幸贊品,顏長珍,*,馮 坤,謝家麗,錢大文

1 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,蘭州 730000 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),其格局和結(jié)構(gòu)反映了各類生態(tài)系統(tǒng)自身的空間分布規(guī)律和相互之間的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系,其類型的變化最能反映人類活動與生態(tài)系統(tǒng)間相互關(guān)系[1- 3]。為全面掌握全國生態(tài)環(huán)境狀況,環(huán)境保護部和中國科學(xué)院于2012年啟動了“全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評估”項目[4],結(jié)果表明10年間全國生態(tài)系統(tǒng)格局局部變化劇烈[5]。目前,我國的土地覆被/生態(tài)系統(tǒng)研究主要集中在兩類地區(qū),一類是“熱點地區(qū)”,即人文和自然驅(qū)動力極為活躍的地區(qū);另一類是“脆弱區(qū)”,即隨著人口增長、經(jīng)濟發(fā)展和資源消耗地區(qū),即區(qū)域生態(tài)環(huán)境的脆弱性和敏感性不斷增加,甚至導(dǎo)致各種生態(tài)環(huán)境問題的地區(qū)[6]。寧夏回族自治區(qū)生態(tài)本底脆弱,是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)。受干旱和水資源缺乏的困擾, 生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換給原本脆弱的生態(tài)環(huán)境帶來了諸多問題[7],嚴重影響和制約了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展。因此,通過對以寧夏為典型區(qū)進行長時間、多層次的生態(tài)系統(tǒng)的遙感監(jiān)測,可了解我國北方干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)時空變化特征。

對干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測與分析,目前研究比較多且深入的區(qū)域主要有黑河流域[8-9]、新疆地區(qū)[10]、內(nèi)蒙古地區(qū)[11-13]以及山西地區(qū)[14]等地,已有對寧夏生態(tài)系統(tǒng)的變化研究多側(cè)重于短時間序列[15-16]及局部地區(qū)、市縣境內(nèi)研究[17-21],或者是只針對特定類型生態(tài)系統(tǒng)變化的分析[22-25],目前全區(qū)范圍內(nèi)、較長時間序列的完整生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測及區(qū)內(nèi)變化差異特征的分析比較缺乏。本研究利用遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合,通過對近40年寧夏生態(tài)系統(tǒng)格局宏觀變化的幅度、速率、轉(zhuǎn)換類型及人類擾動程度定量分析,揭示干旱區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)演變的機制和規(guī)律,以期為后續(xù)土地資源合理利用和開發(fā)及生態(tài)環(huán)境治理和建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)是中國五大自治區(qū)之一,共設(shè)銀川市、石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛(wèi)市5個地級市。全區(qū)居黃河上游,南北狹長,地勢南高北低,西部高差較大,東部起伏較緩。黃河縱貫北部全境,灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達。從西面、北面至東面,被騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地相圍,南面與黃土高原相連。按地貌特征,全區(qū)可分為黃土高原、鄂爾多斯臺地、洪積沖積平原和六盤山、羅山、賀蘭山山地四部分。年降水量全區(qū)為183—677 mm,南多北少,且多集中在夏季,其中干旱山區(qū)年均400 mm,引黃灌區(qū)年均157 mm。氣溫和蒸發(fā)量均由南向北遞增,年均氣溫在5—9℃之間,年蒸發(fā)量在1214 mm至2803 mm之間。根據(jù)自然條件,全區(qū)分為南部暖溫帶平原地帶、中部中溫帶半荒漠地帶和北部中溫帶荒漠地帶。

2 數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理方法

2.2 研究方法

圖1 寧夏生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀及分區(qū)示意圖Fig.1 Ecosystem status quo and zoning of Ningxia

為了對比生態(tài)系統(tǒng)變化的內(nèi)部差異性,本文將寧夏分為北部、中部及南部三大區(qū)域進行研究,據(jù)此將黃河灌區(qū)及以北地區(qū)作為北部區(qū),將六盤山以北、黃河灌區(qū)以南的鹽池縣、同心縣、海原縣和紅寺堡區(qū)為中部,六盤山及以南地區(qū)為南部[24](圖1)。北部以綠洲為主,是城市和農(nóng)業(yè)集中區(qū)域,中部干旱帶土地荒漠化比較嚴重,南部主要是黃土旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。不同區(qū)域,通過單一年均生態(tài)系統(tǒng)類型凈變化率、轉(zhuǎn)移矩陣、土地開發(fā)度綜合指數(shù)等指標(biāo)來分析區(qū)域差異特征。

