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库布齐沙漠地区生态系统格局演变及其驱动力分析

林龙圳 陈远书 马玮哲 林震 于强

林龙圳, 陈远书, 马玮哲, 林震, 于强. 库布齐沙漠地区生态系统格局演变及其驱动力分析[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200242
引用本文: 林龙圳, 陈远书, 马玮哲, 林震, 于强. 库布齐沙漠地区生态系统格局演变及其驱动力分析[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200242
Lin Longzhen, Chen Yuanshu, Ma Weizhe, Lin zhen, Yu qiang. Evolution and driving forces of ecosystem pattern in Kubuqi Desert[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200242
Citation: Lin Longzhen, Chen Yuanshu, Ma Weizhe, Lin zhen, Yu qiang. Evolution and driving forces of ecosystem pattern in Kubuqi Desert[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200242

库布齐沙漠地区生态系统格局演变及其驱动力分析

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200242
基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目(42001211),北京市哲学社会科学基金重大项目(20LLZZA015)
详细信息
    作者简介:

    林龙圳,博士生,副研究员。主要研究方向:生态文明建设与管理。Email:linlongzhen83@163.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学生态文明研究院

    通讯作者:

    于强,博士,讲师。主要研究方向:区域生态空间分析、林业定量遥感。Email:yuqiang@bjfu.edu.cn 地址:同上

Evolution and driving forces of ecosystem pattern in Kubuqi Desert

  • 摘要:   目的  研究库布齐沙漠地区生态系统格局演变及其驱动力,厘清不同驱动因子对生态系统格局变化的影响程度,进而提出针对性的改进措施,为库布齐沙漠地区生态保护和高质量发展提供科学依据和决策支持。  方法  采用生态系统变化幅度、年变化率、动态度及景观格局指数分析了库布齐沙漠地区2000—2018年生态系统格局和演变特征,及主要驱动力对生态系统变化的贡献。  结果  (1)库布齐沙漠地区生态系统以草地、裸地和农田为主,三者共占91.46%,水域、建设用地和林地占比都很小。(2)研究期内,库布齐沙漠地区生态系统农田、草地和建设用地面积增加,林地、水域和裸地面积减少,生态系统演变以裸地转换为草地为主,同时草地转换为裸地也较为明显。(3)研究期内生态系统景观破碎化程度和景观多样性指数均上升。(4)生态保护与修复是生态系统格局演变的首要驱动力,贡献率为44.53%;土地退化是引发生态系统变化的第二驱动力,贡献率为23.87%;农田扩张、城镇化建设和水资源开发的贡献率分别为17.72%、8.51%和5.37%。  结论  为实现库布齐沙漠地区生态系统可持续发展,应科学实施生态保护修复工程,统筹推进山水林田湖草沙综合治理、系统治理、源头治理,重点防止土地退化,合理开发利用耕地,促进生态系统良性循环,维护区域生态安全。
  • 图  1  研究区位置图

    Figure  1.  Location of the study area

    图  2  库布齐沙漠地区生态系统2018年空间分布

    Figure  2.  Spatial distribution of ecosystems of the Kubuqi Desert in 2018

    图  3  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统类型空间转换

    Figure  3.  Spatial conversion of ecosystems of the Kubuqi Desert during 2000−2018

    图  4  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统年变化率空间分布

    Figure  4.  Spatial distribution of annual ecosystem conversion rate of the Kubuqi Desert during 2000−2018

    图  5  2000—2018年景观类型水平上景观格局指数变化

    Figure  5.  Landscape pattern indexes of ecosystems at class level during 2000−2018

    图  6  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统林草地变化的空间分布

    Figure  6.  Spatial distribution of forest and grassland of the Kubuqi Desert during 2000−2018

    图  7  库布齐沙漠不同地区不同时段林草地变化统计

    Figure  7.  Statistical histogram of woodland and grassland change in different regions during different periods of the Kubuqi Desert

    图  8  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统裸地变化的空间分布

    Figure  8.  Spatial distribution of bare land of the Kubuqi Desert during 2000-2018

    图  9  库布齐沙漠不同地区不同时段裸地变化统计

    Figure  9.  Statistical histogram of bare land change in different regions during different periods of the Kubuqi Desert

    图  10  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统农田变化的空间分布

    Figure  10.  Spatial distribution of farmland of the Kubuqi Desert during 2000−2018

    图  11  库布齐沙漠不同地区不同时段农田变化统计

    Figure  11.  Statistical histogram of farmland change in different regions during different periods of the Kubuqi Desert

    图  12  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统建设用地变化的空间分布

    Figure  12.  Spatial distribution of construction land of the Kubuqi Desert during 2000−2018

    图  13  库布齐沙漠不同地区不同时段建设用地变化统计

    Figure  13.  Statistical histogram of construction land change in different regions during different periods of the Kubuqi Desert

    图  14  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统水域变化的空间分布

    Figure  14.  Spatial distribution of water area of the Kubuqi Desert during 2000−2018

    图  15  库布齐沙漠不同地区不同时段水域变化统计

    Figure  15.  Statistical histogram of water area change in different regions during different periods of the Kubuqi Desert

    表  1  景观格局指数含义

    Table  1.   Landscape indexes and descriptions

    水平层次 Levels指数名称 Indexes具体含义 Descriptions
    类型水平和景观水平
    Class level & landscape level
    斑块数量
    Number of patch (NP)
    衡量某一特定类型斑块的破碎程度
    Measuring the degree of fragmentation of a particular type of plaque
    斑块密度
    Patch density (PD)
    反映景观破碎化程度,PD值越大,破碎化程度越高
    The higher the PD value, the higher the fragmentation degree
    最大斑块指数
    largest patch index (LPI)
    反映最大斑块面积占总景观面积的百分比,是斑块水平上优势度的度量
    Reflecting the percentage of the largest patch area in the total landscape area, which is a measure of dominance at the patch level
    类型水平
    Class level
    边缘密度
    Edge density (ED)
    景观范围内单位面积上异质景观要素斑块间的边缘长度
    Edge length between patches of heterogeneous landscape elements per unit area of landscape
    景观水平
    Landscape level
    斑块集合指数
    Patch cohesion index (COHESION)
    反映不同斑块类型的聚集程度,COHESION值越小,斑块离散程度越高
    The smaller the cohesion value is, the higher the dispersion degree is
    景观形状指数
    Landscape shape index (LSI)
    度量景观聚散程度,LSI值越大,斑块越离散
    Measuring the degree of landscape aggregation and dispersion. The larger the LSI, the more dispersed the patches are
    香农多样性指数
    Shannon-Wiener index (SHDI)
    度量景观多样性
    Measuring landscape diversity
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    表  2  2018年库布齐沙漠地区主要生态系统类型构成

