2016, Vol. 52文章信息
- 牟雪洁, 赵昕奕, 饶胜, 黄琦, 柴慧霞
- MOU Xuejie, ZHAO Xinyi, RAO Sheng, HUANG Qi, CHAI Huixia
- 青藏高原生态屏障区近10年生态系统结构变化研究
- Changes of Ecosystem Structure in Qinghai-Tibet Plateau Ecological Barrier Area during Recent Ten Years
- 北京大学学报(自然科学版), 2016, 52(2): 279-286
- Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2016, 52(2): 279-286
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文章历史
- 收稿日期: 2014-10-30
- 修回日期: 2015-03-06
- 网络出版日期: 2016-02-17
引用本文 |
2. 北京大学城市与环境学院, 地表过程分析与模拟教育部重点实验室, 北京 100871
2. Laboratory for Earth Surface Processes (MOE), College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871
土地利用/覆被变化是当前人类活动对自然界影响的最直接表现, 深刻影响着全球生物地球化学和全球气候, 在环境变化中起着关键作用[1]。国际地圈生物圈计划(IGBP)与国际全球环境变化人文因素计划(IHDP)联合发起的全球土地研究计划[2], 强调人类-环境耦合系统综合研究的重要性, 推动了土地变化科学的发展, 使土地变化科学成为全球环境变化研究和可持续性研究的重要方面[3]。近年来土地利用/覆被变化研究不断深入, 在传统的土地利用变化趋势与驱动力分析基础上, 更加关注土地利用变化引起的生态环境效应[4-6]、生态服务价值[7-8]、生态服务权衡[9]、碳循环[10-11]、土地利用与气候变化的相互作用[12]等方面, 采用的研究方法也从定量计算向模型模拟预测发展[13-14]。
青藏高原是世界上平均海拔最高的高原, 被称为“世界屋脊”, 享有“江河之源”、“中华水塔”等殊荣, 其特殊的地理位置、丰富的自然资源、重要的生态价值使之成为我国重要的生态安全屏障。然而, 由于青藏高原地壳活动活跃, 气候环境复杂, 生态环境十分脆弱, 加上人为活动不断加剧, 生态安全面临严峻挑战。在全球变化背景下, 青藏高原区域生态系统更敏感、脆弱, 对气候变化的响应也更强烈。近30年来(1981-2010年)青藏高原气候呈显著变暖趋势[15], 气候模式预估结果表明, 未来100年青藏高原气候总体增温趋势明显, 到21世纪末, 增温幅度达3.93℃[16]。在全球气候变化和人类活动综合影响下, 青藏高原冰川退缩、土地退化、水土流失、生物多样性受威胁等生态问题也日益突出[17-18]。研究表明, 1982-2009年间, 青藏高原11.89%的草地生态系统植被覆盖度持续降低, 并主要分布在人类活动强度大的区域[19]。
生态系统格局和结构反映了各类生态系统间的分布规律与空间关系, 决定了生态系统服务功能的整体状况及空间差异, 同时为不同区域实施不同生态保护措施提供重要依据[20]。青藏高原生态屏障区是青藏高原的核心区域。在全球变化和人类活动的共同影响下, 开展青藏高原生态屏障区生态系统结构变化研究, 分析生态系统各类型相互转化强度与动态变化特征, 能够更加明确地认识人类活动对自然生态系统的影响, 对于青藏高原生态屏障区的保护与可持续发展具有重要作用。
1 数据来源与研究方法 1.1 研究区概况青藏高原生态屏障区的概念和范围与青藏高原地理区域有所不同, 它源自《全国主体功能区规划》[21], 并以示意图的形式呈现。本文从便于生态环境管理的角度, 并考虑行政区划的连续性和完整性, 将县域行政边界与屏障区示意图进行空间叠加, 选取县域面积比例大于10%的县域, 最终得到青藏高原生态屏障区边界范围(图 1), 共包含4个省、36个县, 总面积约93万km2。近10年来屏障区年平均气温为2.5℃, 年降水量为403.7 mm, 气候高寒、干旱, 生态环境敏感脆弱。
