基于PSR框架的內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)分區(qū)

彭 建,武文歡,劉焱序, 胡熠娜

1 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,地表過程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871 2 北京大學(xué)深圳研究生院城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院,城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,深圳 518055

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基于PSR框架的內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)分區(qū)

彭 建1,2,武文歡1,劉焱序2, 胡熠娜2

1 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,地表過程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871 2 北京大學(xué)深圳研究生院城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院,城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,深圳 518055

土壤侵蝕是中國北方重要的生態(tài)問題,內(nèi)蒙古自治區(qū)位于干旱半干旱地區(qū),是中國北方典型的土壤侵蝕區(qū)。針對(duì)以往生態(tài)功能分區(qū)分析框架復(fù)雜多樣、權(quán)重設(shè)定人為主觀等問題,以內(nèi)蒙古自治區(qū)為例,基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)系統(tǒng)分析框架,從氣候背景-土壤保持-植被條件三方面構(gòu)建指標(biāo)體系,運(yùn)用自組織特征映射(SOFM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GIS空間分析技術(shù),以1280個(gè)小流域?yàn)榛締卧M(jìn)行土壤保持服務(wù)分區(qū),按照分區(qū)單元的聚集度對(duì)多種方案進(jìn)行優(yōu)選,并依據(jù)區(qū)域共軛性原則最終將研究區(qū)劃分為3個(gè)土壤保持服務(wù)區(qū)和11個(gè)土壤保持服務(wù)亞區(qū)。

土壤保持服務(wù)；RUSLE模型；RWEQ模型；SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；內(nèi)蒙古自治區(qū)

土壤是一種有限的自然資源,由于土壤侵蝕導(dǎo)致的土地退化,威脅全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展、糧食安全和人類福祉[1]。風(fēng)蝕和水蝕是導(dǎo)致土地退化面積最大、影響范圍最廣的主要土壤侵蝕類型,其中水蝕占全球土壤侵蝕面積約56%、風(fēng)蝕約占28%[2]。中國是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一[3],因水蝕和風(fēng)蝕造成的土壤退化占全國總土地退化面積的83.56%[4]。另一方面,自然資源開發(fā)利用的同時(shí),需要確保生態(tài)基礎(chǔ)、生態(tài)環(huán)境得到最大限度保護(hù)[5]。因此,開展以土壤保持服務(wù)為重點(diǎn)的生態(tài)功能分區(qū)能夠明確區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)特征,辨析主要生態(tài)環(huán)境問題及其空間分異,從而有助于實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的分區(qū)管治。

空間區(qū)劃一直以來都是地理學(xué)的傳統(tǒng)研究主題。生態(tài)功能分區(qū)研究最早于1976年在美國興起[6],重點(diǎn)關(guān)注國家等大尺度研究[7-9]。自21世紀(jì)以來,隨著人地矛盾不斷加劇,我國以政府為主導(dǎo)的生態(tài)功能分區(qū)工作自“十一五”開始[10],先后開展了多項(xiàng)以國家和省域尺度為重點(diǎn)的生態(tài)功能分區(qū)[11-14]。此后,越來越多的學(xué)者將研究尺度推廣到市[15-20]、縣[21],以至于流域[10,22-24]?？傮w而言,現(xiàn)有生態(tài)功能區(qū)劃研究在分區(qū)視角上基本相似,多數(shù)注重對(duì)單一分區(qū)方案的宏觀描述,而多種分區(qū)方案的對(duì)比和定量化方案篩選逐步成為研究熱點(diǎn)方向。在分區(qū)方法和技術(shù)層面,已有研究多采用專家集成方法[25],存在主觀性強(qiáng)、個(gè)體差異大等缺點(diǎn)。雖然回歸分析、主成分分析和聚類分析等數(shù)理方法能夠?qū)€性可分問題給出詳細(xì)解釋,但針對(duì)線性不可分問題難以給出合理解決方案[26]。隨著地理學(xué)計(jì)量革命的興起,計(jì)算機(jī)技術(shù)在自然地理區(qū)劃研究中的應(yīng)用越來越廣泛,新方法逐漸興起,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集合理論、模擬退火算法和遺傳算法等[27]。其中,憑借非線性優(yōu)勢(shì)的自組織特征映射(self-organizing feature maps, SOFM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在地理學(xué)分區(qū)工作中受到越來越多的學(xué)者青睞[28-35]。而重點(diǎn)關(guān)注土壤保持服務(wù)相關(guān)的分區(qū)研究,目前大多注重結(jié)果的宏觀表達(dá),在全國尺度上較為完善[36-38],分別完成全國土壤侵蝕區(qū)劃[39]及土壤侵蝕調(diào)查[40]。此外,大多數(shù)研究側(cè)重水蝕性或風(fēng)蝕等單一類型土壤侵蝕評(píng)估[41-43],缺乏小尺度的綜合性土壤保持服務(wù)研究。