    Table  2.   Type constitution of major ecosystems of the Kubuqi Desert in 2018

    Ⅰ级生态系统类型
    Class Ⅰ
    ecosystem types
    Ⅱ级生态系统类型
    Class Ⅱ
    ecosystem types
    所占面积
    Area/km2
    Ⅱ级在Ⅰ级中占比
    Proportion of grade
    Ⅱ in grade Ⅰ/%
    Ⅱ级在整体中占比
    Proportion of grade
    Ⅱ in the whole/%
    Ⅰ级在整体中占比
    Proportion of grade
    Ⅰ in the whole/%
    农田 Farmland(FL) 旱地 Dry land 3 180.85 100.00 9.22 9.22

    林地 Woodland(WL)
    有林地 Forest land 389.34 45.76 1.13 2.47
    灌木林 Shrub land 147.97 17.39 0.43
    疏林地 Sparse woodland 295.94 34.78 0.86
    其他林地 Other woodland 17.57 2.07 0.05

    草地 Grassland(GL)
    高覆盖度草地 High coverage grassland 3 118.89 16.60 9.04 54.44
    中覆盖度草地 Medium coverage grassland 9 457.47 50.32 27.40
    低覆盖度草地 Low coverage grassland 6 216.51 33.08 18.01

    水域 Water area(WA)
    河渠 Canal 280.68 26.18 0.81 3.10
    湖泊 Lake 83.69 7.81 0.24
    水库坑塘 Reservoir pond 26.36 2.46 0.08
    滩地 Beach 681.58 63.56 1.97

    建设用地 Construction land(CL)
    城镇用地 Urban land 79.07 7.72 0.23 2.97
    农村居民点 Rural residential land 445.75 43.52 1.29
    其他建设用地 Other construction land 499.39 48.76 1.45

    裸地 Bare land(BL)
    沙地 Sandy land 9 074.60 94.56 26.29 27.80
    戈壁 Gobi desert 16.18 0.17 0.05
    盐碱地 Saline-alkali land 364.83 3.80 1.06
    沼泽地 Swamp 91.09 0.95 0.26
    裸土地 Barren earth 10.64 0.11 0.03
    裸岩石质地 Bare exposed rock 39.77 0.41 0.12
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    表  3  2000—2018年库布齐沙漠地区主要生态系统类型构成变化幅度

    Table  3.   Change ranges of major ecosystems of the Kubuqi Desert during 2000−2018 %

    增减幅度 Range2000—20052005—20102010—20152015—20182000—2018
    农田 Farmland(FL) 3.56 0.19 −1.57 0.39 2.53
    林地 Woodland(WL) 2.33 −0.94 21.61 −24.50 −6.93
    草地 Grassland(GL) −2.24 0.21 0.74 4.60 3.23
    水域 Water area(WA) −2.22 −1.32 4.25 −10.05 −9.52
    建设用地 Construction land(CL) 4.51 0.97 48.47 30.06 103.76
    裸地 Bare land(BL) 2.63 −0.22 −5.41 −6.61 −9.54
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    表  4  2000—2018年库布齐沙漠地区主要生态系统类型构成比率

    Table  4.   Composing rate of major ecosystems of the Kubuqi Desert during 2000−2018 %

    Ⅰ级生态系统类型
    Class Ⅰ ecosystem types
    Ⅱ级生态系统类型
    Class Ⅱ ecosystem types
    20002005201020152018
    农田 Farmland(FL) 旱地 Dry land 8.99 9.31 9.33 9.18 9.22
    林地 Woodland(WL) 有林地 Forest land 1.24 1.27 1.26 1.75 1.13
    灌木林 Shrub land 0.52 0.45 0.45 0.44 0.43
    疏林地 Sparse woodland 0.79 0.88 0.89 0.98 0.86
    其他林地 Other woodland 0.10 0.10 0.09 0.09 0.05
    草地 Grassland(GL) 高覆盖度草地 High coverage grassland 8.06 9.41 9.43 9.81 9.04
    中覆盖度草地 Medium coverage grassland 21.13 21.36 21.38 20.66 27.40
    低覆盖度草地 Low coverage grassland 23.55 20.80 20.86 21.58 18.01
    水域 Water area(WA) 河渠 Canal 0.47 0.74 0.72 0.87 0.81
    湖泊 Lake 0.30 0.29 0.29 0.29 0.24
    水库坑塘 Reservior pond 0.04 0.05 0.05 0.09 0.08
    滩地 Beach 2.62 2.28 2.25 2.20 1.97
    建设用地 Construction land(CL) 城镇用地 Urban land 0.05 0.08 0.08 0.10 0.23
    农村居民点 Rural residential land 1.33 1.33 1.33 1.35 1.29
    其他建设用地 Other construction land 0.07 0.10 0.12 0.83 1.45
    裸地 Bare land(BL) 沙地 Sandy land 28.97 29.75 29.70 28.02 26.29
    戈壁 Gobi desert 0.04 0.04 0.04 0.04 0.05
    盐碱地 Saline-alkali land 1.38 1.36 1.31 1.30 1.06
    沼泽地 Swamp 0.22 0.27 0.30 0.28 0.26
    裸土地 Barren earth 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
    裸岩石质地 Bare exposed rock 0.09 0.09 0.09 0.09 0.12
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    表  5  2000—2018年景观水平生态系统格局指数变化

    Table  5.   Changes of ecosystem indexes at landscape level during 2000−2018

    年份
    Year
    斑块数量
    Number of patch
    斑块密度
    Patch density
    最大斑块指数
    Largest patch index
    斑块形状指数
    Landscape shape index
    斑块结合指数
    Patch cohesion index
    香农多样性指数
    Shannon-Wiener index
    20003 1060.090 045.640 133.912 298.923 71.190 1
    20053 2060.092 945.633 433.837 398.956 51.201 9
    20103 2100.093 045.649 533.873 998.957 51.200 4
    20153 3470.097 045.369 534.952 598.914 51.234 0
    20183 0890.089 548.096 534.015 599.024 31.210 1
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    表  6  2000—2018年驱动力作用下库布齐沙漠地区生态系统面积变化统计

    Table  6.   Statistics of ecosystem change under driving forces of the Kubuqi Desert during 2000−2018

