内蒙古乌审旗草地生态脆弱性时空变化

内蒙古乌审旗草地生态脆弱性时空变化

生态脆弱性是指生态系统受到外部干扰后表现出的不稳定特征。主要体现在生态环境的变化率、生态系统的抗外部干扰能力和生态系统的稳定性和敏感性上。生态脆弱性评价是指对特定区域的生态系统的脆弱程度给以定量或半定量的描述、分析和鉴定。目前随着“3S”技术的广泛应用,将获得的生态系统信息通过GIS技术处理和分析,从而得到生态系统各个脆弱因子的指标以及生态脆弱度的总体情况,是生态脆弱性评价的主要研究方向。生态脆弱性评价通过研究生态脆弱性的成因、机制及其变化规律,提出合理的资源利用方式和生态保护与恢复措施,从而实现区域自然生态与社会经济系统的协调发展。毛乌素沙地位于我国北方农牧交错带,自然环境条件相对脆弱。农用地的扩张和过度放牧致使草地退化,导致严重的生态问题,也使该地区成为我国5个典型的生态脆弱区之一。乌审旗草地面积占总面积的50%以上,其草地生态系统的状况直接影响着区域的生态安全。近年来,针对生态系统进行脆弱性评价的研究较多,但针对特定地区特定生态系统类型进行长时间尺度生态脆弱性评价的研究相对较少。本文选取地处毛乌素沙地的乌审旗草地进行50年来的脆弱性动态评价,对该区域制定生态系统管理措施和经济发展政策具有指导意义。1研究区域和数据来源1.1阴山山地干草原区乌审旗位于鄂尔多斯东南部,地处毛乌素沙地腹地,介于108°17′36″—109°40′22″E,37°38′54″—39°23′50″N(图1),南北长194km,东西宽104km,面积11645km2,平均海拔1300m,年降水量300~400mm,年蒸发量2200~2600mm,属温带极端大陆性半干旱气候,多干旱、大风、沙暴、霜冻、冰雹等自然灾害。地表水资源稀少,境内流动和半流动沙丘、固定和半固定沙丘为主的风沙地貌广泛发育,植被以干旱草原(占65.32%)、草甸草原(占34.5%)为主,土地退化严重。2008年,全旗辖6个镇(苏木)59个嘎查(村),总人口10万人。畜牧业是乌审旗传统的基础产业。近年来,因得天独厚的天然气资源优势,经济发展速度较快,实现了由传统农牧业旗向现代工业旗的转变,2008年,三次产业结构比例为6:79:15。1.2土地利用及气象资源本文数据主要来源于乌审旗1960年代,1978,1988,2000和2008年土地覆被数据。其中,1988和2000年土地覆被数据由中国科学院资源与环境数据中心利用LandsatTM影像解译获得;1978和2008年土地覆被数据由研究组利用LandsatMSS/TM影像,采用人机交互式解译获得,分类精度均大于70%。1960年代土地覆被数据通过手工数据化1960年代毛乌素沙地综合考察队编制的土地利用图(1/50万)获取。考虑到分类系统的可比性,结合当地实际情况,将固定、半固定沙地草场和黄土丘陵草场归为低覆盖度草地,将梁地草场归为中覆盖度草地,将滩地草场和河流阶地草场归为高覆盖度草地,进行图形矢量化。其中,高覆盖度草地指覆盖度大于50%的天然草地、改良草地和割草地;中覆盖度草地指覆盖度在20%~50%的天然草地和改良草地;低覆盖度草地指覆盖度在5%~20%的天然草地。另外,乌审旗土壤类型数据来自《伊克昭盟土壤志》(1988);乌审旗70m分辨率DEM和行政边界等基础地理信息来自国家基础地理信息中心;社会经济数据来自《乌审旗统计年鉴》(1963—2007);气象数据来自乌审旗周边气象站点1963—2008年监测数据。另外,还有来自于乌审旗发展和改革委员会、统计局、林业局、农业局等部门的相关资料。2学习方法2.1敏感性的评价依据“敏感性-弹性-压力”模型,遵循科学性、全面性、可行性和相对独立性等原则,从生态敏感性、生态弹性和生态压力3个方面选取草地生态脆弱性评价因子。