內(nèi)蒙古自治區(qū)處于干旱半干旱地區(qū),生態(tài)環(huán)境敏感脆弱,植被覆蓋率低,存在大范圍的生態(tài)破壞和嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象[44]。該地區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)單一,長期以來以資源消耗為主的經(jīng)濟(jì)增長方式,使得對(duì)水土資源的過度利用,造成了嚴(yán)重的土地退化。同時(shí),我國三分之一面積的沙漠和沙地分布于此[45],大面積的沙源和高頻發(fā)的大風(fēng)使內(nèi)蒙古土壤侵蝕過程加劇。土壤侵蝕導(dǎo)致的土地沙漠化和土地退化導(dǎo)致土壤的生產(chǎn)力降低[46-49],而揚(yáng)沙大風(fēng)和沙塵暴等惡劣的天氣更是對(duì)空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。針對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)特殊的生態(tài)環(huán)境問題,開展土壤保持服務(wù)分區(qū)能夠?yàn)橥寥辣３止δ艿男迯?fù)及土壤侵蝕防護(hù)提供決策指引。因此,本研究以內(nèi)蒙古自治區(qū)為例,基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)系統(tǒng)分析框架,從氣候背景-土壤保持-植被條件三方面構(gòu)建指標(biāo)體系,運(yùn)用SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GIS空間分析技術(shù),以1280個(gè)小流域?yàn)榛締卧M(jìn)行土壤保持服務(wù)分區(qū),按照分區(qū)單元的聚集度對(duì)多種方案進(jìn)行優(yōu)選,并依據(jù)區(qū)域共軛性原則開展內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)區(qū)劃。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)地處中國北部邊疆,是我國重要的生態(tài)屏障與農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地。全區(qū)位于中緯度內(nèi)陸,總面積約118.3萬km2；以溫帶大陸季風(fēng)性氣候?yàn)橹?從東到西跨越了溫帶濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)、干旱區(qū)和極端干旱區(qū)等5個(gè)氣候類型區(qū),從而形成了多樣的地理環(huán)境和豐富的自然資源；年降水量約為30—500mm,由東北向西南遞減,植被類型上由東到西分別為森林、草原、荒漠草原、沙漠等[50-51]。內(nèi)蒙古地貌以內(nèi)蒙古高原為主(圖1),大部分地區(qū)海拔在1000m以上[52],生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)“東林中草西沙、北牧南農(nóng)”基本格局,草地是內(nèi)蒙古最主要的生態(tài)系統(tǒng)類型。近年來,由于內(nèi)蒙古地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速增長,資源開發(fā)力度增大,過度放牧和草原大范圍墾殖,造成了大面積的草地退化和荒漠化,加之該地區(qū)分布大面積的沙漠、大風(fēng)天氣頻發(fā)以及常年干旱少雨使該區(qū)域土壤侵蝕現(xiàn)象加劇[53]。針對(duì)土壤侵蝕和生態(tài)退化問題,內(nèi)蒙古自治區(qū)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)保護(hù)和建設(shè)工程,以緩解生態(tài)壓力[54]。

圖1 內(nèi)蒙古自治區(qū)地理位置示意Fig.1 Location of Inner Mongolia Autonomous Region

1.2 土壤保持服務(wù)分區(qū)指標(biāo)體系

土壤保持服務(wù)分區(qū)是側(cè)重于單一類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)功能分區(qū),而生態(tài)功能分區(qū)的本質(zhì)是根據(jù)區(qū)域資源環(huán)境要素、生態(tài)系統(tǒng)類型、生態(tài)系統(tǒng)受脅迫過程與效應(yīng)、生態(tài)敏感性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異的規(guī)律進(jìn)行的地理空間分區(qū),從而將特定區(qū)域劃分成不同的生態(tài)功能區(qū)。因此,基于景觀生態(tài)學(xué)生態(tài)空間理論,可以將氣候背景、土壤保持和植被條件分別表征生態(tài)系統(tǒng)受到的壓力、土壤保持服務(wù)狀況及其適應(yīng)能力,對(duì)應(yīng)“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(Pressure-State-Response, PSR) 模型,構(gòu)建土壤保持服務(wù)分區(qū)概念框架。以壓力、狀態(tài)和響應(yīng)3類指標(biāo)表征,能全面系統(tǒng)地反映自然生態(tài)系統(tǒng)受到外界作用的因果關(guān)系。其中,壓力指外界對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾,狀態(tài)指特定時(shí)間階段的生態(tài)環(huán)境狀態(tài)或生態(tài)環(huán)境健康水平,響應(yīng)代表生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界干擾做出的反應(yīng)。具體而言,本研究選擇對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)影響顯著的氣候因素——降水和風(fēng)速作為壓力指標(biāo),以風(fēng)蝕性土壤保持量和水蝕性土壤保持量,共同表征土壤保持服務(wù)狀態(tài)。用直接反映生態(tài)系統(tǒng)新陳代謝和活力的凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity, NPP)表征生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng),則是因?yàn)镹PP和NDVI具有顯著線性關(guān)系,能反映該地區(qū)植被條件和生態(tài)恢復(fù)的波動(dòng)情況；而以NPP變化率和均值作為響應(yīng)指標(biāo),是對(duì)未來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化延展性的良好表達(dá),具有穩(wěn)健性。因此,綜合考慮指標(biāo)的實(shí)效性和合理性,選擇三大類6個(gè)指標(biāo)作為內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)分區(qū)的定量依據(jù)(表1)。需要說明的是,本文采用PSR框架僅僅是作為指標(biāo)體系選擇的指導(dǎo),由于SOFM模型可以規(guī)避主觀因素的影響,所以不存在權(quán)重設(shè)置的問題。

表1 內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)分區(qū)指標(biāo)體系

Table 1 Index system for soil conservation service zonation in Inner Mongolia Autonomous Region

