孟 娜， 張 穎

（北京林業(yè)大學經(jīng)濟管理學院，北京 100083）

過去60 a全球干旱半干旱地區(qū)土地退化面積不斷擴大，平均每年退化面積約有1000 hm2［1］。過度的人類活動以及自然因素導致干旱半干旱地區(qū)土地退化嚴重，當前退化土地的恢復成為干旱半干旱地區(qū)面臨的重大挑戰(zhàn)之一。在此背景下，許多國家展開了包括植樹造林在內的森林恢復項目，旨在緩解因干旱而造成的地方經(jīng)濟損失［2-3］。

森林恢復是維護碳平衡、緩解全球氣候變暖的有效策略之一。森林生態(tài)系統(tǒng)在加強碳儲量、提升生態(tài)系統(tǒng)承載力、維護生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面發(fā)揮著重要作用［4-6］。由于土地過度利用、林業(yè)無序開發(fā)、自然災害等原因，導致全球森林面積凈損失達80×104km2［7］。有研究表明，在當前氣候條件背景下，全球約有9×108km2的森林增長空間［8］。其中，在干旱半干旱地區(qū)森林增長的潛力巨大，約占潛在森林恢復面積的36%～42%［9］，但這可能是相對樂觀的估計。實際上，在干旱半干旱地區(qū)造林面臨種種困難，雖然許多國家和組織積極倡導森林恢復的重要性，但是面對當前緊迫的全球變暖趨勢，適宜干旱半干旱地區(qū)森林恢復的潛在位置在哪，以及如何恢復等問題還沒有確切的定論［10］。

綜上，圍繞干旱半干旱地區(qū)造林的重要課題，已有研究主要從以下幾個方面進行了論述：第一個核心議題是關于造林的適宜性。對于在植樹造林過程中的適宜度，學術界主要有以下兩種觀點。一是植被選擇的適宜性［11］，在干旱半干旱地區(qū)，外來單一植被的種植往往會導致后期為維護生物多樣性而產(chǎn)生高昂成本，造成不必要的政府負擔［12］。二是造林規(guī)模的適宜性，大規(guī)模盲目的森林擴張可能更易受到本地干旱化的影響，包括在不適宜的地點進行大規(guī)模的造林［13］。以上兩種觀點表明不適宜的人工修復會造成后期森林管護成本增加。雖然學術界越來越意識到這一問題的嚴重性，但是目前國內關于在微觀地區(qū)造林的空間數(shù)據(jù)和信息尚不完善，這導致無法準確掌握干旱半干旱地區(qū)造林的空間適宜與否。

第二個核心議題是關于干旱半干旱地區(qū)造林的貢獻度。在諸多學術研究中，關于旱地森林的研究往往少于其他生物群落，雖然與其他生物群落相比旱地森林的植被覆蓋率極低，但是其在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，部分旱地森林的碳密度可能高于或近于臨近森林生物群落的碳密度［14-16］。我國黃土高原即為典型代表區(qū)域，該地區(qū)森林植被的恢復顯著提升了區(qū)域總碳儲量［17-19］。為此，我國根據(jù)《中國森林經(jīng)營規(guī)劃（2016—2050）》（http://www.for?estry.gov.cn/），需進一步在干旱半干旱地區(qū)建立大量人工林來實現(xiàn)碳中和目標。而在干旱區(qū)域實施造林工程，需要考慮到因造林而涉及在生態(tài)、經(jīng)濟和社會復合生態(tài)系統(tǒng)中的權衡問題。因此，潛在造林面積的調查和造林區(qū)域的識別對干旱半干旱地區(qū)造林具有重大意義。

第三方面需要重點關注我國對植樹造林的政策把控。森林恢復被視為是國家自主貢獻的主要組成部分。從我國第三次全國土地調查來看，我國政府對當前的生態(tài)修復似乎越來越保持謹慎的態(tài)度，嚴格把控耕地向林地、草地和園地的轉換成為主要趨勢，退耕還林的表述也在進一步被弱化，反而更加強調耕地保護紅線的重要性。因此，對于干旱半干旱地區(qū)造林的實現(xiàn)更加要求對區(qū)域選擇的重要性和造林效率的提升。

