全球主要生態(tài)退化區(qū)和研究熱點區(qū)的空間分布與演變

張云芝,胡云鋒,*,韓月琪,戰(zhàn) 勝

1 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室,中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 聊城大學(xué),聊城 252000

工業(yè)革命以來,全球氣候變暖、淡水資源短缺、環(huán)境污染、生物多樣性銳減、土地荒漠化等問題日益突出,不僅影響了全球經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展,而且威脅著人類的生存。生態(tài)退化已經(jīng)成為全球面臨的重大問題之一。生態(tài)退化是指由于人類對自然資源過度以及不合理利用而造成的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞、功能衰退、生物多樣性減少、生物生產(chǎn)力下降以及土地生產(chǎn)潛力衰退、土地資源喪失等一系列生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象[1]；生態(tài)退化主要包括荒漠化、水土流失、石漠化、森林破壞、濕地萎縮等多種退化類型,其中又以荒漠化、水土流失和石漠化三種生態(tài)退化過程最為普遍、最受公眾所關(guān)注[2]。

荒漠化從本質(zhì)上說是一種土地退化,土地退化帶來了不同程度的荒漠化問題[3]。1991年,全球人為土壤退化評價(Global Assessment of Human-induced Soil Degradation,GLASOD)項目基于各國科學(xué)家的經(jīng)驗知識,發(fā)布了全球第一份土壤退化評估報告[4]。GLASOD是在聯(lián)合國環(huán)境署(United Nations Environment Programme,UNEP)資助和領(lǐng)導(dǎo)下,由各國科學(xué)家在統(tǒng)一準(zhǔn)則指導(dǎo)下研制的全球尺度土地退化數(shù)據(jù)集。鑒于其權(quán)威性、專業(yè)性和全球尺度的特點,GLASOD數(shù)據(jù)集自發(fā)布以來,一直廣受科學(xué)界和國際組織的廣泛重視和使用[5- 7]。近年來,隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展,衛(wèi)星遙感技術(shù)已成為荒漠化監(jiān)測評價的主要手段。第一版的《全球荒漠化地圖集》對全球荒漠化狀況的描述直接引用了GLASOD土壤退化評估結(jié)果[8],第三版的《全球荒漠化地圖集》則基于衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)評估了全球土地退化狀況[9]。需要特別指出的是：荒漠化作為一個動態(tài)過程,荒漠化區(qū)與荒漠、沙漠并不能混為一談[10]。

廣義的“水土流失”是地表土壤及母質(zhì)、巖石受到各種破壞和移動、堆積過程以及水本身損失的自然現(xiàn)象,但狹義的“水土流失”則是特指水力侵蝕過程[11]。這種“水土流失”導(dǎo)致土地貧瘠、巖石裸露、植被破壞、生態(tài)惡化,影響到人類和其他動植物的生存,是另一種廣泛發(fā)生的生態(tài)退化過程。在水土流失評價方面,美國學(xué)者Wischmeier最早提出了著名的通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)[12]；Chang和Bayes則將修正通用水土流失方程(Revised USLE,RUSLE)與GIS結(jié)合起來,分析了美國俄亥俄州查爾斯米爾湖流域最易遭受侵蝕的區(qū)域[13]。在中國,學(xué)者們開發(fā)了適用于我國的水土流失遙感定量快速監(jiān)測方法(Chinese Soil Loss Equation,CSLE)[14]；應(yīng)用遙感技術(shù),繪制了中國土壤侵蝕的空間分布圖[15]。

相比于水土流失,石漠化是一特殊的、發(fā)生在亞熱帶喀斯特環(huán)境中的土壤侵蝕過程[16]。當(dāng)前,基于衛(wèi)星遙感影像的地表類型解譯、時序變化檢測是提取石漠化空間分布、分析其動態(tài)演化過程的主要技術(shù)手段。在中國,姚永慧等利用SPOT5/ALOS、高分一號/資源三號數(shù)據(jù)等,結(jié)合地面調(diào)查、解譯方法分析了貴州省關(guān)嶺縣石漠化分布與時空演化過程[17]；劉鵬等在縣域尺度上繪制了云南省石漠化分布區(qū)劃圖[18]；齊向坤等比較了高度非均勻喀斯特地貌下石漠化遙感監(jiān)測提取方法的適用性[19]。在歐洲,Daly等提出了喀斯特-地下水-脆弱性評價和制圖的“歐洲方法”[20]；Bartolomé Andreo等采用該方法在西班牙南部開展了喀斯特石漠化脆弱性、危害和風(fēng)險性制圖[21]。

雖然研究人員針對荒漠化、水土流失、石漠化等主要生態(tài)退化過程開展了不同地域、不同空間尺度、不同主題方向的研究,但總的來看,目前還缺乏一個對全球生態(tài)退化空間分布格局總體的和全局性的認(rèn)識和研究框架。繪制全球主要生態(tài)退化類型的空間分布地圖,掌握21世紀(jì)以來各個重點退化區(qū)內(nèi)生態(tài)變化的基本態(tài)勢,這不僅是當(dāng)前生態(tài)地理學(xué)研究的重要主題,同時也是各國開展工程建設(shè)生態(tài)影響評估的重要基礎(chǔ)。在繪制生態(tài)退化空間分布地圖的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探討生態(tài)退化與生態(tài)退化研究、生態(tài)退化與生態(tài)治理的時空耦合關(guān)系,這是改進(jìn)和完善全球生態(tài)退化治理的前提條件。然而,既有的研究在上述兩方面所取得的進(jìn)展并不十分令人滿意。