基準(zhǔn)層Referencelayer準(zhǔn)則層Criterialayer評(píng)價(jià)指標(biāo)Evaluationindex壓力指標(biāo)氣候條件風(fēng)速變化率Pressureindicator降水變化率狀態(tài)指標(biāo)土壤保持服務(wù)風(fēng)蝕性土壤保持量Stateindicators水蝕性土壤保持量響應(yīng)指標(biāo)植被條件NPP變化率Responseindicators多年平均NPP

1.2.1 壓力指標(biāo)

風(fēng)速狀況和降水條件可以反映區(qū)域風(fēng)力和水分的作用狀況,其變率可以反映穩(wěn)定性,定量表征生態(tài)系統(tǒng)受到的壓力,計(jì)算公式如下：

(1)

式中,Slope表示降水或風(fēng)速的變化率,ai表示每年的降水或風(fēng)速,n表示年份；當(dāng)Slope>0時(shí),降水或風(fēng)速有增大的趨勢(shì)；當(dāng)Slope<0時(shí),降水或風(fēng)速有減小的趨勢(shì)；且數(shù)值越趨于0,表示變化越小、土壤侵蝕壓力越小。降水和風(fēng)速數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)提供的695個(gè)氣象站點(diǎn)2005—2015年的觀測(cè)數(shù)據(jù),為提高準(zhǔn)確性,剔除空值,并通過ArcMap10.2中的Kriging插值工具得到。

1.2.2 狀態(tài)指標(biāo)

(1)風(fēng)蝕性土壤保持量

充分考慮氣象條件、土壤結(jié)皮、土壤可蝕性、植被狀況、地表粗糙度等要素,通常采用修正風(fēng)蝕方程RWEQ計(jì)算風(fēng)蝕性土壤保持量[55],已有研究表明,該模型具有因子全面、構(gòu)成簡單等優(yōu)點(diǎn),并能在區(qū)域尺度對(duì)土壤風(fēng)蝕進(jìn)行準(zhǔn)確估算[56-57]。實(shí)際土壤侵蝕量的計(jì)算公式如下：

(2)

S=150.71(WF·EF·SCF·K′·C)-0.3711

(3)

Qmax=109.8(WF·EF·SCF·K′·C)

(4)

式中,SSL表示實(shí)際土壤侵蝕量(kg/m2)；Qmax是最大轉(zhuǎn)運(yùn)容量(kg/m)；S是關(guān)鍵地塊長度(m)；z是所計(jì)算的下風(fēng)向距離(m)；WF是氣象因子；EF為土壤可蝕性因子；SCF為土壤結(jié)皮因子；K′是土壤粗糙度因子；C為植被覆蓋因子。

潛在土壤侵蝕量的計(jì)算公式如下：

(5)

SP=150.71(WF·EF·SCF·K′)-0.3711

(6)

QmaxP=109.8(WF·EF·SCF·K′)

(7)

式中,SPL表示潛在土壤侵蝕量(kg/m2)；QmaxP是潛在最大轉(zhuǎn)運(yùn)容量(kg/m)；SP是潛在關(guān)鍵地塊長度(m)。

實(shí)際土壤保持量則由潛在土壤侵蝕量和實(shí)際土壤侵蝕量作差得到：

SL=SPL-SSL

(8)

式中,SL表示實(shí)際土壤保持量(kg/m2)。其中,風(fēng)速、降水、太陽輻射數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)提供的695個(gè)氣象站點(diǎn)2015年的觀測(cè)數(shù)據(jù)；溫度數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)提供的2015年中國1km地表溫度的月合成產(chǎn)品；雪蓋因子來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)提供的中國雪深長時(shí)間序列數(shù)據(jù)集,空間分辨率為1km；土壤數(shù)據(jù)來自第二次全國土地調(diào)查1：100萬土壤數(shù)據(jù)；NDVI數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)提供的2015年中國500mNDVI月合成產(chǎn)品；全國范圍1km分辨率的DEM數(shù)據(jù)來源于“黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)。

(2)水蝕性土壤保持量

采用廣泛應(yīng)用的RUSLE模型來估算潛在土壤侵蝕量和實(shí)際土壤侵蝕量,二者之差即為實(shí)際的土壤保持量[58]。其中,實(shí)際土壤侵蝕量的計(jì)算公式如下：

A=R·K·LS·C·P

(9)

式中,A為實(shí)際土壤侵蝕量(thm-2a-1),R為降雨侵蝕力因子,K為土壤可蝕性因子,LS統(tǒng)稱為地形因子(其中L為坡長因子、S為坡度因子),C為植被覆蓋管理因子,P為水土保持措施因子。

在RUSLE模型中不考慮植被覆蓋管理因子C與水土保持措施因子P,即將兩項(xiàng)因子的數(shù)值設(shè)為1,則公式變?yōu)椋?/p>

AP=R·K·LS

(10)

式中,AP為潛在土壤侵蝕量(thm-2a-1),表示在沒有任何植被覆蓋管理與水土保持措施下的土壤侵蝕量。基于“地表覆被替換假設(shè)”,土壤保持量即可表示為潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量之差。

1.2.3 響應(yīng)指標(biāo)

生態(tài)系統(tǒng)受到大風(fēng)和降水的直接影響,而植被凈初級(jí)生產(chǎn)力能夠指示生態(tài)恢復(fù)的波動(dòng)狀況[13],所以選擇NPP的變化率和多年均值表示生態(tài)系統(tǒng)受到壓力后所做出的響應(yīng)。其中,NPP變化率的計(jì)算公式如下：

(11)

式中,Slope是NPP變化率,表示植被變化幅度,n是年數(shù)。NPP數(shù)據(jù)來源于美國NTSG組織(http://www.ntsg.umt.edu/)提供的2005—2015年1kmMODIS17A03數(shù)據(jù)。

