锡林郭勒盟是中国北方干旱–半干旱草原的典型区。20世纪50年代以来,由于气候干暖化和人类不合理的土地利用活动,本区生态环境发生严重退化,退化草地、撂荒耕地成为中国华北地区扬沙和沙尘暴的主要源地之一^[1,2]。2000年之后,中央和地方政府先后启动了京津风沙源区治理工程等重大生态建设项目。构建本地区长时间序列生态系统宏观结构基础数据库,准确把握该地区生态系统的演变历史,这对于研究全球气候变化作用下的区域响应,为有关气候、生态模型的运行提供高精度的下垫面数据和地面参数库,评估既有各项生态工程成效、对未来生态工程规划提供科学支撑等,具有重要的理论意义和现实价值^[3,4]。

当前,本地区已经积累了一些自然地理、土壤学、植物学、生态学等方面的研究成果^[5~9]。现代遥感技术的发展以及相关遥感影像库的国际互联网共享,为开展大空间尺度、长时间序列的研究提供可能。然而,受制于数据制备的高人力投入和高技术投入,过去很多研究是利用NDVI数据集开展长时间序列、大空间尺度陆地生态系统植被健康和生长态势研究,或者是在一些局部地区开展一些短时间序列的土地分布格局及其变化研究^[10~13]。但是,研究人员也已经指出,研究区范围过小、时间序列过短、时间断面间隔过长,这可能会导致研究中出现以点带面、将短期波动误认为长期趋势,以简单的断面差异对比代替过程趋势分析等偏差^[14]。

针对上述问题,本研究以MSS、TM、ETM+以及HJ-1等国内外遥感影像为信息源,重建锡林郭勒盟1975~2009年、共34 a、5个时间断面的锡林郭勒盟生态系统宏观结构及其动态变化数据库;基于这一大空间尺度、长时间序列和密集时间断面的数据平台,作者从空间分布格局和时间动态特征入手,分析内蒙古锡林郭勒盟地区生态系统现状及其演变态势,以期为本地区的相关研究及政府决策提供科学基础。

1 研究区、数据和方法

1.1 研究区概况

锡林郭勒盟位于蒙古高原东南缘,内蒙古自治区的中东部,是中国北方干旱–半干旱草原的典型区。锡林郭勒盟南北长约500 km,东西宽约700 km,总面积约为20.3×10⁴ km²。研究区地处中纬度内陆,属于中温带半干旱、干旱大陆性季风气候,年均降水量在150~500 mm间,由东南向西北递减;年平均气温为0~3℃, 由西南向东北减小。

1.2 数据制备

研究使用1975/1976年MSS影像,1990/1991、2000/2001和2005/2006年LandSat TM/ETM+影像,2009年HJ-1A/B影像等5个时期、三大类影像数据。其中,MSS、TM、ETM+影像可从美国地质调查局（USGS）网站下载^[15],HJ-1A/B数据可中国卫星环境应用中心网站下载^[16]。

用上述遥感影像,在ArcMap软件支持下,结合1∶100万中国植被类型图、1∶100万中国草原类型图及1∶100万中国沙漠分布图,以计算机辅助、人工目视解译方式提取土地覆被/土地利用信息^[17],将上述土地覆被/土地利用信息向生态系统类型转换,形成区域生态系统宏观结构数据库。

将上述解译成果与1999~2009年以来研究组多次野外综合考察资料以及Google Earth高清晰影像开展随机验证,发现本数据库的图斑评价定性准确率在99%以上。进一步与中国科学院地理科学与资源研究所建成的20世纪中国1∶10万比例尺土地利用时空平台相应年份数据开展对比,也可以发现本研究构建的数据库在土地覆被定性上与后者完全相同,且在更加精细。

1.3 动态度模型

土地利用动态度是一个比率指标,它可以不受研究区范围、研究时段的影响,从而有利于在各个领域、各个阶段开展比较分析。既可以针对特定的土地利用转换方向,也可以对土地利用的综合效果进行平均;既可以表征单一土地利用类型的变化特点,也可在区域上对全部土地利用动态的综合进行分析。土地利用动态度模型一般可以表为^{[18, 19]}：

