全 文 ：第 36 卷第 1 期
2016年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.36,No.1
Jan.,2016
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家“十二五冶科技支撑计划课题(2013BAC03B04);全国生态环境十年(2000—2010年)变化遥感调查与评估项目专题(STSN鄄14鄄00)
收稿日期:2014鄄08鄄28; 摇 摇 修订日期:2015鄄06鄄01
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: huanglin@ igsnrr.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201408281708
黄麟,曹巍,巩国丽,赵国松.2000—2010年中国三北地区生态系统时空变化特征.生态学报,2016,36(1):107鄄117.
Huang L, Cao W, Gong G L, Zhao G S.Spatial and temporal variations in ecosystems in the three northern regions of China, 2000—2010.Acta Ecologica
Sinica,2016,36(1):107鄄117.
2000—2010年中国三北地区生态系统时空变化特征
黄摇 麟*,曹摇 巍,巩国丽,赵国松
中国科学院地理科学与资源研究所,北京摇 100101
摘要:基于遥感解译反演、模型模拟估算等方法,以地面调查作为主要验证手段,分析了 21世纪前 10年我国三北地区生态系统
宏观结构、质量及关键服务变化状况及其驱动因素。 结果表明:(1)2000—2010年,三北地区林地面积净增加了 0.69万 km2,草
地面积减少了 0.13万 km2,湿地面积净减少 0.21万 km2,耕地面积减少了 0.87万 km2,人工表面增加了 0.57万 km2,其它类型面
积持续减少了 496.5km2。 (2)近 10年,三北地区归一化植被指数(NDVI)、叶面积指数(LAI)、地上植被生产力总体呈现轻微增
加趋势,特别是黄土高原丘陵沟壑区,然而植被覆盖度总体呈现微弱减少趋势。 (3)近 10年,三北地区单位面积土壤风蚀模数
下降了 27.25%,减少速率为每年 1.13t / hm2,由于风蚀力逐年减弱导致防风固沙服务量呈现减弱趋势。 三北地区水蚀区近 10
年土壤水蚀模数总体呈现微弱增加趋势,而黄土高原区和风沙区则呈现降低趋势,生态系统单位面积土壤保持服务量呈现增加
趋势,年增速 0.28t / hm2,说明土壤保持能力有所提高。 (4)三北地区近 10年气温变化斜率为 0.02益 / a,适度增温、降水量增加
有利于植被恢复;东北华北平原农区和黄土高原丘陵沟壑区人类负向扰动指数呈现减少趋势,说明人类活动对这两个区域自然
生态系统的扰动有所遏制。
关键词:三北地区;生态系统;时空格局;十年变化;遥感
Spatial and temporal variations in ecosystems in the three northern regions of
China, 2000—2010
HUANG Lin*, CAO Wei, GONG Guoli, ZHAO Guosong
Institute of Geographic Science and Natural Resources Research, Beijing 100101,China
Abstract: This study analyzed the ecosystem macrostructure, quality, and key services and their driving forces in the three
northern regions (northeastern, northwestern, and northern) of China, in the first 10 years of the 21st Century. The results
showed that (1) during 2000—2010, forestland area increased by 10,300 km2; grassland decreased by 900 km2; wetland
area decreased by 33. 9 km2; farmland increased by 1900 km2; artificial coverage increased by 12400 km2; and other
ecosystems decreased by 23700 km2 in the three northern regions. (2) The normalized difference vegetation index (NDVI),
leaf area index (LAI), and aboveground vegetation productivity in these regions increased slightly over the past 10 years,
especially in the Loess Hilly Region. However, the vegetation coverage decreased slightly. (3) The soil erosion modulus per
unit area decreased by 27.25% in the three northern regions, with an annual reducing rate of 1.13 t / hm2 . The amount of
sand-fixing services was low because the force of wind erosion decreased annually, suggesting that a reduced force in wind
erosion decreases the amount of soil erosion. In soil water erosion zones of the three northern regions, the soil water erosion
modulus showed a slight increasing trend in the past 10 years, whereas the modulus in the Loess Plateau and sand areas
showed decreasing trends. The amount of ecosystem soil conservation service per unit area showed an increasing trend, with
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an annual increasing rate of 0.28 t / hm2, indicating improved soil conservation capacity. (4) The temperature increased by
0.02益 / a, and precipitation increased by 3.00 mm / a in the past 10 years in the three northern regions, and the moderate
warming and increased precipitation were useful for vegetation recovery. The human disturbance index showed decreasing
trends in Loess Plateau and in the agricultural areas of Northeast and North Plain, indicating that the effect of human
disturbances on natural ecosystems has been suppressed in these two regions.
