生態(tài)工程對(duì)科爾沁沙地主要生態(tài)服務(wù)功能的影響

張 鈐, 張方敏, 盧 琦, 李云鵬, 翁升恒, 韓典辰

(1.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210044; 2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所/沙漠林業(yè)試驗(yàn)中心, 北京 100091; 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

中國(guó)的北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是分割中國(guó)東部農(nóng)耕區(qū)和西部畜牧區(qū)的過(guò)渡條帶，亦是干旱與半濕潤(rùn)的過(guò)渡帶[1]，由于干旱少雨的氣候特征以及脆弱的生態(tài)條件，加上長(zhǎng)期放牧、過(guò)度開(kāi)墾等人為因素的影響，該區(qū)的水土流失、草地退化及沙漠化等生態(tài)問(wèn)題日益嚴(yán)重[1-3]。為了解決北方水土流失及沙漠化等生態(tài)問(wèn)題，中國(guó)實(shí)施了一系列生態(tài)建設(shè)工程(如“三北”防護(hù)林工程、退耕還林工程等)[4-6]。生態(tài)工程的實(shí)施對(duì)該區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善做出了巨大的貢獻(xiàn)，當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也隨之發(fā)生顯著的變化。

內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁沙地位于中國(guó)的北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，是氣候變化較為劇烈的地區(qū)之一[7]，亦是中國(guó)沙地面積最大且土地沙化較為嚴(yán)重的地區(qū)之一[8]。因此，在已有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究方法基礎(chǔ)上，開(kāi)展位于農(nóng)牧交錯(cuò)帶的科爾沁生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化評(píng)估，可以有助于認(rèn)清氣候變化背景下生態(tài)建設(shè)工程對(duì)該地區(qū)的生態(tài)建設(shè)成效。

目前，已有許多生態(tài)模型及方法應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評(píng)估。InVEST模型因數(shù)據(jù)獲取簡(jiǎn)單、操作方便、結(jié)果可靠而被廣泛應(yīng)用[9]，尤其在計(jì)算水土保持服務(wù)功能時(shí)，考慮了泥沙輸移和沉積，因此在評(píng)估水土保持方面更為精確[10]，但在一些指標(biāo)的計(jì)算上仍存在局限性，如在固碳量的計(jì)算上，忽略了土地利用類型上年際間的碳量變化，可能會(huì)由于林木生長(zhǎng)引起的碳量增加而產(chǎn)生誤差[11]。綜合考慮科爾沁沙地的實(shí)際情況，本文根據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》(GB/T38582-2020)[12]及《荒漠生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》(LY/T2006-2012)[13]中固碳量的估算方法，以及通過(guò)水量平衡法、InVEST模型，分別對(duì)科爾沁沙地的固碳量、水源涵養(yǎng)及水土保持服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估，以期為生態(tài)保護(hù)建設(shè)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

科爾沁沙地地處內(nèi)蒙古東南部，位于41°41′—46°05′N，117°49′—123°42′E，面積約為1.48×105km2。該區(qū)處于中溫帶亞濕潤(rùn)邊緣地區(qū)，是典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶[14]。年均降水量為412.60 mm，但年際變化較大；年均氣溫為6.5 ℃，平均風(fēng)速為3.8 m/s，春季大風(fēng)日較多。土壤類型主要為暗棕壤、栗鈣土、黑壚土、沙土、草甸土以及鹽堿土，植被以蒙古植物區(qū)系的植物為主[15]。土地利用類型以耕地、林地和草地為主，地形呈西高東低的特征[14]，平均海拔高度約為446.86 m(附圖1,見(jiàn)封3)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的土地利用數(shù)據(jù)(2000，2010，2018年)和高程(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)，空間分辨率為1 km；氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)，包括降水、氣溫日數(shù)據(jù)；遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品，主要包括植被監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歸一化植被指數(shù)(NDVI)，空間分辨率為1 km；蒸散(ET)和凈生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)通過(guò)生態(tài)過(guò)程模型BEPS模型計(jì)算得到，該模型的結(jié)果已在東亞等地區(qū)得到了很好的驗(yàn)證和應(yīng)用[16-17]。

1.3 方 法

1.3.1 土地利用分析 轉(zhuǎn)移矩陣可以定量描述各類土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化，由此確定土地利用類型的變化方向，其計(jì)算公式如下[18]：

(1)

(2)

(3)

