近20 a内蒙古高原城乡开发建设对生态系统生产力的影响

萨日盖，包玉海，窦银银，董禹麟，潘 涛,4，匡文慧

（1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古师范大学内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010022；3.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室，北京 100101；4.曲阜师范大学，山东 日照 276826）

陆地生态系统生产力是评估区域植被固碳功能和生态系统服务的重要指标［1-2］。随着联合国千年生态系统评估计划的广泛开展，生态评估已成为全球生态环境研究领域的前沿课题［3-4］。净初级生产力是指单位时间单位面积上绿色植物所积累的生物量，其变化深刻地影响着全球碳循环和生物赖以生存的环境质量［2,5］。土地利用/覆盖变化影响着区域生态系统质量及其稳定性［6-8］，其中城乡开发建设扩张是生态系统生产力下降的重要原因［9-13］，延缓了区域“双碳”目标的实现。因此，监测城乡开发建设的扩张及其对生态系统生产力的影响，对于实现国家战略目标和区域可持续发展具有重要的科学意义。

内蒙古高原地处典型的温带干旱/半干旱气候区，从西南到东北分布着荒漠、草地和森林生态系统［14］，是中国北方重要生态屏障，也是生态系统较为脆弱的地理分区［15］。同时，中国四大沙地（呼伦贝尔沙地、科尔沁沙地、浑善达克沙地和毛乌素沙地）是我国荒漠化的热点地区［16］。受气候变化和开垦、过度放牧、能源开采等人类活动的影响，内蒙古高原出现了土地退化、沙漠化、植被干扰和生态系统服务功能下降等生态环境问题［14］。及时监测内蒙古高原城乡开发建设现状、速度和规模及其对生态系统生产力的影响，能够为提高区域资源管理能力和实现可持续发展提供科学依据。

内蒙古高原城乡开发建设对区域生态系统生产力产生了明显且多样影响。已有研究表明，鄂尔多斯露天煤矿的快速增加导致该地区的草地、森林和沙地等自然生态系统丧失，并对植被生产力造成严重负面影响［17-18］；内蒙古高原典型矿区周围500 m范围内植被受到的破坏性极强［19］；然而，也有研究指出，2000—2015 年呼和浩特-包头-鄂尔多斯（呼包鄂）地区城市扩张提高了城市绿化水平，区域净初级生产力有所增加［20］。这些研究大多为典型区域，研究尺度较小，缺少一致的研究结论，对整个内蒙古高原的资源管理的指导意义有限。因此，本研究面向整个内蒙古高原，基于卫星影像、土地利用数据、气象观测资料和其他辅助信息，通过分析2000—2020年城乡开发建设规模、速度及其对生态系统的占用和净初级生产力的变化，揭示21世纪以来城乡开发建设活动对生态系统生产力的影响，为内蒙古高原合理优化城乡开发建设进程以及实现减排目标、生态文明建设和生态系统保护协调发展提供重要科学支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

内蒙古高原（36°16′～52°99′N，92°68′～125°83′E）是中国的第二大高原，地跨我国东北、西北和华北地区，是中国重要的北方生态安全屏障。研究区包括内蒙古自治区、甘肃省、宁夏回族自治区和河北省4 省区，24 个地级市和133 个县域，总面积约为124.70×104km2，平均海拔约1145.92 m，地貌以平原为主。研究区属于温带大陆性季风气候，降水量由西向东逐渐增加［21］。研究区主体生态系统为草地和荒漠（图1），分别占土地面积的40.34%和30.24%［22］。依据生态系统结构、气候区、地貌区划等分为东部地区（森林生态系统为主）、中部地区（草地和农田生态系统为主）和西部地区（荒漠生态系统为主）［14］。此外，内蒙古高原承载呼伦贝尔沙地、科尔沁沙地、浑善达克沙地和毛乌素沙地四大沙 地，面 积 分 别 为42065.32 km2、9022.04 km2、39979.18 km2和33130.64 km2，生态系统组成和分布在内蒙古高原具有代表性，是分析和认识内蒙古高原生态系统功能和质量变化的重点区域［16］。