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| 图 1. 研究区范围 Figure 1. Scope of study area |
1.2 数据与方法
本文所用2000, 2005和2010年生态系统分类数据来源于“全国生态环境十年变化(2000-2010年)遥感调查与评估项目”第9专题“国家生态屏障区生态环境十年变化调查与评估”。该生态系统分类数据包括森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇、荒漠、其他8个一级类型和33个二级类型。气象数据主要来源于中国气象局气象科学数据共享服务网, 为屏障区内2000-2010年气象站平均气温与降水量月值数据。
本文采用生态系统转移矩阵、生态系统动态度等方法, 研究青藏高原生态屏障区生态系统格局近10年变化情况。
1.2.1 生态系统转移矩阵通过将各期生态系统图叠加, 得到研究期内不同生态系统类型间相互转化的数量, 可以在一定程度上反映生态系统转化的趋势和速度。生态系统类型相互转化的数量关系转移矩阵为
| $ \mathit{\boldsymbol{B}} = \left[ \begin{array}{l} \begin{array}{*{20}{c}} {{B_{11}}}&{{B_{12}}}& \cdots &{{B_{1n}}} \end{array}\\ \begin{array}{*{20}{c}} {{B_{21}}}&{{B_{22}}}& \cdots &{{B_{2n}}} \end{array}\\ \;\; \vdots \;\;\;\;\;\; \vdots \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \vdots \\ \begin{array}{*{20}{c}} {{B_{n1}}}&{{B_{n2}}}& \cdots &{{B_{nn}}} \end{array} \end{array} \right], $ |
Bij表示研究期初第i种生态系统类型转化为研究期末第j种生态系统类型的面积, n为研究区域生态系统类型总数。
1.2.2 生态系统动态度单一类型生态系统动态度表达了某研究区在一定时间范围内某种生态系统类型的数量变化情况[22], 其表达式为
| $ {E_v} = \frac{{E{U_b} - E{U_a}}}{{E{U_a}}} \times \frac{1}{T} \times 100\% , $ |
Ev为研究时段内某一类型生态系统动态度, Ua和Ub分别为研究期初和研究期末某一种生态系统类型的数量, T为研究时段长。
综合生态系统动态度[23]可表示为
| $ {\rm{EC}} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {\Delta {\rm{EC}}{{\rm{O}}_{i - j}}} }}{{2\sum\limits_{i = 1}^n {{\rm{EC}}{{\rm{O}}_i}} }} \times \frac{1}{T} \times 100\% , $ |
ECOi为监测起始时间第i类生态系统类型面积; △ECOi-j表示监测时段内第i类生态系统类型转为非i类生态系统类型面积的绝对值; T为监测时段长度, 当T的时期设定为年时, 即求得该研究区生态系统年变化率。生态系统动态度能够综合考虑研究时段内生态系统类型间的转移情况和变化程度, 可在不同空间尺度上找出生态系统类型变化的热点区域[24]。