1.3 生態(tài)功能分區(qū)方法

目前,傳統(tǒng)的生態(tài)分區(qū)研究大都選擇自上而下、從高到低的分區(qū)方法[13],具有過程復(fù)雜、耗時(shí)、主觀性強(qiáng)的缺點(diǎn)。本研究選取SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行自下而上的分區(qū),能有效規(guī)避權(quán)重設(shè)置的主觀性問題,使得分區(qū)結(jié)果更加精準(zhǔn)可靠。SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱自組織特征映射網(wǎng)絡(luò),由芬蘭學(xué)者Kohonen于1982年提出[59],是一種非監(jiān)督型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型的工作原理為在接受輸入樣本之后進(jìn)行競爭學(xué)習(xí),功能相同的輸入距離比較近,不同的距離比較遠(yuǎn),以此將一些無規(guī)則的輸入自動(dòng)排開,即根據(jù)各輸入數(shù)據(jù)的相似性,將其歸為一類。尤其適用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大和非線性特征明顯的生態(tài)地理問題的求解過程[29]。

多分區(qū)方案的優(yōu)選在區(qū)域共軛性原則下進(jìn)行,要求分區(qū)結(jié)果具有一定的空間連續(xù)性[60]。同時(shí),在多種空間聚類方案中選擇最優(yōu)分區(qū)方案,可以分區(qū)單元的聚集程度作為選擇依據(jù)[32]。由于聚集度指數(shù)(aggregationindex,AI)可以定量描述景觀中各類型區(qū)域的團(tuán)聚程度[61],因此,在本研究中選擇景觀水平的聚集度指數(shù)判定最優(yōu)分區(qū)方案：

(12)

式中,gii為斑塊類型i像元之間的節(jié)點(diǎn)數(shù)；maxgii為斑塊類型i像元之間的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)；Pi為斑塊類型i所占的面積比例。其中,AI隨著斑塊類型的聚集水平增大而增大。由于不同分區(qū)數(shù)目的景觀聚集度指數(shù)不同,當(dāng)聚集度指數(shù)較小時(shí),其結(jié)果能夠表現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部生態(tài)問題的差異性,因此,將景觀聚集度指數(shù)較小的聚類結(jié)果作為劃分亞區(qū)的依據(jù)[35]。而當(dāng)聚集度指數(shù)最大時(shí),分區(qū)方案中各類型區(qū)域聚集程度最高,因此,選取景觀聚集度指數(shù)最大時(shí)的分區(qū)結(jié)果作為一級(jí)分區(qū)的最優(yōu)方案。基于此,按照區(qū)域共軛性原則,在保留二級(jí)分區(qū)完整性的基礎(chǔ)上進(jìn)行類型歸并得到內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)一級(jí)分區(qū)方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤保持量空間格局

利用RWEQ模型對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)蝕性土壤保持服務(wù)進(jìn)行評(píng)價(jià),實(shí)際的土壤侵蝕情況如圖2 所示,研究區(qū)風(fēng)蝕區(qū)域集中分布在中西部地區(qū),這也是內(nèi)蒙古自然地理和氣候分布的特點(diǎn)所致。2015年內(nèi)蒙古全區(qū)風(fēng)蝕總面積為55.1128萬km2,約占土地總面積的46.6%,風(fēng)蝕總量為27.33億t。在空間分異上,風(fēng)蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)主要包括巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、毛烏素沙地、渾善達(dá)克沙地和陰山山脈。這些地區(qū)植被較差,風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度較高,降水量較低,雪被覆蓋地表時(shí)間較短；而風(fēng)蝕力是造成土壤侵蝕的主要因素,植被覆蓋則對(duì)風(fēng)蝕的削弱作用較為明顯[41]。利用潛在土壤侵蝕和實(shí)際土壤侵蝕的差值得到內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)蝕性土壤保持能力,整體空間格局為東高西低、南多北少,2015年內(nèi)蒙古風(fēng)蝕性土壤保持總量為27.21億t,土壤保持量較高的地區(qū)主要分布在科爾沁沙地、渾善達(dá)克沙地以及鄂爾多斯高原。

圖2 內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)蝕性土壤保持服務(wù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of wind erosion and soil conservation service in Inner Mongolia Autonomous Region

利用RUSLE模型對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)水蝕性土壤保持服務(wù)進(jìn)行評(píng)價(jià),實(shí)際的土壤侵蝕情況如圖3所示,呈現(xiàn)出在內(nèi)蒙古中東部區(qū)域由東北向西南的條帶狀分布格局。內(nèi)蒙古自治區(qū)的地貌以高原為主體,平均海拔1000m左右,占總土地面積的50%左右,地勢(shì)較高但地形相對(duì)平坦。高原四周分布著大興安嶺、陰山(狼山、色爾騰山、大青山、灰騰梁)、賀蘭山等山脈,構(gòu)成內(nèi)蒙古高原地貌的脊梁。在大興安嶺的東麓、陰山腳下和黃河岸邊,有嫩江西岸平原、西遼河平原、土默川平原、河套平原及黃河南岸平原。而在山地向高平原、平原的交接地帶,分布著黃土丘陵和石質(zhì)丘陵,其間雜有低山、谷地和盆地分布,水土流失較嚴(yán)重。利用潛在土壤侵蝕和實(shí)際土壤侵蝕的差值得到內(nèi)蒙古自治區(qū)的水蝕性土壤保持能力,由于內(nèi)蒙古水土流失現(xiàn)象較少,其水蝕性土壤保持能力空間格局與水蝕性土壤侵蝕空間格局基本一致,土壤保持量較高的地區(qū)主要沿大興安嶺山脈以及烏蘭察布地區(qū)分布。2015年內(nèi)蒙古自治區(qū)水蝕性土壤保持物質(zhì)量為21.41億t,水土流失總面積為17.3萬km2,約占土地總面積的15%。

