内蒙古自治区生态环境监测时空演变研究
常屹冉 嘎毕日 赖其力孟格 那日顺
(内蒙古自治区测绘地理信息中心, 内蒙古 呼和浩特 010000)
摘 要： 以内蒙古及其12个盟市作为研究对象,运用多源地理信息数据,开展了生态分类、植被覆盖度和净初级生产力参数反演工作,定量分析1990—2015年内蒙古自治区生态系统格局与结构、生态质量状况时空演变过程与特征。结果表明:25年间生态质量呈现整体遏制,局部好转的态势,2000年以来的生态工程对地区生态保护成效显著,但2010年后生态改善情况有所减缓。研究成果可为区域长期性生态环境保护和治理提供建议。
0 引言
生态系统环境是人类生存和经济社会可持续发展的基础,与人类福祉息息相关[1]。内蒙古作为我国北方重要的生态屏障,其生态环境状况关系到华北、东北、西北乃至全国生态安全。特殊的地理环境和气候特点决定了其生态系统的脆弱性和不稳定性,是国内学者研究的热点之一。已有大量学者在其生态系统变化和质量状况上开展了深入研究,研究对象多为某一生态系统类型[2～4],或者研究尺度多为市、县级尺度[5～8],而对整个自治区,长时间跨度的研究却不多见。其中,朱小华等[9]以四子王旗荒漠草原为例,从生态系统和净初级生产力(net primary productivity,NPP)变化分析了生态系统景观格局和生境质量演变。钱拴等[10]以NPP、植被覆盖度作为反映植被生态质量的两个关键特征量开展生态评价。宋珂等[11]和施智勇等[12]以多源遥感数据为基础,结合植被覆盖度、地表温度指数等开展了区域生态质量评价研究。田涛、陈炜和项志勇等[13-15]运用多源多时相遥感影像数据构建生态监测体系并开展生态质量时空变化研究。
本文以第一次地理国情普查数据为本底与多尺度的土地利用、生态遥感、气象、社会经济等数据高度融合,实现了内蒙古高精度长时间序列的生态系统状况监测评价,对其生态环境保护和区域可持续发展具有重要指导意义。
1 研究区概况
内蒙古地处我国北部边疆,面积为118.3万km2,地形以高原为主,平均海拔1 000 m左右,分布着大兴安岭、阴山、贺兰山等山脉;黄河、西辽河、嫩江、黑河、额尔古纳河等河流。东部是大兴安岭林海,南部是嫩江平原、西辽河平原和河套平原,西部是腾格里、巴丹吉林、乌兰布和沙漠,北部是呼伦贝尔、锡林郭勒草原。气候以温带大陆性季风气候为主。全年降水量在100～500 mm,年日照量普遍在2 700 h以上。全区自然资源丰富,生物多样化,2000年以来,“三北”防护林、天然林保护、退耕还林还草等生态工程相继开展,现全区超过一半国土面积为生态红线保护区。
2 数据来源与研究方法
本文中的影像数据主要来源美国地质调查局,空间分辨率为30 m,运用ENVI5.3软件裁剪、拼接等预处理步骤,通过Band Math工具计算归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI);NPP数据来源于MOD17A3数据产品,降水等气象数据来源中国气象数据网。第一次地理国情普查数据和基础数据包括行政区划、河流水系、交通等皆来源内蒙古自治区测绘地理信息中心。
2.1 生态系统分类与处理
基于1990、2000、2010、2015年遥感影像数据,采用面向对象的分类方法,获得农田、森林、草地、聚落、水体、荒漠生态系统数据及动态变化库。按照分类标准整合第一次地理国情普查数据形成本底库,在此基础上得到1990、2000、2010、2015年高分辨率生态系统分类数据库。
2.2 植被覆盖数据、净初级生产力数据与处理
根据像元二分模型理论,植被覆盖度计算公式为
(1)
式中,Vc为植被覆盖度;N为NDVI数据;Nveg为纯植被像元的NDVI值;Nsoil为纯裸土像元的NDVI值。通过拼接、裁剪获得2000—2015年30 m逐年空间分辨率数据集。NPP运用遥感处理软件(MODIS reprojection tool,MRT)对MOD17A3数据拼接、投影、裁剪、补空和重采样后获得2000—2015年逐年30 m分辨率数据集。运用一元线性回归分析方法对植被覆盖度、净初级生产力年际变化趋势进行计算,公式为
(2)