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)類型凈變化率

采用年均生態(tài)系統(tǒng)類型凈變化率作為生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)度[28]來定量反映該生態(tài)系統(tǒng)面積變化速率,其對比較各生態(tài)系統(tǒng)變化的區(qū)域差異和預(yù)測未來各生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢都具有重要作用[29]。計算過程為：

(1)

式中,K為某生態(tài)系統(tǒng)類型年均凈變化率;Ua、Ub分別為研究初期與末期某一種生態(tài)系統(tǒng)的面積;T為研究期時長,時段設(shè)定為年。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣

利用生態(tài)系統(tǒng)面積作為生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣中的向量,分別統(tǒng)計1975—1990年、1990—2000年以及2000—2015年3期的轉(zhuǎn)移矩陣[30],計算過程為：

(2)

式中,A為面積;i,j(i,j=1, 2,…,n) 為轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的生態(tài)系統(tǒng)類型;Aij為生態(tài)系統(tǒng)類型從類型i變?yōu)閖的面積;n為轉(zhuǎn)移前后生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)。

2.2.3 土地開發(fā)度綜合指數(shù)

當(dāng)前，學(xué)校共建校外實訓(xùn)基地30多處，與10多家單位建立院校聯(lián)合就業(yè)基地，與20余家醫(yī)院簽訂訂單培養(yǎng)協(xié)議，與30多家醫(yī)院簽訂臨床實習(xí)協(xié)議。這些協(xié)議均是學(xué)校與醫(yī)院就某個項目簽訂，形式比較靈活。

本文的人類活動擾動程度利用生態(tài)系統(tǒng)類型進行分等定級,具體賦值參考了劉紀遠等[31]的土地利用程度指數(shù)(表1),并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建土地開發(fā)度綜合指數(shù)。

(1)土地開發(fā)度綜合指數(shù)可定量地揭示該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的綜合水平。指數(shù)越高,其自然屬性的可利用程度就越低,人類對其擾動程度就越大。計算過程為：

(3)

式中,L為土地開發(fā)度綜合指數(shù);Ai為i級人類活動擾動程度分級指數(shù);Ci為i級生態(tài)系統(tǒng)類型面積比率。

(2)人類活動擾動程度是多種生態(tài)系統(tǒng)類型變化的結(jié)果,包括擾動程度變化量和變化率,分別反映了該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化的方向和速度。計算過程為：

(4)

(5)

式中,ΔLb-a為人類活動擾動程度變化量,R為人類活動擾動程度變化率;La和Lb分別表示研究初期和末期土地開發(fā)度綜合指數(shù)。若ΔLb-a>0或R>0或者ΔLb-a<0或R<0則表示該時段內(nèi)人為活動對生態(tài)系統(tǒng)的擾動增強或者減輕。

表1 人類活動擾動程度分級

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)類型變化幅度

1975—2015年寧夏整體以農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)為主(表2),各期面積比重之和均在75%以上,其中草地面積始終占比最大,而濕地、荒漠和人工表面生態(tài)系統(tǒng)面積占比較小。草地生態(tài)系統(tǒng)主要分布在中部和北部,兩者面積之和占草地生態(tài)系統(tǒng)總面積的89%以上;森林生態(tài)系統(tǒng)主要分布在南部,其面積占森林生態(tài)系統(tǒng)總面積的46%以上。

40年間全區(qū)森林、農(nóng)田和人工表面生態(tài)系統(tǒng)面積總體呈上升趨勢,其中人工表面的增幅最大,共增加884.6 km2,年均增加2.20%;其次是森林生態(tài)系統(tǒng),共增加477.5 km2,年均增加0.29%;而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面積變化特點為“先增后減”,共增加209.8 km2,年均增加0.03%。從區(qū)域差異來說,農(nóng)田和人工表面增加區(qū)域主要集中在北部,分別增加了1369.7 km2和664.9 km2,而南部和中部農(nóng)田分別減少796.3 km2和363.5 km2。其余生態(tài)系統(tǒng)類型則處于減少趨勢,其中荒漠縮減幅度最大,共減少1387.0 km2,年均減少0.53%,其中北部面積大幅減少,達1303.6 km2,而中、南部面積減幅較小。草地先減少后增加,共減少了115.51 km2,年均減少0.01%,南部草地增加最多,增加487.4 km2。濕地減少了69.4 km2,年均減少0.29%,在北部地區(qū)是凈減少。

