土壤风蚀是干旱半干旱地区广泛存在的严重环境问题之一^[1]。防风固沙功能是风蚀地区自然生态系统重要的生态服务功能之一，生态系统植被对风沙的抑制和固定作用^[2-5]，为区域生产生活可持续发展创造条件。土地利用是人类根据土地自然特点采取生物、技术等手段对土地进行长期的经营管理以达到一定的经济和社会目的的活动。土地利用方式的改变被认为是全球变化的决定因素之一，会对生态系统的格局和质量产生影响，从而引发生态系统服务功能的相应改变^[6-8]。近年来，在土地利用变化背景下的生态系统服务功能的量化评价成为研究热点^[9-12]，对生态系统防风固沙功能的关注度也逐渐提高^[13-14]，而土地利用变化对防风固沙功的影响方面的研究还相对涉及较少。

内蒙古地处中国北部，属于典型的干旱半干旱气候区，我国三分之一面积的沙漠和沙地分布于此^[15]，充沛的沙源和频发的大风天气使该区域饱受土壤风蚀的侵扰，而经济发展所带来的高强度人类活动和剧烈的土地类型转变更是加剧了风蚀过程。土壤风蚀导致的土地退化、沙漠化降低了土壤的生产力，削弱生态系统服务功能的同时^[16-19]，扬沙、沙尘以至沙尘暴天气对大气环境质量的影响^[20-21]更是对整个中国的华北、东北地区乃至周边国家和地区的人民生活质量以及身心健康造成了严重的困扰^[22-25]。在土地利用变化的基础上研究其和防风固沙这一生态系统服务功能的关系对区域生态系统固沙功能的恢复和改善具有重要意义。

本研究在对2000—2010年内蒙古土地利用格局的改变进行分析的基础上，对内蒙古生态系统防风固沙功能产生的相应变化进行了定量的分析和评价，以期为进一步恢复内蒙古生态系统质量，提高生态系统服务功能的供给能力，为构建京津翼地区的生态安全屏障提供参考和借鉴。

1 研究区概况

内蒙古自治区地处我国北部,位于37°24′—53°23′N，97°12′—126°04′ E之间，地处内蒙古高原，地域辽阔东西狭长，总面积约118万km²。气候以温带大陆性季风气候为主,从东到西跨越了温带湿润区、半湿润区、半干旱区、干旱区和极端干旱区等5个气候区，从而形成了多样的地理环境和丰富的自然资源，地势东西跨越东北、华北、西北地区。年降水量50—450 mm，由东北向西南递减；年均气温为0—8 ℃^[26-27]。广袤的沙漠分布、频发的大风天气以及干旱少雨的气象条件使该区域成为我国风力侵蚀非常严重的地区之一。内蒙古生态系统基本格局是： “东林中草西沙，北牧南农”，草地是内蒙古主要的生态系统类型(图 1)。

内蒙古是我国典型的农牧交错带，土地利用政策在多年的社会发展过程中不断调整和变化，从大面积开垦草地和林地以满足经济发展的“以粮为纲”到现阶段的退耕还林还草的“生态为先”，土地利用强度和方式都发生了极大的改变，土地利用格局变化显著，对生态系统格局与过程产生了不同性质的影响。高速发展的社会经济需求和快速增长的人口压力使得内蒙古土地利用变化激烈：在20世纪80—90年代间，由于人口增长、过度放牧、草原大范围垦殖，造成了大面积的草地退化和荒漠化，失去了地表植被的保护，土壤发生严重风蚀，风蚀迅速扩展，严重影响了内蒙古的正常生产和生活秩序^[28-32]。90年代末期以来，内蒙古实行了退耕还林还草、天然林保护、京津风沙源治理、生态移民、封育轮牧等一系列生态工程和管理措施，力图缓解生态压力，逐步恢复生态质量^[33-34]。

2 数据来源与研究方法 2.1 数据来源与处理

本研究采用的主要数据均来自“全国生态环境十年变化遥感调查评估”项目数据库，其中土壤属性数据集(包括土种类型、土壤粗砂、细砂、粘粒、土壤容重、N、P、K及有机质含量等理化性质)^[35]、多年平均太阳辐射数据、多年平均积雪覆盖深度等1 km×1 km栅格数据由寒区旱区科学数据中心下载；1980—2010年的多年平均降雨、气温、风速等月均数据由中国地理科学研究所通过对气象站点数据空间插值得到气象栅格数据；2000年和2010年250 m植被覆盖度数据和30 m土地利用类型分类图由中国科学院遥感所制作提供，其中土地利用类型结合气候、地形等生物地理参量和生态系统特征，将内蒙古生态系统分为8个一级生态系统和29个二级生态系统^[36]，在此基础上，参考水土流失强度和土地沙漠化强度划分阈值，将天然草地被根据植被覆盖度整理为高、中、低植被覆盖度草地生态系统；90 m数字高程DEM来由中国科学院计算机网络信息中心提供。所有空间数据在采用前均统一投影方式为Albers等积圆锥投影，大地基准面为D_WGS_1984，双标准纬线为25°N和47°N，中央经线为105°E，数据精度均重采样为90 m空间精度。

