鄭欣雨,呂 楠,*,張 璐

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

土地退化是在自然和人為因素影響下,土地生產(chǎn)潛力持續(xù)下降的過程[1—4]。聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約(UNCCD)把土地退化定義為“土地的生物或經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力和復(fù)雜性兩方面的減少或損失”,雨養(yǎng)農(nóng)田、灌溉農(nóng)田、牧場(chǎng)、草原、森林等各類土地都可能發(fā)生退化。導(dǎo)致退化的原因有土地利用變化、人類活動(dòng)、生產(chǎn)生活方式變化、以及氣候變化等一種或幾種因素相互疊加[5]。

為了制止和扭轉(zhuǎn)土地退化和恢復(fù)已退化的土地,全球和區(qū)域范圍內(nèi)制定了若干的目標(biāo)和倡議[6]。2015年9月,聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過的《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》提出了17個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),其中可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDG) 15.3明確給出了“努力建立一個(gè)不再出現(xiàn)土地退化的世界”的表述,隨后,UNCCD提出“土地退化零增長(zhǎng)”(LDN)的概念(或稱為土地退化中性)。LDN的定義為,在一定時(shí)空尺度與生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi),保障生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù),以及保持或增加健康土地資源的數(shù)量與質(zhì)量以維持糧食安全的一種生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)[7]。作為一項(xiàng)政治目標(biāo),LDN被納入2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[8],即到2030年前,實(shí)現(xiàn)全球土地退化的零凈增長(zhǎng)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)開展了關(guān)于LDN概念、指標(biāo)體系和評(píng)估方法的相關(guān)研究[8—9]。當(dāng)前LDN研究大部分著眼于概念框架和指標(biāo)體系的完善,針對(duì)具體區(qū)域的LDN實(shí)證研究較少[10—12]?，F(xiàn)有的評(píng)估如Dengiz[10]基于LDN框架分析了2001—2015年亞洲蓋迪茲河流域(亞濕潤(rùn)陸地生態(tài)系統(tǒng))的土地生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)(LPD),結(jié)果表明該區(qū)域大部分土地呈現(xiàn)退化狀態(tài)或退化的早期跡象。Kapovic等[11]評(píng)估了2000—2010年歐洲斯普斯卡共和國(guó)(亞濕潤(rùn)生態(tài)系統(tǒng))的LDN狀態(tài)及主要驅(qū)動(dòng)因素,并指出該區(qū)域未來生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)施的熱點(diǎn)區(qū)域。LDN概念最初是針對(duì)干旱區(qū)提出的[13],但是當(dāng)前針對(duì)干旱區(qū)的評(píng)估非常缺乏,現(xiàn)有的研究只有關(guān)于LDN概念框架的合理性、LDN目標(biāo)設(shè)定對(duì)干旱區(qū)荒漠化問題的有效性等的討論[14]。由于干旱區(qū)分布范圍較廣且干旱區(qū)的土地退化將帶來沙塵暴等一系列環(huán)境問題,評(píng)估干旱區(qū)的LDN目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)狀態(tài)對(duì)于認(rèn)識(shí)區(qū)域氣候變化和恢復(fù)工程的對(duì)土地健康的影響具有重要意義。

蒙古高原位于亞洲東北部,區(qū)域海拔較高且絕大部分地區(qū)位于干旱或半干旱區(qū)。自20世紀(jì)90年代以來,由于溫度和大氣中CO2濃度升高導(dǎo)致植被的蒸騰作用增強(qiáng),加之森林砍伐、對(duì)礦產(chǎn)資源的持續(xù)開發(fā)等人類活動(dòng),導(dǎo)致蒙古高原草地退化,生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞[15]。21世紀(jì)初,隨著區(qū)域降雨量增加、以及蒙古國(guó)和中國(guó)兩國(guó)政府開始實(shí)施一系列生態(tài)保護(hù)工程,蒙古高原地區(qū)的土地退化得到遏制,退化面積逐漸減小[16—17]。蒙古高原的生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)安全是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。本文首先介紹LDN概念的發(fā)展歷程與評(píng)估方法,接下來以蒙古高原為例開展LDN的區(qū)域評(píng)估,旨在評(píng)估蒙古高原生態(tài)恢復(fù)的成效并識(shí)別現(xiàn)階段存在的問題,為蒙古高原地區(qū)未來生態(tài)恢復(fù)管理供科學(xué)依據(jù)。

1 土地退化零增長(zhǎng)的概念與評(píng)估方法

1.1 概念

土地退化零增長(zhǎng)的概念最初是由Grainger等[13]在干旱區(qū)提出的,他們指出在干旱地區(qū)研究土地退化對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義,將LDN作為一種新的科學(xué)框架用于恢復(fù)退化土地、規(guī)劃土地利用,通過在干旱區(qū)實(shí)施綜合全面的計(jì)劃來減少荒漠化。LND目標(biāo)一方面要求避免或減少土地退化,另一方面要求恢復(fù)已退化的土地,使土地退化和土地恢復(fù)的面積相平衡,最終目的是讓土地呈現(xiàn)健康、生產(chǎn)力向好、沒有凈損失的狀態(tài)[7,18]。由于不同國(guó)家和區(qū)域的特殊性,在國(guó)家一級(jí)實(shí)行LDN評(píng)估還存在較大的挑戰(zhàn),如區(qū)域和全球定量數(shù)據(jù)集的缺失、以及量化土地退化的方法的不一致性[19]。

