内蒙古查干淖尔流域土地利用变化对生态系统健康的影响机制与阈值效应研究

本文系统评估了内蒙古查干淖尔流域1990-2022年间土地利用变化对生态系统健康（EH）的影响。基于VORS（活力-组织-韧性-服务）框架，研究发现草地和农田是影响EH的关键地类，分别存在37.99%和50.51%的生态阈值。退耕还草对EH提升贡献最大（EHCI=0.1346），而草地退化和城镇化则显著负向影响EH。研究成果为生态脆弱区国土空间规划和生态保护提供科学依据。

　　

1 引言

自然生态系统为人类生存与社会发展提供丰富的物质基础和生态服务。生态系统健康（Ecosystem Health, EH）是指生态系统在面临自然或人为干扰时维持结构完整性、功能稳定性以及保障生态系统服务可持续供给的能力。维持健康的生态系统是区域可持续发展的基础。土地利用变化是人类活动直接影响生态系统的主要途径。过去几十年间，快速的社会经济发展和日益增长的土地需求急剧改变了土地利用格局，生态脆弱区域的自然生态系统受到土地退化、生物多样性丧失和生态系统功能下降等生态环境问题的困扰，加剧了生态系统退化，对EH和人类社会可持续发展构成严重威胁。因此，科学评估EH并揭示土地利用变化对EH的影响，对于优化国土空间治理、促进生态系统稳定健康发展至关重要。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

查干淖尔流域位于内蒙古自治区东南部，是内蒙古国土空间生态修复的重点区域，流域面积约5,561 km²，地理坐标介于41°14′~42°06′N和113°18′~114°32′E之间。流域内地貌类型以低山丘陵、山间盆地、谷地洼地和平原为主，地势总体由东南向其他方向抬升，海拔介于1,252 m至1,817 m之间。该区地理上远离海洋，属于典型的温带半干旱大陆性季风气候，夏季高温降水集中，冬季干冷多风。流域年均温约4℃，年降水量约351 mm，年均蒸发量约1,647 mm，是降水量的近五倍。由于农业灌溉和地下水过度开采，查干淖尔流域水域面积显著萎缩，对生态环境造成显著压力。

2.2 数据来源与处理

本研究采用的数据主要包括土地利用数据和自然环境数据。（1）土地利用数据：空间分辨率为30 m×30 m的土地利用与土地覆盖数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。（2）自然环境数据：30 m×30 m分辨率的数字高程模型（DEM）和Landsat系列遥感影像均从地理空间数据云平台获取。基于这些遥感影像，利用近红外波段和红波段计算归一化植被指数（NDVI）。气象数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心提供的中国气象要素年值空间插值数据集，空间分辨率为1 km×1 km。所有数据均借助ArcGIS 10.8软件统一到WGS_1984_UTM_Zone_49N地理坐标系，低分辨率栅格数据重采样至30 m×30 m分辨率。动态数据时间序列覆盖1990、2000、2010和2022年。

2.3 研究方法

2.3.1 生态系统健康评估

生态系统健康不仅强调生态系统组分、结构和功能的完整性，还涵盖为人类福祉持续提供生态系统服务的能力。本研究采用"活力-组织-韧性-服务"（VORS）模型构建查干淖尔流域生态系统健康评估框架，计算公式为：EHI = ?(EV × EO × ER × ES)，其中EHI表示生态系统健康指数，EV、EO、ER和ES分别代表生态系统活力、组织力、韧性和服务能力。为消除单位和量纲差异，各指标采用极差标准化法标准化，将EV、EO、ER和ES缩放至0~1范围。采用自然断点法将EHI从低到高划分为五个等级：脆弱（0~0.213）、较脆弱（0.213~0.353）、中等（0.353~0.504）、较健康（0.504~0.651）和健康（0.651~10.780）。