式中,Lslope为单个像元回归方程斜率;yj为第j年的Vc或NPP数据;n为研究的年份区间。
2.3 生态系统质量评价处理
生态系统的质量状况主要体现生态系统的植被健康、生产力状态,刻画自然生态系统维持现有生态系统的持续性和稳定性。本文对森林、草地、荒漠、水体等自然生态系统类型以生物量富集程度表征生态系统质量。计算方法为
(3)
式中,QEQI为评价单元的生态系统质量指数,Bij为第i像元第q类生态系统生物量,Sp像元面积,S为对应的评价区域总面积。在评价获取各盟市各年份生态系统质量指数后,通过标准法方法,将其换算到0～100。
3 结果与分析
3.1 生态系统结构演变分析
根据2015年遥感影像解译结果统计分析发现:①研究区以草地、森林生态系统为主,分别占总面积的30.19%、44.55%;②农田和荒漠生态系统占比为10.06%和13.11%;③水体、聚落面积略少,总占比约2%。整个生态系统宏观结构空间分异明显,在分布上呈现自东向西由森林生态系统向草地生态系统过渡、荒漠生态系统逐渐增多的变化规律。根据研究区1990—2015年的生态系统类型变化分析(表1～表4),发现25年间草地、农田、荒漠、森林、聚落生态系统间的转换强烈,主要呈现以下特点:
表1 1990—2015年全区生态系统类型面积变化
表2 1990—2000年全区生态系统类型面积变化
表3 2000—2010年全区生态系统类型面积变化
表4 2010—2015年全区生态系统类型面积变化
(1)森林、草地减少面积大,水体和荒漠相对稳定,自然生态系统结构变化速度趋缓
1990—2015年的25年间,生态效益较高的森林、草地生态系统面积明显缩小,减少面积分别为2996.06 km2和11480.28 km2。水体和荒漠面积变化不明显,生态系统整体呈现恶化趋势。但分阶段来看,尤其2000年以来,林草、水体和荒漠面积减少速度明显放缓,甚至出现好转趋势,表现为:草地生态系统的减少速度由1990—2010年的年均509.17 km2降低到2010—2015年的年均259.38 km2;森林和水体面积在2010年之后表现出缓慢增长趋势;荒漠从2000年之后以年均24.9 km2的速度在减少。在空间上,巴彦淖尔市、乌兰察布市、兴安盟的草地生态系统,鄂尔多斯市、通辽市的森林生态系统和阿拉善盟、呼伦贝尔市、锡林郭勒盟和呼和浩特市的水体面积均有明显增加。以赤峰市和通辽市的荒漠生态系统面积减少最为显著。
(2)农田生态系统变化剧烈,聚落发展迅速
25年间聚落和农田等人工生态系统面积增加明显,分别增加了2 603.95 km2和11 810.05 km2。其中聚落生态系统呈现增速扩张状态,由1990—2000年的年均7.49 km2增加到2010—2015年的年均56.38 km2,增幅达750%。空间上以鄂尔多斯市扩张最为迅速,通辽市、锡林郭勒盟等紧随其后。农田生态系统开垦和退耕更替剧烈,尤其在生态保护工程的用地政策导向下,退耕还林还草效应明显。2010—2015年农田面积减少了316.56 km2。
3.2 植被覆盖、净初级生产力时空分布特征
3.2.1 总体趋势
植被覆盖、净初级生产力15年总体呈现上升趋势,以草地和森林改善最为明显,表5所示。
表5 不同时间段植被覆盖度和净初级生产力变化趋势
2000—2015年内蒙古生态系统平均NPP每年为181.05 gC/m2,且各盟市NPP差异显著,整体东高西低。15年植被覆盖变化幅度为-0.06～0.06,总体呈现上升趋势,其中上升区占比81.73%,在空间上主要分布在呼伦贝尔市西部、兴安盟东北部及鄂尔多斯市东部;下降区则主要分布在锡林郭勒盟西部,乌兰察布市大部分地区及包头市部分区域。分生态系统来看,森林、草地植被覆盖度呈现上升趋势,上升面积占比达到了84.31%和72.87%。农田、草地和森林NPP每年分别净增加了0.87×106gC/m2、2.02 ×106gC/m2和1.68×106gC/m2。
3.2.2 总体趋势
分阶段来看,2010年前植被覆盖、净初级生产力改善程度显著优于2010—2015年。
