汪 濱，張志強(qiáng)

（1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，國家林業(yè)局水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京 100083；2. 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，臨汾 042200）

黃土高原典型流域退耕還林土地利用變化及其合理性評價

汪 濱，張志強(qiáng)※

（1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，國家林業(yè)局水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京 100083；2. 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，臨汾 042200）

黃土高原大規(guī)模退耕還林使得該區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻變化，區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善。研究由此引起的土地利用變化及其合理性，對于加快黃土高原植被恢復(fù)、控制黃河泥沙以及實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展等具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價值。該文應(yīng)用遙感（remote sensing, RS）和地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）技術(shù)對黃土高原典型流域清水河流域2000－2014年土地利用變化特征進(jìn)行了分析，并通過構(gòu)建判別準(zhǔn)則體系對土地利用變化的合理性進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，該流域?qū)嵤┩烁€林工程以來，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，主要土地利用類型耕地、園地、林地和草地的比例由2000年的1: 0.06: 2.05: 3.95大幅度調(diào)整至2014年的1: 3.22: 12.03: 5.51，其變化經(jīng)歷了3個階段：2000－2005年以退耕還林及其配套措施為主，重點突出了工程的生態(tài)效益，土地利用變化合理度為78.60%，屬于低度合理；2006－2009年在繼續(xù)推進(jìn)荒山造林和封禁的同時，大力開展基本農(nóng)田與果園建設(shè)，兼顧了生態(tài)、經(jīng)濟(jì)與社會效益，土地利用變化合理度為91.71%，進(jìn)入高度合理狀態(tài)；2010－2014年進(jìn)一步加大蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展力度，重點突出了經(jīng)濟(jì)效益，土地利用變化合理度為95.20%，延續(xù)了高度合理態(tài)勢。建議新一輪退耕還林工程應(yīng)注意嚴(yán)格控制新的退耕，保護(hù)經(jīng)營好現(xiàn)有林地，適當(dāng)控制園地規(guī)模。

土地利用；遙感；植被；退耕還林；合理度；黃土高原

汪 濱，張志強(qiáng). 黃土高原典型流域退耕還林土地利用變化及其合理性評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(7)：235－245.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.031 http://www.tcsae.org

Wang Bin, Zhang Zhiqiang. Land use change driven by Sloping Land Conversion Program in typical watershed on Loess Plateau and its rationality evaluation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 235－ 245. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.031 http://www.tcsae.org

0 引 言

黃土高原是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)[1]。長期的植被破壞和不合理土地利用導(dǎo)致該區(qū)土地資源質(zhì)量及生物生產(chǎn)力不斷下降，生態(tài)環(huán)境持續(xù)退化，水土流失愈加嚴(yán)重并成為黃河下游河道泥沙不斷淤積的根源[2-3]。新中國成立特別是改革開放以來，以生物措施、工程措施、農(nóng)業(yè)措施與其它管理措施相結(jié)合的小流域綜合治理在黃土高原取得了顯著成效[4-6]。1999年起國家實施了大規(guī)模的退耕還林工程并于 2014年起啟動了新一輪的退耕還林。通過第 1輪工程的實施，黃土高原林草植被覆蓋已大幅度增加，在有效治理土壤侵蝕、減少入黃泥沙、增加碳儲量和碳匯、提高區(qū)域生物多樣性等方面發(fā)揮了重要作用[7-8]，同時農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到了調(diào)整，農(nóng)民收入水平進(jìn)一步提高[9]。有研究表明，盡管黃河干流泥沙已大幅度減少，但隨著現(xiàn)有淤地壩、水庫等工程措施承淤能力的逐步減小，退耕還林植被恢復(fù)與重建將成為黃河泥沙治理的關(guān)鍵[10]。由于黃土高原退耕還林還草肩負(fù)著改善生態(tài)環(huán)境與實現(xiàn)農(nóng)民脫貧致富的雙重任務(wù)，僅僅研究退耕還林的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)顯然不能夠為工程的深入推進(jìn)提供堅實的理論基礎(chǔ)，因而構(gòu)建基于兼顧生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)、社會效益的土地利用合理性判別準(zhǔn)則，研究退耕還林引起的土地利用變化及其合理性，對于制定新一輪退耕還林工程實施方案，加快黃土高原植被恢復(fù)、控制黃河泥沙以及實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展等具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價值。

目前土地利用變化在時空分布及驅(qū)動力等方面已經(jīng)有了大量研究[11-12]，但其合理性分析尚屬非常薄弱的環(huán)節(jié)，且已有研究主要側(cè)重土地利用結(jié)構(gòu)變化的合理性[13]和土地利用變化的合理度及分級標(biāo)準(zhǔn)[14]上，缺乏地類之間轉(zhuǎn)化合理性評價的系統(tǒng)判別依據(jù)。本文以山西省吉縣清水河流域為對象，應(yīng)用遙感（remote sensing, RS）解譯與地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS）空間分析手段，分析該流域退耕還林15 a間土地利用的動態(tài)變化，并采用土地利用變化合理度概念構(gòu)建判別準(zhǔn)則體系，評價其不同階段變化的合理性，進(jìn)而提出新一輪退耕還林工程主要土地利用類型的調(diào)控建議。

