毛盛林, 上官周平

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊陵 712100)

土地是人們賴以生存的資源，人類對(duì)土地利用的好壞影響著區(qū)域的環(huán)境，更影響著全球變化。國際地圈—生物圈計(jì)劃(IGBP)和國際人文因素計(jì)劃(IHDP)于1995年提出LUCC(土地利用和覆被變化)研究計(jì)劃[1]。作為全球變化研究的重要內(nèi)容，不僅影響著全球碳循環(huán)，而且對(duì)生物的多樣性等都有重要的影響。因此，研究LUCC的時(shí)空變化規(guī)律對(duì)保障我國的食物、資源和生態(tài)安全尤為重要。

隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星圖像成為監(jiān)測和分析土地利用時(shí)空變化的重要數(shù)據(jù)支撐，因而探究區(qū)域LUCC變化特征及其成因逐漸成為生態(tài)學(xué)和地理學(xué)研究的趨勢(shì)。目前諸多學(xué)者利用遙感手段制作區(qū)域變化圖揭示其變化特征[2]，并引入馬爾科夫鏈等模型來表征不同時(shí)期土地時(shí)空變化[3-4]，直觀地反映區(qū)域地類多時(shí)段的變化規(guī)律。而影響區(qū)域LUCC在不同時(shí)間尺度上的成因主要受自然(如氣候)和社會(huì)因素(政策等)的共同影響。如Kanianska等[5]對(duì)斯洛伐克的農(nóng)村進(jìn)行定性分析，指出政策和人口是主要驅(qū)動(dòng)力；劉光旭等[6]對(duì)贛江上中游1980—2018年土地采用主成分分析等方法做了定量分析，認(rèn)為自然因素起主要作用。但是定量分析所采用的模型機(jī)制還不夠成熟，政策等的定量化具有局限性，因此定性研究黃土高原土地變化成因顯得十分必要。

黃土高原由于土質(zhì)疏松、暴雨集中以及人類的不合理利用等[7-8]，成為我國水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一[9]。嚴(yán)重的水土流失給黃河下游帶來了的諸多生態(tài)環(huán)境問題。1999年以來，國家實(shí)施退耕還林(草)等政策，極大地改變了黃土高原時(shí)空格局，減緩了水土流失的嚴(yán)重程度。近年來學(xué)者對(duì)黃土高原植被覆蓋變化和成因分析的關(guān)注度漸漸提高，認(rèn)為影響區(qū)域LUCC變化的氣候因子主要是溫度與降雨[10-11]，社會(huì)因子為人類活動(dòng)與政策[12]。

因此，在退耕還林生態(tài)工程實(shí)施20 a之際，亟待深入、系統(tǒng)研究黃土高原地區(qū)、各省份和生態(tài)分區(qū)的土地利用/植被覆蓋變化特征及其成因。本文采用單一動(dòng)態(tài)度與綜合動(dòng)態(tài)度模型去表征土地變化情況，以省份、生態(tài)分區(qū)為單位建立矩陣，結(jié)合自然和社會(huì)因素，揭示黃土高原2000—2017年植被變化在時(shí)空尺度上的變異規(guī)律及其成因，以期為黃河上中游流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展服務(wù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于黃河流域中游地區(qū)(33°41′—41°16′N，100°52′—114°31′E)，總面積達(dá)6.254×105km2，橫跨我國的甘肅、河南、內(nèi)蒙古、寧夏、青海、山西和陜西等7個(gè)省份。研究區(qū)地勢(shì)整體呈現(xiàn)西北部高而東南低的下降趨勢(shì)，因六盤山與呂梁山的分隔形成了西、中和東三部，且形成了塬、梁、峁3種奇特的地貌。黃土高原處在我國半濕潤和半干旱區(qū)，有著典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征，多年平均氣溫8℃左右，年均降雨量400 mm左右，降雨集中且區(qū)域差異大，加上蒸發(fā)量高、水系含沙量高，并且黃土土質(zhì)疏松，使得該區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用的土地利用遙感數(shù)據(jù)共有三期，分別為2000年、2010年、2017年柵格數(shù)據(jù)(分辨率為30 m)，三期數(shù)據(jù)及黃土高原生態(tài)分區(qū)數(shù)據(jù)和2000—2017年逐月降雨量與逐月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集(分辨率為1 km)均來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)共享服務(wù)平臺(tái)黃土高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥loess.geodata.cn/)。在ArcGIS 10.7軟件下，結(jié)合實(shí)地GPS點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，校正修改，解譯精度達(dá)到90.3%，滿足研究需要。按照國家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2017)將數(shù)據(jù)分成6類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。2000年、2005年、2010年、2015年人口與GDP數(shù)據(jù)集均來自中科院資源環(huán)境與科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/DOI)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用數(shù)量和速度變化分析

