21世纪初, 中国粮食生产的持续增长, 已经达到了世界纪录^[1]。全球都面临着日益增长的人口需要充足的食物、充裕的生活空间, 如何在农业开垦、资源开采、经济发展的同时, 维护区域的可持续发展, 成为国内外学者关注的研究热点问题。人类活动会影响生态系统的格局和质量^[2-3], 因而研究生态系统的格局与质量是认识生态环境与人类活动关系的基础^[4-5]。此外, 生态保护是否会影响农业生产, 从而对人类福祉产生负面效果, 成为生态学家关注的焦点。Malek等在地中海的研究表明扩大生态保护区域网络, 不会影响粮食生产, 在提高粮食产量的同时改善水资源状况是可行的^[6]。

2000年以来, 中国实施了生态保护和恢复相关政策, 这些生态政策和工程的实施, 对生态环境的影响如何, 成为研究者们关注的关键问题。Xie等研究了中国大规模退耕工程与区域可持续发展的关系, 研究结果表明采用动态补贴的政策更有利于中国耕地的可持续利用^[7]。Wang等的研究显示, 1984—2012年间, 中国不同区域的生态系统格局变化差异性较大, 而经济社会因素是导致生态系统格局变化的重要原因, 土地利用政策也对生态系统格局的时空演变造成了一定影响^[8]。如何根据区域特征, 来有针对性的实施差异化土地政策和生态保护政策成为关键问题。但目前还缺乏相关量化研究。

生态系统是人类赖以生存和发展的基础, 因此, 研究生态系统格局和质量的时空动态演变特征十分重要。生态系统格局与质量不仅直接影响生态系统服务功能的变化^[9-10], 还将进一步影响人类福祉。所以, 通过分析导致生态系统格局与质量时空动态演变的驱动力因素^[11-12], 有助于量化分析已有生态保护和生态恢复政策措施实施的具体效果^[13], 能够为今后的区域生态保护和生态恢复政策研究、城市发展战略制定提供可供参考的可靠科学依据^[14]。

鄂尔多斯市位于中国北部的内蒙古西南部地区, 是我国北部重要的生态屏障, 同时也是我国重要的农牧业生产基地, 因其丰富的煤炭资源, 社会经济发展迅速, 创造了“鄂尔多斯经济现象”^[15]。与此同时, 由于鄂尔多斯市生态环境十分脆弱, 人类活动对土地利用、生态环境特征演变的影响成为研究热点问题。鄂尔多斯市草地退化、土地沙化显著, 高覆盖度草地转化为中、低覆盖度草地, 中覆盖度草地转化为低覆盖度草地和沙地, 低覆盖度草地转化为沙地, 降水、人口、牲畜数量增加, 共同作用影响鄂尔多斯市生态环境变化^[16-17]。

2000年以来, 鄂尔多斯市政府实施了生态保护工程, 如退耕还林还草、禁牧和休牧等生态政策, 鄂尔多斯市生态环境退化程度逐年减轻并向轻度改善转变^[18]。这些变化必然会影响鄂尔多斯市的生态系统格局与质量状况, 进而影响鄂尔多斯市区域经济和生态环境的可持续发展。本研究试图探索资源开发、城市化发展与生态保护等多重驱动因素对生态敏感脆弱区域的生态系统演变规律的具体作用, 为生态系统恢复、生态系统质量提高、中国北部地区的生态屏障构建提供可信的科学数据、可实施的政策建议。

本研究的目的是：深入了解鄂尔多斯市生态系统格局与质量状况和十年间的时空演变趋势^[19-25], 客观认识鄂尔多斯市生态系统结构与功能, 确定鄂尔多斯市目前存在的潜在生态威胁和生态问题, 探讨鄂尔多斯市生态系统格局和质量变化的驱动因素, 量化分析鄂尔多斯市生态保护工程和政策对鄂尔多斯市的实际影响, 对实现鄂尔多斯市区域经济的可持续发展与生态保护的平衡具有重要的现实意义。