1 研究區(qū)域概況

清水河發(fā)源于山西省吉縣高天山西麓，向西南直接注入黃河。吉縣水文站控制的清水河流域地理坐標(biāo)為110°36′47″～110°56′0″E、36°2′18″～36°16′23″N（圖1），跨吉縣、鄉(xiāng)寧兩縣，總土地面積436 km2，其中吉縣境內(nèi)面積占 94.67%。屬暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10.2 ℃，年平均降水量541.5 mm，年內(nèi)降水不均，5～10月降雨占全年降水的85.25%。該流域地處晉西黃土高原南部，相對高差較大，屬黃土殘塬溝壑區(qū)，除東部山區(qū)（主峰高天山海拔高度為1 820 m）和西北部山區(qū)（主峰人祖山海拔1 742 m）外，流域水土流失一直非常嚴(yán)重。該流域于2000年下半年起實施退耕還林工程，2005年完成第1階段退耕和造林任務(wù)。從2008年起進(jìn)入退耕還林工程鞏固成果階段，期間吉縣在繼續(xù)實施荒山造林和封禁的同時大力開展坡改梯工程與基本農(nóng)田建設(shè)，2010年起進(jìn)一步加大了具有地方傳統(tǒng)和優(yōu)勢的蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展力度，至2014年完成了第1輪退耕還林工程。為此，以2000、2005、2010和2014年4個標(biāo)志年份為節(jié)點，將清水河流域第1輪退耕還林土地利用變化分為2000－2005、2006－2009和2010－2014年3個階段。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與土地利用分類

為完整反映流域第1輪退耕還林3個階段的土地利用變化，綜合考慮年份、季節(jié)及影像云量，選取2000年5月21日Landsat7、2005年6月12日Landsat5、2011 年6月29日Landsat5和2014年5月20日Landsat8影像分別作為退耕還林前及退耕還林以來 4個標(biāo)志年份的代表影像（因G22臨吉高速公路建設(shè)對2010年沿線地區(qū)土地利用的影響較大，故用2011年影像替代）。輔助數(shù)據(jù)包括2011年公布的第2版ASTER GDEM影像、2005年的吉縣和鄉(xiāng)寧縣1:100 000比例尺土地利用圖。4期遙感影像和DEM影像來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），兩縣2005年的土地利用圖來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/）的中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。

土地利用分類以中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中的土地利用分類系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并參照土地利用現(xiàn)狀分類國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 21010-2007），通過歸并最終將土地利用類型劃分為耕地、園地、有林地、疏林地、灌木林地、草地、建設(shè)用地和水域 8類。本文后續(xù)分析中的林地為有林地、疏林地和灌木林地的統(tǒng)稱。

2.2 遙感數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用 ERDAS9.2對遙感影像進(jìn)行波段合成、圖像融合、圖像增強(qiáng)、研究區(qū)截取及統(tǒng)一坐標(biāo)系等預(yù)處理，根據(jù)2005年土地利用圖建立各土地利用類型的解譯特征標(biāo)志，采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類，得到 4期原始土地利用空間分布圖。為減少影像混合光譜信息對分類的影響，提高解譯精度，利用Google Earth高分辨率影像對監(jiān)督分類結(jié)果進(jìn)行修正。以2014年影像為例，具體過程如下：應(yīng)用ArcGIS9.3將經(jīng)過聚類統(tǒng)計、去除分析等分類后處理的土地利用空間分布圖轉(zhuǎn)為Shape格式，并將斑塊按照面積由大到小依次排列，使用Select工具提取斑塊并轉(zhuǎn)為KML格式；在Google Earth中，將導(dǎo)入斑塊的顯示樣式設(shè)置為輪廓，點擊“顯示歷史圖像”按鈕，選擇 2014 年5月影像，結(jié)合前期野外實地GPS采點數(shù)據(jù)對斑塊的土地利用進(jìn)行目視判讀；在ArcGIS9.3中，以圖像增強(qiáng)后的影像為底圖，使用Cut polygon features工具對該斑塊進(jìn)行修正并賦予正確的地類編號。修正完成后，利用野外實地采點數(shù)據(jù)、地塊利用歷史實地訪問調(diào)查結(jié)果以及2005年土地利用圖，對4期分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗，各期影像的總體解譯精度均達(dá)到90%以上。最后對4期土地利用矢量圖進(jìn)行拓?fù)錂z查，確保各地類斑塊之間不會出現(xiàn)重疊或缺失。

2.3 土地利用動態(tài)變化分析

土地利用動態(tài)變化包括土地資源數(shù)量、質(zhì)量隨時間的變化，也包括土地利用的空間變化及土地利用類型組合方式的變化[15]。本文通過土地利用結(jié)構(gòu)和土地利用轉(zhuǎn)移2個途徑，分析了土地利用變化的基本特征。

2.3.1 土地利用結(jié)構(gòu)

土地利用結(jié)構(gòu)是指在一定區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型的空間分布格局及數(shù)量的比例關(guān)系[16]。在ArcGIS9.3中以4期土地利用空間分布圖為輸入圖層，使用 Summary Statistics工具，對4期土地利用類型面積進(jìn)行加和統(tǒng)計。

