基于MSPA的内蒙古生态用地及其连通性时空动态

林斐菲，谢苗苗，2，张 昊，海 锋

（1.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2.自然资源部土地整治重点实验室，北京 100035）

内蒙古自治区（简称内蒙古）地处中国北部边疆，其生态环境质量关系到本地区乃至全国和全世界的长远发展，习近平总书记在考察内蒙古时指出要努力把内蒙古建成中国北方重要的生态安全屏障。然而由于特殊的气候条件，加上城镇化进程加快、矿产等资源过度开发等人为活动的影响，内蒙古土地荒漠化和沙化、草场退化、水土流失等生态问题十分严峻［1，2］，生态用地质量受到严重威胁，进行生态用地时空动态的相关研究可为内蒙古生态屏障建设提供理论基础。有关内蒙古土地利用/覆被变化的研究较多，王宏亮等［3］采用多模型测度对内蒙古土地利用进行分析，发现1997—2014年内蒙古草地面积大幅减少，耕地、林地、建设用地和其他土地面积有所增加；陈海燕等［4］对1980—2005年内蒙古的土地利用变化进行分析，得出内蒙古平原耕作区受国家政策影响，2000年后林地和高覆盖草地开垦速度下降，但草地退化和荒漠化速度上升。这些研究显示，20世纪末期以来内蒙古生态用地面积在不断减少。

除数量动态以外，用地格局也会对区域生态安全保障和生态系统服务功能产生重要影响［5-7］，其中，连通性的含义是景观对生态流的便利或阻碍程度［8］，生态用地连通性能够为区域生态系统的稳定提供基础［9］。形态学空间格局分析（Morphological spatial pattern analysis，MSPA）方法是基于腐蚀、扩张、开运算、闭运算等数学形态学原理对栅格图像的空间格局进行分割、识别、分类等的一种图像处理方法［10，11］，可以将目标像元按照形态分为连通性程度不同的类型，从像元层面上识别出连通性意义大的区域［12］，与传统连通性指数相比更能体现空间差异，从而为生态管理提供依据。近年来，MSPA的方法逐渐被用于生态规划领域［13］。王越等［14］认为MS⁃PA为景观格局分析、生态源地识别与结构性廊道提取等方面存在的问题提供了科学的解决方法；王玉莹等［15］运用MSPA对江苏省的景观格局进行分析，建立潜在生态廊道并形成省域生态网络体系，提出优化生态网络的策略。但是，有关内蒙古生态用地连通性及应用MSPA进行的研究较少。

为保障区域生态安全和质量，近年来内蒙古实施了草原生态保护补助奖励政策、矿山地质环境治理措施以及京津风沙源治理、三北防护林等国家林业重点工程和生态修复重点工程，取得了一定成效［16］。同时内蒙古近年来也在全面推进生态保护红线的划定工作。生态保护红线是中国生态文明建设的重要制度创新，对保障自治区生态屏障地位意义重大。对生态用地进行连通性分析可为生态保护红线的科学划定和完善提供依据。李国煜等［17］通过对比生态用地核心区与生态保护红线的景观格局指数和景观连通性，提出基于生态安全格局的生态用地保护策略，对现有生态保护红线进行补充完善；吴健生等［18］对比了深圳市基本生态控制线范围内外生态用地连通性的变化，提出了完善基本生态控制线策略的建议。对内蒙古自治区生态用地连通性进行研究，能够为更好地实现内蒙古自治区北方生态安全屏障的功能以及提出和完善相关生态环境保护策略提供参考。

本研究以内蒙古自治区为研究对象，提取生态用地并应用MSPA将其划分为7种连通性类型，通过转移矩阵等方法得到生态用地及其连通性的时空动态变化特征，探讨变化的驱动因素，并对内蒙古生态环境保护及其生态红线划定提出一定的建议。

1 研究区概况

内蒙古自治区地处中国北部边疆，位于北纬37°24′—53°23′，东经97°12′—126°04′，南与黑龙江、宁夏等8个省区相接，北与俄罗斯和蒙古国毗邻。全区气候复杂多样，以温带大陆性季风气候为主。内蒙古自治区呈狭长的条带状，由东北向西南斜伸，横跨中国东北、华北和西北3个地区，总面积为118.3万km2，占全国总面积的12.3%，共辖12个地级行政区。2019年末全区常住人口2 539.6万人，共生活着55个民族。内蒙古矿产资源十分丰富，煤炭资源保有量为全国第一。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究所使用的数据包括内蒙古自治区1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2018年共8期土地利用数据。该数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）［19］，是以Landsat卫星遥感影像作为主要信息源，通过人工目视解译获取的精度为1 km的土地利用栅格数据。

