1引言
1.1研究背景
荒漠化是一系列复杂的生态退化过程，主要由气候变化、过度放牧、不合理农业活动、森林砍伐以及不可持续的土地管理等多种因素引起［1，2］。土地荒漠化会导致植被覆盖减少，土地失去保护，土壤贫瘠化，水资源减少，生物多样性降低，生态系统功能退化，农作物产量下降，以及牧草资源减少等一系列问题［3］，不仅严重影响了生态环境，还对经济和社会发展造成了深远的影响。
中国是全球受荒漠化影响*为严重的国家之一。根据第五次全国荒漠化和沙化监测结果，中国荒漠化面积约为261.1万km2，占陆地国土总面积的27.20%［4］。西部和北部地区，尤其是新疆、内蒙古、西藏、甘肃和青海等地，是受影响*严重的区域，全国除上海、香港、澳门和台湾外，大部分地区都面临着荒漠化的威胁［5］。
作为我国的北部边疆，内蒙古自治区地域辽阔，全区大部分处于干旱、半干旱地区，土地荒漠化和沙化严重，是我国荒漠化和沙化土地分布*为广泛的地区之一，也是国家荒漠化和沙化土地监测的重点省（区）。内蒙古分布有巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库布齐、巴音温都尔“五大沙漠”和毛乌素、浑善达克、科尔沁、呼伦贝尔“四大沙地”，全区1/2的土地遭到荒漠化的侵害，近九成的人口受到荒漠化及其次生灾害的影响［6］。根据*新数据，内蒙古荒漠化占地面积约为61.6万km2，沙化土地面积约为39.8万km2，位居全国第二［7］。此外，还有高达16.5万km2的土地显示出明显的沙化倾向，占中国该类土地面积的59.22%［8］。土地荒漠化的不断扩张给内蒙古地区带来了沙质荒漠化及次生灾害的双重困扰。气候变化作为土地荒漠化的一个重要因素，其不确定性增加了荒漠化防治的难度，使得内蒙古荒漠化的防治工作面临严峻挑战。
因此，合理识别荒漠化生态系统的时空变化特征与规律、评估气候水文变化对荒漠化生态系统的影响及其响应关系，以及未来荒漠化生态系统的发展趋势，是目前亟须解决的科学问题，也是有效防治荒漠化的前提。
1.2研究目的及意义
基于上述背景，本研究以内蒙古为研究区域，收集多源遥感信息数据、历史气象水文数据、未来气象水文数据等相关数据，采用遥感影像、归一化植被指数（NDVI）以及荒漠化差值指数（DDI）等对研究区的荒漠化生态系统进行识别，并对各等级荒漠化生态系统的时空演变进行分析；采用曼-肯德尔（Mann-Kendall）检验等方法深入分析气候水文因子时空变异特征与规律，并进一步讨论内蒙古地区的气候变化与大区域尺度的异同，考察关键气候水文因子对荒漠化生态系统的影响与响应机制；构建气候变化对内蒙古地区荒漠化生态系统的影响评估模型，解析气候变化对荒漠化生态系统的影响，形成气候变化对荒漠化生态系统的影响评估技术；构建气候变化影响下内蒙古地区荒漠化的风险指标体系，预估了多情景模式下未来内蒙古地区荒漠化的风险，形成气候变化影响下荒漠化生态系统风险预估技术。本研究对内蒙古荒漠化生态系统可持续发展有着重要意义和指导作用，还可为内蒙古荒漠化防治提供参考和依据。
1.3国内外研究进展
针对本次主要研究内容，本节从“荒漠化生态系统时空变化特征与规律”“气候因子时空变化特征与规律”“气候变化对荒漠化生态系统的影响与风险评估”三方面论述国内外的研究进展。
1.3.1荒漠化生态系统时空变化特征与规律