1 研究方法 1.1 研究区域概况

鄂尔多斯市地处鄂尔多斯高原腹地, 37°18′—40°17′N, 106°27′—111°27E, 总面积8.68万km², 属于温带大陆性气候, 年平均气温5.5—9.1℃, 年降水量仅170—350 mm, 蒸发量高达2000—3000 mm^[26]。地形西高东低, 平均海拔在1000—1500 m之间, 北部为黄河冲积平原, 东部为丘陵沟壑水土流失区和砒砂岩裸露区, 中部为毛乌素沙地和库布其沙漠^[18](图 1)。

鄂尔多斯市位于我国北方的农牧交错带^[27], 主要生态系统类型有草地、荒漠裸地、农田、湿地、森林、城镇等。由于地处干旱地区, 具有生态承载力低、生态环境脆弱, 沙漠化严重的特点, 研究区域内频繁发生自然灾害^{[17-18, 28]}。

鄂尔多斯市还是典型的资源型城市, 全市70%的地表下埋藏着煤, 探明煤储量约占全国总储量的1/6^[24], 2015年天然气供应量约占全国总量31.7%^[29], 羊绒质量居全国之首, 羊绒产量约占全国总产量的10.25%^[30]。其中, 煤炭开采约占鄂尔多斯市GDP的80%, 煤炭与羊绒产业对鄂尔多斯市经济发展的影响巨大^[24], 对鄂尔多斯市的生态环境造成巨大压力。空间分布上, 鄂尔多斯市中东部地区以煤矿开采为主, 西部地区以畜牧业为主^[24]。

1.2 生态系统分类体系

鄂尔多斯市生态系统分类以全国生态环境调查评估的生态系统分类体系为基础^[31], 根据鄂尔多斯市的生态系统特征进行分类, 共分一级森林、灌丛、草地、湿地、荒漠裸地、农田、城镇共7类, 在一级分类的基础上将生态系统划分二级共18类(表 1)。

1.3 数据来源

鄂尔多斯市的生态系统类型、生物量、植被覆盖数据来自“全国十年生态调查与评估”项目数据库^[32]。本研究使用面向对象的分类技术, 基于Landsat TM数据, 采用了一级、二级生态系统分类数据得到了鄂尔多斯市2000年和2010年的生态系统类型分布图, 根据数据精度检验报告说明, 鄂尔多斯市一级生态系统分类精度达到96%, 二级生态系统分类精度达到90%。鄂尔多斯市DEM数字高程模型来自国际科学数据服务平台, 空间分辨率为30 m。

国内生产总值、人口、放牧等社会经济数据来自鄂尔多斯市统计年鉴, 道路密度等数据来自相关政府部门, 城市扩张、农田开垦、退耕还林、草、湿、生态恢复、矿山开采、生态退化等数据通过遥感数据和实地调查获得。

1.4 生态系统格局分析方法

(1) 生态系统类型面积比例

通过计算生态系统分类系统中各种类型生态系统面积(S_ij)占总面积的比例得到鄂尔多斯市生态系统类型的面积比例^[33]。

(1)

式中, T_ij：土地利用类型中第i类生态系统在第j年的面积比例；S_ij：生态系统类型中第i类生态系统在第j年的面积；TS：评价区域的总面积。

(2) 生态系统类型变化方向

利用生态系统类型转移矩阵^[33]定量分析鄂尔多斯市2000年、2010年两个时段生态系统类型构成变化、转变方向与相互转变面积与数量。

(2)

(3)

(4)

式中, i：2000年生态系统类型；j：2010年生态系统类型；a_ij：生态系统类型的面积；A_ij：2000年第i类生态系统类型转变为2010年第j类生态系统类型的比例；B_ij：2000年的第i类生态系统类型转变为2010年第j类生态系统类型的比例；R_ij：生态系统类型变化方向。