1.2 数据来源及预处理

本研究使用了土地利用/覆盖、增强型植被指数（Enhanced vegetation index，EVI）、气象、NPP 和其他辅助数据（表1）。土地利用/覆盖变化数据来自中国科学院地理科学与资源研究所中国土地利用/覆盖变化数据集（China’s Land Use/Cover Dataset，CLUD）［22-23］。CLUD 由20 世纪80 年代末到2020 年每5 a生产的连续性数据库，空间分辨率为30 m，主要由每个时段的Landsat TM/ETM+/OLI 和HJ-1A/1B影像通过人机交互目视解译方法获取，包含6 个一级土地利用/覆盖类型和25 个子类型，其中二级类精度超过85%［22-23］。依据中国陆地生态系统类型定义和内蒙古高原生态系统分布状态，分为农田、草地、森林、荒漠和其他5个生态系统类型。

表1 数据源Tab.1 Data sources

遥感数据为Terra 卫星的MOD13Q1 产品，时间和空间分辨率分别为16 d 和250 m。从下载的2000—2020 年数据产品中提取EVI 后，对覆盖内蒙古高原范围内的数据进行镶嵌、投影转换和裁剪等预处理，最终获得研究区逐年16 d EVI数据。

NPP数据来自中国科学院地理科学与资源研究所［24］。该数据集是基于中分辨率成像光谱仪卫星遥感数据和气象观测数据，通过植被光合模型模拟得到。该数据集的空间分辨率为500 m，本文选取2000—2021年NPP数据。

气象数据产品来源于国家青藏高原科学数据中心的1 km分辨率中国逐月降水量和气温数据集［25］，通过MATLAB 读取nc 格式的2000—2020 年逐月气象数据。通过重采样，气象数据空间分辨率与EVI保持一致。考虑到研究区植被生长季主要集中在5—10月，因此选每年5—10月EVI和降水量数据进行植被干扰指数计算。

其他辅助数据包括城镇人口、国内生产总值（Gross domestic product，GDP）、草地植被类型、四大沙地边界和行政区划等数据。城镇人口和GDP 来自世界人口格网数据和中国GDP 空间化数据。草地植被类型和四大沙地边界为矢量数据类型，分别来自资源环境科学与数据中心和中国北方沙漠与荒漠化图集。内蒙古高原1:1000000 行政区划基础数据来自国家测绘中心。

1.3 城乡开发建设提取及其对生态系统影响评估

1.3.1 城乡开发建设用地提取本文定义的城乡开发建设用地包括城市用地、工矿用地和农村居民点，在2000、2010 年和2020 年的CLUD 数据中提取。城市用地指大、中、小城市及县镇以上建成区用地；工矿用地主要指厂矿、大型工业区、油田、盐场、采石场等用地以及交通道路、机场及特殊用地；独立于城市用地以外的为农村居民点［22-23］。采用叠加分析方法提取2000—2010 年、2010—2020 年和2000—2020 年城乡开发建设扩张区。采用土地利用动态度法分析城乡开发建设扩张速度以及土地利用转移矩阵计算城乡开发建设扩张过程中占用的生态系统面积及变化方向。

选取城乡开发建设对周围区域的影响时，在城市用地周边建立5 km的缓冲区、农村居民点周围建立1 km的缓冲区，工矿用地依据面积大小分为小型和大型工业用地，分别建立了1 km（面积小于1 km2的工矿用地）和5 km（面积大于等于1 km2的工矿用地）的缓冲区［28］。该缓冲区建立法用于植被干扰指数的计算和城乡开发建设对生态系统生产力的影响估算。