其中,生态敏感性是在不考虑人类活动因素影响的前提下,分析可能发生的主要生态问题,本文选取坡度、草地覆被类型和土壤类型3项指标作为敏感性的评价因子;生态弹性指生态系统具有自我调节和自我恢复能力的特征,本文选取草地覆被类型、土壤类型、>10℃积温和年均降水量4项指标作为弹性的评价因子;生态压力即人类的生活需求和社会经济活动给生态系统带来的压力,本文选取牲畜密度、人口密度和耕地比重3项指标作为压力的评价因子。其中,草地覆被类型和土壤类型两项指标被重复选取,原因是这两项因子对于生态敏感性和生态弹性均存在不同程度的影响。2.2评估单元的确定评价单元采用行政单元和栅格单元相结合的办法。选择30m×30m格网作为基本评价单元,以镇(苏木)行政区单元作为综合评价分析单元。2.3不同生态脆弱性的评价因子的标准化转化首先,借助GIS技术,将各指标图层调整到同一投影和坐标系统下。其次,把属于生态敏感性和生态弹性指标的评价因子自身所对应的属性数据按照影响生态脆弱性的程度,依5个层次分级赋值(表1和2);对属于生态压力指标的评价因子,用极差标准化进行数据的标准化转化(表3)。各个参评因子数据经量化处理后,是一组反映其属性特征的数值,介于0~100之间。2.4评价因子的权重确定利用AHP决策分析法,构造判断矩阵,建立层次结构模型,通过专家打分计算得出各指标的权重值(表4)。2.5草地生态脆弱性综合评价本文运用综合指数法计算草地生态脆弱性指数,计算公式如下:EVI为生态脆弱性指数为各评价指标的权重,Pxi为各评价指标标准化得分。评价结果主要反映生态脆弱程度,分值越高,表示生态系统的脆弱性越高。为了使评价结果更直观,将草地生态脆弱度指数从高到低划分为4级。各等级的划分标准和生态脆弱性特征见表5。借助GIS栅格数据空间分析技术,将各指标图层叠加得出乌审旗草地生态脆弱性的空间分布图(图2)。3结果与分析3.1干燥度指数变化1960年代,乌审旗草地主要属中、低度脆弱区;1978年主要为中度脆弱、低度脆弱和一般脆弱区;1988年主要为低度脆弱和一般脆弱区,2000年以中度脆弱区为主,还有部分高度脆弱和低度脆弱区;2008年主要为中、低度脆弱区。可以看出:50年间,草地生态脆弱性经历了持续减小、增大、再减小的倒“N”型变化。整体来看,生态脆弱性较高的草地主要分布在人类活动比较频繁的南部地区。乌审旗草地生态系统的脆弱性经历的倒“N”型变化是由其自然地理条件和社会经济发展两方面因素造成的。极端大陆性半干旱气候决定了区域以稳定性相对较弱的干旱草原景观类型为主,广泛发育的风沙地貌及相应的土壤类型奠定了其生态脆弱性的生境基础,人口的增加、放牧规模的扩大以及放牧模式的改变也对草地生态脆弱性产生了深远的影响。干燥度指数反映了一个区域水分收支和热量平衡的关系,对于解释生态地理过程具有更确定的意义。本文采用积温干燥度模型计算干燥度,公式为A为积温干燥度指数,t为空气温度为≥10℃期间的积温量,r为降水量为≥10℃期间降水总量。从图3可以看出,1960年代—1978年,干燥度指数经历了减小、增大、再减小的变化过程,整体上干燥度指数有所减小;1978—1988年,干燥度指数在1.4上下波动,较1960年代—1978年干燥度指数均值减小;1988—2000年,干燥度指数呈上升趋势;2000—2008年间,干燥度指数整体上呈现减小趋势。4个时段内,干燥度指数呈现出减小、平稳波动、增大、再减小的变化过程,这一趋势与草地生态脆弱性指数的变化趋势基本吻合。从图4可以看出,1963—2008年期间,乌审旗人口数量呈逐年上升趋势,牲畜数量1960年代—1985年保持相对恒定,1985—2000年牲畜数量较之前有所减少,2000年之后牲畜数量明显增多。回顾乌审旗放牧政策及生态管理的措施,1970年代末到1980年代初,旗政府加强畜牧业管理,实施了一系列保护和重建生态系统的措施,1982年在全旗推广“家庭牧场”的牲畜饲养模式。