生态工程对科尔沁沙地主要生态服务功能的影响

张 钤, 张方敏, 卢 琦, 李云鹏, 翁升恒, 韩典辰

(1.南京信息工程大学 应用气象学院 气象灾害预报预警与评估协同创新中心/江苏省农业气象重点实验室, 江苏 南京 210044; 2.中国林业科学研究院 荒漠化研究所/沙漠林业试验中心, 北京 100091; 3.内蒙古自治区生态与农业气象中心, 内蒙古 呼和浩特 010051)

中国的北方农牧交错带是分割中国东部农耕区和西部畜牧区的过渡条带，亦是干旱与半湿润的过渡带[1]，由于干旱少雨的气候特征以及脆弱的生态条件，加上长期放牧、过度开垦等人为因素的影响，该区的水土流失、草地退化及沙漠化等生态问题日益严重[1-3]。为了解决北方水土流失及沙漠化等生态问题，中国实施了一系列生态建设工程(如“三北”防护林工程、退耕还林工程等)[4-6]。生态工程的实施对该区生态环境的改善做出了巨大的贡献，当地的生态系统服务功能也随之发生显著的变化。

内蒙古自治区通辽市科尔沁沙地位于中国的北方农牧交错带，是气候变化较为剧烈的地区之一[7]，亦是中国沙地面积最大且土地沙化较为严重的地区之一[8]。因此，在已有生态系统服务功能的研究方法基础上，开展位于农牧交错带的科尔沁生态系统服务功能变化评估，可以有助于认清气候变化背景下生态建设工程对该地区的生态建设成效。

目前，已有许多生态模型及方法应用于生态系统服务功能的评估。InVEST模型因数据获取简单、操作方便、结果可靠而被广泛应用[9]，尤其在计算水土保持服务功能时，考虑了泥沙输移和沉积，因此在评估水土保持方面更为精确[10]，但在一些指标的计算上仍存在局限性，如在固碳量的计算上，忽略了土地利用类型上年际间的碳量变化，可能会由于林木生长引起的碳量增加而产生误差[11]。综合考虑科尔沁沙地的实际情况，本文根据《森林生态系统服务功能评估规范》(GB/T38582-2020)[12]及《荒漠生态系统服务功能评估规范》(LY/T2006-2012)[13]中固碳量的估算方法，以及通过水量平衡法、InVEST模型，分别对科尔沁沙地的固碳量、水源涵养及水土保持服务功能进行评估，以期为生态保护建设提供依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

科尔沁沙地地处内蒙古东南部，位于41°41′—46°05′N，117°49′—123°42′E，面积约为1.48×105km2。该区处于中温带亚湿润边缘地区，是典型的农牧交错带[14]。年均降水量为412.60 mm，但年际变化较大；年均气温为6.5 ℃，平均风速为3.8 m/s，春季大风日较多。土壤类型主要为暗棕壤、栗钙土、黑垆土、沙土、草甸土以及盐碱土，植被以蒙古植物区系的植物为主[15]。土地利用类型以耕地、林地和草地为主，地形呈西高东低的特征[14]，平均海拔高度约为446.86 m(附图1,见封3)。

1.2 数据来源

本文的土地利用数据(2000，2010，2018年)和高程(DEM)数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http:∥www.resdc.cn)，空间分辨率为1 km；气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥data.cma.cn)，包括降水、气温日数据；遥感数据来源于MODIS数据产品，主要包括植被监测数据归一化植被指数(NDVI)，空间分辨率为1 km；蒸散(ET)和净生产力(NPP)数据通过生态过程模型BEPS模型计算得到，该模型的结果已在东亚等地区得到了很好的验证和应用[16-17]。

1.3 方 法

1.3.1 土地利用分析 转移矩阵可以定量描述各类土地利用类型之间的相互转化，由此确定土地利用类型的变化方向，其计算公式如下[18]：

(1)

(2)

(3)

式中：Mij为土地利用类型i变为j的转移量;Ai为在t1时期第i个土地利用类型的面积(km2);Bj为t2时期第j种土地利用类型的面积(km2)。

1.3.2 固碳量评估 固碳服务功能是生态系统所提供的重要服务功能之一，在改善生态环境和缓解全球气候变化等方面起重要作用。根据光合作用的方程可知，植物利用太阳光能吸收CO2和H2O，生成葡萄糖的碳水化合物并释放O2，再以葡萄糖转化为多糖，光合作用方程如下：

6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2

↓

多糖+H2O

(4)

植被每积累1单位干物质，吸收固定1.63单位的二氧化碳，固碳量计算公式为[19]：

G固碳=1.63×R碳×NPP

(5)

式中：G固碳为植被年固碳量〔g/(m2·a)〕(以C计)；R碳为CO2中碳的含量(27.27%)； NPP为单位面积植被净生产力〔g/(m2·a)〕(以C计)。

1.3.3 水源涵养评估 本研究基于水量平衡原理计算水源涵养量。考虑降水量、蒸散及土地类型等相关因素，水源涵养量计算公式如下[20]：

TQ=(1-α)×PRE-ET

(6)