首先,在主要生態(tài)退化過程的時空分布格局及其演變態(tài)勢的認(rèn)識方面,各國科學(xué)家應(yīng)用衛(wèi)星遙感方法,在區(qū)域尺度上、針對單一的生態(tài)退化過程的研究已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展[22- 26]。然而,在全球尺度上,過去20年來全球科學(xué)家對于生態(tài)退化的空間制圖研究并沒有取得實質(zhì)性進(jìn)步。來自土壤學(xué)、風(fēng)沙學(xué)、水土保持科學(xué)、巖溶學(xué)、農(nóng)業(yè)等多種學(xué)科的科研人員分別繪制了本專業(yè)的土地退化圖[4, 27- 30],但是很少有綜合多種學(xué)科,特別是將土地退化與植被退化相結(jié)合起來、針對生態(tài)單元變化態(tài)勢的綜合制圖研究。在應(yīng)用多學(xué)科專業(yè)知識集成與制圖方面,其難點和突破點在于一張圖的綜合集成、多退化類型的重疊判別；結(jié)合長時序衛(wèi)星遙感產(chǎn)品分析,如何將植被態(tài)勢、土地變化向生態(tài)退化類型轉(zhuǎn)變也仍有待探究。

其次,在生態(tài)退化區(qū)域與科學(xué)研究關(guān)注區(qū)、生態(tài)退化重點治理區(qū)的空間匹配和相互關(guān)系研究領(lǐng)域,目前生態(tài)學(xué)界的相關(guān)研究總體上是偏少的、甚至可以說是缺乏的。已有的研究中,絕大多數(shù)是針對生態(tài)退化及其影響的刻畫和描述[28],少量是針對生態(tài)退化治理工程的成效分析[31]。雖然所有的生態(tài)學(xué)研究都會對生態(tài)研究的前沿方向進(jìn)行綜述[32],對于熱點地區(qū)進(jìn)行快速的追蹤分析[23-24]；但對于生態(tài)退化研究熱點的分析是描述性的、非空間化的。對于生態(tài)退化現(xiàn)狀與相關(guān)科學(xué)研究關(guān)注熱點的空間匹配,以及退化態(tài)勢與研究關(guān)注及治理的綜合聯(lián)系,目前絕大多數(shù)研究者都沒有注意到,或者是缺乏相應(yīng)的技術(shù)手段開展這種耦合匹配分析。在互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)研究地理生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,已經(jīng)有研究人員提出應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)爬蟲技術(shù)開展生態(tài)監(jiān)測與評估的設(shè)想[33]?？紤]到在科學(xué)研究中,眾多知識庫平臺已經(jīng)繼承了海量的科技期刊論文。從這些科技論文中提取特定主題的地理空間信息,從而分析特定自然和生態(tài)過程的空間分布規(guī)律、時間演化特征并最終形成制圖成果,這是將大數(shù)據(jù)技術(shù)與專業(yè)研究相結(jié)合的重要研究方向。在這方面,胡云鋒、韓月琪等利用中國期刊網(wǎng)(China National Knowledge Infrastructure,CNKI)、Web of Sciences(WOS)等知識引擎,研制了中國和全球尺度的石漠化、荒漠化研究熱點地圖[34- 36]。在互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)生態(tài)監(jiān)測評估和制圖研究領(lǐng)域,一個研究難點是需要解決各種地名信息的自動化提取和空間匹配、基于位置的自然地理和生態(tài)環(huán)境問題建模分析,以及針對時空分析結(jié)果的知識凝練和實踐應(yīng)用。

針對上述問題,特別是考慮到當(dāng)前全球生態(tài)退化研究中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)豐富、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)方法日益突出的現(xiàn)實,本文作者聚焦于荒漠化、水土流失、石漠化等主要生態(tài)退化類型,依據(jù)國際權(quán)威和主流的多源、多尺度的生態(tài)退化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成果,結(jié)合21世紀(jì)以來的長時序衛(wèi)星遙感影像、陸地生態(tài)系統(tǒng)地表關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)集,主要應(yīng)用多源數(shù)據(jù)整合與融合、互聯(lián)網(wǎng)文獻(xiàn)大數(shù)據(jù)采集和建模分析方法,開展了全球尺度的生態(tài)退化空間分布、變化態(tài)勢和研究熱點研究。通過研究,作者試圖回答以下3個科學(xué)問題：