綜上，梳理以上三方面的研究對我國干旱半干旱地區(qū)造林具有重要意義。黃土高原作為我國干旱半干旱地區(qū)典型的造林區(qū)域，其森林生態(tài)修復受到社會各界關注。目前，關于黃土高原地區(qū)植樹造林的研究主要集中在關于造林過程中的變化［20-21］、造林的相關影響因素評析［22-23］以及造林成效［24-25］等方面。少部分研究集中在以氣候條件和政策為背景，對造林潛力評估研究［26］。但仍面臨著具體方法論方面的困擾：首先，針對森林生態(tài)修復的研究很少體現(xiàn)在森林恢復過程中關于林分內部變化，例如，某些區(qū)域受氣候和人類活動影響，森林內部出現(xiàn)灌木林向疏林地退化的趨勢，而這在森林總體面積上卻并未表現(xiàn)出來，但顯然森林質量是退化的；其次，相關研究關于受人類活動干擾導致土地利用變化的森林動態(tài)研究也較少體現(xiàn)。因此，結合上述幾個方面關于造林的相關論證，本文認為，因人為因素促使土地利用變化下的森林生態(tài)恢復的具體造林潛力區(qū)還需進一步挖掘，在森林恢復過程中關于林分內部的變化也需進一步分析。

山西省是黃土高原地區(qū)人工造林典型區(qū)域，境內宜林地面積廣闊。近年來，在耕地保護政策下耕地向林地、草地轉化面積的減少限制了退耕還林（草）的發(fā)展空間。此外，自然因素和人為管理不善也導致林分質量下降。因此，本研究以山西省為主要研究區(qū)域，運用PLUS 模型和馬爾科夫鏈對不同情景下林地利用結構變化進行模擬，特別對林分內部之間轉化進行細分。本研究目的：（1）評估林地生長的區(qū)域適宜程度；（2）評估山西省林地增長空間及其分布情況；（3）識別林地優(yōu)先發(fā)展區(qū)域。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

山西省位于我國中部地區(qū)（34°34′～40°44′N，110°14′～114°33′E），地處第二階梯，東起太行山，西至呂梁山，中部為汾河河谷，形成“兩山夾一川”的地形特點。地理單元相對閉塞，地勢由東北逐漸向西南方向下降，主要景觀單元為山地高原、山地、丘陵。為溫帶大陸性季風氣候，全年降水季節(jié)分配不均，介于358～621 mm，水資源相對較少。省域內的主要生態(tài)系統(tǒng)為森林生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)以及草原生態(tài)系統(tǒng)，但生態(tài)系統(tǒng)總體較為脆弱［27］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要包括土地利用數(shù)據(jù)和土地利用變化驅動因子。其中，土地利用類型數(shù)據(jù)來自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（分辯率30 m×30 m）。為直觀分析山西省林地內部轉換情況，各土地利用類型為有林地、灌木地、疏林地、其他林地、耕地、草地、水域、建設用地以及未利用地。對于宜林地識別的土地利用需求驅動因子主要分為3大類（表1），即土壤驅動因子（9 項）、社會經(jīng)濟驅動因子（10 項）以及氣候環(huán)境驅動因子（5 項）。其中，坡度和坡向數(shù)據(jù)根據(jù)DEM數(shù)據(jù)計算獲得，氣溫和降水數(shù)據(jù)主要采用1970—2000年的均值代替。

表1 土地利用需求變化驅動因子Tab.1 Drivers of land use demand change

2 模型與方法

本研究基于馬爾科夫鏈、PLUS模型構建了一個綜合識別框架（圖1），首先，采用馬爾科夫鏈預測山西省不同情景下土地需求預測值。其次，利用PLUS模型將預測值和各土地利用驅動因子分配到不同土地利用類型中，獲得多情景下土地利用空間分布情況并進行對比分析。

圖1 PLUS模型和馬爾可夫鏈模型集成框架Fig.1 Integration framework of PLUS model and Markov chain mode

2.1 基于土地利用需求數(shù)量和空間約束的多情景設置

本研究利用馬爾可夫鏈旨在依據(jù)可持續(xù)發(fā)展目標（SDGs）［28］，設置不同情景［29］，并對不同情景下未來土地利用需求面積進行預測和設置。不同情景下土地利用需求值的變化主要通過改變2010—2020 年馬爾可夫鏈中土地利用類型間的轉換概率實現(xiàn)（表2）。此外，轉換約束矩陣表明一種土地利用類型向另一種土地利用類型轉變的權限，“1”表示可以轉換，“0”表示禁止轉換。以2030 年為目標年，設置3 種發(fā)展情景來預估未來山西省不同發(fā)展情景下土地利用變化。

