中国沙漠
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中国沙漠, 2022, 42(4): 99-109 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00214

浑善达克沙地景观结构变化对生态系统服务的影响

罗晶,1, 黄晓霞,1, 程宏,2, 蒋宁2, 莫旭昱3, 王琇瑜1

1.云南大学 地球科学学院/云南省高校低纬高原大气环境与边界层过程重点实验室，云南 昆明 650091

2.北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室/地理科学学部，北京 100875

3.云南省气象局 云南省大气探测技术保障中心，云南 昆明 650034

Impacts of landscape structure changes on ecosystem services in the Hunshandake Sandy Land

Luo Jing,1, Huang Xiaoxia,1, Cheng Hong,2, Jiang Ning2, Mo Xuyu3, Wang Xiuyu1

1.School of Earth Sciences / Key Laboratory of Atmospheric Environment and Processes in the Boundary Layer Over the Low-latitude Plateau Region，Yunnan University，Kunming 650091，China

2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology / Faculty of Geographical Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China

3.Yunnan Atmospheric Observation Technology Support Centre，Yunnan Meteorological Bureau，Kunming 650034，China

通讯作者: 黄晓霞（E-mail： huangxx@ynu.edu.cn）程宏（E-mail： chengh@bnu.edu.cn）

收稿日期: 2021-09-29   修回日期: 2021-12-12  

基金资助: 国家重点研发计划项目.  2016YFC0500800-02
国家自然科学基金项目.  42171003
生态环境部生物多样性调查与评估专项.  2019HB2096001006

Received: 2021-09-29   Revised: 2021-12-12  

作者简介 About authors

罗晶（1998—），女，重庆人，硕士研究生，主要从事植被与土壤侵蚀研究E-mail：1625553233@qq.com , E-mail：1625553233@qq.com

摘要

京津风沙源治理是中国政府实施的具有重大战略意义的生态工程，实施近20年，区域生态环境状况发生了根本转变。为了定量评估京津风沙源治理工程实施以来景观结构变化及其对生态系统服务价值的影响，以浑善达克沙地为研究区域，以生态调节服务（风蚀防治、水蚀防治、碳固存）、生态供给服务（牲畜养殖、粮食生产）、生境支持服务（自然生境多样性、人口居住支持服务）等指标，利用生态系统服务复合指数（Multiple ecosystem services landscape index， MESLI）和景观格局指数，运用冗余分析（redundancy analysis，RDA）和变差分解（Variation Partitioning）方法，研究了生态系统服务及集成的时空格局，以及植被景观组成与景观配置对区域生态系统服务贡献的变化。结果表明：（1）2000—2015年，浑善达克沙地的林地、草地面积减少，沙地面积则增加了110%；林地的景观结构改善，而草地与沙地的景观破碎化明显，连通度降低。（2）研究区东部和南部的生态系统服务价值增加了19%—85%，主要与林地景观的空间配置结构改善有关；中部和西部生态系统服务总体降低了28%—43%，主要与草地面积缩减、沙地面积扩张、植被景观破碎化有关。（3）景观格局对区域生态系统服务供给的贡献从2000年的60.88% 增加到2015年的69.21%，且二者共同作用的比例明显增加，植被景观组成的贡献整体大于植被景观配置的贡献。植被景观配置对生态系统服务的相对贡献增加，表明植被恢复等治理工程的实施，在景观空间结构方面提升了防风固沙的效果，改善了区域生态系统服务功能。