2.2 研究方法

2.2.1 生态用地界定 应用MSPA方法首先需要在土地利用数据中区分前景像元与背景像元以得到二值栅格图［20］。本研究定义生态用地的像元作为前景像元，即MSPA分析的输入源，非生态用地的像元为背景像元。由于目前国内学者对生态用地的含义及分类体系还没有统一的认识［21］，本研究首先对内蒙古自治区生态用地的内涵进行了界定。Guo等［22］提出了一种促进生态保护红线管理的生态土地分类系统，包括基本生态土地、辅助生态土地、生产性生态土地和日常生活生态区四大类，主要参考该分类体系及实际情况，本研究生态用地包括了基本生态土地和辅助生态土地两类。对于在生态用地分类时一直具有较大争议的耕地，有研究指出除灌溉水田外的农业生产用地不属于生态用地［23］，考虑到内蒙古自治区的灌溉水田面积小且数量少，本研究生态用地不包含耕地。综上所述，以中国土地利用/土地覆盖遥感监测数据分类系统为基础，定义内蒙古自治区的生态用地，结果如图1所示。

图1 内蒙古自治区生态用地分类体系

2.2.2 连通性功能类型内涵 MSPA方法将前景像元按形态分成7种类型，即核心（Core）、斑块（Islet）、边缘（Edge）、孔隙（Perforation）、桥接（Bridge）、环道（Loop）、支线（Branch）［10］。结合内蒙古自治区生态用地的景观特点，得到其生态用地MSPA连通性功能类型的定义与其生态学含义及表征（表1）［24-26］。

表1 内蒙古自治区MSPA连通性功能类型定义与生态学含义及表征

2.2.3 基于MSPA的生态用地连通性时空动态分析 应用Guidos Toolbox软件将生态用地分为互不重叠的7种MSPA类型，得到1980—2018年内蒙古自治区生态用地连通性功能类型格局（图2）。运行软件主要步骤包括提取生态用地作为前景像元、关键参数设定和处理运算。需要确定的2个关键参数为Foreground Connectivity（前景连接）和Edge Width（边缘宽度）。其中，前景连接参数可取值为4邻域或8邻域，软件基于此进行逻辑运算［20］，结合边缘宽度识别出各景观类型；边缘宽度的取值要根据研究对象实际情况和研究尺度而定，其影响核心区的最小面积和前景像元分类［14］。通过反复试验，确定本研究参数设置为前景连接为8邻域，边缘宽度为3，此时得到的核心区面积大小和分布位置与内蒙古自治区国家重点生态功能区［27］和生态环境脆弱区［28］的空间分异大致吻合，较符合实际情况。

图2 内蒙古自治区连通性功能类型格局

时间动态分析部分从面积结构、转移矩阵等获取生态用地及其连通性在研究期间的变化情况，以及7种连通性功能类型的内部动态关联。将内蒙古自治区划分为东部、中部、西部3个区域，结合连通性类型内部土地覆盖情况分析空间分异特征，东部地区包括赤峰市、通辽市、兴安盟、呼伦贝尔市4个盟市，中部地区包括锡林郭勒盟、乌兰察布市、呼和浩特市、包头市和鄂尔多斯市等盟市，西部地区由巴彦淖尔市、乌海市以及阿拉善盟组成。按照蒙东、蒙中、蒙西分别统计各类生态用地组分占该区域总面积的比例，通过各区域内生态用地连通性类型及其生态用地组分的差异表征生态用地及其连通性空间分异。