Key Words: the three northern regions; ecosystem; spatial and temporal patterns; variations in the last 10 years;
remote sensing
三北地区是我国最重要的自然资源储备区和生态屏障区,也是我国荒漠化最严重的地区[1],荒漠化土地
面积占全国荒漠化土地面积的 55%以上[2]。 地表径流和地下水资源不足,地面植被覆盖度不高、生产量偏
低,生态环境极其脆弱[3],风沙危害和水土流失十分严重[4鄄5]。 为了从根本上改善三北地区的生态环境状况,
我国于 1978年启动了三北防护林体系建设工程,至 2010 年完成了三北防护林四期工程。 2000 年以来,我国
在三北地区还实施了退耕还林(还草)、退牧还草、天然林保护等重大生态保护与建设工程。
许多学者开展了三北地区生态环境状况相关的研究,集中在三北地区防护林体系区域分异与开发潜
力[3]、区域气候变化及防护林的气候生态适应性[5鄄7],区域蒸散发变化[8],乔、灌木树种最适分布范围[9],防护
林空间分布信息提取及遥感监测[10鄄11],多年 NDVI 与植被覆盖度时空变化[12鄄14],土地退化及趋势[15],水土流
失和土壤侵蚀估算[16鄄17]等。 此外,探究三北地区生态问题亦成为众多学者的一个主要研究方向,比如违背植
被地带性分布规律,重乔轻灌草、土壤水分亏缺、土壤肥力不足和不平衡等[18鄄20]。 然而,上述研究主要针对三
北地区生态环境单因素开展分析,缺少对该地区生态系统整体状况的全面、科学、准确地把握。
人们迫切需要了解,三北地区过去 10年实施了大量重大生态建设工程后,区域生态系统如何变化? 发生
变化的主要驱动因素是什么? 哪些因素产生正面作用,哪些产生负面作用? 因此,本文试图通过分析 2000—
2010年生态系统类型、质量以及防风固沙、土壤保持生态系统服务的时空格局变化,了解气候变化与生态工
程背景下三北地区近 10年生态系统变化状况,并分析气候因子与人类扰动对三北地区生态系统变化的驱动
作用,为科学地评估生态工程的生态效应以及后续生态工程的滚动实施提供理论依据。
1摇 研究方法与数据
1.1摇 研究区概况
中国三北地区系指昆仑鄄秦岭鄄大巴山以北的部分地区,横跨我国西北、华北和东北三大地域[2],辖 13 省
(市),面积约占国土面积的 42.4%。 该区气候差异显著,大部分属于干旱、半干旱气候带,降水量由东向西、
从南到北递减,年均降水量在 20—450mm[4]。 受降水量的影响,天然植被类型从东到西依次为森林、森林草
原、草原和荒漠。
1.2摇 生态系统类型及其时空变化分析
三北地区生态系统类型主要划分为林地、草地、湿地、耕地、人工表面、其它等 6个类型。 林地即木本为主
的植物群落,郁闭度不低于 0.2,高度在 0.3m以上,包括自然、半自然植被及集约化经营和管理的人工木本植
被。 草地是一年或多年生草本植被为主的植物群落,覆盖度大于 20%,高度在 3m 以下。 湿地包括沼泽、水
域、永久性冰川、滩地等。 耕地是以收获为目的、有耕犁活动的人工种植草本植物覆盖表面。 人工表面即人工
建造用于城乡居民点、工矿、交通等的陆地表面。 其它包括年内最大植被覆盖度小于 20%的地表及冰雪。 基
于 2000、2005、2010 年 TM / ETM+、环境小卫星等 30m 空间分辨率遥感影像数据,经图像精纠正和拉伸处理
后,通过遥感解译判读,生成几期生态系统类型空间分布数据。 通过 1毅伊1毅经纬度交叉点的野外调查信息进
行结果的校正与验证,类型精度达到 85%以上。 进而对生态系统类型空间数据进行统计分析,综合评价 6 大
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生态系统类型的时空变化态势。
1.3摇 生态系统质量及其变化分析
收集 2000年至 2010年 MODIS的 16天 250m 分辨率 NDVI 数据(MOD13Q1),数据进行格式转换、重投
影、图像的空间拼接、重采样和滤波处理,采用最大合成法(MVC)得到年 NDVI 数据。 利用 NDVI 数据计算植