式中：Mij為土地利用類型i變?yōu)閖的轉(zhuǎn)移量;Ai為在t1時(shí)期第i個(gè)土地利用類型的面積(km2);Bj為t2時(shí)期第j種土地利用類型的面積(km2)。

1.3.2 固碳量評(píng)估 固碳服務(wù)功能是生態(tài)系統(tǒng)所提供的重要服務(wù)功能之一，在改善生態(tài)環(huán)境和緩解全球氣候變化等方面起重要作用。根據(jù)光合作用的方程可知，植物利用太陽(yáng)光能吸收CO2和H2O，生成葡萄糖的碳水化合物并釋放O2，再以葡萄糖轉(zhuǎn)化為多糖，光合作用方程如下：

6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2

↓

多糖+H2O

(4)

植被每積累1單位干物質(zhì)，吸收固定1.63單位的二氧化碳，固碳量計(jì)算公式為[19]：

G固碳=1.63×R碳×NPP

(5)

式中：G固碳為植被年固碳量〔g/(m2·a)〕(以C計(jì))；R碳為CO2中碳的含量(27.27%)； NPP為單位面積植被凈生產(chǎn)力〔g/(m2·a)〕(以C計(jì))。

1.3.3 水源涵養(yǎng)評(píng)估 本研究基于水量平衡原理計(jì)算水源涵養(yǎng)量?？紤]降水量、蒸散及土地類型等相關(guān)因素，水源涵養(yǎng)量計(jì)算公式如下[20]：

TQ=(1-α)×PRE-ET

(6)

式中：TQ為總水源涵養(yǎng)量(mm);α為平均地表徑流系數(shù); PRE為年總降水量; ET為年總實(shí)際蒸散量。

1.3.4 水土保持評(píng)估 本研究采用InVEST模型計(jì)算水土保持量，即為潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量之差，其計(jì)算方法總結(jié)如下[21]：

AC=Ap-Ar

(7)

Ap=R×K×L×S

(8)

Ar=R×K×L×S×C×P

(9)

式中：AC為水土保持量〔t/(hm2·a)〕;Ap為潛在土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕;Ar為實(shí)際土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕;R為年降水侵蝕力因子〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕;K為土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·hm2·MJ·mm)〕;L,S分別為坡長(zhǎng)、坡度因子;C為植被覆蓋因子;P為保持措施因子。

1.3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化量 本研究采用絕對(duì)變化量直觀反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化情況，即：

ΔX=Xt-X0

(10)

式中：ΔX為各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化量;Xt為第t年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能量;X0為研究期內(nèi)初始年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能量。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候和土地利用變化特征

圖1給出了科爾沁沙地氣候要素的時(shí)間變化趨勢(shì)。由圖1a可知，降水呈顯著上升趨勢(shì)(p<0.05)，年均降水量在316.09～559.23 mm之間變化，多年平均降水量為412.60 mm。2001，2007，2009年降水量較少，而2005，2010，2012年降水量較多，且2012年降水量大幅度增加，為研究期內(nèi)的最高值559.23 mm。氣溫呈略微升高的趨勢(shì)，年均氣溫變化范圍在5.14～7.53 ℃之間，多年平均氣溫為6.50 ℃。其中，2005，2010，2012年氣溫較低，而2007年氣溫較高。綜合分析降水和氣溫條件，2007年科爾沁沙地高溫少雨，2005，2010，2012年氣溫低但降雨多，氣候較為濕潤(rùn)。根據(jù)圖1b，蒸散呈極顯著增加趨勢(shì)(p<0.01)，年均蒸散量在357.14～429.81 mm之間變化，多年平均蒸散為380.20 mm。2003，2005，2008，2010年蒸散較小，而2001，2007，2017年蒸散較大。

植被覆蓋歸一化指數(shù)(NDVI)能較好地表征植被特征。從圖1可知，NDVI呈現(xiàn)極顯著上升的趨勢(shì)(p<0.01)，其變化介于0.27～0.33之間，多年平均NDVI為0.30。2001，2007，2009年NDVI處于較低水平，2003，2005，2008，2012年以后NDVI處于較高水平。

科爾沁沙地的土地利用類型主要為耕地、林地和草地，面積大小為：草地>耕地>林地。空間上，林地集中分布在位于西北部的科爾沁右翼中旗、扎魯特旗、阿魯科爾沁旗和巴林左旗，耕地和草地則交錯(cuò)分布(圖1)。從時(shí)間變化上看(圖2)，2000—2010年土地利用類型變化比較小，而2000—2018年出現(xiàn)較大幅度的增減。其中耕地面積增加了3 280 km2，林地面積增加了8 448 km2及其他用地增加了892 km2，草地面積減少了12 639 km2，濕地和建設(shè)用地增減不明顯。