3 结果与分析

3.1 生态用地结构时序变化特征

从土地利用数据中提取出生态用地，统计并分析1980—2018年内蒙古自治区各类用地面积的时序变化情况（图3），有以下几个特点。

图3 1980—2018年内蒙古自治区各用地类型面积变化情况

1）整体来看，1980—2018年内蒙古自治区的生态用地面积占比由79.842%减少到76.383%，共减少3.459个百分点。而非生态用地面积占比由20.158%增加到23.617%，增加了3.459个百分点。生态用地中，只有草地呈减少趋势，研究期末相比期初其面积占比减少了5.879个百分点，2015—2018年减少的速度突增，因草地的面积远大于其他生态用地，且减少百分比大，因此，其减少的面积数量远大于其他生态用地增加的面积，导致生态用地整体面积占比减少。林地和沙地、盐碱地、沼泽地的面积前期较为稳定，在2015—2018年增加幅度较大，研究期末沙地、盐碱地和沼泽地面积占比较期初增加了1.730个百分点，面积增加较多，但由于其属于生态环境脆弱区和敏感区，面积增加会加剧内蒙古自治区的生态环境问题。

2）非生态用地中，耕地的面积占比在研究期间增加了1.720个百分点，城乡、工矿、居民用地的面积占比增加了0.548个百分点。但总体来说，非生态用地占内蒙古自治区总面积的比例仍然比生态用地要低。

3.2 生态用地连通性时序变化特征

3.2.1 生态用地连通性总体变化特征 1980—2018年内蒙古自治区生态用地连通性功能类型中斑块、孔隙和支线的面积占比均有所增加，其他类型的面积占比则在减少（表2）。连通性功能类型中，核心区面积最大，但其面积占比在研究期间不断减少，期末比期初减少3.286个百分点。边缘、环道和桥接面积占比均有所减少，其中，环道类减少了0.095个百分点，桥接区面积占比在1980年比非生态用地多，仅次于核心区，但到2018年时其面积占比减少了0.850个百分点，比非生态用地面积占比更少。斑块、孔隙和支线面积占比均有所增加，其中，斑块类面积占比增加较多，增加了0.623个百分点，孔隙类增加了0.249个百分点。

表2 1980—2019年内蒙古自治区生态用地连通性功能类型面积变化情况

3.2.2 生态用地连通性功能类型转移矩阵 1980—2018年内蒙古自治区7种生态用地连通性功能类型内部以及与非生态用地之间的转换关系可以通过转移矩阵来说明（表3），变化情况如下。

表3 1980—2018年内蒙古自治区生态用地连通性功能类型变化转移矩阵

1）1980—2018年对连通性作用最大的核心区面积减少，对连通性作用最小的斑块类面积增加。核心区的转移中，有84.509%的核心区保留，其余主要转出为桥接类；斑块类的转移中，有44.003%的斑块保留，研究期初11.160%的支线、2.913%的非生态用地、2.310%的桥接转移为期末的斑块。其中，核心区向桥接类转移，支线类向斑块类转移都属于连通性意义高的类型转移为连通性意义低的类型。

2）核心区之间连通程度降低，内部穿孔问题严重、聚集程度下降。1980—2018年，桥接区面积减少，使得核心区之间的连通程度降低，只有64.342%的桥接类在研究期末仍然保留为桥接；孔隙类面积增加，孔隙类越多说明核心区内部零散的非生态用地越多，期初28.011%的孔隙保留下来，2.904%的核心区、6.427%的环道转为孔隙；环道类面积减少，说明核心区内部聚集程度在下降，只有32.068%的环道保留下来，其余主要转出为核心区、桥接类和非生态用地。

3）较多的连通性功能类型转移为非生态用地。研究期间非生态用地面积增加，期初有81.672%的非生态用地保留下来，另有41.841%的斑块、40.544%的支线、19.950%的桥接、12.502%的边缘转移为非生态用地，转移比例最大的是斑块类和支线类。

3.3 生态用地连通性功能类型空间分布特征

内蒙古自治区生态用地连通性空间分布整体呈北部连通性高、南部连通性低的特征。比较各期数据，内蒙古自治区生态用地连通性功能类型的空间分布特征基本一致。核心区分布面积最大，2018年占内蒙古自治区总面积的43.899%，主要分布在东北部、中北部和西南部，这些区域主要为各大型生态功能区和生态敏感区，区域面积大且较为完整，连通性良好，具有较大的生态价值。桥接区面积仅次于核心区，2018年其面积占比为21.209%，主要分布在东南部和中南部，此区域主要为耕地和快速发展的较分散的城乡、工矿、居民用地，生态用地破碎程度较高，连通性较差（图4）。