(1) 單一土地利用的動(dòng)態(tài)度?？梢悦枋鰠^(qū)域在特定時(shí)間段內(nèi)某一地類面積變化的年均變化速率[13]，公式如下：

(1)

式中:Si表示研究時(shí)段內(nèi)第i種土地利用類型的動(dòng)態(tài)度(%);Ub和Ua分別表示研究區(qū)末期和初期某一土地類型的面積;T為初末期變化的時(shí)間段。

(2) 綜合土地利用動(dòng)態(tài)度。能夠反映研究區(qū)所有土地利用類型在某一時(shí)間段的變化趨勢(shì)[14]，公式表示為：

(2)

式中:LC表示綜合土地利用動(dòng)態(tài)度;n為土地利用類型的數(shù)量;ΔLUi-j為T時(shí)間內(nèi)由某一i地類轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌鹙地類總面積的絕對(duì)值;LUi為初期i地類的面積;T表示研究初末期時(shí)間段,本研究T以年為單位,即表示研究區(qū)土地利用的年變化率[15]。

1.3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 針對(duì)三期土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.7軟件中疊加分析等處理，得到黃土高原區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。該矩陣采用n階矩陣結(jié)構(gòu)，不但可以直觀而簡潔地展示研究初末期各地類的面積信息，而且能夠詳細(xì)的表示各地類在該時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)變化情況[16]。

轉(zhuǎn)移矩陣通用表達(dá)式為：

(3)

式中:S表示面積;Sij表示轉(zhuǎn)移前的i類土地轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)移后j類土地類型的面積;i,j(i,j= 1,2,…,n)表示轉(zhuǎn)移前與后的土地類型;n表示轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù);特別地,當(dāng)i=j時(shí),表示該地類沒有發(fā)生轉(zhuǎn)移的面積。

1.3.3 驅(qū)動(dòng)力分析 通過查閱文獻(xiàn)和國家相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)等資料進(jìn)行定性分析，在ArcGIS 10.7軟件中經(jīng)過掩膜、代數(shù)運(yùn)算等得出2000—2017年平均降雨量與溫度、人口密度以及人均GDP。

2 結(jié)果與分析

2.1 全區(qū)土地利用時(shí)空特征分析

黃土高原2000—2017年的土地利用類型主要以耕地、林地和草地為主，其面積之和占研究區(qū)總面積的比例都在84%以上，且各地類面積從大到小依次為草地、耕地、林地、未利用地、建設(shè)用地和水域。同時(shí)黃土高原森林覆蓋度較低，且水資源呈零星分布(圖1)。

圖1 黃土高原不同時(shí)期土地類型

黃土高原植被覆蓋在不同時(shí)期變化的程度也不盡相同。2000—2010年林地和建設(shè)用地不斷增加，年均增長速度分別為3.4%和3.0%，說明10 a來退耕還林政策取得了顯著成效(表1)。2010—2017年耕地和草地略有減少，其他地類有所增加，其中未利用地增幅最大，為29 880 km2和10.6%，說明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境仍然脆弱，這可能與過度的生態(tài)恢復(fù)導(dǎo)致土地退化有關(guān)[17]?？傮w來看，2000—2017年耕地、草地和水域面積都呈減少趨勢(shì)，而林地、建設(shè)用地和未利用地都增加，其中草地減少面積最多，為42 410 km2，而林地和未利用地增加面積分別為30 650 km2和 27 410 km2。