    项目
    Item
    生态保护与修复
    Ecological conservation
    and restoration
    土地退化
    Land
    degradation
    农田扩张
    Cropland
    development
    城镇化建设
    Urbanization
    水资源开发
    Water resource
    development
    生态系统面积变化
    Ecosystem area variation/km2
    农田 Farmland −1 420 −169 1 857 −188 −128
    林地 Woodland 309 −216 −75 −56 −22
    草地 Grassland 4 077 −1 918 −1 164 −465 −263
    水域 Water area 278 −166 −161 −34 563
    建设用地 Construction land −182 −32 −157 891 −10
    裸地 Bare land −3 064 2 501 −300 −147 −140
    合计 Total 4 665 2 501 1 857 891 563
    贡献率 Contribution rate/% 44.53 23.87 17.72 8.51 5.37
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-06
  • 修回日期:  2020-09-04
  • 网络出版日期:  2021-04-09

库布齐沙漠地区生态系统格局演变及其驱动力分析

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200242
    基金项目:  国家自然科学基金青年科学基金项目(42001211),北京市哲学社会科学基金重大项目(20LLZZA015)
    作者简介:

    林龙圳,博士生,副研究员。主要研究方向:生态文明建设与管理。Email:linlongzhen83@163.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学生态文明研究院

    通讯作者: 于强,博士,讲师。主要研究方向:区域生态空间分析、林业定量遥感。Email:yuqiang@bjfu.edu.cn 地址:同上

摘要:   目的  研究库布齐沙漠地区生态系统格局演变及其驱动力,厘清不同驱动因子对生态系统格局变化的影响程度,进而提出针对性的改进措施,为库布齐沙漠地区生态保护和高质量发展提供科学依据和决策支持。  方法  采用生态系统变化幅度、年变化率、动态度及景观格局指数分析了库布齐沙漠地区2000—2018年生态系统格局和演变特征,及主要驱动力对生态系统变化的贡献。  结果  (1)库布齐沙漠地区生态系统以草地、裸地和农田为主,三者共占91.46%,水域、建设用地和林地占比都很小。(2)研究期内,库布齐沙漠地区生态系统农田、草地和建设用地面积增加,林地、水域和裸地面积减少,生态系统演变以裸地转换为草地为主,同时草地转换为裸地也较为明显。(3)研究期内生态系统景观破碎化程度和景观多样性指数均上升。(4)生态保护与修复是生态系统格局演变的首要驱动力,贡献率为44.53%;土地退化是引发生态系统变化的第二驱动力,贡献率为23.87%;农田扩张、城镇化建设和水资源开发的贡献率分别为17.72%、8.51%和5.37%。  结论  为实现库布齐沙漠地区生态系统可持续发展,应科学实施生态保护修复工程,统筹推进山水林田湖草沙综合治理、系统治理、源头治理,重点防止土地退化,合理开发利用耕地,促进生态系统良性循环,维护区域生态安全。

English Abstract

林龙圳, 陈远书, 马玮哲, 林震, 于强. 库布齐沙漠地区生态系统格局演变及其驱动力分析[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200242
引用本文: 林龙圳, 陈远书, 马玮哲, 林震, 于强. 库布齐沙漠地区生态系统格局演变及其驱动力分析[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200242
Lin Longzhen, Chen Yuanshu, Ma Weizhe, Lin zhen, Yu qiang. Evolution and driving forces of ecosystem pattern in Kubuqi Desert[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200242
Citation: Lin Longzhen, Chen Yuanshu, Ma Weizhe, Lin zhen, Yu qiang. Evolution and driving forces of ecosystem pattern in Kubuqi Desert[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200242
  • 生态系统格局是不同生态系统在地理空间单元上的分布和配置情况,反映了各类生态系统自身的空间分布规律和不同生态系统之间的空间结构关系,对生态系统服务供给和维持、生物多样性保护等起到直接影响作用[1-4]。生态系统格局演变受到自然条件变化和人类社会活动等驱动因素的影响,研究区域生态系统格局演变是认识生态环境改变和人类活动关系的重要基础[5-8]

    生态系统格局演变及其驱动力分析是探讨干旱、半干旱地区环境变化、模拟预测,以及生态保护与修复政策评估与可持续管理的基础,也是当前生态环境问题研究领域备受瞩目的内容[9-10]。相关研究主要聚焦在生态系统格局变化与评价、驱动力分析及预测模拟等方面[11-14],研究方法主要采用土地转移利用矩阵、景观格局指数、数理统计分析等[15-17]。在国际上,英国、美国等国家分别开展了不同尺度的生态系统格局演变与评估研究[18-19],在国内,关于生态系统评估的相关研究成果近年来不断涌现,研究尺度覆盖了全国到区域的不同尺度[20-23],极大推动了生态系统研究的理论与实践进展。

    库布齐沙漠是我国第七大沙漠,也是距首都北京最近的沙漠,一度被称为“悬在首都头上的一盆沙”[24]。进入21世纪以来,库布齐沙漠地区大力实施生态保护修复政策,先后开展了“三北”防护林、退耕还林还草、京津风沙源治理、草原保护建设、国家沙化土地封禁保护区等一系列重大生态保护修复工程,并取得积极成效,被誉为“世界上唯一被整体治理的沙漠”;此外,库布齐沙漠地区还因地制宜大力发展沙区产业,被联合国环境规划署确定为“全球沙漠生态经济示范区”[25-27]

    随着生态文明和美丽中国建设的深入推进,生态保护修复政策的实施对库布齐沙漠地区生态系统格局产生的影响如何,逐渐成为备受国内外学者关注的研究热点。目前,国内部分学者针对鄂尔多斯整体或库布齐沙漠局部地区的生态系统格局演变进行了研究,尚缺乏基于生态系统完整性角度对库布齐沙漠地区开展的专门研究[28-31]。因此,定量掌握库布齐沙漠地区生态系统状况及结构的时空变化特征,了解导致生态系统格局演变的驱动力因素及其影响作用,有助于量化评价现有生态保护修复政策实施的实际效果,发现存在问题并提出针对性对策,对于构建我国北方重要生态安全屏障具有重要意义,对于推进黄河流域生态保护和高质量发展具有积极作用,对于全球荒漠化防治同样具有借鉴作用。

    本文选取2000、2005、2010、2015、2018年5个年度,对库布齐沙漠地区生态系统构成、变化特征和格局演变进行整体分析,对影响生态系统格局的驱动力因素进行识别和分析,并分别针对杭锦旗、达拉特旗和准格尔旗生态系统类型的时空变化进行分类研究,以期揭示生态保护修复和经济社会活动对区域生态系统格局演变的影响作用,为库布齐沙漠地区生态保护和高质量发展提供科学依据和决策支持。