圖3 內(nèi)蒙古自治區(qū)水蝕性土壤保持服務(wù)空間分布Fig.3 Spatial distribution of water erosion and soil conservation service in Inner Mongolia Autonomous Region

2.2 土壤保持服務(wù)壓力、響應(yīng)空間格局

內(nèi)蒙古自治區(qū)多年風(fēng)速變化趨勢(shì)呈現(xiàn)西北部低、東南部和東北部高的空間分布格局(圖4)。呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市的大部分地區(qū)呈現(xiàn)風(fēng)速增大的態(tài)勢(shì),鄂爾多斯市和呼和浩特市也呈現(xiàn)風(fēng)速增大的趨勢(shì),而陰山山脈以北和內(nèi)蒙古高原地區(qū)的風(fēng)速則明顯減小。大興安嶺和陰山山脈是內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候差異的重要分界線,對(duì)于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速變化率影響很大。該分界線貫穿內(nèi)蒙古自治區(qū),由東北向西南依次穿過大興安嶺林區(qū)、陰山、渾善達(dá)克沙地和巴丹吉林沙漠。該分界線的西北側(cè)為風(fēng)速變化率的低值區(qū),呈現(xiàn)風(fēng)速減小的趨勢(shì),也屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)的干旱區(qū)；而分界線的東南側(cè)為風(fēng)速變化率的高值區(qū),呈現(xiàn)出風(fēng)速增大的趨勢(shì),也是內(nèi)蒙古自治區(qū)降水相對(duì)豐沛的區(qū)域。

內(nèi)蒙古自治區(qū)多年降水變化趨勢(shì)呈現(xiàn)中部地區(qū)低、東北和西北地區(qū)高的空間分布格局(圖4),這表明內(nèi)蒙古自治區(qū)降水變化的空間分布在一定程度上受大尺度海陸格局的影響。中部大部分地區(qū)降水較為穩(wěn)定,有降水逐漸減小的趨勢(shì),呼倫貝爾地區(qū)呈現(xiàn)降水豐沛且逐漸增大的趨勢(shì),而巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠雖然降水量極少,但變化幅度較大,有降水量增大的趨勢(shì)。這種降水變化率的空間分布同濕潤區(qū)向干旱半干旱區(qū)過渡的空間分布較為符合。從內(nèi)蒙古自治區(qū)的植被覆蓋空間分布角度分析,荒漠植被覆蓋區(qū)降水量變化明顯,且呈現(xiàn)增加趨勢(shì),森林覆蓋區(qū)降雨量逐漸增大,而草場(chǎng)、農(nóng)業(yè)植被覆蓋的大部分地區(qū)降雨量下降的趨勢(shì)略顯。由于內(nèi)蒙古自治區(qū)植被由西向東依次為荒漠植被、農(nóng)業(yè)區(qū)、草原和稀疏灌叢、灌叢、草甸和森林[62],這一現(xiàn)象反映出內(nèi)蒙古地區(qū)降水呈現(xiàn)兩極變化的趨勢(shì),即西部的荒漠集中地區(qū)溫度和降水全部增加,呈現(xiàn)出暖濕化的趨勢(shì),而與此相反,中東部地區(qū)則降水減少溫度增加,呈現(xiàn)出了暖干化的趨勢(shì)[63]。

圖4 內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)壓力空間格局Fig.4 Spatial pattern of pressure on soil conservation service in Inner Mongolia Autonomous Region

內(nèi)蒙古自治區(qū)的NPP變化率空間分布(圖5),總體上呈現(xiàn)出由西南向東北逐漸升高的分異格局。NPP變化率高值區(qū)主要分布在呼倫貝爾市,表現(xiàn)出NPP增大的趨勢(shì)；NPP變化率低值區(qū)則主要分布在阿拉善盟,表現(xiàn)出NPP下降的趨勢(shì)。內(nèi)蒙古自治區(qū)的NPP空間分布受水熱條件限制明顯[64],并與NPP變化率的空間分布相似,亦呈現(xiàn)出東北高、西南低的格局。東北部地區(qū)是大興安嶺林區(qū),植被覆蓋率高,植被類型豐富,且分布著額爾古納河,水源充沛,生境良好,NPP平均值超過了437gCm-2a-1；中部地區(qū)主要為草原草甸,伴隨著降水的較少,NPP值在246gCm-2a-1左右；西部地區(qū)主要分布著巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠和毛烏素沙地,荒漠區(qū)的植被覆蓋率低,NPP平均值在100gCm-2a-1以下。

圖5 內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)響應(yīng)空間格局Fig.5 Spatial pattern of soil conservation service response in Inner Mongolia Autonomous Region

2.3 土壤保持服務(wù)分區(qū)

