摘要: 在全球生态问题备受瞩目的背景下，内蒙古东部农牧交错带作为重要生态屏障和粮食产区，其土地利用变化对生态系统健康影响深远。本研究综合运用ArcGIS空间分析技术、“压力–状态–响应”(PSR)模型与PLUS模型，深入剖析该区域2000~2020年土地利用变化及生态系统健康状况，并对2030年趋势进行预测。研究结果表明，从2000年至2020年，由于快速的城市化进程，耕地面积显著减少，大量耕地被转化为建筑用地；得益于区域内的生态保护与植被恢复措施，林地面积明显增加；生态健康状态显示出明显的空间分布差异，健康状态较好的区域主要集中在北部和西北部；生态健康状态总体呈恶化趋势，到2020年健康区域甚至几乎消失，但是在2030年恶化趋势可能会减缓，某些区域的生态健康甚至可能会有所恢复。
Abstract: Against the backdrop of global ecological issues, the agricultural pastoral ecotone in eastern Inner Mongolia, as an important ecological barrier and food producing area, has a profound impact on ecosystem health due to land use changes. This study comprehensively utilizes ArcGIS spatial analysis technology, the “Pressure-State-Response” (PSR) model, and the PLUS model to deeply analyze the land use change and ecosystem health status in the region from 2000 to 2020, and predict the trend for 2030. The research results indicate that from 2000 to 2020, due to the rapid urbanization process, the cultivated land area significantly decreased, and a large amount of cultivated land was converted into construction land; Thanks to the ecological protection and vegetation restoration measures in the region, the forest area has significantly increased; The ecological health status shows significant spatial distribution differences, with areas with good health status mainly concentrated in the north and northwest; The overall ecological health status is deteriorating, with healthy areas almost disappearing by 2020. However, by 2030, the trend of deterioration may begin to slow down, and there is a possibility that the ecological health of certain regions could even start to recover.
1. 引言
在全球生态环境问题日益被重视的背景下，生态系统的健康已经成为影响人类生存与发展的重要议题。自然生态系统为地球上的生命、人类的生存以及社会的发展提供了重要的条件和服务[1]。20世纪60年代至70年代，生态系统健康的概念逐渐提出，受生态学、环境科学、系统科学等领域的影响，尤其是在生态学理论、生态服务的研究以及环境保护需求的推动下，学者开始探讨生态系统的健康与稳定性。早期的研究主要依赖生态系统的物理和生物指标[2]，如物种多样性、生产力等。现代研究更侧重于综合性评估方法，结合遥感数据、生态指数、系统动力学模型等工具来评估生态健康。
内蒙古东部农牧交错带，作为我国北方重要的生态屏障和粮食生产基地，其生态系统的稳定对于维护区域生态安全、保障粮食供应以及促进社会经济可持续发展具有不可替代的重要意义[3]。然而，该地区长期以来面临着农业开垦与过度放牧等不合理土地利用方式带来的一系列生态问题，如草原退化、沙漠化和水土流失等，这些问题严重威胁着区域生态系统的健康[4]。深入探究内蒙古东部农牧交错带土地利用变化与生态系统健康之间的内在关系，可以为制定科学合理的土地利用规划和生态保护策略提供坚实的理论依据，从而实现区域生态与经济的协调发展。