2 结果与分析 2.1 生态系统空间分布及结构变化研究结果(图 2, 表 1)表明, 青藏高原生态屏障区主要生态系统类型为草地, 面积比例均超过68%, 其次为荒漠、森林、灌丛、湿地、农田、城镇、其他。生态系统各类型面积变化差异明显, 其中在生态用地类型中, 湿地面积明显增加, 共增加2660.9 km2, 比2000年增加4.4%;草地面积明显减少, 共减少1377.5 km2, 比2000年减少10.7%;森林面积略有减少, 灌丛面积略有增加。在非生态用地类型中, 城镇面积明显增加, 共增加224.6 km2, 比2000年增加28.8%;农田面积减少163.4 km2, 比2000年减少6.4%;荒漠面积略有减少; 其他面积先减少后增加。
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| 图 2. 青藏高原生态屏障区2000和2010年生态系统类型分布 Figure 2. Map of ecosystem types in Qinghai-Tibet Plateau ecological barrier area in 2000 and 2010 |
| 类型 | 2000年 | 2005年 | 2010年 | 2000-2010年 | |||
| 面积/km2 | 比例/% | 面积/km2 | 比例/% | 面积/km2 | 比例/% | 面积变化/km2 | |
| 森林 | 12842.5 | 1.4 | 12834.7 | 1.4 | 12820.9 | 1.4 | -21.6 |
| 灌丛 | 41302.7 | 4.4 | 41305.5 | 4.4 | 41310.9 | 4.4 | 8.2 |
| 草地 | 640613.2 | 68.8 | 639609.7 | 68.7 | 639235.7 | 68.6 | -1377.5 |
| 湿地 | 60599.7 | 6.5 | 62507.8 | 6.7 | 63260.6 | 6.8 | 2660.9 |
| 农田 | 2546.7 | 0.3 | 2397.6 | 0.3 | 2383.4 | 0.3 | -163.3 |
| 城镇 | 779.8 | 0.1 | 935.4 | 0.1 | 1004.4 | 0.1 | 224.6 |
| 荒漠 | 165266.4 | 17.7 | 164482.7 | 17.7 | 163877.9 | 17.6 | -1388.5 |
| 其他 | 7463.9 | 0.8 | 7341.3 | 0.8 | 7521.2 | 0.8 | 57.3 |
生态系统动态度的结果(表 2)表明, 2000-2010年青藏高原生态屏障区生态系统综合动态变化程度较低, 平均每年发生转移的生态系统面积约23.3 km2。其中, 生态用地类型中, 湿地动态变化最显著, 近10年以0.44%的年平均增长率持续增加, 2005-2010年增速有所放缓。非生态用地类型中, 受人为影响最强烈的城镇、农田动态变化较为显著, 其中城镇持续较快扩张, 2000-2005年城镇面积以3.99%的年平均增长率迅速增加, 2005-2010年增速有所放缓, 但仍保持1.48%的速率持续增长, 表明人类活动对屏障区的影响持续增强; 2000-2010年农田面积出现较快减少, 并且主要发生在2000-2005年, 动态度为-1.17%。森林、草地、其他、荒漠等类型动态变化程度相对较低。
| 年份 | 生态系统动态度/% | ||||||||
| 森林 | 灌丛 | 草地 | 湿地 | 农田 | 城镇 | 荒漠 | 其他 | 综合 | |
| 2000-2005 | -0.01 | 0.00 | -0.03 | 0.63 | -1.17 | 3.99 | -0.09 | -0.33 | 0.02 |
| 2005-2010 | -0.02 | 0.00 | -0.01 | 0.24 | -0.12 | 1.48 | -0.07 | 0.49 | 0.01 |
| 2000-2010 | -0.02 | 0.00 | -0.02 | 0.44 | -0.64 | 2.88 | -0.08 | 0.08 | 0.02 |