关键词： 生态系统服务 ; 景观组成 ; 景观配置 ; 土地利用变化 ; 京津风沙源区

Abstract

As one of the huge national ecological restoration projects aimed at social-ecological sustainability， the Beijing-Tianjin Sand Source Control Project （BTSSCP） has been launched for nearly 20 years， which significantly improved the environmental status in the Beijing-Tianjin-Hebei region. The spatial and temporal changes of ecosystem services （ESs） were assessed since the BTSSCP was carried out in the study area. There were eight indicators of ESs， i.e. wind erosion control， water erosion control， vegetation carbon sequestration， soil carbon storage， livestock production， food production， natural habitat diversity， and population residence supporting services， along with the multiple ecosystem services landscape index （MESLI）， as well as four landscape structure indexes were used for the analysis. And redundancy analysis （RDA） and variation partitioning method were used to analyze the relationship between ESs and vegetation landscape patterns. The main results were as follows， （1） from 2000 to 2015， the area of woodland and grassland in Hunsandak Sandy Land decreased， while the sandy land area increased by 110%. However， the landscape structure of woodland was improved， while grassland and sandy land fragmentation increased with the connectivity index decreased. （2） The improvement of ESs was in the eastern and southern parts of the study area with MESLI increasing from 19% to 85%， which related to the improvement of the spatial configuration of woodland； the ESs provision was worse in the central and western parts with MESLI decreasing of 28% to 43%， owing to landscape fragmentation with grassland degradation and sandy land expansion. （3） It was explained by landscape pattern for the provision of regional ESs increased from 60.88% in 2000 to 69.21% in 2015， with an increase in co-explained variation of landscape composition and configuration， and the landscape composition component contributed more than that of configuration component. The relative contribution of vegetation landscape configuration to ecosystem services increased， indicating that the implementation of vegetation restoration projects， has enhanced the effectiveness of sand fixation in terms of landscape spatial structure and improved regional ESs. The above results can provide macro-level management and design references for desert management in the BTSSCP region.

Keywords： ecosystem services ; landscape composition ; landscape configuration ; land use change ; sand source region to Beijing-Tianjin

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本文引用格式

罗晶, 黄晓霞, 程宏, 蒋宁, 莫旭昱, 王琇瑜. 浑善达克沙地景观结构变化对生态系统服务的影响. 中国沙漠[J], 2022, 42(4): 99-109 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00214

Luo Jing, Huang Xiaoxia, Cheng Hong, Jiang Ning, Mo Xuyu, Wang Xiuyu. Impacts of landscape structure changes on ecosystem services in the Hunshandake Sandy Land. Journal of Desert Research[J], 2022, 42(4): 99-109 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00214

0 引言

京津风沙源治理工程实施时间长、治理面积广、投资与投入巨大，自实施以来的土地利用变化及其导致的区域生态系统服务变化，是风沙源区治理与规划关注的焦点。相关研究涉及工程实施后区域的土壤风蚀、水蚀的控制成效［1］，林草植被恢复［2］以及植被盖度对土壤侵蚀的控制作用［3-4］。区域生态系统服务方面的研究，除了分析土地类型数量组成及转换的生态影响［5］，特别关注防风固沙服务的变化［6］，并开始重视生态系统服务的时空变化［7］及区域服务的权衡与协同［8］。

景观结构包括景观组成（土地利用的类型和数量）和景观配置（土地利用的空间结构与布局），都会影响生态系统的物质循环与能量流动，成为生态系统服务及其权衡与协同的重要决定因素［9-10］。北京建设用地的增加导致碳储存和栖息地支持服务的恶化［11］，京津风沙源治理区的植被盖度变化显著提升了固沙服务［12］。这说明景观组成的变化驱动着关键生态过程的变化，也改变了区域生态系统服务的供给与支持能力［13-14］。然而，景观的空间配置可能更深刻地影响着区域多种生态系统服务的提供［15］。目前仍不清楚景观的组成与配置各自对区域生态系统服务的贡献程度，厘清这些问题，可以更好地回答京津风沙源治理工程实施后，生态系统服务对土地利用结构变化的响应，对于提升区域生态系统管理效益有重要的参考价值。

本文基于土地利用、NDVI和社会经济统计数据，选择浑善达克沙地这一距离京津地区最近的沙尘源区，分析京津风沙源区治理工程实施以来，浑善达克沙地植被景观结构和生态系统服务的变化情况，明确影响区域生态系统服务的主要景观结构指标，厘定景观结构指数对不同生态系统服务供给的影响程度。通过深入解读生态系统服务分布与景观组成和配置之间的响应关系，回答景观结构的变化如何影响区域生态系统服务的提供及其格局变化，以及怎样的景观结构有利于提高生态系统服务，实现生态效益的综合提升。

