2000—2020年北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)植被生態(tài)功能變化及驅(qū)動(dòng)因子分析

王麗霞，史園莉，張宏偉，畢曉玲，申文明，馬萬(wàn)棟

生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094

北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)北起大興安嶺西麓的呼倫貝爾，向西南延伸經(jīng)過(guò)內(nèi)蒙古東南、冀北、晉北、陜北以及鄂爾多斯高原，直至寧夏南部和甘肅南部（周立華等，2019）。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)是從半干旱區(qū)向干旱區(qū)過(guò)渡的廣闊區(qū)域，也是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植向畜牧業(yè)過(guò)渡的區(qū)域，屬于生態(tài)脆弱帶和生態(tài)敏感帶。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)草場(chǎng)資源非常豐富，是中國(guó)非常重要的畜牧業(yè)基地，也是遏制荒漠化、沙化東移及南下的重要生態(tài)屏障，對(duì)保護(hù)華北平原與京津地區(qū)免受沙塵侵襲有重要作用（袁宏霞等，2014；鄭圓圓等，2014）。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)是受人類活動(dòng)和氣候變化影響最顯著的區(qū)域之一。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)年降水量偏低，一般250—500 mm，且蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水年際間變化較大，大范圍干旱經(jīng)常發(fā)生。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土壤質(zhì)地輕且粗疏，以沙土類和壤土類居多，土壤中有機(jī)質(zhì)含量普遍較低。土地利用方式主要是草地、林地和耕地，以半農(nóng)半牧、時(shí)農(nóng)時(shí)牧的土地利用方式為特征。由于種植業(yè)比牧業(yè)效益高，草地被大量開(kāi)墾為耕地。常常因氣候干旱、土地沙化和肥力衰退等原因，耕地生產(chǎn)力迅速降低。實(shí)驗(yàn)證實(shí)草地轉(zhuǎn)化為耕地10年后，土壤有機(jī)質(zhì)減少34%（Jiao et al.，2009）。農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)農(nóng)田絕大部分沒(méi)有灌溉條件，很少施肥，長(zhǎng)期以來(lái)形成了撂荒耕作制度（Chen et al.，2021）。一般情況下草地開(kāi)荒耕作后4—5年就使土壤肥力基本耗竭，不得不撂荒，另外開(kāi)墾新田種植（孟慶濤等，2003）。撂荒耕作制度使土地利用方式頻繁改變，致使地表植被的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，極易導(dǎo)致水土流失和土地沙化等生態(tài)問(wèn)題。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)脆弱，對(duì)氣候變化和土地利用改變都十分敏感（Liu et al.，2011；Zhu et al.，2021）。氣候變化明顯驅(qū)動(dòng)農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)狀況發(fā)展變化（史文嬌等，2017）。牧草適應(yīng)能力強(qiáng)，大范圍干旱對(duì)牧草造成的減產(chǎn)幅度遠(yuǎn)比糧食作物小。從生態(tài)環(huán)境保護(hù)角度看，畜牧業(yè)更適合于農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的自然環(huán)境。1999年開(kāi)始，北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)實(shí)施了大規(guī)?！叭薄狈雷o(hù)林工程、退耕還林還草工程、天然林保護(hù)工程和京津冀風(fēng)沙源治理工程等。在人為保護(hù)措施和氣候變化共同作用下，北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)NDVI明顯提高（Su et al.，2016），植被生產(chǎn)力得到顯著提升（Huang et al.，2013），植被展示出顯著變綠趨勢(shì)（Liu et al.，2018；Pei et al.，2021）。

針對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)功能的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)及其變化速率，仍然缺乏定量化的辨識(shí)。為探討2000—2020年北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)植被生態(tài)功能變化趨勢(shì)及其驅(qū)動(dòng)因子，本研究利用 2000年以來(lái)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、土地覆蓋和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，選擇了植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）、水源涵養(yǎng)和水土保持3個(gè)生態(tài)功能指標(biāo)，在1 km×1 km空間精度上量化北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)功能及其變化速率，并分析氣候變化和人為活動(dòng)對(duì)生態(tài)功能的制約關(guān)系。本研究對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化，保護(hù)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)據(jù)與研究區(qū)