D_yn=ΔS/（St）·100%

式中,D_yn为t时段对应的生态系统面积变化用动态度。S为监测开始时间时某类型生态系统面积;ΔS为由监测开始至监测结束时间段内、某类型生态系统的变化面积;t为时间变化的监测时间段。

2 结果分析

2.1 空间分布格局

在过去的34 a里,锡林郭勒盟生态系统类型面积构成及其空间分布格局基本相似。草地生态系统是锡林郭勒盟的主体生态系统,草地总面积占国土总面积的比重始终在86%以上;其后依次为荒漠、水体与湿地、农田、森林等生态系统。在空间分布格局上,自东向西的呈现出“森林–草甸草原–典型草原–荒漠草原–草原荒漠”的植被类型转化,自南向北呈现为“农业–农牧交错–牧业”的农牧方式转换（图1）。

从各生态系统框架分布格局上看：农田分布相对集中,90%的农田生态系统主要分布在锡林郭勒盟南部诸旗县和东部的东乌珠穆沁旗。森林生态系统分布更为集中,85%的森林生态系统集中分布锡林郭勒盟东部的西乌珠穆沁旗和东乌珠穆沁旗等2个旗县。草地生态系统作为锡林郭勒盟的主导生态系统,也是各个旗县内部占据绝对优势地位的生态系统类型;85%以上的草地生态系统分布东乌珠穆沁旗、苏尼特左旗、阿巴嘎旗和苏尼特右旗、西乌珠穆沁旗和锡林浩特市等6个旗县市。水体与湿地生态系统的分布也较为集中,88%的水体与湿地生态系统集中分布于东部的东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗以及锡林浩特市等3旗市;荒漠生态系统的分布也较为集中,88%的荒漠生态系统主要分布在6个旗县市,即：苏尼特左旗、东乌珠穆沁旗、苏尼特右旗、阿巴嘎旗、正蓝旗以及西乌珠穆沁旗。

2.2 动态度与面积转换

对各类生态系统动态度以及研究区土地总体动态度制图（图2）表明：1975~2009年间,除农田生态系统（紫色线条）呈现波动式上升、人居生态系统（红色）呈波动式下降外,森林生态系统（深绿线条）、草地生态系统（浅绿线条、且基本掩盖在黑色线条之下）、水体与湿地生态系统（蓝色线条）及荒漠生态系统（棕色线条）的动态度总体上呈现上升趋势,均在2000~2005年期间达最高值。总体上看, 1975~2009年期间区域总体综合动态度（黑色线条）总体呈现上升趋势,基本与草地生态系统的动态度变化曲线完全重合。这反映了本区生态系统以草地生态系统为主体、生态系统变化主要为草地生态系统变化所控制特征。

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图1   1975~2009年锡林郭勒盟生态系统类型的组成及其空间分布

Fig.1   The constitution and distribution of regional ecosystem in Xilingol League in 1975-2009

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图2   1975~2009年各类生态系统类型综合动态度

Fig.2   The dynamic index of each ecosystem type in 1975-2009

对1975~2009年锡林郭勒盟生态系统的面积变化进行统计（表1）,分析显示：研究区生态系统演变过程明显以2000年为分界,主要生态系统在2000年前后呈现出不同的变化规律（表1）。1975~1990年间,锡林郭勒盟生态系统变化表现为以草地生态系统的萎缩为代价,支撑荒漠生态系统和农田生态系统的扩张。1990~2000年间,以草地生态系统的加速萎缩为代价,继续支撑荒漠和农田生态系统的加速扩张。2000~2005年,生态系统变化态势发生了显著转折,草地生态系统加速萎缩以及农田生态系统加速扩张态势得到迅速遏制和逆转,荒漠生态系统加速扩张态势得到初步遏制。2005~2009年,草地生态系统开始加速扩张,农田生态系统则加速萎缩,荒漠生态系统在前一阶段基本稳定基础上开始大幅萎缩。