    • 库布齐沙漠地处黄河流域中游地区,位于黄河“几”字湾南岸的内蒙古自治区鄂尔多斯市北部,总面积约1.863万km2,沙漠总长400 km,宽度为30 ~ 80 km,形状为东窄西宽的条状形,西起杭锦旗巴拉贡,坐标为39°30′N,107°18′E,经达拉特旗境内,东至准格尔旗(原东孔兑镇),坐标为40°41′N,111°30′E[32]。库布齐沙漠地区包括鄂尔多斯市下辖的杭锦旗、达拉特旗以及准格尔旗,总面积约为3.48万km2,具体位置如图1所示。库布齐沙漠及周边地区气候类型属于中温带干旱、半干旱区,气温高,昼夜温差大,年平均气温为7.37 ℃,气候干燥,年平均降水量常值为225.6 mm,自西向东降水增加、气温降低,西部属于干旱区,东部属于半干旱区。年平均大风日数和年平均沙尘暴日数均自西向东减少,杭锦旗西南部分别在25和8 d以上,准格尔旗则分别少于15和5 d。库布齐沙漠地区生态系统复杂多样,是黄河流域的生态脆弱区域,也是我国北方生态安全屏障建设的重点区域。

      图  1  研究区位置图

      Figure 1.  Location of the study area

    • 本研究所使用的生态系统数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn),数据是基于Landsat TM/ETM+/OLI等遥感影像,采用人工目视解译方法生成,解译精度在85%以上,分辨率为680 m × 680 m。生态系统分类参考由中国科学院和原环境保护部开展的《全国生态环境十年(2000—2010年)变化遥感调查评估》项目对生态系统的分类方法,该研究建立了全国生态系统分类体系,包括8个Ⅰ级生态系统类型、22个Ⅱ级生态系统类型和42个Ⅲ级生态系统类型。本研究根据库布齐沙漠地区生态系统组成特征,将其重新分类为6个Ⅰ级生态系统类型、21个Ⅱ级生态系统类型。其中,6个Ⅰ级类分别为:农田、林地、草地、建设用地、水域、裸地;21个Ⅱ级类分别为:旱地、有林地、灌木林、疏林地、其他林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、河渠、湖泊、水库坑塘、滩地、城镇用地、农村居民点、其他建设用地、沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石质地。

    • 为分析区域生态系统构成的变化情况,统计各类型在各时段的变化幅度,计算了生态系统的变化幅度。变化幅度(Ci)计算公式如下:

      $${C_i} = \frac{{{a_i} - {b_i}}}{{{b_i}}} \times 100\% $$ (1)

      式中:ai为研究末期第i类生态系统在总景观中的占比,bi为研究初期第i类生态系统在总景观中的占比。

    • 为评估库布齐沙漠地区景观破碎化程度及景观多样性变化,使用景观格局分析软件Fragstats 4.2分别计算了库布齐沙漠地区2000、2005、2010、2015和2018年的景观格局指数。在类型水平上,选取了斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)和边缘密度(ED);在景观水平上,选取了斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、斑块集合指数(COHESION)、景观形状指数(LSI)和香农多样性指数(SHDI),以评估区域全局和各生态系统的景观格局变化。各指数的具体含义见表1

      表 1  景观格局指数含义

      Table 1.  Landscape indexes and descriptions

      水平层次 Levels指数名称 Indexes具体含义 Descriptions
      类型水平和景观水平
      Class level & landscape level
      斑块数量
      Number of patch (NP)
      衡量某一特定类型斑块的破碎程度
      Measuring the degree of fragmentation of a particular type of plaque
      斑块密度
      Patch density (PD)
      反映景观破碎化程度,PD值越大,破碎化程度越高
      The higher the PD value, the higher the fragmentation degree
      最大斑块指数
      largest patch index (LPI)
      反映最大斑块面积占总景观面积的百分比,是斑块水平上优势度的度量
      Reflecting the percentage of the largest patch area in the total landscape area, which is a measure of dominance at the patch level
      类型水平
      Class level
      边缘密度
      Edge density (ED)
      景观范围内单位面积上异质景观要素斑块间的边缘长度
      Edge length between patches of heterogeneous landscape elements per unit area of landscape
      景观水平
      Landscape level
      斑块集合指数
      Patch cohesion index (COHESION)
      反映不同斑块类型的聚集程度,COHESION值越小,斑块离散程度越高
      The smaller the cohesion value is, the higher the dispersion degree is
      景观形状指数
      Landscape shape index (LSI)
      度量景观聚散程度,LSI值越大,斑块越离散
      Measuring the degree of landscape aggregation and dispersion. The larger the LSI, the more dispersed the patches are
      香农多样性指数
      Shannon-Wiener index (SHDI)
      度量景观多样性
      Measuring landscape diversity
    • 为更好地分析生态系统变化特征,揭示其变化速率和强度,计算了每类生态系统的年变化率和动态度,第i类生态系统的年变化率(Ki)计算公式如下:

      $${K_i} = \left[\sum\limits_{j = 1}^n {\left(\frac{{\Delta {S_{i,j}}}}{{{S_i}}}\right)} \right] \times \frac{1}{t} \times 100\% $$ (2)

      式中:Si为起始年第i类生态系统的面积,ΔSi,j为监测时段内年第i类生态系统与其他生态系统j相互转换后的净变化面积,t为监测时段。

      i类生态系统的动态度(Di)计算公式:

      $${D_i} = \left[\sum\limits_{j = 1}^n {\left(\frac{{\left| {\Delta {S_{i,j}}} \right|}}{{{S_a}}}\right)} \right] \times \frac{1}{t} \times 100\% $$ (3)

      式中:Sa为研究区总面积。

    • 首先,使用ArcGIS软件的栅格计算器(raster calculator)模块分析生态系统空间转换;其次,使用规则网格(fishnet)功能将研究区划分为2 km × 2 km网格,统计每个网格内生态系统发生转换的面积,以此计算年变化率;最后,使用自然间断点(natural breaks)功能进行分级展示,以此表征生态系统的空间变化特征。

    • 2018年库布齐沙漠地区生态系统空间分布见图2。库布齐沙漠地区生态系统以草地和裸地为主。草地主要分布在杭锦旗的中南部、达拉特旗的中南部及东部以及准格尔旗全部范围,裸地主要分布在杭锦旗的北部、达拉特旗的西北部。农田主要分布在达拉特旗的北部以及准格尔旗的中南部,在达拉特旗的南部以及杭锦旗的四周边界处也有零星分布。林地主要分布在杭锦旗中部和北部,在西北边界以及东南边界也有零星分布,准格尔旗全旗范围内以及达拉特旗北部有零星的林地分布。水域在达拉特旗有较多分布,杭锦旗的西北边界以及西南部分也有较多分布。建设用地主要分布在准格尔旗的东部和南部,达拉特旗的中北部,杭锦旗的中偏东部有小片分布。