1 研究区概况

浑善达克沙地沿东西向分布于内蒙古克什克腾旗、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、多伦县、太仆寺旗（图1），是中国四大沙地之一，也是离北京最近的沙（尘）源。浑善达克沙地地势西南高、东北低，平均海拔1 300 m。浑善达克沙地属温带季风干旱、半干旱气候区，年平均气温 0—3 ℃。年降水量200—400 mm，全年降水量的80%—90%发生在夏季。年降水量地域差异较大，东南部多，为350—400 mm；西北部较少，仅有200 mm左右，全年无霜期104 d。沙地从东到西跨越草甸草原、典型草原和荒漠草原，地带性植被为典型草原，穿插分布着稀疏树木、灌丛、草甸等非地带性植被。沙地内主要土壤类型为栗钙土、覆沙的棕钙土，也包括沙质草甸土、风沙土以及半固定流动半流动沙丘［16-18］。每年>6 m·s-1的大风日数达到58 d，沙尘暴日数2—21 d，多出现在4—6月，形成以朱日和为中心的尘暴源区［19］。过去几十年浑善达克沙地人口剧增、不合理的农牧业生产和管理方式以及气候变化等因素，导致浑善达克沙地植被严重退化［5］。

图1

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图1   研究区概况图

Fig.1   Overview map of Hunshandake Sandy Land


2 数据与方法

2.1　数据及资料来源

本研究分别选取了生态调节服务（土壤风蚀防治、土壤水蚀防治、植被固碳和土壤碳存储）、生态供给服务（牲畜养殖、粮食生产）、生境支持服务（生境多样性支持、人口居住支持服务）等3个方面8个指标来评估区域生态系统服务及其空间分布（表1）。

表1   生态系统服务指标及其数据来源

Table 1  Datasets and sources used in this study， for ecosystem services （ES） analysis

数据指标数据来源分辨率说明支持的ES指标ES类型
DEMSRTM https://cgiarcsi.community/90 m×90 m在ArcGIS v10.2生成坡向、坡度、坡长栅格数据

土壤风蚀防治

土壤水蚀防治

植被固碳 土壤碳存储

生态调节
气象数据中国气象科学数据共享网 http://data.cma.cn2000年和2015年月度数据在ArcGIS v10.2中进行kriging插值，得到250 m×250 m的气象数据栅格
NDVI数据

MODIS

https://earthdata.nasa.gov/

250 m×250 m 16 d间隔Terra Vegetation Indices陆地植被指数产品
土壤属性数据SoilGrids https://www.isric.org/250 m×250 m土壤类型、土壤质地、土壤水分、土壤有机质含量
粮食产量内蒙古自治区统计年鉴旗/县2000年和2015年数据粮食生产生态供给
牲畜养殖量内蒙古自治区统计年鉴旗/县2000年和2015年数据牲畜养殖
人口统计数据内蒙古自治区统计年鉴旗/县2000年和2015年数据人口居住支持生境支持
土地利用类型中国科学院遥感研究所30 m×30 m2000年和2015年数据生境多样性支持
行政区划数据生态环境部卫星环境应用中心乡镇/苏木作为计算的基本统计单元生态系统服务复合指数综合指标

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2.2　研究方法

2.2.1　生态系统服务指标的计算

为进行不同生态系统服务指标的叠加分析，将所有栅格数据的分辨率统一转换为250 m×250 m进行处理。

土壤风蚀防治服务。用防风固沙量计算，即通过风沙治理措施改变地表植被覆盖所减少的土壤风蚀量，是潜在土壤风蚀量与实际土壤风蚀量的差值。

RQC=Qp-(Qfa+Qfg+Qfs)

式中：RQC为像元防风固沙量；Qp为潜在土壤风蚀量（t·hm-2∙a-1），即土地利用类型中的耕地、林地、草地全部变为沙地，且植被覆盖度为0的情况下的土壤风蚀量（其他类型土地定义为不可风蚀地）；Qfa、Qfg、Qfs分别为根据耕地、林地、草地、沙地的风蚀预报模型计算的实际土壤风蚀量［17］。