表1結(jié)果表明，2000—2017年，變化速率最快的是水域、建設(shè)用地和未利用地(-3.8%，3.9%和3.8%)，耕地與草地變化不明顯。前后期綜合動(dòng)態(tài)度分別為31.0%和39.0%，表明近17 a來黃土高原區(qū)域全部土地利用類型的變化速率都呈快速增加的趨勢(shì)。

表1 黃土高原不同時(shí)期土地利用動(dòng)態(tài)度

表2為黃土高原2000年、2017年不同土地類型轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果表明，草地是主要轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出類型，轉(zhuǎn)入面積為92 260 km2，其中58.7%來自于耕地；轉(zhuǎn)出面積為134 670 km2，主要轉(zhuǎn)出為耕地和未利用地，17 a來草地凈減少42 410 km2，這說明草地在17 a間有所退化。

表2 黃土高原不同時(shí)期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 103 km2

2.2 各省域土地利用時(shí)空特征分析

各省域除了內(nèi)蒙古與寧夏自治區(qū)外，其他各省均以耕地、林地與草地為主。同時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古與寧夏的林地資源呈現(xiàn)上升又下降的波動(dòng)狀態(tài)，這可能與2010年以后人類對(duì)兩地過度放牧、開墾有關(guān)。

表3為黃土高原7個(gè)省域不同時(shí)期單一土地利用動(dòng)態(tài)度，以此來表征特定時(shí)間段內(nèi)某一地類面積變化的年均變化速率，其結(jié)果表明，各省域地類變化既有統(tǒng)一又有差異。首先大部分省域地類變化比較平穩(wěn)(因河南與山西該地類面積過小，不予考慮)，而不同的是甘肅和寧夏的未利用地較其他地類變化更快一些。

表3 不同時(shí)期單一土地利用動(dòng)態(tài)度

為了更好地體現(xiàn)該區(qū)域時(shí)空變化特征，我們利用ArcGIS軟件對(duì)黃土高原各省域2000年、2010年、2017年不同土地類型做了時(shí)空變化，并利用Excel統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)甘肅省在2000—2010年增長了9 500 km2，其中7 830 km2來自于草地；而寧夏自治區(qū)2010—2017年增長迅速，為9 620 km2，同樣草地流入8 900 km2，說明甘肅與寧夏草地的荒漠化較嚴(yán)重，這有可能與沙漠、綠洲的大面積分布以及人類不合理活動(dòng)有關(guān)[18-19]。

2.3 各生態(tài)分區(qū)土地利用時(shí)空特征分析

黃土高原各生態(tài)區(qū)面積由大到小依次為A，D，C，B(圖2)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)4個(gè)生態(tài)區(qū)的水資源都在持續(xù)減少，且主要集中在2000—2010年，截至2017年，面積均降低在1 000 km2以下，且水域都主要向耕地發(fā)生轉(zhuǎn)移，這有可能與2000年以來人類活動(dòng)頻繁以及人口的快速增長導(dǎo)致圍湖造田有關(guān)。

A區(qū)近20 a來耕地和草地面積轉(zhuǎn)出大于轉(zhuǎn)入(表4)，即分別凈流失16 480 km2和13 550 km2，耕地有35.0%退化為草地；草地主要向耕地與林地轉(zhuǎn)化，分別為25.8%，18.1%。B區(qū)耕地退化相對(duì)明顯，為10 560 km2，其中47.0%向草地發(fā)生轉(zhuǎn)移，主要集中在2000—2010年，說明1999年退耕還草工程在水土流失嚴(yán)重的丘陵溝壑區(qū)程取得了良效。C區(qū)草地退化較為嚴(yán)重，為17 420 km2。D區(qū)草地面積減少最多，為17 670 km2，草地也向耕地與林地轉(zhuǎn)移。