1.5 生态系统质量评估方法

以遥感数据为基础, 分析鄂尔多斯市生态系统地上生物量与植被覆盖度数据, 计算鄂尔多斯市相对生物量密度, 评估2010年鄂尔多斯市的森林、灌丛与草地生态系统质量。通过比较2000年与2010年鄂尔多斯市森林、灌丛与草地生态系统质量的时空变化趋势, 确定鄂尔多斯市生态系统质量改善与退化显著的区域空间分布特征。

在评价鄂尔多斯市森林、灌丛、草地生态系统质量时, 使用基于像元的相对生物量密度方法^[11]。使用植被指数-生物量法得到地上生物量数, 评价鄂尔多斯市森林生态系统质量；使用累积NPP法, 基于像元二分模型通过MODIS影像反演得植被覆盖度数据^[34-36], 使用CASA模型得到累积NPP法^[37], 通过累加草地生长期(开始生长与结束生长的时间段)内的NPP估算植被覆盖度, 评价鄂尔多斯市草地生态系统质量。

(5)

(6)

(7)

式中, i：像元数量；j：生态系统类型；Q_j：第j类生态系统质量指数；R_ij：第j类生态系统i像元的相对生物量密度；As：每个像元的面积；S：评价区域内第j类生态系统的总面积。B_ij：第j生态系统i像元的生物量, 由鄂尔多斯市遥感数据得到；CB_j：第j类生态系统顶级群落每像元的生物量, 由鄂尔多斯市生态系统长期定位观测数据和样地调查数据得到；F：植被覆盖度；NDVI：由鄂尔多斯市遥感影像的近红外波段、红光波段的发射率计算得到。NDVI_v：纯植被像的NDVI值；NDVI_s：完全无植被覆盖像元的NDVI值。

将鄂尔多斯市森林、灌丛生态系统质量分为5个等级^[11]：(1)优(相对生物量密度R值≥80%)；(2)良(60%≤相对生物量密度R值≤80%之间)；(3)中(40%≤相对生物量密度R值≤60%)；(4)低(20%≤相对生物量密度R值≤40%)；(5)差(相对生物量密度R值≤20%)。将鄂尔多斯市草地生态系统质量分为5个等级^[11]：(1)优(植被覆盖度F值≥80%)；(2)良(60%≤植被覆盖度F值≤80%)；(3)中(40%≤植被覆盖度F值≤60%)；(4)低(20%≤植被覆盖度F值≤40%)；(5)差(植被覆盖度F值≤20%)。

1.6 驱动力分析

为了探讨气候与人类活动对鄂尔多斯市生态系统格局与质量的影响机制, 以生态系统类型为单位对鄂尔多斯市生态系统格局驱动力进行分析, 以县域为单位使用SPSS软件分析鄂尔多斯市生态系统质量驱动力。其中, 气候驱动力主要考虑温度、降水, 人类活动主要考虑国内生产总值GDP(Gross domestic product、GDP1农业生产总值、GDP2工业生产总值、GDP3服务业生产总值)、人口、放牧、道路密度、城市扩张、农田开垦、退耕还林、草、湿、生态恢复、矿山开采、生态退化等因素。

2 结果与分析 2.1 生态系统格局与演变

(1)生态系统分布与构成

2010年, 鄂尔多斯市草地、荒漠裸地和农田3类生态系统类型面积之和约占市域面积的91.73%。其中, 草地是鄂尔多斯市面积最大的生态系统类型, 面积为55971.34 hm², 约占市域面积的64.46%, 包括草原、草甸, 分别占草地面积的99.25%与0.75%, 主要分布在鄂尔多斯市东北、西部、西南地区。荒漠裸地生态系统面积为18530.06 hm², 约占市域面积的21.34%, 包括沙漠、荒漠裸岩、荒漠裸土, 分别占荒漠面积的96.20%、0.01%、3.78%, 主要分布在鄂尔多斯市北部、东南地区。农田生态系统面积为5147.69 hm², 占市域面积的5.93%, 以耕地为主, 园地面积很少, 主要分布在鄂尔多斯市北部、东北、东南地区(图 2)。