1.3.3 城乡开发建设对生态系统生产力的影响估算评价城乡开发建设扩张对生态系统生产力的影响时采用邻域替代法［29］。假设在城乡开发建设外围1 km和5 km内气候和植被生长条件基本相同，被城乡开发建设扩张占用像元的潜在NPP 与周边1 km 和5 km 范围内同种生态系统的平均NPP 相近似。因此，对t年到t+10 年之间新扩张出现的城乡开发建设，将其被占用前生态系统类型与t+10年城乡开发建设外围1 km 和5 km 内相同生态系统的平均NPP 作为被城乡开发建设占用的生态系统潜在NPP（NPPpot）。通过将被城乡开发建设占用的潜在NPP（NPPpot）与t+10年所观测到的实际NPP（NPPu&r）相减（NPPpot-NPPu&r），得到因城乡开发建设扩张导致的生态系统NPP 损失（NPPloss）。对t年和t+10 年的NPP，以前后2 a 的均值进行代替，如计算2010—2020 年NPP 损失时，2010 年的NPP 由2009—2011年的NPP 均值进行代替，2020 年的NPP 由2019—2021年的NPP代替。

2 结果与分析

2.1 城乡开发建设的空间范围和分布

近20 a，内蒙古高原城乡开发建设强度显著提升，城市用地、工矿用地和农村居民点的扩张面积和速度差异显著（图2、图3）。2020 年内蒙古高原城乡开发建设面积达到18206.49 km2，由2000 年占内蒙古高原总面积的0.89%上升到2020 年的1.46%。20 a 间内蒙古高原城乡建设扩张面积达到7462.99 km2，占2000 年城乡开发建设总面积的67.44%。城市用地在2000—2010 年和2010—2020年2 个时期分别扩张854.88 km2和872.71 km2，2020年城市用地占比上升4.72%，呈稳定增长态势。工矿用地扩张面积最大及速度最快，特别是2010—2020年扩张显著。20 a间工矿用地以222.94 km2·a-1的速度扩张4458.90 km2，占内蒙古高原总扩张面积的59.76%，其中2010—2020年扩张面积占36.02%，2020年工矿用地占比上升22.14%，工矿用地呈快速增长态势。2000—2020 年农村居民点扩张面积最小，为1274.57 km2，占比下降26.86%，呈缓慢增长态势。

图2 2000—2020年内蒙古高原城乡开发建设的空间分布格局Fig.2 Spatial distributions of urban and rural construction in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020

图3 2000—2020年内蒙古高原城乡开发建设扩张面积和速度Fig.3 Area and speed of urban and rural construction expansion in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020

2000—2020 年内蒙古高原城乡开发建设空间分布存在显著差异，中部地区是城乡开发建设的集中分布区，城市用地扩张在中部地区分布广，工矿用地扩张在中部和西部地区分布广泛（图2、图3）。2000—2020 年中部地区城乡开发建设面积占内蒙古高原总城乡开发建设面积的50%左右，2000年最多为53.02%，2020 年略下降4.34%。中部地区城市用地和工矿用地面积分别占内蒙古高原总扩张面积的11.92%和24.87%，主要以内蒙古自治区呼和浩特市、包头市和河北省张家口市城市扩张以及内蒙古自治区包头市、锡林郭勒盟工矿用地开发建设为主。2020 年西部地区工矿用地面积占内蒙古高原总扩张面积的26.39%，主要以内蒙古自治区鄂尔多斯市、乌海市、宁夏回族自治区银川市、吴忠市和石嘴山市工矿用地扩张为主。

2.2 城乡开发建设对不同生态系统的占用及干扰

分析城乡开发建设对农田、草地、荒漠、森林和其他5 类生态系统的占用干扰情况，其中草地生态系统进一步划分为草甸草原、典型草原和荒漠草原3类。2000—2020年城乡开发建设占用的生态系统类型中农田比例最大，达到45.02%（3360.06 km2），其中22.46%和12.50%被农村居民点和城市用地占用。草地生态系统被城乡建设占用面积为2251.64 km2，其中典型草原面积占15.70%。工矿用地占用草地生态系统的面积占比约21.74%，典型草原占比11.33%。城乡开发建设占用荒漠生态系统的面积为982.21 km2，其中工矿用地占用面积占比88.49%（图4a、表2）。

