中国黄河流域内蒙古河段的生态退化：时空格局及驱动因素

引言（Introduction）

• 提出基于PSR模型框架的生态退化强度综合评价指标体系；
• 评价2000-2018年土地利用和土地覆盖变化对生态退化的影响；
• 确定生态环境退化背后的关键驱动因素；
• 量化IM-YRB 7个城市的生态退化强度趋势；
• 本研究可为IM-YRB中生态环境的可持续性和保护提供理论依据，并为世界其他地区的相关研究提供参考案例研究。

01. 生态退化强度评价指标体系

压力-国家-响应（PSR）模型是由经济合作与发展组织（OECD）和联合国环境规划署（UNEP）提出的，并被用于分析环境问题和人类活动之间的相互作用，主要涉及三个指标维度，其中“压力”是指自然环境变化和人类经济活动对生态环境造成的破坏和干扰；“状态”是指特定时期的环境状态和环境变化；“响应”是指减少外部压力对生态环境影响的负面影响的改进措施。在本研究中，我们使用PSR模型，根据“压力-状态响应”的三个维度来量化外部因素对生态退化的影响，并评估IM-YRB中的生态环境退化强度。

压力可以改变当前状态，增加生态环境的脆弱性。导致内蒙古生态环境退化的因素有很多，如气候变化、土地利用和土地覆盖变化、放牧、城市化等。在本研究中，我们利用雨天数、干旱数和降水强度来反映气候变化。人口压力反映在人口密度和国内游客数量上。由于拥有充足的阳光、丰富的水源和矿产资源，研究区是内蒙古粮食、经济作物和煤炭的主要来源之一，但煤矿的过度开采严重破坏了草原及其脆弱的生态系统。因此，我们选择了人均GDP、粮食生产、石油工厂生产和原煤生产来反映经济发展对生态环境的影响。畜牧业在IM-YRB的生态结构中扮演着不可动摇的地位，但过度放牧导致的草地退化是内蒙古生态系统恢复的主要障碍。因此，我们以大型家畜和畜牧业产值作为压力指标。氮和磷有助于作物和植被的生长，但氮的沉积会破坏生物群落的共存机制，改变生态系统的结构和功能。因此，本研究采用农药和化肥的使用情况来反映氮、磷对生态环境的影响。研究区域的气候温暖、干燥，火灾发生的风险和脆弱性较高。因此，我们将火灾纳入了应力指数中。综上所述，压力层由上述14个指标组成。由于压力层指标都促进了生态环境的退化，因此指标的影响越大，生态退化强度指数就越高，因此压力层指标都是正的。

状态是指能够反映生态环境结构变化的元素。土地利用变化的空间格局和相关面积百分比可以反映当前生态环境的结构和状态，对于理解人类活动与生态环境之间的相互作用至关重要。本文将土地利用类型分为草地、森林、耕地、水体、建设用地、沙土和未使用土地七类。草地包括低覆盖率草地（覆盖率5-20%的天然草地）、中等覆盖率草地（覆盖率20-50%的天然和改良草地）和高覆盖率草地（天然草地和>覆盖率50%的改良草地）。森林包括稀疏林地（冠层密度为10-30%）、林地（天然森林和人工林，>为30%）。4天然和种植森林)和灌木林（>40%或低林地和灌木林高度< 2 m）。戈壁、盐碱地、沼泽地、裸露地、裸露的岩石结构均为未利用的土地。因此，国家维度指数由11种次要土地利用类型的面积比例指数组成。因为草地、森林和水可以改善生态环境的质量，作为相对于生态退化强度的负面指标，而耕地、建设用地、沙土和未利用土地使生态系统结构更加分散，促进生态环境退化，这些是积极的指标。

响应是指为预防和恢复不利的环境变化而采取的行动。利用造林区域和建成区的绿色覆盖范围，代表了政府对区域生态保护和恢复的反馈。我们选择了节能环保方面的支出，直接反映了政府在改善生态环境方面的投资和废物管理。响应指标都起着保护和提高生态环境质量的作用，是生态退化的负面指标。综上所述，本研究基于PSR模型，构建了一个用28个指标评价IM-YRB生态退化强度的指标系统，然后采用熵权法计算指标的权重值。指标系统和指标权重见附录 表A1 。