      图  2  库布齐沙漠地区生态系统2018年空间分布

      Figure 2.  Spatial distribution of ecosystems of the Kubuqi Desert in 2018

    • 在2018年库布齐沙漠地区生态系统构成中(表2),草地面积最大,占总面积的54.44%,其次是裸地(27.80%),农田(9.22%),3者共占91.46%;水域、建设用地和林地占比都很小。在II级生态系统构成上,草地由高覆盖度、中覆盖度和低覆盖度草地构成,其中,中覆盖度草地面积最大,占草地面积的50.32%;裸地由沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地和裸岩石质地构成,以沙地(即库布齐沙漠)为绝对主体,占94.56%;农田全部是旱地;水域包括河渠、湖泊、水库坑塘和滩地,滩地是主要部分,占63.56%;建设用地包括城镇用地、农村居民点和其他建设用地(交通用地和工矿用地),其他建设用地占48.76%,农村居民点占43.52%,城镇用地仅占7.72%;林地包括有林地、灌木林、疏林地和其他林地,以有林地为主体,占45.76%。

      表 2  2018年库布齐沙漠地区主要生态系统类型构成

      Table 2.  Type constitution of major ecosystems of the Kubuqi Desert in 2018

      Ⅰ级生态系统类型
      Class Ⅰ
      ecosystem types
      Ⅱ级生态系统类型
      Class Ⅱ
      ecosystem types
      所占面积
      Area/km2
      Ⅱ级在Ⅰ级中占比
      Proportion of grade
      Ⅱ in grade Ⅰ/%
      Ⅱ级在整体中占比
      Proportion of grade
      Ⅱ in the whole/%
      Ⅰ级在整体中占比
      Proportion of grade
      Ⅰ in the whole/%
      农田 Farmland(FL) 旱地 Dry land 3 180.85 100.00 9.22 9.22

      林地 Woodland(WL)
      有林地 Forest land 389.34 45.76 1.13 2.47
      灌木林 Shrub land 147.97 17.39 0.43
      疏林地 Sparse woodland 295.94 34.78 0.86
      其他林地 Other woodland 17.57 2.07 0.05

      草地 Grassland(GL)
      高覆盖度草地 High coverage grassland 3 118.89 16.60 9.04 54.44
      中覆盖度草地 Medium coverage grassland 9 457.47 50.32 27.40
      低覆盖度草地 Low coverage grassland 6 216.51 33.08 18.01

      水域 Water area(WA)
      河渠 Canal 280.68 26.18 0.81 3.10
      湖泊 Lake 83.69 7.81 0.24
      水库坑塘 Reservoir pond 26.36 2.46 0.08
      滩地 Beach 681.58 63.56 1.97

      建设用地 Construction land(CL)
      城镇用地 Urban land 79.07 7.72 0.23 2.97
      农村居民点 Rural residential land 445.75 43.52 1.29
      其他建设用地 Other construction land 499.39 48.76 1.45

      裸地 Bare land(BL)
      沙地 Sandy land 9 074.60 94.56 26.29 27.80
      戈壁 Gobi desert 16.18 0.17 0.05
      盐碱地 Saline-alkali land 364.83 3.80 1.06
      沼泽地 Swamp 91.09 0.95 0.26
      裸土地 Barren earth 10.64 0.11 0.03
      裸岩石质地 Bare exposed rock 39.77 0.41 0.12

      库布齐沙漠地区所在3个旗县(杭锦旗、达拉特旗、准格尔旗)的生态系统构成各具特色。杭锦旗以草地和裸地为主,分别占53.14%和38.51%;该旗占全区总面积的54.60%,分布着全区75.48%的裸地、53.27%的草地和50.66%的水域,但只有15.81%的建设用地。达拉特旗主要生态系统类型也是草地和裸地,建设用地、农田和水域仅占该旗总面积的5.33%、16.05%和4.41%,但却是全区占比的43.30%、42.09%和34.63%。准格尔旗和达拉特旗面积相差无几,却分布着全区52.37%的林地、40.90%的建设用地和38.32%的农田;该旗最多的生态系统类型是草地,占62.56%,其次是农田,占16.52%。

    • 2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统以裸地转换为草地为主(图3),同时,草地转换为裸地也较为明显,生态系统的变换调整比较频繁。生态系统年变化率与生态系统类型转换空间分布表现出高度一致性(见图4),年变化率最大的区域主要集中在达拉特旗和准格尔旗的北部。准格尔旗主要变化是裸地转为草地、草地转为建设用地,以及草地和农田之间的相互转化;达拉特旗主要是林地转为裸地,以及裸地转为草地。杭锦旗中部的年变化率也较大,主要是裸地和草地的相互转化;中偏东部农田转为草地较为显著,北部的裸地转为林地也较为突出。

      图  3  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统类型空间转换

      Figure 3.  Spatial conversion of ecosystems of the Kubuqi Desert during 2000−2018

      图  4  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统年变化率空间分布

      Figure 4.  Spatial distribution of annual ecosystem conversion rate of the Kubuqi Desert during 2000−2018

    • 2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统农田、草地和建设用地面积增加,林地、水域和裸地面积减少(见表3)。其中,建设用地增幅最大(103.76%),农田和草地略有增加;裸地和水域减幅最大,分别达到9.54%和9.52%,林地的减少幅度为6.93%。

      表 3  2000—2018年库布齐沙漠地区主要生态系统类型构成变化幅度

      Table 3.  Change ranges of major ecosystems of the Kubuqi Desert during 2000−2018 %

      增减幅度 Range2000—20052005—20102010—20152015—20182000—2018
      农田 Farmland(FL) 3.56 0.19 −1.57 0.39 2.53
      林地 Woodland(WL) 2.33 −0.94 21.61 −24.50 −6.93
      草地 Grassland(GL) −2.24 0.21 0.74 4.60 3.23
      水域 Water area(WA) −2.22 −1.32 4.25 −10.05 −9.52
      建设用地 Construction land(CL) 4.51 0.97 48.47 30.06 103.76
      裸地 Bare land(BL) 2.63 −0.22 −5.41 −6.61 −9.54

      在Ⅱ级生态系统构成上(见表4),建设用地中城镇用地和其他建设用地(交通用地、工矿用地等)增加,增幅分别达到317.06%和1 899.92%,农村居民点略微下降,减幅为2.83%,城镇用地的快速增加发生在第4时段,其他建设用地则是在第3时段;裸地中,盐碱地减幅最大,达到23.25%,其次是沙地,沙地2000—2005年间有所增加,后续时间段一直减少,减幅达到9.24%,其余裸地均有所增加;水域中,水库坑塘和河渠增幅分别达78.12%和72.44%,河渠在第一时段变化较大,水库坑塘则是在第3时段,滩地和湖泊减少,减幅达24.61%和19.20%。林地中,其他林地、灌木林、有林地都减少,疏林地增加,其他林地减幅达50.65%,林地减少主要发生在第4时段;草地中,中覆盖度和高覆盖度草地增幅分别达到29.67%和12.15%,中覆盖度草地在2015—2018年期间变化最大,增幅达到32.63%,低覆盖度草地减少23.54%。