表2 2000—2020年内蒙古高原城乡开发建设用地类型扩张对生态系统的影响Tab.2 Impacts of different types of urban and rural construction land expansion on ecosystems in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020 /km2

图4 2000—2020年内蒙古高原城乡开发建设对不同生态系统的影响Fig.4 Impacts of urban and rural construction on different ecosystems in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020

内蒙古高原城乡开发建设对生态系统的影响不仅限于占用生态系统斑块，而且进一步扩展至向外更广的范围。2020 年内蒙古城乡开发建设对生态系统干扰总面积达11474.07 km2，农田和草地生态系统受到的干扰多，分别占受干扰总面积的39.85%和31.82%，其次为荒漠生态系统，占比为12.55%（图4b）。城市用地和农村居民点干扰农田生态系统，主要是对农田生态系统的直接占用，对其他生态系统类型的干扰均小于5%（表2）。自然生态系统类型受城乡开发建设干扰的总面积达到5806.37 km2，其中典型草原受干扰面积最大，其次是荒漠、荒漠草原、森林和草甸草原。工矿用地对自然生态系统植被干扰面积最大，干扰面积达到3962.97 km2，其中典型草原、荒漠和荒漠草原分别占11.22%、9.60%和7.25%。

2.3 城乡开发建设对生态系统生产力的影响

内蒙古高原人类城乡开发建设强度不断提升导致植被生产力锐减。2000年以来，内蒙古高原因城乡开发建设导致的NPP 损失显著，总量达到143.51×104tC，2010—2020 年损失是2000—2010 年的1.13倍（图5）。工矿用地扩张是NPP损失的主要原因，此类损失占20 a来内蒙古高原总NPP 损失的67.71%，并且由2000—2010 年的60.72%增加到2010—2020年的73.91%。相比之下，城市用地和农村居民点造成的NPP损失具有减少趋势。

图5 2000—2020年内蒙古高原城乡开发建设导致的NPP损失量Fig.5 NPP loss of urban and rural construction in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020

不同生态系统类型中，因城乡建设扩张导致的NPP 损失差异显著，草地和农田损失较多，但2010—2020年农田被占用的NPP损失有所缓解，而草地NPP 损失在加剧（图6）。相比2000—2010 年，2010—2020年内蒙古高原农田NPP损失减少最多，由2000—2010 年的18.05×104tC 减少到5.38×104tC，其次为森林和其他生态系统，分别减少了0.96%和1.53%。然而，同时期草地和荒漠的NPP 损失在增加，分别增加了16.23×104tC和5.96×104tC。

图6 2000—2020年内蒙古高原不同生态系统NPP损失量Fig.6 NPP loss of different ecosystems in Inner Mongolia Plateau from 2000 to 2020

2000—2020 年工矿用地扩张是自然生态系统NPP损失的主要原因，此类占比由2000—2010年的43.57%增加到2010—2020 年的66.01%，其中在典型草原的损失显著（图6）。相比2000—2010 年，2010—2020 年工矿用地扩张导致的典型草原NPP损失增加了2.40 倍。2010—2020 年工矿用地占用草甸草原、荒漠草原、森林和荒漠生态系统NPP 损失均增加，相比之下，工矿用地占用农田生态系统NPP损失减少了4.61×104tC。

