陆地生态系统格局与过程的不断改变是人类生存环境与社会经济可持续发展的重要影响因素。随着工业化及城市化进程的持续推进, 高强度的人类活动导致生态系统不断发生变化^[1-4], 区域层面上过度开发及系统失衡问题屡被报道^[5-9]。从1987年联合国大会首次提出“可持续发展”的概念到1992年联合国环境与发展大会通过了《21世纪议程》, 再到2000年的千年发展目标(Millennium Development Goals, MDGs)以及2015年联合国指定的17个全球可持续发展目标(Sustainable Development Goals, SDGs), 均强调以系统思维解决社会、经济和环境三个维度的协调发展问题。探索生态-经济的协同发展下陆地宏观生态系统的动态变化路径已成为实现全球可持续发展目标亟待解决的核心科学与实践议题。

现有陆地生态系统变化过程研究主要从时间动态和空间分布着眼, 基于土地利用等各项数据对陆地宏观生态系统数量、质量、结构、功能、分布的时空变化等方面进行研究^[10-16]。较为常见的是基于土地利用/覆盖变化遥感监测数据, 对区域陆地生态系统宏观结构以及面积的动态变化进行时空特征分析^[17]；也有学者从陆地生态系统的分布及演替入手, 系统地论述了气候变暖对陆地生态系统的影响^[18]。上述研究针对陆地生态系统已发生的变化进行了系统研究, 之后有学者基于土地利用、气候变化等现有数据, 对陆地生态系统变化进行情景模拟^[19-20]。例如, Xu等利用构建的碳流模型模拟了不同土地利用情景下马纳斯河流域未来生态系统的发展趋势^[21]。有学者利用耦合模式初步分析了温控目标下陆地生态系统的变化过程^[22]。范泽孟等改进了HLZ生态系统模型, 构建了植被生态系统平均中心时空偏移分析模型, 基于欧亚大陆的气候观测数据, 对欧亚大陆植被生态系统的时空分布格局进行了不同情景下的模拟分析^[23]。陆地宏观生态系统的也变化受到自然环境与人为因素的双重影响^[24-28], 但同时陆地宏观生态系统变化也作用于人类社会经济系统, 影响着人与自然耦合系统的可持续发展。自然环境, 如土壤类型、地貌、坡度、海拔高度、气候类型等地理禀赋因子对陆地宏观生态系统变化有着较强的限制作用, 不同属性的地块适应于特定的利用方式^[29-31]。此外, 陆地宏观生态系统变化还受社会经济因子的驱动作用, 包括政策变动、经济发展、技术进步与人口增长等外来因素的影响^{[19, 32-33]}。现有研究中对自然与人为因素耦合驱动下的陆地宏观生态系统变化的深入探讨、定量化的情景参数设置方案的遴选、以及空间显性的情景模拟分析尚存较大提升空间, 而这些又恰是回答生态-经济协同发展路径下的陆地宏观生态系统将如何变化的核心科学问题的重要技术支撑。

目前, 我国的关于宏观生态系统变化研究主要集中在两类地区, 一是“自然、城市开发热点区”, 即快速城镇化地区和人文自然景观变化剧烈的区域; 二则是“生态环境敏感脆弱区”, 即在生态保护上具有哨卡和战略地位的敏感区域, 以及在经济社会发展与资源消耗过程中生态环境脆弱性不断增加、容易诱发各种生态环境问题的脆弱地区。具体已报道案例中陆地宏观生态系统的研究较多且较为深入的区域主要集中在西北干旱半干旱地区的黑河流域、宁夏, 新疆中部、青海三江源地区等, 多侧重于短时间序列^{[24, 26, 34]}、市县境内研究, 或者多针对特定类型生态系统变化的分析^[35-36]。内蒙古自治区是我国北方面积最大、种类最全的生态功能区, 它重要的生态系统服务功能是构筑我国北方生态屏障的雄厚资本, 同时内蒙古自治区资源富集, 是我国重要的能源及化工基地, 因而, 其陆地宏观生态系统状况不仅关系全区各族群众生存和发展, 而且关系华北、东北、西北乃至全国生态安全^[37-40]。针对内蒙古自治区这样兼具开发热点区和生态敏感脆弱区双重属性的研究区域, 亟待加强在该区域探索宏观陆地生态系统情景及生态-经济协同发展路径, 这不仅能够为有关气候、生态模型的运行提供高精度的下垫面数据和地表参数库, 揭示陆地宏观生态系统动态变化的影响因子及其相互联系, 而且对于研究全球变化作用下的区域响应, 维持国家北方乃至全国生态安全, 实现区域可持续发展目标, 具有重要的理论意义和现实价值^[41-44]。