2.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣不僅可以反映研究時段初期與末期的土地利用結(jié)構(gòu)特征，還可以反映研究時段內(nèi)各土地利用類型的轉(zhuǎn)移變化情況，以便分析研究時段初期各類型土地的流向以及末期各土地利用類型的來源與構(gòu)成[17]，其表達(dá)式為

式中sij為研究時段初期第i類土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯繒r段末期第j類土地利用類型的面積，n為土地利用類型的數(shù)量。

利用ArcGIS9.3對4期土地利用空間分布圖進(jìn)行空間疊加分析，生成了2000－2005、2005－2011、2011－2014年 3個時段的土地利用轉(zhuǎn)移圖層，并通過對屬性表數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到3個時段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

2.4 土地利用變化合理性評價

2.4.1 合理性判別準(zhǔn)則及依據(jù)

本文以土壤侵蝕、植被演替研究結(jié)果以及國家相關(guān)法律、法規(guī)和政策為依據(jù)，構(gòu)建了土地利用變化合理性判別準(zhǔn)則體系。各地類變化的合理性判別準(zhǔn)則詳見表1。

表1 清水河流域土地利用變化合理性判別準(zhǔn)則Table1 Discriminant criterion for rationality of land use changes in Qingshuihe watershed

1）耕地。研究表明，黃土高原坡度是影響土壤侵蝕的最主要地形因子[18]，土壤侵蝕量與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，坡度大于15°后侵蝕強(qiáng)度明顯增大[19-20]，臨界坡度一般介于 24°～29°之間[21]。由于耕地是退耕還林主要針對的地類，而糧食生產(chǎn)又與退耕農(nóng)民的生活息息相關(guān)，故在判別其變化的合理性時，總體上應(yīng)突出生態(tài)效益優(yōu)先，但在坡度較小地塊應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)效益，以確保工程的穩(wěn)定運行。根據(jù)上述黃土高原土壤侵蝕的研究結(jié)果以及《退耕還林條例》第十五條和第十六條、《水土保持法》第二十條的規(guī)定，將25°作為退耕的下限強(qiáng)制坡度和合理墾殖的上限強(qiáng)制坡度，將 15°作為退耕的下限適宜坡度，15°以下則不應(yīng)退耕，而應(yīng)實施水土保持梯改、農(nóng)業(yè)耕作等措施，以穩(wěn)定糧食生產(chǎn)。流域內(nèi)包括基本農(nóng)田在內(nèi)的川地、梯田不屬于退耕范圍，且基本農(nóng)田受法律保護(hù)，故不進(jìn)行評價。

2）林地與草地。生態(tài)林草建設(shè)是退耕還林（草）工程的主要任務(wù)，林地和草地變化合理性的判別主要突出生態(tài)效益，但有林地、疏林地、灌木林地與草地的生態(tài)效益存在一定差異。由于流域所處地區(qū)屬于造林適宜區(qū)，天然林和人工林的更新樹種往往是頂級群落的建群種[22]，根據(jù)黃土高原地區(qū)有關(guān)研究結(jié)果，植被演替的規(guī)律為草地→灌叢→森林[23-24]，土壤侵蝕的嚴(yán)重程度一般為林地＜草地[25-27]，故將林草地的優(yōu)次順序確定為有林地、疏林地、灌木林地和草地。

3）園地。流域果園發(fā)展較快，且都配套實施了如魚鱗坑、反坡梯田等水土保持措施，在林地與園地的優(yōu)次順序方面，根據(jù)生態(tài)優(yōu)先方針和《國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步做好退耕還林還草試點工作的若干意見》中“在保證整體生態(tài)效益的前提下適當(dāng)發(fā)展經(jīng)濟(jì)林”的退耕還林政策 ，將園地的重要性置于有林地與疏林地之間，以兼顧生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4）建設(shè)用地。建設(shè)用地的變化與流域經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展密切相關(guān)。在判別農(nóng)用地轉(zhuǎn)建設(shè)用地的合理性時，主要依據(jù)《環(huán)境保護(hù)法》第十九條和《土地管理法》第四十四條、第六十至六十二條，以通過環(huán)評、政府審批與否為主要標(biāo)準(zhǔn)，兼顧經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；在判別建設(shè)用地轉(zhuǎn)農(nóng)用地的合理性時，主要參考《土地復(fù)墾條例》第四條和國土資源部部令《節(jié)約集約利用土地規(guī)定》第二條，以低效廢棄地的再利用、提高土地利用效率為標(biāo)準(zhǔn)，兼顧生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

5）水域。流域水域面積較小，且受氣候年際變化的影響較大，故不對水域變化進(jìn)行合理性評價。

2.4.2 合理度計算方法

為了分析退耕還林不同階段各土地利用類型及總體變化的合理性，根據(jù)合理性判別準(zhǔn)則，以土地利用轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將各地類變化的總面積分為變化合理和變化不合理2類，采用公式（2）計算各地類變化的合理度，并加和統(tǒng)計出 3個時段的變化總面積和變化合理面積，進(jìn)而計算各時段的土地利用變化合理度。利用ArcGIS9.3對基于DEM影像得到的流域坡度分級矢量圖與前述3個時段的土地利用轉(zhuǎn)移圖層進(jìn)行空間疊加分析并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