从表5可以看出,内蒙古植被覆盖变化幅度在-0.06～0.06,总体呈上升趋势,上升区域占比74.75%,空间上分布在呼伦贝尔市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市;2010—2015年间以下降趋势为主,下降区域占比75.04%,空间上分布在阿拉善盟、乌海市、鄂尔多斯市西部。2000—2010年NPP每年变化幅度分布在-100.52～72.98 gC/m2,以上升趋势为主,上升区域占比55.84%,主要分布在呼伦贝尔市、锡林郭勒盟等;2010—2015年间,全区范围内均呈现下降趋势,下降区域占比85.13%,且各盟市下降面积都超过50%,主要分布在乌海市、阿拉善盟西北部、包头市、巴彦淖尔市北部。
3.3 生态系统质量时空分布特征
基于生态环境质量模型计算得到内蒙古自治区2000年、2010年、2015年生态环境质量指数QEQI(表6)。2015年各个盟市平均生态环境质量指数为24.67%,总体来看生态环境质量较差。从空间分布来看,总体上呈现东高西低的分布特征,呼伦贝尔市占比最好为77.92%,其次为兴安盟,QEQI为72.93%,阿拉善盟和乌海市最差,分别为0.5%和0.08%。其中QEQI小于20%的盟市全部分布在中西部地区。其内部主要是荒漠生态系统,此外,鄂尔多斯市等因工矿用地扩张也会造成生态环境质量恶化。
表6 各盟市的2000年、2010年和2015年QEQI变化
近15年间,各盟市的QEQI表现为一定程度的波动上升,表明全区生态环境质量明显好转。从各个盟市分阶段生态环境质量指数的变化来看,2000—2010年QEQI增加明显要高于2010—2015年,前10年间,通辽市、赤峰市、锡林郭勒盟和兴安盟的QEQI增幅均大于10%,其中通辽市增长最为明显,为19.68%,仅有乌海市表现为下降趋势,其QEQI下降了0.03%。从后5年的变化来看,各个盟市QEQI变化幅度较小,表明近5年生态环境质量较为稳定,其中呼伦贝尔市、兴安盟、赤峰市、锡林郭勒盟、呼和浩特市等盟市表现为小幅度下降趋势,其他盟市表现小幅度的上升趋势。
4 结论
本文定量分析了1990—2015年内蒙古自治区生态系统格局与结构、生态质量状况时空演变特征,得出以下结论:①25年来,内蒙古生态系统宏观结构局部改善,自然生态系统结构变化速度趋缓。②植被覆盖度、生态系统生产力整体稳中有升,局部区域有所降低。③随着生态工程建设的开展,林草面积和植被覆盖有了明显提高,土地沙化面积大幅度减少。2000年以后的草地生态系统年均退化面积仅为1990—2000年的50%左右。森林生态系统1990—2000年面积减少了3 907.67 km2,而2000—2015年增加了811.61 km2,沙漠化面积减少了5 397.161 km2。2000—2015年间低覆盖度草地占比减少显著,降低了6%,高覆盖草地占比提升了4%;森林高覆盖度由2000年的39%提升到了2015年的48%。2000年来实施的生态工程对于沙漠化缓解和局的土地类型转换起到了非常重要的影响。
但是生态建设的长期性和艰巨性不容忽视。2010—2015年相比2000—2010年全区森林面积年增加速率有所下降,草地面积减少年速度加快和荒漠面积减少速率轻微下降;全区植被覆盖和初级生产力总体呈现下降趋势。这一现象也说明全区生态治理和保护是一项长期、艰巨的工作,要发挥北方重要生态安全屏障作用,仍需持续发力。本文在监测方法上仍有不足,如何在国土空间规划和双碳减排约束下开展更高时空分辨率生态监测是下一步努力的方向。
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引文格式: 常屹冉,嘎毕日,赖其力孟格,等.内蒙古自治区生态环境监测时空演变研究[J].北京测绘,2023,37(5):706-711.
基金项目：内蒙古自治区科技创新引导资金(KCBJ2018072)
作者简介：常屹冉(1988—),男,山东济宁人,硕士,高级工程师,从事地理信息系统相关工作。
E-mail:707170568@qq.com
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