图4 2018年内蒙古自治区生态用地分布

内蒙古自治区生态用地连通性功能类型中的生态用地组分随地域变化占比各有不同（图5）。东部以林地和草地为主，中部以草地为主，西部以草地和沙地、盐碱地、沼泽地为主。这是由于内蒙古自治区面积辽阔，横跨东北、华北和西北三区，降水量少且分布不匀，东部降水比西部多，蒸发量则相反，因此，内蒙古自治区的气候也呈带状分布，东部主要是湿润区、半湿润区，中西部为半干旱区和干旱区。

图5 各区域连通性功能类型生态用地组成

3.4 生态用地连通性功能类型构成结构特征

比较各期数据，内蒙古自治区连通性功能类型的生态用地组分中草地面积占比最大，由此，其对生态用地的连通性功能意义重大。

1980—2018年，内蒙古自治区的草地不仅面积在减少，其覆盖率也在不断降低。将高覆盖草地、中覆盖草地和低覆盖草地分别提取出来进行分析后发现，占比最大的高覆盖草地的面积较初始面积减少了31.278%，而低覆盖草地面积减少了7.516%。

低覆盖草地属于极易受到破坏的生态用地类型，占内蒙古自治区草地总面积的20%左右。为凸显低覆盖草地对生态用地连通性的影响，以2018年的内蒙古自治区土地利用数据为例，分别对生态用地是否包含低覆盖草地2种情景进行MSPA分析。结果（表4）表明，生态用地包含低覆盖草地时，连通性意义最低的斑块类比未包含低覆盖草地时减少了2.989个百分点，连通性意义最高的核心区增加了18.342个百分点。低覆盖草地在现有生态用地连通性中贡献较大，尤其对生态用地破碎化具有决定作用。相关部门需要重视低覆盖草地的问题，防止其继续退化。

表4 2018年内蒙古自治区有无低覆盖草地连通性功能类型面积占比变化情况

4 讨论

4.1 内蒙古自治区生态用地及其连通性变化原因分析

1）城镇化速度快，建设用地侵占生态用地现象显著。近年来内蒙古自治区的城镇化水平增速较快［29］，又因其位于重要的枢纽地带，承担着许多国家发展战略的实施和建设项目［30］，建设用地需求量增多，大多只能依靠开发生态用地满足建设开发需求，造成非生态用地面积增加，其中城乡、工矿、居民用地2018年的面积较1980年增加了60.708%。此外，城镇规模小、布局不合理，农村居民点布局分散造成的土地节约集约利用水平低［30］使建设用地分割生态用地，阻断核心区之间的连通。

2）资源粗放式开发经营与生态用地格局破碎化紧密相关。内蒙古自治区经济飞速增长主要依靠于煤炭等能源产业［31］，只追求经济效益的粗放式开采经营使地表植被遭受难以恢复的破坏，造成草原塌陷等问题［32］，核心区内部出现穿孔，生态格局趋于破碎；内蒙古自治区的草地资源也十分丰富，但由于过度放牧，草蓄失衡以及草原退化、沙化、盐碱化严重［33］，导致草地面积大幅减少，覆盖率和质量均降低。

3）特殊的自然条件造成生态环境脆弱敏感。内蒙古大部分地区的气候是半干旱、干旱或极干旱，降水少且大风天气多，造成其生态用地质量较差［1］。相对恶劣的自然条件造成内蒙古沙尘暴频发，人为破坏造成的生态环境恶化加重了这一过程，形成生态恶性循环。此外受到气候因素的影响，生态工程受灾面积增加［34］，使得生态修复难度增大，生态环境被破坏的速度大于修复的速度。

4）总体变化趋势较为稳定，可能原因如下：各类用地面积变化都比较大，但因内蒙古自治区面积辽阔，基数大，所以整体变化速度不突出；作为中国北方重要的生态安全屏障，研究期间多项国家林业重点工程和生态保护修复工程在内蒙古推行实施，促进了内蒙古的生态环境保护与生态文明建设，使得在内蒙古经济高速发展阶段，其生态环境也保持了相对稳定。虽然这些措施在生态环境的治理方面取得了较好的成效，但内蒙古自治区生态用地面积仍在减少及其连通性还在下降，说明采取更有效措施进一步加强对生态环境的保护十分必要。

4.2 生态用地内涵探讨

生态用地的界定是对其进行连通性分析的前提，本研究提出的生态用地主要包括林地、草地、水域以及未利用地中的沙地、盐碱地和沼泽地。沼泽地属于湿地，应将其作为生态用地进行保护，但沙地和盐碱地属于植被覆盖率低、生态功能低的用地类型，对其是否纳入生态用地存在争议。