2.4.3 合理度分級標(biāo)準(zhǔn)

采用楊子生等提出的分級標(biāo)準(zhǔn)[14]，將土地利用變化合理性劃分為6個等級（表2）。

表2 土地利用變化合理度分級標(biāo)準(zhǔn)Table2 Standard for gradation of rational degree of land use changes

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化特征

在歷時15 a退耕還林工程實施的過程中，除沒有納入退耕還林工程實施范圍的東部和西北部山區(qū)一直以林地為主外，流域土地利用空間分布發(fā)生了很大變化，其中隨著 3個工程階段的推進(jìn)，土地利用調(diào)整的空間范圍不斷發(fā)生變化（圖2）。

圖2 2000－2014年清水河流域土地利用空間分布Fig.2 Spatial distribution of land use in Qingshuihe watershed from 2000 to 2014

在工程實施前，草地分布范圍廣，園地分布零星；通過第1階段工程的實施，耕地明顯縮小，而流域上游地區(qū)林地明顯擴(kuò)大；第2階段上游地區(qū)林地分布范圍向中下游延伸，園地開始擴(kuò)展，草地明顯縮??；第3階段林地與園地范圍擴(kuò)幅較大，而草地分布則繼續(xù)減小。具體而言（表3），2000年草地面積最大，占總土地面積的55.75%，林地次之，占28.98%，耕地則占14.11%，而園地面積較小僅占 0.79%，主要土地利用類型耕地、園地、林地和草地的比例為 1∶0.06∶2.05∶3.95。2005年耕地和草地比例分別降至9.19%和52.76%，林地則升至35.64%，園地和建設(shè)用地面積有一定增加，但增加規(guī)模總體不大，水域面積總體較小，所占比例變化不大。第 1階段主要土地利用類型耕地、園地、林地和草地的比例調(diào)整為 1∶0.20∶3.88∶5.74，重點突出了工程的生態(tài)效益。2011年耕地比例繼續(xù)降至7.62%，但因新建梯田的加入其降幅小于第1階段，而林地和園地則分別升至41.69%和6.29%，草地面積雖仍最大，但其比例降至43.19%。吉縣縣城主要位于流域內(nèi)，隨著城鎮(zhèn)建設(shè)不斷加快特別是 G22青蘭高速公路山西段的臨吉高速公路于2009年8月開工建設(shè)，建設(shè)用地明顯增加，所占比例為1.21%。第2階段耕地、園地、林地和草地的比例進(jìn)一步調(diào)整為 1∶0.82∶5.47∶5.67，總體特征是在鞏固第1階段成果的基礎(chǔ)上，注重梯田、果園等民生項目建設(shè)，兼顧了生態(tài)、經(jīng)濟(jì)與社會效益。2014年林地比例超過草地大幅上升至54.30%，躍居首位，草地降至24.89%，園地比例超過耕地升至14.52%，耕地則降至4.51%，僅高于建設(shè)用地和水域。第3階段耕地、園地、林地和草地的比例最終調(diào)整為1∶3.22∶12.03∶5.51，總體特征是隨著前期退耕還林工程及植被演替效益的累積，林地面積增幅明顯，生態(tài)環(huán)境繼續(xù)改善，同時通過進(jìn)一步加大蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展力度，園地面積迅速增加，重點突出了經(jīng)濟(jì)效益。

表3 清水河流域2000－2014年土地利用結(jié)構(gòu)Table3 Land use structure in Qingshuihe watershed from 2000 to 2014

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移特征

從表4可以看出，第1階段轉(zhuǎn)移有2個明顯特征：耕地主要轉(zhuǎn)向草地和園地，面積分別為 1 667.16和391.66 hm2；植被恢復(fù)效果明顯，尤其以草地轉(zhuǎn)灌木林地面積較大，達(dá)1 831.92 hm2。期間建設(shè)用地的增加主要源自草地，水域面積的變化主要受氣候年際變化的影響，但轉(zhuǎn)變規(guī)?？傮w較小。第2階段轉(zhuǎn)移在保持了第1階段總體態(tài)勢的同時，出現(xiàn)了 2個新的特征：耕地雖仍主要轉(zhuǎn)向草地和園地，但轉(zhuǎn)園面積（1 463.83 hm2）開始大于轉(zhuǎn)草面積（519.39 hm2），同時草地墾殖面積達(dá)1 341.78 hm2，致使耕地面積降幅趨緩；草地轉(zhuǎn)園面積明顯增大，由第1階段的51.78增加至473.02 hm2。第3階段轉(zhuǎn)移的特征主要表現(xiàn)在 2個方面：在耕地繼續(xù)轉(zhuǎn)向園地的同時，草地也大量轉(zhuǎn)向園地，面積分別達(dá) 1 846.62 和1 636.55 hm2；經(jīng)過長達(dá)15 a的嚴(yán)格封禁，植被演替效果顯現(xiàn)，林地面積繼續(xù)增加，如草地轉(zhuǎn)灌木林地和疏林地面積分別為4 509.19和1 189.66 hm2，灌木林地轉(zhuǎn)有林地為1 538.25 hm2。