1.2 評(píng)估方法

由UNCCD科學(xué)與政策聯(lián)系平臺(tái)(SPI)提出的LDN科學(xué)概念框架(LDN-SCF)主要包括3個(gè)核心指標(biāo),即土地覆蓋、土地生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳[18,20]。通過分析各個(gè)子指標(biāo)在基線期和評(píng)估期的相對(duì)變化,可以確定土地退化或恢復(fù)的程度和對(duì)應(yīng)面積,并計(jì)算LDN綜合指標(biāo)。基線期是LDN目標(biāo)評(píng)估的參考期,基線期的評(píng)估可以確定LDN目標(biāo)評(píng)估的參考基準(zhǔn)。LDN綜合指標(biāo)的計(jì)算遵循“one out all out (1OAO)”的原則,即研究單元上某一子指標(biāo)表現(xiàn)為退化,則認(rèn)為該區(qū)域存在潛在退化風(fēng)險(xiǎn)[21]。評(píng)估LDN通常包括3個(gè)步驟:

(1)確定基線期(T0)的土地狀態(tài):通過基線期LDN綜合指標(biāo)來量化。一般選擇基準(zhǔn)年之前的10年左右均值作為參考基準(zhǔn)[22]。

(2)確定評(píng)估期(Tn)的土地狀態(tài):通過評(píng)估期LDN綜合指標(biāo)來量化。一般選擇基準(zhǔn)年之后的4年以上作為評(píng)估期。

(3)對(duì)比評(píng)估期相對(duì)于基線期土地狀態(tài)的變化,即判斷與基線期相比, 評(píng)估期內(nèi)新增退化土地的面積和新增恢復(fù)土地面積之間的大小關(guān)系,若前者大于后者則LDN目標(biāo)未實(shí)現(xiàn),否則表明該區(qū)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了LDN目標(biāo)。

1.2.1土地覆蓋評(píng)估

土地覆蓋指標(biāo)可以表征區(qū)域內(nèi)的社會(huì)生產(chǎn)動(dòng)態(tài),能夠識(shí)別自然和人為管理導(dǎo)致的土地覆蓋類別之間的轉(zhuǎn)換[23]。UNCCD基于生態(tài)保護(hù)原則,對(duì)除水體之外的六種土地覆蓋類型(森林、草地、農(nóng)業(yè)用地、濕地、城鎮(zhèn)和裸地)之間的轉(zhuǎn)化做了定義,把所有的轉(zhuǎn)化類型分為退化、穩(wěn)定和恢復(fù)3種。土地覆蓋變化的評(píng)估步驟如下[21]:

(1)將土地覆蓋數(shù)據(jù)重新劃分為森林、草地、農(nóng)業(yè)用地、濕地、城鎮(zhèn)、裸地、水體共7類;

(2)生成基線期(或評(píng)估期)起止年份的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣;

(3)根據(jù)已有知識(shí)及研究區(qū)內(nèi)的情況并參考UNCCD對(duì)各地類之間轉(zhuǎn)化關(guān)系的定義,確定不同土地覆蓋轉(zhuǎn)換與土地狀態(tài)(退化、穩(wěn)定和恢復(fù))之間的關(guān)系(表1)。

表1 土地覆蓋類型轉(zhuǎn)化與土地狀態(tài)之間的關(guān)系

1.2.2土地生產(chǎn)力評(píng)估

圖1 生產(chǎn)力指標(biāo)評(píng)估方法

1.2.3土壤有機(jī)碳評(píng)估

土壤有機(jī)碳(SOC)反映了影響植物生長(zhǎng)和分解的多個(gè)過程,這些過程共同控制著陸地土壤有機(jī)碳庫的損益。由于長(zhǎng)時(shí)間序列、大尺度的SOC數(shù)據(jù)難以獲取,在評(píng)估SOC變化時(shí)可參考聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)指南,即綜合土地覆蓋變化和土壤有機(jī)碳靜態(tài)數(shù)據(jù)來評(píng)估SOC的變化并確定潛在的退化區(qū)域,其計(jì)算方法如下:

(1)確定土壤有機(jī)碳的參照值。研究可采用SoilGrids 數(shù)據(jù)序列中表層 30 cm的碳儲(chǔ)量作為參照值。

(2)采用土地利用變化的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)來估計(jì)碳儲(chǔ)量的變化。采用IPCC和UNCCD推薦的管理措施和碳輸入項(xiàng)。但是在許多地區(qū)有關(guān)管理措施和碳輸入項(xiàng)的明確的空間信息是很難獲取的,因此只能采用土地利用轉(zhuǎn)換系數(shù)來估計(jì)碳儲(chǔ)量的變化[18,21](表2)。

表2 基于土地覆蓋變化的土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)換系數(shù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(3)計(jì)算土壤有機(jī)碳的相對(duì)變化率,研究期內(nèi)土壤有機(jī)碳損失10%及以上的區(qū)域被確定為潛在退化區(qū)域,土壤有機(jī)碳增加10%及以上的區(qū)域確定為潛在恢復(fù)的區(qū)域。

