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2002年，宁夏回族自治区人民政府批准建立了“宁夏火石寨自治区级丹霞地貌自然保护区”。
2008年，宁夏回族自治区科技厅、党委宣传部、科协批准为青少年科普教育基地。
2009年，国土资源部批准为国土资源科普基地、中国科学技术协会批准为全国科普教育基地。
2013年12月25日，经国务院办公厅批准，晋升为国家级自然保护区。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区宁夏回族自治区西吉县北部的火石寨乡境内。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区地处月亮山一带，北邻南华山，南侧与六盘山逶迤相连。最高峰黄圈山2494.8米，平均海拔2200米左右，为岭谷相间地形，沟谷相对高差一般在300米左右，最低处海拔1800米。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区所在地是黄土高原上的基岩山地，其地质基础是零星出露的中元古代变质岩系和火山岩层。元古代晚期至古生代，该区域为经历了板块的拼贴、断裂、海侵、海退及一系列火山活动，发育了火山岩侵入体。中生代侏罗纪至白垩纪在炎热干燥气候下，该区域沉积了厚达2800余米的山麓相—河湖相—湖相—咸化湖相地层，古近纪时该区域间歇性的上升—下降，又形成了山麓相—河湖相的红色碎屑岩，这些都成为丹霞地貌发育的地质基础。新近纪至第四纪该区域构造运动强烈，褶皱、断裂发育。
在大地构造上，宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区一带隶属昆仑秦岭地槽褶皱系北祁连走廊过渡带六盘山复背斜区。从地质力学的角度看，则处于祁吕贺兰山字型构造体系和六盘山帚状构造体系复合处，所受地应力主要是北东东一南西西向的挤压力和北北西向逆时针旋转的剪切力。主干构造线多呈北北西向延伸，而派生构造线多呈北西西和南北向展布。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区一带属陇山北沿余脉，域内地势西北高、东南低，表现为侵蚀构造山地地貌，因受地质构造及岩层坚硬程度的制约，可分为碎屑岩中山和泥质岩低山两种类型。碎屑岩中山位居保护区西南侧主体部位，地形西仰东伏。东坡稍缓，出露白垩系三桥组砾岩、和尚铺组砂岩，岩层坚硬，产状平缓，垂向节理发育，坚硬岩层受强烈的河谷溯源侵蚀，多形成锯齿状山脊、陡峭山崖和狭窄的山谷；西坡陡峭，断崖清晰。各大沟谷自西向东发育，切割出近东西向延伸的山岭、山谷，众多沟谷源头集中于此，岩层的垂向节理常被保留，刀切般的墙状山体和拔地而起的柱状山体，形成比较集中且景色壮观的丹霞地貌景观。保护区中山以东区为泥质岩的低山区，一般海拔2000～2200米，沟谷地带1800米左右相对高差在250米左右，出露白垩系李洼峡组、马东山组泥质岩层，岩性比较软弱，易于风化剥蚀，常形成浑圆状山脊和宽浅沟谷。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区在上述构造地貌之上，发育了典型的丹霞地貌。该地貌是在特殊地层上由内外营力共同作用下形成地貌类型。在火石寨，其地层基础为白垩系和古近系的红色砾岩、砂岩及砂砾岩，由于构造运动的间歇性抬升和地震等内营力作用，使地层断块整体性抬升，加之重力崩塌、滑坡、侵蚀、溶蚀等外营力综合作用，形成了陡崖深谷以及方山、丹峰、赤壁、丹崖、洞穴、石柱等奇特景观。在火石寨丹霞地貌自然保护区，丹霞地貌分布面积达6000公顷，受人为干扰小，基本保持自然状态。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区大陆性气候特征比较明显，同时还具有山地气候特征，表现为冬寒长，夏热短，温差大，冬春季节风多，春季气温回升快，秋季降温早，雨量较少，光照充足，无霜期短。