表4 清水河流域2000－2014年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table4 Transition matrix of land use in Qingshuihe watershed from 2000 to 2014 hm2

3.3 土地利用變化的合理性及主要影響因素

第 1階段各土地利用類型變化的總面積為5 697.33 hm2（表 5），其中耕地和草地變化面積較大，分別占37.78%和52.46%。耕地變化的合理性等級為中度不合理，主要原因是不合理的15°以下坡耕地轉(zhuǎn)草面積在耕地變化中的比例較大，占53.77%，致使耕地變化的合理度只有44.53%。草地在林草優(yōu)次順序中位置最低，由于除25°以上墾殖（僅占變化總面積的0.01%）和未通過環(huán)評、審批的建設(shè)用地占用（流域?qū)嶋H沒有）為不合理外，其余變化全部合理，故其合理性等級為高度合理。林地和園地變化面積總共只有549.03 hm2，有林地、園地變化的合理性等級均為高度不合理，疏林地、灌木林地分別為中度合理和高度合理，造成有林地、園地與灌木林地變化合理性水平出現(xiàn)明顯差異的主要原因是在優(yōu)次順序中的位置，有林地、園地位置偏高，變化過程中不合理面積的比例較大，而灌木林地則正好相反。建設(shè)用地變化面積僅為6.79 hm2，只涉及轉(zhuǎn)草，因?qū)儆趶U棄地的整理與開發(fā)再利用，故其變化的合理性等級為高度合理。整個階段的合理度為78.60%，評價結(jié)果為低度合理，主要原因仍是15°以下坡耕地的不合理轉(zhuǎn)草，其面積占流域階段變化總面積的20.31%，拉低了階段土地利用變化合理性的總體水平。

表5 清水河流域2000－2014年土地利用變化合理性評價Table5 Evaluation of rationality of land use changes in Qingshuihe watershed from 2000 to 2014

第 2階段各土地利用類型變化的總面積升至8 617.34 hm2，雖仍以耕地和草地為主，但前者比例降至24.33%，后者比例則升至57.38%，同時林地變化面積已占17.87%。耕地變化由第1階段的中度不合理大幅度升至中度合理，主要原因是轉(zhuǎn)園面積較大，其合理面積占其階段變化總面積的69.82%，明顯提升了合理性水平。草地繼續(xù)保持高度合理，其中轉(zhuǎn)園合理面積明顯增大。林地和園地中有林地和灌木林地變化仍分別為高度不合理和高度合理，但疏林地由中度合理降至低度合理，主要原因是不合理的轉(zhuǎn)灌轉(zhuǎn)草面積占其階段變化總面積的29.51%，拉低了其合理性水平，而園地則由高度不合理升至低度不合理，回升的主要原因是墾殖合理和改有林地面積占其階段變化面積的50.15%，在一定程度上改善了合理性狀態(tài)。建設(shè)用地變化面積增至15.50 hm2，仍為高度合理。整個階段的合理度大幅度升至91.71%，進(jìn)入高度合理狀態(tài)，提升的主要原因是由于蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展、梯田新建和植被的恢復(fù)與演替，如耕地轉(zhuǎn)園合理面積占流域變化總面積的比例由第1階段的6.87%升至16.99%，草地轉(zhuǎn)耕合理面積由0.04%大幅度提升至15.12%，疏林地、灌木林地轉(zhuǎn)有林地合理面積由7.92%升至12.59%。

第 3階段各土地利用類型變化的總面積大幅度升至13 702.89 hm2，耕地變化面積比例繼續(xù)降至14.95%，而草地和林地比例分別繼續(xù)升至62.26%和21.27%。耕地變化的合理性從第 2階段的中度合理升至高度合理，主要原因是轉(zhuǎn)園合理面積占其階段變化總面積的90.11%，繼續(xù)提升了合理性水平。草地繼續(xù)保持高度合理，其中除轉(zhuǎn)園合理面積繼續(xù)增大外，轉(zhuǎn)林合理面積也大幅度增加。林地和園地內(nèi)部出現(xiàn)了分化，有林地仍為高度不合理，園地由第 2階段的低度不合理降至高度不合理，灌木林地由高度合理降至中度合理，而疏林地由低度合理升至中度合理，其中不合理的園地轉(zhuǎn)灌轉(zhuǎn)草面積占其階段變化總面積的79.01%，灌木林地轉(zhuǎn)草面積占15.61%，相應(yīng)拉低了兩地類的合理性水平，疏林地則因轉(zhuǎn)有林地和園地合理面積占其階段變化總面積的80.27%，回升了合理性水平。建設(shè)用地變化面積增至90.14 hm2，繼續(xù)保持高度合理。整個階段的合理度繼續(xù)升至95.20%，保持了高度合理態(tài)勢，提升的主要原因是：蘋果種植規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，耕地和草地持續(xù)轉(zhuǎn)向園地，二者轉(zhuǎn)園合理面積在流域變化總面積中的比例由第2階段的22.48%上升至25.42%；植被恢復(fù)演替累積效益的顯現(xiàn)，疏林地轉(zhuǎn)有林地、灌木林地轉(zhuǎn)有林地和疏林地、草地轉(zhuǎn)林地合理面積占流域變化總面積的比例由第2階段的47.44%大幅度升至60.25%。