森林生态系统面积为1282.98 hm², 占市域面积的1.48%, 包括落叶阔叶林、常绿针叶林, 分别占鄂尔多斯市森林面积的99.97%、0.03%。灌丛生态系统面积为4299.18 hm², 占市域面积的4.95%, 包括落叶阔叶灌木林、常绿针叶灌木林, 分别占灌丛面积的99.80%、0.20%, 分布在鄂尔多斯市东北、中部地区。湿地生态系统面积为489.73 hm², 仅占市域面积的0.56%, 包括沼泽、湖泊、水库3类, 分别占湿地面积的13.17%、34.58%、52.25%, 分布在鄂尔多斯市北部、中部地区。城镇生态系统面积为1107.76 hm², 占市域面积的1.28%, 包括居住地、城市绿地、工业与交通用地3类, 分别占城镇面积的29.96%、2.98%、67.06%, 分布在鄂尔多斯市北部、东北、中部地区(表 1)。

(2) 生态系统格局演变

2000—2010年, 鄂尔多斯市城镇、灌丛、森林面积有所增加, 而草地、湿地、农田、荒漠裸地面积有所下降。其中, 城镇面积增幅最大, 增加33.37%, 而草地面积降幅最大, 减少0.78%, 鄂尔多斯市灌丛、森林面积分别增加了了4.57%、3.51%, 湿地、农田、荒漠裸地分别减少了8.49%、0.18%、0.06%, 市域内发生了变化的生态系统面积为508.57 km²(表 2)。

城镇生态系统中, 居住地和工业与交通用地有所增加, 城市绿地略有降低, 变化面积分别为41.66、235.95、0.43 hm²。其中, 城镇新增面积主要来源于草地、荒漠裸地、农田、灌丛, 分别占总新增城镇面积的49.39%、21.98%、12.98%、11.00%。新增居住地主要由二级生态系统类型中的耕地、草原、沙漠、阔叶灌丛转化, 转化面积分别占新增居住地面积的39.78%、35.10%、14.19%、11.65%。城市绿地减少了0.43 hm², 转化为居住地的面积占减少城市绿地面积的45.45%, 新增城市绿地主要由居住地、耕地转化而来。新增工业与交通用地主要由草原、沙漠、阔叶灌丛转化, 分别占新增工业与交通用地的51.82%、18.87%、10.77%(表 3)。

草地减少面积最大, 减少面积442.74 hm², 主要转换为灌丛、城镇、荒漠裸地、森林, 分别占减少草地面积的49.40 %、30.92%、15.02%、14.01%。灌丛面积增加187.84 hm², 主要来源于草地, 占新增面积的116.43%, 而灌丛主要转化为城镇。新增加森林主要从草地转化而来, 主要由草原转化为阔叶林。减少的荒漠裸地主要转化为城镇、湿地、草地, 新增荒漠裸地主要由草地转化。减少的农田面积主要转化成湿地、城镇、草地, 新增农田主要由草地转化。减少的湿地主要转化为草地、农田、新增湿地主要由农田、荒漠裸地、草地转化；减少的草地主要转化为灌丛、城镇、荒漠裸地(表 3)。

鄂尔多斯市二级生态系统类型包括工业与交通用地、居住地、湖泊、落叶阔叶灌木林、落叶阔叶林、常绿针叶灌木林、草原、草甸等, 相对变化率分别增加：46.55%、14.36%、7.29%、4.58%、3.52%、0.49%、0.21%, 而沼泽、水库、城市绿地、草原、根底、荒漠裸土、沙漠的相对变化率分别减少：18.30%、14.24%、1.27%、0.79%、0.48%、0.18%、0.05%, 其中, 园地、荒漠裸岩相对变化率很小(表 4)。鄂尔多斯市生态系统变化主要集中在中部、东北部, 大部分区域的生态系统变化率较低, 变化率较高的生态系统是城镇生态系统中的工业与交通用地、灌丛生态系统中的落叶阔叶灌木林(图 3)。