圖2 黃土高原生態(tài)區(qū)不同時(shí)期生態(tài)區(qū)變化

表4 黃土高原生態(tài)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移變化情況 103 km2

2.4 土地利用變化成因分析

2.4.1 自然因素 從圖3A中看黃土高原的年均降雨量在空間上分配不均，整體由東南向西北方向遞減，最大降雨量達(dá)883 mm，最小至107 mm，多年平均降雨量約為450 mm，且17 a來降雨量有增加趨勢(shì)。圖3B顯示黃土高原年均氣溫與降雨分布一樣，年均氣溫為8.08℃，且氣溫多年來基本無變化。

黃土高原森林與耕地主要分布在溫暖濕潤的東南部，草地、未利用地分布在干旱少雨的西北部，這說明氣溫與降雨在空間的分布會(huì)影響植被覆蓋變化與土地利用的時(shí)空格局分布。加上黃土高原大部分地區(qū)處于干旱區(qū)，溫度與降雨表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征，如降雨量多的月份植被覆蓋會(huì)明顯增加[20]，2000年以來降雨量明顯增加，林草地在黃土高原區(qū)總面積占比逐漸增大，耕地逐漸減少，說明1999年以來退耕還林(草)工程的實(shí)施對(duì)黃土高原植被恢復(fù)有一定成效。由于溫度年際變化不大[21-22]，降水在近20 a植被恢復(fù)的過程中發(fā)揮了主導(dǎo)作用[23-24]，因而認(rèn)為降雨是近20 a黃土高原LUCC變化的主要因素。

2.4.2 社會(huì)因素

(1) 人口變動(dòng)與城市化。人類活動(dòng)對(duì)土地結(jié)構(gòu)變化有一定影響。2000年、2005年、2010年、2015年全區(qū)人口密度分別為162.71人/km2，164.04人/km2，176.34人/km2和178.93人/km2，說明近20 a該區(qū)人口在持續(xù)增長，人口增長使得該區(qū)的建設(shè)用地發(fā)生擴(kuò)張，17 a增長了9 840 km2，水資源減少5 630 km2。隨著時(shí)間的推移，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，人們追求高質(zhì)量生活，非農(nóng)產(chǎn)業(yè)用地比重迅速上升。

圖3 2000-2017年平均降雨與溫度分布情況

(2) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和土地利用有一定的聯(lián)系，優(yōu)化土地資源的配置能夠帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。黃土高原2000年、2005年、2010年、2015年的人均GDP分別為4 978.85元/人，16 899.28元/人，38 295.83元/人和72 465.02元/人，表明近20 a來該區(qū)人均GDP在急速增長。近年來第一產(chǎn)業(yè)比重降低，第二、三產(chǎn)業(yè)升高，產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型影響了地類的變化，更影響著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

(3) 政策。建國至1999年以來，我國在黃土高原主要實(shí)施了坡面治理、溝坡治理、小流域治理等，具體措施有植樹造林、修梯田和淤地壩等。1991年國家頒布《水土保持法》標(biāo)志著水土保持治理有法可依，這對(duì)黃土高原的高效治理奠定了基礎(chǔ)。1999年國家實(shí)施退耕還林工程，此階段之后以生態(tài)修復(fù)為主。2003年國務(wù)院西部開發(fā)辦等部門實(shí)施退牧還草工程來解決荒漠化等生態(tài)問題，2007年“天保工程”通過獎(jiǎng)罰分明的方式提高農(nóng)民保護(hù)森林資源的積極性。2010年以來延安實(shí)施治溝造地工程，取得良效。近年來國家大力倡導(dǎo)“生態(tài)文明建設(shè)”與“綠水青山就是金山銀山”的人與自然和諧共生的理念，也提到要優(yōu)化國土，擴(kuò)大水域、濕地與森林。因此，國家政策是這些年黃土高原土地利用/植被覆蓋變化的主導(dǎo)因素。

