《Ecological Frontiers》：Reduction of bare land and landscape heterogeneity: Achievements of 30 years of ecological restoration in Ordos
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李世海|王一佳|郭晓宇|李明泽|周宇波|郭月|孙伟娜|于瑞新|马志杰|毛振华|张晓娟|娜海雅|司庆比力格|钱高首都师范大学资源环境与旅游学院，中国北京100048摘要鄂尔多斯是中国北部典型的生态脆弱地区，在过去三十年中经历了快速的经济发展和大规模的生态恢复，导致了复杂而剧烈的土地
李世海|王一佳|郭晓宇|李明泽|周宇波|郭月|孙伟娜|于瑞新|马志杰|毛振华|张晓娟|娜海雅|司庆比力格|钱高
首都师范大学资源环境与旅游学院，中国北京100048
摘要
鄂尔多斯是中国北部典型的生态脆弱地区，在过去三十年中经历了快速的经济发展和大规模的生态恢复，导致了复杂而剧烈的土地利用变化。然而，现有研究缺乏对这一时期鄂尔多斯生态和环境变化的系统评估。本文利用Landsat 5/8和Sentinel-2遥感影像以及随机森林算法生成土地利用分类图，揭示了1995年至2024年间鄂尔多斯五年间隔的时空景观格局。我们采用了八个景观格局指数来分析其时空动态，并评估该地区的生态影响。结果表明，1995年至2024年间，灌木丛和草地的面积增加了51,632平方公里，表明生态恢复初见成效。此外，分析显示研究期间东南部和东北部的景观破碎化趋势加剧，多样性显著增加。具体而言，裸地的最大斑块指数（LPI）从14%下降到8%，反映了大斑块的破碎化；而聚集指数（AI）从90%上升到93%，表明生态恢复工作成功地将分散的小块裸地转化为植被，从而使剩余的裸地面积更加集中。本研究为评估重大国家生态项目的有效性及优化区域空间规划提供了参考。
引言
作为人类生存和生产的物质基础和重要媒介[1]，土地资源日益受到荒漠化的威胁，这已成为一个关键的全球环境挑战[2]。干旱地区占地球表面的约41.00%，支撑着全球38.00%的人口[3]，荒漠化导致的自然资源退化对社会经济稳定构成了严重威胁。因此，至少40%的全球土地生产力下降，影响了14亿人的生计[4]。
为应对全球生态挑战，国际框架如2030年生物多样性战略[5]和联合国防治荒漠化公约[6]为大规模生态恢复提供了有力支持。这些公约倡导将恢复作为减少温室气体（GHG）排放的不可或缺的战略，旨在协同实现土地退化中和（LDN）和碳中和[7]。中国政府也实施了多项重大计划来遏制土地退化，包括“退耕还林”、“三北防护林”以及“山-河-林-田-湖-草”综合恢复项目，这些项目都取得了显著的生态效益[8]、[9]。在干旱地区，这种努力尤为重要，因为全球三分之二的干旱地区已经遭受中度至严重的退化，每年还有1200万公顷的土地丧失[10]、[11]。
近期关于荒漠化控制的学术研究转向了将动态监测与战略恢复指导相结合的方向。在监测方面，时空动态及其驱动因素得到了广泛研究[12]，而先进的时间序列模型使得模拟和未来预测更加准确[13]。在恢复干预方面，最新方法利用多时相数据对植被覆盖进行精确分类[14]。这些技术进步还通过生态系统服务和脆弱性的视角确定了优先恢复区域[15]，共同为全球干旱地区的治理提供了坚实的科学基础。
尽管鄂尔多斯的现有荒漠化研究取得了显著成果，但研究往往未能系统地将分类结果与全面的景观格局分析相结合。例如，朱等人[16]利用Sentinel-2影像对鄂尔多斯的露天采矿区进行了方法上可靠的土地覆盖类型提取，但主要关注土地覆盖分类和变化检测，未探讨这些变化如何重塑区域景观格局。因此，仍需研究这些转变背后的机制。