Guo等［22］提出生态土地分类系统将盐碱地和沙地归于辅助性生态土地，还有研究将沙地、盐碱地作为原生生态用地［35］、保全性生态用地［36］或者主导功能生态用地［37］等纳入生态用地范围内。由于干旱气候条件和人类活动的影响，内蒙古自治区的沙地、盐碱地数量多，几乎全域都有分布，除蒙西的沙地面积较大外，其他区域的这两类用地都零散地分布于其他各类用地，尤其是作为基本生态用地的草地，这使得草地破碎化，生态功能降低，如果不对分布于草地的沙地、盐碱地进行保护和修复，草地生态系统会遭到进一步破坏，沙地、盐碱地脆弱且敏感的生态环境也可能因为人类的过度干预而受到不可逆转的损害，最终影响区域生态安全。因此，本研究将沙地、盐碱地纳入生态用地范围内，依据其形成原因和特征，采取不同的措施对其进行保护或修复。对于天然形成的沙地、盐碱地以保护其间接生态功能和适当利用为主，提升其生态价值；对于人为造成草地、林地退化而形成的沙地、盐碱地，以修复为主。

4.3 连通性分析结果的现实意义

1）对于内蒙古自治区来说，草地具有极高的生态价值，同时对农牧业的发展作用巨大［38］。本研究对比是否包含低覆盖草地的2种情景，MSPA结果证明了如果低覆盖草地缺失则会对区域生态用地的连通性造成极大影响，但以上分析都是基于低覆盖草地与其他生态用地具有相当的功能和价值这一假设。低覆盖草地的生态系统服务功能较高覆盖草地等其他生态用地更低，如石羊河上游草地覆盖降低造成其生态系统服务能力下降［39］，因此其对连通性的贡献可能被高估。仅从本研究的分析结果来看，内蒙古自治区生态用地连通性结果较为依赖低覆盖草地。

2）2017年《关于划定并严守生态保护红线的若干意见》出台，生态保护红线上升至国家政策层面。生态保护红线的划定更偏重生态用地的功能性，未考虑生态保护红线的整体格局，其内部空间孤立破碎、连通性差成为保护实施中的障碍［40］。本研究通过MSPA分析所提取出的连通性功能类型对提升生态保护红线连通性具有参考意义，红线划定时，不仅应关注生态功能重要区和生态环境敏感区，对于一些连通性意义高的区域，也应该纳入红线范围，同时要重视生态保护红线内部空间的连通性和聚集程度，解决当前生态保护红线区连通性不强的问题。不同生态功能对于具体地区的优先级不同，借助MSPA结果可以保护连通性强、更重要的功能，从结构优化的角度来提升生态保护红线的整体功能性。生态保护红线不应只作为生态环境安全的底线，更应该通过其连通各个生态子系统，发挥整体生态系统最大的生态效益。

5 小结

本研究根据内蒙古自治区实际情况，定义生态用地内涵，应用MSPA划分连通性功能类型，分析生态用地及其连通性在1980—2018年的时序变化，空间分布与构成结构特征，并探究驱动因素，结论如下。

1）1980—2018年内蒙古自治区连通性功能类型较多转为非生态用地，保留下来的生态用地的连通性在不断降低，分析结果显示，城镇化速度加快、资源粗放式开发经营加上特殊的自然条件是造成生态用地面积减少、连通性下降的主要原因；同时，研究显示低覆盖草地承担了内蒙古自治区生态用地连通性的重要部分，然而其又是相对脆弱的生态用地类型。综上，亟需采取强有力的措施加大对内蒙古自治区生态环境的保护力度。

2）内蒙古自治区生态用地连通性北部较南部更高，但北部核心区内部出现穿孔问题说明其生态环境也在恶化，现状不容乐观。从空间分布上来看，内蒙古自治区不同区域的生态环境差异较大，在生态保护中可以因地制宜，扬长避短。

3）应用MSPA方法对生态用地连通性功能类型进行识别，不仅可以得到连通性整体水平，也能够快速对连通性空间分布特征进行判断。同时，本研究结果可为基于MSPA优化生态保护红线连通性格局的相关研究提供一定依据，对中国北方生态安全屏障的建设具有参考价值。