本文拟回答内蒙古自治区不同的生态-经济关系情景下陆地宏观生态系统将发生什么样的时间和空间上的动态变化。本文首先构建了三期宏观生态系统格局数据与影响因子数据集, 进而基于内蒙古六大生态系统的发展规划, 设置了2025年与2035年基准情景、生态-经济协同发展情景和生态-经济权衡发展三种情景；接着利用土地利用均衡分析模型模拟了未来情景下内蒙古六大类生态系统结构、空间分布格局与社会经济系统的发展路径, 预测了未来不同社会经济活动对生态系统的扰动强度以及陆地宏观生态系统的演变态势, 提炼了新时期生态安全屏障建设的政策建议, 以期为推动全区生态文明建设, 促进内蒙古经济社会与生态协调发展提供定量化科学支撑。

1 研究区概况 1.1 基本概况

内蒙古自治区地处北纬37°24′—53°23′, 东经97°12′—126°04′, 总面积约为118.3×10⁴ km²。内蒙古生态系统复杂多样, 包含农田、森林、草地、湿地、城市、荒漠等六大类生态系统, 其中, 草地、森林、农田、荒漠是自治区的主要生态系统类型。内蒙古自治区东部、中部和西部区域的自然条件差异使得各类生态系统在空间分布上异质性显著, 且呈现不同程度的演化趋势。总体来说, 东部区域地势较为平坦, 水分充足, 主要以农田、森林生态系统为主；中部地区水资源稀缺, 主要以草地生态系统为主；西部地区处于干旱、半干旱区, 地势较高, 降雨少, 主要以荒漠生态系统为主。内蒙古年降水量稀少, 由东北向西南递减, 多年平均降水量仅为239.2 mm。截至2018年, 全区常住总人口共计2534.0万人, 城镇人口共计1589.1万人, 全区地区生产总值为17289.2亿元, 第一、二、三产业增加值分别为1753.8、6807.3、8728.1亿元。

1.2 内蒙古宏观生态系统变化历史

1990—2000年内蒙古自治区生态系统动态变化最大的是草地与农田生态系统之间的转变(草地向农田转变居首位, 农田向草地转换次之), 草地生态系统向森林生态系统的转变次之。总体规律上, 呈现出以草地生态系统面积的缩减为代价, 支撑其它各类陆地生态系统面积的扩张；同时, 森林生态系统面积有所减少；湿地生态系统面积有所增加, 主要来源于草地和荒漠转换；农田和荒漠生态系统面积增加, 主要是由于人口及牛羊总数持续增加, 人类活动强度增大对草地生态系统造成了较大的压力。经济的快速发展, 使得草地开垦和过度放牧现象严重。与其它陆地生态系统相比, 内蒙古1990—2000年间城镇扩张面积规模较小(表 1)。这期间生态系统变化的主要驱动力来自于自然因素(气候的暖干化)和人类活动(人口的持续增长、牛羊数量的增加、经济快速发展)。

2000—2015年内蒙古草地生态系统被侵占的现象更为明显, 面积缩减最多, 是动态变化最为强烈的陆地生态系统类型, 草地转换成森林、农田和荒漠的比例较高(表 2)。城市生态系统迅速扩张是内蒙古生态环境在这一时期变化的另一个显著特征, 主要来源于侵占草地和农田。除此之外, 森林生态系统面积出现小幅度增加, 荒漠生态系统转化为草地生态系统面积占比较高, 湿地生态系统面积呈基本稳定的态势。这与国家及地方政府实施的一系列生态工程与生态退耕政策有关, 同时, “京津风沙源综合治理工程”、“天然林资源保护工程”、“三北防护林”、“水土保持”、“生态重点县”、“天然草原保护工程”等多个不同时段、不同方式的生态恢复与重建工程, 也对内蒙古生态系统质量提升产生着积极影响。2000年国家退耕还林还草政策出台的同时, 经济补偿因素驱动农田生态系统向森林和草地生态系统转变。

