基于多源遥感与PSR框架的内蒙古农牧交错带生态格局时空演变、生态安全风险评估及潜在影响因素识别

《Sustainability》：Spatiotemporal Evolution of Ecological Patterns and Ecological-Security Risk Assessment with Identification of Potential Influencing Factors in the Agro-Pastoral Ecotone of Inner Mongolia

　　

内蒙古农牧交错带作为中国北方重要的生态敏感区和生态安全屏障，其生态格局与安全状况同区域可持续发展密切相关。基于2000—2023年卫星遥感、土地覆盖和气象观测数据，本研究应用生态格局转移矩阵、植被模型和压力-状态-响应（PSR）框架，定量分析区域生态系统转移、生态功能演变和生态安全风险。结果表明，1990—2023年，森林和草地面积增加，荒漠、水体和湿地面积减少，聚落呈急剧扩张趋势。2000—2023年，该区域呈现明显增温倾向和统计上显著的变湿趋势。净初级生产力（NPP）和归一化植被指数（NDVI）呈现从西北向东南增加的空间分布。对于独立观测的NDVI，其与降水（r = 0.823）的相关性明显高于与温度（r = 0.141）的相关性。模型模拟NPP与气候变量的相关系数应谨慎解释，因为降水和温度是NPP经验-统计模型的显式输入。研究区生态安全指数总体上升，而响应子系统在2005年后持续下降。安全水平呈现东北部安全、西南部不安全、中部临界状态的空间分异，且2000—2023年改善区域逐渐扩大。此外，针对不同区域提出了可行且建设性的生态恢复与调控策略。本研究揭示区域生态格局与安全的演变特征及潜在影响机制，为中国北方生态安全屏障建设提供支撑。

研究背景与问题：内蒙古农牧交错带（agro-pastoral ecotone，农林牧生产模式交错过渡区）横跨中国北方东北至西南，是中国面积最大、空间跨度最长的农牧交错带，也是寒温带、温带和半干旱等多种气候类型交汇区，气候波动强、生态环境高度敏感，构成北方生态安全屏障关键区。国际上生态安全与修复研究较早，已有草地恢复实验、退化草地修复、荒漠化治理和生态监测等实践；国内基于多源遥感构建了陆地生态系统服务价值动态评估框架，为区域生态变化与安全评估提供方法基础。但对该区长期生态系统类型转移和生态安全格局演化的定量识别不足，2000年以来生态系统结构变化和生态功能演化速率未获充分表征，缺乏系统的生态安全分级评估方法，难以准确分析气候变化和人类活动对生态安全的潜在影响机制。因此，研究人员开展本研究。

研究开展与意义：研究使用2000—2023年卫星遥感、土地覆盖和气象观测数据，选取NPP（净初级生产力，植被光合固定碳扣除呼吸消耗后的净碳积累）和NDVI（归一化植被指数，反映植被绿度的遥感指数）等指标，分析生态系统转移与生态功能空间变化；构建PSR（压力-状态-响应，分别表征生态环境压力、状态与人类响应）-熵权（entropy weight method，依据信息熵确定指标权重）生态安全评估体系，并分析生态安全与潜在气候、人类活动因素的统计关联。其意义在于为加强中国北方生态安全屏障建设和区域可持续发展提供理论基础与实践支撑。

关键技术方法（不超过250字）：数据来源包括MODIS（中分辨率成像光谱仪）NDVI（2000—2023）、CLUD（中国土地利用/覆盖变化数据集）土地覆盖（1990—2023，1 km）、中国气象局气温与降水（原始1980—2023，实际分析2000—2023，结合DEM（数字高程模型）插值至1 km）、统计年鉴社会经济数据；研究区边界采用中国农业大学An Pingli’s团队提出的农牧交错带边界来源。方法包括生态格局转移矩阵、植被覆盖度模型、NPP经验-统计模型（以高程、年最大NDVI、年降水和年均温为输入）、PSR-熵权综合评价（全期汇集标准化与权重）、Jenks自然断点（使类内差异小、类间差异大的分级方法）全期统一分级、线性趋势分析和Pearson相关（度量两变量线性相关程度）。社会经济总量按耕地比例分配，比率/人均指标按县域建成区赋值并承认县内均质假设。

