内蒙古自治区位于干旱、半干旱气候带,是全球气候变化的敏感地区,同时也是受人类活动干扰较多的地区。近半个世纪以来,随着区内人口的增长和经济的发展,过度放牧和过度开垦引起了剧烈的土地利用/覆盖变化(LUCC),进而导致耕地、草地大面积退化,沙漠化进程加速,使区域碳循环发生变化。近年来,中国政府启动了一系列生态恢复工程以修复、改善退化的生态环境。内蒙古是退耕还林还草工程和退牧还草工程的主要实施地区之一,其首要任务是促进退化耕地、退化草地的植被恢复及控制沙漠化的发展。本研究以探讨生态恢复工程驱动下内蒙古地区的土地利用/覆盖变化及由此引起的区域碳素循环变化为目的,一方面,基于气象数据和多源遥感影像数据,并将CASA模型模拟的净初级生产力(NPP)视为表征区域碳素循环的主要指标,分析了不同时空尺度下内蒙古地区NPP的动态变化,以及土地利用/覆盖变化对其的影响;另一方面,探讨了生态恢复工程实施前后,内蒙古地区主要植被类型—草地的面积变化及类型转化、植被覆盖度、景观格局、净初级生产力等的变化情况,并对变化过程中气候因素和人为因素的相对驱动作用进行了定量化、空间化区分。本研究的主要工作及结论如下:1.基于MODIS-NDVI遥感数据反演了内蒙古地区2001-2010年植被覆盖度的空间格局和变化规律,并从不同空间和时间尺度上分析了其对气候变化的响应。内蒙古植被覆盖度自西向东的变化速率为0.2/10°N。10年间森林、草原和沙漠生态区的年均植被覆盖度分别为0.57、0.4和0.16。2001-2010年,内蒙古植被覆盖度总体呈上升趋势。在年际水平上,内蒙古植被覆盖度与降雨量的关系更加密切,而在月际水平上,降雨量和温度对植被覆盖度的影响作用相当,说明年内植被生长更依赖于水热组合的共同作用,而与单一气候因子的相关性降低。2.利用CASA模型对2001-2010年内蒙古不同植被类型的NPP进行了估算,并分析了其时空分布特征及对气候因子的响应。10年间内蒙古植被年NPP的平均值为340.0 gCm-2yr-1,且空间分布呈明显的经度地带性,由西向东的变化速率为200.5 gCm-2yr-1/10°。不同植被类型NPP有较大差异,森林、草地、农田和荒漠植被的NPP平均值分别为521.9、270.3、405.7和85.3 gCm-2yr-1。不同植被类型NPP对气候因子的敏感性有较大差异。森林植被NPP主要受温度的限制,而农田、草地和荒漠植被NPP主要受降水量控制。3.利用CASA模型逐像元模拟了 2001-2010年内蒙古不同类型草地的NPP时空变化,分析其对气候因子的响应关系。2001-2010年内蒙古草地多年平均NPP为281.3 gCm-2yr-1,空间分布呈现由西南向东北递增的趋势,其中草甸草原、典型草原、荒漠草原的单位面积平均NPP分别为431.8 gCm-2yr-1、288.7 gCm-2yr-1 123.5 gCm-2yr-1。2001-2010年间内蒙古草地NPP总体上呈上升趋势。草甸草原NPP与降水量、温度的关系均很密切,而与温度的相关性更强;典型草原和荒漠草原NPP则主要受降水量控制,其中荒漠草原NPP与降水量的关系更密切。4.利用MODIS-IGBP 土地利用图和CASA模型对2001-2009年内蒙古地区土地利用/覆盖变化及其对NPP的驱动作用进行了研究。2001-2009年内蒙古草地面积增加最大,荒漠和农田面积大量减少。由荒漠和农田向草地的转化是最明显的土地覆盖类型变化,约占总变化量的66.04%。2001到2009年间,内蒙古地区的平均NPP由290.5 gCm-2yr-1增加到322.8 gCm-2yr-1 NPP总量则由275,877.4 GgC增加到309,538.0 GgC。草地NPP总量的增加量占所有植被总增加量的87.4%,其中未变化草地NPP总量的增加量占总增加量的44.4%。5.2001-2009年间,内蒙古草地的土地覆盖类型和土地利用方式在生态恢复工程的实施过程中都发生了显著的变化。9年间全区草地面积增加了 77,993 km2,其中由沙漠、农田转化而来的草地分别占新增草地面积的47.6%和41.1%。草地转化为农田是原有草地的主要转出方向,转化面积为36,135.9 km2。内蒙古草地NPP总量9年间增加了 29,432.71 GgCyr-1,其中人类活动引起的增加量约占80.23%。在剔除气候变化引起的NPP变化之后,由农田和沙漠转化而来的新增草地的NPP总量分别为18,926.34 GgCyr-1和8,604.39 GgCyr-1;由草地转化为农田导致的NPP损失量为14,529.92 GgCyr-1。