1.1 研究區(qū)概況

北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)（北至49°36′N(xiāo)，東至 124°42′E，西至 105°45′E，南至 36°01′N(xiāo)）是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植向畜牧業(yè)過(guò)渡的區(qū)域，空間范圍涉及內(nèi)蒙古自治區(qū)、黑龍江省、吉林省、遼寧省、河北省、山西省、陜西省、寧夏回族自治區(qū)和甘肅省等9個(gè)省區(qū)（圖1A）。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)屬于中國(guó)地勢(shì)的第二階梯，海拔多在1000 m以上，空間上包括黃土高原北部、內(nèi)蒙古高原南緣和東北地區(qū)西部，大部分屬于典型高原地貌。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)西部是黃土高原，地形比較破碎，黃土丘陵廣泛分布；中部是內(nèi)蒙古高原與燕山山脈交接處，以平坦高原和低山丘陵為主；東部為大興安嶺余脈及其向東北平原過(guò)渡區(qū)，以低山丘陵和平原為主（圖1B）。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)氣候是溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水主要來(lái)自夏季風(fēng)，具有從東南向西北逐漸減少的趨勢(shì)，年際波動(dòng)較大，多年平均降水量較低，一般250—500 mm（圖1C）。但是年蒸發(fā)量比較高，是年降水量的2—3倍，大部分屬于干旱區(qū)。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)年均氣溫普遍較低，2000—2020年平均溫度為5.9 ℃（圖1D）。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)植被類型以草地為主，兼有開(kāi)墾的農(nóng)田和人工林。該區(qū)域受氣候變化影響和人為干預(yù)十分強(qiáng)烈，水土流失和土地沙化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，是中國(guó)退耕還林還草的重點(diǎn)區(qū)。

圖1 研究區(qū)地理位置（A）、地形特征（B）、年降水（C）和年均氣溫（D）分布圖Fig. 1 Location (A), geomorphological features (B), annual precipitation (C) and annual average temperature (D) of study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

為計(jì)算植被NPP、植被覆蓋度、水土保持功能和水源涵養(yǎng)能力，使用了歸一化植被指數(shù) NDVI、數(shù)字高程模型DEM、年降水、年氣溫等數(shù)據(jù)。其中，2000—2020年的 NDVI來(lái)源于美國(guó)宇航局中分辨率成像光譜輻射計(jì)傳感器（Moderate Resolution Imaging Spectro radiometer sensors）16 d時(shí)間分辨率、1 km×1 km空間分辨率的NDVI柵格產(chǎn)品，然后采用最大值合成法提取每年的NDVI最大值，用于計(jì)算植被NPP和覆蓋度。DEM來(lái)源于美國(guó)太空總署（NASA）和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局（NIMA）聯(lián)合測(cè)量的SRTM3（Shuttle Radar Topography Mission）數(shù)據(jù)，空間分辨率為90 m×90 m。DEM主要用于提取1 km×1 km空間分辨率的高程、坡長(zhǎng)和坡度等參數(shù)，以及年氣溫的空間插值。2000—2020年的年降水、年氣溫等來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)的氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，然后結(jié)合DEM數(shù)據(jù)插值成1 km×1 km空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。2000年和2018年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn），數(shù)據(jù)土地利用二級(jí)分類的 30 m分辨率柵格形式，通過(guò)重分類轉(zhuǎn)化成一級(jí)分類。

2 研究方法

植被覆蓋度、NPP、水源涵養(yǎng)能力和水土保持都與植被類型關(guān)系密切。根據(jù)模型適用范圍、模型模擬精度等標(biāo)準(zhǔn)，植被覆蓋度采用了基于NDVI的傳統(tǒng)計(jì)算方法。在植被NPP、水源涵養(yǎng)能力和水土保持計(jì)算時(shí)，選擇適合中國(guó)森林、草地、荒漠等植被類型的模型及參數(shù)（包括系數(shù)）。其中，植被類型的分布信息來(lái)源 2018年國(guó)土資源調(diào)查的土地利用分類圖。

2.1 植被覆蓋度模型

氣候和人類共同影響下的植被覆蓋度通過(guò)MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品 NDVI獲取。首先從評(píng)估年的一系列NDVI中提取年最大值NDVI。然后根據(jù)如下公式計(jì)算各個(gè)格點(diǎn)的植被覆蓋度（Wang et al.，2019）。