生态系统转移特征表现为(表 3), 2000-2010年生态系统整体转移量较小, 总转移面积为4538.5 km2, 占屏障区总面积的0.5%;生态系统各类型间的转移中, 草地→湿地、荒漠→湿地的转移量最大, 转移面积分别为1773.7和1358.3 km2, 占研究区总转移面积的比例分别为39.1%和29.9%, 上述两个转移方向的总转移比例达到69%。
| km2 | ||||||||
| 类型 | 森林 | 灌丛 | 草地 | 湿地 | 农田 | 城镇 | 荒漠 | 其他 |
| 森林 | 12820.4 | 7.0 | 10.5 | 4.5 | 0.1 | 0.0 | ||
| 灌丛 | 41300.1 | 1.7 | 0.8 | 0.0 | ||||
| 草地 | 2.4 | 638748.8 | 1773.7 | 12.0 | 38.9 | 37.4 | ||
| 湿地 | 0.5 | 281.2 | 60124.3 | 0.0 | 14.0 | 179.4 | 0.3 | |
| 农田 | 0.5 | 1.0 | 174.3 | 2.8 | 2364.9 | 2.5 | 0.8 | |
| 城镇 | 779.7 | |||||||
| 荒漠 | 19.1 | 1358.3 | 1.9 | 168.4 | 163468.0 | 250.7 | ||
| 其他 | 0.1 | 1.4 | 192.3 | 7270.2 | ||||
2.2 生态系统动态变化的驱动因素分析
生态系统动态变化受自然、人为因素的共同作用, 本文主要从自然因素、人为因素两方面分析青藏高原生态屏障区近10年生态系统结构变化的主要驱动因素。
首先, 在自然因素方面, 气温与降水是生态系统结构变化的主要影响因子。2000-2010年, 青藏高原生态屏障区年平均气温与年降水量均呈增加趋势, 气温倾向率为1.0℃/10a, 年降水量倾向率为46.7 mm/10a。气温升高易引发冻土融合、冰川退缩, 年降水的增加则有利于森林、草地、湿地等重要生态系统的结构与功能恢复。近10年屏障区湿地面积共增加2660.9 km2, 其中有1773.71 km2是由草地转为湿地, 湿地类型中湖泊面积增加最明显, 近10年湖泊面积共增加2328.23 km2。青藏高原生态屏障区的湿地和湖泊多以冰川积雪融水作为补给, 湿地面积增加除受近10年降水量增加影响外, 还意味着冰川消融加快, 不利于屏障区生态环境可持续发展。
其次, 在人为因素方面, 人口与GDP增长、城镇化扩张、载畜量增加、生态保护工程等是主要影响因子。人口、GDP的增长导致屏障区对居住用地、建设用地等需求的急速增长, 进而引起局部生态系统结构的变化。根据已有县域统计数据, 屏障区内总人口数由2000年的152.8万人增加到2010年的177.8万人, 年平均增长率达1.53%; GDP由2000年的47.9亿元增加到2010年的377.9亿元, 年平均增长率达22.94%。随着人口与GDP增加, 屏障区内城镇用地急剧扩张, 由2000年的779.8 km2增加到2010年的1004.4 km2, 共增加224.6 km2, 其中75.0%来自城镇对荒漠的占用, 17.3%来自城镇对草地的占用。同时, 在城镇类型中, 工业用地、采矿场、交通用地增加面积较大, 近10年分别增加103.2, 77.6和30.4 km2, 分别占城镇类型面积总增加量的45.9%, 34.6%和13.5%, 表明屏障区工矿业的迅速发展是人口与GDP增长、城镇化扩张的深层次原因。载畜量的增加导致屏障区内对牧草资源的需求加大, 进而引起局部草地退化。通过统计已有数据的县域发现, 研究区县域单位草地面积羊单位的平均值由2000年的151.83只/km2增加到2010年的445.86只/km2, 年平均增长率为11.37%。载畜量的不断增加, 极易引起局部区域草地退化, 2000-2010年屏障区草地转移为荒漠的面积为37.4 km2。此外, 草地建设、退耕还林(草)、退牧还草等生态保护工程作为正向影响因素, 对屏障区草地生态系统恢复具有一定的积极作用。2000-2010年有174.3 km2农田退耕转为草地, 有19.1 km2的荒漠转为草地, 农田和荒漠转入草地的总面积为193.4 km2, 大于草地退化为农田、城镇、荒漠的总面积88.3 km2, 表明近10年间屏障区草地建设、退耕还林(草)、退牧还草等一系列生态保护工程已产生明显成效。