從退耕還林 3個階段土地利用變化合理性的空間分布來看（圖3），除了東部和西北部山區(qū)外，第1階段高度和中度合理集中分布于流域上游，中下游地區(qū)主要屬于土地利用未發(fā)生變化或變化不合理的區(qū)域；第 2階段高度和中度合理擴(kuò)展至中下游地區(qū)，土地利用未發(fā)生變化以及變化不合理的分布范圍相應(yīng)縮??；第 3階段合理尤其是高度合理基本遍布流域全境，土地利用未發(fā)生變化的范圍則明顯減小。土地利用合理性空間格局的這一變化特征，既反映了流域退耕還林工程從生態(tài)效益優(yōu)先向生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)、社會效益兼顧的轉(zhuǎn)變，也反映了流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展15 a來的演變過程。

圖3 2000－2014年清水河流域土地利用變化合理性空間分布Fig.3 Spatial distribution of rationality of land use changes in Qingshuihe watershed from 2000 to 2014

4 討 論

4.1 土地利用變化數(shù)據(jù)源及合理性評價方法的擴(kuò)展

退耕還林工程的實施直接改變了土地利用結(jié)構(gòu)，RS、GIS技術(shù)和合理度概念的應(yīng)用為土地利用變化動態(tài)監(jiān)測及合理性評價提供了有效的工具和方法。但從監(jiān)測和評價過程來看，僅依據(jù)現(xiàn)有遙感和DEM數(shù)據(jù)尚存在一定的局限性，判別準(zhǔn)則也不適合進(jìn)行退耕還林工程的優(yōu)化評價，需要在進(jìn)一步的研究中深入探討。

1）提高遙感影像的解譯精度。本文在利用 4期Landsat影像進(jìn)行土地利用解譯時發(fā)現(xiàn)，單純對影像進(jìn)行監(jiān)督分類可以通過地物光譜特征間的差異有效判讀有林地、疏林地、灌木林地、草地、建設(shè)用地和水域，但耕地與園地因裸地面積所占比重均較大，二者在遙感影像中顯示的光譜特征非常相似，加之 4期影像的空間分辨率只有30或15 m，對二者進(jìn)行有效區(qū)分比較困難。Google Earth中影像空間分辨率最高可達(dá)0.6 m，雖然對于有林地、疏林地、灌木林地和草地相互之間的區(qū)分不明顯，但對于耕地與園地二者之間、二者與其它地類之間可以進(jìn)行有效識別。實踐證明，借助Google Earth高空間分辨率影像對 TM/ETM+影像的監(jiān)督分類結(jié)果進(jìn)行人工目視判讀與修正，可有效減少耕地與園地混合像元的影響，各期影像的解譯精度均達(dá)到了要求。隨著國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星的投入使用，高分辨率影像的獲取與直接應(yīng)用將更加便利。

2）應(yīng)用主管部門坡耕地梯改的工程設(shè)計數(shù)據(jù)。在計算土地利用變化合理度時，需要將基于DEM影像得到的流域坡度分級矢量圖與各個時段的土地利用轉(zhuǎn)移圖層進(jìn)行空間疊加，按照合理性判別準(zhǔn)則，統(tǒng)計出各地類變化合理的面積。由于數(shù)據(jù)的可獲取性，本研究以2011年公布的第 2版 ASTER GDEM數(shù)據(jù)作為整個研究時段的DEM數(shù)據(jù)，由于無法監(jiān)測到研究時段內(nèi)地形特別是耕地坡度的動態(tài)變化，不能對梯田與坡耕地進(jìn)行有效區(qū)分，故在計算土地利用變化合理度時，除有林地在任何坡度下轉(zhuǎn)變?yōu)楦乇灰暈闅Я滞?，在流域大力開展梯改工程與基本農(nóng)田建設(shè)的背景下，將其它地類轉(zhuǎn)變?yōu)?5°以下耕地均視作建設(shè)具有水土保持功能的水平梯田，并統(tǒng)計在變化合理的面積之內(nèi)。為了進(jìn)一步探討耕地坡度分異的動態(tài)特征，應(yīng)結(jié)合林業(yè)部門退耕還林工程作業(yè)設(shè)計和水保部門坡改梯工程施工設(shè)計等的圖表信息，對耕地地塊坡度的歷史變化狀況進(jìn)行綜合判別。

3）進(jìn)行土地利用變化的優(yōu)化評價。土地利用類型變化的合理性直接關(guān)系到退耕還林工程的最大成效與最終效益，本文運用轉(zhuǎn)移矩陣揭示了各土地利用類型的轉(zhuǎn)移流向，進(jìn)而通過構(gòu)建合理性判別準(zhǔn)則體系，對清水河流域土地利用變化進(jìn)行了合理性評價。從評價過程來看，該方法能夠滿足退耕還林總體評價的基本要求。但退耕還林是一項歷時較長、各方面投入都較大的系統(tǒng)工程，在重點評價所取得的生態(tài)效益的同時，還應(yīng)定量評價其經(jīng)濟(jì)與社會效益，因而在評價土地利用變化時，應(yīng)與區(qū)域近期、中期、遠(yuǎn)景生態(tài)保護(hù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展對土地利用的需求結(jié)合起來。進(jìn)一步的研究可以通過將合理性評價方法與多目標(biāo)規(guī)劃方法[28-29]等有機(jī)結(jié)合起來，以使對土地利用變化的合理性評價延伸至優(yōu)化評價領(lǐng)域。