2.2 土地利用变化分析

为表征内蒙古在十年间的土地利用变化量、变化方向和变化空间形式，本研究以动态度指数表征各个地类的变化幅度和速度，用转移矩阵分析了地类间的相互转移，以此来揭示研究区土地利用变化的规律及特点。

2.2.1 土地利用变化动态度

土地利用变化动态度反映了研究区某一时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，可以直观反映土地利用类型的变化幅度和速度，揭示土地利用变化的基本特征。其表达式为：

(1)

式中，U_a、U_b分别为研究初期和末期某地类的面积，T为研究时段，本次研究取1，计算10 a总动态度。

2.2.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是对土地利用类型间相互转化的数量和方向定量研究的主要方法，它能够具体的反映土地利用变化的结构特征和各类型间的转移方向。在ARCGIS工具软件中利用叠加分析功能对两期土地利用变化数据进行统计分析即可得到内蒙古两个年份间的土地利用转移关系矩阵。

2.3 防风固沙功能物质量估算方法

内蒙古防风固沙功能以自然植被的沙物质固定量作为评价指标，固沙物质量的计算思路是以假设没有植被的条件下产生的风蚀总量减去在实际植被保护条件下的风蚀总量，二者差值即代表区域生态系统植被对风沙的固定量。本研究选取RWEQ模型作为风蚀量的计算工具估算鄂尔多斯生态系统潜在风蚀S_L潜和实际风蚀量S_L，以两者之差G表征内蒙古生态系统防风固沙功能的变化量。在ARCGIS的叠加分析功能下，对两年的土地利用发生转移的栅格的固沙量变化进行统计作为土地利用变化对固沙功能影响的表征。固沙物质量的基本计算公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，G为固沙量；S_L为土壤风蚀量；Q_max为风沙最大转运容量；S为关键地块长度；S_潜、Q_max潜、S_潜分别代表潜在风蚀、潜在转运量、潜在地块长度；z为下风向最大风蚀出现距离；WF为气象因子；EF为土壤可蚀性因子；SCF为土壤结皮因子；K′为地表糙度因子；C为植被覆盖因子。各因子计算方法如下所述。

2.3.1 气象因子(WF)

气象因子WF即风速、温度及降雨等各类气象因子对风蚀综合影响的反映^[37]，其表达式如下:

(9)

(10)

式中,WF为气象因子(kg/m)；Wf为风力因子(m/s)³；g为重力加速度(m/s²)；ρ为空气密度(kg/m³)；SW为土壤湿度因子；SD为雪盖因子；u₁为起沙风速，本次计算取5m/s；u₂为气象站月均风速值(m/s)；N_d为各月风速大于5m/s的天数。

2.3.2 土壤可蚀性因子(EF)

土壤可蚀因子EF是一定土壤理化条件下土壤受风蚀影响大小^[38]，其表达式如下:

(11)

式中，sa为土壤粗砂含量(%)，si为土壤粉砂含量(%)，cl为土壤粘粒含量(%)，OM为土壤有机质含量(%)，CaCO₃为碳酸钙含量(%)，本次计算取0。

2.3.3 土壤结皮因子(SCF)

土壤表层的坚硬结皮能有效防止风蚀的发生。土壤结皮因子SCF即在一定土壤理化条件下土壤结皮抵抗风蚀能力的大小^[39]，其表达式如下：

(12)

式中，cl为土壤粘粒含量(%)；OM为土壤有机质含量(%)。

2.3.4 植被因子(C)

植被覆盖因子C表示一定植被条件对风蚀的抑制程度^[40]，其表达式如下:

(13)

式中，SC为植被覆盖度(%)。

2.3.5 地表糙度因子(K′)

地表糙度K′是由地形所引起的地表粗糙程度对风蚀影响的反映^[41]，其表达式如下:

(14)

(15)