土壤水蚀防治服务。水蚀流失量采用通用土壤流失方程（RULSE）估算［20］：

A=R·K·L·S·C·P

式中：A为水蚀流失量 （t∙hm-2∙a-1）；R为降雨侵蚀力因子 （MJ∙mm∙hm-2∙h-1∙a-1）；K为土壤可蚀性因子（t∙h∙MJ-1∙mm-1）；L为坡长因子；S为坡度因子；C为作物覆盖和管理因子；P为水土保持措施因子。若不考虑C因子和P因子，则该公式变为A′=R·K·L·S，得到潜在土壤流失量（t∙hm-2∙a-1）。水蚀防治服务，即通过植被覆盖、田间管理和水土保持措施减少的土壤流失量，用潜在土壤流失量A′ 减去实际土壤流失量A表示。

植被固碳服务。首先计算植被的净初级生产力（NPP），再通过植被固碳量转换系数进行估算。2000年和2015年植被的NPP，结合NDVI和气象数据，用遥感估算模型进行计算［21］。

NPP(x,t)=APAR(x,t)·ε(x,t)

式中：APAR（x，t）表示像元x在t月份吸收的光合有效辐射（MJ·m-2）；ε（x，t）表示像元x在t月份的实际光能利用率（g·MJ-1）。再基于野外样方调查实测的植物地上生物量和有机碳含量数据，确定植被固碳量转换系数为0.546，进而确定研究区各像元的植被固碳量。

土壤碳存储服务。土壤碳含量的估算采用NDVI和潜在太阳辐射值估算［22］。

SOC=0.6665·NDVI-0.3040·I

式中：SOC为各像元的土壤碳含量（g·m-2）；NDVI为年内月最大NDVI值；I为潜在年太阳辐射（103 kW·m-2），用ArcGIS v10.2的Solar Radiation Tool进行分析。

生境多样性支持服务。生境对生物多样性的支持能力受到生境类型的数量以及生境的种类影响。林地、草地、耕地、水体、城市和沙地对生物多样性的支持能力是逐渐降低的。考虑到景观中的生境类型和质量的影响，用以下公式计算各像元的生境多样性支持能力：

HBT=n·Wi·im

式中：HBT为生境支持程度；n为像元中出现的生境类型数；im为像元中面积占比最多的生境类型；Wi 表示该生境类型的权重。HBT指数越高，说明该像元中生境对生物多样性的支持程度越高。

人口居住支持服务。根据统计年鉴中的各旗县人口统计数据折算为各像元的人口密度。

粮食生产服务。用各旗县的粮食产量数据折算为每个像元的粮食产量。

牲畜养殖服务。在旗县大牲畜养殖量数据的基础上，折算为每个像元的牲畜养殖量。

生态系统服务复合指数（Multiple ecosystem services landscape index， MESLI）用于表征某区域的生态系统服务类型的相对完整和丰富的程度。MESLI将所有服务视为同等的权重［23］：

MESLI=∑[(ESij-ESmin)/(ESmax-ESmin)]

式中：ESij 为像元j的第i项生态系统服务值；ESmax和ESmin分别为对应项生态系统服务的最大值和最小值。

2.2.2　景观格局指数计算

从景观组成和景观配置两个方面，计算林地、灌丛、草地、耕地等与植被覆被有关的土地利用类型的景观格局指数。景观组成指数用于评价单元中各类植被的相对优势程度及其分布，包括景观斑块面积百分比（PLAND）和斑块密度（PD）。前者反映特定土地利用类型在整个景观中的面积占比，后者反映单位面积中的该土地类型的斑块数量。景观配置指数用于评价各类型植被斑块在景观中的破碎程度和连接状况，反映植被的好坏及其恢复的趋势，包括平均形状指数（SHAPE_MN）和连通度指数（CONNECT）。前者表征景观中特定土地利用斑块形状的复杂程度，后者表征特定距离内同类型土地利用斑块的有效连接程度，本研究设定距离阈值为500 m。所有景观指数采用30 m分辨率的土地利用类型数据，在FRAGSTATS 4.2［24］中完成计算。