圖6 不同分區(qū)方案景觀聚集度指數(shù)對(duì)比Fig.6 AI contrast among different zonations

對(duì)比內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)10種分區(qū)方案的景觀聚集度指數(shù)(圖6),為了更深入地反映內(nèi)蒙古自治區(qū)不同功能區(qū)內(nèi)部主要生態(tài)環(huán)境問題的差異性,在空間集聚度最小的11類分區(qū)方案的基礎(chǔ)上,將其劃分為11個(gè)土壤保持服務(wù)亞區(qū)。另一方面,當(dāng)土壤保持服務(wù)區(qū)劃分為3類時(shí),分區(qū)單元的空間聚集度達(dá)到最高,分區(qū)結(jié)果最理想。因此,依據(jù)區(qū)域共軛性原理進(jìn)行修正,將內(nèi)蒙古自治區(qū)劃分為3個(gè)土壤保持服務(wù)一級(jí)區(qū)及11個(gè)土壤保持服務(wù)二級(jí)區(qū)(圖7,表2)。

圖7 內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)分區(qū)Fig.7 Soil conservation service zonation in Inner Mongolia Autonomous Region

分區(qū)壓力Pressure狀態(tài)State響應(yīng)Response風(fēng)速變化率降水變化率風(fēng)蝕性土壤保持量水蝕性土壤保持量NPP變化率NPP平均值I-11.211.14-1.600.241.881.63I-21.170.89-1.311.391.421.25I-30.560.220.051.140.910.96I-40.970.070.271.110.380.58I-50.81-0.491.680.04-0.010.23II-1-0.24-0.471.060.92-0.160.02II-2-0.62-0.520.61-0.50-0.41-0.31II-3-0.16-1.180.91-0.98-0.69-0.60III-1-1.65-1.47-0.33-1.27-0.89-0.89III-2-0.33-0.30-0.18-0.48-1.08-1.23III-3-1.722.11-1.17-1.60-1.36-1.65

(1)土壤保持服務(wù)保護(hù)區(qū)(I)：位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部,主要包括呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市,占內(nèi)蒙古自治區(qū)土地總面積的41.3%。本區(qū)海拔89—1753m,涵蓋多種地貌類型,植被覆蓋高；生境質(zhì)量優(yōu)良,有大面積的林地、耕地和草場(chǎng),在土壤保持方面發(fā)揮著重要作用。保護(hù)區(qū)的降水與風(fēng)速壓力相對(duì)最大,但土壤保持服務(wù)能力最強(qiáng),生態(tài)系統(tǒng)功能對(duì)環(huán)境氣候條件的響應(yīng)最顯著。本區(qū)共包含5個(gè)土壤保持服務(wù)亞區(qū),I-1區(qū)主要位于呼倫貝爾東北部地區(qū),植被生長狀況良好,分布著莫道爾噶國家森林公園；風(fēng)速波動(dòng)性最大,但風(fēng)蝕性土壤保持量最低、水土流失較為敏感,應(yīng)通過劃定天然林保護(hù)區(qū)、實(shí)施退耕還林、建設(shè)基本農(nóng)田等措施加強(qiáng)水土流失治理。I-2區(qū)分布在呼倫貝爾市內(nèi),位于大興安嶺北段兩側(cè),該區(qū)域由于原始森林遭受多次采伐及農(nóng)田開墾面積較大等因素,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)有較為嚴(yán)重的水土流失問題；宜逐步發(fā)展林緣草地畜牧業(yè),開展森林生態(tài)重建工作,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),發(fā)展森林生態(tài)經(jīng)濟(jì)。I-3區(qū)分布較為零散,主要集中在興安盟與呼倫貝爾交界處、赤峰市南部和通遼與沈陽交界處；該區(qū)域生境質(zhì)量較好,有阿爾山國家森林公園,但由于受到人為擾動(dòng)較大,存在土壤侵蝕現(xiàn)象,應(yīng)加大自然保護(hù)力度,禁止礦產(chǎn)資源開發(fā)活動(dòng)。主要分布在興安盟、通遼市和赤峰市的I-4區(qū)和I-5區(qū)是綜合性土壤保持量最高的土壤保持服務(wù)亞區(qū),I-4區(qū)的水蝕性土壤保持量最高,I-5區(qū)的風(fēng)蝕性土壤保持量最高,兩個(gè)區(qū)域的植被覆蓋均較好。同時(shí),I-4區(qū)由于人為砍伐樹木和放牧等擾動(dòng)程度較大,森林資源受到多次破壞,破碎化現(xiàn)象較為嚴(yán)峻,應(yīng)劃定天然林、林緣草甸草原保護(hù)區(qū),實(shí)施退耕還林還草以提升森林草原的土壤保持能力。而I-5區(qū)由于土地退化使得農(nóng)田的土壤肥力有所下降,因此,應(yīng)通過農(nóng)田防護(hù)林的建設(shè),加強(qiáng)基本農(nóng)田保護(hù),實(shí)施免耕、草田輪作等旱地保護(hù)性耕作法即降低土壤侵蝕、提升農(nóng)田生產(chǎn)力。