2. 研究区概况
内蒙古东部农牧交错带处于北纬41˚30'~49˚20'，东经115˚30'~126˚00'之间，是北方农牧交错带的重要组成部分，横跨赤峰市、通辽市、兴安盟、锡林浩特市和呼伦贝尔市。内蒙古东部农牧交错带地形复杂，主要由高原、丘陵、平原和山地交错组成，且处于温带大陆性季风气候区，年平均气温为0℃~6℃，年降水量在300毫米到500毫米之间。研究区是典型的生态过渡带，具有丰富的生物多样性，也是中国重要的粮食生产基地和畜牧业生产区。农业方面，主要种植小麦、玉米、大豆和马铃薯等作物；在畜牧业方面，牛羊等牲畜养殖发达，农牧结合的生产模式较为普遍。内蒙古东部的农牧交错带位于森林和草原生态系统的交界，具有两者的部分特点，生态系统边缘效应明显。该区域的过渡性质使得生物种类丰富，物质循环和能量流动过程复杂，对外界干扰的响应较为敏感。一旦生态平衡受到破坏，容易引发连锁反应，导致生态退化。
3. 研究内容
3.1. 数据来源
本文研究数据选取2000、2010、2020的土地利用数据以及PLUS模型涉及的驱动因素数据。其中(1) 土地利用数据分辨率为30 m × 30 m，来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/)；(2) PLUS模型涉及驱动因素数据中的DEM高程数据来自地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/)，人口、GDP、年均气温、年均降水来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/)，距区县距离、距一级、二级、三级道路距离、距水域距离数据来自水经注电子地图[5] [6]；土壤类型来自国家冰川冻土沙漠科学数据中心(http://www.ncdc.ac.cn/portal/)。
3.2. 研究方法
3.2.1. 生态系统健康指数(ESHI)
为了减少人为主观判断的干扰，提高决策的客观性和科学性[7]，利用熵权法计算每个指标权重。综合指数法能够综合考虑多个指标，形成一个全面的评价体系，系统地反映被评价对象的整体状况，因此，本文采用综合指数法对内蒙古东部农牧交错带生态系统健康指数进行测算与综合评价。综合指数通过将各项评价指标的标准化值按权重累加计算得到[8]：
()
式中，为生态系统健康指数。
3.2.2. 生态系统健康模型构建
基于“压力–状态–响应”(PSR)模型构建生态系统健康评价指标体系[9]。选择面积加权平均斑块分维数(AWMPFD)表征内蒙古东部农牧交错带土地生态系统所承受的自然压力因素；状态反映了自然环境和生态系统的状况，本文从香农多样性指数(SHID)、蔓延度指数(CONTAG)、斑块凝聚度指数(COHESION)、生态弹性度指数(ER)和生态系统服务价值(ESV)来对其评估；响应指生态环境为了应对人类生存发展而产生的负面影响，依据土地利用的空间冲突特性，选取景观破碎度指数(PD)、景观分离度指数(DIVISION)和景观优势度指数(SPLIT)构建土地利用干扰度指数[10]，指标体系(如表1)所示。
Table 1. Ecosystem health evaluation indicator system for the study area
表1. 研究区生态系统健康评价指标体系
准则层 |
|
指标层 |
关系 |
压力(P) |
空间外部压力指数 |
面积加权平均斑块分维数(AWMPFD) |
正向 |
状态(S) |
组织 |
香农多样性指数(SHID) |
正向 |
蔓延度指数(CONTAG) |
正向 |
斑块凝聚度指数(COHESION) |
正向 |
弹性 |
生态弹性度指数(ER) |
正向 |
生态系统服务价值(ESV) |
正向 |
响应(R) |
土地利用干扰度指数 |
景观破碎度指数(PD) |
负向 |
景观分离度指数(DIVISION) |
负向 |
景观优势度指数(SPLIT) |
负向 |
生态系统弹性指生态系统对外界扰动或变化的响应和恢复能力，通常受人为干扰越强，生态自身自然恢复能力越差[11]；生态系统服务价值(ESV)指的是自然生态系统为人类社会提供的各种直接或间接的利益和价值。不同的土地利用类型通过其特有的生态功能和结构，向人类和自然环境提供多种重要的生态系统服务[12]。参考相关研究，设置各土地类型的生态系统弹性系数表(如表2)和生态系统单位面积价值量表(如表3)。
Table 2. Ecosystem elastic capacities for different land use types
表2. 不同土地利用类型的生态系统弹性系数