3 讨 论

3.1 历史土地开发影响

受到大地自然地理单元以及区域气候变化梯度控制,锡林郭勒盟呈现自东向西的自然地带性规律,即 “森林-草甸草原-典型草原-荒漠草原-草原荒漠”的植被类型转化。在叠加了历史人类土地开发活动后,自东向西的自然地带性规律之上叠加了自南向北的农业生态地理分区梯度变,即“农业–农牧交错–牧业”的转换。一些关键的人类活动节点包括：19世纪末期,满清政府和锡林郭勒盟地方王公出于移民实边、增加田赋、开启民智等目的,逐步放弃蒙汉分隔政策,允许汉人移民蒙地,由此开始了锡林郭勒盟南部和东南部的草原开垦为农田的历史进程^[20]。1949年中华人民共和国建国初期及1960年代大跃进期间,为了解决进入到锡林郭勒盟南部诸旗县汉族移民吃饭问题,政府进一步鼓励开垦荒地^[21]。1980年代后,锡林郭勒盟草原兴起开发区热,锡林郭勒盟东部的东乌珠穆沁旗优质的草甸草原也因此大量开垦成农田。

3.2 区域气候变化影响

20世纪70年代以来,锡林郭勒盟区域气候变化过程表现为暖干化过程（图3）。气温呈上升趋势,年均气温增加幅度为0.059℃/a;年降雨总量则呈现轻微下降趋势,年降水总量下降幅度为0.79 mm/a;区域潜在蒸散率（PER:Pertantial Evaporation Ratio）呈增加趋势,年PER均值增加幅度为0.017/a。暖干化的区域气候变化有利于植被生态系统净初级生产力（NPP）的提高,有利于农业作物的安全越冬,因此未来农业生态系统有可能进一步北移。同时也应注意到,暖干化趋势也将导致区域气候更加干燥、草地生态系统将因相对缺水而发生较大规模的退化,草地生态系统未来因火灾、蝗虫灾害等发生退化的风险也将大幅提高。

3.3 区域发展政策影响

区域发展政策的变化和经济社会发展水平对于生态系统演变具有显著的加速、减速作用：锡林郭勒盟经历1970 s文化大革命,草原上开始垦殖活动,成为草地生态系统发生退化的基础和源头。1978年文革结束后,“牲畜作价,户有户养”的生产责任制短时期内促进地区经济社会发展;但由于牲畜数量是衡量区域发展的标准,因此牧畜头数激增,草原超载过牧、草场退化沙化则成为必然;这也是本区生态系统在1990~2000年加速退化的根由。2000年华北地区爆发特大沙尘暴天气灾害后,中央出台一系列旨在加强生态保护、重点推进有关生态治理工程的政策,锡林郭勒盟生态系统发生显著变化。2000年后草地生态系统萎缩的态势得到了遏制和逆转。另一方面,虽然研究区草地生态系统萎缩情况得到改善,但由于区域经济模式的转变,使草地上出现大量的露天煤矿等导致区域草地局部性破坏。

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图3   1970~2008年锡林郭勒盟气候要素变化

Fig.3   The change of climate elements in Xilingol League in 1970-2008

4 结 论

本研究以锡林郭勒盟1975~2009年共34 a、5期次的区域生态系统宏观结构数据库为基础,总结了区域生态系统的空间分布格局和时间动态特征,分析了影响、决定宏观分布格局、演变态势的有关驱动因子。主要结论有：

1） 1975年以来,尽管自然环境的变化和人类活动对本地区生态环境产生了重要影响,但是草地生态系统始终是锡林郭勒盟主体的生态系统,草地占全区总面积的比例始终在86%以上。在自然地理、区域气候以及人类活动共同影响下,形成了自东向西 “森林-草甸草原-典型草原-荒漠草原-草原荒漠”以及自南向北的 “农业-农牧交错-牧业”格局。

2） 1975年以来锡林郭勒盟生态系统变化显著,生态系统的演变态势在2000年前后发生明显变化,生态系统时空变化过程有着明确、清晰的气候变化和人类活动影响背景：2000年前,草地生态系统持续、加速萎缩,荒漠、农田等生态系统不断扩张;2000年之后,草地生态系统萎缩迅速得到遏制和逆转,农田和荒漠等生态系统扩张趋势随后也得到遏制。

3） 20世纪70年代以来的区域气候暖干化趋势对于区域生态系统演变具有重要影响,而人类活动的影响叠加于气候变化之上,对于生态系统的演变具有明显的加速、减速作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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