(1)荒漠化、水土流失和石漠化等主要生態(tài)退化類型有著怎樣的全球空間分布規(guī)律？

(2)21世紀(jì)以來,全球主要生態(tài)退化類型區(qū)有著怎樣的變化態(tài)勢？

(3)世界各國的科研人員對哪些生態(tài)退化區(qū)比較重視？又對哪些生態(tài)退化區(qū)有所忽視？

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

全球土地退化程度數(shù)據(jù)集(Land Degradation Severity Map)來自于1991年聯(lián)合國GLASOD(Global Assessment of Human-Induced Soil Degradation)項目發(fā)布的全球第一份土壤退化評估報告。該數(shù)據(jù)集是以世界各國科學(xué)家在統(tǒng)一的準(zhǔn)則指導(dǎo)下,參考衛(wèi)星遙感所得的NDVI指標(biāo),主要根據(jù)專家自身經(jīng)驗和知識,對各種地理單元的屬性(退化類型、范圍、程度、比率和主要原因等)進(jìn)行判別,并最終形成全球制圖成果[37]。全球喀斯特巖溶地圖(World Karst Aquifer Map)是由Hartmann和Moosdorf[27]研制的全球數(shù)字巖性圖為依據(jù),在世界水文地質(zhì)制圖和評估方案(World-wide Hydrogeological Mapping and Assessment Programme,WHYMAP)框架下編制的。

中國土壤侵蝕空間分布數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,該數(shù)據(jù)集是依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL190- 96《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》的總體要求編制而成。中國沙漠、戈壁和綠洲分布來自于《中國自然地理圖集(第三版)》。巖溶地區(qū)石漠化土地狀況分布來自于國家林業(yè)局,是全國巖溶地區(qū)第二次石漠化監(jiān)測工作成果。

用于提取全球生態(tài)退化研究熱點區(qū)信息的數(shù)據(jù)源自Web of Sencince(WOS)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺。WOS是全球領(lǐng)先的跨學(xué)科引文數(shù)據(jù)庫,它收錄了11000多種世界權(quán)威的、高影響力的學(xué)術(shù)期刊及全球110,000多個國際學(xué)術(shù)會議錄,內(nèi)容涵蓋自然科學(xué)、工程技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、社會科學(xué)、藝術(shù)與人文等領(lǐng)域,WOS的論文文獻(xiàn)最早可以回溯至1900年。

用于開展全球生態(tài)退化區(qū)生態(tài)系統(tǒng)時序變化監(jiān)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是MODIS NDVI產(chǎn)品(MOD13A3),該數(shù)據(jù)集來源于美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)。MODIS NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品由大氣校正后的雙向地表反射率反演得到,該產(chǎn)品有效地描述了全球范圍內(nèi)的植被狀態(tài)和過程[38]。研究中,作者使用了2000—2017年、空間分辨率為1 km的MOD13A3月產(chǎn)品,通過應(yīng)用年內(nèi)最大值合成方法得到年度NDVI產(chǎn)品。

1.2 研究方法

1.2.1總體技術(shù)路線

本研究首先開展了多源、多尺度數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)融合,即將不同來源的土地退化圖、土壤侵蝕圖、DEM地圖等開展空間疊加,通過一系列復(fù)雜的地圖綜合操作,實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)在主題、屬性、等級、尺度、維度上的整合和融合,由此形成了全球生態(tài)退化區(qū)空間分布地圖。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步應(yīng)用21世紀(jì)以來的長時序年際NDVI變化斜率分析方法,判別全球各生態(tài)退化區(qū)的演變態(tài)勢。而后,作者運用互聯(lián)網(wǎng)文獻(xiàn)大數(shù)據(jù)方法,提取國際學(xué)術(shù)界生態(tài)退化研究相關(guān)論文中的地名信息,構(gòu)建生態(tài)退化研究熱度指數(shù),并形成其空間化的表達(dá)。最后,作者綜合上述3方面成果,對全球生態(tài)退化空間分布、退化區(qū)變化態(tài)勢、生態(tài)退化與生態(tài)研究的空間耦合關(guān)系等開展深入的討論。

論文整體技術(shù)路線如下圖所示(圖1)。

圖1 總體技術(shù)路線圖Fig.1 General technical flowchart

1.2.2多源數(shù)據(jù)集成

為了生成全球尺度生態(tài)退化區(qū)的空間分布圖,需要開展多源、多尺度數(shù)據(jù)集成分析,即將不同來源、不同尺度的土地退化圖、土壤侵蝕圖、DEM地圖等開展空間疊加,通過一系列地圖綜合操作,實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)在主題、屬性、等級、尺度、維度上的整合和融合。具體做法是：

首先,基于GLASOD數(shù)據(jù)集的退化類別屬性,獲得荒漠化和水土流失區(qū)的斑塊,同時繼承這些斑塊的生態(tài)退化嚴(yán)重程度評價分值；而后,將其中的水土流失斑塊與全球喀斯特地貌圖集進(jìn)行疊加,將位于喀斯特地區(qū)的水土流失斑塊確定為石漠化區(qū)域。將以上成果數(shù)據(jù)進(jìn)一步與全球NDVI數(shù)據(jù)疊加,并使用NDVI<0.8作為閾值開展掩膜處理、剔除高覆蓋植被區(qū)域,由此得到一個較粗分辨率的全球尺度生態(tài)退化區(qū)空間分布數(shù)據(jù)集。