表2 2010—2020年土地利用類型轉移概率矩陣Tab.2 Probability matrix of land use type transfer between 2010 and 2020

（1）基準情景：該情境下，對土地利用不設置約束條件，假設2020—2030 年的土地轉移概率和2010—2020年的轉移概率相同，人口及經(jīng)濟發(fā)展模式繼續(xù)延續(xù)當前狀態(tài)發(fā)展。該情景模擬了無外部約束力下的土地利用發(fā)展情況。

（2）生態(tài)保護情景：按照《全國森林經(jīng)濟規(guī)劃（2016—2050年）》和《山西省國土空間規(guī)劃（2020—2035年）》的要求設置生態(tài)保護情景，山西省林地將被進一步保護，對林地向其他地類的轉換進行限制（表3）。在該情景中2020—2030年4類林地轉入概率將比2010—2020 年高，轉出概率下降，同時限制建設用地的擴張（表4）。

表3 生態(tài)保護情景下各土地利用類型轉換矩陣Tab.3 Conversion matrix for each land use type under the ecological conservation scenario

表4 生態(tài)保護情景下各土地利用類型轉換比重Tab.4 Share of land use conversion by type under the ecological conservation scenario

（3）城鎮(zhèn)化發(fā)展情景：在城鎮(zhèn)化情景下，建設用地會過度占用耕地、草地等成為必然。依據(jù)這一實際，相比于2010—2020 年土地轉移概率，本研究將各類林地、耕地、草地、未利用地轉入建設用地的概率提高至20%，建設用地向其他土地利用類型轉出的概率降低30%（排除耕地）（表5）。土地轉換矩陣與基準情景的土地轉換矩陣一致（表6）。

表5 城鎮(zhèn)化發(fā)展情景下各土地利用類型轉換比重Tab.5 Share of land use conversion by type under the urbanisation development scenario

表6 城鎮(zhèn)化發(fā)展情景下各土地利用類型轉換矩陣Tab.6 Conversion matrix for each land use type under urbanization development scenarios

2.2 PLUS模型

PLUS模型主要由兩個基本模塊組成，分別為用地擴張分析策略LEAS 和CARS 模型［30-32］。LEAS 策略通過提取兩期土地利用類型擴張部分，借助隨機森林法對擴張部分采樣并分析其驅動力；CARS 模型基于隨機種子生成和閾值遞減機制，依據(jù)自適應系數(shù)、領域效應和開發(fā)概率來模擬未來土地利用需求。

需要注意的是，在本研究中PLUS 模型的相關參數(shù)設置，LEAS 模塊中，隨機采樣為50，采樣率為0.01。在CARS模型中，斑塊生成閾值為0.9，隨機斑塊種子概率為0.1，隨機種子比例為0.001，鄰域范圍為3。

在模擬之前，須利用PLUS 模型對山西省土地利用模擬進行精度驗證。首先，選取影響土地利用/土地覆蓋變化的26 種因素輸入到模型中，并生成9種土地利用類型的適宜性概率（圖2）。

圖2 2010—2020年各土地利用類型適宜性概率Fig.2 Probability of suitability by land use type 2010-2020

2.3 模型精度驗證

為保證模擬的精準性，利用Kappa系數(shù)對PLUS模型的可靠性進行確定，若kappa系數(shù)介于0.6～0.8，則表明仿真結果較高，若介于0.8～1.0，則表明模擬與實際高度相符［33］。通過將模擬結果與2020 年實際土地利用數(shù)據(jù)進行對比（圖3）。結果發(fā)現(xiàn)，Kappa系數(shù)為0.86，模擬精度較高，說明PLUS 模型對山西省土地利用/土地覆蓋變化模擬是有效的，可用于模擬山西省未來土地利用變化狀況。

圖3 山西省2020年土地利用實際結果和模擬結果Fig.3 Land use simulation results for Shanxi Province

3 結果與分析

3.1 多情景下土地利用需求預測

基準情景、城鎮(zhèn)化情景和生態(tài)保護情景3 種情景下（表7），林地增長面積分別為-4.67 km2、-4.74 km2、23.94 km2，其中，林地和草地的面積占比總體上保持在30%左右，耕地面積占比較大，基本維持在35%左右。此外，林地內部轉換頻率較高，相比于灌木林、疏林地和其他林地，有林地擴張的可能性更高。