1.2.4LDN綜合指標(biāo)

LDN評(píng)估涉及基線確定和動(dòng)態(tài)評(píng)估兩個(gè)方面,分別通過計(jì)算基線期和評(píng)估期的LDN綜合指標(biāo)來量化不同時(shí)期的退化與恢復(fù)的面積。LDN綜合指標(biāo)的計(jì)算包括土地覆蓋、土地生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳3個(gè)子指標(biāo)的綜合評(píng)估:在像元水平上,若其中1個(gè)指標(biāo)為退化,則LDN綜合指標(biāo)為退化;若3個(gè)指標(biāo)都表現(xiàn)為穩(wěn)定,則LDN綜合指標(biāo)為穩(wěn)定;若3個(gè)指標(biāo)中兼有穩(wěn)定和恢復(fù),則LDN綜合指標(biāo)為恢復(fù)。

2 蒙古高原土地退化零增長(zhǎng)評(píng)估

2.1 研究區(qū)概況

蒙古高原位于亞洲中部(37—53°N,88—120°E),面積約為2.74×106km2,主要由蒙古國(guó)(57%)和中國(guó)的內(nèi)蒙古自治區(qū)(43%)組成(圖2)。蒙古高原位于干旱和半干旱區(qū),屬于溫帶大陸性氣候,盛行西北風(fēng);年均溫度和降雨量分別為1.9℃和233mm[15];夏季高溫,冬季寒冷;天氣驟變,冰凍、暴雪和沙塵暴經(jīng)常發(fā)生在冬季。蒙古高原的土地覆蓋類型多樣,根據(jù)MODIS土地覆蓋產(chǎn)品(MCD12Q1,2020),草地約占蒙古高原的68.24%,分布在東南部和北部。植被覆蓋度較低的荒漠也是蒙古高原主要的土地類型,占26.36%,主要分布在蒙古的南部和內(nèi)蒙的西部。此外,森林和農(nóng)田也在內(nèi)蒙古有一定的分布,分別占4.4%和2.56%,主要分布在內(nèi)蒙的東北部和南部。

圖2 蒙古高原2020年的土地覆蓋類型分布

2.2 數(shù)據(jù)源和研究方法

自21世紀(jì)以來,隨著降水增加以及一系列環(huán)境法律和政策的實(shí)施,蒙古高原土地退化面積減小,植被生物量和生產(chǎn)力逐漸增加[25—26]。因此,本研究將評(píng)估蒙古高原地區(qū)2001—2020年間LDN目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況,其中基線期設(shè)置為2001—2010年,評(píng)估期為2011—2020年,對(duì)比過去20年間前10年和后10年的土地退化和恢復(fù)的相對(duì)趨勢(shì)。LDN綜合指標(biāo)包括土地覆蓋、土地生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳3個(gè)子指標(biāo),分別采用MODIS土地覆蓋數(shù)據(jù)(MCD12Q1)、MODIS 歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)(MOD13A2)和SoilGrids250m土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。

2.2.1土地覆蓋數(shù)據(jù)

土地覆蓋數(shù)據(jù)采用的是基于國(guó)際地圈-生物圈計(jì)劃(IGBP)分類系統(tǒng)的MODIS MCD12Q1(http://modis.gsfc.nasa.gov/),空間分辨率為500m,該數(shù)據(jù)集是MODIS的反照率數(shù)據(jù)通過監(jiān)督分類得到的,其在全球范圍的總體精度約為75%[27]。IGBP定義了17個(gè)主要的土地覆蓋類型,將其重新劃分為森林、草地、農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)、荒漠、水體6類[26](由于濕地占比較小,本研究忽略濕地與其余各類型之間的轉(zhuǎn)化)。

2.2.2土地生產(chǎn)力數(shù)據(jù)

本研究將NDVI數(shù)據(jù)作為生產(chǎn)力的代理指標(biāo),其來源于MOD13A2(https://modis.gsfc.nasa.gov/),時(shí)間分辨率為16d,空間分辨率為1km。由于在秋冬季節(jié)蒙古高原大部分植被由冰雪覆蓋或停止生長(zhǎng),因此本研究在計(jì)算生產(chǎn)力指標(biāo)時(shí)只考慮生長(zhǎng)季(5—9月)NDVI的變化,將各年生長(zhǎng)季的NDVI求均值得到逐年的年均NDVI。由于荒漠地區(qū)的植被覆蓋度較低,其NDVI值不能反映該區(qū)域植被的實(shí)際生長(zhǎng)情況。因此,本研究將年均NDVI小于0.1的區(qū)域定義為“非植被區(qū)”,不考慮該區(qū)域生產(chǎn)力指標(biāo)的變化。

2.2.3土壤數(shù)據(jù)

土壤類型數(shù)據(jù)采用的是IPCC推薦的土壤分類數(shù)據(jù)(https://files.isric.org/),該數(shù)據(jù)集基于一系列分類程序和世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)將聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)的土壤分類轉(zhuǎn)換為7個(gè)土壤類型:高活性粘土(HAC)、低活性粘土(LAC)、砂質(zhì)土 (SAN)、黑土(POD)、火山(VOL)、濕地(WET)和有機(jī)土壤(ORG)。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)采用的是SoilGrids數(shù)據(jù)集中的0—30cm表層土的碳儲(chǔ)量(https://files.isric.org/),空間分辨率為250m。