式中：TQ为总水源涵养量(mm);α为平均地表径流系数; PRE为年总降水量; ET为年总实际蒸散量。

1.3.4 水土保持评估 本研究采用InVEST模型计算水土保持量，即为潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量之差，其计算方法总结如下[21]：

AC=Ap-Ar

(7)

Ap=R×K×L×S

(8)

Ar=R×K×L×S×C×P

(9)

式中：AC为水土保持量〔t/(hm2·a)〕;Ap为潜在土壤侵蚀量〔t/(hm2·a)〕;Ar为实际土壤侵蚀量〔t/(hm2·a)〕;R为年降水侵蚀力因子〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕;K为土壤可蚀性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·hm2·MJ·mm)〕;L,S分别为坡长、坡度因子;C为植被覆盖因子;P为保持措施因子。

1.3.5 生态系统服务功能变化量 本研究采用绝对变化量直观反映生态系统服务功能的变化情况，即：

ΔX=Xt-X0

(10)

式中：ΔX为各生态系统服务功能变化量;Xt为第t年的生态系统服务功能量;X0为研究期内初始年的生态系统服务功能量。

2 结果与分析

2.1 气候和土地利用变化特征

图1给出了科尔沁沙地气候要素的时间变化趋势。由图1a可知，降水呈显著上升趋势(p<0.05)，年均降水量在316.09～559.23 mm之间变化，多年平均降水量为412.60 mm。2001，2007，2009年降水量较少，而2005，2010，2012年降水量较多，且2012年降水量大幅度增加，为研究期内的最高值559.23 mm。气温呈略微升高的趋势，年均气温变化范围在5.14～7.53 ℃之间，多年平均气温为6.50 ℃。其中，2005，2010，2012年气温较低，而2007年气温较高。综合分析降水和气温条件，2007年科尔沁沙地高温少雨，2005，2010，2012年气温低但降雨多，气候较为湿润。根据图1b，蒸散呈极显著增加趋势(p<0.01)，年均蒸散量在357.14～429.81 mm之间变化，多年平均蒸散为380.20 mm。2003，2005，2008，2010年蒸散较小，而2001，2007，2017年蒸散较大。

植被覆盖归一化指数(NDVI)能较好地表征植被特征。从图1可知，NDVI呈现极显著上升的趋势(p<0.01)，其变化介于0.27～0.33之间，多年平均NDVI为0.30。2001，2007，2009年NDVI处于较低水平，2003，2005，2008，2012年以后NDVI处于较高水平。

科尔沁沙地的土地利用类型主要为耕地、林地和草地，面积大小为：草地>耕地>林地。空间上，林地集中分布在位于西北部的科尔沁右翼中旗、扎鲁特旗、阿鲁科尔沁旗和巴林左旗，耕地和草地则交错分布(图1)。从时间变化上看(图2)，2000—2010年土地利用类型变化比较小，而2000—2018年出现较大幅度的增减。其中耕地面积增加了3 280 km2，林地面积增加了8 448 km2及其他用地增加了892 km2，草地面积减少了12 639 km2，湿地和建设用地增减不明显。

图2 2000-2018年科尔沁沙地土地利用类型变化情况

土地利用转移矩阵可以清晰地掌握研究时期内土地转移动向，2000—2018年科尔沁沙地土地利用转移矩阵见表1。2000—2018年有9 471 km2草地转为耕地，有8 574 km2草地转为林地，有6 886 km2草地转为其他用地。草地大幅度转为耕地的同时还有1 989 km2的林地转为耕地，1 152 km2的建设用地转为耕地，以及2 166 km2其他用地转为耕地。另外，有3 216 km2的耕地转为林地，湿地、建设用地及其他用地均有不同程度地向林地转移，林地面积有明显的增加。

表1 2000-2018年土地利用类型转移矩阵 km2

2.2 固碳量功能变化特征

2001—2018年，科尔沁沙地固碳量极显著增加(p<0.01)(图3)，共增加3.34×106t(表2)。其中，耕地和林地的固碳量呈增加趋势，而草地呈减少趋势。2001年耕地、林地和草地的固碳量分别占所有土地类型固碳量的26.61%，15.22%，44.28%。2018年分别占所有固碳量的31.21%，20.39%，32.44%。对空间上单位面积的固碳量进行分析(附图2,见封3)，林地、草地和耕地3种主要土地类型相比，林地的单位面积固碳量最大，耕地次之，草地最小；对比3种不同土地类型的单位面积固碳量变化情况(附图3,见封3)，2001—2018年单位面积固碳量变化介于-60～90 g/m2(以C计)之间，结果表明耕地增加最显著，草地和林地次之。