生态系统活力（EV）指生态系统的代谢或初级生产力，通常用归一化植被指数（NDVI）表征。本研究选择生长旺季（7-9月）的最大NDVI值量化生态系统活力指数，计算公式为：EV(NDVI) = (NIR - RED)/(NIR + RED)，其中NIR为近红外波段，RED为红波段。

生态系统组织（EO）指生态系统的结构稳定性。一般而言，生态系统结构越复杂，生态系统越健康。本研究选择反映景观异质性、连通性和形态学的景观格局指数来表征EO。首先使用Fragstats 4.2软件计算景观格局指数，然后通过权重系数模型推导EO指数，计算公式为：EO = 0.35×LH + 0.35×LC + 0.3×IC = (0.2×SHDI + 0.15×SHEI) + (0.15×COHESION + 0.1×LJI + 0.1×CONTAG) + 0.3×FRAC，其中LH、LC和IC分别表示景观异质性、连通性和形态学；SHDI和SHEI分别代表香农多样性指数和香农均匀度指数；COHESION、LJI和CONTAG分别表示凝聚度指数、散布与并列指数和蔓延度指数；FRAC为周长-面积分维数。

生态系统韧性（ER）指生态系统的结构和功能在遭受自然或人为干扰后恢复到原始状态的能力，可从生态系统对外部胁迫因子的抵抗力和恢复力两个方面来描述。前者指生态系统抵抗外部干扰的能力，通过自我调节维持其结构和功能的稳定性；后者指生态系统在遭受严重破坏后恢复原始状态的能力。基于各土地利用类型对外部干扰和生态恢复的贡献，为不同土地利用类型分配生态韧性和抵抗力系数。ER则计算为各土地利用类型的韧性和抵抗力系数的面积加权平均值，具体计算公式为：ER = 0.6×Resil + 0.4×Resist = 0.6×∑_i=1ⁿA_i×C_r,i + 0.4×∑_i=1ⁿA_i×C_t,i，其中Resil和Resist分别表示生态恢复力和抵抗力；A_i为土地利用类型i的面积；n表示土地利用类型数量；C_r,i和C_t,i分别为土地利用类型i的恢复力系数和抵抗力系数。

生态系统服务（ES）指生态系统为人类社会提供必需产品和服务的能力。基于流域特点和数据可获得性，选择了四种关键生态系统服务：土壤保持、碳储存、产水量和生境质量维持。这些服务采用InVEST模型进行定量评估。为量化各种生态系统服务的综合能力，采用综合生态系统服务指数，计算为各标准化生态系统服务的加权求和，具体计算公式为：CESI = ∑_i=1ⁿ(P_i×W_i)，其中CESI表示综合生态系统服务指数；P_i代表生态系统服务i的标准化值；W_i为生态系统服务i的权重，采用熵权法确定。

2.3.2 土地利用变化对生态系统健康的影响

2.3.2.1 土地利用转换对生态系统健康的贡献

采用Li等（2022）提出的方法量化土地利用转换对EHI变化的贡献度，可有效识别不同阶段对生态系统健康产生正向或负向影响的主导土地利用转变。具体计算公式为：EHCI_ij = M_ij×(ΔQ_ij/ΔS)，其中EHCI_ij表示从土地利用类型i到j的转变对EHI变化的贡献指数；M_ij为由土地利用类型i到j转换导致的EHI变化平均值；ΔQ_ij为从土地利用类型i到j的转换面积；ΔS为总转换面积。EHCI>0表示对EHI变化有正向贡献，贡献程度随EHCI升高而增大；反之，EHCI<0表示负向贡献，负面影响程度随EHCI降低而加剧。

2.3.2.2 影响生态系统健康的关键土地利用类型及其阈值效应识别

本研究应用随机森林模型评估不同土地利用类型对生态系统健康的贡献，并在3 km×3 km网格尺度上识别关键土地利用类型。随后，利用RStudio构建分段线性回归模型，以平均EHI为因变量，关键土地利用类型比例为自变量，用于确定网格尺度上EH与关键土地利用类型比例之间的非线性关系，以及识别EH如何响应关键土地利用类型比例及其阈值。