2 数据来源与研究方法 2.1 数据来源

本研究构建了1990年, 2000年及2015年三期宏观生态系统数据, 包括6个一级分类和25个二级分类的100 m×100 m栅格数据, 用于内蒙古自治区宏观生态系统变化的模拟与验证。宏观生态系统变化影响因子数据集中的因子(表 3)主要包括区位条件、统计数据、气候数据、土壤属性、地形数据等。区位条件主要包括到公路、省会城市、水域的距离等, 此类数据基于国家1：25万基础地理数据提取, 并通过距离测算工具自动生成。统计数据主要来自于内蒙古统计年鉴, 中国畜牧业年鉴, 中国农业年鉴, 主要包括人口、GDP、粮食生产、畜牧业生产、退耕还林还草政策、自然保护区、污染治理等数据。气候数据主要包括气温、降水、日照时长和大于0℃积温, 来源于内蒙古气象台站的文本数据, 通过空间插值方法实现气候数据的栅格化。常用于气象数据空间插值的方法主要有距离权重法、克里格法与梯度距离平方反比法等, 本研究主要采用双线性距离加权插值和海拔调整方程构建了气象数据模型进行空间插值, 得到了1 km×1 km栅格数据。土壤属性包括壤土含量、土壤有机氮、土壤有机磷、土壤钾以及土壤pH值。地形数据包括高程(DEM)及坡度, 高程数据基于1∶25万数字地面高程模型(DEM)提取, 并形成1 km×1 km GRID数据, 通过ArcGIS提取内蒙古的坡度分布。土壤、气候、地形等自然条件影响用地类型的产出, 加之社会经济与管理政策的外来冲击, 从而影响社会主体对土地利用的选择行为, 进而对宏观生态系统变化进程产生影响。

2.2 研究方法 2.2.1 土地利用均衡分析模型原理介绍

内蒙古各类生态系统空间分布情景模拟通过土地利用均衡分析模型实现。它由非空间子模块和空间子模块构成, 基于区域尺度描述自然-人文耦合要素驱动的土地利用需求变化, 并基于栅格尺度空间显性地表达需求驱动下地土地利用变化。土地利用均衡分析模型非空间模块是基于可计算一般均衡理论(Computable General Equilibrium, CGE)构建的一般均衡模型。模型实际是由一系列经济学方程构成的有且仅有唯一解的联立方程组, 不同的土地利用类型作为生产要素在经济学方程中体现。当外生变量发生改变时, 作为方程组解的各种土地利用类型的需求就会发生改变, 从而导致区域土地利用结构改变。在非空间模块实现了区域土地利用需求估计后, 空间模块实现将土地利用需求量的空间显性表达, 即在栅格尺度上基于各种自然、经济、政策、社会条件等将土地利用需求量进行合理地空间迭代分配。该模块考虑了气温、降水、辐射、坡度、高程、土壤N含量、土壤P含量、土壤K含量、土壤颗粒组成、生产规模等信息, 用以判断相应土地利用/覆盖类型的生产力, 同时结合土地利用与收益案例库和非空间模块提供的产品价格数据, 估算出各种潜在土地利用类型地收益。在非空间模块提供的土地利用需求量约束下, 对各种土地利用类型按照收益的高低进行分配, 直至与土地利用需求量最为接近为止(图 1)。

2.2.2 情景设置

根据内蒙古社会经济发展特征, 本文设置了基准情景、生态-经济协同发展情景和生态-经济权衡发展情景三种情景。基准情景主要反映基于历史趋势的人口与GDP增长变化。生态-经济协同发展情景下内蒙古自治区会优先采用一系列的环境保护、生态恢复和可持续发展策略, 人口与GDP将进入一个相对平缓的增长阶段。生态-经济权衡发展情景主要考虑未来产业结构调整、政策或技术变化等将推动人口与经济的快速增长。在生态系统情景预测时, 本文选择反映人类活动强度的关键指标(GDP、城镇化率和人口规模)作为核心参数。同时参考我国《国民经济社会发展规划》、《国家主体功能区划》、《内蒙古自治区主体功能区划》、《内蒙古自治区社会经济发展规划》、《内蒙古生态环境保护十三五规划》、《内蒙古土地利用规划(2006—2020)》等相关文件, 设定了内蒙古自治区生态系统2025年、2035年三种情景的相关参数值。

在基准情景中, 假设社会经济发展按照历史变化趋势继续推进。依据《内蒙古自治区“十三五”新型城镇化规划》, 全区到2025年户籍人口城镇化率提高到50%左右, 常住人口城镇化率提高到65%左右, 两个城镇化率均高于全国平均水平5个百分点左右。据《内蒙古自治区国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》测算, 户籍人口城镇化每年增长约50万人。人口增速相比于2000年前的趋势而言, 其自然增长率逐渐下降。但是以市镇人口比例表示的城镇化率会随着社会经济的发展而逐渐上升, 全区2025年人口总量为2712万人, 城镇化率为65%。中长期来看, 预估2035年全区总人口为3000万人, 城镇化率为71.7%。