圖2 2000-2018年科爾沁沙地土地利用類型變化情況

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以清晰地掌握研究時(shí)期內(nèi)土地轉(zhuǎn)移動(dòng)向，2000—2018年科爾沁沙地土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表1。2000—2018年有9 471 km2草地轉(zhuǎn)為耕地，有8 574 km2草地轉(zhuǎn)為林地，有6 886 km2草地轉(zhuǎn)為其他用地。草地大幅度轉(zhuǎn)為耕地的同時(shí)還有1 989 km2的林地轉(zhuǎn)為耕地，1 152 km2的建設(shè)用地轉(zhuǎn)為耕地，以及2 166 km2其他用地轉(zhuǎn)為耕地。另外，有3 216 km2的耕地轉(zhuǎn)為林地，濕地、建設(shè)用地及其他用地均有不同程度地向林地轉(zhuǎn)移，林地面積有明顯的增加。

表1 2000-2018年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.2 固碳量功能變化特征

2001—2018年，科爾沁沙地固碳量極顯著增加(p<0.01)(圖3)，共增加3.34×106t(表2)。其中，耕地和林地的固碳量呈增加趨勢(shì)，而草地呈減少趨勢(shì)。2001年耕地、林地和草地的固碳量分別占所有土地類型固碳量的26.61%，15.22%，44.28%。2018年分別占所有固碳量的31.21%，20.39%，32.44%。對(duì)空間上單位面積的固碳量進(jìn)行分析(附圖2,見(jiàn)封3)，林地、草地和耕地3種主要土地類型相比，林地的單位面積固碳量最大，耕地次之，草地最?。粚?duì)比3種不同土地類型的單位面積固碳量變化情況(附圖3,見(jiàn)封3)，2001—2018年單位面積固碳量變化介于-60～90 g/m2(以C計(jì))之間，結(jié)果表明耕地增加最顯著，草地和林地次之。

圖3 2001-2018年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時(shí)間序列

表2 2001-2018年科爾沁各土地利用類型固碳量

2.3 水源涵養(yǎng)功能變化特征

2001—2018年科爾沁沙地水源涵養(yǎng)功能明顯改善，水源涵養(yǎng)總量呈先增加后略微減少的趨勢(shì)，從2001年的3.19×108m3增加到2010年的1.40×1010m3，后減少為2018年的6.41×109m3(表3)。在所有土地利用類型中，林地的水源涵養(yǎng)總量持續(xù)增加，2001年林地水源涵養(yǎng)總量為3.10×107m3，占所有地類水源涵養(yǎng)總量的9.71%，2018年增長(zhǎng)為9.14×108m3，占所有地類水源涵養(yǎng)總量的14.25%。受降水量、蒸散等多方面影響，空間上單位面積水源涵養(yǎng)量分布不均，如2018年的巴林左旗、開(kāi)魯縣、科爾沁區(qū)和敖漢旗基本無(wú)水源涵養(yǎng)能力，翁牛特旗、通榆縣、科爾沁右翼中旗、左翼中旗和左旗后旗的平均單位面積水源涵養(yǎng)量大于30 mm，水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)(附圖2，見(jiàn)封3)。2001—2018年單位面積水源涵養(yǎng)變化量由北向南逐漸降低(附圖3，見(jiàn)封3)，變化范圍為-260～360 mm，表明研究期間通榆縣和科爾沁右翼中旗在生態(tài)工程實(shí)施下的水源涵養(yǎng)能力改善明顯。