此外，大多数先前的研究仅限于特定的旗县或个别生态功能区[17]、[18]，未能全面了解整个鄂尔多斯地区的情况。例如，董等人[19]探讨了土地利用、景观格局和生态系统服务之间的耦合关系，但其分析主要集中在工业采矿等特定压力因素上。类似的早期荒漠化驱动机制研究也多局限于Mu Us沙地，得出的结论可能无法准确反映更广泛的区域动态。因此，仍存在一个关键的研究空白：缺乏将高分辨率土地覆盖数据与多尺度景观格局分析相结合的全面评估。
鄂尔多斯位于内蒙古高原的内陆，是一个典型的受荒漠化影响的地区。作为中国北部农牧交错带的所在地，该地区的独特地理位置使其生态系统既具有内在脆弱性，又对外部干扰非常敏感。该地区包括库布齐沙漠和Mu Us沙地，这些都是中国“三区四带”生态安全战略的关键组成部分，也是“三北防护林”计划的重要实施区域。因此，该地区对黄河流域和华北地区具有重要的生态屏障作用。
然而，这一脆弱的环境面临着双重压力。虽然鄂尔多斯矿产资源丰富，但密集的采矿活动（涉及土地挖掘和占用）导致了剧烈的土地覆盖变化，并对生态系统造成了巨大压力[20]。同时，作为国家生态安全的战略节点，该地区承担着艰巨的生态保护和恢复任务。经济发展与环境要求的相互作用形成了复杂的土地利用变化动态，使鄂尔多斯成为研究在高强度人为活动和重大政策干预共同影响下人类-环境系统演变模式的理想自然实验室[21]。
为此，我们选择鄂尔多斯作为研究区域。通过整合Landsat（30米）和Sentinel-2（10米）影像，我们使用随机森林算法构建了1995年至2024年的高精度土地利用数据集。具体而言，我们的研究旨在：（1）生成高分辨率的土地利用类型变化（LULC）时间序列；（2）量化土地利用类型的时空演变和转换特征；（3）使用多维指数评估景观格局动态。
章节摘录
研究区域
鄂尔多斯位于内蒙古自治区西南部，该地区植被覆盖稀疏，荒漠化严重，生态环境极为脆弱。其独特的地理位置具有复杂的地形特征，北、西、东三面被黄河环绕，南面与陕西和山西两省接壤[21]、[22]。地理上，鄂尔多斯的范围从东经106°42′到111°27′，北纬37°35′到40°51′（图1）。
分类结果
在我们的研究中，KC和OA的最大值分别为0.93和0.95（表2）。最低的KC值为0.84，超过了0.8的阈值，表明分类结果非常令人满意。
如图3和表3所示，研究区域内最显著的转变是裸地面积的大幅减少。1995年时，裸地面积为32,060平方公里，到2010年减少到15,922平方公里
讨论
由于国家层面实施了一系列大规模生态恢复项目，鄂尔多斯的生态和环境质量得到了显著改善[38]。在荒漠化控制方面取得了显著成就，表现为裸地面积减少了13,012平方公里，景观格局从分散无序转变为集中连片的沙地。LPI减少了6%，AI增加了3%
结论
本研究整合了1995年至2024年的多源遥感数据和景观格局分析方法，系统地研究了在快速经济发展和大规模生态恢复双重影响下鄂尔多斯土地利用和景观格局的时空演变。结果表明，土地利用变化的主要驱动力是对广泛分布的裸地的成功管理，其面积减少了13,012平方公里
CRediT作者贡献声明
李世海：撰写——初稿、软件、方法论、数据整理、概念构建。王一佳：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取。郭晓宇：监督。李明泽：软件。周宇波：资源。郭月：监督。孙伟娜：资源。于瑞新：软件、资源。马志杰：资源。毛振华：资源。张晓娟：监督。娜海雅：资源。司庆比力格：资源。钱高：资源。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42501136）、鄂尔多斯科技计划（YF20250267）、鄂尔多斯重大科技项目（ZD20232324）以及鄂尔多斯荒漠化控制与可持续发展院士专家工作站的支持。