用地类型 |
耕地 |
草地 |
林地 |
水域 |
建设用地 |
未利用地 |
弹性系数 |
0.40 |
0.75 |
0.85 |
0.80 |
0.20 |
0.10 |
Table 3. Ecosystem unit area valuation scale
表3. 生态系统单位面积价值量表
用地类型 |
耕地 |
草地 |
林地 |
水域 |
建设用地 |
未利用地 |
生态系统服务/(元/hm2) |
1893.48 |
5694.62 |
8768.58 |
41954.15 |
0.00 |
321.09 |
3.2.3. PLUS模型
采用PLUS模型对研究区土地利用变化进行模拟预测。该模型能够灵活处理多种类型的土地利用斑块变化，有效表征斑块尺度土地利用变化过程。在模型运行过程中，选取人口、GDP、距区县距离、距一级、二级、三级道路距离、距水域距离、土壤类型、年均气温、年均降水、高程、坡度等数据作为驱动因素，通过构建合理的模型参数和模拟规则，对研究区域2030年土地利用类型分布特征进行预测。为了验证PLUS模型模拟结果的准确性，以2000~2020年数据为基础，对模拟数据进行驱动因子调整，通过反复调试使模拟结果与实际情况高度吻合，最终验证Kappa系数为0.81，精度满足研究需求。
4. 结果与分析
4.1. 土地利用现状分析
内蒙古东部农牧交错带土地利用类型呈现多样化特征，主要包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。耕地主要集中于中部和南部，这些区域地势较为平坦、土壤肥沃且水源相对充足，适宜开展农耕活动，是粮食生产的重要基地。林地主要分布在北部山区以及一些河流沿岸等生态条件较为适宜树木生长的区域，部分地区还存在人工造林形成的林地。草地广泛分布于整个研究区域，尤其在西部和北部地区面积较大，作为传统畜牧业的主要活动场所，其生态状况直接影响着畜牧业的可持续发展。水域面积相对较小，主要分布在地势低洼和水源汇聚的区域，其在调节区域气候和提供水资源方面具有不可或缺的作用。建设用地主要集中在赤峰市、通辽市等主要城市及其周边地区，呈现出明显的集聚特征，随着城镇化进程的加速，建设用地不断向外扩展，侵占周边其他土地利用类型。未利用地主要分布在沙地、盐碱地等自然条件较为恶劣的区域，这些区域生态环境脆弱，土地开发利用难度较大。
4.2. 土地利用变化分析
2000~2020年各土地利用类型面积及动态度呈现出显著变化(图1)。耕地面积有所减少，特别是靠近城市区域，部分耕地被建筑用地和其他类型用地替代主要原因在于城镇化进程加速，城市扩张吞噬周边耕地，部分耕地因生态退耕还林还草政策落实，转换为林地与草地。林地面积持续增加，这得益于植树造林和生态恢复项目，尤其是在研究区的北部地区，林地面积的增加尤为显著，有效改善了区域生态环境。建筑用地面积显著增加，扩展到周围区域，尤其是在中部和南部地区，反映出20年间内蒙古东部农牧交错带快速的城镇化进程。草地面积总体相对稳定，局部区域因退耕还草等生态修复工程有少量增加，同时受气候因素及人类活动影响，部分草地退化为未利用地。水域的面积和分布较为稳定，几乎没有显著变化，自然条件下其形成与消亡受地质地貌、气候降水制约，人为干预相对较弱。未利用地逐渐减少，未利用地多被开发成耕地、林地或建筑用地，土地资源的开发利用程度提高。
Figure 1. Spatial distribution of land use in the agro-pastoral ecotone of eastern Inner Mongolia
图1. 内蒙古东部农牧交错带土地利用空间分布
对比2000~2010年和2010~2020年两个时段，土地利用变化趋势存在一定差异。在2000~2010年期间，耕地减少速度相对较慢，建筑用地增加速度也较为平稳，林地增加主要集中在局部区域；而在2010~2020年期间，耕地减少速度加快，建筑用地扩张更为迅速，林地增加范围进一步扩大，这与该时期经济发展速度加快、城镇化进程加速以及生态保护政策的持续推进密切相关。
到2030年，耕地面积可能继续减少，主要受城镇化影响，耕地进一步转换为建筑用地；林地面积预计将保持稳定或略有增加，生态保护措施可能继续生效；草地面积可能略有波动，但总体变化不大；受自然地理条件限制，水域面积预计保持稳定；建筑用地预计会继续扩展，未利用地将进一步减少，尤其是在已有城市区域的周边，城镇化趋势明显。
总体来看，内蒙古东部农牧交错带的土地利用变化反映了经济发展与城市化进程对自然资源的深远影响。未来的土地利用规划需更加关注耕地保护与城市扩展之间的平衡，同时应持续推进生态保护和可持续发展措施，以应对不断变化的土地利用需求和环境挑战。
4.3. 生态系统健康水平变化分析
目前关于生态系统健康评价的等级划分尚且没有统一的标准，为了更精确地表示内蒙古东部农牧交错带生态系统健康状况，根据研究区生态系统健康特点，结合近几年生态系统健康的实际情况将结果平均分为5个等级范围(表4)。
