基于生态系统服务的内蒙古黄河流域生态安全格局构建

《Land》：Construction of Ecological Security Patterns in the Yellow River Basin of Inner Mongolia Based on Ecosystem Services

　　

区域生态安全格局（ecological security patterns, ESP）为生态脆弱流域的生态系统保护、恢复和可持续土地管理提供了空间基础。然而，在许多生态安全格局研究中，对生态系统多功能性、景观连通性和现有保护区的综合考量仍然有限。本研究以内蒙古黄河流域（Inner Mongolia section of the Yellow River Basin, IMYRB）为研究区，利用2020年土地利用图和其他空间数据集，评估了供给、调节和文化三类共九项生态系统服务。通过多服务热点分析识别生态源地，采用最小累积阻力（minimum cumulative resistance, MCR）模型和电路理论划定生态廊道和生态夹点；并将识别出的源地与现有自然保护区进行空间比较。分析识别出33个生态源地，总面积34,264.28 km²（占流域面积的23.47%），以及80条生态廊道。存在明显的东—西对比：东部生态源地通常更大且更聚集，而西部则更小且更破碎。关键生态夹点集中在IMYRB东部相邻生态源地之间的狭窄连接带，表明存在关键连通性瓶颈。仅有9.7%的生态源地面积与现有自然保护区重叠，揭示了显著的保护缺口。这些发现强调需要优先保护未覆盖的生态源地并维护关键连通区域，为IMYRB的保护区优化和生态恢复规划提供了空间基础。

基于生态系统服务的内蒙古黄河流域生态安全格局构建研究解读

生态安全格局（Ecological Security Patterns, ESP）是通过优化空间结构和生态过程来维护生态系统安全、稳定和恢复力的系统方法。当前，快速土地利用变化不断加剧生态退化，而现有ESP研究通常只选取少数生态系统服务作为识别生态源地的依据，尤其偏向调节服务，忽视供给和文化服务，难以全面反映生态系统多功能性。此外，在生态脆弱的半干旱流域，识别出的生态源地与现有保护区的空间对应关系尚未得到充分考察。内蒙古黄河流域（Inner Mongolia section of the Yellow River Basin, IMYRB）地处中国北方生态屏障区，面临生态系统退化、荒漠化、土壤侵蚀和生物多样性丧失等问题。因此，该研究构建了一个整合多生态系统服务评估与连通性分析的ESP框架，旨在刻画生态系统服务空间格局、识别生态源地、廊道和夹点，并量化生态源地与自然保护区的重叠程度，为保护分区和恢复优先序提供空间依据。研究成果发表于《Land》。

在技术方法上，研究人员基于Google Earth Engine（GEE）平台，采用Landsat 8影像和随机森林（Random Forest, RF）分类器制作了2020年土地利用图（总体精度96.01%，Kappa系数0.91）。利用InVEST模型、修订通用土壤流失方程（RUSLE）、修订风蚀方程（RWEQ）等评估了涵盖供给（粮食生产、肉类生产）、调节（碳储存、生境质量、产水、土壤保持、防风固沙、洪水调蓄）和文化（景观美学）的九项生态系统服务。通过多服务热点分析（Getis–Ord Gi*）在99%置信水平上识别生态源地，以最小累积阻力（MCR）模型提取生态廊道，用电路理论识别生态夹点，并将生态源地与自然保护区分区进行空间叠加分析。

研究结果如下：
3.1 土地利用空间特征：通过2020年土地利用分类和精度评估发现，耕地集中于河套平原，草地占IMYRB大部分区域，森林主要分布在呼和浩特和包头北部，未利用地主要分布在库布齐沙漠和毛乌素沙地，建设用地集中在主要城市。
3.2 生态系统服务空间分布：九项服务的空间制图显示，碳储量和生境质量在东北部较高，洪水调蓄沿黄河、乌梁素海及湿地分布，产水服务自西南向东北递增，粮食生产集中于河套平原，肉类生产分布在中东部草地，土壤保持高值区位于东部和北部，防风固沙高值区位于中东部，景观美学高值区在河套平原和鄂尔多斯东部。阈值敏感性分析表明20%阈值下生态系统服务贡献趋于稳定，支持将其用于源地识别。
3.3 生态安全格局空间特征：基于多服务浓度层的热点分析识别出33个生态源地，总面积34264.28 km²（占IMYRB的23.47%）。东部源地面积较大且空间聚集，西部源地小而分散；源地以草地（67.4%）、林地（20.9%）和耕地（6.5%）为主。共提取80条生态廊道，总长3089.871 km，其中长廊道连接东西部源地，短廊道连接相邻东部源地。电路理论分析显示高电流密度区主要分布在东部源地之间的狭窄连接带，识别出的生态夹点代表了关键连通瓶颈。
3.4 基于自然保护区的生态源地验证：将生态源地与现有自然保护区矢量边界叠加后，重叠面积3318 km²，仅占生态源地总面积的9.7%。重叠区主要沿黄河和大脑山分布，而鄂尔多斯中东部的大面积生态源地未与保护区重叠，表明保护网络存在显著空间错位。

在讨论部分，研究人员指出，东部生态源地集中与较高植被覆盖、生境质量和多种服务协同相关，多服务整合比单一服务更全面地反映生态重要性。廊道的东西差异受源地空间格局控制，西部破碎化源地依赖长距离连接，因此对干扰更敏感。夹点区域集中于狭窄连接带，容易因局部退化导致连通性丧失，需要优先保护。研究也存在局限，例如多数数据基于2020年，部分辅助数据为静态；湿地分类精度较低可能影响相关服务估算；模型参数来自文献存在不确定性；未来需引入多时相数据、量化服务权衡、增加道路密度等阻力因子，并评估动态情景下的ESP变化。对保护规划的启示是，现有自然保护区仅覆盖9.7%的生态源地，大量高生态重要性区域缺乏正式保护，应优先将这些区域纳入保护修复规划，同时维护关键生态夹点，构建面向网络的保护战略。

研究结论部分翻译如下：分析识别出33个生态源地，覆盖34264.28 km²（占IMYRB的23.47%），以及80条生态廊道。生态源地呈现明显的东—西不对称：东部源地通常更大且更聚集，而西部更小且更破碎。关键生态夹点主要集中于相邻源地间的狭窄连接带，表明区域连通性的关键瓶颈。仅有9.7%的识别生态源地面积与现有自然保护区重叠，揭示了生态重要性与现有保护网络之间的显著错位。综合来看，这些发现支持一种面向网络的保护战略，以保护主要生态源地、维护关键连通区域，并加强对现有自然保护区网络中代表性不足的生态重要区域的保护。