被覆盖度,根据像元二分模型理论,可以认为一个像元的 NDVI 值是由绿色植被部分贡献的信息与无植被覆
盖部分贡献的信息组合而成,最大植被覆盖度根据以下公式计算:
FC =
NDVI-NDVIsoil
NDVIveg-NDVIsoil
(1)
式中,FC 是植被覆盖度,NDVIveg是纯植被像元的 NDVI值;NDVIsoil是完全无植被覆盖像元的 NDVI 值,纯植被
像元和完全无植被像元根据生态系统类型数据进行识别。
采用 CASA模型[21]计算植被净初级生产力,输入参数包括气象数据插值的 1km 平均温度、蒸散量、日照
时数,MODIS1km分辨率反照率与植被指数产品,数字化的 1颐100万植被类型分布等,计算过程如下:
NPP =APAR ( )t 伊着 ( )t (2)
APAR=FPAR伊PAR (3)
从资料文档、气象数据中得到太阳总辐射量及日照时数等信息,然后结合像元经纬度计算得到 PAR。 利
用 NDVI计算比值指数 SR,通过 FPAR与 SR之间存在关系得到 FPAR。
FPAR=
SR-SR( )min 伊 FPARmax-FPAR( )min
SRmax-SRmin
+FPARmin (4)
SR= NIR
RED
= 1+NDVI
1-NDVI
(5)
式中,FPARmin和 FPARmax的取值与植被类型无关,分别取值为 0.001和 0.95,SRmin和 SRmax与植被类型有关,为
对应植被类型 NDVI的 5%和 95%的下侧百分位数。 NIR和 RED分别表示近红外波段和红波段的反射率。
植被将吸收的光合有效辐射(APAR)通过光合作用转化为有机碳的效率计算如下:
着 ( )t = 着* 伊 T1 ( )t 伊 T2 ( )t 伊 ( )W t (6)
式中,着*是最大光利用率(g / MJ),T1 和 T2 表示环境温度对光利用的抑制影响,W 为水分影响胁迫系数,均为
无量纲参数。
叶面积指数(LAI)是利用遥感反射率数据,结合生态系统分类数据得到调查区域内不同植被类型的像元
的 NDVI,然后采用查找表的方法,反演区域尺度上植被冠层 LAI。
1.4摇 生态系统服务及其变化分析
1.4.1摇 防风固沙服务量变化分析
在充分考虑气候条件、植被状况、地表土壤的粗糙度、土壤可蚀性、土壤结皮的情况下,利用修正的土壤风
蚀方程(RWEQ)定量评估土壤风蚀量。
Qx = Qmax 1 - e
x( )s[ ]2 (7)
Qmax = 109.8 伊 (WF 伊 EF 伊 SCF 伊 K忆 伊 COG) (8)
式中,SL表示土壤风蚀模数,x表示地块长度,Qx 表示地块长度 x处的沙通量(kg / m);Qmax表示风力的最大输
沙能力(kg / m);s表示关键地块长度(m);WF表示气象因子;EF 表示土壤可蚀性成分;SCF 表示土壤结皮因
子;K忆表示土壤糙度因子;COG表示植被因子,包括平铺、直立作物残留物和植被冠层。 气候因子中的风和土
壤湿度根据中国气象科学数据共享服务网(http: / / cdc.cma.gov.cn)下载的日均风速、降水、温度、日照时数等
计算;雪盖因子利用从中国西部环境与生态科学数据中心(http: / / westdc.westgis.ac.cn)下载的中国雪深长时
间序列数据集来计算。 土壤可蚀性因子根据 Fryear等[22]方程计算。 土壤数据来源于西部环境与生态科学数
据中心 1颐100万土壤类型图所附的土壤属性表和空间数据。 根据文献收集地面测定的我国不同地区的风蚀
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模数结果[23鄄26]对本估算结果进行验证。
通过对生态系统防风固沙服务量进行定量分析来衡量生态系统防风固沙的能力。 防风固沙服务量为裸
土条件和地表覆盖植被条件下的土壤风蚀量的差值:
SLSV = SLS - SLV (9)
式中,SLSV表示防风固沙服务量,SLS 表示裸土条件下的潜在土壤风蚀量,SLV 表示植被覆盖条件下的现实土
壤风蚀量。
1.4.2摇 土壤保持服务量变化分析
基于修正的通用水土流失方程(RUSLE)计算单位面积土壤流失量,即土壤侵蚀模数。 RUSLE 包含降雨
侵蚀力因子(R)、土壤可蚀性因子(K)、坡长因子(L)、坡度因子(S)、覆盖和管理因子(C)等:
A = R 伊 K 伊 L 伊 S 伊 C (10)
基于国家气象台站的日降雨量数据以及日平均气温等气象资料,采用日降雨量拟合模型[27]来估算降雨
侵蚀力。 利用 1颐100 万土壤数据库,根据 Nomo 图法估算土壤可蚀性因子值。 基于 SRTM3 V4.1 数据加工制
作得到的 90m分辨率 DEM数据,根据 McCool等[28]和 Liu等[29]的核心算法计算坡度坡长因子。 盖度和管理
因子采用蔡崇法[30]提出的利用植被覆盖度计算 C值的方法。 通过查找文献搜集到多个地区的土壤侵蚀模数
资料,将估算得到的土壤侵蚀模数与其进行对比验证。
通过对生态系统土壤保持量进行定量分析来衡量生态系统保育土壤的能力。 土壤保持量为生态系统在
极度退化状况下的土壤流失量与现实状况下土壤流失量的差值。
AC = AD - AR (11)
AD = R 伊 K 伊 L 伊 S 伊 CD 伊 P (12)
AR = R 伊 K 伊 L 伊 S 伊 CR 伊 P (13)
AC = R 伊 K 伊 L 伊 S 伊 (CD - CR) 伊 P (14)
式中,AC为土壤保持量,AD和 AR分别表示生态系统在极度退化状况下的土壤流失量与现实状况下土壤流失
量,可以发现 AD和 AR的差异仅仅体现在 C因子。
1.5摇 驱动力因子分析
采用最小二乘法分析气温、降水等气象要素的年际变化趋势:
S =
移
n
i = 1
mi X i -
1
n移
n
i = 1
mi移
n
i = 1
X i
移
n
i = 1
m2i -
1
n
(移
n
i = 1
mi)
2
(15)
式中,S为变化斜率,X i 为气温、降水量观测值,i = 1, 2, 3,…,n,mi为年份序数,m1 = 1, m2 = 2, m3 = 3,…,
mn =n。
此外,根据赵国松等[31],通过人类扰动指数评价人类活动对自然生态系统的影响程度,扰动指数值越高,
人类扰动程度越高,当同一区域人类扰动程度下降时,认为人类对自然生态系统的威胁程度减小。 只考虑有
自然植被分布的生态系统类型的人类扰动,而对稀少植被或无植被分布生态系统类型的人类扰动不作考虑。
将生态系统分级赋值,得到 4种扰动程度的分级指数,如表 1所示。
表 1摇 人类扰动指数分级表
Table 1摇 The classification of disturbance index
类型
Type
自然未利用
Natural unused
自然再生利用
Natural reused
人为再生利用
Artificial reused
人为非再生利用
Artificial used
生态系统类型 Ecosystem type 盐碱地、沼泽地 林地、草地、湿地 耕地 人工表面
扰动分级指数 Classification of disturbance index 0 1 2 3
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摇 摇 根据不同类型所占比例进行加权求和,形成一个 0—3之间的值,标准化后扰动指数值域范围 0—1,综合
反映了某一地区的扰动程度,计算方法如下:
D =
移
3
i = 0
Ai 伊 P( )i
3
/移
n
i = 1
P i (16)
式中,Ai 表示第 i级生态系统扰动程度分级指数,P i 表示第 i级扰动程度分级面积所占百分比,D为人类扰动
指数。 为便于多期综合人类扰动指数的对比,直接扣除无植被或稀疏植被分布生态系统类型占比超过 95%
的区域。
2摇 结果与分析
2.1摇 三北地区生态系统宏观结构及其变化
结果表明(图 1,表 2),2010年,三北地区以荒漠等其它类型与草地生态系统为主,其它类型面积约占全
区总面积的 44%,草地占全区总面积的 22.9%。 其次是耕地和林地,分别占全区的 15.8%和 13%。 此外,湿地
面积占 2.6%,人工表面占 1.6%。 2000—2010年,三北地区林地面积净增加了 0.69万 km2(表 3),转入林地面
积 11312.4 km2,以草地和耕地转入林地为主,林地转出面积 4438.6 km2,以转出到耕地为主。 草地面积总体