多年平均降水量400～450毫米，年蒸发量1000毫米左右；平均年日照时数为2349小时，年日照百分率为53%，太阳总辐射量在4000兆焦/平方米以上；多年平均气温5.5℃，年有效积温（≥10℃）1900～2100℃左右，无霜期125天左右。灾害性天气主要有干旱、暴雨、霜冻、冰雹等。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区为黄河一级支流清水河与二级支流葫芦河的源头区域，以大气降水及其产生的地表径流为补给水源，无常流水，均为季节河。由于地形陡峻，保护区内水土流失情况较为严重，几条河流年均输沙模数达4000吨/平方千米，地表水含盐量约2克/升。地下水主要有河谷平原与沟谷的第四系砂砾石孔隙潜水和白垩系碎屑岩裂隙孔隙水两种类型，前者埋深通常在20～35米，出水量较大，水质在上游地段较好，为淡水和低矿化度水，但至下游流出保护区后已成为人畜不能饮用的重矿度水（即苦咸水）。后者埋深在50米以下，出水量少，但水质较好。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区位于宁夏西吉县火石寨乡，保护区内镶嵌白庄、石山、蝉窑、石洼、沙岗、元嘴和罗庄7个行政村，扫竹岭、月亮山（部分）2个国有林场。地理坐标介于东经105°40′-105°50′，北纬36°04′-36°11′之间，南北长17公里，东西宽10公里，总面积9795公顷，其中核心区2638公顷，占总面积的26.9%；缓冲区2086.9公顷，占总面积的21.3%；实验区5070.1公顷，占总面积的51.8%。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区主要保护对象为黄土高原独特的丹霞地貌地质遗迹、自然人文景观及黄土高原半湿润向半干旱过渡区山地森林灌丛草甸生态系统。
截至2016年06月，宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区位于华北、西北、青藏高原等多个植物区系交汇处，以温带草原植物地理成分为主。其植被以森林、灌丛、草甸、草原等多类群落交汇组合为特征，其中草甸和草原为组成当地植被的主要类型，长芒草草原、铁杆蒿草原、百里香草原、萎陵菜草甸、苔草草甸和蕨类等杂类草甸是该区域的典型群落。辽东栎、白桦、红桦等次生林以及青海云杉、华北落叶松、油松等人工林也成片分布。峨眉蔷薇、虎榛子、华北紫丁香等多种灌丛也在阴坡地段生长茂密。
截至2016年06月，宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区共有野生维管植物442种，隶属74科，235属（不包含栽培植物）。其中蕨类植物有6科、8属、11种。裸子植物有1科、1属、1种。被子植物有67科、226属、430种。保护区大多数的植物种都有程度不同、类型不同的资源价值，多属于资源动植物。其中有园林绿化与材用经济植物30余种，如辽东栎、山杨、红桦、水曲柳、小叶丁香、绣球藤毛叶忍冬等；有药用植物30种，如黄芪、淫羊霍、桃儿七、党参、益母草等。火石寨野生植物中还有油料植物、淀粉植物、纤维植物、单宁植物、花卉观赏植物、食用果菜类、牧草类等多种用途的野生植物，有的植物兼具多种价值，如川榛的种子含有大量的脂肪、蛋白质和维生素，食用营养价值高。榛叶可作猪和柞蚕的饲料，木材可作手杖和伞把，因而具有较高的经济价值。
截至2016年06月，经野外实地调查及文献记载，火石寨及周边地区已知脊椎动物有5纲20目55科117属181种。其中，鱼纲1目2科4属5种，占脊椎动物总种数的2.8%；两栖纲1目1科1属1种，占脊椎动物总种数的0.6%；爬行纲1目2科2属2种，占脊椎动物总种数的1.1%；鸟纲13目38科86属141种，占脊椎动物总种数的77.8%；哺乳纲4目12科24属32种，占脊椎动物总种数的17.7%。以鸟类占优势，哺乳类次之，两栖类最少。
根据宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区445种昆虫的已知分布记录，在世界动物地理区划中的区系成分分布型共计6类19种分布型。昆虫群落组成的优势目是鞘翅目、鳞翅目、半翅目、双翅目、膜翅目和直翅目，6个目的科数为112科、占总科数的82.4%，物种数为391种、占总种数87.91%。昆虫组成中科的单位相对较多，类群小，昆虫群落的结构比较稳定。