对于未变化草地而言,管理措施的改善是NPP增加了 11,230.21 GgCyr-1。6.对1985、1995、2000和2009年四个时期内蒙古草地的面积变化、NPP变化和LSI变化进行了研究。1985、1995、2000和2009年的内蒙古地区草地面积分别为54、75、53、61万km2。总体而言,1985-2009年间内蒙古草地面积增加了 71,898 km2,约占1985年草地面积的13.39%,而在2000-2009年间草原区草地面积的显著增加是这一变化的主要原因。与1985-1995年和1995-2000年相比,内蒙古草地在2000-2009年的景观异质性和破碎化程度有所下降,草地在所有景观中的主导地位有所提高。内蒙古草地的平均NPP在 1985-1995 和 1995-2000 年间分别减少了 4.33%和 7.17%,而在 2000-2009年间则增加了 36.55 gCm-2yr-1,相当于2000时全区草地NPP的15.55%。内蒙古草地的NPP总量在2009年达到最高,比1985和2000时分别增加了16.36%和 32.91%。7.通过对比蒙古和内蒙古地区2001-2009年间土地利用/覆盖变化及其对NPP变化的影响,从整体上探讨了广域空间尺度下气候条件和土地政策的差异对该过程的驱动作用。2001-2009年间,草地是蒙古地区面积增加最大的植被类型,增加量为88,798km2。9年间最主要的土地覆盖类型转化方式为由沙漠转化为草地,转化面积为81,741km2,集中发生在蒙古中部草地-沙漠过渡区域。2001-2009年间蒙古地区所有植被的平均NPP增加了 4.5 gCm-2 yr1,NPP 总量由 2001 年的 322,498.0 GgC 增加到 2009 年的 334,365.6GgC,其中,草地NPP总量增加了 31,719.8 GgC。8.利用生物地球化学模型BIOME-BGC模拟了内蒙古锡林河流域4种草地群落年际间和年内逐日NEP的变化规律。1954-2012年贝加尔针茅、大针茅、克氏针茅和羊草群落的多年平均NEP分别为11.41、-7.82、-5.03、和9.30 gCm-2yr-1。总体而言,4种草地群落多年平均日NEP的年内动态均呈先释放、后固碳、再释放的变化特征。4种草地群落的NEP和年降水量均存在显著的相关性,其中大针茅、克氏针茅和羊草群落的NEP和年降水量的相关性达到极显著水平。NEP为0时,4种草地群落年降水量平均值为295.76 mm,说明在年降水量大于该值时NEP多为正值,而小于该值时NEP多为负值。本研究的创新之处:第一,从草地发生学和碳源汇演变机制的角度分析了气候变化和土地利用/覆盖变化对草地植被生产力时空演变的驱动作用,明确了草地生产力分布、动态变化及其对外界驱动因素响应过程的时空异质性与内在机理。第二,以土地利用/覆盖变化为基础,结合实际NPP和潜在NPP,定量化、空间化的区分了气候变化和人类活动(包括草地覆盖类型转化、草地管理方式转变)在NPP变化过程中的相对作用;第三,生态恢复工程实施对草地生态学系统影响的评价。以生态恢复工程实施前后内蒙古的草地植被覆盖面积、覆盖度、NPP、景观格局变化为基础,结合内蒙古统计年鉴,综合评价了退耕还林还草工程和退牧还草工程的实施给内蒙古带来的生态环境方面的变化,并对工程实施过程中存在的不足之处进行了讨论,提出了生态恢复工程进一步调整和优化的可能方向。内蒙古地区草地生产力的时空动态变化受诸多因素的影响,其中主要包括气候变化和人类活动。尽管1985-1995年间的短暂湿润期使内蒙古草地的面积有所增加,沙漠面积有所减少,但在1995之后,随着区域气候暖干化趋势加速,草地沙化现象仍然普遍存在。1985-2000年间,过度放牧使草地植被净初级生产力较低,而大规模的草地开垦使该区域景观格局破碎化程度较高。随着2000年左右生态恢复工程的实施,内蒙古草地生态系统得到一定程度的恢复,草地面积有所增加,植被净初级生产力有所提高,同时农田和沙漠面积有所减少,景观格局的异质性和破碎化程度降低。退耕还草和沙漠区人工种草是促使内蒙古农田面积减少、草地面积增加的主要因素,而禁牧、划区轮牧、人工打草场建设及圈舍养殖等管理利用方式的提高促使原有草地的生产力和覆盖度有显著提高。然而,针对日益增加的放牧压力,生态恢复工程有待于进一步调整和优化,特别是要对原本未退化、轻度退化的草地引起足够重视,而在人工植被建植过程中植物种类的选择也应遵循因地制宜的原则。如果能够合理的、持续的实行,退耕还林还草和退牧还草工程无疑将在退化草地恢复、增加生态系统碳蓄积能力和沙尘暴防治过程中起到重要作用。