常 虹， 翟 琇， 石 磊， 刘亚红， 谢 宇， 王 洋， 孙海莲*

(1. 内蒙古大学生态与环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010021； 2. 内蒙古自治区农牧业科学院， 内蒙古 呼和浩特 010031)

生态系统服务是生态系统的结构、过程和功能直接或间接为人们提供的生命支持产品和服务，包括供给服务、调节服务、文化服务和支持服务[1]。提供生态系统产品包括农业产品、工业原材料等物品，以及支撑与维持人类赖以生存的环境，如调节气候、涵养水源、保持水土、养分循环、固碳释氧等生态系统服务[2-3]。这些服务的可持续供给是经济社会可持续发展的基础，为人类提供直接福利。土地利用变化如土地利用类型和方式改变后区域生态环境发生相应改变，从而直接影响生态系统的过程、结构和质量的演变，导致生态系统服务改变[4-6]。合理的土地利用方式可促进生态环境向良性方向发展，使生态系统处于健康状态，提供稳定的生态系统服务；反之，则会导致生态环境恶化，生态系统服务功能逐渐弱化甚至消失。随着社会经济发展，土地利用类型和方式正在发生快速转变[7-10]，土地利用格局和覆被状况变化显著，这种状况下研究生态系统服务如何演变具有重要意义[11]。

生态系统的土壤保持服务是土壤形成、植被固着和水源涵养等服务的重要基础[12]。土壤侵蚀不仅造成草原退化、耕地面积减少、土壤肥力下降，而且大量径流泥沙及其挟带的污染物对区域生态安全造成严重威胁。因此，土壤保持对区域水土保持和生态安全等具有重要意义。影响土壤保持作用的坡度坡长、植被覆盖类型、管理方式等因素受不同土地利用方式影响。因此，区域不同土地利用方式下的土壤保持形式及强度有很大差异。植被是生态系统碳源与碳汇的重要调节因子，随着社会经济的发展，大气中CO2浓度急剧升高，全球气候变化异常，植被的固碳释氧能力显得尤为重要[13]。定量评价植被生态系统固定CO2和释放O2功能是生态系统服务功能定量研究重要内容之一。土地利用变化改变地表植被情况，对区域植被及其固碳能力产生重要影响[14]。开展土地利用变化对生态系统碳固定、土壤保持的影响研究有助于探寻土地利用结构优化途径以提高区域生态系统服务能力，对于改善自然生态系统有积极意义。

内蒙古牧区居我国五大牧区之首，横跨“三北”，靠近京津，是我国北方天然生态屏障。过去半个世纪由于强烈的人类活动干扰，不合理的土地利用及全球气候变化等多种因素的影响，内蒙古牧区草原生态环境恶化，“三化”现象严重，水土流失愈演愈烈，生态系统服务功能严重受损，直接威胁到社会的可持续发展[15-16]。内蒙古牧区位于东部湿润区向西北干旱区的过渡地带，生态系统类型多样，发挥着重要的碳固定和土壤保持作用。2000年以来，内蒙古牧区实施了一系列生态保护工程政策，如京津风沙源工程、退耕还林、退牧还草政策、草原生态保护补助奖励政策等，区内土地利用结构发生了显著变化，对生态系统结构与功能产生了深刻影响。政策实施以来，内蒙古牧区土地利用结构发生的变化及对区域碳固定和土壤保持影响尚不清楚。综上所述，本研究以内蒙古牧区为研究区，通过2000—2015年土地利用类型转移矩阵和土地利用变化动态，分析2000—2015年生态系统服务碳固定和土壤保持演变，以期为我国北方温带草原土地资源保护和生态系统管理、精准实施生态保护工程项目提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古牧区地处内蒙古高原中部，从大兴安岭西麓的呼伦贝尔市新巴尔虎左旗向西延伸到阿拉善盟的阿拉善右旗(97°07′57.71″～123°50′26.46″ E，37°21′40.78″～50°12′14.88″ N)。东西长2 134 km，南北宽1 520 km，海拔89～3 401 m，总面积76.68万km2。包括阿拉善盟的阿拉善左旗、右旗、额济纳旗，包头市达茂旗，巴彦淖尔市乌拉特中旗、后旗，鄂尔多斯市杭锦旗、乌审旗、鄂托克前旗、鄂托克旗，乌兰察布市四子王旗，锡林郭勒盟锡林浩特市、阿巴嘎旗、苏尼特左旗、苏尼特右旗、镶黄旗、正镶白旗、正蓝旗、西乌珠穆沁旗、东乌珠穆沁旗，赤峰市的克什克腾旗、阿鲁科尔沁旗、巴林左旗、巴林右旗、翁牛特旗，通辽市科尔沁左翼中旗、科尔沁左翼后旗、扎鲁特旗，兴安盟科尔沁右翼中旗，呼伦贝尔市新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗、鄂温克旗、陈巴尔虎旗等10个盟市33个旗县(图1)，其中有14个边境旗。地貌以蒙古高原为主，形态复杂多样，由呼伦贝尔、锡林郭勒、巴彦淖尔、阿拉善及鄂尔多斯等高平原组成，西端分布有沙漠，在高平原向山地平原的交接地带，分布着黄土丘陵和石质丘陵，间杂有低山、谷地和盆地分布，水土流失较严重。气候以温带大陆性季风气候为主，全年太阳辐射量从东北向西南递增，降水量由东北向西南递减，年总降水量50～450 mm，年平均气温为—2～8℃。蒸发量大部分地区都高于1 200 mm，阿拉善和巴彦淖尔高原地区达3 200 mm以上。地带性土壤类型由东向西分布有黑钙土、栗钙土、棕钙土、灰漠土和灰棕漠土等。