考慮到中國區(qū)域生態(tài)退化數(shù)據(jù)集的豐富程度以及數(shù)據(jù)集本身的精細(xì)和準(zhǔn)確程度,在上述粗分辨率數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,作者進(jìn)一步將中國政府或其它權(quán)威部門發(fā)布的生態(tài)退化空間數(shù)據(jù)集融合進(jìn)來。具體做法是：首先,考慮到荒漠化區(qū)的定義,需要從全球土地退化地圖中剔除沙漠、戈壁等自然地理單元；而后,基于國家林業(yè)局發(fā)布的《巖溶地區(qū)石漠化土地狀況分布》,可以獲得全國石漠化地區(qū)空間分布數(shù)據(jù)；根據(jù)水利部和中國科學(xué)院聯(lián)合研制并發(fā)布的中國土壤侵蝕空間分布圖,可以獲得全國水土流失空間分布數(shù)據(jù)。將中國境內(nèi)的高精度數(shù)據(jù)集替代全球尺度上的相關(guān)圖斑,同時開展地圖接邊檢查、地圖屬性一致性檢查、升尺度融合操作,最終得到全球主要生態(tài)退化區(qū)的空間分布圖。

1.2.3變化趨勢分析

趨勢分析是定量測度生態(tài)系統(tǒng)變化方向和變化程度的基本方法,本研究選取長時序(2000—2017年)MODIS NDVI產(chǎn)品作為評價陸表生態(tài)系統(tǒng)變化的基礎(chǔ)指標(biāo)。與簡單對比兩個時間斷面上NDVI差異的方法相比,趨勢分析方法可以消除特定年份的個體效應(yīng),更客觀地反映陸表植被覆蓋狀況長期演化的方向和趨勢。趨勢分析中斜率可以通過如下公式計算：

(1)

式中,Slope為變化斜率；Slope為正,意味著NDVI上升、植被蓋度提高,陸地生態(tài)系統(tǒng)狀況處于改善過程中；Slope為負(fù),意味著NDVI下降、植被蓋度減小,陸地生態(tài)系統(tǒng)狀況處于退化過程中。Yi表示第i年的NDVI值；n為監(jiān)測時段的年數(shù)(n=18)。為了保障趨勢分析結(jié)果的有效性,還對結(jié)果進(jìn)行了P值(P<0.05)統(tǒng)計顯著性檢驗。

1.2.4研究熱度分析

作者應(yīng)用Python語言開發(fā)了一個互聯(lián)網(wǎng)文獻(xiàn)大數(shù)據(jù)搜索和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先調(diào)用Web of Science提供的搜索接口以及Python內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)搜索工具,分別以“Desertification”、“Soil Erosion”、“Karst”為關(guān)鍵詞開展檢索。應(yīng)用程序完成搜索后,自動下載結(jié)果文獻(xiàn)的題目、摘要、關(guān)鍵詞、作者姓名及其單位等信息,并保存到本地的SQLite數(shù)據(jù)庫中。針對上述英文文獻(xiàn)信息,利用Stanford NLP提供的NER(Named Entity Recognition)模塊,提取文獻(xiàn)中涉及的地名實體名詞。而后,應(yīng)用Python地理處理工具包Geopy中Geocoders模塊,實現(xiàn)從地名實體到地址編碼(經(jīng)緯度信息)的轉(zhuǎn)換。最后,在ArcGIS環(huán)境中,對不同位置上的研究論文數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計,將論文頻次數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化,得到論文研究的熱力圖。

在全球尺度上,由于各個國家、地區(qū)之間的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平、科學(xué)技術(shù)研究力量差異巨大,不同地區(qū)之間會出現(xiàn)由于技術(shù)發(fā)展差異導(dǎo)致的“信息鴻溝”。因此,一個地區(qū)的研究熱度不能僅僅通過這個地區(qū)出現(xiàn)的生態(tài)退化研究論文的多少(即絕對熱度)來確定,而是要綜合考慮這個地區(qū)生態(tài)退化研究論文數(shù)量與全部研究論文數(shù)量的比值(即相對熱度)來確定的[34- 36]。相對熱度的計算公式如下：

(2)

(3)

式中,Q為相對研究熱度指數(shù)；Nspe為某一地點在以荒漠化、水土流失或石漠化為主題檢索得到的文獻(xiàn)出現(xiàn)的總頻次；Nall為某一地點在全部研究文獻(xiàn)中出現(xiàn)的總頻次。對Q進(jìn)行歸一化處理后,得到標(biāo)準(zhǔn)相對研究熱度指數(shù)Q*。其中,max(Q)是Q的最大值,min(Q)是Q的最小值。在研究熱度空間制圖過程中,參考自然斷點法給出的分級閾值方案,將研究熱度分為極高、高、中、較低、低五級。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)退化區(qū)空間分布

圖2 全球主要生態(tài)退化類型區(qū)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of global major ecological degradation regions

根據(jù)全球主要生態(tài)退化區(qū)空間分布圖(圖2),可以發(fā)現(xiàn)：荒漠化區(qū)主要分布在亞洲中部的蒙古高原、中國西北部,南亞次大陸西部,西亞的阿拉伯半島和伊朗高原,歐洲東南部,非洲撒哈拉沙漠北緣及南緣,北美洲的中部大平原,南美洲的巴塔哥尼亞高原等地區(qū)。水土流失區(qū)主要分布在位于亞洲東部的中國黃土高原和東南亞的中南半島,印度次大陸,歐洲地中海沿岸地區(qū)、東歐平原,非洲的撒哈拉沙漠南緣、非洲東部和南部,北美洲的密西西比河流域、南美洲的亞馬遜河流域南部。石漠化區(qū)主要分布在中國西南部地區(qū)、歐洲地中海沿岸地區(qū)以及北美洲墨西哥高原南部地區(qū)。