2.2.3　统计分析

运用Pearson相关系数，分析各类土地利用景观结构指数与各项生态系统服务指标之间的相关关系。通过ArcGIS的空间聚类（Grouping Analysis），分析不同时期的生态系统服务的空间集聚格局。运用变差分解（Variation Partitioning）［25］，分析不同时期与植被相关的土地利用类型的各类景观格局指数对单项生态系统服务的相对贡献程度。景观格局指数和生态系统服务指标都经过归一化处理，并通过方差膨胀系数（Variance Inflation Factor，VIF）保证变量之间存在较低的共线性（VIF<10）。运用冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）将景观格局指数作为影响因子，各旗县的单项生态系统服务指标作为响应变量，通过RDA二维排序图解读各土地利用的景观格局指数与生态系统服务供给之间的关系［26-27］。

3 结果与分析

3.1　区域景观特征及格局的变化

随着京津风沙源治理工程的推进，研究区土地利用类型的面积发生显著变化（表2）。2000年研究区80%以上面积为草地，主要分布在中部（50.4%）和西部（34.9%）；其次为林地（8.5%），主要分布在中部（46.6%）和东部地区（41.3%）；耕地面积只有2 642.6 km2，集中在东部和南部。到2015年，研究区林地面积减少了2 991.9 km2；草地面积减少了2 088.3 km2；沙地面积则增加了3 627.8 km2，尤其是西部增加了2 053.8 km2，中部增加了1 439.5 km2；耕地、建设用地等在各个亚区都有一定程度的增加。从土地利用的面积变化来看，研究区沙地的扩张趋势较为明显。

表2   2000年和2015年浑善达克沙地土地利用类型的面积

Table 2  Land use composition in Hunshandak Sandy Land in 2000 and 2015

年份分区面积/km2
林地草地耕地建设用地水体/湿地沙地
2000南部185.11 915.91 127.844.092.558.4
西部743.926 224.835.982.586.9651.9
中部3 607.037 838.8674.01 249.2346.51 954.5
东部3 196.69 082.4804.9445.297.1627.8
全区7 732.575 061.82 642.61 820.9623.03 292.6
2015南部75.01722.51369.454.7147.754.3
西部593.624 136.568.7186.8134.52 705.7
中部1 621.637 798.0759.71 490.9605.13 394.0
东部2 450.59371.2899.6504.3262.3766.4
全区4 740.673 028.23 097.42 236.71 149.76 920.4

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从林地、草地、耕地和沙地景观指数的分析结果来看，研究区景观格局发生了深刻变化（图2）。虽然林地斑块面积百分比PLAND和斑块密度PD在东部（-5.38，-0.16）和南部（-3.27，-0.22）减少，但连通度指数CONNECT（+0.08，+0.77）明显增加，说明林地从零散的小斑块整合为面积更大的大斑块，在空间结构上有所改善；中西部区域的林地不仅PLAND降低，且PD增加（+0.25，+0.14）、CONNECT降低（-1.03，-0.92），说明这些区域林地转变为更加零散、破碎的斑块。西部地区草地退化严重，表现为草地的PLAND减少（-8.4%）、PD增加（+0.13），CONNECT显著降低（-37.2），说明草地面积缩减，景观破碎化，功能性连接程度降低。耕地在研究区内的总面积有限，但在南部PLAND增加（+7.05）而PD降低（-0.03），显示出耕地集中连片扩张的特点；其他区域受自然条件限制，耕地面积变化不大，中部地区还表现出SHAPE_MN指数（+0.14）和CONNECT指数（+7.55）明显增加的特点，说明这一区域的耕地在空间上逐渐形成连片分布。沙地在南部区域表现出PLAND（-1.99%）和CONNECT（-23.36）降低的特点，说明沙地面积收缩显著，风沙治理效果明显；东部则呈现出PLAND增加（+1.02%）和PD降低（-0.05）的特点，表明东部沙地有所扩张并趋于集中；中西部PD增加（+0.26，+0.24）、CONNECT降低（-4.82， -4.76），表明中西部出现了大量沙地的破碎斑块，并出现沙地蚕食草地的态势。

图2

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图2   浑善达克沙地风沙治理前（2000年）后（2015年）各空间单元的景观格局指数

Fig.2   The landscape pattern index and its changes of each spatial unit before and after the sand control in Hunshandake Sandy Land