式中：

Cv——植被覆蓋度；

VNDVI——年最大值標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)；

VNDVI-soil——完全是裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；

VNDVI-max——完全被植被所覆蓋的像元NDVI，即純植被像元的NDVI值。

2.2 植被NPP模型

首先利用時(shí)間序列的 16 d MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品NDVI提取評(píng)估年的最大值 NDVI，然后采取分植被類型、分區(qū)模擬植被NPP，以提高模擬精度。其中，（森林灌叢）林地植被NPP是由海拔、每年的最大值NDVI、年降水和年均溫來(lái)計(jì)算（Ji et al.，2020）。

式中：

VNPP——凈初級(jí)生產(chǎn)力（g·m?2·a?1）；

t——年均溫（℃）；

P——年降水（mm）；

A——海拔（m）；

VNDVI—— 一年內(nèi)最大的歸一化植被指數(shù)NDVI。

草地和荒漠的植被 NPP由每年的 NDVI最大值反演濕草質(zhì)量，然后轉(zhuǎn)化為NPP。徐斌（2007）將全國(guó)草地分為6個(gè)區(qū)，分別建立草原產(chǎn)草量遙感監(jiān)測(cè)模型。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)涉及3個(gè)區(qū)，各區(qū)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)計(jì)算鮮草質(zhì)量的公式（表1）。然后根據(jù)《中國(guó)草地資源》（1996）中的草地干濕比系數(shù)（0.31）折算成植被NPP。

表1 三大草地區(qū)的鮮草質(zhì)量計(jì)算公式1）Table 1 Formula of fresh grass mass in three grass areas

2.3 水源涵養(yǎng)模型

水源涵養(yǎng)功能采用《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》（環(huán)境保護(hù)部，2017）里的計(jì)算方法，由植被因子、土壤滲流因子、降水因子、地形坡度因子等計(jì)算。

式中：

VWR——水源涵養(yǎng)能力；

VNPP-mean——植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（g·m?2·a?1）；

Fsic——土壤滲流因子；

Fpre——降水量因子；

Fslo——坡度因子。

這種基于 NPP計(jì)算水源涵養(yǎng)量的方法得到的數(shù)值實(shí)際上是水源涵養(yǎng)服務(wù)能力指數(shù)（李萌等，2019），無(wú)法給出水源涵養(yǎng)功能的物理量值，但能評(píng)估水源涵養(yǎng)功能的空間上或時(shí)間變化上的相對(duì)大?。ǜ呒驳?，2019）。

2.4 水土保持模型

水土保持功能采用《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》（環(huán)境保護(hù)部，2017）里的計(jì)算方法，通過(guò)降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長(zhǎng)因子、坡度因子、植被覆蓋因子參數(shù)計(jì)算水土保持量。

式中：

Ac——水土保持量（t·hm?2·a?1）；

Ap——潛在土壤侵蝕量；

Ar——實(shí)際土壤侵蝕量；

R——降雨侵蝕力因子（MJ·mm·hm?2·h?1·a?1）；

K——土壤可蝕性因子（t·hm2·h·hm?2·MJ·mm?1）；

L——坡長(zhǎng)因子；

S——坡度因子；

C——植被覆蓋度因子。

2.5 生態(tài)功能變化的氣候作用識(shí)別

為識(shí)別氣候因子對(duì)生態(tài)功能變化的作用，分析了2000—2020年的植被NPP、水土保持、水源涵養(yǎng)能力指數(shù)、降水、氣溫等生態(tài)氣象要素的年際變化趨勢(shì)。在機(jī)理分析基礎(chǔ)上，根據(jù)變化趨勢(shì)及其波動(dòng)特點(diǎn)的相似性，可以判斷要素之間的相關(guān)性，初步判別氣候因子在生態(tài)功能變化中的作用。然后，降水和氣溫分別與植被NPP、水土保持、水源涵養(yǎng)能力指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，用擬合系數(shù)（r2）量化彼此之間的相關(guān)性，擬合系數(shù)（r2）越大，二者相關(guān)性越大。

2.6 生態(tài)功能變化的人為作用識(shí)別

為識(shí)別人為因子對(duì)生態(tài)功能變化的作用，分析了研究區(qū)主要人類活動(dòng)。一方面是退耕還林還草、“三北”防護(hù)林和天然林保護(hù)等生態(tài)工程促進(jìn)了生態(tài)環(huán)境改善。另一方面是開(kāi)荒、建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)局部植被造成一定程度破壞。土地利用變化則集中體現(xiàn)了上述人類活動(dòng)的影響。因此，采用（2000—2018年）土地利用圖的疊加分析的方法，識(shí)別生態(tài)用地和建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)換。生態(tài)用地增加代表人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)功能的正面作用，建設(shè)用地增加則代表人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)功能的負(fù)面作用。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)功能及其變化