减少了 0.13万 km2,其中,转入草地面积 6848.8 km2,以耕地和其它转入草地为主,草地转出面积 8132.5 km2,
主要转出为耕地。 湿地面积净减少 0.21万 km2,其中转入湿地面积 2360km2,湿地转出面积 4415.7 km2,主要
转出为耕地和其它。 耕地面积减少了 0.87万 km2,其中转入耕地面积7209.2km2,以林地、草地转入耕地为主,
耕地转出面积 15906.1km2,主要转出为人工表面。 人工表面增加了 0.57 万 km2,其它类型面积持续减少了
496.5km2。
图 1摇 三北地区 2010年生态系统空间分布
Fig.1摇 The distribution map of ecosystem in the Three Northern Region in 2010
111摇 1期 摇 摇 摇 黄麟摇 等:2000—2010年中国三北地区生态系统时空变化特征 摇
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表 2摇 三北地区 2000、2005、2010年生态系统构成特征
Table 2 摇 The ecosystem area of the Three Northern Region in 2000, 2005 and 2010
年份
Year
统计指标
Statistical index
林地
Forestland
草地
Grassland
湿地
Wetland
耕地
Farmland
人工表面
Artificial coverage
其它
Others
2000 面积 / (万 km2) 57.6 102.2 11.8 70.25 5.8 198.6
比例 / % 12.9 22.9 2.6 15.8 1.3 44.5
2005 面积 / (万 km2) 58.21 102.56 11.71 70.5 6.31 197.24
比例 / % 13.1 22.9 2.6 15.8 1.6 44.0
2010 面积 / (万 km2) 58.6 102.1 11.8 70.47 7.0 196.2
比例 / % 13.0 23.0 2.6 15.7 1.4 44.2
表 3摇 2000—2010年三北地区生态系统转移矩阵
Table 3摇 The ecosystem transformation of the Three Northern Region during 2000—2010
类型
Type
林地 / km2
Forestland
草地 / km2
Grassland
湿地 / km2
Wetland
耕地 / km2
Farmland
人工表面 / km2
Artificial coverage
其它 / km2
Others
林地 Forestland 575126.9 1501.4 193.0 2562.7 172.0 9.5
草地 Grassland 6462.5 1013740.5 180.5 940.9 398.7 149.9
湿地 Wetland 198.8 438.7 115699.4 3272.6 281.5 224.1
耕地 Farmland 4547.6 4561.5 1773.5 697559.0 4781.4 242.1
人工表面 Artificial 16.9 54.8 13.9 47.1 64184.9 4.3
其它 Others 86.6 292.4 199.1 385.9 162.4 1961617.6
2.2摇 三北地区生态系统质量状况及其变化
2000—2010年,三北地区 NDVI平均值约 0.39,总体呈现轻微弱增加趋势(图 2,表 4),年增加速率 0.008,
特别是黄土高原丘陵沟壑区,年增速为 0.077,仅内蒙中东部呈现显著减少趋势。 三北地区多年平均最大植被
覆盖度为 37.66%,总体呈现微弱减少趋势,年减少速率约为 0.07%,其中东北华北区平均最大植被覆盖度
89.94%,近 10年减少速率最大,约为 0.196% / a;黄土高原丘陵沟壑区平均最大植被覆盖度 61.02%,近 10 年
表现为大面积覆盖度增加趋势,增加速率 0.611% / a。 多年平均植被 LAI 约为 1.13,近 10 年总体呈现微弱增