土地荒漠化是当今世界面临的*严峻的生态问题之一［8，9］，荒漠化生态系统时空变化特征与规律，是学术界所共同关注的热点问题之一［10，11］。基于遥感数据的地理空间分析技术，能够针对荒漠化区域进行准确、及时和全面地定量化、空间化研究［12］。目前，利用遥感反演产品进行土地荒漠化的研究主要是从地形地貌［13］、土地利用类型［13］、裸沙占地率［14］、坡度［15］等要素构建景观生态学方面的指标进行研究分析，从植被指数［16，17］、光谱反射率［11，18，19］、植被覆盖度［20］、植被降水利用率［21］等要素进行土地荒漠化的识别分析研究，采用统计方法研究各要素对荒漠化生态系统的影响、响应关系［22］、敏感性［23］及贡献率［24］，采用趋势性分析［25，26］等方法进行荒漠化生态系统的时空变化特征分析［27］。研究结果表明，除南极外，其他大洲均不同程度地遭受着荒漠化的危害［28］，据统计，全球土地荒漠化面积约4560万km2，占土地总面积的35%［29］。荒漠化的迅速蔓延将严重危及生态环境安全及社会经济稳定［30，31］，其引起的一系列次生灾害在局部地区甚至造成了地区性政局紊乱和社会安全问题［32］。自1995年以来，我国大范围出现地表覆盖质量严重退化现象，同时在西部地区地表沙漠和荒漠化严重［33，34］。内蒙古境内包含五大沙漠、四大沙地，全区1/2的土地遭受荒漠化侵蚀，近90%的人口饱受荒漠化及其次生灾害的侵害［35］，截至2011年，内蒙古地区荒漠化土地面积6092万hm2，沙化土地面积4079万hm2，有明显沙化趋势的土地面积1740万hm2。荒漠化和沙化状况依然严重，防治形势仍然严峻［36］。
1.3.2气候因子时空变化特征与规律
目前的观测证据表明，气候变暖已经导致全球温度升高、大范围雪和冰融化以及海平面上升，区域极端天气事件发生的频率越来越高［37-43］。许多自然系统正在受到区域气候变化特别是温度升高的影响［44，45］。根据大气环流模式（GCM）评估，到21世纪中叶（2030～2050年）CO2在大气中含量加倍时，全球年均气温将增加1.5～4.5℃，平均增加2.5℃，降水可能增加7%～15%，其中陆地比海洋增温快［45］，高纬度地区比全球平均增温幅度大，并且区域间差异较大［46］。
在全球气候变化的背景下，中国的气候变化也十分显著，并且与全球变化有相当的一致性。近100年（20世纪）中国年地表平均气温明显增加，增加幅度约为0.5～0.8℃，比同期全球年平均值略高［47］。中国近100年温度年代变化与北半球的变化相似［47］。1961～2016年，全国平均气温在20世纪80年代以后上升更为明显［48］，就连西南低温区在90年代以后温度也出现上升状态［49］。近100年全国平均降水量变化趋势不明显，但存在区域性差异。从全国平均降水量来看，1956～2002年降水量呈现出小幅增加趋势［50］。年代变化上表现为20世纪20年代偏少，1996～2014年降水量呈现出增加趋势［51］。
内蒙古地区气候变化的显著特征是气候变暖，表现为四季气温均在升高，并以冬季升温幅度*大，尤其是典型沙地地区的气温上升更为明显［52］。20世纪60年代以前属于下降阶段，70～80年代中期变化较平缓，气温呈现加速上升趋势［53］，空间变化特征为内蒙古中部增温*多，城市及经济较发达地区增温速度较快［54］。
*低温度升幅明显高于*高温度升幅，表现出一种日夜增暖的不对称性，使得日较差变小［55］。由此引起无霜期延长，积雪、冰霜、雷暴、大风、沙尘暴日数减少［56］。从空间分布格局上看，内蒙古气温变化具有明显的沿纬度分布的特征，而降水变化基本上体现了一种沿经度分布的特征［57］。需要特别注意的是，近年来内蒙古降水空间变幅分布极不均匀，增加幅度出现西多东少的趋势，同时降水时间分布也不均匀［58］。就荒漠草原区而言，秋季降水量增加，降水日数减少，一次性降水量增加，降水节律变化显著［59］。
1.3.3气候变化对荒漠化生态系统的影响与风险评估
气候变化对荒漠化生态系统的影响十分复杂［60-63］，现阶段温度的升高和降水规律的变化将会改变荒漠地区的植被覆盖度、植被指数、生物多样性、植被空间分布格局、多物种出现频度［64-66］等。