3.2　生态系统服务的时空变化

浑善达克沙地生态系统服务类型及其集成存在着明显的空间差异（图3）。南部的太仆寺旗生态系统服务类型最全，人口居住支持服务突出（0.99），牲畜养殖、粮食生产、植被固碳和土壤碳存储服务（>0.65）水平高。东部的克什克腾旗和多伦县，以植被固碳和土壤碳存储、牲畜养殖和生境多样性支持服务（>0.65）较为突出。中部的锡林郭勒、阿巴嘎旗、正蓝旗、正镶白旗、镶黄旗为浑善达克沙地的核心区域，虽然除了粮食生产服务缺失外，各项生态系统服务兼有，但服务水平较低（<0.50）。西部的苏尼特右旗和苏尼特左旗为荒漠草原区域，以风蚀防治服务为主（0.4—0.5），其他类型生态系统服务的提供非常有限。

图3

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图3   2000—2015浑善达克沙地各项生态系统服务及生态系统服务复合指数MESLI的空间变化

Fig.3   Changes of ecosystem services （ESs） and multiple ecosystem services landscape index （MESLI） in Hunshandake Sandy Land from 2000 to 2015


风沙治理工程实施前后生态系统服务复合指数MESLI的变化表明，南部太仆寺旗生态系统服务整体增加最为显著（+0.85），以牲畜养殖和粮食生产服务的增加为主，植被固碳和土壤碳存储服务也有较为明显的增加（图3）。其次是东部的克什克腾旗（+0.19）和多伦县（+0.10），以植被固碳和土壤碳存储服务增加为主，生境多样性支持和水蚀防治服务也有一定的增加。但是，MESLI在西部地区的苏尼特左旗（-0.10）和苏尼特右旗（-0.17）总体降低。中部区域的变化最为复杂，北部锡林浩特生态系统服务供给改善明显（+0.22），正蓝旗和阿巴嘎旗东部保持稳定，而中部其他区域和镶黄旗（-0.43）和正镶白旗（-0.28）则整体呈现下降趋势。

3.3　景观结构对生态系统服务的影响及变化

浑善达克沙地生态供给服务主要与耕地的PLAND、PD指数正相关，而与草地PLAND负相关（P<0.005，表3）。各项生态调节服务（植被固碳、土壤碳存储、风蚀防治、水蚀防治服务）与各植被景观的组成与配置相关关系密切，其中林地和耕地的景观组成影响显著（P<0.005）。生境支持服务方面，人口居住支持服务主要与耕地面积占比、斑块密度和形状指数相关（P<0.005），生境多样性支持服务则主要与林地、草地的PLAND和PD相关，而林地、耕地的SHAPE_MN和草地的CONNECT也有影响（P<0.005）。

表3   各景观格局指数与生态系统服务之间的相关系数

Table 3  Correlations between landscape pattern indexes and the ecosystem services

土地利用类型生态系统服务
牲畜养殖服务粮食生产服务植被固碳服务土壤碳存储服务风蚀防治服务水蚀防治服务生境多样性支持服务人口居住支持服务
林地景观组成斑块面积百分比0.1600.0260.585***0.577***-0.373***0.340***0.936***-0.003
斑块密度0.1010.0490.498***0.481***-0.440***0.2360.784***0.084
景观配置平均形状指数0.0690.0970.304***0.289-0.1470.262***0.351***-0.038
连通度指数-0.026-0.061-0.124-0.0740.1420.080-0.201-0.108
草地景观组成斑块面积百分比-0.366***-0.518***-0.663***-0.714***0.584***-0.507***-0.762***-0.606***
斑块密度0.1960.334***0.566***0.557***-0.514***0.305***0.739***0.329***
景观配置平均形状指数-0.0390.1050.0260.0260.320***0.016-0.0630.098
CONNECT-0.274***-0.157-0.382***-0.404***0.624***-0.231-0.373***-0.210
耕地景观组成斑块面积百分比0.364***0.643***0.322***0.415***-0.284***0.298***0.1400.818***
斑块密度0.330***0.520***0.305***0.389***-0.285***0.326***0.1870.730***
景观配置平均形状指数0.1980.290***0.582***0.574***-0.338***0.284***0.513***0.327***
连通度指数-0.044-0.072-0.023-0.057-0.056-0.061-0.104-0.106