3 研究結(jié)果

3.1 單個(gè)指標(biāo)評(píng)估

3.1.1土地覆蓋評(píng)估

基線期(2001—2010年)生態(tài)系統(tǒng)總體表現(xiàn)為恢復(fù),即恢復(fù)區(qū)總面積大于退化區(qū)總面積(圖3)?；謴?fù)區(qū)面積為7.35×104km2,占高原總面積的2.68%?；謴?fù)區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古的東北、東部和南部以及蒙古的中部以及北部地區(qū)?；謴?fù)的主要類型是裸地轉(zhuǎn)化為草地(3.74×104km2)、草地轉(zhuǎn)化為森林(2.60×104km2)、農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為草地(0.98×104km2)。裸地恢復(fù)為草地的區(qū)域在蒙古西南和內(nèi)蒙古西部的荒漠和草地的交錯(cuò)區(qū)呈現(xiàn)明顯的帶狀分布,蒙古的中戈壁中部、中戈壁的中部和東部、錫林郭勒的西南部、烏蘭察布的西北部和巴彥卓爾的東部分布尤為集中。草地恢復(fù)為森林的區(qū)域集中分布于呼倫貝爾東部和興安盟的北部地區(qū),在肯特西北部、中央省東北部色楞格東部,達(dá)爾汗烏拉東部、布爾干北部和庫蘇古爾東部還有一些零散的分布。農(nóng)業(yè)用地恢復(fù)為草地的區(qū)域在呼倫貝爾市的中部東部分布較廣,同時(shí)在通遼東部、赤峰南部和呼和浩特中部也有部分分布。退化區(qū)面積為2.28×104km2,約占高原總面積的0.83%。退化區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古東北部、西南部和蒙古的北部和中部區(qū)域。退化的主要類型為草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田(8.68×103km2)、林地轉(zhuǎn)化為草地(8.49×103km2)、草地轉(zhuǎn)化為裸地(5.44×103km2)。草地退化為農(nóng)田的區(qū)域在呼倫貝爾中部和東部分布較為集中,此外在興安盟、通遼、巴彥卓爾和呼和浩特也有零散分布區(qū);林地退化為草地的區(qū)域分布在呼倫貝爾的北部和中部和色楞格的北部;草地退化為裸地的區(qū)域在蒙古的戈壁阿爾泰、中戈壁和東戈壁東部分布較多。

圖3 基于土地覆蓋指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果(基線期,2001—2010年)

評(píng)估期(2011—2020年)生態(tài)系統(tǒng)退化和恢復(fù)的總體規(guī)模相當(dāng)(圖4)?；謴?fù)區(qū)總面積為5.26×104km2,占高原總面積的1.92%。恢復(fù)區(qū)主要分布在蒙古在西部、東南部以及內(nèi)蒙古的東北和西南部?；謴?fù)的主要類型為裸地轉(zhuǎn)換為草地(3.52×104km2)、草地轉(zhuǎn)換為林地(1.05×104km2)、農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換為草地(0.67×104km2)。裸地恢復(fù)為草地的區(qū)域呈現(xiàn)明顯的帶狀分布,從蒙古西部的巴彥烏列蓋往東途經(jīng)科布多、戈壁阿爾泰、前杭愛、中戈壁、東戈壁、烏蘭察布、鄂爾多斯和阿拉善東南部;草地恢復(fù)為林地分布于呼倫貝爾東部和蒙古的色楞格和布爾干北部。農(nóng)業(yè)用地恢復(fù)為草地的區(qū)域分布與呼倫貝爾中部和東部、赤峰南部。退化區(qū)總面積為4.74×104km2,占高原總面積的1.73%。退化區(qū)主要在內(nèi)蒙古的東北、蒙古的北部和西南部集中分布,此外在蒙古的北部和中部區(qū)域有部分零散分布。退化的主要類型為林地轉(zhuǎn)換為草地(2.49×104km2)、草地轉(zhuǎn)換為農(nóng)業(yè)用地(1.66×104km2)、草地轉(zhuǎn)換為裸地(0.58×104km2)。林地退化為草地的區(qū)域在呼倫貝爾中東部和蒙古的色楞格東部;草地退化為農(nóng)業(yè)用地的區(qū)域在呼倫貝爾東北、通遼東南部、呼和浩特中部和巴彥卓爾南部;草地退化為裸地的區(qū)域在高草中部的草地-荒漠交錯(cuò)帶上零散分布,其中在巴彥洪戈?duì)栔胁亢蜄|戈壁分布較多。

圖4 基于土地覆蓋指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果(評(píng)估期,2011—2020年)