2.2 生态系统质量与演变

(1) 生态系统质量

2010年, 鄂尔多斯市生态系统总体质量较低, 优、良、中等级生态系统面积占总面积比例分别为0.02%、0.06%、1.02%, 低、差等级生态系统面积占总面积比例分别为37.21%、61.70%。其中, 草地生态系统优、良、中、低、差等级的面积分别为8.94、36.63、649.00、23931.38、33201.69 km², 灌丛生态系统优、良等级的面积分别为1.50、1.00 km², 灌丛和森林生态系统低、差等级的面积较多, 森林生态系统全部属于低、差等级(图 4)。

(2) 生态系统质量变化

2000—2010年, 鄂尔多斯市生态系统质量总体略有改善, 东部、中部、南部大地区生态系统质量有所提高, 仅有小部分地区生态系统质量有所降低。优等级增加了2.63 km², 其中草地、灌丛增加了2.19 km²、0.38 km²；良等级减少了14.06 km², 其中草地减少了14.63 km², 而灌丛增加了0.59 km²；中等级增加了249.13 km², 其中草地、灌丛分别增加了252.56、1.25 km², 森林减少了0.31 km²；低等级面积增加了13262.88 km², 草地、灌丛、森林分别增加了13458.94、3.94、0.06 km²；差级的生态系统面积减少了13500.56 km², 草地、灌丛分别减少了13699.06、1.50 km², 仅森林增加了0.25 km²(图 4)。

2.3 生态系统格局和质量变化的驱动力分析

在气候变化与人类活动的共同影响下, 鄂尔多斯市生态系统格局和质量发生了巨大变化。本文通过对有可能影响生态系统格局和质量变化的驱动力因素进行相关性分析, 研究发现鄂尔多斯市生态系统格局与城市扩张、农田开垦、退耕还林、草、湿、生态恢复、矿山开采、生态退化相关性显著(表 5)；鄂尔多斯市生态系统质量与降水、退耕还草工程、道路密度、温度、GDP1、放牧因子相关性显著(图 5)。

鄂尔多斯市生态系统质量与降水、退耕还草工程、道路密度呈现明显的正相关(R²=0. 3159, P < 0.01；R²=0.0529, P < 0.01；R²=0.2494, P < 0.01)。然而, 与温度、GDP1、放牧呈现明显的负相关(R²=0. 6358, P < 0.01；R²=0.165, P < 0.01；R²=0.2575, P < 0.01)。其中, 生态系统质量与退耕还草工程实施区域内、外的相关性存在显著差异。在实施退耕还草工程区内, 生态系统质量变化退耕还草、保护管理等措施密切相关, 而受温度、降水、GDP1、放牧等其他驱动力的影响较小；而实施退耕还草工程区外, 鄂尔多斯市生态系统质量的变化主要受降水、温度、道路密度、GDP、放牧等驱动力的影响(图 5)。

2000—2010年间, 鄂尔多斯市生态系统质量的变化与温度的相关性最大(R²=0.6358, P < 0.01), 是区域生态系统质量变化的主要驱动力(图 5)。由于鄂尔多斯市生态系统类型以草地为主, 适宜的温度有利于植被生长, 因此温度成为控制草地植被的生长情况的主要气候因素。虽然降水与生态系统质量的关系没有温度明显, 但鄂尔多斯市属于干旱地区, 降水对研究区内的生态系统质量影响也比较重要。

在人类活动强度较低的区域, 生态系统质量主要受降水、温度等气候驱动力影响。而矿产资源开发、放牧等人类活动对生态系统有一定干扰作用, 随着道路密度的增加, 城市扩张对生态系统格局和质量造成一定压力。而退耕还林、退耕还湿、退耕还草等生态工程的实施, 减轻了人类活动对鄂尔多斯市生态系统造成的负面影响, 对鄂尔多斯市生态系统质量的改善有积极作用。禁牧, 合理利用草地资源, 对鄂尔多斯市草地生态系统质量的恢复有所帮助。因此, 需要从气候、矿产资源开发、放牧、生态保护工程建设等多方面综合考虑对鄂尔多斯市生态系统格局和质量的影响。