      表 4  2000—2018年库布齐沙漠地区主要生态系统类型构成比率

      Table 4.  Composing rate of major ecosystems of the Kubuqi Desert during 2000−2018 %

      Ⅰ级生态系统类型
      Class Ⅰ ecosystem types
      Ⅱ级生态系统类型
      Class Ⅱ ecosystem types
      20002005201020152018
      农田 Farmland(FL) 旱地 Dry land 8.99 9.31 9.33 9.18 9.22
      林地 Woodland(WL) 有林地 Forest land 1.24 1.27 1.26 1.75 1.13
      灌木林 Shrub land 0.52 0.45 0.45 0.44 0.43
      疏林地 Sparse woodland 0.79 0.88 0.89 0.98 0.86
      其他林地 Other woodland 0.10 0.10 0.09 0.09 0.05
      草地 Grassland(GL) 高覆盖度草地 High coverage grassland 8.06 9.41 9.43 9.81 9.04
      中覆盖度草地 Medium coverage grassland 21.13 21.36 21.38 20.66 27.40
      低覆盖度草地 Low coverage grassland 23.55 20.80 20.86 21.58 18.01
      水域 Water area(WA) 河渠 Canal 0.47 0.74 0.72 0.87 0.81
      湖泊 Lake 0.30 0.29 0.29 0.29 0.24
      水库坑塘 Reservior pond 0.04 0.05 0.05 0.09 0.08
      滩地 Beach 2.62 2.28 2.25 2.20 1.97
      建设用地 Construction land(CL) 城镇用地 Urban land 0.05 0.08 0.08 0.10 0.23
      农村居民点 Rural residential land 1.33 1.33 1.33 1.35 1.29
      其他建设用地 Other construction land 0.07 0.10 0.12 0.83 1.45
      裸地 Bare land(BL) 沙地 Sandy land 28.97 29.75 29.70 28.02 26.29
      戈壁 Gobi desert 0.04 0.04 0.04 0.04 0.05
      盐碱地 Saline-alkali land 1.38 1.36 1.31 1.30 1.06
      沼泽地 Swamp 0.22 0.27 0.30 0.28 0.26
      裸土地 Barren earth 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
      裸岩石质地 Bare exposed rock 0.09 0.09 0.09 0.09 0.12

      在区域分布上,各生态系统类型在3个旗中的变化各不相同。杭锦旗中增幅最大的是林地,减幅最大的是农田和水域,减幅分别达17.09%和15.11%;达拉特旗和准格尔旗都是建设用地增幅最大,但达拉特旗减幅最大的是林地,准格尔旗减幅最大的则是裸地。就林地而言,杭锦旗增幅高达187.16%,表现为有林地增加最多,达拉特旗减幅达59.48%;就建设用地而言,杭锦旗、达拉特旗和准格尔旗分别增加43.52%、71.45%和219.85%,3个旗均表现为城镇用地和其他建设用地快速增加,但达拉特旗和准格尔旗都是其他建设用地增幅远高于城镇用地,农村居民点有少量增加,杭锦旗则相反,农村居民点减少,城镇用地和其他建设用地增速相当。就裸地而言,杭锦旗、达拉特旗和准格尔旗分别减少4.48%、11.87%和44.68%,下游减幅最大,主要是沙地、盐碱地和裸土地大量减少。此外,虽然准格尔旗的水域有所增加,但主要都是河渠和湖泊增加,滩地在3个旗中均减少。

    • 库布齐沙漠地区2000—2018年景观类型水平上的景观格局指数的变化见图5。由最大斑块指数可以看出,库布齐沙漠地区生态系统中的优势类型是草地,其次是裸地,水域和建设用地在该生态系统中占比最少。农田和草地的斑块数量、斑块密度在2000—2015年间有所增加,但在2015—2018年间明显减少,最大斑块指数在这期间也显著增加,边缘密度基本趋于稳定,表明在前期其面积有所减少,破碎化程度有所增加,但在2015—2018年间其面积增多且趋于聚集。林地和水域的斑块数量、斑块密度增加,边缘密度稳定,最大斑块指数减少,表明林地和水域的面积在减少,且景观破碎度在增加。裸地的斑块数量和斑块密度在2000—2015年间有上升趋势,但在2015—2018年间大幅减少,边缘密度和最大斑块指数呈现下降趋势,表明裸地面积持续减少,但在2015—2018年间明显趋于聚集。建设用地的斑块数量、斑块密度和边缘密度增加,最大斑块指数在2015—2018年间有大幅增加,表明城镇化程度不断提高,但其破碎化程度也在增加。

      图  5  2000—2018年景观类型水平上景观格局指数变化

      Figure 5.  Landscape pattern indexes of ecosystems at class level during 2000−2018

    • 库布齐沙漠地区2000—2018年景观水平上的生态系统格局指数变化见表5。在2000—2015年间,斑块数量、斑块密度、斑块形状指数和香农多样性指数上升,最大斑块指数和斑块结合指数下降,但2015—2018年间却发生显著变化,斑块数量、斑块密度、斑块形状指数和香农多样性指数明显下降,最大斑块指数和斑块结合指数则上升,这表明研究区前期破碎化程度增加,不同斑块类型的聚合程度降低;而在2015—2018年间景观破碎化程度降低,不同斑块类型的聚合程度有所增加,优势斑块面积明显增加。

      表 5  2000—2018年景观水平生态系统格局指数变化

      Table 5.  Changes of ecosystem indexes at landscape level during 2000−2018

      年份
      Year
      斑块数量
      Number of patch
      斑块密度
      Patch density
      最大斑块指数
      Largest patch index
      斑块形状指数
      Landscape shape index
      斑块结合指数
      Patch cohesion index
      香农多样性指数
      Shannon-Wiener index
      20003 1060.090 045.640 133.912 298.923 71.190 1
      20053 2060.092 945.633 433.837 398.956 51.201 9
      20103 2100.093 045.649 533.873 998.957 51.200 4
      20153 3470.097 045.369 534.952 598.914 51.234 0
      20183 0890.089 548.096 534.015 599.024 31.210 1
    • 生态系统格局的变化受到自然因素和人为因素的共同作用。结合生态系统格局演变特征的分析可知,库布齐沙漠地区2000—2018年草地、农田和建设用地大量增加,同时也有大量的农田、林地和草地退化为裸地,表明人为因素带来了区域生态系统的剧烈调整变动。为此,本研究选取生态保护与修复、土地退化、农业开发、城镇化建设和水资源开发等作为驱动力,来对库布齐沙漠地区生态系统格局演变特征的作用情况进行分析。