3 结果

3.1 土地利用时空变化

1990-2022年间，农田是查干淖尔流域的主导土地利用类型，占总面积的50%以上，其次是草地（>36%），两者呈空间交错分布格局。建设用地占4.68%-5.75%，分布分散。裸地（3.17%-3.63%）主要集中在中部地区，特别是水域周围，盐碱地大多分布于此。森林占2.07%-2.56%，零星分布于中南部地区。水域和湿地仅占1%，波动极小。虽然研究期间土地利用总体结构保持稳定，但个别土地利用类型表现出明显变化。值得注意的是，农田面积减少最为显著（100.00 km2），从1990年的51.74%下降到2022年的49.94%，这一趋势反映了"退耕还林还草"工程实施的有效性。相比之下，森林和建设用地扩大（分别为27.53 km2和59.11 km2），而草地面积几乎保持不变。湿地和裸地面积略有增加，水域面积呈现先下降后恢复的趋势。

土地利用转移矩阵分析表明，1990-2022年间流域内土地利用转变主要以农田、草地和建设用地之间的转换为主。农田是转出最主要的土地利用类型，累计面积达189.05 km2。农田减少主要转为草地（132.48 km2）、建设用地（40.12 km2）和森林（13.33 km2）。草地主要转为农田（80.49 km2）、裸地（19.44 km2）和建设用地（14.54 km2）。然而，生态保护工程的实施促进了大量农田向草地的转换，使草地成为主要转入类型。森林面积扩张源于农田和草地的转换，面积分别为13.33km2和21.17 km2。建设用地扩张主要来自占用农田和草地，面积分别为40.12 km2和14.54 km2。

3.2 生态系统健康空间格局与演变

采用VORS模型计算1990-2022年EHI。查干淖尔流域总体上处于中等生态系统健康水平，EHI呈现空间异质性分布格局。健康和较健康等级区域大多集中在南部低山丘陵地区以及南部和西北部的山间盆地，这些地区草地分布广泛，植被覆盖度相对较高。相比之下，脆弱和较脆弱等级区域分散分布，无明显聚集特征，主要以盐碱地和建设用地为主，这些地区生态环境脆弱，极易受到气候变化和人为干扰的影响。

整个研究期间，流域EHI呈现波动变化趋势，1990、2000、2010和2022年的平均值分别为0.337、0.325、0.361和0.363，表明生态环境总体改善。根据EHI变化和生态工程实施时间节点（各类生态保护工程自2000年起实施），EHI演变可分为三个阶段：实施前（1990-2000年，生态退化期）、实施中期（2000-2010年，生态恢复期）和实施后（2010-2022年，生态稳定期）。

具体而言，在生态退化期，流域EHI大幅下降，较脆弱和脆弱健康等级的组合面积从1990年的21.78%增加到2000年的27.00%。这主要是由中等等级区域的退化驱动，导致生态环境逐渐恶化。2000-2010年间，流域生态健康快速改善，到2010年EHI增加了11.08%。这表明早期生态工程对生态环境改善产生了显著积极影响，大幅提升了整体生态系统健康水平。2010-2022年间，EHI继续保持稳定上升趋势，健康等级面积显著增加至11.92%。但值得注意的是，脆弱等级面积也大幅增加，主要原因是建设用地扩张侵占自然景观，导致这些区域健康持续下降。同时，部分区域草地退化进一步加剧了生态系统健康恶化。

3.3 土地利用转换对生态系统健康的影响

土地利用转换对生态系统健康贡献度评估表明，1990-2022年间，农田向草地的转换对EHI变化的贡献最大，显示正向影响（EHCI = 0.1346）。这一发现凸显了生态保护政策实施在改善流域生态系统健康方面的有效性。此外，裸地向农田和草地的转换也对EHI表现出显著的积极影响，EHCI值分别为0.0117和0.0111。相反，虽然草地向裸地和建设用地的转换也对生态系统健康变化贡献较大，但产生负面影响，EHCI值分别为-0.0252和-0.0212，其次是农田向建设用地的转换（EHCI=-0.0211），表明草地退化和快速城镇化加剧了生态退化，不利于维持流域高水平生态系统健康。