图1 研究区域Fig.1 The map of study area

1.2 研究方法

1.2.1土地利用变化 土地利用动态度模型用来研究区域内特定时间段不同土地利用类型的变化幅度和速度，包括单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[17]。

单一土地利用动态度(K)表示某一类土地利用类型面积的年变化率，反映了该类土地变化的剧烈程度。模型表达式为：

(1)

式中，i为第i类土地利用类型；Si，Sj分别为研究期末和研究期初某一土地利用类型的面积，单位km2；T为研究时段长度(年)。

综合土地利用动态度(L)表示研究区内所有土地资源即综合土地利用变化的年变化率。模型表达式为：

(2)

式中，dSi为研究初期第I类土地利用类型面积；表示研究时段第i土地利用类型转为非i土地利用类型面积的绝对值，单位km2；n为土地利用类型总数；T为研究时段长度(年)。

土地利用转移矩阵可对土地利用类型间相互转化的数量和方向进行定量研究。采用土地利用转移矩阵反映土地利用变化的结构特征和各类型间的转移方向。利用ArcGIS软件将2000，2015年土地覆被数据进行空间叠加，构建区域土地利用的转移矩阵，计算土地类型转入/转出贡献率[18]，分析2000—2015年的土地空间格局变化特征和驱动机制。土地类型转入/转出贡献率计算方法如下：

(3)

(4)

式中：Li+为除第i类外的其他土地类型向第i类土地类型转入的面积占土地总转移面积的比例；Sji为第j种土地类型向第i种土地类型转移的面积；Si为土地类型转移的总面积；n为土地利用类型数量；Li-为第i类向除第i类外的其他土地类型转移的面积占土地总转移发生量的比例；Sij为第i种土地类型向第j种土地类型转移的面积。

1.2.2碳固定和土壤保持服务评估 固碳量计算：生态系统中，绿色植物吸收空气中的CO2，通过光合作用生成碳水化合物并释放出O2，其化学式为：

6CO2+12H2O→C6H12O6+6H2O+6O2

(5)

本测算以净第一性生产力为基础，根据质量平衡方程和光合作用方程，每生产1.00 kg干物质固定1.63 kg CO2，释放1.19 kg O2，以此为基础，从生态系统的净第一性生产力物质量可以测算出生态系统固碳量[19-20]。

Qtco2=1.63×NPP

(6)

式中：Qtco2为生态系统固碳量(t)；NPP为生态系统净初级生产力(t)，采用改进的CASA模型反演得到[19]。

土壤保持计算：运用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)来估算潜在土壤侵蚀量和实际土壤侵蚀量，两者之差即为生态系统土壤保持量[21]。其中，实际土壤侵蚀是指当前地表覆盖和水土保持因素下的土壤侵蚀量，潜在土壤侵蚀量则是生态系统在没有植被覆盖和水土保持措施下可能产生的土壤侵蚀量(C=1，P=1)，土壤保持量即为：

Ac=R×K×L×S×(1-C×P)

(7)