表3 2001-2018年科爾沁各土地利用類型水源涵養(yǎng)量

2.4 水土保持功能變化特征

2001—2018年科爾沁沙地水土保持總量呈持續(xù)顯著上升的趨勢(shì)(p<0.05)(表4)，2001年水土保持總量為1.63×107t，2018年為3.01×107t，約增加1.38×107t。2001—2018年耕地和草地的水土保持總量在所有土地類型水土保持總量中的占比有所下降，而林地占比升高，2001年耕地、草地和林地占比分別為21.41%，46.70%，24.03%。2018年三者的比例分別為20.55%，34.00%，37.53%。單位面積水土保持的空間分布受地勢(shì)影響，大致呈現(xiàn)西高東低的分布特征，比如2018年科爾沁右翼中旗西北部、扎魯特旗、巴林左旗的平均單位面積水土保持量較高，超過(guò)3 t/hm2(附圖2，見(jiàn)封3)。2001—2018年單位面積水土保持量變化范圍介于-2.5～35.0 t/hm2之間，總體表現(xiàn)為西北增加顯著，其次為西南，其中增長(zhǎng)較高的地區(qū)主要集中分布在科爾沁右翼中旗西北部、扎魯特旗、阿魯科爾沁旗西北部、巴林左旗北部、翁牛特旗西部(附圖3，見(jiàn)封3)。

表4 2001-2018年科爾沁各土地利用類型水土保持量

3 討 論

生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施改變當(dāng)?shù)赝恋乩们闆r，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生一定影響[22]。研究表明研究區(qū)固碳量顯著增長(zhǎng)主要是由于耕地和林地固碳量的增加造成，這與耕地和林地面積增加相吻合，說(shuō)明土地利用類型面積的變化是固碳量變化的主要原因，與楊殊桐等[22]的研究結(jié)果一致。水源涵養(yǎng)總量呈先增加后略微減少的趨勢(shì)，在生態(tài)工程實(shí)施期間，植被覆蓋得到改善，水源涵養(yǎng)量增加，但同時(shí)也加大了蒸散量，從而引起水源涵養(yǎng)量的減少，并且隨著耕地面積的擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)耗水量增加，亦使水源涵養(yǎng)量減少，與祝萍等[23]、王秀明等[24]和曹葉琳等[25]的研究結(jié)果相近。水土保持總量持續(xù)上升，林地水土保持總量在所有土地類型水土保持總量中的占比有所提高，說(shuō)明林地在改善水土保持方面起著重要作用，與康慧慧等[26]的研究結(jié)果一致。

另外，分析各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的時(shí)間序列可知，2005年和2012年固碳量、水源涵養(yǎng)及水土保持均處于高水平，而2007，2009年處于低水平。結(jié)合降水與氣溫的年際變化，發(fā)現(xiàn)2005，2012年降雨充沛，氣溫略低，而2007，2009年高溫少雨。說(shuō)明干旱會(huì)造成生物量的減少以及植物生產(chǎn)力的降低，從而導(dǎo)致固碳量的減少，水源涵養(yǎng)量和水土保持量也因干旱而略微降低。由此可以判斷位于農(nóng)牧交錯(cuò)帶的科爾沁沙地各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化受氣候條件的影響，尤其受降水量影響明顯。因此，在未來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評(píng)估中需加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)因素分析，使評(píng)估結(jié)果更準(zhǔn)確和科學(xué)。

4 結(jié) 論

本研究計(jì)算并評(píng)估2001—2018年科爾沁沙地的固碳、水源涵養(yǎng)和水土保持生態(tài)服務(wù)功能的變化情況，得出如下結(jié)論：

(1) 科爾沁沙地2000—2018年土地利用類型主要為耕地、林地和草地，在生態(tài)建設(shè)工程下土地利用類型面積變化顯著，耕地面積增加3 280 km2，林地面積增加8 448 km2，草地面積減少12 639 km2，這主要是耕地、林地和草地間相互轉(zhuǎn)移的結(jié)果。

(2) 2001—2018年科爾沁沙地固碳量顯著增長(zhǎng)，耕地、林地的固碳量在所有土地類型固碳量中的占比分別增加4.50%，5.17%。草地固碳量占比減少10.84%，但草地固碳量仍最大。林地單位面積固碳量最大，耕地和草地次之。

(3) 2001—2018年科爾沁水源涵養(yǎng)總量呈先增加后略微減少的趨勢(shì)，與植被覆蓋及氣候條件密切相關(guān)，林地的水源涵養(yǎng)總量不斷增加。2001年林地水源涵養(yǎng)總量為3.10×107m3，占所有土地類型的9.71%。2018年增加為9.14×108m3，占所有土地類型的14.25%。

(4) 2001—2018年科爾沁沙地水土保持總量持續(xù)上升，約增加1.38×107t，但受地勢(shì)影響，呈西高東低的分布特征。林地水土保持總量在所有土地類型水土保持總量中的占比有所提高，2001年為24.03%，而2018年提高到37.53%，說(shuō)明林地具有較好的水土保持能力。