3.1.2土地生產(chǎn)力評(píng)估

基線期和評(píng)估期生態(tài)系統(tǒng)總體均表現(xiàn)為恢復(fù)。前者恢復(fù)、穩(wěn)定、退化和非植被區(qū)的面積分別為8.00×105km2、9.81×105km2、1.13×105km2和8.45×105km2,分別占高原總面積的29.21%、35.79%、4.13%和30.87%;后者四種類型的面積分別為10.64×105km2、7.42×105km2、1.19×105km2、8.16×105km2,分別占38.82%、27.07%、4.35%、29.77%?；謴?fù)區(qū)在整個(gè)蒙古高原廣泛分布,包括蒙古的北部和內(nèi)蒙古的東部地區(qū)。退化區(qū)在高原中部的荒漠-草原交錯(cuò)區(qū)呈帶狀分布,其中基線期在前杭愛中部、中戈壁中部、東戈壁西北和東南部以及赤峰的西北部分布較集中,此外在巴彥烏列蓋、科布多、戈壁阿爾泰、巴彥洪戈?duì)?、肯特和烏蘭察布也有零散分布;而評(píng)估期在戈壁阿爾泰東部、巴彥卓爾北部、前杭愛東部、中戈壁中部分布較為明顯(圖5、圖6)。

圖5 基于土地生產(chǎn)力指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果(基線期,2001—2010年)

圖6 基于土地生產(chǎn)力指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果(評(píng)估期,2011—2020年)

3.1.3土壤有機(jī)碳評(píng)估

基線期恢復(fù)區(qū)和退化區(qū)的面積分別為4.70×104km2、1.39×104km2,分別占高原總面積的1.71%和0.51%,土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在2001—2010年間增速為7.11×106tC/a。恢復(fù)區(qū)在巴彥烏列蓋北部、烏布蘇南部、科布多北部和扎布汗西部有一個(gè)明顯的塊狀分布;在中戈壁東南、南戈壁的北部、東戈壁南部和烏蘭察布的北部也有一個(gè)較為集中的塊狀分布區(qū);在呼倫貝爾中部有一個(gè)較小的條帶狀分布區(qū)。退化區(qū)在蒙古國(guó)的科布多中部、戈壁阿爾泰北部、巴彥洪戈?duì)栔胁亢颓昂紣勰喜糠植驾^為集中;在內(nèi)蒙古呼倫貝爾東部,興安盟東部、通遼東部和巴彥卓爾也有明顯的分布(圖7)。

圖7 基于土壤有機(jī)碳指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果(基線期,2001—2010年)

評(píng)估期恢復(fù)區(qū)和退化區(qū)的面積分別為4.15×104km2、2.21×104km2,分別占高原總面積的1.51%和0.81%,土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在2011—2020年間增速為6.04×106tC/a。恢復(fù)區(qū)從蒙古西部的巴彥烏列蓋,往東經(jīng)過科布多戈壁阿爾泰、巴彥洪戈?duì)?、前杭愛、南戈壁、中戈壁和東戈壁,往南經(jīng)過內(nèi)蒙的錫林郭勒、烏蘭察布、巴彥卓爾和包頭,形成一條從西至東,再往南的貫通的帶狀分布于蒙古高原的荒漠和草地的交錯(cuò)帶。退化區(qū)在內(nèi)蒙古呼倫貝爾的中部和東南部分布較為集中,在興安盟、通遼、赤峰、巴彥卓爾和呼和浩特也有零散分布;在蒙古的中戈壁和東戈壁也有小部分的分布。基線期恢復(fù)區(qū)的分布面積是明顯大于退化區(qū)的,在蒙古的南部與內(nèi)蒙古的西南呈帶狀分布,在內(nèi)蒙古的東北有較明顯的塊狀集中分布區(qū)(圖8)。

圖8 基于土壤有機(jī)碳指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果(評(píng)估期,2011—2020年)

3.2 綜合評(píng)估

基于土地覆蓋、土地生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳3個(gè)核心指標(biāo),根據(jù)“1OAO”的原則分別計(jì)算基線期和評(píng)估期的LDN綜合指標(biāo)。基線期LDN綜合指標(biāo)表明,退化區(qū)主要分布在蒙古的西北部和東南以及內(nèi)蒙古的西北、東北及東部邊緣,退化區(qū)域的總面積為1.32×105km2,約占高原總面積的4.82%;基線期恢復(fù)區(qū)的面積為8.24×105km2,約占高原總面積的30.09%?；€期的退化區(qū)主要分布于巴彥洪戈?duì)栔胁?、戈壁阿爾泰北部、科布多、巴彥烏列蓋、烏布蘇南部、庫蘇古爾北部和色楞格北部;在中戈壁東部、東戈壁北部和南部以及烏蘭察布、包頭北部和巴彥卓爾東南部呈現(xiàn)半環(huán)狀分布;呼倫貝爾東部、興安盟、通遼和赤峰有一些零散分布區(qū)?；€期的恢復(fù)區(qū)分布范圍較廣,包括蒙古的北部和內(nèi)蒙古的東北及東南地區(qū)(圖9)。3個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)為退化的區(qū)域約占0.0096%、3個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)為穩(wěn)定的區(qū)域約占35.03%、3個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)為恢復(fù)的區(qū)域約占0.20%;由NDVI主導(dǎo)的退化約占4.00%,由NDVI主導(dǎo)的恢復(fù)約占27.88%;由土地覆蓋主導(dǎo)的退化約占0.28%,由土地覆蓋主導(dǎo)的恢復(fù)約占0.23%;3個(gè)指標(biāo)中任意兩指標(biāo)組合來決定土地狀態(tài)的區(qū)域約占31.22%(圖10)。