式中：Ac为单位面积土壤保持量(t·hm-2·a-1)；R为降雨侵蚀力因子，用多年平均年降雨侵蚀力指数表示；K为土壤可蚀性因子，表示为标准小区下单位降雨侵蚀力形成的单位面积上的土壤流失量。L为坡长因子；S为坡度因子；C为植被覆盖因子；P为土壤保持措施因子。各因子统一栅格单元为90 m×90 m，利用ENVI5.0和ArcGIS10.0软件计算并分析。各因子采用的计算方法如下：

降雨侵蚀力因子R：

Ryear=5.249×F1.205

(8)

(9)

式中：R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm·hm-2·h-1·a-1)；P为年降雨量(mm)，Pi为第i月降雨量(mm)。

土壤可蚀性因子K：

K=(-0.01383+0.51575KEPIC)×0.1317

(10)

KEPIC={0.2+0.3exp[-0.0256ms(1-msilt/100)]}×[msilt/(mc+msilt)]0.3×
{1-0.25orgC/[orgC+exp(3.72-2.95orgC)]}×
{1-0.7(1-ms/100)/{(1-ms/100)}+exp[-5.51+22.9(1-ms/100)]}

(11)

式中：K为土壤可蚀性因子(t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1)，mc，msilt，ms和orgC分别为粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)和有机碳的百分含量(%)。

坡长坡度因子L，S：也称为地形因子，可以反映地貌特征对土壤侵蚀的作用。在区域尺度上，可通过数字高程模型来计算L×S。本文采用Van Remortel等[22]编写的AML代码从DEM中提取L，S因子。地形因子L×S由坡长因子L和坡度因子S进行栅格计算，相乘得到。

L=(λ/22.13)m

(12)

m=β/(1+β)

(13)

β=(sinθ/0.089)/[3.0×(sinθ)0.8+0.56]

(14)

(15)

λi=Di/cosθi

(16)

式中：L为坡长因子，S为坡度因子，m为坡长指数，λ为像元坡长，θ为坡度，Di为沿径流方向每像元坡长的水平投影距，i为自山脊像元至待求像元个数。

植被覆盖因子C：指在相同的土壤、坡度和降雨条件下，有特定植被覆盖土地上的土壤流失量与无覆盖裸露地上的土壤流失量的比值，取值在0～1之间，无量纲。由于C值与植被覆盖度具有较好的相关性，因此，本文利用NDVI值计算区域内的植被覆盖度，根据蔡崇法等[23]建立的覆盖度与C值的关系来计算C值。计算公式为：

(17)

(18)

式中：fc为覆盖度(%)；C为植被覆盖因子；NDVI为归一化植被指数；NDVImax,NDVImin分别是区域NDVI的最大值和最小值。

土壤保持措施因子P：是采取土壤保持措施后的土壤流失量与未采取任何土壤保持措施的土壤流失量之比，它反映土壤保持措施对土壤侵蚀能力的抑制作用。P值变化范围为0～1，0代表防治措施很好，基本不发生侵蚀的地区;1代表未采取任何防治措施。P值的确定是一个极其复杂的过程，至今很少有人得到系统性研究的成果，本研究不考虑P因子影响，P值为1[21]。

1.2.3数据来源 本研究使用的数据主要包括：(1)内蒙古牧区2000，2015年降水量和月降水量数据等气象数据；(2)土壤属性数据包括土壤机械组成和土壤有机质数据；(3)30 m DEM数据；(4)2000,2015年的MODIS数据(250 m分辨率的16 d最大值合成植被指数MOD13Q1产品)；(5)2000,2015年土地利用数据；(6)内蒙古牧区行政边界数据(表1)。降水量数据利用气象站点数据通过反距离加权法空间插值而成。利用MODLAND提供的MRT软件对MODIS数据进行子集提取、图像镶嵌、数据格式转换、投影转换等处理，获得质量可靠的NDVI数据，用于NPP的计算。

表1 数据来源Table 1 Principal data sources

2 结果与分析

2.1 2000—2015年土地利用变化

内蒙古牧区土地利用类型包括草地、耕地、灌木林、建筑用地、林地、未利用地、沙漠、水域和盐碱地。受气候因素和地理条件的影响，草地是主要的土地利用类型，占全域总面积的57%以上，构成了该区域生态系统的主体；其次是未利用地，占总面积的17%以上；沙漠面积占总面积的13%以上(图2)。