相应地草地生态系统自1960年代末至1988年期间也呈现逐渐好转的趋势。2000年之后,乌审旗政府推行退耕还林、禁牧、休牧、轮牧等政策,并进行严格的监管,使当地草地生态系统得到了很好的保护;同时,引进和培育林沙产业,加强防沙、治沙工作,这一系列措施促使这两个时段内乌审旗草地生态脆弱性有所降低。3.2不同地区草地生态脆弱性指数的空间变化在以栅格为单元评价结果的基础上,将各镇(苏木)行政区作为综合分析单元进行评价。各镇(苏木)草地生态脆弱性均值如图5所示。可以看出,50年间,乌审旗大部分草地属于中、低度脆弱区。1960年代,各镇(苏木)草地生态脆弱性指数排序为:苏力德苏木>无定河镇>嘎鲁图镇>乌审召镇>乌兰陶勒盖镇>图克镇,其中乌审召镇属于低度脆弱区,其余镇(苏木)属于中度脆弱区。1978年,各镇(苏木)草地生态脆弱性指数排序为:苏力德苏木>无定河镇>嘎鲁图镇>图克镇>乌兰陶勒盖镇>乌审召镇,6镇(苏木)均属于低度脆弱区。1988年,各镇(苏木)草地生态脆弱性指数排序为:苏力德苏木>无定河镇>嘎鲁图镇>乌审召镇>乌兰陶勒盖镇>图克镇,6镇(苏木)均属于低度脆弱区。2000年,各镇(苏木)草地生态脆弱性指数排序为:无定河镇>嘎鲁图镇>苏力德苏木>图克镇>乌审召镇>乌兰陶勒盖镇,其中无定河镇、嘎鲁图镇和苏力德苏木属中度脆弱区,图克镇、乌审召镇和乌兰陶勒盖镇属低度脆弱区。2008年,各镇(苏木)草地生态脆弱性指数排序为:无定河镇>嘎鲁图镇>苏力德苏木>乌兰陶勒盖镇>图克镇>乌审召镇,其中,无定河镇属于中度脆弱区,其余5镇(苏木)属于低度脆弱区。1960年代—2008年,无定河镇草地生态脆弱性指数变化最大,其次为嘎鲁图镇,其余4镇(苏木)也均有不同程度的变化。50年间,各镇(苏木)草地生态脆弱性指数的整体变化趋势与乌审旗草地生态脆弱性指数变化的整体趋势基本一致,但各镇(苏木)间的草地生态脆弱性指数空间差异较大,呈现出由南向北逐渐增高的趋势。从自然地理条件看,各镇(苏木)水热条件相对一致,但南部的无定河镇和苏力德苏木与北部地区相比,土壤多为风沙土,决定了其草地生态系统脆弱的基础。另外,从人为因素看,中南部的乌兰陶勒盖镇、嘎鲁图镇、无定河镇、苏力德苏木的人口数量和牲畜密度都要比北部的乌审召镇和图克镇大频繁的人类活动、高强度的放牧使得中南部地区生态压力较北部大、草地生态脆弱性指数较北部高。4采取多种方式来保持湿地的脆弱性1)通过建立“敏感性-弹性-压力”生态脆弱性评价模型,对乌审旗近半个世纪以来草地生态系统的脆弱性进行动态评价。研究发现1960年代—1978年、1978—1988年、1988—2000年、2000—2008年这4个时段内,草地生态脆弱性呈现出减小、再减小、增大、再减小的倒“N”型变化趋势。脆弱性在空间分布上呈现南高北低的格局。极端大陆性半干旱气候决定了区域以稳定性相对较弱的干旱草原景观类型为主,广泛发育的风沙地貌及相应的土壤类型决定了其生态脆弱性的生境基础,干燥度指数的波动、人口的增加、放牧规模的扩大以及放牧模式的改变也对草地生态脆弱性产生了深远的影响。2)在降水、地貌、土壤等较难控制的自然地理要素制约下,如何使人类活动对草地生态系统的破坏降至最低是维持乌审旗草地生态平衡的关键。首先,应建立生态补偿机制,加大生态建设投入,提高植被覆盖率,建立大规模防风沙带,防治草地沙漠化;其次,加强对畜牧业的管理,建立满足乌审旗畜牧业发展需求的技术和政策体系;再次,加强草地保护的监督,明确草地保护的职责,设立草地保护的管理体系和奖惩机制。3)依据各镇(苏木)的实际情况制定相应的生态重建措施。对于脆弱性较低的乌审召镇和图克镇可建设现代化牧业,提高农牧业的综合生态能力推动农牧业产业化;对于生态脆弱性相对较高的苏力德苏木和乌兰陶勒盖镇,按照以草定畜、草畜结合的方