02. 指标权重

03. 生态退化强度

通过计算该指数和相应的权重，得到生态退化强度（EDI）。计算公式如下：

在计算EDI后，使用ArcGIS软件（htt ps：//www.esri.com/）的克里格插值方法对IM-YRB上的EDI进行映射。然后，我们将计算结果按25%的相同比例从低到高进行排序，并将其分为5个等级。 I：0≤EDI≤0.1， II： 0.1≤EDI≤0.2， III： 0.2≤EDI≤0.3， IV： 0.3≤EDI≤0.4， V： 0.4≤EDI≤0.5。 EDI的价值越大，该地区的生态环境退化就越严重，反之亦然。 7个城市的EDI可以在空间尺度上的5个层次上进行比较。

04. 评估方法

• 土地利用转移矩阵
• 地理探测器
• Sen的斜率估计器和曼恩-肯德尔检验

结果分析（Results）

01. 外部压力对生态环境的影响

2000年至2018年，IM-YRB对生态环境的外部压力持续增加，同时鄂尔多斯和呼和浩特的压力最高，乌兰察布的压力最低（ 图2a ）。呼和浩特市人口密度密集，乌兰察布市人口密度稀疏（ 图2b ）。这与压力指数的空间分布格局相一致，表明种群密度对压力指数有很强的影响。

西部IM-YRB的气候条件比东部IM-YRB更热、更干燥。降雨和降水强度由西向东逐渐增加（ 图2c、d、e ）。暴雨日数指数的权重为0.0741，在压力层中排名第三，说明暴雨对生态环境造成了很大的压力。 可以发现，鄂尔多斯市严重依赖煤炭资源，经济发展水平最高。其人均GDP和原煤生产在IM-YRB的7个城市中排名第一（ 图2f，i ）。原煤生产指数权重为0.1602，压力层最大，鄂尔多斯市相应的压力指数也最高，说明煤炭资源过度开发对鄂尔多斯生态环境施加的压力最大。由于黄河地势低平坦，灌溉方便，巴彦努尔拥有河套灌区，设计灌区最大，粮食产量和油产量最高（ 图2g、h ）。油料作物生产指数为0.0684，压力层第四大，说明油料作物种植对生态环境压力的贡献较大。相应地，巴彦努尔的化肥和农药也占优势（ 图2l，m )，随着氮和磷的急剧增加，呼和浩特依靠畜牧业生产，大型家畜最高，畜牧业产量最高（ 图2j，k )。2000年至2013年，畜牧业发展迅速，自2013年以来发展放缓。呼和浩特市以畜牧业为主，牧草丰富，气候干燥，火灾频繁（ 图2n ）。

呼和浩特、鄂尔多斯、包头的国内游客数量相对较高（ 图2o ），体重较高，为0.0584，说明这些城市的流动人口压力较大。2000年至2018年的干旱天数有所减少，2013年至2015年的降水量略有下降。2013年后火灾呈下降趋势，其他压力指标呈持续增长趋势（ 图2p，q ），说明IM-YRB对生态环境的外部压力一直在增加。结合压力指数的权重和空间分布特征，本研究结果表明，鄂尔多斯市的生态环境主要是在煤炭资源过度开采的压力下，呼和浩特市的生态环境主要是在人口压力、畜牧业发展和火灾事故的压力下。巴彦努尔的生态环境主要受农业生产和化学物质的影响。结合压力指数的权重和空间分布特征，本研究结果表明，鄂尔多斯市的生态环境主要是在煤炭资源过度开采的压力下，呼和浩特市的生态环境主要是在人口压力、畜牧业发展和火灾事故的压力下。巴彦努尔的生态环境主要受农业生产和化学物质的影响。特别是呼和浩特、鄂尔多斯和包头。这些因素加速了生态环境的退化。

02. 土地利用变化与生态环境状况

在本研究中，我们使用桑基图来描述主要土地利用的转换（ 图4 ）。由于当地开发的土地需求不同，19.1%的低覆盖草地转变为耕地和建设用地，27.3%的低覆盖草地退化为沙土和未利用用地。大约三分之一中覆盖草地的过渡出面积转化为耕地，三分之一转化为低覆盖率草地和高覆盖率草地，其余退化为沙土和闲置土地。低覆盖率的草原将大部分地区转变为其他土地利用类型。受环境保护和恢复政策的影响，45.74%的低覆盖率草地转化为中覆盖草地和高覆盖率草地，63.65%的耕地转化为草地和林地，72.20%的沙土转化为草地。.说明在库布其沙漠、河套平原等黄河重点生态区开展的生态保护恢复项目，取得了可接受的生态环境改善。