根据西党发〔2006〕63号文件精神，2006年，火石寨丹霞地貌自然保护区管理处成立，编制25人。为了解决保护区管理处人员偏少的问题，管理处聘用扫竹岭林场、月亮山林场、森林公安派出所工作人员58人，承担保护区日常管护工作。主要承担执行自然保护区的法律、法规，依法保护管理区内的丹霞地貌地质遗迹、野生动植物资源，负责实施保护区的生态建设等重任。管理范围涉及保护区全部区域。
强化管护基础设施建设：依托林业部门建设了沙岗梁、干石窑、王家垴、扫竹岭、武家庄5个管护站，每个管护站面积500平方米，修建生态巡护道路20余公里，护林防火瞭望塔1座，购置皮卡车1辆、摩托车5辆，配置对讲机基地台2台，对讲机5部，风力灭火机10台，割灌机10台。
制定管理暂行办法：2010年，保护区管理处制定了《火石寨丹霞地貌自然保护区管理办法（暂行）》，《办法》根据当地资源和保护情况，建立了火石寨丹霞地貌保护管理联席会议制度，确定由火石寨丹霞地貌自然保护区管理处牵头，由林业、旅游、环保、农业、国土、交通、卫生、发改、财政、公安等部门配合，在各自的职责范围内，依法做好保护区保护工作。
加强行政执法力度：自2006年以来，保护区严格按照国家有关地质、自然生态等法律法规的要求，对保护区的核心区实施完全保护，对缓冲区实施严格保护，限制开发利用，严禁对地质地貌、生态环境有影响的工程项目实施，减少人为活动。保护区管理处每年联合环保、国土、林业等部门开展一次全面检查工作，对发现的问题立即解决。管理处定期不定期的对保护区的管理保护情况进行检查，各管护站严格24小时值班制度，确保保护区的安全。自保护区建立以来，取缔采石场1个，查处无证施工工程一起，查处破坏地质遗迹、生态环境等违法行为132起。
实施生态建设：采取多种方式，先后投资260万元进行绿化，在保护区地质展览馆广场、道路两侧栽植各类高档风景树和花卉20余万株；对保护区内的退耕地全部实施退耕绿化，初步建成了丁香沟、刺玫沟、桃花沟等生态恢复区。
开展宣传教育：利用电视、广播、报纸等新闻媒体，大力宣传地质遗迹保护方面的法律法规，发挥地质博物馆资源优势，向社会和游客宣传生态、地质和野生动物保护知识，集中向中小学生开展宣传教育活动。2008年，保护区被宁夏回族自治区科技厅、党委宣传部、科协批准为科普教育基地；2009年，保护区被国土资源部批准为国土资源科普基地、被中国科学技术协会批准为全国科普教育基地。
2015年，宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区投资60万元设立保护区界碑、界桩、功能区标识牌；购置配套办公、管护设备；制作宣传标识牌，制作宣传材料及参加科普教育培训等。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区是一个科研基地，其基本功能之一是向社会提供独特的科研场所和对象。开展科学研究工作是自然保护区实施有效管理目标的基础和保证，也是自然保护区整个管理工作的灵魂，又是获取科技信息，推动自然保护区各分支学科发展的一种重要途径和科学依据。科学研究活动的活跃程度，是衡量保护区管理水平高低的重要标志之一。自20世纪30年代以来，中国地质学界以冯景兰、陈国达、吴尚时、曾昭璇、黄进、陈传康、黄可光等著名专家学者，对在红色陆相碎屑岩上发育的“丹霞”地貌进行了广泛研究。从丹霞地貌形成的物质基础、构造基础、外力作用以及旅游开发等方面发表了大量的论文及研究报告。
先后与中国地质科学院、中国林业科学院、宁夏农林科学院等科研机构联系，聘请区内外相关科研、教学专家，对火石寨丹霞地貌自然保护区的丹霞地貌、地质遗迹、植被、气象、土壤、动物、经济社会、农业、畜牧、林业等方面进行全面考察研究。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区在追溯地质历史、研究典型独特地质构造、解释自然界的本质及生命起源、研究宁夏中生界白垩系下统剖面、推进地质力学知识普及等方面做出了积极的探索和有效的贡献