相比于基准情景, 生态-经济协同发展情景更注重新时期的生态文明建设, 对于农田、草地、森林、湿地生态系统的保护力度加强, 此时劳动力投入水平不及基准情景, 因此人口增速会低于基准情景。在此种情景下, 2025年全区人口总数为2549万人, 城镇化率为63.6%。远期2035年, 全区人口总数为2603万人, 城镇化率为66.6%。在生态-经济权衡发展情景下, 更多考虑技术进步、政策调控、产业结构调整等促进经济发展的措施, 因此其重要的经济指标都高于前两个情景, 但第一产业比例相对降低。由于经济发展占用了更多的生态资源及更多的劳动力投入, 因此人口总量也相对较高, 且更多劳动力投入到市镇区域的第二、三产业中。在此情景下, 内蒙古2025年全区人口总量为2587万人, 城镇化率为65.2%, 远期2035年, 人口达2694万人, 城镇化率为72.4%(表 4)。

3 结果与分析 3.1 内蒙古陆地宏观生态系统面积变化

不同发展情景下内蒙古陆地宏观各类生态系统面积呈现不同的变化趋势和幅度。全区森林、草地、城市生态系统的面积有所增加, 农田、荒漠生态系统的面积有所减少, 水体和湿地生态系统基本稳定, 有小幅度增加(图 2)。总体而言, 相比于基准情景和生态-经济权衡发展情景, 生态-经济协同发展情景下的草地、森林、湿地等生态系统的面积增幅最大、城市生态系统面积增幅最小、荒漠生态系统面积缩小最大、农田生态系统面积减幅最小, 陆地生态系统结构难以达到其规划目标。

作为内蒙古第一大陆地生态系统的草地生态系统(占内蒙古自治区总面积的46%), 不同情景下的面积整体呈现增加的趋势。2025年三种情景下的草地生态系统面积均恢复至(大于)2015年的面积(52.63万km²), 但却均未达到(少于)2000年的初始面积(52.97万km²)。值得关注的是, 2035年生态-经济协同发展情景下, 草地生态系统的面积恢复至略大于2000年的初始面积(52.98万km²), 而其它两种情景下仍未达到2000年的数量水平。

农田生态系统未来情景下的面积整体呈减少趋势, 三种情景的面积变化差别不大, 生态-经济权衡发展情景下缩减速度略快。基准情景下, 内蒙古经济结构中第一产业比例逐渐下降, 规划耕地保有量亦呈下降趋势, 农田生态系统的面积随之相应下降, 这与内蒙古的发展战略定位和该区域激烈的农牧、农林之间的竞争态势不谋而合。生态-经济协同发展情景下, 对农田生态系统的需求依然较高, 因而其下降速度略缓于基准情景。生态-经济权衡发展情景下, 经济结构调整力度加大, 第二、三产业结构比例相比于基准情景高, 在满足农产品供给需求和耕地红线的同时, 农田生态系统面积缩减增速, 较基准情景和生态-经济协同发展情景多减少100 km²和200 km²。

森林生态系统未来情景下的面积整体呈增加趋势, 在生态-经济协同发展情景下增速最快。森林生态系统作为国家北方生态安全屏障的重要组成部分, 按照内蒙古自治区“两屏三区”为主体的生态安全战略布局和建设重点, 大兴安岭、阴山北麓、沙地防治区、沙漠防治区、黄土高原丘陵沟壑水土保持区的生态恢复政策使得林地面积不断增加。生态-经济权衡发展情景较基准情景和生态-经济协同发展情景, 在2035年的森林生态系统面积减少0.72%和1.38%。

水体和湿地生态系统的面积变化与森林、草地生态系统的变化趋势基本一致, 在生态-经济协同发展情景下增速最快。在基准情景下, 森林与草地生态系统面积的增加, 大幅增加了该区域的水源涵养及截留功能, 使得水资源总量和湿地面积都有所增加；并在生态-经济协同发展情景下, 水体和湿地生态系统的面积增加幅度更高, 但即便如此, 至2025年和2035年也无一情景达到2000年的初始面积水平。城市生态系统未来情景下面积整体呈增加趋势, 在2030年前后三种发展情景下增速均出现变缓的迹象。生态-经济协同发展情景下, 人口增长缓慢, 对于城市建设用地、交通用地、工业用地需求相对较少。生态-经济权衡发展情景下, 劳动力需求较高, 人口增长加速, 工业和服务业的大力发展, 促进了城市生态系统面积增加。然而在该区域, 注重城市生态系统的提质增效、探索内涵式发展路径而不是外延式扩展模式更为关键。