加趋势,增加速率 0.009 / a,特别是黄土高原丘陵沟壑区和东北华北平原农区,年增加速率分别为 0.041 和
0.024。 近 10年,三北地区多年平均地上植被生产力为 236. 65 gC m-2 a-1,总体呈现增加趋势,年增速为
1.345gC / m2,其中,黄土高原区年增速高达 8.828gC / m2。
表 4摇 2000—2010年三北地区生态系统质量参数均值及其变化统计
Table 4摇 The ecosystem quality parameters and its trends in the Three Northern Region during 2000—2010
区名 Zone
NDVI
平均
Mean
变化趋势
Trend
最大植被覆盖度
Maximum vegetation
coverage
平均
Mean / %
变化趋势
Trend /
(% / a)
LAI
平均
Mean
变化趋势
Trend
植被生产力 / (gC m-2 a-1)
Vegetation production
平均
Mean
变化趋势
Trend
东北华北区
Northeast and North China 0.87 0.002 89.94
-0.196 4.07 0.024 604.64 0.725
风沙区
Windy sandy area 0.54 0.009 52.63
-0.168 1.37 0.01 300.50 1.534
黄土高原区
Loess Plateau 0.62 0.077 61.02 0.611 1.57 0.041 452.24 8.828
西北荒漠区
Northwest desert area 0.20 0.002 15.81
-0.078 0.26 0.002 94.90 0.555
合计 Total 0.39 0.008 37.66 -0.07 1.13 0.009 236.65 1.345
211 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 36卷摇
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图 2摇 2000—2010年三北地区 NDVI、最大植被覆盖度、LAI、地上植被生产力变化
Fig.2摇 The trends of NDVI, vegetation coverage, LAI and production of the Three Northern Region, 2000—2010
2.3摇 三北地区生态系统关键服务及其变化
2.3.1摇 生态系统防风固沙服务及其变化
摇 摇 2000—2010年,三北地区风蚀区多年平均单位面积土壤风蚀模数为 20.69 t / hm2(表 5,图 3),其中西北荒
表 5摇 2000—2010年三北地区防风固沙与土壤保持服务量及其变化统计
Table 5摇 The ecosystem services of the Three Northern Region in 2000—2010
区名 Zone
单位面积风蚀模数
Wind erosion modulus
per unit /
( t hm-2 a-1)
平均
Mean
斜率
Trend
单位面积防风固沙服务量
Sand fixation service
per unit /
( t hm-2 a-1)
平均
Mean
斜率
Trend
单位面积土壤水蚀模数
Soil water erosion
modulus per unit /
( t hm-2 a-1)
平均
Mean
斜率
Trend
单位面积土壤
保持服务量
Soil conservation
service per unit /
( t hm-2 a-1)
平均
Mean
斜率
Trend
东北华北区
Northeast and North China 2.01
-0.20 28.95 -2.92 2.73 0.15 8.70 0.39
风沙区
Windy sandy area 13.11
-1.04 53.31 -4.04 5.79 -0.09 10.48 0.24
黄土高原区
Loess Plateau 1.07