2000—2015年，内蒙古牧区土地利用变化显著，其中建筑用地、林地、耕地、盐碱地面积分别增加1 406.05 km2，598.55 km2，592.02 km2，301.57 km2，增加了30.29%，2.65%，1.66%，4.56%；而水域、沙漠、草地、未利用地面积分别减少1 043.47 km2，830.28 km2，732.33 km2，373.49 km2，减少了16.89%，0.82%，0.17%，0.27%。分析土地利用变化动态度(表2)，从单一土地利用动态度来看，2000—2015年，建筑用地增加幅度较大，动态度为2.02%；水域、沙漠减少幅度较大，动态度分别为-1.13%，—0.05%。综合土地利用动态度为0.03%，整体来看土地利用类型变化较为平缓。

经土地利用转移矩阵分析(表3)，2000—2015年，各土地利用类型中，草地转出贡献率最高，为53.32%，主要转为耕地、建筑用地、林地；耕地、沙漠、水域的转出贡献率分别为18.22%，8.79%，8.78%，均主要转为草地；转出贡献率最小的为建筑用地，仅为0.19%，但其转入贡献率高达9.66%，且转入来源为草地，占其转入总量的100%。林地的转入贡献率为8.95%，转入来源为草地，占其转入总量的100%。

2.2 2000—2015年碳固定和土壤保持时空分布与变化

内蒙古牧区碳固定和土壤保持服务空间分布上东部高于西部区域(图3，4)，表现出较高的碳固定和土壤保持能力。这主要由于：一方面，东部降雨量大于西部；另一方面，东部植被覆盖较西部高，东部土地利用类型以草甸草原为主，而西部土地利用类型主要是荒漠草原。

表2 2000—2015年内蒙古牧区土地利用类型面积变化量Table 2 Area change of land use type in pastoral areas of Inner Mongolia from 2000 to 2015

图2 2000—2015年土地利用类型图及各类型面积变化Fig.2 Land use types map and area changes of each type from 2000 to 2015

表3 2000—2015年内蒙古牧区土地利用转移矩阵Table 3 Land use change transfer matrix in pastoral areas of Inner Mongolia from 2000 to 2015

从时间上看(表4)，2000—2015年，全域碳固定从43 032.06万t增加到50 648.01万t，平均每km2碳固定量由561.19 t增加到660.51 t，增加了17.70%；全域土壤保持从50 698.75万t增加到65 901.27万t，平均每km2土壤保持量由9 578.44 t增加到10 750.72 t，增加了29.99%。从空间上看，2000—2015年，碳固定呈中部减少、东部和西部增加的态势，土壤保持呈东部减少、西部额济纳旗、阿拉善右旗增加的态势。

表4 2000—2015年内蒙古牧区生态系统服务变化Table 4 Ecosystem services changes from 2000 to 2015

图3 内蒙古牧区2000—2015年碳固定服务变化Fig.3 Change of carbon fixation services from 2000 to 2015

2.3 2000—2015年不同土地利用类型的生态系统服务变化

2000—2015年，内蒙古牧区土地利用结构变化显著，对该区域的生态系统服务产生明显影响。2015年，就碳固定服务来看，各土地利用类型提供的服务量均表现为草地>沙漠>耕地>盐碱地>灌木林>未利用地>水域>建筑用地>林地。在土壤保持服务上有所不同，为草地>沙漠>盐碱地>耕地>未利用地>灌木林>水域>林地>建筑用地。草地作为面积占比57%的最大的土地利用类型，碳固定和土壤保持服务量所占比例最大，分别占该区域的80.38%和45.68%。沙漠占区域面积的13%，碳固定和土壤保持服务量却分别占该区域的13.73%，44.02%。耕地占区域总面积的5%，但碳固定和土壤保持服务量分别占该区域的2.81%，1.58%。其余土地利用类型的碳固定和土壤保持服务量占区域服务量的比例较小。

2000—2015年，各土地利用类型提供碳固定量均有不同程度的增加，其中草地的碳固定量增加最多，增加6 242.21万t;其次为沙漠，增加741.15万t；耕地增加275.93万t。在土壤保持方面，建筑用地的土壤保持量减少44.11万t，其余各类土地利用类型提供土壤保持量均有所增加，其中沙漠的土壤保持量增加最多，增加8 644.81万t;其次为草地，增加3 736.59万t；盐碱地增加1 982.73万t(表5)。