1975—1990年,草地和荒漠呈現(xiàn)減少趨勢;草地減少最多,共計656.4 km2,北部為主要減少區(qū)域,減少了476.7 km2,其次是中部,減少215.6 km2,南部少量增加。其他類型都有所增加,增加最多的是農(nóng)田,共計630.1 km2,北部為主要增加區(qū)域,共增加578.2 km2。在這一時期內(nèi),人口快速增長糧食短缺,在國家的鼓勵下,農(nóng)民開始大量開荒種地,使得這段時期內(nèi)農(nóng)田面積急劇增長,同時也造成了大量草地被毀壞。

1990—2000年,農(nóng)田和人工表面快速增加;農(nóng)田增加最多共計1409.6 km2,北部為增加最多的區(qū)域。其他地類都有所減少,減少最多的荒漠,共計929.7 km2,北部為主要減少區(qū)域;其次是草地,共減少374.2 km2。城鎮(zhèn)建設(shè)、過度放牧及對宜農(nóng)地的開墾導(dǎo)致未利用地被開墾、草地被大量破壞,使得草地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)大面積減少,農(nóng)田增多。

2000—2015年,農(nóng)田和荒漠呈現(xiàn)減少趨勢,農(nóng)田大幅度減少共計1829.9 km2,其中南部和中部是主要減少區(qū)域;其次是荒漠生態(tài)系統(tǒng),共減少352.2 km2,北部為主要減少區(qū)域,。其他類型都有所增加,增加最多的是草地,共增加915.0 km2,其中南部和中部是主要增加區(qū)域;其次是人工表面,共增加721.4 km2,北部為主要增加區(qū)域。森林生態(tài)系統(tǒng)也有所增加,但是相對較小。這15年間,在西部大開發(fā)背景下,寧夏實行了“三北”防護林、退耕還林及沙化草原治理等生態(tài)環(huán)境建設(shè)與恢復(fù)工程,草地、森林和人工表面都有所增加,耕地大幅減少。由于寧夏北部經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展較中部和南部更迅速,城市擴張更為明顯,使得北部人工表面增加明顯。

表2 寧夏1975、1990、2000、2015生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成特征及其變化

3.2 生態(tài)系統(tǒng)類型變化轉(zhuǎn)移特征(表3,圖2)

1975—1900年占全區(qū)總面積97.25%的生態(tài)系統(tǒng)未發(fā)生類型變化。該時期生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移主要是在草地、農(nóng)田和荒漠生態(tài)系統(tǒng)間。其中草地轉(zhuǎn)出最明顯,占該時期整個轉(zhuǎn)出貢獻率的60.37%,轉(zhuǎn)出大于轉(zhuǎn)入;農(nóng)田的轉(zhuǎn)入效果最明顯,占該時期整個轉(zhuǎn)入率的56.13%,轉(zhuǎn)入大于轉(zhuǎn)出。2.64%的草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田,占新增農(nóng)田面積的74.22%,同時農(nóng)田和荒漠轉(zhuǎn)化為草地,分別占草地新增面積的36.48%和37.56%;濕地生態(tài)系統(tǒng)中有62.7%來源于草地,人工表面生態(tài)系統(tǒng)的主要來源為草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng);該時期森林生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)入率和轉(zhuǎn)出率都很低,轉(zhuǎn)入大于轉(zhuǎn)出,新增的森林主要來源于草地。