圖9 LDN綜合指標(biāo)(基線期,2001—2010年)

圖10 基線期和評(píng)估期各個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率

評(píng)估期的LDN綜合指標(biāo)的結(jié)果表明,退化區(qū)在蒙古的中部和西部分布較為集中,在內(nèi)蒙古的東北和東部區(qū)域也有一些零散分布區(qū)。評(píng)估期退化區(qū)的面積為1.63×105km2,約占高原總面積的5.94%?；謴?fù)區(qū)的面積約為10.63×105km2,約占高原總面積的38.79%。退化區(qū)從西至東依次經(jīng)過科布多、戈壁阿爾泰北部、巴彥洪戈?duì)栔胁?、前杭愛中部、中戈壁西部形成一條明顯的帶狀退化區(qū);在內(nèi)蒙古的北部和東部,包括呼倫貝爾東部、興安盟、通遼和赤峰有零散分布區(qū)。評(píng)估期恢復(fù)區(qū)的面積也是明顯大于退化區(qū)的,恢復(fù)區(qū)分布于蒙古的北部和東部以及內(nèi)蒙的北部和中部地區(qū)(圖11)。3個(gè)指標(biāo)均為退化的區(qū)域約占0.01%、3個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)為穩(wěn)定的區(qū)域約占26.22%、3個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)為恢復(fù)的區(qū)域約占0.14%;由NDVI主導(dǎo)的退化約占4.23%,由NDVI主導(dǎo)的恢復(fù)約占37.35%;由土地覆蓋主導(dǎo)的退化約占0.87%,由土地覆蓋主導(dǎo)的恢復(fù)約占0.12%;3個(gè)指標(biāo)中任意兩指標(biāo)組合來決定土地狀態(tài)的區(qū)域約占29.91%(圖10)。

圖11 LDN綜合指標(biāo)(評(píng)估期,2011—2020年)

通過對(duì)比評(píng)估期與基線期的土地狀態(tài)——疊加評(píng)估期和基線期LDN綜合指標(biāo)的結(jié)果,判斷新增退化土地與新增恢復(fù)土地面積的大小關(guān)系得到當(dāng)前LDN的總體情況(圖12)。

圖12 以2001—2010年為基準(zhǔn)期的2011—2020年動(dòng)態(tài)變化評(píng)估

結(jié)果表明,與基線期相比,評(píng)估期新增退化區(qū)域的面積為7.77×104km2,約占高原總面積的2.84%;評(píng)估期新增恢復(fù)區(qū)域面積約為10.83×104km2,約占高原總面積的3.96%。新增退化區(qū)在高原中部呈現(xiàn)明顯的帶狀分布,從戈壁阿爾泰東部往東依次經(jīng)過巴彥洪戈?duì)柋辈俊⑶昂紣凼≈胁亢椭懈瓯谖鞑?同時(shí)在內(nèi)蒙古東北部也有較為明顯的散亂分布,包括呼倫貝爾中東部和通遼東部等。新增恢復(fù)區(qū)在中戈壁東部、東戈壁東南部和赤峰的西北部分布較為集中。

4 討論

土地退化和恢復(fù)評(píng)估很難用單一的指標(biāo)充分反映土地的狀態(tài),多個(gè)指標(biāo)共同監(jiān)測(cè)才能更充分地反映研究區(qū)內(nèi)的土地狀況[28]。LDN評(píng)估作為SDG 15.3的目標(biāo),其核心是退化土地的基線評(píng)估和相對(duì)于基線期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

4.1 蒙古高原的LDN評(píng)估

本研究基于LDN-SCF的3個(gè)核心指標(biāo),分別從不同的角度量化了蒙古高原土地的退化和恢復(fù)情況。

土地覆蓋變化反映了由于自然條件和人類活動(dòng)而造成的景觀組分和結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和轉(zhuǎn)變[30],可以直觀地反映由于土地狀態(tài)的變化從而識(shí)別出退化和恢復(fù)的區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn)蒙古高原地區(qū)土地覆蓋類型在過去20年間的變化相對(duì)較小且恢復(fù)占主導(dǎo),退化區(qū)域和恢復(fù)區(qū)域主要分布在森林-草地和草地-裸地交錯(cuò)地區(qū)。有研究采用更為精細(xì)的草地分類,發(fā)現(xiàn)蒙古高原地區(qū)1990—2015年不同類型草地之間的轉(zhuǎn)換較活躍且呈現(xiàn)退化趨勢(shì)[17,29—32],2000年之后土地恢復(fù)的能力逐漸提升。本研究所采用的土地覆蓋類型較粗糙,只能識(shí)別出不同類型之間的轉(zhuǎn)換,因此忽略了不同草地之間的轉(zhuǎn)化(如典型草原轉(zhuǎn)化為荒漠草原)導(dǎo)致的土地退化。由于土地利用與覆蓋類型的變化較小(基線期變化占比為3.51%,評(píng)估期變化占比為3.65%),因此基于這一指標(biāo)識(shí)別出的生態(tài)系統(tǒng)變化的范圍也很小。