針對不同類型、不同等級的生態(tài)退化區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果表明(表1)：在全球尺度上,荒漠化區(qū)域面積最大(15.4×106km2)；水土流失區(qū)的面積與荒漠化的面積大致相當(dāng)(14.3×106km2),而石漠化區(qū)域的面積最小,其總面積(1.1×106km2)不到荒漠化區(qū)或者水土流失區(qū)總面積的8%。在退化程度上,有一半以上荒漠化區(qū)為中度退化,而全球的水土流失與石漠化主要以輕度退化為主(77.9%、64.2%)。

表1 全球主要生態(tài)退化類型的面積統(tǒng)計

針對不同生態(tài)退化類型在全球各大洲的空間分布進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果表明(圖3)：亞洲3種主要生態(tài)退化區(qū)的面積最大(12.0×106km2),占全球生態(tài)退化總面積的39.0%。在上述6個大洲中,亞洲、北美洲、南美洲、大洋洲的生態(tài)退化類型以荒漠化為主、水土流失次之,石漠化最小；而非洲、歐洲則是以水土流失為主,荒漠化、石漠化次之。

圖3 各大洲主要生態(tài)退化類型面積統(tǒng)計Fig.3 Area statistics of global major ecological degradation regions

2.2 生態(tài)退化區(qū)變化態(tài)勢

對全球時序(2000—2017年)NDVI變化態(tài)勢制圖(圖4),結(jié)果表明：2000—2017年,全球植被總體趨勢有所改善,生態(tài)系統(tǒng)狀況處于轉(zhuǎn)好態(tài)勢。全球NDVI上升區(qū)域(75.6%)明顯大于下降區(qū)域(24.4%)。其中,NDVI呈上顯著升趨勢區(qū)域(23.6%)主要分布在中國大部,俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)、印度次大陸、歐洲東南部,非洲北部、澳大利亞北東部和南部的沿海地區(qū),加拿大東北部等地區(qū)。已有的研究表明,植被覆蓋度上升主要受全球氣溫上升、人類對土地的可持續(xù)利用、管理及保護(hù)活動能力的提升有關(guān)[29]。NDVI呈顯著下降趨勢區(qū)域(2.5%)主要分布在俄羅斯中部,沙特阿拉伯中部,非洲中、東部,南美洲東部等地區(qū)。相關(guān)研究表明,這些地區(qū)植被覆蓋度的下降受氣候干旱以及快速的城市化等人類負(fù)向干擾等影響顯著[39- 41]。除上述顯著變化地區(qū)之外,全球另有74.0%的區(qū)域,其陸地植被雖然呈現(xiàn)變化,但是不具有統(tǒng)計顯著性。

圖4 2000—2017年全球陸表植被年內(nèi)最大NDVI的變化趨勢Fig.4 Evolution tendency of annual maximum NDVIs of global terrestrial vegetation during 2000—2017

圖5 2000—2017年全球主要生態(tài)退化區(qū)植被生態(tài)變化的空間分布Fig.5 Spatial distribution of global terrestrial vegetation ecosystem evolution in different ecological degradation regions

結(jié)合全球主要生態(tài)退化區(qū)空間分布圖,對各個生態(tài)退化區(qū)的植被變化態(tài)勢開展疊加分析,可以顯示21世紀(jì)以來各個生態(tài)退化區(qū)的最新生態(tài)變化(圖5、表2)。結(jié)果顯示：2000年以來,大約有3.9%的生態(tài)退化區(qū)處于退化加重態(tài)勢。其中：荒漠化退化加重區(qū)主要分布在阿拉伯半島中部；水土流失加重區(qū)主要分布在非洲中東部、安哥拉中部以及亞丁灣沿岸；石漠化退化加重區(qū)零星分布于小亞細(xì)亞半島南部及中國云貴高原。大約有22.8%的生態(tài)退化區(qū)處于退化逆轉(zhuǎn)、即生態(tài)改善的態(tài)勢。其中：荒漠化退化逆轉(zhuǎn)區(qū)主要分布在加拿大南部、印度半島北部、伊朗南部、非洲北部以及中國西北部分地區(qū)；水土流失退化逆轉(zhuǎn)區(qū)主要分布在歐洲地中海沿岸、小亞細(xì)亞半島、印度半島中部及中國黃土高原等地；石漠化退化逆轉(zhuǎn)主要分布在中國西南部云貴高原等地。全球其它生態(tài)退化區(qū)(占全部生態(tài)退化區(qū)總面積的73.3%)的植被變化呈現(xiàn)持衡趨勢。