式中，Crr为随机糙度因子(cm),本次计算暂未考虑；K_r为地形糙度因子(cm)；L为地势起伏参数；△H为距离L范围内的海拔高程差。

3 结果与分析 3.1 内蒙古土地利用变化特点 3.1.1 土地利用构成及变化

受地形气候影响，内蒙古地区从西向东呈现“荒漠-草原-森林”逐渐变化的空间格局(图 2)，草地是内蒙古的主要土地利用类型，也是内蒙古植被生态系统的主体。2010年内蒙古草地分布面积53.8万km²，占研究区总面积的47.89%。在2000—2010年的十年间，内蒙古土地利用类型随经济社会发展不断变动，其中其中草地、裸地和湿地面积呈减少趋势，而林地、灌丛、农田、城镇均表现出不同程度的面积扩展(表 1)。十年间，内蒙古草地面积减少了3111.4 km²，湿地面积减少了921.29 km²，裸地面积减少了305.5 km²，变化幅度分别为-0.57%、-1.89%和-0.25%，是其他各类土地利用类型得以扩展的来源(图 2)。在面积增加的土地利用类型中，以城镇的动态度变化最大，十年间其面积增长了2482.64 km²，动态度为22.4%，城市发展十分迅速；林地和灌丛的面积也出现了不同程度的增加，分别增加了928.43 km²和608.87 km²，动态度分别为0.56%和2.35%，生态系统在局部区域得到了恢复和提高。

3.1.2 土地利用类型转移特征

根据内蒙古一级土地利用类型转移矩阵(表 2)，十年间内蒙古的土地利用类型的转换主要是从草地、湿地和部分裸地向林地、灌丛、农田和城镇的转移，根据其转移特点和方向，将2000—2010年内蒙古土地利用类型的转移特征总结为以下几点：

(1) 城镇扩展迅速 十年间，内蒙古城市面积净增长了22.4%，草地和农田是城镇面积扩展的主要来源。图 3反应了各类型土地转成城镇用地后的转换特征：转为城镇的草地面积中的39.5%是转换为采矿场，22.99%直接转变为居住用地，其余的36.85%分别转换为工业和交通用地；而转为城市的农田的59.1%面积直接转变为城市建成区，另有39.8%的农田面积分别转换为工业、交通和采矿用地。从分布空间上看，内蒙古城市发展速度要以呼和浩特市、包头、乌海和鄂尔多斯市为代表的中部区域高于东部和西部区域。相对于城市的大面积转入，城市的转出显得微不足道，这也是城市用地的显著特点之一。在十年间，仅有约25.1 km²的土地由城市转变为其他用地类型，其中由工业和采矿用地转为草地约10 km²，转为农田约5.5 km²。

(2) 农业用地变化剧烈 从农业用地面积总变化来看，十年间内蒙古农用地面积仅增加了299.33 km²，变化不大，变化幅度仅为0.245(图 3)。但从土地利用转移矩阵可见，十年间农业用地转出计1097.1369 km²，同时转入面积约1396.46 km²，波动面积达到2493.6 km²，变动强度较为大。十年间，除了转为城市建设用地和退耕还林地还草的转出外，分别有673.6和542.7 km²的草地和湿地重新转入为农田，是退耕农田数量的1.90倍。从空间上看，新开垦的农田大多分布在雨水相对充沛的内蒙古东部区域，如呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市区域，而农田的退耕主要在在内蒙古中部农牧交错带，如包头市、呼和浩特市、乌兰察布市等区域，东部区域虽然也有部分的农田实现了退耕，但是其农田新开垦的力度远大于退耕力度。

(3) 林地、灌丛有所恢复，草地转换强度较大 林灌草是自然生态系统的主要类型，在十年间，内蒙古的自然植被系统变化特征表现为林地、灌丛面积的小幅度恢复，而草地则表现为大面积净转出特征(图 3)。林地、灌丛的面积增长主要来自于789.9 km²草地、147.4 km²农田和以及小面积湿地、裸地和沙漠等土地利用类型。十年间总计有1064.7 km²的湿地、农田和沙漠裸地转为草地，但草地在十年间转出面积达4168.3 km²，其中有34.2%的转出草地是向林地、灌丛和湿地等生态系统转移，另有58.4%的草地主要转为城镇和农田等人工生态系统，另有7.4%的草地生态系统退化为沙地和裸地。从空间上看，林灌草等土地类型有所增加的区域相对集中分布在内蒙古西部阿拉善盟、中部包头市、鄂尔多斯的达拉特旗，东部的通辽市、赤峰市以及北部的呼伦贝尔市。而内蒙古各大城市周边的草地、湿地在城市发展下转为城镇或农田的压力较大。