研究结果：
3.1 水文气候特征与生态转移（Hydroclimatic Characteristics and Ecological Transition）。基于气象观测和转移矩阵分析，研究区年均降水约134—636 mm，自东南向西北递减；西北部年降水不足140 mm，荒漠和戈壁广布、植被稀疏；东南部属东亚季风气候，降水较丰、气候较湿；受东亚季风尾端影响，东南季风强弱及南北振荡直接控制冷暖干湿变化。1990—2023年，农田减少并主要转为草地、森林和聚落；森林增加主要来自草地和农田；草地增加主要来自农田和荒漠；水体和湿地显著减少并主要转为农田、草地和聚落；聚落急剧增加，主要占用农田、草地、水体、湿地和荒漠；荒漠显著减少并主要转为草地、农田和聚落。

3.2 生态质量与功能演变格局（Evolution Patterns of Ecological Quality and Functions）。基于遥感信息和地面气象观测数据在1 km×1 km尺度量化NPP和NDVI，2000—2023年研究区NPP均值为657.7 g/m²/a、NDVI均值为0.51；二者均呈西北向东南增加的空间格局，NPP最低值在西北部约499.78 g/m²/a，最高值在东北部约778.49 g/m²/a；NPP变化总趋势由西南向东北增加，变化最慢区在中西部交界，最大变幅在东部。NDVI变化空间差异较小，超过50%区域变化小或负增长；西部小部分区域NDVI与温度相关达?0.72，西北部NDVI与降水相关最高超过90%，降水与NDVI的相关性高于温度。线性趋势分析显示，年均温斜率0.02558 °C·yr^?1（p > 0.05），呈明显但不显著增温；年总降水斜率0.39504 mm·yr^?1（p < 0.05），显著上升；区域平均NPP斜率10.05312 g C·m^?2·yr^?1（p < 0.001），NDVI斜率0.0044 yr^?1（p < 0.001），均显著增加。Pearson相关显示，温度与NPP（r = 0.234）、NDVI（r = 0.141）呈弱正相关；降水与NPP（r = 0.688）、NDVI（r = 0.823）呈正相关；但时间序列自相关和共同趋势可能膨胀显著性，这些系数仅反映统计关联而非确定因果。由于降水和温度是NPP经验-统计模型的输入，模拟NPP与气候变量的相关不能作为独立气候驱动证据，仅作参考；年降水和NPP最小值均出现在2007年，二者趋势较一致。多时间尺度上，温度与植被功能相关较低（r = 0.14—0.23）；中等增温在水分充足时可能有利，但年际波动显示低降水年高温可能形成潜在胁迫，植被低谷偶与温度峰值重合，植被峰值一致匹配高降水年。

3.3 风险评估体系构建与时空分布转变（Construction of the Risk Assessment System and Spatiotemporal Distribution Transition）。基于PSR模型和综合指数法构建生态安全风险评估体系，纳入人口密度、人均GDP、肥料施用量、NPP、植被覆盖度、PM_2.5（细颗粒物）、生境质量、土壤保持等19项指标，统一至1 km网格，全期汇集确定标准化阈值和熵权，并以Jenks自然断点全期统一阈值分级。ESI（生态安全指数，综合加权得到的生态安全度量）和状态子系统总体上升，响应子系统短暂增加后持续下降、2005年后下降，压力子系统总体稳定。安全等级呈东北部以“较安全”和“安全”为主、西南部以“不安全”和“较不安全”为主、中部多“临界安全”的空间分异；总体改善、局部下降，不安全面积超过50%，主要集中于乌兰察布市及其以西的包头市、呼和浩特市和鄂尔多斯市；东北部呼伦贝尔市、赤峰市、兴安盟和通辽市生态安全较好并呈改善趋势；西南部较差且显著退化。2000—2015年部分年份较不安全和不安全面积超过50%；2010年不安全面积较2000年减少，但较不安全面积增加1.02倍；2015和2020年虽改善，西部荒漠化和草地退化仍较重；2020年后总体改善，部分较不安全转为临界或较安全，但西南经济发达区仍有生态安全问题。时空转移显示，2000—2005年生态安全增加面积16.09×10⁴ km²、减少7.80×10⁴ km²；2005—2010年增加11.18×10⁴ km²、减少约14.00×10⁴ km²；2010—2015年增加区显著扩大并集中于中部和西南部，减少区出现在东北部；2015—2023年增加面积最大，达30.54×10⁴ km²，集中于东部和西北部。总体2000—2023年稳步上升，原稳定区逐渐改善。