***，极显著相关，P<0.005。

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从变差分解结果来看，植被的景观组成（PLAND和PD）与景观配置（SHAPE_MN和CONNECT）对各项生态系统服务的解释能力在风沙治理后都有所增加，总的解释量从2000年的60.88% 增加到2015年的69.21%，作用方式也有较为明显的变化（图4）。2000年，一部分生态系统服务，包括牲畜养殖（78.1%）、土壤风蚀防治（57.8%）和植被固碳（28.8%）、土壤碳储量（21.5%）服务，主要受到植被景观配置的影响，另一部分则更多受到景观组成的影响，如粮食生产（59.6%）、人口居住支持（70.48%）和生境多样性支持（45.7%）服务。但从整体贡献来看，植被景观组成对生态系统服务的单独贡献（37.0%）高于景观配置的单独贡献（13.6%）。到2015年，植被景观组成的单独作用程度有明显缩减（-9.4%），景观配置的单独作用也有所弱化（-6.9%），二者共同作用的比例则明显增加（+16.3%）；仍主要受到景观配置影响的只有植被固碳（23.1%）和土壤碳存储（26.4%）服务；生态生产服务、生境支持服务以及土壤水蚀防治服务则基本上由植被景观组成所控制。

图4

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图4   景观构成与景观配置对各项生态系统服务的相对贡献程度及其时间变化

Fig.4   Relative contribution of landscape composition and landscape configuration to the ecosystem services


RDA二维排序图进一步明确影响区域生态系统服务的主要的植被景观指标，以及植被景观格局变化对生态系统服务提供的影响（图5）。2000年的RDA分析结果中，第一轴解释率为46.33%，第二轴为9.77%；2015年第一轴解释率36.97%，第二轴达到30.25%。区域生态系统服务集成在RDA二维排序图上的空间差异很明显且基本格局不变（图5）：东部以生境多样性支持服务和植被固碳、土壤碳存储服务为主，南部以人口居住支持服务、粮食生产、牲畜养殖服务为主，西部的风蚀防治服务最为突出。

图5

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图5   景观指数与生态系统服务供给关系的RDA排序图

景观格局指数：PCT，斑块面积百分比（PCTWood，林地；PCTCrop，耕地；PCTGrass，草地）；PD，斑块密度（PDWood，林地；PDCrop，耕地；PDGrass，草地）；SHP，平均形状指数（SHPWood，林地；SHPCrop，耕地；SHPGrass，草地）；CONT，连通度指数（CONTWood，林地；CONTCrop，耕地；CONTGrass，草地）。生态系统服务指标：STK，牲畜养殖服务；CRP，粮食生产服务；VCS，植被固碳服务；SOC，土壤碳存储服务；WinEC，风蚀防治服务；WtEC，水蚀防治服务；POP，人口居住支持服务；HBT，生境多样性支持服务

Fig.5   RDA ordination diagram of the relationship between landscape index and ecosystem service supply


风沙治理以来，生态系统服务与各植被景观指数的关系有所变化（图5）。2000年，林地PLAND与林地和草地的PD对植被固碳、土壤碳存储和生境多样性支持服务作用突出，到2015年，除了林地PLAND外，草地、林地和耕地的SHAPE_MN对这三项服务的作用程度显著增强。耕地的PLAND对于2000年的粮食生产和人口居住支持服务至关重要，到2015年还进一步支持了牲畜养殖服务。草地、林地的景观配置指数与风蚀防治服务密切相关，而林地的连通度可以大大降低土壤水蚀程度，2015年景观配置对土壤风蚀、水蚀防治服务的影响更加突出。