      为更加直观地反映各驱动力对库布齐沙漠地区生态系统格局变化的作用,本研究采取生态系统面积变化方式来进行表示。生态保护和修复提取农田、建设用地和裸地转换为林地、草地和水域的面积,以此表征退耕还林、退耕还草、退耕还湖、草原保护、水土流失治理、荒漠化防治以及自然恢复等行为;土地退化提取农田、林地、草地和水域转换为裸地的面积,以此表征滥垦滥伐、过度放牧、不合理开发利用和不科学植树造林以及自然因素等带来的土地退化行为;农田扩张提取林地、草地、水域、建设用地、裸地等转换为农田的面积,以此表征耕地扩张行为;城镇化建设提取农田、林地、草地、水域、裸地等转换为建设用地的面积,以此表征城镇用地、农村居民点、交通用地、工矿用地等城镇化建设行为;水资源开发提取农田、林地、草地、建设用地、裸地等转换为水域的面积,以此表征为满足生产、生活、生态等建设需要而进行的水资源开发利用行为。以此为基础,用驱动力作用下的生态系统变化量与生态系统变化总量的比值来表征各驱动力的贡献率。各驱动力对库布齐沙漠地区生态系统格局变化的贡献率统计见表6

      表 6  2000—2018年驱动力作用下库布齐沙漠地区生态系统面积变化统计

      Table 6.  Statistics of ecosystem change under driving forces of the Kubuqi Desert during 2000−2018

      项目
      Item
      生态保护与修复
      Ecological conservation
      and restoration
      土地退化
      Land
      degradation
      农田扩张
      Cropland
      development
      城镇化建设
      Urbanization
      水资源开发
      Water resource
      development
      生态系统面积变化
      Ecosystem area variation/km2
      农田 Farmland −1 420 −169 1 857 −188 −128
      林地 Woodland 309 −216 −75 −56 −22
      草地 Grassland 4 077 −1 918 −1 164 −465 −263
      水域 Water area 278 −166 −161 −34 563
      建设用地 Construction land −182 −32 −157 891 −10
      裸地 Bare land −3 064 2 501 −300 −147 −140
      合计 Total 4 665 2 501 1 857 891 563
      贡献率 Contribution rate/% 44.53 23.87 17.72 8.51 5.37
    • 生态保护与修复工程的实施导致4 665 km2的生态系统发生变化,贡献率达到44.53%,是引发库布齐沙漠地区生态系统变化的首要驱动力。

      2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统林地和草地总体增加,主要是草地的增加,林地反而有所减少。土地退化、城镇化建设、农田扩张和一定程度的生态退化导致林草地面积减少,但后期的生态保护和修复措施使得林草地面积大量增加,林草地主要向杭锦旗中部、达拉特旗西北部、准格尔旗北部聚集增加(见图6),图中的负值代表林草地减少的年变化率,正值代表增加。不同区域不同时段林草地的变化速率呈现明显差异(见图7),从变化面积来看,杭锦旗在2000—2005年间减少,此后一直增加,在2010—2018年间大量增加;达拉特旗面积增加较少,在2015—2018年间甚至有所下降;准格尔旗在2000—2015年间有稍许减少降低,2015—2018年间面积迅速增加,变化最为剧烈,主要原因是大量农田和裸地转化为草地。从图6的变化率空间分布可以看出,杭锦旗和达拉特旗的变化也较为剧烈,但总体变化率不高,究其原因,是因为裸地、农田与草地之间的相互转化情况大致相当。联系前文关于不同覆盖度草地面积变化的分析结果,可以发现草地除了在面积总量上有大幅增加外,草地质量也有较大提升,2015—2018年间中盖度草地面积明显增加,低盖度草地面积显著减少,反映出区域生态保护与修复的成效在第4时段得到显现,区域生态环境明显改善。

      图  6  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统林草地变化的空间分布

      Figure 6.  Spatial distribution of forest and grassland of the Kubuqi Desert during 2000−2018

      图  7  库布齐沙漠不同地区不同时段林草地变化统计

      Figure 7.  Statistical histogram of woodland and grassland change in different regions during different periods of the Kubuqi Desert

    • 土地退化导致2 501 km2的生态系统发生变化,贡献率为23.87%,土地退化是引发生态系统变化的第二位驱动力。

      2000—2018年,裸地增加主要发生在杭锦旗和达拉特旗,杭锦旗减少面积最大,达拉特旗中部地区年变化率最大(见图8)。裸地减少主要发生在准格尔旗和杭锦旗,对比图7图9可以发现林草地和裸地的变化是相互补充的;这表明裸地增加的主要来源是草地,裸地的减少也得益于林草地的增加。裸地的变化在不同区域不同时段差异明显(见图9),2000—2005年间,杭锦旗裸地面积大量增加,准格尔旗有轻微增加;2005—2018年间,全区裸地面积减少,杭锦旗在2010—2015年间减少量达455 km2,2015—2018减速稍微放缓;准格尔旗在2015—2018年间大量减少;达拉特旗裸地变化非常显著,但变化总面积却呈现略微下降,这是因为裸地减少略超过裸地增加,裸地减少主要发生在北部,2000—2005年间大部分减少的裸地都变换成草地,2010—2018年间除草地外,农田和建设用地的增加使得大量裸地减少。准格尔旗在2015—2018年间的动态度最高,这是因为其面积在全区中最小,裸地减少总面积却最多。

      图  8  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统裸地变化的空间分布

      Figure 8.  Spatial distribution of bare land of the Kubuqi Desert during 2000-2018

      图  9  库布齐沙漠不同地区不同时段裸地变化统计

      Figure 9.  Statistical histogram of bare land change in different regions during different periods of the Kubuqi Desert

    • 农田扩张导致1 857 km2的生态系统发生变化,贡献率为17.72%,杭锦旗主要是中偏东部的农田减少,达拉特旗主要是北部的农田增加,准格尔旗全域范围内基本都有变化(图10),农田扩张是引发生态系统变化的第3位驱动力。

      图  10  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统农田变化的空间分布

      Figure 10.  Spatial distribution of farmland of the Kubuqi Desert during 2000−2018