我们发现，2000年至2018年，IM-YRB地区存在三个明显的土地利用转移带状分布（ 图5a ）。一是阴山及其南部地区，主要由草原退化为闲置土地。水分是限制干旱和半干旱地区植物生长的关键因素。在本研究的外部压力分析（3.1节），我们发现当地气候非常干旱，每年最多干燥347天（ 图2e ）。因此，严重的风风侵蚀和严重的土壤养分流失导致植被退化，限制了农业和畜牧业的发展。二是河套灌区，主要由草地改为耕地，转化面积为4702 km2，其中中覆盖草地转化面积为53.93%。第三是库布其沙漠，主要由沙土、耕地和未利用的土地转变为草地，2000年以来生态环境显著改善。

03. 人类对生态环境退化的反应  

04. 生态退化强度的变化趋势

我们发现，2000-2018年，IM-YRB随着降解强度的不断增加，生态环境持续降解（ 图7a-f ）。2000-2013年，生态环境退化速度较快。由于生态工程的效益和生态保护政策的颁布，生态退化强度自2013年以来开始放缓，但仍呈现出退化趋势（ 图7g ）。从空间分布来看，鄂尔多斯的EDI最高，降解速度最快，其次是呼和浩特。在研究期间，乌海的EDI略有下降，但巴彦努尔的降解速率快于乌海（ 图7h ）。自2013年以来，包头的EDI逐渐下降，表明生态环境有所改善。与其他城市相比。乌兰察布的EDI程度最低，其生态环境处于较好、较稳定的状态（ 图7h ）。

在IM-YRB的生态退化区，极端退化区（在99%置信水平下）占IM-YRB的24.16%，主要分布在登口县、临河县、婺源县、乌拉德旗县（ 图8 ）。显著退化区域（95%置信水平），占57.19% IMYRB，主要分布于东旗、杭金旗、额济纳旗、东胜区、大拉旗、武川县、东左旗、东道县、清水县（图8）。轻微退化区域（90%置信水平）占IM-YRB的11.16%，主要分布在卓子县达拉特旗东北部（ 图8 ）。生态环境退化趋势不明显的区域占IM-YRB总面积的7.49%，主要分布在固阳县和斯特英区（ 图8 ）。

05. 生态退化的驱动因素

如附录表A2所示，灰细胞的q值为>0.8，说明这些指标对EDI具有较强的解释力（在0.001水平上显著），是IM-YRB中生态环境退化的主要驱动因素。同时，人口、煤矿开采、火灾、可耕地、水体、沙土、闲置土地和植树造林是近几十年来导致IM-YRB生态环境退化的主要因素。2010-2018年，经济发展（人均GDP）和油料生产对生态退化的影响减弱，粮食生产、畜牧业产值、农药、化肥、人口压力、草地、建成区绿色覆盖、节能生态环保支出增加。

一般来说，从q值的综合排序可以看出，人口密度、未利用土地、水体、砂、原煤生产、人均GDP、火灾事故、低覆盖率草地、石油厂生产和耕地是研究区域EDI空间异质性的关键主导因素。与单因素相比，各指标间相互作用的解释力有不同程度的增加（各因素间相互作用的q值见附录 表A3 ）。q > 0.9的值占总数据的72.2%，说明大多数指标结合起来会强烈加速或促进生态退化，特别是q > 0.9对应的影响因素。研究结果还表明，我们所选择的指标可以更好地解释和反映生态退化的强度。交互作用增强类型为双因素增强和非线性增强。相互独立与相互作用减弱之间没有关系。其中，降水强度、农药和化肥使用量、森林和草地面积、畜牧业产值 以及雨天的数量各因素对EDI的空间分化有显著的增强模式。

讨论（Discussion）

01. PSR综合评估框架

PSR模型被广泛用于评估自然、经济和发展领域的环境可持续性。Liu et al.（2022）分析了全球生态安全研究热点的趋势和特点在21世纪初基于文献计量分析，表明在生态安全研究领域，关键字“PSR”出现最频繁，表明PSR是本研究中使用最广泛的方法和技术。由于PSR模型可以将多个元素结合成一个整体模型，将生态系统变化与人类活动相结合，有助于我们更深入地了解人类活动与生态系统之间的关系、影响和反馈，从而有助于更全面地了解区域生态系统。因此，本研究试图引入PSR模型，并将其应用于IM-YRB生态退化强度的评价。针对研究区域内主要生态环境问题，采用能够客观反映当地生态环境变化的28个指标开发PSR模型，构建生态退化强度指数，分析IMYRB生态环境退化的时空格局和变化特征，为IM-YRB的生态保护提供科学参考。然而，在对不同研究对象和研究领域的生态问题进行评估时，指标的选择和细化、权重的确定以及评价结果的科学验证仍有待进一步探索。PSR模型的持续应用可以推广到卫生、城市和能源等领域。同时，可以利用GIS将地图与虚拟现实联系起来，更直观、快速、准确地反映特定区域的环境问题，产生更详细的预测结果。