表2 全球主要生態(tài)退化區(qū)內(nèi)不同植被變化趨勢區(qū)域的面積統(tǒng)計

2.3 生態(tài)退化研究熱點區(qū)及其演變

根據(jù)全球英文SCI文獻(xiàn)檢索和自然語言理解、分詞、空間制圖的結(jié)果,可以得到1970年代以來全球生態(tài)退化研究熱點區(qū)的空間分布圖(圖6)。結(jié)果表明：在亞洲,阿拉伯半島西部及伊朗高原西部呈現(xiàn)為較高比例的荒漠化研究；中國北部主要為荒漠化研究,中部為水土流失研究；在歐洲大部,水土流失研究占據(jù)絕對優(yōu)勢,其中巴爾干半島地區(qū)還伴有較高熱度的石漠化研究；在非洲的維多利亞湖沿岸表現(xiàn)出較多的水土流失研究；在北美洲,美國西海岸及東部平原地區(qū)均以水土流失研究為主；在南美洲西南部,出現(xiàn)了水土流失研究的集聚區(qū)；在大洋洲,澳大利亞東部主要為水土流失研究。

圖6 全球主要生態(tài)退化研究熱點區(qū)的空間分布Fig.6 Spatial distribution of the global major ecological degradation research hotspot regions

就單一的生態(tài)退化研究來說,僅體現(xiàn)為石漠化高研究熱度的區(qū)域范圍小、且集中分布于歐洲亞得里亞海東岸,如：波斯尼亞和黑塞哥維那、黑山以及塞爾維亞等國家。對水土流失的研究關(guān)注區(qū)域分布在除南極洲以外的其他所有大洲,其中以西歐和地中海沿岸研究熱度最高,如：西班牙、法國、瑞士、意大利、德國以及英國等地區(qū)；此外,東亞黃土高原地區(qū)、南澳大利亞科西阿斯科山附近、東非維多利亞湖周圍、北美阿巴拉契亞山脈附近均出現(xiàn)不同程度的水土流失研究關(guān)注熱度?；哪难芯繜岫葏^(qū)域集中分布在亞洲、非洲以及北美洲等地,其中以東亞蒙古高原、黃土高原以及云貴高原為高熱度區(qū)域。此外,在南亞印度河流域、西亞伊朗高原、東非撒哈拉沙漠、埃塞俄比亞高原以及北美墨西哥高原等地也有中等熱度的荒漠化研究。

此外,就復(fù)合生態(tài)的研究熱點區(qū)來說,研究者對荒漠化與水土流失同時關(guān)注的區(qū)域為中國東部和南部、伊朗西部、以色列、意大利南部、摩洛哥北部以及墨西哥南部等地區(qū),其中以中國東部及南部研究熱度最高,其他區(qū)域研究熱度基本持平。對石漠化與水土流失同時關(guān)注的區(qū)域為歐洲亞得里亞海東岸,例如：奧地利、斯洛文尼亞克羅地亞等國家。對荒漠化、水土流失與石漠化研究相對共同關(guān)注的區(qū)域較小,僅集中在歐洲地中海沿岸包括希臘及意大利南部等。

全球荒漠化研究熱點區(qū)域范圍呈擴(kuò)張趨勢(圖7)。1990年以前,荒漠化研究主要集中在美國西南部的科迪勒拉山系南段、印度西南部的塔爾沙漠、亞洲地中海沿岸部分區(qū)域、非洲乍得盆地和東非高原及德拉肯斯山脈等地區(qū)。1991—2000年,研究熱點逐漸開始向全球擴(kuò)張,非洲及美國依舊是熱點區(qū)域,同時研究熱點的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。在歐洲西南部和東南部地區(qū)、亞洲蒙古國西部和東南部區(qū)域以及中國北方地區(qū)、南美洲秘魯境內(nèi)的安第斯山脈等地區(qū),都有比較明顯的荒漠化研究熱點出現(xiàn)。進(jìn)入21世紀(jì)后, 研究熱點進(jìn)一步擴(kuò)張,非洲、美國及歐洲南部仍舊是熱點區(qū)域。亞洲荒漠化研究擴(kuò)張明顯,研究熱點范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,其中中國和蒙古國擴(kuò)張最為明顯,印度半島、阿拉伯半島、伊朗高原等地區(qū)也有明顯的荒漠化研究熱點。

圖7 1970—2017年全球荒漠化研究熱點空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of global desertification research hotspots from 1970 to 2017

全球水土流失研究熱點在東亞地區(qū)大體呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)張趨勢,但在其他大洲呈現(xiàn)先擴(kuò)張、后收縮的變化態(tài)勢(圖8)。1990年以前,水土流失研究主要集中在非洲埃及部分區(qū)域以及埃塞俄比亞高原、亞洲印度西北部、北美洲美國西部等地區(qū)。1991—2000年,研究熱點逐漸開始向全球擴(kuò)張,歐洲以及美國成為熱點區(qū)域；歐洲波羅的海沿岸、地中海沿岸、阿拉伯半島紅海沿岸以及波斯灣沿岸,都有比較明顯的熱點出現(xiàn)；中國和俄羅斯以及非洲南部地區(qū)也開始出現(xiàn)水土流失相關(guān)研究。進(jìn)入21世紀(jì)后,研究熱點進(jìn)一步擴(kuò)張,除美國和西歐仍舊是水土流失的研究熱點,東亞地區(qū)出現(xiàn)水土流失研究明顯增多之外,南美洲西海岸、非洲東部的亞丁灣和維多利亞湖周邊以及南部的德拉肯斯山脈、澳大利亞東南部、東南亞大部以及南亞西部,水土流失研究熱度都有不同程度下降。