1990—2000年,占全區(qū)總面積93.94%的生態(tài)系統(tǒng)未發(fā)生類型變化,人為活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響程度比上一時期有所增強。該時期生態(tài)系統(tǒng)類型仍然是草地、農(nóng)田和荒漠生態(tài)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,在轉(zhuǎn)出類型中草地和荒漠的轉(zhuǎn)出量最大,分別占轉(zhuǎn)出貢獻率的34.83%和36.09%,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入效果最明顯,占轉(zhuǎn)入貢獻率的61.52%。草地和荒漠轉(zhuǎn)為農(nóng)田比例占新增農(nóng)田面積的87.52%,同時農(nóng)田和荒漠轉(zhuǎn)出為草地的面積占新增草地面積的83.18%;人工表面來自于農(nóng)田和荒漠,占新增人工表面生態(tài)系統(tǒng)的83.22%;森林和濕地主要變?yōu)檗r(nóng)田,占新增農(nóng)田面積的12.48%。

表3 1975—2015年生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣/km2

1—6：生態(tài)系統(tǒng)類型 Ecosystem type;1：森林Forestland;2：草地Grassland;3：農(nóng)田Farmland;4：濕地Wetland;5：人工表面Artificial Surface;6：荒漠 Desert; S1:轉(zhuǎn)出面積Area of transfer out; S2:轉(zhuǎn)入面積Area of transfer in; R1:轉(zhuǎn)出貢獻率Area ratio of transfer out;R2:轉(zhuǎn)入貢獻率Area ratio of transfer in

2000—2015年,占全區(qū)總面積91.51%的生態(tài)系統(tǒng)未發(fā)生類型變化,人為活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響程度比上一時期更強。該時期生態(tài)系統(tǒng)類型主要在草地、農(nóng)田和人工表面之間轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)出貢獻率最大的是農(nóng)田,占58.30%。草地主要由農(nóng)田轉(zhuǎn)變而來,占整個新增草地面積的82.90%。該時期是寧夏森林和人工表面生態(tài)系統(tǒng)增長最迅速的階段。新增人工表面主要來源于草地和農(nóng)田,占新增人工表面的面積81.95%;新增森林主要來源的于草地和農(nóng)田,占新增森林面積的92.03%。

圖2 寧夏生態(tài)系統(tǒng)類型變化圖譜Fig.2 Ecosystem types atlas of the Ningxia Hui Autonomous during different period1—6：生態(tài)系統(tǒng)類型 Ecosystem type;1：森林Forestland;2：草地Grassland;3：農(nóng)田Farmland;4：濕地Wetland;5：人工表面Artificial Surface;6：荒漠Desert. 十位數(shù)和個位數(shù)分別代表前一年代和后一年代的生態(tài)系統(tǒng)類型

3.3 人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的擾動程度

寧夏近40年來土地開發(fā)程度均接近全國平均水平[32],處于中等利用水平,且整體人類活動擾動程度呈現(xiàn)增長趨勢,全區(qū)人類活動擾動程度變化量和變化率為6.48和2.89%。是由于擾動程度分級較高的森林、草地和人工表面生態(tài)系統(tǒng)的面積增加產(chǎn)生的。北部以綠洲為主,是城市和農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要場所,農(nóng)田和人工表面生態(tài)系統(tǒng)擴張主要集中在該區(qū)域,故生態(tài)狀況和經(jīng)濟發(fā)展最好,人類活動呈增強趨勢,人類活動擾動程度變化量和變化率分別為17.63和8.62%,是寧夏全區(qū)的3—4倍。中部干旱帶荒漠化問題嚴重,人地關(guān)系緊張,但近年來實施了一系列生態(tài)恢復(fù)工程和退耕還林還草政策,中部生態(tài)環(huán)境得到了有效改善。雖然林、草地和人工表面生態(tài)系統(tǒng)增加,但農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有所減少,從而中部的擾動指數(shù)呈下降態(tài)勢,其人類活動擾動程度減小幅度極小僅為-0.17,變化率為-0.07%,處于人為活動減弱期。南部主要是黃土丘陵區(qū),氣候干燥,但農(nóng)田面積大,人口-農(nóng)田-水資源成為其主要矛盾,是主要的生態(tài)移民工程遷出地,荒漠和農(nóng)田大幅減少,人類活動擾動程度變化量大幅減少,人為活動對生態(tài)系統(tǒng)的擾動更為減弱(表4)。