基于遙感信息和地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，在1 km×1 km空間精度上量化了北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)植被NPP、水土保持和水源涵養(yǎng)能力等基本生態(tài)功能。2000—2020年北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)平均 NPP 為 652.8 g·m?2·a?1，平均水土保持量為 615.5 t·hm?2·a?1，平均水源涵養(yǎng)能力指數(shù)為54.2。這些基本生態(tài)功能的空間差異比較顯著，但是它們具有相似的空間分布規(guī)律。在東部和中南部NPP、水土保持量和水源涵養(yǎng)能力指數(shù)相對(duì)較高，而在西北部NPP、水土保持量和水源涵養(yǎng)能力指數(shù)相對(duì)較低（圖2A、2C、2E）。

2000—2020年北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的NPP、水土保持功能和水源涵養(yǎng)能力等生態(tài)功能顯著提高。NPP呈明顯增加趨勢(shì)的面積占北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)面積 95%以上，尤其是東部和南部 NPP增加最明顯，增加速率為 20—50 g·m?2·a?1。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)（1 km×1 km柵格）平均NPP由2000年的502.6 g·m?2·a?1增加到 2020 年 789.6 g·m?2·a?1，增加幅度為 57.1%，多年平均增加速率為 13.6 g·m?2·a?1（圖2B）。

2000—2020年北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的水土保持量大幅度增加，呈明顯增加趨勢(shì)的面積占北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)總面積 98%左右，絕大部分區(qū)域的水土保持增加速率 0—50 t·hm?2·a?1。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)（1 km×1 km 柵格）平均的水土保持量由 2000年的473.5 t·hm?2·a?1增加到 2020 年的 744.9 t·hm?2·a?1，增加幅度達(dá) 57.3%，多年平均增加速率為 12.9 t·hm?2·a?1（圖 2D）。

2000—2020年北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的水源涵養(yǎng)能力指數(shù)也大幅度增加，呈明顯增加趨勢(shì)的區(qū)域占北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)總面積96%以上，大部分區(qū)域的水源涵養(yǎng)能力指數(shù)增加速率為 0—12（圖 2B）。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)（1 km×1 km柵格）平均水源涵養(yǎng)能力指數(shù)由2000年的42.7增加到2020年的79.7，增加幅度達(dá)86.7%，多年平均增加速率為1.8（圖2F）。

圖2 2000—2020年研究區(qū)平均的NPP（A）、水土保持（C）和水源涵養(yǎng)能力指數(shù)（E）及變化（B，D，F(xiàn)）分布圖Fig. 2 Distribution of the average NPP (A), soil and water conservation (C) and water conservation capacity index (E)and their changes (B, D, F) from 2000 to 2020 in the study area

北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)植被NPP、水土保持功能和水源涵養(yǎng)能力明顯提高，是植被生態(tài)質(zhì)量改善和生態(tài)功能提高的直接體現(xiàn)，預(yù)示氣候變化和人類活動(dòng)共同作用推動(dòng)該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)向良性發(fā)展。

3.2 生態(tài)功能變化的氣候作用

理論上，氣溫和降水量都與植被生態(tài)質(zhì)量密切相關(guān)，氣溫和降水量變化都是植被變化的重要驅(qū)動(dòng)力。由于北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)平均氣溫較低，低溫是限制植物生長(zhǎng)的重要因素之一，氣溫升高有助于延長(zhǎng)植被生長(zhǎng)期，有助于提高植被NPP和覆蓋度。北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)相對(duì)比較干旱，降水增加為植被提供了更充足的水分。2000—2020年北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)出現(xiàn)顯著暖濕化趨勢(shì)，客觀上有利于植被生產(chǎn)功能提高。

