86%；差占31.87%；优、良、中分别占2.58%、7.70%、24.98%（图4）。

2000-2015 年，草地生态系统质量明显改善，总面积增加了27400 hm2，优、良、中草地所占比例由2000 年的17.91%提高到2015 年的35.26%（图4）。

图4 2000-2015 年锡林郭勒盟生态系统质量时空变化Fig.4 Spatiotemporal evolution of Xilingol League ecosystem 2000-2015

3 讨论

3.1 经济与产业发展对生态系统格局的影响

2000-2015 年，锡林郭勒盟 GDP、第一、二、三产业产值及人均GDP 等主要经济指标均取得了长足的发 展 ，2015 年 全 盟 GDP 是 2000 年 的 14.45 倍 。 一 、二、三产业及人均 GDP 分别增加 4.45、23.71、14.36和 12.82 倍（表 4）。

表4 锡林郭勒盟驱动机制的社会经济指标Table 4 Socioeconomic indicators of the driving mechanism in Xilingol League

对锡林郭勒盟的GDP、人均GDP、第一、二、三产业的发展与草地生态系统、农田生态系统、城镇生态系统、水域生态系统、采矿用地等进行相关性分析（表5）。在置信度为0.05 时，采矿用地与一产和三产的相关性达到显著水平；灌丛生态系统与一产、三产显著正相关。因此，锡林郭勒盟的经济和产业发展与生态系统的演变具有显著的相关性，特别是采矿用地表现为显著正相关，说明社会经济和产业的发展可能导致了采矿用地的扩张［16-17］。

表5 生态系统演变与指标相关性分析Table 5 Correlation analysis between ecosystem evolution and indicators

3.2 城镇化对生态系统格局的影响

2000-2015 年，锡林郭勒盟城镇化水平从35.60%上升到63.87%，增幅达1.79 倍，城镇化水平处于逐年上升的趋势，且人口密度由4.49 人·km-2增加到5.15 人·km-2，增幅1.15 倍，城镇化水平上升明显。人口密度和城镇化水平对锡林郭勒盟生态系统影响趋势整体同步［18］。在置信度为0.05 时，与灌丛生态系统相关性达到极显著水平。这也在一定程度上说明了城镇化是锡林郭勒盟生态系统演变的一个驱动因素［19］。

3.3 政策因素对生态系统格局的影响

2011 年开始，国家启动实施了草原生态补助奖励政策，内蒙古全区投入300 亿元，2015 年内蒙古实施第二轮草原生态保护补助奖励政策。在2000-2015 年，锡林郭勒盟有10 多项生态保护建设方面的政策实施，包括：《内蒙古自治区实施〈中华人民共和国防沙治沙法〉办法》（2004 年9 月1 日）；《草原征占用审核审批管理办法》（2006年3 月1 日）；《锡林郭勒盟生态建设项目资产管理办法》（2006 年 2 月）；《锡林郭勒盟草畜平衡实施细则》（2007 年9 月）；《内蒙古自治区草原野生植物采集收购管理办法》（2008 年12 月）；《关于加强牧场土地承包经营流转管理服务的意见》（2009 年4 月）等，使锡林郭勒盟草原生态得到了一定的恢复，2000-2015 年，沙漠面积减少，农田转化为草地，草地质量整体提高［20］。

3.4 气候因素对生态系统格局的影响

自然因素中生长季降水和温度是主要影响因素。从2000 年到2015 年锡林郭勒盟降水年际波动较大，温度呈波动性升高的趋势［21］，本研究分析了锡林郭勒盟2000 年以来年降水量和年平均气温与生态系统格局的相关性关系（表5），发现年降水量和年均温度不是影响锡林郭勒盟生态系统格局变化的决定性因素。

4 结论

本研究分析了2000-2015 年锡林郭勒盟生态系统格局和质量变化情况，从生态系统类型、植被覆盖度、生物量、社会经济数据几个方面，分析了锡林郭勒盟生态系统格局变化及其驱动力。研究结果表明：1）2000-2015年，锡林郭勒盟草地、灌丛、城镇、裸地、湿地、森林、矿区面积有所增加，农田、沙地、水域面积有所下降。其中，面积增幅最大的是城镇，其次是草地。面积降幅最大的是水域、其次是农田。从空间格局来看，全盟的水域均有不同程度的减少，以中部最为明显。2）从锡林郭勒盟生态质量来看，2000-2015 年呈整体好转的局势，其中，草地生态系统质量中东部地区提高最为明显，而西南部地区呈不变和下降的态势。3）锡林郭勒盟生态系统格局和质量受到人为和自然因素的共同影响，其中，人为因素的影响是决定性因素，GDP 与采矿用地显著正相关，退耕还草政策促使农田向草原转变。