4.2 新一輪退耕還林工程中主要土地利用類型的調(diào)控

在流域退耕還林工程實施過程中，耕地、林地和園地的轉(zhuǎn)移及面積變化在土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中起了主導(dǎo)作用。但從監(jiān)測與合理性評價過程以及已有研究結(jié)果來看，這 3大土地利用類型面積或增或減幅度過大，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展帶來了一些不利影響，建議在新一輪退耕還林工程實施中引起足夠關(guān)注。

1）嚴(yán)格控制新的退耕，高度重視糧食自給能力。流域耕地面積從2000年的6 152.08 hm2大幅度減少至2014年的1 967.87 hm2，降幅達(dá)68.01%，潛在著糧食自給不足的風(fēng)險。糧食安全問題將直接影響黃土高原退耕還林工程成果的鞏固和生態(tài)恢復(fù)的可持續(xù)發(fā)展，目前黃土高原不少地方開始出現(xiàn)了不同程度的復(fù)墾現(xiàn)象[30-31]，實地調(diào)查也發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)一些退耕農(nóng)戶有復(fù)墾意愿。為了確保糧食安全并減輕對國家糧食補(bǔ)貼政策的長期依賴，首先應(yīng)穩(wěn)定現(xiàn)有耕地面積，15°以下不再退耕，15°～25°嚴(yán)格控制退耕；其次，采取優(yōu)良品種選育推廣、間作套種、節(jié)水灌溉、精準(zhǔn)施肥等多種措施，提高現(xiàn)有耕地的生產(chǎn)潛力；第三，對于25°尤其是15°以下宜農(nóng)的棄園、棄林地以及荒地，可以通過梯改復(fù)墾，適當(dāng)增加耕地存量。

2）保護(hù)好現(xiàn)有林地，重點加強(qiáng)林木的撫育。流域林地面積從2000年的12 632.72 hm2大幅度增加至2014年的23 669.73 hm2，增幅達(dá)87.37%，目前已占總土地面積的54.29%。黃土高原退耕還林對恢復(fù)植被、減輕土壤侵蝕、減少入黃泥沙等發(fā)揮了重要作用，研究表明，黃土高原植被覆蓋率已從1999年的31.6%提高至2013年的59.6%[32]，黃河中游年均輸沙量（潼關(guān)站）從1990－1999年的 7.9億 t 降至 2000－2014年的 2.7億 t，降幅達(dá)65.82%[33]，干流輸沙量已恢復(fù)至唐朝農(nóng)耕時期的水平[32]。但森林植被的增加一方面減少地表徑流，對下游地區(qū)生態(tài)與生產(chǎn)生活用水產(chǎn)生影響，研究表明，黃河中游年均徑流量（潼關(guān)站）由1990－1999年的249億m3降至2000－2014年的234億m3，減少了6.02%[33]，另一方面過度消耗深層土壤水分，形成土壤干層，反而制約了植被的可持續(xù)性恢復(fù)[34]。因此，除了河流源頭與沿岸、林場、村鎮(zhèn)與古跡附近、交通沿線外，其它地區(qū)應(yīng)控制新增林地，嚴(yán)格保護(hù)好現(xiàn)有林地，嚴(yán)禁發(fā)生新的亂砍濫伐，同時適當(dāng)保留一定比例的草地，將林業(yè)建設(shè)的重點轉(zhuǎn)向現(xiàn)有林木的撫育上，提高森林質(zhì)量。

3）適當(dāng)控制園地規(guī)模，盡快提升蘋果產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營水平。流域內(nèi)園地規(guī)模擴(kuò)展較快，面積從 2000年的346.40 hm2大幅度增加至2014年的6 331.28 hm2，增加了17.28倍，現(xiàn)已占總土地面積的 14.52%，是耕地面積的3.22倍，吉縣2014年農(nóng)業(yè)總收入的80%和農(nóng)民人均純收入的80%以上均來自于果業(yè)[35]。黃土高原是中國近10余年來蘋果種植發(fā)展較快的區(qū)域，但也存在經(jīng)營粗放、品種單一、產(chǎn)后商品化處理落后、缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量安全，國內(nèi)外市場與中國華北平原、環(huán)渤海灣地區(qū)兩大傳統(tǒng)產(chǎn)區(qū)以及美、日、韓等國家競爭激烈等一系列問題[36-37]，這些問題勢必將對流域蘋果產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。因此，流域蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展不能再走面積擴(kuò)張之路，既要注重水土保持效益，又要以產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營為核心，重點發(fā)展優(yōu)質(zhì)品種，大幅度提升果品質(zhì)量，積極開拓國內(nèi)外市場，同時將一些立地條件較差的低產(chǎn)果園改種干果。

5 結(jié) 論

本文利用2000、2005、2011和2014年4期遙感影像對黃土高原清水河流域2000－2014年退耕還林土地利用變化進(jìn)行了監(jiān)測分析，并通過構(gòu)建判別準(zhǔn)則體系對其進(jìn)行了合理性評價，主要得到了以下結(jié)論。