為驗(yàn)證氣候暖濕化對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)功能的影響，分析了2000—2020年期間生態(tài)功能指標(biāo)（NPP、水土保持和水源涵養(yǎng)能力指數(shù)）和氣候指標(biāo)（降水和氣溫）的年際變化趨勢(shì)，結(jié)果顯示：年降水量與 NPP、水土保持和水源涵養(yǎng)能力指數(shù)的多年變化趨勢(shì)和波動(dòng)特點(diǎn)相似（圖3A），溫度和各生態(tài)功能都呈增加的趨勢(shì)，但就某一年份而言，溫度凸起的高值年份對(duì)應(yīng)的 NPP、水土保持和水源涵養(yǎng)能力指數(shù)下凹的低值年份（圖3B）。年降水量與 NPP、水土保持和水源涵養(yǎng)能力指數(shù)的擬合系數(shù)（r2）相對(duì)較高，分別為0.7562（Sig.<0.01）、0.7573（Sig.<0.01）和 0.9155（Sig.<0.01）（圖 3C），預(yù)示年降水量升高對(duì)植被生態(tài)功能提升有非常顯著的影響。年均溫與NPP、水土保持和水源涵養(yǎng)的擬合系數(shù)（r2）相對(duì)較小，分別為 0.0195（Sig.=0.546）、0.0191（Sig.=0.55）和 0.0164（Sig.=0.58）（圖3D），表明年均溫升高對(duì)植被生態(tài)功能的提升影響不顯著。

圖3 2000-2020年研究區(qū)NPP、水土保持和水源涵養(yǎng)能力指數(shù)與年均降水（A）和年均氣溫（B）變化趨勢(shì)圖和相關(guān)關(guān)系圖（C，D）Fig. 3 Trend (A, B) of NPP, soil and water conservation, water conservation capacity index, average annual precipitation and average annual temperature, and their correlations (C, D) in the study area from 2000 to 2020

無(wú)論年均溫還是年降水量都與植被生態(tài)功能呈正相關(guān)，預(yù)示無(wú)論氣溫升高還是降水增加都對(duì)植被生態(tài)功能起積極的正效應(yīng)。氣溫與降水分別與各生態(tài)功能的年際波動(dòng)趨勢(shì)顯示：各功能谷值對(duì)應(yīng)氣溫的峰值，各功能的峰值對(duì)應(yīng)降水的峰值，說(shuō)明氣溫升高可能對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)功能產(chǎn)生不利影響，而降水量增多是提升該地區(qū)生態(tài)功能的主要?dú)夂蛞蛩亍?/p>

3.3 生態(tài)功能變化的人為作用

人類活動(dòng)對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)植被結(jié)構(gòu)和功能的影響十分明顯。一方面是退耕還林還草、“三北”防護(hù)林和天然林保護(hù)生態(tài)工程促進(jìn)了生態(tài)環(huán)境改善。另一方面開(kāi)荒、建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對(duì)局部植被造成一定程度破壞。2000—2018年土地利用圖的疊加分析結(jié)果顯示：北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)換非常明顯，人類對(duì)土地利用類型的影響十分強(qiáng)烈。2000—2018年，其他類型轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)用地（林地、草地、水域和未利用土地）的面積總計(jì) 31120.39 km2，其中轉(zhuǎn)化為林地、草地、水域和未利用的面積分別為 8174.69、13564.44、1863.19、7518.07 km2；其他類型轉(zhuǎn)變?yōu)榉巧鷳B(tài)用地（耕地和建設(shè)用地）的面積總計(jì)22540.44 km2，其中轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地的面積分別為15683.81 km2和6856.63 km2（表2、表3、圖4）。轉(zhuǎn)化為生態(tài)用地的面積明顯大于轉(zhuǎn)化為非生態(tài)用地的面積，表明退耕還林還草、人工造林等生態(tài)保護(hù)措施明顯增加了生態(tài)用地，有助于生態(tài)環(huán)境改善?？傮w上，北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)土地利用方式的變動(dòng)有助于植被生態(tài)功能的改善，是植被生態(tài)功能提升的重要驅(qū)動(dòng)力。

圖4 研究區(qū)2018年土地利用（A）和2000—2018年土地利用變化（B）分布圖Fig. 4 Distribution map of land use in 2018 (A) and their changes from 2000 to 2018 (B) in the study area

表2 2000—2018年研究區(qū)土地利用面積Table 2 Land use area from 2000 to 2018 in the study area km2

表3 2000—2018年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land use transfer matrix from 2000 to 2018 in the study area km2