表4 寧夏人類活動擾動程度變化量與變化率

為了進一步研究寧夏各個縣的人類活動干擾程度,本文計算了每個縣的人類活動擾動程度變化率。北部13縣的人類活動擾動程度變化率均大于0,其中人為擾動增強的為寧夏省會銀川市所轄金鳳區(qū)、西夏區(qū)和永寧縣,R均大于12%,為北部的兩倍多。南部5縣的人類活動擾動程度變化率均小于0,其中隆德縣減輕最明顯。中部各縣人為活動擾動既有增強也有減輕,其中紅寺堡區(qū)增強最大,R=3.77%;海原縣減輕最明顯,R=2.72%。北部主要是自然條件相對優(yōu)越的平原區(qū),其經(jīng)濟發(fā)展速度領(lǐng)先,人類對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境擾動強烈,特別是人工表面生態(tài)系統(tǒng)的增加引起的城市擴張加劇,故人類活動擾動程度高。中部屬半干旱區(qū),干旱少雨且蒸發(fā)強烈,脆弱的自然條件對其發(fā)展有所制約,但相較于南部山區(qū),其交通條件更好,中部地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展速度較慢,人類活動擾動程度較低。南部地處山區(qū),人工表面生態(tài)系統(tǒng)占比較低且水資源匱乏,故人類活動擾動程度最低。在相同的地貌條件下,各縣也呈現(xiàn)出不同的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。如北部人類活動擾動程度較高的金鳳區(qū)、西夏區(qū)以及永寧縣均為省會銀川所轄縣(區(qū));而中部鹽池縣和同心縣的擾動程度低于紅寺堡區(qū),是因為這兩個縣縣域面積較大而人工表面和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)占地較少,故人類活動擾動程度低(圖3)。

圖3 寧夏各縣生態(tài)系統(tǒng)變化率圖Fig.3 Ecosystem changes ratio atlas of each county in Ningxia Hui Autonomous

4 討論

本研究基于遙感信息對1975—2015年間寧夏全區(qū)及各分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局變化在時間和地域上的分異性進行了較為完整的監(jiān)測與分析,并結(jié)合土地開發(fā)度綜合指數(shù)對全區(qū)內(nèi)部區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)間的變化差異分析比較,進一步探討了人類活動對自治區(qū)的擾動情況,可為研究和治理該區(qū)不同尺度區(qū)域范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境宏觀變化提供較強的理論支撐和科學(xué)依據(jù)。但也存在許多不足之處,如僅對寧夏自治區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局的變化進行了分析,而對與之緊密相關(guān)的變化的驅(qū)動機制自然因素缺乏系統(tǒng)分析。此外,論文所采用的遙感影像數(shù)據(jù)的空間分辨率較低,雖然解譯期間進行了較為詳盡的實地驗證,但與當(dāng)前可用的遙感數(shù)據(jù)相比較精度仍然受限,更適宜于宏觀尺度的趨勢分析,在今后的工作中應(yīng)考慮采用更高分辨率的數(shù)據(jù)源來進行細節(jié)研究。

5 結(jié)論

(1)40年間森林和人工表面生態(tài)系統(tǒng)面積增加,荒漠生態(tài)系統(tǒng)面積減少,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)先增后減,草地生態(tài)系統(tǒng)先減后增。2000年是變化節(jié)點,此前以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主,生態(tài)環(huán)境保護有所不足,導(dǎo)致草地破壞,荒漠被開墾為農(nóng)田;此后城市建設(shè)進程明顯加快,受退耕還林一系列生態(tài)環(huán)境建設(shè)和恢復(fù)工程的影響,草地大面積恢復(fù),森林面積快速增長,從而有效改善了寧夏的生態(tài)環(huán)境。

(2)每時段內(nèi)大約有占寧夏總土地面積6%的生態(tài)系統(tǒng)面積發(fā)生變化;草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)之間交換頻繁,是寧夏最為主要的生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換方式;其次是草地和荒漠向農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換及農(nóng)田向草地和人工表面生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換;濕地表現(xiàn)為增加-減少-增加的趨勢,但是變化量小。

(3)寧夏人為活動對生態(tài)系統(tǒng)的擾動程度在全國處于中等水平;40年間人類活動擾動程度全區(qū)增加了2.89%,其中北部增加了8.62%,中部和南部分別減少了0.07%和2.20%。因此,應(yīng)繼續(xù)堅持生態(tài)優(yōu)先,做好中部和南部生態(tài)環(huán)境建設(shè)工作,提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。