土地生產(chǎn)力指標(biāo)表征土地的健康和生產(chǎn)能力的變化,并反映了生態(tài)系統(tǒng)功能的變化對(duì)植物和生物量增長(zhǎng)的凈影響,其下降趨勢(shì)往往是土地退化的一個(gè)決定性特征。本研究將NDVI作為土地生產(chǎn)力的代理指標(biāo),發(fā)現(xiàn)區(qū)域生產(chǎn)力顯著增加,且恢復(fù)區(qū)域的面積遠(yuǎn)大于退化區(qū)(基線期恢復(fù)區(qū)面積占29.21%,退化區(qū)約占4.13%;評(píng)估期恢復(fù)區(qū)面積約占38.82%,退化區(qū)約占4.35%),這與全球生態(tài)系統(tǒng)變綠的大趨勢(shì)一致,體現(xiàn)了大氣二氧化碳濃度的施肥效應(yīng)[33],同時(shí)也受到區(qū)域降水量增多和生態(tài)工程的實(shí)施的影響[25]。生產(chǎn)力降低的區(qū)域主要分布在高原中部的草地-荒漠交錯(cuò)區(qū)和高原西北的草地區(qū)域,與現(xiàn)有研究識(shí)別的生態(tài)退化區(qū)的空間范圍大體一致[26,34—35]。

土壤有機(jī)碳指標(biāo)的變化較緩慢,在數(shù)年或者數(shù)十年的研究尺度內(nèi)變化相對(duì)較小。本研究發(fā)現(xiàn),20年間SOC發(fā)生變化的區(qū)域較少,整體表現(xiàn)為微弱的上升趨勢(shì),退化區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古的草地和草地-農(nóng)田過渡區(qū)以及高原中部的草地-荒漠過渡區(qū),恢復(fù)區(qū)主要分布在高原北部的森林-草地交錯(cuò)帶和中部的草地-荒漠交錯(cuò)帶,這一結(jié)果與Shi等[36]模型模擬的結(jié)果相似。本研究結(jié)果表明,2001—2010年和2011—2020年兩個(gè)時(shí)間段,區(qū)域土壤有機(jī)碳庫總體為重要的碳匯(分別為7.11×106tC/a和6.04×106tC/a),這一數(shù)值與已有的估計(jì)相差不大(8×106tC/a)[37—39]。

土地覆蓋、土地生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳3個(gè)指標(biāo)分別從最直觀的土地覆蓋類型的轉(zhuǎn)變、地上植被生產(chǎn)力的動(dòng)態(tài)和地下土壤碳儲(chǔ)量的變化來評(píng)估土地的質(zhì)量。3個(gè)指標(biāo)中,NDVI的變化最為顯著、其次為土地覆蓋、SOC最穩(wěn)定,因此以上評(píng)估結(jié)果中NDVI占主導(dǎo)作用。3個(gè)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果一致的區(qū)域在兩個(gè)時(shí)期分別占35.25%和26.38%;由NDVI指標(biāo)主導(dǎo)的區(qū)域在兩個(gè)時(shí)期分別占31.88%和41.57%;由土地覆蓋指標(biāo)主導(dǎo)的區(qū)域在兩個(gè)時(shí)期均不足1%。基于LDN-SCF的3個(gè)核心指標(biāo)的結(jié)果表明,在2001—2020年間,蒙古高原的退化面積小于恢復(fù)面積,意味著與基線期(2001—2010年)相比,蒙古高原已實(shí)現(xiàn)LDN目標(biāo),這與采用植被綠度、植被生產(chǎn)力和植被冠層結(jié)構(gòu)等指標(biāo)(1982—2018年)發(fā)現(xiàn)的總體恢復(fù)趨勢(shì)一致[35,40]。由于干旱區(qū)NPP較低且受到降雨波動(dòng)以及方面活動(dòng)等影響較大,而土壤有機(jī)碳的積累相對(duì)較慢,因此區(qū)域中已恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)加以保護(hù),減少干擾。生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估還需要更長(zhǎng)時(shí)間尺度的監(jiān)測(cè)[41]。

4.2 LDN評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn)

基于LDN-SCF的LDN評(píng)估方法的優(yōu)點(diǎn)在于可操作性強(qiáng),對(duì)于缺少區(qū)域數(shù)據(jù)的地區(qū),可以參考UNCCD指南的數(shù)據(jù)、指標(biāo)和方法來評(píng)估當(dāng)前LDN目標(biāo)的完成情況。但是,LDN-SCF的LDN評(píng)估方法目前還存在一些不足。(1)全球數(shù)據(jù)與區(qū)域特性不匹配。由于推薦的數(shù)據(jù)源大都是全球尺度的,不能充分考略到地區(qū)的特點(diǎn),可能會(huì)導(dǎo)致一些變化過程不能被捕捉到[7,32,42];(2)評(píng)估方法的分級(jí)和分類較為簡(jiǎn)單。土地覆蓋類型轉(zhuǎn)化與土地狀態(tài)變化之間的關(guān)系存在爭(zhēng)議[21,43],土地生產(chǎn)力各個(gè)子指標(biāo)的分級(jí)也比較粗糙;(3)評(píng)估指標(biāo)較為單一。概念框架的3個(gè)核心指標(biāo)不能充分表現(xiàn)不同區(qū)域之間的特點(diǎn)[44],某些區(qū)域的變化不能充分別識(shí)別;(4)缺乏更為具體的量化指標(biāo)。目前的評(píng)估方法只是判斷退化和恢復(fù)面積的大小關(guān)系,未統(tǒng)計(jì)區(qū)域上固碳量、生物量等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)量的變化,這就使得壞地?fù)Q好地情況的出現(xiàn),即面積上可以均等,但是壞地恢復(fù)獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于好地退化損失的收益[23,45]。