3 討 論

黃土高原自實(shí)施退耕還林生態(tài)工程以來，植被覆蓋發(fā)生了顯著變化。近年來為了合理調(diào)整土地結(jié)構(gòu)，保護(hù)黃土高原生態(tài)環(huán)境，學(xué)者們從整個(gè)區(qū)域和小流域尺度上做了很多研究[25]，但是卻沒有過多地從省份和生態(tài)分區(qū)去探討土地變化情況。本研究結(jié)果顯示，黃土高原的土地類型以草地、耕地、林地為主，且草地是主要轉(zhuǎn)化類型，這與已有研究結(jié)果一致[26]。寧夏與甘肅省20 a來草地減少，甘肅與寧夏綠洲、沙漠分布較多，人為活動(dòng)干擾可能是草地退化的主要因素。Liu等[27]指出毛烏素沙漠1986—2015年荒漠化先加劇后減弱，生態(tài)恢復(fù)在荒漠化防治中起到了關(guān)鍵作用，因而相關(guān)部門需要繼續(xù)實(shí)施生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目，以減少水土流失。目前關(guān)于黃土高原生態(tài)區(qū)土地利用的動(dòng)態(tài)研究還相對(duì)較少[28]，土石山區(qū)及河谷平原區(qū)植被覆蓋度最高，風(fēng)沙區(qū)最低，這樣可將不同生態(tài)類型區(qū)植被覆蓋與土壤侵蝕結(jié)合起來進(jìn)行研究，以明晰黃土高原侵蝕產(chǎn)沙銳減的驅(qū)動(dòng)要素及其定量貢獻(xiàn)。

當(dāng)前人們對(duì)土地利用變化驅(qū)動(dòng)力機(jī)制的了解日漸深入，以定性、定量或?qū)烧呦嘟Y(jié)合的方法揭示自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)因素能夠?yàn)閰^(qū)域生態(tài)恢復(fù)提供宏觀決策信息。前人研究采用的定量方法比較多的是主成分分析法、結(jié)構(gòu)方程模型等[29-30]，但是政策等無法用定量方法去衡量，因此沒有一個(gè)合適的模型完全擬合[31]。本文后期仍然存在許多需要深入研究的問題，比如能夠搜集更多數(shù)據(jù)采用定量方法去分析驅(qū)動(dòng)因子，將政策等指標(biāo)以一種具有說服力的方法納入定量中，更好的找出關(guān)鍵因子。

4 結(jié) 論

(1) 黃土高原的土地利用類型主要以耕地、林地和草地為主；從時(shí)間變化看，2000—2017年耕地、草地和水域都呈減少趨勢(shì)，而林地、建設(shè)用地和未利用地面積有所增加；草地為主要的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出地類。

(2) 黃土高原7個(gè)省域的主要土地類型與黃土高原基本一致，草地退化在寧夏與甘肅省的不同時(shí)間段發(fā)生較為嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為甘肅省在2000—2010年有7 830 km2草地轉(zhuǎn)移為未利用地，而寧夏在2010—2017年有8 900 km2草地轉(zhuǎn)入未利用地，應(yīng)引起相關(guān)部門的關(guān)注；

(3) 各生態(tài)類型區(qū)水域面積都持續(xù)減少，且主要向耕地發(fā)生轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象可能是研究區(qū)人口與經(jīng)濟(jì)的快速增長所致；各生態(tài)區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)主要發(fā)生耕地與草地的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移。

(4) 社會(huì)因子是主要的驅(qū)動(dòng)力，其中國家政策的實(shí)施起到了主要的推動(dòng)和促進(jìn)作用，而人類活動(dòng)等影響相對(duì)小一些。