圖8 1930—2017年全球水土流失研究熱點空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of global soil erosion research hotspots from 1930 to 2017

全球喀斯特/石漠化研究熱點區(qū)域范圍大體呈現(xiàn)先擴(kuò)張后收縮的變化趨勢(圖9)。1990年以前,石漠化研究主要集中在歐洲西部,如斯洛文尼亞、克羅地亞、瑞士、比利時以及德國西部、法國東北部、英國南部、瑞典南部等地區(qū)；北美洲中部,如加拿大地盾、美國密西西比河流域以及落基山脈等地區(qū)；南美洲北部圭亞那高原,如委內(nèi)瑞拉等地區(qū)。1991—2000年,研究熱點逐漸開始向全球擴(kuò)張,歐洲以及美洲等地區(qū)依舊是熱點區(qū)域,但是熱點研究區(qū)域范圍逐漸擴(kuò)大；此外,歐洲波羅的海沿岸、地中海沿岸,如西班牙、意大利、土耳其等國家；非洲直布羅陀海峽沿岸、索馬里半島,如摩洛哥以及埃塞俄比亞等地區(qū)；印度半島、中南半島、以及中國東部及西南部,澳大利亞東南部、墨西哥東部等地區(qū),都有比較明顯的熱點出現(xiàn),成為石漠化研究的熱點區(qū)域。進(jìn)入21世紀(jì)后,研究熱點出現(xiàn)一定程度收縮,除西歐地中海、波羅的海沿岸以及北美洲阿巴拉契亞山脈仍然保持石漠化研究熱點區(qū)域以外,東亞云貴高原研究熱度有一定范圍的擴(kuò)大；而此前研究熱點區(qū)域,例如非洲埃塞俄比亞高原、南美洲圭亞那高原以及澳大利亞大分水嶺等地區(qū),其研究熱度有明顯下降。

圖9 1920—2017年全球石漠化研究熱點空間分布Fig.9 Spatial distribution of global karst rocky desertification research hotspots from 1920 to 2017

3 討論

3.1 退化區(qū)與研究熱點區(qū)

對比全球主要生態(tài)退化區(qū)空間分布圖(圖2)與全球生態(tài)退化研究熱點區(qū)空間分布圖(圖6),可以發(fā)現(xiàn)：全球主要生態(tài)退化區(qū)與生態(tài)退化研究熱點在空間上總體呈現(xiàn)出一致性。具體地,就荒漠化而言,全球的研究者對于荒漠化重視較多,研究地域覆蓋較為全面。例如：在中國西北部、中亞、非洲撒哈拉沙漠的南部與北部等地區(qū),荒漠化問題都得到足夠的重視；就水土流失而言,例如：在中國黃土高原、歐洲地中海沿岸、美國東部等地區(qū),均有較高的研究熱度。這體現(xiàn)了全球科學(xué)家對各個生態(tài)退化區(qū)近年來生態(tài)演變態(tài)勢的準(zhǔn)確判斷,也是全球各國政府精準(zhǔn)投入科學(xué)資源的一種體現(xiàn)。

但是,在全球一些地區(qū)也存在“較高的生態(tài)退化卻對應(yīng)著較低的研究熱度”的錯位現(xiàn)象、或者是“較輕的生態(tài)退化卻對應(yīng)著較高的研究熱度”的錯位現(xiàn)象。例如：在南美洲北部、南部的荒漠化地區(qū)則缺少足夠的科研關(guān)注；在非洲中部、南部,印度次大陸等地區(qū),針對當(dāng)?shù)厮亮魇У难芯匡@然不夠充分。另一方面,則是如歐洲地中海北岸地區(qū)的西班牙、法國、德國、奧地利、羅馬尼亞地區(qū),整體的水土流失強(qiáng)度為輕,但研究熱度卻極其高。毫無疑問,這里出現(xiàn)的生態(tài)退化嚴(yán)重程度與生態(tài)退化研究熱門程度在空間上的脫節(jié),其原因與這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平、科研力量以及研究歷史有著密切關(guān)系[42- 44]。

此外,根據(jù)全球生態(tài)退化研究熱點區(qū)空間分布圖(圖6)可以發(fā)現(xiàn)：中國西南部(即云貴高原喀斯特地貌區(qū))呈現(xiàn)出較高的荒漠化研究熱度,而不是學(xué)者們一般認(rèn)為的“石漠化”、“水土流失”研究熱點區(qū)。這主要是學(xué)者們在論文中通常習(xí)慣于將石漠化進(jìn)一步解釋為石質(zhì)荒漠化過程的原因[45-46]。因此,對于中國西南部的嚴(yán)重的石漠化問題,中國的學(xué)者們?nèi)匀唤o予了極高的重視。