1）土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化。經(jīng)過大規(guī)模退耕還林、荒山造林、封山育林、果園建設(shè)和城鎮(zhèn)發(fā)展，流域土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻變化，耕地、草地面積大幅度減少，林地、園地面積大幅度增加，建設(shè)用地穩(wěn)定增長，主要土地利用類型耕地、園地、林地和草地的比例由 2000年的1∶0.06∶2.05∶3.95大幅度調(diào)整至 2014年的1∶3.22∶12.03∶5.51，植被恢復(fù)與重建成效明顯，土地資源得到了有效保護(hù)，土地利用結(jié)構(gòu)趨于合理，有利于根治水土流失和減少入黃泥沙。

2）土地利用變化合理性大幅度提升。流域第1輪退耕還林工程的 3個階段以生態(tài)整治為起始點并貫穿全過程，不斷加大退耕農(nóng)戶致富能力的培育力度，土地利用變化合理度由78.60%大幅度升至95.20%，實現(xiàn)了從低度合理到高度合理的轉(zhuǎn)變，有利于流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提升和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，為推進(jìn)新一輪退耕還林工程的優(yōu)化奠定了堅實基礎(chǔ)。

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Land use change driven by Sloping Land Conversion Program in typical watershed on Loess Plateau and its rationality evaluation

Wang Bin, Zhang Zhiqiang※
(1.Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating of State Forestry Administration,College of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Beijing100083,China; 2.Jixian National Forest Ecosystem Observation and Research Station,Linfen042200,China)

To combat the severe soil erosion and improve the regional eco-environment, the Chinese central government initiated the Sloping Land Conversion Program (SLCP) in 1999. This program implemented on the Loess Plateau has resulted in dramatic land use change in the region. It is of significance to understand the land use change and its rationality for developing effective strategies in the next period of the program in the region. In this study, we explored the spatiotemporal characteristics of land use change over 2000-2014 in Qingshuihe Watershed(436 km2) located in the west Shanxi Province, a typical watershed on the Loess Plateau. Land use data for 2000, 2005, 2011 and 2014 were interpreted from TM/ETM+ images by using the supervised classification method. To improve the interpretation accuracy, the high-resolution images of Google Earth were used to revise the supervised classification results. The concept of rational degree was introduced for evaluating the rationality of land use change. The discriminant criterion for rationality was developed based on the integrated analysis of ordinances, regulations, and policy of SLCP as well as the studies about soil erosion and vegetation succession on the Loess Plateau. The results showed that the land use structure of the watershed had changed significantly. Land use ratio of farmland: orchard: forestland: grassland was evolved from 1:0.06:2.05:3.95 in 2000 to 1:3.22:12.03:5.51 in 2014. From 2000 to 2005, the percentage of farmland and grassland decreased to 9.19% and 52.76%, while the percentage of orchard and forestland increased to 1.82% and 35.64% respectively. Incented by the favorable subsidy of SLCP, farmland on gentle slope(＜15°) was even converted to forestland and grassland, leading to the low rational level of land use change with the rational degree of only 78.60%. In order to improve the livelihood of the program participating farmers, the local government carried out the construction of basic farmland and orchard actively in 2005-2011. Some grassland was converted to high-quality basic farmland, but at the same time large amounts of sloping farmland and grassland were converted to orchard, leading to the decrease of farmland and grassland and increase of orchard. The percentage of farmland and grassland decreased to 7.62% and 43.19% respectively, while the percentage of orchard increased to 6.29% during this period. Moreover, forestland coverage increased from 35.64% to 41.69%. The overall rational degree of land use change increased to 91.71% that was a high rational level. With the further expansion of apple tree planting from 2011 to 2014, farmland and grassland were continuously converted to orchard. The percentage of orchard increased to 14.52%, while the percentage of farmland and grassland decreased to 4.51% and 24.89%, respectively. Forestland had been increasing constantly up to 54.30% of the total watershed. The overall rational degree of land use change was up to 95.20%.We suggest that the ultimate objectives of SLCP should be focused on achieving the balanced tradeoffs between grain production, economic trees and ecological forests and the integration in the policy instrument for implementing more effectively the program. More specifically, major efforts for next period of SLCP for this watershed should be implemented by improving the stability, structure and function of current ecological plantation forests established while maintaining a reasonable farmland scale and controlling the expansion of orchard.

land use; remote sensing; vegetation; Sloping Land Conversion Program; rational degree; Loess Plateau

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.031

X171.4; F301.24

A

1002-6819(2017)-07-0235-11

2016-10-04

2017-04-10

國家科技支撐計劃項目（2015BAD07B030303）

汪 濱，男，博士生，湖北武漢市新洲區(qū)人，主要研究方向為林業(yè)生態(tài)工程與流域生態(tài)水文。北京 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083。

Email：wangb060577@163.com

※通信作者：張志強(qiáng)，男，教授，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，博士生導(dǎo)師，主要從事森林水文、土壤侵蝕與流域管理等方面的研究。北京 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083。

Email：Zhqzhang@bjfu.edu.cn