-0.06 6.06 -0.17 31.23 -1.93 54.76 1.23
西北荒漠区
Northwest desert area 30.71
-1.52 26.93 -1.47 11.82 0.37 9.30 0.16
合计 Total 20.69 -1.13 32.17 -2.20 10.37 0.08 12.31 0.28
311摇 1期 摇 摇 摇 黄麟摇 等:2000—2010年中国三北地区生态系统时空变化特征 摇
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图 3摇 2000—2010年三北地区风蚀模数与防风固沙服务量及其变化
Fig.3摇 The ecosystem wind erosion modulus and volumes of wind prevention and sand fixation in the Three Northern Region in 2000—2010
漠区最高,约 30.71 t / hm2,黄土高原丘陵沟壑区和东北华北平原农区最低,分别约为 1.07 和 2.01 t / hm2。 近
10年,全区单位面积土壤风蚀模数呈现减少趋势,减少速率为每年 1. 13 t / hm2,年平均风蚀模数下降了
25.25%,其中减速最高的是西北荒漠区。 甘肃西部与蒙新衔接区域、柴达木盆地等则呈现明显增加趋势。 三
北地区多年平均生态系统防风固沙服务量为 32.17 t / hm2,其中风沙区最高,约 53.31t / hm2,黄土高原丘陵沟壑
区最低,约为 6.06 t / hm2。 然而,近 10 年全区年平均防风固沙服务量则呈现减弱趋势,这与风蚀力逐年减弱
有关,风蚀驱动力的减少使得裸土和植被覆盖条件下的土壤风蚀量明显减少,服务量也相对减少。 但这并不
能表明生态系统的防风固沙服务能力在降低,而仅仅表示在风蚀力减小的情况下,土壤防治的风蚀量也相应
减少。
2.3.2摇 生态系统土壤保持服务及其变化
2000—2010年,三北地区水蚀区多年平均土壤水蚀模数为 10.37 t / hm2(表 5,图 4),其中黄土高原丘陵沟
壑区最高,约 31.23 t / hm2,东北华北平原农区和风沙区最低,分别约为 2.73和 5.79 t / hm2。 近 10年,全区土壤
水蚀模数总体呈现微弱增加趋势,年增加速率为 0.08 t / hm2。 而黄土高原区和风沙区的土壤水蚀模数则呈现
降低趋势,特别是黄土高原区,年减少 1.93 t / hm2。 三北地区水蚀区多年平均土壤保持服务量为 12.31 t / hm2,
其中黄土高原丘陵沟壑区最高,约 54.76 t / hm2,东北华北平原农区和西北荒漠区最低,约为 8.7 和 9.3 t / hm2。
近 10年,单位面积生态系统土壤保持服务量呈现增加趋势,年增速 0.28 t / hm2,其中黄土高原区年增速达到
1.23 t / hm2。
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图 4摇 2000—2010年三北地区土壤水蚀模数与土壤保持服务量变化
Fig.4摇 The ecosystem water erosion modulus and volumes of soil conservation in the Three Northern Region in 2000—2010
2.4摇 三北地区生态系统变化的驱动力分析
2000—2010年,三北地区气温以增温为主,年平均气温变化斜率为 0.02益 / a,特别是西北荒漠区。 年降
水量以增加趋势为主,变化斜率为 3.00mm / a,特别是东北华北平原农区(图 5,表 6)。 适度增温、降水量增加
有助于增加植被高度和生产力,加快植物物候进程,延长生长季,促进植物生长发育。 近 10年,三北地区人类
扰动指数增加了 0.003(图 6,表 6),特别是风沙区和西北荒漠区,分别增加了 0.309和 0.007,而东北华北平原
农区和黄土高原丘陵沟壑区则呈现相反的减少趋势,分别减少了 0.151和 0.005,说明人类活动对这两个区域
自然生态系统的扰动有所遏制,有利于植被恢复。