4 討論

本研究證實(shí) 2000—2020年北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的NPP、水源涵養(yǎng)能力和水土保持等生態(tài)功能明顯提升，體現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境改善。這與該區(qū)域NDVI明顯提高，植被顯著變綠趨勢(shì)是一致的（Su et al.，2016；Liu et al.，2018；Chen et al.，2021）。同時(shí)，基于《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 192—2015）的評(píng)估結(jié)果也與本研究結(jié)果一致，2000—2020年北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)環(huán)境質(zhì)量“穩(wěn)中變好”（何立環(huán)等，2014；劉嬋等，2020）。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)環(huán)境比較脆弱，對(duì)氣候變化和人為活動(dòng)均表現(xiàn)為比較敏感。盡管一些研究認(rèn)為氣候變化導(dǎo)致的極端氣候事情增多增強(qiáng)，可能對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)不利影響（Xu et al.，2018；Wang et al.，2018）。本研究結(jié)果表明：2000—2020年農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的植被生產(chǎn)功能、水源涵養(yǎng)能力和水土保持功能等生態(tài)功能仍然呈現(xiàn)出明顯增加趨勢(shì)（圖2、3）。

氣候要素的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的空間格局有顯著影響，其邊界范圍明顯隨著降水量變化而波動(dòng)（Li et al.，2018；史文嬌等，2017）。本研究對(duì)比了 2000—2020年北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的年降水、NPP、水土流失和水源涵養(yǎng)能力變化特征，在1 km×1 km空間精度上證實(shí)年降水量與NPP、水土流失和水源涵養(yǎng)能力的多年變化趨勢(shì)比較相似（圖 3），從另一個(gè)側(cè)面驗(yàn)證了降水量等氣候變化因素對(duì)促進(jìn)生態(tài)功能提升起到顯著影響。這與以前的研究結(jié)論“水分條件是影響農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)環(huán)境變化的主要因子”基本一致（何立環(huán)等，2014）。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的開(kāi)荒、棄耕、退耕還林還草、防護(hù)林建設(shè)、風(fēng)沙源治理、生態(tài)移民工程等人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重要影響。一些研究表明北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的植被恢復(fù)工程明顯地改善了生態(tài)服務(wù)功能（Liu et al.，2021）。研究認(rèn)為農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)開(kāi)荒、棄耕等活動(dòng)直接影響到農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的空間格局（Liu et al.，2011），植被生產(chǎn)力增加與農(nóng)田的相對(duì)比例密切相關(guān)，退耕還林還草導(dǎo)致農(nóng)田比例下降，對(duì)改善和恢復(fù)植被生產(chǎn)力起到積極的促進(jìn)作用（Huang et al.，2013；王一帆等，2020）。農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)植被覆蓋度的增加在很大程度上取決于生態(tài)工程建設(shè)及其相關(guān)的保護(hù)措施（Liu et al.，2018）。本研究結(jié)果顯示：其他類型用地轉(zhuǎn)化為生態(tài)用地或生態(tài)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)化的面積為31220.38 km2，而其他土地利用類型轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地的面積為22540.44 km2，一系列生態(tài)保護(hù)措施使其他類型土地轉(zhuǎn)化為生態(tài)用地的面積大于墾荒和建設(shè)破壞的面積，這有助于生態(tài)環(huán)境改善（表2、3和圖4）。

5 結(jié)論

2000—2020年北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū) 95%以上區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)功能明顯提高，植被生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)總體變好趨勢(shì)，這與全球植被整體變化趨勢(shì)基本一致。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）、水土保持功能和水源涵養(yǎng)能力指數(shù)的提升幅度分別為 57.1%、57.3%和86.7%。NPP由2000年的502.6 g·m?2·a?1增加到2020年的 789.6 g·m?2·a?1；水土保持量由 2000 年的 473.5 t·hm?2·a?1增加到 2020 年的 744.9 t·hm?2·a?1；水源涵養(yǎng)能力指數(shù)由2000年的42.7增加到2020年的79.7。2000—2020年暖濕化氣候變化趨勢(shì)和人們的生態(tài)保護(hù)活動(dòng)都對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)功能提升起了積極作用，尤其是年降水量增加對(duì)生態(tài)功能提升有非常顯著的促進(jìn)作用。人們利用暖濕化的有利氣候條件，實(shí)施退耕還林還草、防護(hù)林建設(shè)促進(jìn)了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)功能提高。