Table 4. Ecosystem health assessment criteria
表4. 生态系统健康评估标准
健康指数 |
0.8~1 |
0.6~0.8 |
0.4~0.6 |
0.2~0.4 |
0~0.2 |
健康水平 |
健康 |
相对健康 |
亚健康 |
相对不健康 |
不健康 |
2000年、2010年、2020年生态系统健康等级时空分布图，直观展现不同年份生态系统健康状态的空间格局及其演变轨迹(图2)。整体来看，从2000年到2020年，研究区域的生态健康状况呈现出明显的恶化。亚健康区域逐年减少，相对不健康和不健康区域则不断扩展。特别是在2010年到2020年这十年间，健康区域几乎消失，生态退化的速度显著加快，表明该地区生态系统的承载力和恢复力受到严重影响。
2000年时，研究区域的生态系统较为健康，健康区域主要分布在北部和西北部，这些区域受人类活动干扰较小，植被覆盖良好，具有较强的生态稳定性；亚健康区域广泛覆盖大部分地区，反映了该时期内蒙古东部农牧交错地带生态系统处于相对稳定但农业开垦与畜牧活动已对生态产生一定压力的状态；相对不健康和不健康区域零星散布于南部局部，多为城镇周边或生态脆弱带，受城镇化、土地退化影响显著，这表明整体生态环境在这一时期维持在较为健康的水平。到2010年，研究区域的生态健康状况开始出现退化，健康区域大幅缩减，集中于北部的较小区域，人类开发延伸，生态系统受压；亚健康区域虽仍然占据主导地位，但其面积明显减少，整体向东部收缩，中部地区因耕地扩张、草地退化转为相对不健康；相对不健康区域的面积显著增加，特别是在中部和南部，这表明该时期内这些区域的生态健康状况开始受到更大的压力并趋于恶化；不健康区域首次明显出现，集中在东南部，标志着部分区域的生态退化已经达到较为严重的程度。2020年时，研究区域的生态健康状况进一步恶化，健康区域几乎消失，仅北部极个别保护区残留；亚健康区域进一步减少，主要集中在中部和东部地区；相对不健康与不健康区域占据主导，中部、东南部生态退化加剧，建设用地扩张、草原沙化、水土流失等问题交织，生态系统不堪重负。
基于PLUS模型预测2030年生态系统健康趋势，整体状况虽仍不容乐观，但恶化速率有所放缓。模拟结果显示，亚健康状态仍将占据较大比例，成为主导生态健康类型，这意味着区域生态系统将在较长时间内维持在一种脆弱的平衡状态，面临随时恶化的风险。在一些地区，由于生态修复工程的成效和合理土地利用规划的落实，生态系统的健康状况有可能出现回升。比如，北部某些林区通过持续封育保护，植被覆盖度得到提升，生态弹性增强，推动了生态系统朝健康方向发展；但在城镇化核心区、生态脆弱敏感区，如中部城市扩张地带、东南部沙地边缘，相对不健康与不健康区域可能持续扩张，建设用地扩张挤占生态空间、土地沙化水土流失等问题持续威胁生态，使得生态系统深陷困境，难以在短期内实现逆转。
综上所述，2000年至2020年期间，研究区域的生态健康状况总体上呈现出从亚健康向相对不健康和不健康状态转变的退化趋势，空间分布的变化表明生态退化在不同区域呈现出不同的程度和速度，尤其是在中部和东南部地区，退化现象尤为明显，而到2030年，恶化趋势可能会减缓，甚至在某些区域可能会有所恢复，所以未来的生态保护与修复工作应优先考虑不健康区域，并采取有效措施遏制退化趋势，以实现生态系统的可持续发展。
Figure 2. Spatiotemporal distribution of ecosystem health levels in the agro pastoral ecotone of eastern Inner Mongolia
图2. 内蒙古东部农牧交错带生态系统健康等级时空分布图
5. 结论
本研究基于PSR模型构建了内蒙古东部农牧交错带生态健康评价指标体系，通过对2000年、2010年和2020年三个时间节点内蒙古东部农牧交错带的主要土地利用变化和生态健康状况进行分析，揭示了研究区域土地利用类型的动态变化趋势和生态系统健康状态的空间分布及其演变趋势。结果表明：
(1) 土地利用变化：2000年至2020年，耕地面积显著减少，主要由于城市化进程导致大量耕地转为建筑用地，尤其在主要城市周边。林地面积逐步增加，表明生态保护与植被恢复取得成效。草地和水域面积变化较小，稳定性较强。
(2) 生态健康状态变化：2000年，健康区域主要集中在北部和西北部，但到2020年，这些区域的生态健康显著退化，中部和东南部地区生态退化更加明显，不健康区域有所扩展。预计到2030年，生态退化区域将进一步扩大，但变化速度可能会放缓。
(3) 总体趋势：生态健康状况呈恶化趋势，2000年生态环境较好，健康区域分布较广，但到2020年健康区域几乎消失，亚健康和不健康区域增多。2030年，恶化趋势可能会减缓，部分区域有可能恢复健康状况。