      草地是受农田扩张影响最大的生态系统类型。2000—2010年间,农田面积在三个旗中均增加,且大量都由草地转化而来;随后,杭锦旗和准格尔旗农田开始减少,2010—2015年间减少缓慢,主要变换为建设用地和水域,2015—2018年间迅速减少,且大量都是转化成草地;但此时期准格尔旗的年变化率不高,是因为也有相当量的草地转化为农田,同时,这又导致准格尔旗大量生态系统发生转化,动态度飙升,表明这一时期生态系统处于调整期。达拉特旗农田在2015—2018年间大量增加,主要由草地和裸地转换而来(图11)。

      图  11  库布齐沙漠不同地区不同时段农田变化统计

      Figure 11.  Statistical histogram of farmland change in different regions during different periods of the Kubuqi Desert

    • 城镇化建设导致891 km2的生态系统发生变化,贡献率为8.51%。城镇化建设过程主要依靠侵占草地。在空间上,建设用地扩张主要发生在准格尔旗南部、东部和达拉特旗北部(见图12),建设用地的扩张主要表现为交通用地大量增加,另外工矿用地也有一定程度增加;杭锦旗的生态类型主要是草地和裸地,城镇用地极少。建设用地的变化面积和变化率在不同时段差异显著(见图13)。2010—2018年间,达拉特旗和准格尔旗的城镇用地大量增加,达拉特旗在2015—2018年间增速较快,准格尔旗则是在2010—2015年间快速增多,两地均是以侵占草地和农田来扩张城镇用地。根据分析可以看出,城镇化建设主要发生在准格尔旗,后续向达拉特旗扩张,2015—2018年间扩张速度在增加。

      图  12  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统建设用地变化的空间分布

      Figure 12.  Spatial distribution of construction land of the Kubuqi Desert during 2000−2018

      图  13  库布齐沙漠不同地区不同时段建设用地变化统计

      Figure 13.  Statistical histogram of construction land change in different regions during different periods of the Kubuqi Desert

    • 水资源开发导致563 km2的生态系统发生变化,贡献率为5.37%。

      水资源开发导致河渠和水库坑塘大量增加,湖泊和滩地却大量减少。从图14中可以看出,河渠在达拉特旗分布较多,基本都是南北走势。准格尔旗是水域增加最多的区域,来源主要是草地;杭锦旗则是减少最多的区域,水域主要变换为草地和裸地。从图15中可以看出,水域面积的快速变化基本都发生在2010—2018年间,且杭锦旗和达拉特旗的水域总面积都在减少,杭锦旗减少面积远超过达拉特旗,而准格尔旗除2010—2015年间有少量减少外,一直都在增加。

      图  14  2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统水域变化的空间分布

      Figure 14.  Spatial distribution of water area of the Kubuqi Desert during 2000−2018

      图  15  库布齐沙漠不同地区不同时段水域变化统计

      Figure 15.  Statistical histogram of water area change in different regions during different periods of the Kubuqi Desert

      综上,人为因素在库布齐沙漠地区2000—2018年生态系统格局变化中起到主要驱动作用,尤其是生态保护修复工程的实施,有效缓解了土地退化等行为对生态系统造成的影响,极大改善了库布齐沙漠地区脆弱的生态环境。与此同时,库布齐沙漠地区城镇化建设、农田扩张等行为也和生态系统格局变化息息相关,对库布齐沙漠地区的生态安全起到重要影响。

    • 研究生态系统空间分布格局及其演变特征,是评估库布齐沙漠地区生态保护成效的有效方式,也是评价库布齐沙漠地区生态安全状况的重要基础。本文通过分析库布齐沙漠地区生态系统空间分布、构成及变化,揭示了生态系统空间分布格局及其演变特征,并定量分析了驱动力对生态系统变化和格局的影响。

      (1)结合生态系统格局分析得知,库布齐沙漠地区生态系统以草地、裸地和农田为主,草地是库布齐沙漠地区面积最大的生态系统类型,其次是裸地和农田。2000—2018年库布齐沙漠地区生态系统农田、草地和建设用地面积增加,林地、水域和裸地面积减少。草地的增加和裸地的减少主要得益于该地区大力实施的生态保护和修复行为,林地的减少则主要由于大量林地发生不同程度的生态退化而转换为草地。整体而言,2015—2018年生态系统发生变化最为剧烈,说明这段时间区域的生态系统处于不稳定状态。

      (2)结合生态系统景观格局分析得知,2000—2018年库布齐沙漠地区草地生态系统的优势斑块面积持续增加,裸地生态系统的优势斑块面积持续减少,但草地和裸地在2015—2018年期间都明显趋向聚集,这在一定程度上表明该地区的生态保护修复和沙漠治理活动取得了显著成效,自然生态系统的连通性不断增强,生态环境正在向良性循环的方向演化。但与此同时,2015—2018年期间林地和水域的面积都在快速减少,且景观破碎度在增加,这可能是由于不合理的植树造林等行为导致的后果,值得引起高度注意。因此,在生态保护修复的过程中,要讲求科学方法,遵循生态规律,坚持宜林则林、宜灌则灌,宜草则草,不断提升生态系统稳定性。

      (3)基于生态系统演变驱动力的分析得知,生态保护修复是库布齐沙漠地区生态系统变化的首要驱动力,对生态系统变化的贡献率达到了44.53%,而土地退化则是区域生态系统变化的第二位驱动力,对生态系统变化的贡献率达到23.87%,在充分肯定生态修复治理取得的巨大成绩的同时,也不能忽视土地退化带来的严重后果。农田扩张是区域生态系统变化的第三位驱动力,且扩张速度在2015—2018年期间加快,且主要是通过开垦草地得来。事实证明,通过合理的生态保护修复行为,可以使原本贫瘠的裸地或草地转化为可耕地,提升土地的利用潜力和价值,为进一步实现产业开发打下良好基础,从而实现“绿水青山”向“金山银山”的转换。特别值得一提的是,我国的土地资源严重不足,人均占有农林牧用地仅为世界平均水平的四分之一,如果能够通过生态修复和治理,将利用价值较低的裸地转化为规模化的可开发利用土地,将对保障国家粮食安全产生重大影响,其战略意义不言而喻。

      本研究从宏观上分析了库布齐沙漠地区生态系统总体分布格局、演变特征和驱动力,这对于定量研究库布齐沙漠地区生态保护作用具有十分重要的意义。研究表明,库布齐沙漠地区长期以来推行的重点生态修复治理工程,促使该地区原本脆弱的生态系统得到了很大程度的恢复和改善,因此,下一步要继续坚定地推进生态保护,加快推动由单要素生态治理向山水林田湖草沙系统治理转变,提升生态系统健康水平,打造区域生态安全屏障。

参考文献 (32)

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