4 讨论

4.1　植被景观变化对区域生态系统服务的影响

植被覆盖度是风蚀控制最主要与最有效的措施［3-4］，这在京津风沙源区治理工程得到充分体现。植树造林，增加了京津风沙源区治理工程区植被覆盖面积，提升了植被质量，进而控制了沙地扩张［28］。植被景观组成对区域生态系统服务的贡献大于景观配置的作用也说明了这一点。不过，人类活动，尤其是锡林郭勒盟2005年后采矿业的发展［29］，以及气候变化［30-31］，导致浑善达克沙地中西部草地面积缩减和景观破碎，使得土地沙化趋势没有得到控制［32］。但是，2015年景观组成与景观配置对区域生态系统服务的共同作用部分明显增加，说明不只是植被盖度，植被的空间配置结构（形状指数和连通度）也深刻地影响着土壤风蚀、水蚀防治服务和生境多样性支持服务的供给。相较于风沙治理工程实施前，研究区沙地连通度指数下降，反映出治沙工程在控制沙地扩张，降低其功能性连通度方面的成效。同时虽然整个研究区植被面积持续减少，但植被指数增加明显，植被质量也有一定的提升，特别是东部和南部，这促进了沙地生态系统的植被固碳和土壤碳存储服务的增长［33］；同时，风沙治理对植被景观空间配置的改善，尤其是大面积裸露沙地中分散的灌丛植被斑块功能性连通度增加，可以改变气流的运动方式，有效降低土壤风蚀程度［34-36］。这几项生态系统调节服务的增加，也拉动了浑善达克沙地东部区域生境支持和粮食生产服务的增加。

4.2　景观尺度生物治沙工程的规划与管理

首先，重视京津风沙源治理区荒漠植被景观空间配置和植被斑块连通度的作用。中国的风沙治理工程重点在增加植被面积、质量方面［12］。而对于荒漠生态系统而言，沙地中灌丛植被斑块之间的连通度，对生态系统功能的维系与改善，以及关键的生态系统过程有着特别重要的意义［37-38］。灌丛植物的立体结构和空间排布方式，对气流活动会有明显不同的作用，从而影响到土壤侵蚀程度［39］。因此，为进一步提高生物治沙工程的效果和生态效益，还应更多纳入对植被景观配置与空间结构的设计，提高植被斑块间连接程度。当然，脆弱生态区土地利用变化过程中重要植被景观的破碎化，如浑善达克西部地区的草地，对区域生态系统功能与服务的影响机制与过程研究也应引起重视［40］。

其次，需重视京津风沙源治理工程治理规划的多目标性。现有的植被恢复治理工程，一般是在样地或者治理小区尺度上以林灌植物的栽种、植被盖度增加和地上生物量增长为目标。而积极有效的风沙源区植被恢复，还需要在景观尺度上恢复与构建生态系统功能及景观功能，即加强植被景观的连通度、增加植物物种的多样性、减少植被斑块的破碎化，从而提升植被的生态功能多样性与生态过程的完整性［41-42］。在改善荒漠生态系统的生态调节功能同时，提升治理核心区域和周边区域的农牧业生产服务、生境和人居环境的支持服务等复合生态效益，也应纳入到风沙治理的规划目标中。

再次，还应重视京津风沙源治理工程的多尺度、跨尺度的生态效益管理与规划。就浑善达克沙地的风沙治理而言，现有的研究较多是基于样地尺度深入分析沙地植物及植物群落对于防止土地沙化和改善植被与土壤固碳、养分利用等方面的作用和过程［43］，也关注到了区域尺度京津风沙源生态治理工程对中国陆地生态系统碳循环服务贡献［44-45］，而深刻理解植被恢复过程中景观格局变化所导致的生态系统功能和过程的变化［46］，以及对于跨尺度生态系统服务的供给与支持作用的影响［47］，是进一步提升治理工程恢复效益的关键。因此，需尝试建立从立地到景观乃至区域尺度的多尺度、跨尺度的生态管理与恢复的思路。

5 结论

2000—2015年，浑善达克沙地的林地、草地面积减少，沙地面积则增加了110%。研究区东部和南部的生态系统服务值总体增加了19%—85%，主要与林地景观的空间配置结构改善有关；中部和西部生态系统服务值总体降低了28%—43%，主要与草地面积缩减、植被景观破碎化有关。虽然研究区沙地面积增加，沙地斑块的密度和连通度却都在下降，反映了风沙治理工程的控制作用。景观格局对区域生态系统服务供给的作用程度，从2000年的60.88% 增加到2015年的69.21%，且二者共同作用的比例明显增加，虽然植被景观组成的贡献整体大于植被景观配置的贡献，但景观配置的相对贡献增加，表明植被恢复等治理工程的实施，有效改善了区域生态系统服务。但需要加强工程治理、政策管控和社会服务等措施，以遏制草地退化和沙地扩张的趋势，提高生态系统服务的综合效益。

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