3 结论与讨论

本文基于鄂尔多斯市生态系统类型、生物量、植被覆盖遥感数据、社会经济数据, 分析了2000—2010年鄂尔多斯市生态系统格局与质量状况, 量化评价了气候变化和人类活动对鄂尔多斯市生态系统格局与质量演变的影响。

研究结果表明：(1)2000—2010年, 鄂尔多斯市城镇、灌丛、森林面积有所增加, 草地、湿地、农田、荒漠裸地面积有所下降。其中, 城镇面积增幅最大, 草地面积降幅最大。生态系统变化主要集中在鄂尔多斯市中部、东北部地区, 大部分区域的生态系统变化率较低, 而城镇生态系统中的工业与交通用地、灌丛生态系统中的落叶阔叶灌木林变化率较高。

(2) 鄂尔多斯市生态系统质量总体略有改善, 东部、中部、南部大地区生态系统质量有所提高, 仅有小部分地区生态系统质量有所降低。其中, 优、中等级增加了251.76 km², 良等级减少了14.06 km², 低等级面积增加了13262.88 km²。

(3) 鄂尔多斯市生态系统格局变化的主要驱动力有城市扩张、农田开垦、退耕还林、草、湿、生态恢复、矿山开采、生态退化等因素。鄂尔多斯市生态系统质量与降水、退耕还草工程、道路密度呈现明显的正相关, 与温度、GDP1、放牧呈现明显的负相关。生态系统质量与退耕还草工程实施区域内、外的相关性存在显著差异。

(4) 鄂尔多斯市生态系统受到气候变化和人类活动的双重影响, 退耕还林、草、湿, 禁牧、轮牧等措施对鄂尔多斯市草地生态系统质量的恢复起到了积极作用, 而城市发展、矿产开发对生态环境造成了较大压力。

为了更合理保护鄂尔多斯市生态环境并提高生态系统质量, 实现经济的可持续发展, 本研究从以下三方面提出政策建议与保护对策：

(1) 从区域尺度而言, 可以根据鄂尔多斯市目前的生态系统格局和质量变化情况, 对鄂尔多斯市生态脆弱敏感区(包括：达拉特旗西南部, 杭锦旗中部、南部, 鄂托克旗西北部、鄂托克前旗西北部区域的草地生态系统)进行生态恢复与重建, 在实现地区可持续发展的同时, 改善当地生态环境。

(2) 从产业发展而言, 畜牧业的禁牧措施、放牧区域限制仍需进行。对草地退化极严重, 生态系统质量为差的区域(包括：达拉特旗西南部, 杭锦旗中部、南部, 鄂托克旗西北部、鄂托克前旗西北部区域的草地生态系统)禁止放牧；对于草地退化有所减缓, 生态系统质量为中等水平以上的区域可以适当放牧(包括：准格尔旗东南部, 乌审旗中部、东南部, 鄂托克前旗东南部区域的草地生态系统)。农业发展、沙产业、矿产业仍需控制, 让生态环境恢复的同时进行合理适度经济发展, 达到经济发展和生态保护的平衡。

(3) 从政策实施而言, 退耕还林、草、湿, 生态恢复等生态保护工程仍需进行, 结合鄂尔多斯市自然地理环境和气候条件特点, 对于局部生态问题突出的典型地区, 濒危动物栖息地等生态敏感脆弱区域仍需重点加强生态保护和恢复工程建设, 有利于鄂尔多斯市生态环境的恢复及生态质量的优化。具体包括：对矿山开采严重的区域, 进行生态恢复工程；对于生态退化严重, 生态系统质量极差的生态敏感区进行退耕还林、草、湿。