3.4 土地利用结构对生态系统健康的影响

不同土地利用类型对生态系统健康贡献分析表明，草地对EHI的贡献最高，其次是农田。因此，草地和农田被确定为影响流域生态系统健康的关键土地利用类型。进一步分析揭示了EHI与关键土地利用类型面积比例之间存在显著的非线性关系。草地面积比例对生态系统健康有显著正向影响。当比例低于37.99%时，草地面积增加导致EHI快速上升；但超过此阈值后，EHI增加速率减弱。农田面积比例对EHI也存在阈值效应。当农田面积比例低于50.51%时，扩大农田对EHI产生正向影响；相反，超过此阈值会导致农田扩张对EHI产生负面影响。

4 讨论

4.1 土地利用变化对生态系统健康的影响

本研究采用VORS框架结合综合指标对查干淖尔流域EH进行了综合评估，重点探讨了土地利用变化对EH的影响。以往研究多从自然、社会和经济角度分析EH变化的驱动因素并提出优化策略，但很少系统研究土地利用配置和土地利用类型间转换如何影响EH，这限制了为土地利用和生态系统管理决策提供信息的能力。土地利用作为生态系统过程与人类活动之间的关键纽带，通过改变生态系统结构和功能，对EH产生正向或负向影响。贡献指数分析表明，EH动态与人类活动驱动的土地利用转变密切相关。总体而言，1990-2022年间流域EH呈现先下降后恢复的趋势。农田向草地的转换对EH的正面贡献最大（EHCI = 0.1346），反映了近期生态保护政策（特别是"退耕还草"工程）带来的显著生态改善，增强了生态环境质量。相比之下，草地退化为裸地以及以牺牲农田和草地为代价的城市扩张对EH产生了显著的负面影响。

研究进一步揭示了不同时期土地利用转变方向及其对EH的贡献程度存在差异。具体而言，1990-2000年间，整个流域EH大幅下降，主要驱动因素是人口快速增长和自然资源开发强度加大。这些压力改变了原始土地利用格局，大量草地转为农田和裸地，严重破坏了自然生态系统，损害了其承载能力，加剧了生态退化，从而对流域EH造成严重负面影响。为缓解数十年社会经济发展带来的生态退化，2000年代以来查干淖尔流域实施了多项生态保护与恢复工程。结果显示2000-2010年间EH显著改善，归功于"退耕还草"工程。生态用地的扩张和植被覆盖度的大规模提高增强了生态系统活力以及抵抗外部干扰的能力，改善了关键生态系统服务供给能力，在一定程度上有效缓解了社会经济发展对自然生态系统的压力。这种生态增益持续到2010-2022年，EH呈现稳定改善态势。然而，生态恢复也面临挑战： intensified的城市扩张侵占周围原始生产和生态用地以满足住房和交通需求。农田向建设用地的转换增加了农田破碎化，降低了连通性；而草地和湿地向建设用地的转换破碎化了连续的自然景观，破坏了生态系统的结构连通性和稳定性。此外，人为引起的草地退化（如过度放牧驱动向裸地的转变）也对EH造成持续压力，导致这一时期局部健康下降。