2.4 内蒙古高原四大沙地城乡开发建设状况及生态系统的影响

2000年以来，内蒙古高原四大沙地城乡开发建设主要以工矿用地扩张为主，对区域植被生产力产生影响。然而，城市绿化导致城市周边生态系统NPP 略有增加。2000—2020 年四大沙地城乡建设扩张面积为389.51 km2，占内蒙古高原城乡建设扩张面积的5.22%，其中工矿用地扩张面积占3.62%（图7a）。沙地城乡开发建设对植被的干扰面积为527.47 km2（图7b），NPP 损失达到6.26×104tC（图7c），是内蒙古高原总NPP损失的4.36%。工矿用地扩张导致的NPP 损失量达到5.40×104tC，是四大沙地总NPP损失的86.26%。相反，城市用地扩张导致NPP 略增加了0.07×104tC，与城市绿化有关。相比沙地原有灌丛和低矮草地，城市建成区绿地树种生物量积累能力较强，并在精细的人工管理下，使NPP显著高于扩张之前。

图7 2000—2020年四大沙地城乡开发建设对生态系统的影响Fig.7 Impacts of urban and rural construction on ecosystem in four sandy lands from 2000 to 2020

四大沙地的城乡建设用地扩张对植被生产力的影响差异显著，在毛乌素沙地最强，其次是呼伦贝尔沙地，浑善达克沙地和科尔沁沙地受到的负面影响较小。近20 a，毛乌素沙地城乡建设扩张面积为222.50 km2，其中工矿用地占83.03%，导致的NPP损失量为4.08×104tC。呼伦贝尔沙地和浑善达克沙地工矿用地扩张分别为44.38 km2和35.77 km2，但呼伦贝尔沙地NPP 损失量是浑善达克沙地NPP 损失量的1.76 倍。科尔沁沙地因人工开发建设导致的NPP增加了0.20×104tC。

3 讨论

3.1 21 世纪以来内蒙古高原城乡开发建设活动持续增强

21世纪以来，内蒙古高原城乡开发建设强度不断提升，城乡开发建设面积占比由2000 年的0.89%上升到2020 年的1.46%，以工矿用地扩张为主。资源分布、社会经济要素和相关政策是城乡开发建设布局和变化的决定性因素［27,30］。内蒙古高原煤炭、稀土和铁矿等资源富集，采矿业的发展带动当地经济的增长［17,27,31］。同时，内蒙古高原城镇人口增幅由2000 年的42.70%增加到2020 年的67.48%，城市化进程中吸纳的大量外来劳动力对城市基础设施的需求增大，因此推动各类建设用地扩张。20 a 间内蒙古高原GDP 增加了11.30 倍，其中煤炭产业的发展与全区GDP具有密切相关。2000年以来，国家相继出台了“西部大开发”“中部崛起”等区域发展战略，同时内蒙古自治区、宁夏回族自治区、河北省和甘肃省依托资源优势编制区域发展政策推动城乡开发建设。如内蒙古自治区2011年和2016年编制的“内蒙古自治区煤炭工业‘十二五’发展规划”和“内蒙古自治区能源发展‘十三五’规划”对乌海市、鄂尔多斯市、锡林郭勒盟、呼伦贝尔市和阿拉善油气田产能的加大开发建设具有重要意义。城乡开发建设下的土地利用/覆盖变化过程明显，本研究评估其对陆地生态系统结构和功能的影响，有利于深入理解内蒙古高原生态脆弱地区人类活动对生态系统功能和质量变化的驱动效应。并且，本研究在大尺度范围明晰区域人类城乡开发建设活动进程及生态系统生产力变化，对区域可持续发展、我国北方生态屏障的建设具有重要意义。

3.2 内蒙古高原城乡开发建设活动削弱了自然生态系统和农田NPP

内蒙古高原的温带草原是濒危的陆地生态系统类型，易受人类活动影响而严重退化［32］。本研究发现内蒙古高原城乡建设占用了大面积的自然和农田生态系统，与已有研究结论相近［27,30-31］。研究进一步发现城市用地和农村居民点主要占用和干扰农田生态系统，工矿用地主要影响自然生态系统。因此，应针对不同的人类城乡建设活动调整用地方案，在整体上加强北方生态屏障的生态系统功能和质量。