(4) 荒漠化改善  内蒙古有20%左右的国土面积为各类沙漠、沙地和裸地等荒漠类型所占据，曾经在90年代初由于人为扰动导致的严重荒漠化，在近十年里出现了程度较轻的改善，十年间，沙漠面积基本维持而裸地面积则减小了306.2 km²(图 3)。从空间上看，巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠的南部以及科尔沁沙地的南部均有较大面积的沙漠沙地或裸地转为林草地等生态系统，实现了荒漠化有效改善，但同时乌兰布和沙漠北部、科尔沁沙地东部和北部以及呼伦贝尔沙地西部则有小区域的土地出现轻度荒漠化。

3.2 内蒙古风蚀计算结果及其验证

本研究采用RWEQ进行了内蒙古2000年和2010年潜在风蚀和实际风蚀的计算，依据水利部《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190—2007) 风蚀分级标准对结果进行了风蚀强度分级，并在计算结果的基础上进一步获得了两年的固沙物质量(图 4)。内蒙古风蚀分布总体上为东低西高，北多南少，这也是内蒙古自然地理和气候分布的特点所致。2010年内蒙古全区风蚀总面积为53.15万km²，中度以上风蚀发生面积合计为29.66万km²，占全部风蚀区面积的56.5%。2010年内蒙古固沙物质总量为57.58亿t，科尔沁沙地、浑善达克沙地以及鄂尔多斯高原是固沙物质量较多的区域(图 4)。

鉴于固沙功能无监测或试验数据以供验证，本文以基于卫星遥感数据监督分类得到的土壤流失遥感调查中内蒙古各旗县不同风蚀级别的面积与本模型计算评价分级结果进行了对比分析，结果显示(图 5)，二者具有较高的拟合性(R²=0.89) ，从侧面说明了RWEQ模型用于评估内蒙古风蚀强度并以此计算固沙物质量的可行性。

3.3 内蒙古固沙功能对土地利用变化的响应 3.3.1 土地利用类型与固沙物质量

基于GIS软件下将2个时期的土地利用类型图与相应的固沙物质量分布图分别进行叠加统计分析，得到2个时期不同土地利用类型下的固沙量。由表 3可见，内蒙古各土地利用类型固沙物质量序列依次为草地>沙漠>农田>灌丛>裸地>林地>城镇，草地是控制内蒙古风力侵蚀，起到防风固沙作用的主要土地利用类型，草地固沙物质量在2000年和2010年两个年份中分别占到固沙物质总量的67.9%和63.9%，湿地如湖泊、河流等类型由于在计算中假设其不发生任何形式的风蚀，因此不做固沙物质量序列比较，其所产生的少量固沙物质量是由于湿地转为其他用地类型出现风蚀后同时产生相应的固沙能力。十年间，固沙物质总量增长了8.68亿t，增幅为17.75%，在全部变化中，土地利用变化造成的固沙物质变化量为0.44亿t，虽然总量不大，但是在人类活动主导下的土地利用变化对生态系统固沙功能的影响意义重大。十年间，各个土地利用类型的固沙总量均有所增加，但林地、湿地和农田有微量的减少(表 3)。

3.3.2 防风固沙功能与土地利用变化

通过对2000年和2010年土地利用变化图和固沙物质量变化图的叠加(图 6),可统计分析不同土地利用类型之间的转化对固沙功能的影响。结果表明，土地利用类型之间的转换分别造成了0.25亿t的固沙物质量的增加和0.19亿t固沙物质量的减少。影响固沙功能的用地类型的转换主要在林灌草等自然生态系统用地与城镇、农田和荒漠之间进行，表 4是对固沙功能增加和减少影响力分别位列前20种的土地转变形式，其中：农田的退耕(农田转灌丛、农田转草地)、荒漠的改造(裸地转灌丛、裸地转草地、裸地转农田)、沙漠的逆转(沙漠沙地转林灌草、沙漠转农田)以及草地质量的提高(低覆盖度草地转中覆盖度草地、地覆盖度草地转灌丛)等转换类型增加了90.6%的固沙物质量；而农田开垦(中覆盖度草地转农田、草本沼泽转农田)、城镇发展(中覆盖度草地转城镇、农田转城镇)、荒漠化(中覆盖度草地转沙漠、湖泊转沙漠)以及湿地萎缩(河流和草本沼泽转中覆盖度草地)和草地的退化(高覆盖度草地转中覆盖度草地、中覆盖度草地转低覆盖度草地)等转换方式累计减少了89.65%的固沙物质量。

值得注意的是，中、低覆盖度草地、旱地等土地利用类型在向林地转换的过程中，固沙能力有所降低，以中覆盖度草地转为林地后降低最多，为固沙物质降低总量的2.67%，其次为农田转为林地。草地和农田向林地的转换大多是人为造林活动的结果，新造林地在生长初期无论其生物量抑或植被覆盖程度都远低于自然草地甚或农田，导致了短期内地表植被的保护作用下降，固沙功能的轻度降低。