表 6摇 2000—2010年三北地区生态系统变化驱动力因子及其变化统计
Table 6摇 The driving forces of ecosystem dynamics in the Three Northern Region in 2000—2010
区名 Zone
人类扰动指数 Human disturbance index
2000 2010 变化量Change
气温 Temperature
多年平均
Mean / 益
变化趋势
Trend /
(益 / a)
降水量 Precipitation
多年平均
Mean / mm
变化趋势
Trend /
(mm / a)
东北华北区 Northeast and North China 0.612 0.461 -0.151 3.39 0.01 564.81 10.89
风沙区 Windy sandy area 0.104 0.413 0.309 4.89 0.001 328.15 3.75
黄土高原区 Loess Plateau 0.471 0.466 -0.005 7.84 0.01 491.65 0.29
西北荒漠区 Northwest desert area 0.333 0.340 0.007 5.27 0.03 174.05 1.06
合计 Total 0.400 0.403 0.003 5.09 0.02 284.63 3.00
511摇 1期 摇 摇 摇 黄麟摇 等:2000—2010年中国三北地区生态系统时空变化特征 摇
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图 5摇 1990—2010年三北地区气温、降水量变化分布图
Fig.5摇 The distribution map of temperature and precipitation variation in the Three Northern Region in 2000—2010
图 6摇 2000—2010年三北地区人类扰动指数及其变化分布图
Fig.6摇 The human disturbances index and its change in the Three Northern Region in 2000—2010
3摇 讨论与结论
本文分析了 2000—2010年我国三北地区生态系统宏观结构、质量及关键服务变化状况及其驱动因素,得
到几点结论:
首先,三北地区林地面积持续增加,草地面积持续减少。 根据林业统计年鉴,2000—2010 年,三北防护林
体系工程完成人工造林面积达 4.61万 km2。 而本文结果显示 10年间,林地面积净增加了 0.69万 km2,由其他
类型转变为林地的面积为 1.13万 km2,仅占统计面积的 24.51%,主要原因是三北防护林中的农田防护林、公
路大绿化和村旁植树难以遥感识别。
10年间,三北地区生态系统质量和服务能力有所提升,NDVI、LAI、植被生产力总体呈现轻微增加趋势,
特别是黄土高原丘陵沟壑区,然而植被覆盖度总体呈现微弱减少趋势,部分区域的植被覆盖度呈现增长趋势,
特别是陕甘宁地区,而新疆北部、内蒙古东部等植被覆盖度呈下降趋势。 近 10 年,三北地区由于风蚀力逐年
减弱导致土壤风蚀模数降低,同时生态系统防风固沙服务量也呈现减弱趋势。 水蚀区土壤水蚀模数总体呈现
微弱增加趋势,而生态系统土壤保持服务量呈现增加趋势。
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从过去 10年三北地区生态系统时空变化可以看出,近 40年的生态工程在三北地区生态建设中发挥了极
为重要的作用,但也存在较多问题,本区多为干旱半干旱区,很多地方抽取地下水喷灌、滴灌造林,甚至移土造
林、在山地草甸上造林,不仅成本高、成活率也低,破坏了草地原生植被,而且不可持续。 因此,未来三北地区
生态建设应该基于“宜乔则乔、宜灌则灌、宜草则草、宜荒则荒冶原则,优先保护优良、原生生态系统,以自然恢
复为主。 此外,如何科学正确地评估三北地区生态工程的生态效应,是调整后续工程措施的主要依据,也是未
来的研究重点。
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