4.3 LDN評(píng)估未來研究方向

未來的LDN研究還須進(jìn)一步深化:

(1)加強(qiáng)科學(xué)數(shù)據(jù)的研發(fā)。后續(xù)研究需要根據(jù)具體區(qū)域的特點(diǎn)開發(fā)適合本區(qū)的數(shù)據(jù),例如蒙古高原地區(qū)主要的土地類型為草地和荒漠且不同草地類型之間的轉(zhuǎn)化較為活躍[46],土地覆蓋產(chǎn)品需要盡可能地細(xì)化這兩個(gè)地類的類型,才能更充分地識(shí)別該區(qū)域的變化。土壤有機(jī)碳的監(jiān)測(cè)相對(duì)而言更為困難[47],一方面需要加密采樣點(diǎn)并訓(xùn)練模型完成長(zhǎng)時(shí)序土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)集的建立,另一方面也要完善SOC的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。

(2)細(xì)化評(píng)估方法的分級(jí)和分類。針對(duì)土地覆蓋指標(biāo),需要進(jìn)一步明確土地覆蓋類型轉(zhuǎn)化與土地狀態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并將目前的定性表述盡可能提升到定量研究。針對(duì)土地生產(chǎn)力指標(biāo),主要采用遙感指標(biāo)作為代理,但是大尺度長(zhǎng)時(shí)序的數(shù)據(jù)存在較大的波動(dòng)性[48—49],當(dāng)前許多基于遙感數(shù)據(jù)的研究結(jié)果存在較大爭(zhēng)議,后續(xù)研究在利用全球數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)先采用高分?jǐn)?shù)據(jù)和實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該數(shù)據(jù)的可用性。后續(xù)研究應(yīng)對(duì)目前應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)分析、極限檢測(cè)等這些評(píng)估方法細(xì)化分級(jí)數(shù)[18,50]。

(3)完善評(píng)估指標(biāo)。后續(xù)的研究需要針對(duì)具體研究區(qū)域的特點(diǎn)來增加量化土地狀態(tài)變化的補(bǔ)充指標(biāo)。例如,根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)類型的特點(diǎn)補(bǔ)充評(píng)估指標(biāo),針對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)可以補(bǔ)充載畜量,荒漠生態(tài)系統(tǒng)可以補(bǔ)充防風(fēng)固沙量等[5,51]。

(4)完善評(píng)估方法。為了更為準(zhǔn)確地評(píng)估恢復(fù)土地的生態(tài)效應(yīng)是否能夠抵消土地退化的效應(yīng),除了簡(jiǎn)單地統(tǒng)計(jì)面積的變化之外,需要增加生物量、固碳量、以及其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增減統(tǒng)計(jì)。

5 結(jié)論

LDN評(píng)估采用基線評(píng)估和評(píng)估期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)來量化研究區(qū)域內(nèi)土地的動(dòng)態(tài)變化,通過對(duì)比基線期和評(píng)估期間退化和恢復(fù)土地的面積可以判斷是否實(shí)現(xiàn)LDN目標(biāo)。蒙古高原評(píng)估結(jié)果表明,相對(duì)于基準(zhǔn)年2010年的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài),到2020年區(qū)域LDN目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到,即恢復(fù)的面積超過退化的面積,而且SOC表現(xiàn)出弱的碳匯。由于全球尺度的數(shù)據(jù)空間分辨率較粗,如草地和荒漠在分類上較為粗糙,給區(qū)域LDN的評(píng)估帶來了較大的不確定性。同時(shí),SOC指標(biāo)由于缺少長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù),通過區(qū)分不同氣候區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)換系數(shù)來推算SOC的變化,其結(jié)果的不確定性也較大。未來需要結(jié)合模型和大量樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的交差驗(yàn)證提高SOC估算精度[37]。LDN案例評(píng)估的作用一方面可以根據(jù)研究區(qū)的具體情況補(bǔ)充評(píng)估指標(biāo)并完善評(píng)估方法,另一方面區(qū)域評(píng)估能為該區(qū)域的管理實(shí)踐提供指導(dǎo)。本研究強(qiáng)調(diào),未來LDN研究需要在區(qū)域數(shù)據(jù)的研發(fā)、評(píng)估方法的細(xì)化、評(píng)估指標(biāo)的完善、定量化研究的加強(qiáng)等方面進(jìn)一步深化;荒漠和草地交錯(cuò)帶是蒙古高原地區(qū)退化顯著的區(qū)域,是未來生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域。