02. IMYRB中生态环境退化的影响因素

气候变化对IM-YRB地区生态环境的影响： 目前的分析显示，2000年至2018年，IM-YRB的暴雨和降水密度有所增加。一方面，由于温度和降水超过了一定的阈值，研究区域的植被生长会受到阻碍；另一方面，降水强度的增加增强了土壤的侵蚀性，最终增加了生态环境的脆弱性。同时，降水和温度的变化将引发确定异常极端天气和频繁的自然灾害，如干旱、洪水、热浪、野外火灾、沙尘暴和土壤侵蚀，这大大阻碍了当地生态环境的可持续性，进一步恶化土地退化和/或荒漠化。

IM-YRB项目中土地利用对生态环境的影响： 我们发现，草地、森林、可耕地和建设用地的土地转换率非常高，占其总面积的一半以上。大规模的土地利用转换进一步复杂研究区域的景观，将对当地生态环境、生态系统、土地退化、气候变化和自然灾害产生重大影响。频繁的土地利用转换导致了生态系统结构的长期不稳定。在干旱和半干旱地区的生态环境恢复中，植树造林是缓解土地荒漠化和环境退化的关键措施。为了减缓土地荒漠化，增强生态系统稳定，内蒙古实施退林、封造林、网域保林等项目，有效恢复内蒙古荒漠化）。 然而，经济发展与生态环境保护之间存在着矛盾。 一些研究表明，经济发展和环境退化之间存在一种倒u型关系 。 由于生态发展水平较低，环境污染程度较高，环境退化日益加剧。 然而，社会经济学的蓬勃发展将反过来减缓环境质量的退化。 中国是一个发展中国家，生态环境随着经济的发展将进一步恶化。 因此，提高能源效率、节能和可再生能源技术，将有利于协调经济发展与生态退化之间的关系。

放牧对IM-YRB地区生态环境的影响： 内蒙古持续的高强度放牧受到抑制，超过了部分植物的再生能力，对生态环境施加了越来越大的压力，对草地生态系统造成了难以恢复的影响。 过度放牧已成为内蒙古草地退化的主要驱动因素。 禁止放牧可以显著改善内蒙古草地的自然生态环境，但这不是一个长期的解决方案，在不同的降水条件下，草地恢复的效果有不同的响应。 有效的草原生态管理应与区域气候条件相一致。 在半湿润、半干旱地区，应考虑短期禁止放牧和轮作放牧相结合； 在干旱地区，应采取人工干预措施，实现草地可持续利用。

化肥、农药、煤矿开采对IM-YRB地区生态环境的影响： 由于工业、农业和畜牧业的蓬勃发展 ，巴彦努尔的氮和磷急剧增加。 然而，需要注意的是，草地群落的氮和磷需求存在一个阈值，超过这个阈值可能会对生态系统生产力和生态环境产生负面影响。 煤炭生产对内蒙古的经济发展非常重要，但过度开发造成的环境问题在生态系统退化前难以恢复到原有状态。 煤炭资源的快速发展不会显著改善牧民的生活，相反，对牧民生活发展的负面影响大于积极影响。 从这个意义上说，生态保护需要合理开发煤炭资源。

IM-YRB地区生态恢复工程对生态环境的影响： 生态恢复项目在区域荒漠化控制和生态环境改善方面发挥着重要作用。 然而，人工修复和过度的人类活动可能会威胁到生态环境的可持续发展，而人工恢复项目依赖于长期的人为维护，因此其抗干扰能力较弱。 因此，生态环境的高质量和可持续发展需要更多地依赖于生态系统的自我修复。 我们还发现，随着研究区生态环境的恶化，相应的生态改善和保护措施等管理工作仍然相对有限，迫切需要更有效的生态保护措施来改善当地的生态环境。

结论（Conclusions）

本研究基于PSR模型，构建了IM-YRB生态退化综合评价指标体系。通过绘制EDI图谱，可以在空间和时间上评价不同区域的生态退化强度。利用土地利用转移矩阵、地理探测器、森斜率估计量和曼-肯德尔检验，分析了EDI的影响因素和影响趋势。上述分析有助于获得以下有趣和重要的发现：