随着内蒙古高原人类城乡开发建设活动不断加速，脆弱生态环境、粮食产量逐渐受到严重影响，直接的体现是NPP的损失在不断增加［33-35］。人类城乡开发建设活动使区域内土地功能发生转变、景观破碎化，同时对生态系统生产力具有负效应［9-10］。近20 a，人类城乡开发建设活动扩张导致的NPP 损失量达到143.51×104tC，其中工矿用地扩张导致的NPP 损失占比达到67.71%，在2010 年以后更加剧烈。采矿开发导致的自然生态系统NPP损失增加，而2010年以后农田生态系统NPP损失有所缓解，这可能是在《基本农田保护条例》基础上，2010—2012年内蒙古高原自治区建立基本农田数据库，把农田纳入全国农田质量等级系统有关。城市扩展一方面直接占用外围生态系统导致NPP 减少并威胁区域粮食产量［33-34］，另一方面城市绿化使NPP 有所增加［20］。综上所述，内蒙古高原快速城乡开发建设过程中应注意区域产草量的潜在影响，防止其对区域畜牧业发展造成负面影响。

相关研究发现，至2020年四大沙地生态环境状况改善面积达到2.27×104km2，退耕还林还草等防沙治沙工程取得显著成效［36］。然而，社会经济发展导致沙地生态系统稳定性面临严重挑战［16］。为探索内蒙古高原NPP 损失的驱动因子，以四大沙地为例，采用逐步回归分析发现，2000—2020 年NPP 受气温和高程等自然因素的影响在逐渐减弱（P＜0.001）。然而，降水量的影响逐渐增加，同时人类活动对内蒙古高原NPP变化的影响力可能在加剧，特别是2020年GDP的影响开始增加（图8）。在内蒙古高原四大沙地范围内人类活动和自然因素的交互作用加强的结论类似［37］。此外，GDP 对NPP 的变化具有正面效应（P＜0.001），这可能与生态环境治理工程的实施具有密切相关，体现了现有生态工程在改善区域生态系统质量和功能方面的积极作用［38-39］。虽然城乡开发建设面积远小于生态环境工程改善的沙地面积，但对区域生态系统NPP 的影响不容忽视，未来需要加强内蒙古高原生态系统NPP对人类城乡建设活动的响应研究。

图8 内蒙古高原四大沙地NPP与影响因子间的标准化系数Fig.8 Standardized coefficients between NPP and influencing factors in four sandy lands of Inner Mongolia Plateau

综上所述，本研究结果对内蒙古高原人类城乡开发建设活动监测和区域生态系统生产力影响的科学评估提供了实践意义。同时，研究结果可为城乡建设活动开发、土地利用效率和生态环境保护等相关研究提供科学依据。然而，内蒙古高原作为中国北方重要生态安全屏障、干旱/半干旱地区的组成部分，面临着城镇化持续加速、社会经济发展和生态系统退化等多重挑战，需要综合地开展生态系统生产力变化的驱动因素综合研究，以明晰制约区域可持续发展的限制因素并予以应对。

4 结论

（1）2000—2020年内蒙古高原城乡建设扩张面积达到7462.99 km2，扩张面积占2000年城乡开发建设总面积的67.44%，城市扩展和工矿开发强度显著提升。2000—2020 年城市和农村用地主要占用农田生态系统，工矿用地主要占用草地和荒漠生态系统，典型草原受到的干扰面积最大。

（2）2000—2020 年内蒙古高原约2/3 的NPP 损失由工矿用地扩张造成，中西部地区尤为显著，2010—2020 年农田NPP 损失显著减少，而草地NPP损失在增加。未来应关注城乡建设（特别是工矿用地）扩展对区域粮食产量和畜牧业发展的影响，针对不同的生态系统类型，应调控城乡建设扩张的形式和规模，减小生态系统受到的干扰强度，保障北方屏障区的生态安全和生态系统稳定性。