讨论总结：讨论将评估空间格局与已有区域生态安全研究及荒漠化、草地退化监测记录比较，认为高安全集中于东北森林-草地带、低安全集中于西南干旱区的格局总体一致；局部过渡农牧区ESI略高，可能与2000年后长期生态工程恢复效应有关，跨比较支持分类总体可靠性但局部过渡区仍有不确定性。与北方旱区和农牧交错区比较，生态安全由湿润东部向干旱西部内陆降低，降水是多数半干旱农牧区生态系统状态的主要限制因子，人地冲突集中于过渡区并威胁安全；本研究区2015年后改善更明显，可能与内蒙古草地生态修复项目针对性实施有关。气候关联上，暖湿化为植被提供有利水热背景，独立NDVI显示降水与植被的统计关联强于温度；NPP-气候相关受模型输入部分约束，不作主要气候推断。干旱低降水使西北植被对水供给更敏感，升温延长生长季但在干旱背景下可能增强土壤蒸散并产生潜在不利影响；降水是半干旱区植被生态功能的关键相关因子，可解释生态功能由西北向东南增加的格局。讨论同时强调，趋势时间序列的显著相关可能来自共同时间趋势，不能直接确认因果；暖湿化提供有利背景但不能完全归因于气候，禁牧、草地保护、退耕还草等大规模生态修复政策同期实施，气候背景与人类修复措施可能产生协同效应，当前相关分析不能定量分离独立贡献。人类活动具有双向效应：生态工程可能关联森林、草地增加和功能改善；聚落快速扩张占用农田、森林、草地、水体和湿地，过牧和不合理农业可能削弱自恢复能力并与响应子系统下降相关，西南资源开发和集约农业可能加剧荒漠化和水资源短缺，成为持续脆弱热点；这些人类驱动解释来自已有文献推断，当前数据不能定量剥离。格局与安全耦合上，森林和草地增加直接改善NPP和植被覆盖等状态指标并提高ESI，荒漠扩张、水体收缩和聚落无序增长加剧脆弱并导致西南长期低安全；2015年后改善显著与中国生态保护修复投入增加及山水林田湖草沙一体化保护战略部署相关。局限包括未纳入极端气候事件和生物多样性等指标、对短期波动关注不足、县级比率型社会经济指标空间化依赖县内建成区均质假设；未来需结合贡献率模型、方差分解或结构方程模型量化自然与人类因素相对贡献，完善指标体系并加强极端气候影响研究。基于高安全在东北森林-草地、低安全在西南干旱区、中部为临界过渡的分异，提出差异化策略：东北良好生态背景区优先保持原状和完整性、严格保护减少干扰；西南严重退化区强化荒漠化治理、水资源安全和综合修复；中部加强生态缓冲带建设，并完善生态保护政策与动态监测体系。

研究结论翻译：本研究系统分析2000—2023年内蒙古农牧交错带生态格局转移、生态功能演变和生态安全风险的时空特征，并探讨气候变化和人类活动的联合潜在影响。研究区生态系统总体呈正向演变，森林和草地面积增加、荒漠面积减少，但水体和湿地萎缩及聚落扩张问题突出。区域暖湿化趋势为生态恢复提供有利条件。基于独立NDVI观测，降水与植被状况的相关关联明显高于温度；模型模拟NPP与气候的相关性部分受模型输入约束，不用于主要气候推断。这些格局共同形成生态功能从西北向东南增加的空间梯度。生态安全状况总体稳步改善，呈“东北安全、西南不安全、中部临界”的显著空间分异；2015年后生态改善幅度明显增大，改善区域持续扩大。草地生态保护、禁牧和草地恢复等生态工程可能是生态功能和生态安全改善的合理贡献因素，而过牧、不合理农业耕作和无序聚落扩张可能与局部生态退化相关，西南部生态脆弱性尤其高；此类人类相关影响在当前基于相关的分析中无法定量剥离。基于上述结论，未来应实施差异化生态恢复策略：东北优先自然恢复，西南强调荒漠化治理和水资源安全，中部加强生态缓冲带建设，持续完善生态保护政策和动态监测体系，以促进生态保护与经济发展协调推进并巩固中国北方生态安全屏障。