此外，本研究确定了影响流域EH的关键土地利用类型并揭示了其阈值效应，为优化土地利用格局以提高区域EH水平提供了科学依据。结果表明草地对EH产生正向影响，归因于其相对较高的生产力、抵抗力和恢复力。作为高度多功能的生态系统，草地为人类提供多样的生态系统服务，极大地促进了生态平衡和生态系统稳定性。然而，草地面积比例对EH的影响表现出显著阈值效应，超过阈值会减弱EHI增加速率。这种现象主要归因于水资源是查干淖尔流域生态系统的关键限制因子。当草地面积相对较小时，浅层地下水和季节性降水能够充分满足植被的水分需求。随着草地面积的持续扩张，植被总耗水量将迅速上升，可能接近甚至超过流域水资源承载能力，进而制约植被生长，从而损害草地生态系统的长期可持续性。因此，在适宜阈值内扩大草地面积可有效改善EH。相比之下，农田对EH表现出双重效应，其影响在超过临界阈值后由正向转为负向。农田不仅履行其基本生产功能，还提供水源涵养和土壤保持等生态系统服务。然而，过度扩张以牺牲自然生态系统为代价的农业生产会对EH产生不利影响。此外，查干淖尔流域农业灌溉过度开采地下水的现象持续存在，导致区域地下水位急剧下降，伴随流域内主要湖泊萎缩甚至完全干涸。这种现象不仅损害湖泊和湿地生态系统的内在生态功能，还诱发周围草地退化，呈现荒漠化和盐碱化趋势。因此，流域EH受到严重损害。未来，平衡草地保护与农业生产对于实现生态健康和粮食安全的协同改善至关重要。

4.2 生态保护与土地利用规划建议

土地利用变化对EH影响的分析可为解决农业与生态空间冲突、制定合理国土空间布局和实施重大生态保护工程提供科学指导。研究结果强调，优化土地利用格局和加强生态保护与恢复应作为查干淖尔流域长期生态系统健康管理的优先事项。

鉴于草地对EH的显著正向影响，依托京津风沙源治理等关键生态工程，应对现有高健康水平生态系统的草地实施围栏保护——特别是分布在南部低山丘陵地区以及南部和西北部山间盆地区的草地。对于水域周围的盐碱地，应根据当地条件采取围栏封育和人工种植本地适生草种等措施，恢复退化和盐碱化草地，从而改善由草地退化和盐碱化引起的EH水平下降。此外，随着城镇化的不断推进，建设用地扩张不可避免。然而，草地可以在一定程度上缓解城市扩张的负面影响。因此，政策制定者不仅应控制建设用地的无序扩张，还应高度重视城市绿地的建设。另外，流域内人口的空间分散分布、生活模式和生产活动对自然生态环境施加巨大压力并造成破坏。相比之下，人口的地理集中是改善生态环境的最佳策略。因此，应努力促进人口和居民点的适当集中。

考虑到查干淖尔流域农田比例对EH的双重影响，建议适当调整农田范围，以减轻过度开垦对EH的不利影响。此外，鉴于农业灌溉过度开采地下水对区域湖泊、湿地及其邻近草地生态系统的严重影响，有必要减少农业用水，加强旱作农业建设，推进水田改旱地。应减少马铃薯等高耗水作物种植，而有序扩大适合当地自然条件的低耗水耐旱作物——包括青贮玉米和旱地小麦的种植。对于现有低质量低产量、EH水平低且不适合耕作的土地，应加大力度实施国家退耕还草政策，结合当地畜牧业发展目标。根据当地条件采用种植优质饲草（如燕麦、饲用莜麦、紫花苜蓿等）、人工补播或自然恢复等措施，这不仅可以扩大草地面积，还可以与饲草加工产业发展协同，从而实现生态和经济效益的双赢。同时，应完善耕地撂荒和草地恢复的生态补偿机制，防止农民因补贴减少而复垦休耕地。对于高质量农田，建议减轻农业化肥和农药的环境污染，调整种植业结构，减少高耗水作物种植，推广高效节水灌溉，以优化保护效果和提高农业生产能力，这不仅促进绿色农业发展，还确保农田资源的长期可持续利用。