云台山石窟
云台山（又名扫竹岭）位于保护区西南部，是保护区主要景观之一。云台山石窟最早凿建于北魏，与固原须弥山石窟为同期建造，是宁夏境内凿建最早的石窟群之一，兴盛于隋唐，造像多毁于清代同治年间兵燹。石窟凿修于百余米高的石崖之上，以险著称，其三面绝壁，惟东北有人凿石阶可攀。现存玉皇阁、大佛殿、菩萨殿、牛王殿、阎王殿、万寿宫等石窟30余孔，窟形多为长方形平顶式，少数圆形穹顶式。长方形大佛殿深9米，宽6.1米，高5.45米。窟内造像多数已毁，残存石雕须弥座、神台、佛龛、壁画及较完整的石雕像四尊，最大的身高5米，腹围4.5米。铜像三身，分别是北魏太平真君二年（441年）的佛像；宋代镏金释迦牟尼像，高40厘米；明万历三十一年（1603年）铸造弥勒佛，高46厘米（现均存于西吉县博物馆内）。
石寺山
石寺山，因石峰上凿有石窟寺而得名。在云台山北约5千米处，从南到北依次排列着3座石峰，形似笔架，故又名“笔架峰”，又称后云台山。南端70余米高的悬崖上有凿于隋唐时期的大小石窟8孔，长方形水窖4眼，窟内残存佛龛、壁画。
禅佛寺
禅佛寺位于石寺山西5千米的蝉窑村境内，因其与固原须弥山相连，又称“须弥山禅佛寺”。石窟凿筑在一座四壁悬空高达百余米的宝塔式突兀石峰上，犹如长矛刺天，高达120余米。石峰现存长方形石窟10孔，残存壁画、石雕须弥座等，具有明显唐代风格。石水窖5眼。石峰下半部有一石窟，深15米，宽4米，高5米，可容纳百余人。临及峰顶的石窟中原雕有3尊石佛，现改为泥塑神像。
大石城
大石城位于禅佛寺南1千米处，又名“石城天险”。大石城属红色砂岩，天然形似卧牛。底部周长800余米，高50余米，四周绝壁，惟东南角有凿石阶可攀。城顶东西长338米，南北宽120米。顶部有长方形水窖6眼，并有陶瓷瓦砾，东端有石窟一孔。明成化四年（1468年），明军与起义土达（时称蒙古族、回族等少数民族为土达）满俊民军血战于此，满俊败亡后，明军“毁其险隘，以绝后患”，将石城顶部建筑悉毁之，史称“石城征讨”。
黑窑拱北
黑窑拱北位于保护区中心地带，北有石寺山、大石城、禅佛寺，南依云台山，东靠板石窑，西面紧靠耸峰，山势险峻。半山腰有一天然石洞，相传是伊斯兰教尕德忍耶门宦头辈道祖静修和传道的地方，存有两株古柏，山顶南端有一水泉，是道祖静修时取水之地。后人为纪念道祖，在石洞前修建了拱北，每年到这里膜拜点香的穆斯林有上万人，是伊斯兰教尕德忍耶（九彩坪）门宦朝拜之地。
龙潭寺
龙潭寺又称干石窑拱北，是伊斯兰教尕德忍耶门宦的圣地之一。四周群山峻岭，香炉山、龙头山、虎尾山、石哈蟆山、回回帽山等环抱寺院。据寺中碑文所载：伊斯兰教先哲干又木巴巴，自西域来此，先后创建拜堂和寺院等，广传伊斯兰教。土达满俊之乱（明成化三至四年，公元1467—1468年）后，龙潭寺被一炬变为废墟。战乱后，信教群众捐资重建，建起八卦亭、卷篷等，砖木结构，兽瓦起脊，琉璃瓦盖顶。
香炉山摩崖石刻
香炉山摩崖石刻位于保护区内武家庄村北面的香炉山崖壁上，古画刻凿于一个自然形成的石壁上，画面长9米，宽3.12米，现存佛教人物画像30幅，多为半身坐像，头戴佛帽，身披袈裟，形似讲经授法，其中一幅为骑马僧人。据其石刻风格，始刻于初唐，后经宋、元、明、清历代增补图件修改完善，保留至今。
宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区是中国迄今发现海拔最高的丹霞地貌群、北方规模大的丹霞地貌群、古丝绸之路上规模大的丹霞地貌群。丹霞地貌规模宏大、发育典型、类型齐全、造型奇特、雄浑壮观，人为活动影响较轻。丹霞地貌和生物多样性保存完整，是研究黄土高原地质构造形成、演变和生态系统演化难得的天然样本，其地质遗迹资源全国少有，在中国北方具有典型性、稀有性、垄断性。火石寨丹霞地貌景观对于研究黄土高原地质构造、地层演变具有独特的科学价值。
加强宁夏火石寨丹霞地貌国家级自然保护区的建设与管理，对于保护黄土高原丹霞地貌地质遗迹及其相关的丝路石窟群文化景观和独特的山地森林灌丛草甸生态系统具有重要的意义，保护对象具有重要的国家级保护价值。