综合来说，十年间，内蒙古的土地利用类型的变化对区域固沙功能起到了一定的增强作用，而这种增强并不以某类土地利用类型面积的增减为绝对导向，而是与生态系统质量高度相关，如草地覆盖度得以提升的地区，固沙物质量往往会大幅增加，而草地覆盖度下降的区域固沙物质量明显下降。

4 结论与讨论

土地利用结构与土壤水分、养分、水土流失等生态过程之间关系的研究,是近年来景观格局与生态过程研究的重要方面。土地利用及其结构的变化不仅能够改变自然景观的面貌,而且深刻影响着景观中的物质循环和能量流动,改变着土壤水分、养分和土壤侵蚀等生态过程的时空分布。对土地利用变化和生态质量与功能的关系探讨有助于把握土地利用变化的生态环境效应和环境功能影响,对探讨区域生态环境的变化具有重要的意义^[42]。在GIS 和RWEQ模型支持下,本研究对内蒙古自治区土地利用变化特征与生态质量和固沙功能的关系进行深入的分析与探讨，结果表明：

(1) 近十年来，内蒙古地区土地利用变化的主要特点是城市的快速扩张和草地、湿地资源的高强度开发利用。农田总量微度增长的表象下实际是农田空间上的剧烈更替，原有农田被大面积转换为建设用地以及政策退耕为林灌草等用地类型，同时又以大面积灌丛、草地和湿地等用地类型开垦为新的农田予以替代。

(2) 在退耕还林还草等生态保护工程的用地政策导向下，林地、灌丛面积得到了一定程度的恢复，荒漠化逆向发展有所增加，荒漠总面积开始减小。草地面积虽然在向城市建设用地和农耕地的转换过程中大幅度减少，并且局部区域的禁牧轮牧使草地覆盖度有所增加，但过度放牧、破坏草地矿业开采、虫鼠害和气候等原因也导致了部分区域草地质量明显下降。总体而言，十年间内蒙古生态环境质量整体改善，局部地区存在一定恶化趋势。

(3) 基于RWEQ模型的内蒙古固沙物质量估算结果表明，十年来，内蒙古固沙物质量的增减在空间上交替更迭，但总体来说固沙物质量相对十年前增长了17.75%，达到2010年的57.54亿t，增长明显。草地固沙物质量在2000年和2010年两个年份中分别占到固沙物质总量的67.9%和63.9%，是内蒙古防风固沙功能的主要土地利用类型。

(4) 基于叠加分析统计，土地利用类型的变化中的农田退耕、荒漠逆转、草地盖度提高等转换方式贡献了90.6%的固沙物质量的增长，而农田开垦、城镇发展、荒漠化发展、湿地萎缩以及草地的退化造成了89.9%的固沙物质量的减少，综合来看，内蒙古的土地利用变化对区域固沙功能起到了一定的增强作用，生态系统质量的变化造成的土地利用类型的转化对固沙功能的影响远高于在人类干扰下的土地利用类型的转换所造成的影响。

在2000年到2010年的十年间，在退耕还林、还草等环保工程的实施以及禁牧轮牧等措施对草地的保护性管理的大背景下，内蒙古自治区整体生态质量得以维持并有小幅度增长，全区固沙功能得到了一定程度的增强。但是同时，城市建设速度过快对农田、草地和湿地资源造成了较大的压力，草地、农田的荒漠化现象依旧存在，部分草地生态系统受气候和人为因素的双重影响而出现质量降低，部分农田和草地在向林地转变的过程中会出现短期的地表覆盖下降，地表保护力降低的现象，这些问题的存在往往会弱化生态系统固沙功能，在今后的土地利用规划与管理中需要加以注意和调整：1) 合理控制城镇扩张方式和规模，在规划中尽可能提高现有城区的承载力和加强对老城区的改造，减少摊大饼式的城市发展模式，降低城市周边农田和草地的占用速度。2) 继续保证退耕还林还草等环保工程的实施力度，在退耕后的选择上应注意迎合周边自然条件和环境，宜林则林，宜草则草，避免一刀切。3) 对天然草地实施围栏封育轮牧，控制草地畜牧强度，防止过度放牧。4) 加快人工草地建设和天然草地改良工作。5) 加强草原鼠害治理，杜绝草原滥采滥挖，加强矿业开采施工管理，促进开采后的草地恢复，减少矿业开采对生态环境的影响。6) 严格限制草地、湿地、林灌地的农业化，合理利用土地资源。