3.2 生態(tài)退化與生態(tài)治理

根據(jù)全球生態(tài)退化區(qū)植被生態(tài)變化態(tài)勢圖(圖5),可以發(fā)現(xiàn)：全球各國政府針對主要生態(tài)退化區(qū)通過一系列的工程治理,全球尺度上有22.8%的生態(tài)退化區(qū)內(nèi)實現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)的好轉(zhuǎn)。例如：中國政府長期以來實施“三北”防護(hù)林工程、天然林保護(hù)工程、退耕還林還草工程,這些生態(tài)工程基本建成后,使得中國西北部荒漠化區(qū)、黃土高原水土流失區(qū)、西南喀斯特石漠化區(qū)的植被蓋度有了明顯提升,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的宏觀結(jié)構(gòu)、植被生長質(zhì)量以及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等都有了顯著的提升[47- 50]。在國際上,一些國家根據(jù)其自身的生態(tài)特點,選擇了合適的生態(tài)退化治理措施,也取得了明顯成效。例如：土耳其開展人工造林種草[51]、伊朗推廣實施社區(qū)-牧民聯(lián)合管理[52]、肯尼亞發(fā)展人工牧草飼料種植[53]、印度開展水資源高效利用技術(shù)推廣[54]等,這些舉措對于地中海、波斯灣沿岸地區(qū)以及印度次大陸、非洲北部地區(qū)的生態(tài)好轉(zhuǎn)功不可沒。

盡管全球生態(tài)退化治理取得了明顯呈現(xiàn),但是根據(jù)我們的研究,全球目前仍然有3.9%的生態(tài)退化區(qū)出現(xiàn)退化加重現(xiàn)象,另外73.3%的生態(tài)退化區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)仍然保持在脆弱的平衡狀態(tài)。對于這些生態(tài)治理尚未得到明顯改善的、同時又缺乏科學(xué)界關(guān)注的生態(tài)退化區(qū)(例如沙特阿拉伯中部、哈薩克斯坦北部,巴西大部,安哥拉、南非等地區(qū))亟需引起全球各國政府與科學(xué)界關(guān)注。在上述地區(qū),生態(tài)之所以未能得到改善,一方面是因全球氣候變化背景下的局地效應(yīng),另一方面也是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平較差,政府投入有限所致,同時也有科研能力薄弱,未能根據(jù)生態(tài)退化的關(guān)鍵因子,實施針對性的治理措施所致。因此,未來各國政府和科學(xué)家應(yīng)當(dāng)考慮,在聯(lián)合國和有關(guān)國際機(jī)構(gòu)的組織框架下,通過國際合作、南北合作、南南合作等方式,實現(xiàn)對一些嚴(yán)重惡化的生態(tài)退化區(qū)開展生態(tài)治理。同時,在具體的生態(tài)治理過程中,要深入分析生態(tài)退化驅(qū)動因素的作用機(jī)理,綜合考慮區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會和技術(shù)條件,考慮區(qū)域居民的生計和可持續(xù)發(fā)展,科學(xué)有效地選擇和應(yīng)用生態(tài)治理技術(shù)。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用多源數(shù)據(jù)集成融合方法、長時序衛(wèi)星遙感參數(shù)產(chǎn)品分析、互聯(lián)網(wǎng)文獻(xiàn)大數(shù)據(jù)采集和建模分析方法等,開展了針對全球生態(tài)退化區(qū)、生態(tài)退化研究熱點區(qū)的空間分布格局及其演變特征的研究。研究不僅實現(xiàn)了從單一退化過程分析到綜合生態(tài)退化類型時空動態(tài)集成研究的轉(zhuǎn)換；同時還實現(xiàn)了生態(tài)退化分布—生態(tài)變化態(tài)勢—生態(tài)退化研究的貫通研究,為全球生態(tài)退化研究、生態(tài)退化治理等研究提供了可資參考的基礎(chǔ)底圖和研究范式。

論文編制了全球主要生態(tài)退化區(qū)的空間分布圖、全球生態(tài)退化區(qū)變化態(tài)勢圖以及全球生態(tài)退化研究熱點圖等重要圖件；刻畫了荒漠化、水土流失、石漠化等主要生態(tài)退化類型在全球的空間分布格局,定量統(tǒng)計了洲際尺度上各類型生態(tài)退化的面積特征；分析了21世紀(jì)以來全球生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律,深入探討了上述三種生態(tài)退化區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的變化態(tài)勢,指出全球生態(tài)退化區(qū)內(nèi)生態(tài)惡化的巨大風(fēng)險；此外,還分析了全球研究學(xué)者的重點關(guān)注區(qū)域的空間分布格局和三種主要生態(tài)退化研究熱點區(qū)空間分布格局的演變軌跡,探討了研究熱點區(qū)域與生態(tài)退化區(qū)的空間匹配程度,說明了兩者間存在的空間差異所表征的生態(tài)退化與生態(tài)治理之間的矛盾性問題。

總結(jié)起來,本文的研究成果深化了人們對全球主要生態(tài)退化區(qū)域的分布格局的整體認(rèn)識,對于防范全球各個區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和工程項目建設(shè)中出現(xiàn)加重的生態(tài)退化也具有參考價值。同時,需要指出的是：本文在編制全球主要生態(tài)退化區(qū)空間分布圖時,采用的技術(shù)路線是多源、權(quán)威數(shù)據(jù)集成和融合的方法。包括GLASOD等數(shù)據(jù)集在內(nèi)的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都可能存在表征年代偏舊、時空基準(zhǔn)不匹配、專業(yè)規(guī)范不協(xié)調(diào)等問題,目前所得到的全球主要生態(tài)退化區(qū)空間分布圖總體上是非常粗糙的,同時還有其它多種的生態(tài)退化類型(如濕地萎縮、森林退化等)尚未得到反映。