荒漠生态系统主要是指沙地、戈壁、盐碱地和其他未利用土地等, 占内蒙古自治区生态系统总面积的21%。荒漠生态系统未来情景下面积整体呈现减少的趋势, 在生态-经济协同发展情景下缩减速度最快。近些年来, 未利用地这一具有极大潜力的用地类型, 被开发用作生态用地越来越普遍, 且随着沙地沙漠治理、盐碱地改良等针对性治理技术的日渐成熟, 荒漠生态系统转变成为森林、草地等生态系统的现象屡见不鲜。生态-经济协同发展情景较基准情景和生态-经济权衡发展情景, 荒漠生态系统面积在2035年将多被开发利用5300 km²(相当于一个日照市总面积)和7000 km²(相当于一个广州市总面积)。

3.2 内蒙古陆地宏观生态系统空间动态分析

空间显性的模拟结果表明, 农田生态系统减少的区域主要分布在“农牧交错带”地区, 以及已有的被城市扩张所侵占的农田生态系统的地区周边。统计数据表明, 农牧交错带地区粮食单产低于100 kg/666.67m²的旗县耕地面积占农牧交错带耕地总面积的1/3, 低于200 kg/666.67m²的旗县耕地面积占农牧交错带耕地总面积的1/2, 这些区域降水量基本处于400 mm以下, 将是农田生态系统减少(退耕)的主要发生区域。在这些区域加大退耕还草和人工草地培育力度、推进粮改饲等综合施策, 将在一定程度上恢复和保障内蒙古自治区中国北方生态屏障功能和核心战略定位。

森林生态系统增加的区域主要集中在大兴安岭西麓根河市、鄂尔多斯市中部等人工造林区以及阴山北麓等植被恢复地。草地生态系统面积扩张主要分布在近十年来发生草地退化的区域。近年来, 通过实施“退耕还草”、“京津风沙源治理”、“草原奖补政策”等生态工程建设, 内蒙古自治区原有退化的草地生态系统在逐渐恢复中。同时, 现存草地生态系统分布地区的周边, 也出现了一定程度的草地扩张现象。水体与湿地生态系统面积变化区域主要分布在呼伦贝尔草原地区、锡林郭勒草原东部及通辽市和赤峰市东部等原有水体及湿地生态系统的区域。城市生态系统主要以原有城镇居民点为中心, 在其周边区域呈扩散式增长, 特别是在采矿场、工业用地、交通沿线附近城镇面积增加较为显著。内蒙古自治区在城市生态系统的发展在面积增长的同时, 更应该注重提升城市活力、提高城市效率, 内涵式增长的发展路径。荒漠生态系统的缩减主要发生在与其它生态系统的交界处, 这与开发利用的便利性、原有生态系统的可开发潜力等密切相关(图 3)。

4 结论

本研究在构建的1990、2000及2015年三期宏观生态系统格局与影响因子数据集的基础上, 融合区域生态系统发展规划, 设置了基准、生态-经济协同发展和生态-经济权衡发展三种情景；进而应用土地利用均衡分析模型, 模拟了三种情景下2025年及2035年内蒙古六大类生态系统结构与空间格局变化。定量分析结果表明：在延续历史发展趋势的基准情景和注重经济发展的生态-经济权衡发展情景下, 草地和农田生态系统在2035年均无法恢复至2000年的水平, 宏观生态系统结构难以达到规划目标；在注重生态保育的生态-经济协同发展情景下, 草地、森林与湿地生态系统面积增长较大, 符合内蒙古构建中国北方生态屏障的战略定位。空间显性的模拟结果表明, 农田生态系统面积的减少主要集中在农牧交错带地区, 该区域的退耕还草构成了草地生态系统增加的主要来源, 森林生态系统面积增加主要集中分布在大兴安岭、阴山北麓等几个区域, 城市生态系统面积增加多集聚于现有城镇周边区域, 特别是在采矿场、工业用地、交通沿线附近城镇面积增加较多。荒漠生态系统变化主要分布在与其它生态系统的交界地带。