3 结论与讨论本文根据《全国主体功能区规划》确定了青藏高原生态屏障区的研究边界, 并以2000, 2005和2010年生态系统类型数据为基础, 分析近10年间屏障区生态系统结构动态变化情况与空间分布, 得到以下结论。
1) 2000-2010年青藏高原生态屏障区生态系统结构基本上保持稳定, 以草地生态系统为主, 占研究区总面积的68%以上。
2) 生态系统各类型变化差异明显, 其中生态用地中, 湿地面积明显增加, 共增加2660.9 km2, 草地面积明显减少, 共减少1377.5 km2。非生态用地中, 城镇面积明显增加, 共增加224.6 km2, 农田面积减少163.4 km2。
3) 生态系统综合动态变化程度较低, 每年平均发生转移面积约23.3 km2。其中, 生态用地中, 湿地以0.44%的年均增长率持续增加; 非生态用地中, 城镇以2.88%的年平均增长率迅速增加。
4) 生态系统类型整体转移较小, 总转移面积为4538.5 km2, 占屏障区总面积的0.5%;草地→湿地、荒漠→湿地的转移量最大, 转移面积分别为1773.7和1358.3 km2, 两个转移方向的总转移比例达到69%。
5) 自然因素和人为因素是生态系统动态变化的共同驱动因素, 其中气温升高与降水量增加是引起湿地面积增加的主要原因; 屏障区人口与GDP的增长是导致城镇面积急剧扩张的主要原因, 背后深层次因素为工矿业的迅速发展; 载畜量不断增大则是引起草地退化的主要原因, 但草地建设、退耕还林(草)、退牧还草等生态保护工程对草地恢复具有明显成效。
已有研究表明, 20世纪90年代期间青藏高原稳定少动区生态系统变化较小, 主要表现为水域的微弱变化[25]。本文的研究结论与20世纪90年代期间青藏高原生态系统结构稳定少动的特征基本一致, 但部分类型变化明显, 主要表现为城镇的迅速扩张和湿地的显著增加。此外, 与20世纪90年代期间有所不同的是, 生态系统结构变化的驱动因素中, 人为因素既有正向因子又有负向因子, 工矿业迅速发展、城镇化扩张、人口与GDP增长对生态系统具有负影响, 但生态保护工程则对草地生态系统恢复具有明显的正向效应, 表明实施生态保护工程对青藏高原生态屏障区生态功能恢复具有十分重要的作用。受生态系统分类数据来源所限, 本文仅分析了2000-2010年间的生态系统结构变化与驱动因素, 研究时间尺度相对较短, 但由于青藏高原六省区政府自21世纪初以来陆续实施了草地建设、退耕还林(草)、退牧还草、天然林保护、生态公益林建设、防风固沙、水土保持等一系列生态建设工程[26], 因此本研究能够在一定程度上反映青藏高原生态屏障区的生态建设成效。
近年来, 国家高度重视青藏高原生态屏障区的生态保护与建设工作, 2009年国务院批准实施《西藏生态安全屏障保护与建设规划(2008-2030年)》[27], 2011年国务院正式印发《青藏高原区域生态建设与环境保护规划(2011-2030)》[28], 2014年, 国家发改委等12部委联合印发《全国生态保护与建设规划(2013-2020)》[29], 明确提出构建“两屏三带一区多点”为骨架的国家生态安全屏障, 并给出青藏高原生态屏障的覆盖区域。在此背景下, 本研究的开展对区域生态环境状况评估过程中的成果积累具有重要意义, 能够为建立区域生态环境基础性调查评估的长效机制、加快生态保护与建设措施的落实、建立生态环境长期监测预警机制等提供基础性科学数据。
开展青藏高原生态屏障区生态系统结构变化等相关研究必须进一步完善和明确具体地理范围, 本文根据《全国主体功能区规划》[21]确立的研究边界是对青藏高原生态屏障区地理范围界定的初步探索, 仍存在一定不足。未来研究可综合考虑区域重要生态功能区、生态服务功能、流域分布特征、植被覆盖度等因素, 进一步修改完善青藏高原生态屏障区的边界。
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