值得注意的是，本研究得出的"阈值"是基于土地利用与EH之间统计相关性建立的理论值。在实际应用中，必须充分考虑流域的具体挑战，以制定更合理的土地利用调控政策。此外，在追求EH改善的过程中，地方政府还应以区域发展目标为指导，综合权衡经济、生态和社会效益，制定土地利用规划和调控措施，以确定土地利用类型的最佳组成比例。

4.3 局限性与未来工作

本研究评估了查干淖尔流域EH状况及其对土地利用变化的响应，为流域尺度生态保护和可持续发展提供了重要科学见解。然而，本研究存在若干局限性和不确定性需要进一步研究。首先，虽然本研究将生态系统服务供给能力纳入EH评估并提高了评估结果的可靠性，但由于数据获取和评估方法的限制，考虑的生态系统服务类型范围仍然不足。虽然土壤保持、碳储存、产水量和生境质量维持是查干淖尔流域最具代表性的调节服务，但这并不意味着其他支持和文化服务不重要。因此，未来研究应包括更广泛的生态系统服务，以更全面准确地反映流域生态系统状况。此外，本研究缺乏对人类生态系统服务需求的量化。未来应深入探索衡量人类对生态系统服务需求的方法，并从人地耦合和供需平衡的角度进一步拓展EH评估的广度和深度。其次，本研究主要关注历史时期（即1990-2022年）土地利用变化对EH的影响，忽略了未来趋势以及土地利用和EH的动态演变。鉴于未来土地政策的不确定性和环境变化的复杂性，未来应整合多种气候变化和土地政策情景进行EH模拟，以更好地支持生态系统管理和政策制定。第三，EH演变是气候变化（如温度上升、CO₂浓度增加和降水变化）和人类活动（包括土地利用变化）共同驱动的结果。本研究仅考察了不同土地利用变化对EH的影响，未同时考虑气候因素或其他关键人类活动因素（如放牧强度）。因此，未来研究应整合多种影响因素，以增强对EH与土地利用变化关系的理解。最后，土地利用结构对EH影响的研究存在一定局限性。一方面，虽然本研究确定了关键土地利用类型对EH的影响及其阈值，但未探索这些关系的尺度效应。未来研究应调查多尺度过程如何影响土地利用-EH阈值的动态。另一方面，虽然草地和农田已被确定为影响EH的关键土地利用类型，但尚未进一步探讨不同草地类型（如具有不同群落组成的草地）和农田类型（如旱地与水田）对EH的差异影响，这也需要在未来研究中深入调查。此外，鉴于水资源在流域的重要性，未来研究还应额外关注湿地和水体自身相对脆弱的EH状况。

5 结论

本研究分析了1990-2022年间内蒙古查干淖尔流域土地利用时空变化，然后通过构建VORS框架系统评估了流域EH水平，并进一步探讨了土地利用结构及不同土地利用类型间转换对EH的影响。主要研究发现可总结如下：（1）农田和草地是主导土地利用类型。森林和建设用地面积持续扩张，而农田面积减少，主要转为草地和森林。（2）流域生态系统总体处于中等健康水平，呈现先恶化后持续改善的趋势。高水平EH区域主要集中在南部低山丘陵地区以及南部和西北部的山间盆地，而低水平EH区域分散分布，无明显聚集模式。（3）草地向裸地和建设用地的转换是土地利用变化区域EH恶化的主要驱动因素，而退耕还草对EH的正面影响最大。（4）草地和农田被确定为影响EH的关键土地利用类型，均表现出显著阈值效应。草地面积比例对EH产生正向促进作用，阈值为37.99%。超过此阈值后，正向促进作用逐渐减弱。相反，农田面积比例对EH的影响在阈值前后呈现 contrasting effects：当比例低于50.51%时，对EH有正向影响；但超过此阈值后出现显著负面影响。总之，政策制定者在制定生态保护和土地利用优化政策时应重视土地利用结构和转换对EH的作用。加强草地生态系统保护与恢复、适度扩大草地面积以及限制过度开垦活动是提升流域EH的核心策略。