研究表明气候变化对植被净初级生产量（NPP）的影响主要通过气温和降水要素来影响［67］，而且降水与植被NPP呈明显正相关关系，而气温与植被NPP呈弱的负相关关系［68-70］。但很少有研究能够定量评估人类活动对植被NPP的影响。荒漠化生态系统地上生物量的年际波动主要受年降水量的制约，一般年降水量越多，初级生产力越高；但同时受到当年降水量季节分配的影响，特别是春季、初夏的降水量*为关键［71］，不仅决定群落地上生物量的变化，还制约着生态系统的结构组成。荒漠地区由于降水量的分布不同，生物量增长可以描述为两种生长类型，即单峰*线增长型和双峰*线增长型［72］。
目前针对气候变化对荒漠化生态系统的风险评估研究较少，以往研究基本是对荒漠化生态系统荒漠化进行评估与评价，1977年召开的联合国荒漠化大会对荒漠化定义及评价方法进行了深入的探讨，制定了全球**套相对全面、科学的荒漠化评价指标体系，用于全球荒漠化的监测与评估，标志着荒漠化评价正式开始并逐渐成为荒漠化研究的热点领域［73］。近些年来，荒漠化评价指标的研究取得新进展［74］。联合国可持续发展委员会（CSD）制定了一套包括2个级别58项指标的荒漠化评价指标系统，该系统对各国荒漠化监测关键指标选取起到了引导和借鉴作用［75］。在评价模型构建方面，学者采用多标准评价研究方法，通过调查将伊朗戈莱斯坦省Trouti流域荒漠化影响因素，包括土壤质地、坡向、降雨、地质形成对侵蚀的敏感性、水文土壤、坡度和土地利用等指标纳入评价模型，得出土地利用和地质构造侵蚀敏感性是影响该地区荒漠化过程的*重要因素［76］；另外，还有学者着重分析了气候变化和土壤退化之间的关系，将荒漠化评价指标拟合为气候模型、土壤模型，并选取土壤退化指数（SQI）分析气候变化、土地利用变化及土壤退化之间存在的依赖关系［77］。
综上所述，以往的研究多以单一气候影响因子、单一荒漠化生态系统指标定性开展气候变化对荒漠化生态系统的影响研究，定量开展的少，特别是针对内蒙古荒漠化地区，采用多气候因子、多生态指标、定性定量综合评价对荒漠化生态系统的影响研究较少，本研究在内蒙古荒漠地区荒漠化生态系统时空变化、气候因子时空变化规律的基础上，研发气候变化对荒漠化生态系统的影响评估关键技术，建立气候变化影响下的生态系统风险预估模拟模型，形成气候变化影响下的荒漠化生态系统风险预估关键技术，并提出荒漠化生态系统应对气候变化方案，为自治区环境向好提供技术支撑。
2.1地理位置
内蒙古疆域辽阔，地跨中国东北、西北地区，是我国跨经度*大的省级行政区（图2-1），界于37°24′N～53°23′N、97°12′E～126°04′E，全区总面积118.3万km2，占全国土地面积的12.3%。东北部与黑龙江、吉林、辽宁、河北交界，南部与山西、陕西、宁夏相邻，西南部与甘肃毗连，北部与俄罗斯、蒙古国接壤。内蒙古主要位于内蒙古高原，是蒙古高原的主要组成部分，跨越了亚洲东部与中部的湿润、半湿润、半干旱及干旱地区，包括蒙古高原的大部分和松辽平原的西部、冀北山地、黄土高原的北部边缘。
2.2地形地貌
内蒙古地势较高，海拔在1000m左右，属于高原型的地貌区。在世界自然区划中，属于蒙古高原的东南部及其周沿地带，称为内蒙古高原，是中国四大高原中的第二大高原。在内部结构上又有明显差异，其中高原约占总面积的53.4%，山地占20.9%，丘陵占16.4%，平原与滩川地占8.5%，河流、湖泊、水库等水面面积占0.8%。在大兴安岭的东麓、阴山脚下和黄河岸边，有嫩江西岸平原、西辽河平原、土默川平原、河套平原及黄河南岸平原，这里地势平坦、土壤肥沃、光照充足、水源丰富，是内蒙古的粮食和经济作物主要产区。在山地向高平原、平原的交接地带，分布着黄土丘陵和石质丘陵，其间杂有低山、谷地和盆地分布，水土流失较严重。
内蒙古地势由南向北、由西向东缓缓倾斜，分布着辽阔的草原，是我国著名的天然牧场。除东南部外，基本是高原，占总土地面积的50%左右，由呼伦贝尔高平原、锡林郭勒高平原、巴彦淖尔-阿拉善及鄂尔多斯等高平原组成，海拔1000m左右，海拔*高点贺兰山主峰3556m
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