(2)土壤保持服務(wù)控制區(qū)(II)：位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部,主要包括錫林郭勒盟、烏蘭察布南部,呼和浩特市和鄂爾多斯市,占內(nèi)蒙古自治區(qū)土地總面積的25.2%。本區(qū)海拔825—2007m,地貌以高原為主,植被覆蓋不高；生境質(zhì)量一般,降水和風(fēng)速常年較為穩(wěn)定,防風(fēng)固沙能力較強(qiáng)；城市化程度高,是內(nèi)蒙古自治區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心,人口相對(duì)較為密集?？刂茀^(qū)的降水與風(fēng)速壓力相對(duì)最小,但土壤保持服務(wù)能力相對(duì)較強(qiáng),生態(tài)系統(tǒng)功能對(duì)環(huán)境氣候條件的響應(yīng)較為顯著。本區(qū)共包含了3個(gè)土壤保持服務(wù)亞區(qū),II-1區(qū)主要分布在錫林郭勒東部邊緣、呼倫貝爾西部以及呼和浩特市周邊,存在的主要問題是超載放牧引起的草原退化、沙化、草場(chǎng)質(zhì)量下降和耕地利用不合理,應(yīng)設(shè)立草原生態(tài)功能保護(hù)區(qū)和封育保護(hù)區(qū),實(shí)施強(qiáng)制性保護(hù)措施,退耕還草,堅(jiān)決貫徹以牧為主的方針,恢復(fù)植被,發(fā)展農(nóng)區(qū)畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。II-2區(qū)集中分布在呼倫貝爾高原中部和錫林郭勒-烏蘭察布-鄂爾多斯條帶,草地生產(chǎn)力普遍下降,部分地區(qū)退化嚴(yán)重,應(yīng)強(qiáng)調(diào)土地資源的合理開發(fā)利用,不宜過度開墾和放牧。II-3區(qū)土壤風(fēng)蝕沙化和礫石化現(xiàn)象較為明顯,并存在水土流失問題。該區(qū)植被稀疏,超載放牧導(dǎo)致草場(chǎng)的退化嚴(yán)重,應(yīng)采取人工種草、圍封、輪牧、加強(qiáng)防護(hù)林網(wǎng)配置等措施,建立人工草地,增加舍飼比重來恢復(fù)草地植被,防止草原退化。

(3)土壤保持服務(wù)重建區(qū)(III)：位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部,主要包括錫林郭勒盟、烏蘭察布市、包頭市、巴彥淖爾和鄂爾多斯的部分地區(qū)和整個(gè)阿拉善盟,占內(nèi)蒙古自治區(qū)土地總面積的33.5%。本區(qū)海拔942—3432m,地勢(shì)起伏較大,植被覆蓋稀疏；生境質(zhì)量較差,沙漠化程度高,常年降水較少,分布騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠,生態(tài)環(huán)境脆弱。重建區(qū)的降水與風(fēng)速壓力相對(duì)較最大,但土壤保持服務(wù)能力最弱,生態(tài)系統(tǒng)功能對(duì)環(huán)境氣候條件的響應(yīng)最不顯著。本區(qū)共包含3個(gè)土壤保持服務(wù)亞區(qū),III-1區(qū)主要位于渾善達(dá)克沙地西北部,橫跨錫林郭勒盟西北部、烏蘭察布西北部、包頭市北部、巴彥淖爾東北部和鄂爾多斯西部的少部分地區(qū),風(fēng)速和降水的波動(dòng)性最大,并呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；作為我國北方重要的沙塵暴源頭區(qū),土地沙化、水土流失和植被退化現(xiàn)象嚴(yán)重；要以保護(hù)和恢復(fù)植被為重點(diǎn),強(qiáng)化退牧還草,禁止開荒、濫樵采及過度放牧。III-2區(qū)位于巴彥淖爾、鄂爾多斯及阿拉善盟三地交界處,存在草場(chǎng)退化和土地沙化問題,由于自然和人為活動(dòng)的原因造成沙丘活化,生物多樣性受到威脅；應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)天然植被,采取絕對(duì)保護(hù)措施控制沙化,在沙漠邊緣地帶設(shè)置鎖邊林帶和沙障,通過封育和飛播等措施穩(wěn)定沙漠,減少人為活動(dòng),遏制生態(tài)惡化。III-3區(qū)主要位于阿拉善高原,分布著巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠,降水量常年稀少,近年來出現(xiàn)增加的趨勢(shì)；水蝕性土壤保持量最低,植被覆蓋不高且逐漸退化,沙漠活化、生態(tài)環(huán)境退化問題突顯；應(yīng)以保護(hù)戈壁地表形態(tài)為重點(diǎn),限制人類開發(fā)活動(dòng),控制沙化,保護(hù)沙漠周邊地區(qū)的現(xiàn)存植被,維護(hù)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。

將分區(qū)結(jié)果同內(nèi)蒙古自治區(qū)多年平均等溫線和等年降水量線疊置(圖8),比較分區(qū)結(jié)果和生態(tài)基底要素的一致性。對(duì)比年均溫等值線的空間分布和分區(qū)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)本分區(qū)方案對(duì)于熱量要素的分區(qū)效果明顯,11類二級(jí)分區(qū)呈現(xiàn)出顯著的熱量梯度變化等級(jí),符合內(nèi)蒙古自治區(qū)由東向西的溫度變化特征。對(duì)照年降水等值線的空間分布和分區(qū)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)本分區(qū)方案劃分的3類一級(jí)區(qū)呈現(xiàn)出由東北向西南的變化梯度,與內(nèi)蒙古自治區(qū)的400、200mm等降水量線走向基本一致?？傮w而言,對(duì)照分區(qū)結(jié)果和內(nèi)蒙古自治區(qū)的生態(tài)基底要素空間分布,3類一級(jí)區(qū)及11類二級(jí)區(qū)的分區(qū)方案和研究區(qū)域的自然地理界線大致相符,這在一定程度上指示了自然地理要素對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異的控制作用。

圖8 土壤保持服務(wù)分區(qū)方案同自然地理界線對(duì)比Fig.8 Contrast of soil conservation service zoning and physical geography boundary