图3 2001-2018年各生态系统服务功能时间序列

表2 2001-2018年科尔沁各土地利用类型固碳量

2.3 水源涵养功能变化特征

2001—2018年科尔沁沙地水源涵养功能明显改善，水源涵养总量呈先增加后略微减少的趋势，从2001年的3.19×108m3增加到2010年的1.40×1010m3，后减少为2018年的6.41×109m3(表3)。在所有土地利用类型中，林地的水源涵养总量持续增加，2001年林地水源涵养总量为3.10×107m3，占所有地类水源涵养总量的9.71%，2018年增长为9.14×108m3，占所有地类水源涵养总量的14.25%。受降水量、蒸散等多方面影响，空间上单位面积水源涵养量分布不均，如2018年的巴林左旗、开鲁县、科尔沁区和敖汉旗基本无水源涵养能力，翁牛特旗、通榆县、科尔沁右翼中旗、左翼中旗和左旗后旗的平均单位面积水源涵养量大于30 mm，水源涵养能力较强(附图2，见封3)。2001—2018年单位面积水源涵养变化量由北向南逐渐降低(附图3，见封3)，变化范围为-260～360 mm，表明研究期间通榆县和科尔沁右翼中旗在生态工程实施下的水源涵养能力改善明显。

表3 2001-2018年科尔沁各土地利用类型水源涵养量

2.4 水土保持功能变化特征

2001—2018年科尔沁沙地水土保持总量呈持续显著上升的趋势(p<0.05)(表4)，2001年水土保持总量为1.63×107t，2018年为3.01×107t，约增加1.38×107t。2001—2018年耕地和草地的水土保持总量在所有土地类型水土保持总量中的占比有所下降，而林地占比升高，2001年耕地、草地和林地占比分别为21.41%，46.70%，24.03%。2018年三者的比例分别为20.55%，34.00%，37.53%。单位面积水土保持的空间分布受地势影响，大致呈现西高东低的分布特征，比如2018年科尔沁右翼中旗西北部、扎鲁特旗、巴林左旗的平均单位面积水土保持量较高，超过3 t/hm2(附图2，见封3)。2001—2018年单位面积水土保持量变化范围介于-2.5～35.0 t/hm2之间，总体表现为西北增加显著，其次为西南，其中增长较高的地区主要集中分布在科尔沁右翼中旗西北部、扎鲁特旗、阿鲁科尔沁旗西北部、巴林左旗北部、翁牛特旗西部(附图3，见封3)。

表4 2001-2018年科尔沁各土地利用类型水土保持量

3 讨 论

生态建设工程的实施改变当地土地利用情况，并对生态系统服务功能产生一定影响[22]。研究表明研究区固碳量显著增长主要是由于耕地和林地固碳量的增加造成，这与耕地和林地面积增加相吻合，说明土地利用类型面积的变化是固碳量变化的主要原因，与杨殊桐等[22]的研究结果一致。水源涵养总量呈先增加后略微减少的趋势，在生态工程实施期间，植被覆盖得到改善，水源涵养量增加，但同时也加大了蒸散量，从而引起水源涵养量的减少，并且随着耕地面积的扩大，农业耗水量增加，亦使水源涵养量减少，与祝萍等[23]、王秀明等[24]和曹叶琳等[25]的研究结果相近。水土保持总量持续上升，林地水土保持总量在所有土地类型水土保持总量中的占比有所提高，说明林地在改善水土保持方面起着重要作用，与康慧慧等[26]的研究结果一致。

另外，分析各生态系统服务功能的时间序列可知，2005年和2012年固碳量、水源涵养及水土保持均处于高水平，而2007，2009年处于低水平。结合降水与气温的年际变化，发现2005，2012年降雨充沛，气温略低，而2007，2009年高温少雨。说明干旱会造成生物量的减少以及植物生产力的降低，从而导致固碳量的减少，水源涵养量和水土保持量也因干旱而略微降低。由此可以判断位于农牧交错带的科尔沁沙地各项生态系统服务功能的变化受气候条件的影响，尤其受降水量影响明显。因此，在未来的生态系统服务功能的评估中需加强驱动因素分析，使评估结果更准确和科学。

4 结 论

本研究计算并评估2001—2018年科尔沁沙地的固碳、水源涵养和水土保持生态服务功能的变化情况，得出如下结论：

(1) 科尔沁沙地2000—2018年土地利用类型主要为耕地、林地和草地，在生态建设工程下土地利用类型面积变化显著，耕地面积增加3 280 km2，林地面积增加8 448 km2，草地面积减少12 639 km2，这主要是耕地、林地和草地间相互转移的结果。

(2) 2001—2018年科尔沁沙地固碳量显著增长，耕地、林地的固碳量在所有土地类型固碳量中的占比分别增加4.50%，5.17%。草地固碳量占比减少10.84%，但草地固碳量仍最大。林地单位面积固碳量最大，耕地和草地次之。

(3) 2001—2018年科尔沁水源涵养总量呈先增加后略微减少的趋势，与植被覆盖及气候条件密切相关，林地的水源涵养总量不断增加。2001年林地水源涵养总量为3.10×107m3，占所有土地类型的9.71%。2018年增加为9.14×108m3，占所有土地类型的14.25%。

(4) 2001—2018年科尔沁沙地水土保持总量持续上升，约增加1.38×107t，但受地势影响，呈西高东低的分布特征。林地水土保持总量在所有土地类型水土保持总量中的占比有所提高，2001年为24.03%，而2018年提高到37.53%，说明林地具有较好的水土保持能力。