图4 内蒙古牧区2000—2015年土壤保持服务变化Fig.4 Change of Soil conservation services from 2000 to 2015

表5 2000—2015年内蒙古牧区各土地利用类型生态系统服务变化Table 5 Changes of ecosystem services in different land use types from 2000 to 2015

3 讨论

在内蒙古牧区，草地、未利用地是主要的土地利用类型。2000—2015年，该区域土地利用发生了明显变化，表现为建筑用地、林地、耕地、盐碱地面积增加，水域、沙漠、草地、未利用地面积减少。经土地利用转移矩阵分析，草地主要转为耕地、建筑用地、林地，耕地、沙漠、水域主要转为草地。土地利用动态度表现为建筑用地的增加幅度较大，水域、沙漠减少幅度较大，整体土地利用变化较为平缓。2000年以来，内蒙古牧区实施了一系列生态保护工程政策，如京津风沙源工程、退耕还林、退牧还草、草原生态保护补助奖励政策，对该区域土地利用结构变化具有重要作用，表现为林地面积增加，沙漠、未利用地面积减少，大面积耕地、沙漠转为草地，土地利用结构优化，区域生态环境改善，可见该区域工程政策的实施取得了阶段性成果。但是，整体上草地面积还是减少的，主要转为耕地、建筑用地、林地，建筑用地面积大幅增加。可见随着城市化发展，建筑用地持续扩张，且建筑用地的扩张、土地利用的开发依然是以侵占草地为主，同时，草地被开垦为耕地的现象依然严重。

2000和2015年，全域碳固定分别为43 032.06万t和50 648.01万t，土壤保持分别为50 698.75万t和65 901.27万t。内蒙古牧区虽然生态脆弱，但其提供的生态系统服务与其他地区相比，也是非常可观的，对维系当地生产及人民生活起到重要作用[24]。2000—2015年，全域碳固定增加7 615.95万t，平均每km2碳固定量由561.19 t增加到660.51 t，增加了17.70%。空间上呈中部减少、东部和西部增加的态势。全域土壤保持增加15 202.52万t，平均每km2土壤保持量由9 578.44 t增加到10 750.72 t，增加了29.99%，土壤保持呈东部减少、西部额济纳旗、阿拉善右旗增加的态势。内蒙古牧区东部和西部区域草地分布面积较大，生态恢复工程政策实施后，该区域生态恢复明显，草地植被覆盖度和生产力提高，区域碳固定、土壤保持服务增加，尤其是西部额济纳旗、阿拉善右旗的沙漠面积明显减少，土壤保持能力大幅增加。加强草地的恢复与建设，在增加草地面积的同时应注意提高草地的质量，已成为该地区农牧业生态系统建设的当务之急。

2015年，全域各土地利用类型中，草地作为占比57%的最大面积土地利用类型，碳固定和土壤保持服务量所占比例均最大，分别占80.38%和45.68%。该地区的气候类型适宜草地生长，生态系统服务的提高应考虑在保护草地、林地的基础上，扩大草地面积，恢复治理沙漠区域，结合当地生态系统服务功能的主导需求或均衡需求，科学优化土地利用结构，保障生态系统朝着良性方向演化，使该土地利用情景下的生态系统服务达到最优。

此外，本研究针对该区域典型生态系统服务碳固定和土壤保持进行分析，未就生态系统服务中的其他服务类型如水源涵养、净化空气等功能进行计算分析，这将是下一步研究的重点。

4 结论

内蒙古牧区2000—2015年，草地为主要土地利用类型，其次为未利用地、沙漠;建筑用地、林地、耕地、盐碱地面积增加，水域、沙漠、草地、未利用地面积减少;土地利用变化主要从草地向耕地、建筑用地、林地转移，从沙漠、水域向草地转移;生态保护工程政策的实施取得了阶段性成果，林地面积增加，未利用地面积减少，大面积沙漠转为草地，土地利用结构优化，区域生态改善，但开垦和侵占草地为建筑用地和耕地的现象依然严重;东部和西部区域草地生态恢复明显，植被覆盖度和生产力提高，碳固定、土壤保持服务增加;草地提供的碳固定和土壤保持量最大。该区域应适度利用草地、农田等生产生活用地，在保护草地、林地的基础上，扩大草地面积，治理沙漠区域，科学优化土地利用结构。