3 結(jié)語

土壤侵蝕是一種動(dòng)態(tài)發(fā)展的土地退化過程。本研究重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)的空間分異,提出土壤保持服務(wù)的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”分區(qū)指標(biāo)體系,輸入SOFM網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析多種分區(qū)方案,并基于景觀聚集度指數(shù)優(yōu)選分區(qū)方案。研究結(jié)果表明,內(nèi)蒙古自治區(qū)可劃分出土壤保持服務(wù)保護(hù)區(qū)、控制區(qū)和重建區(qū)3個(gè)一級(jí)區(qū)及11個(gè)二級(jí)區(qū)。根據(jù)分區(qū)特點(diǎn)能夠揭示內(nèi)蒙古地區(qū)氣候背景、土壤保持能力和植被條件的地帶性分異特點(diǎn),更為清晰全面的刻畫了流域尺度不同土壤保持服務(wù)區(qū)的空間分異特征。同時(shí),將最優(yōu)土壤保持服務(wù)分區(qū)結(jié)果與內(nèi)蒙古自治區(qū)的年均溫等值線和年降水量等值線進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示,通過SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出的土壤保持服務(wù)分區(qū)結(jié)果與內(nèi)蒙古生態(tài)基底要素具有良好的一致性,分區(qū)方案呈現(xiàn)明顯梯度性且與氣溫、降水的變化走向一致。

然而,需要指出的是,本研究仍存在一些不足。首先,目前有關(guān)土壤侵蝕模型預(yù)測(cè)效果尚存爭議,基于RUSLE、RWEQ模型計(jì)算出的土壤保持量是潛在侵蝕量和實(shí)際侵蝕量相減得到,其數(shù)值的絕對(duì)值具有較大不確定性,也因此本研究重點(diǎn)關(guān)注這一指標(biāo)的空間分異。如何更準(zhǔn)確的度量內(nèi)蒙古自治區(qū)的土壤侵蝕量、保持量,仍有待更多機(jī)理模型的探討。其次,地理學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)的核心問題之一為尺度效應(yīng)[65],空間統(tǒng)計(jì)單元的變化會(huì)對(duì)最終的分區(qū)結(jié)果產(chǎn)生影響,因此在今后的研究工作中可以進(jìn)一步探討空間統(tǒng)計(jì)單元變化對(duì)于分區(qū)結(jié)果的影響。再次,在干旱半干旱地區(qū),風(fēng)蝕與水蝕經(jīng)常交替發(fā)生,二者之間可能存在疊加效應(yīng),對(duì)此如何定量表征將成為下一步工作的重點(diǎn)。此外,SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型雖能有效規(guī)避權(quán)重設(shè)置等主觀問題,但在網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及訓(xùn)練區(qū)的選擇等方面仍有一定主觀性,如何規(guī)避這些影響、改進(jìn)SOFM模型,亦是有待深入探討的重點(diǎn)問題。

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Soil conservation service zoning in the Inner Mongolia Autonomous Region based on PSR framework

PENG Jian1,2, WU Wenhuan1,2, LIU Yanxu2, HU Yina2

1LaboratoryforEarthSurfaceProcesses,MinistryofEducation,CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China2KeyLaboratoryforEnvironmentalandUrbanSciences,SchoolofUrbanPlanningandDesign,ShenzhenGraduateSchool,PekingUniversity,Shenzhen518055,China

Soil erosion has been a critical ecological issue in northern China. Inner Mongolia Autonomous Region is located in the arid and semi-arid area, which is a typical soil erosion area in northern China. Based on the analytical framework of pressure-state-response (PSR), this study takes the Inner Mongolia Autonomous Region as the study area, and constructs the index system from three aspects: climatic background, soil conservation, and vegetation condition. It aims at addressing the remaining issue of complexity and subjectiveness in weigh specification towards ecological function zoning in the previous studies. In the study, self-organizing feature map (SOFM) neural network and GIS spatial analysis technique were applied to carry out the soil conservation service zoning with the 1280 small watersheds as the basic unit and the schemes were optimized according to the aggregation degree of the zoning units. The Inner Mongolia Autonomous Region was divided into three ecological functional zones and eleven sub-zones based on the principle of regional conjugation. The three ecological functional zones include Soil Conservation Services Protection Area, Soil Conservation Services Controlling Area, and Soil Conservation Services Rehabilitation Area. According to the characteristics of zoning, the results clearly indicate the zonal distribution of climatic background, soil conservation service and vegetation condition in Inner Mongolia, and quantify the characteristics and spatial differences of the ecological functions at watershed scale more comprehensively. The result of the optimal soil conservation service zoning was compared to the annual average temperature contours and annual precipitation contours in Inner Mongolia. It shows that the ecological function zoning results obtained by SOFM neural network model were in good agreement with the spatial patterns of basic ecological elements. The zoning scheme indicates a significant gradient and is consistent with changes in temperature and precipitation.

soil conservation service; RUSLE model; RWEQ model; SOFM neural network; Inner Mongolia Autonomous Region

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)課題(201511001-01)

2017- 02- 22;

2017- 05- 23

10.5846/stxb201702200273

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jianpeng@urban.pku.edu.cn

彭建,武文歡,劉焱序, 胡熠娜.基于PSR框架的內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤保持服務(wù)分區(qū).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(11):3849- 3861.

Peng J, Wu W H, Liu Y X, Hu Y N.Soil conservation service zoning in the Inner Mongolia Autonomous Region based on PSR framework.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3849- 3861.