表7 多情景下山西省土地利用面積對比Tab.7 Comparison of land use areas in Shanxi Province under multiple scenarios /km2

基準情景是對研究區(qū)現(xiàn)有土地利用狀況的順延，在這種情景下各類林地的面積總體較為穩(wěn)定，草地為有林地主要轉入對象。耕地流失面積主要轉向城市建設用地，表明城鎮(zhèn)化與耕地保護的矛盾已經(jīng)成為山西省發(fā)展的潛在隱患。生態(tài)保護情景與2020年實際土地利用類型相比，研究區(qū)內林地得到很好的保護。各類林地面積總計約增加23.94 km2，占當前總林地面積的5.38%，有林地是唯一擴張林地，而其他3類林地都有小幅縮減，主要原因是林地內部之間轉換率增強，灌木林、疏林地和其他林地向有林地轉入的面積分別為1.74 km2、10.28 km2、0.37 km2。城鎮(zhèn)化發(fā)展情景是基準情景的強化，建設用地增幅較大，與2020 年實際相比，增加了10.79 km2，林地除灌木林外總體上出現(xiàn)了不同程度的退化（表4）。

3.2 多情景下土地空間分布模擬

將3 種情景下山西省2030 年土地利用面積模擬值輸入到PLUS模型中，3種情景下林地擴張區(qū)域主要集中在研究區(qū)東南部長治盆地附近、中西部太原盆地和北部大同盆地。有林地的面積擴張范圍較大一些，灌木林占地面積總體上保持不變，而研究區(qū)西北部黑茶山國家自然保護區(qū)和東部運城盆地附近疏林地擴張變化更為顯著，其他林地面積小幅降低?？傮w來看，東南部有林地呈現(xiàn)大面積成片擴張，中西部次之，北部林地分布呈碎片化特點。受氣候和地形影響，越靠近南部地區(qū)，林地恢復和擴張的可能性越大（圖4）。在理想狀態(tài)下（生態(tài)保護情景），通過多次對相關參數(shù)進行調整，發(fā)現(xiàn)林地總面積在468.59 km2上下浮動。我們猜想這可能與山西省生態(tài)環(huán)境和人類活動等因素有關，制約了林地進一步發(fā)展的潛力。我們估測山西省2030 年林地總體增長空間約為23.94 km2，占當前林地總面積的5.38%。

3.3 林地擴張典型區(qū)域分析

生態(tài)保護情景是今后山西省森林修復工程的主要參考，通過提取較為明顯的林地擴張區(qū)域（A、B、C 和D）（圖5），并將其與其他情景下的林地變化進行對比，界定出未來山西省林地擴張可能的優(yōu)先發(fā)展區(qū)（圖6），從而提高山西省植樹造林活動效率和固碳水平。此外，由于采取較高分辨率遙感地圖，故對于林地優(yōu)先發(fā)展區(qū)識別可以精確到縣級層面，這也是本文主要特點。

圖5 生態(tài)保護情景下林地擴張Fig.5 Woodland expansion under the ecological protection scenario

圖6 林地優(yōu)先發(fā)展區(qū)識別Fig.6 Identification of priority woodland development areas

A 區(qū)主要位于研究區(qū)北部，包括大同市和朔州市，該區(qū)域林地呈碎片化分布，從林分變化來看，A區(qū)域總體表現(xiàn)為耕地向有林地的轉換，其他林地轉換相對穩(wěn)定。該地區(qū)有林地的擴展趨勢較為明顯，且在山陰縣出現(xiàn)了大片的有林地增長。其他縣域也出現(xiàn)了不同程度的林地增長，但相對分散。故在未來10 a中該區(qū)應提升植樹造林的集約化、效率化水平。

B區(qū)主要分布在研究區(qū)中西部，涉及忻州市、太原市和呂梁地區(qū)，該區(qū)域以灌木林為主。與其他情景相比，嵐縣有林地出現(xiàn)了成片增長的趨勢，而在交城縣、文水縣等境內更適宜灌木林生長。在生態(tài)保護情景下，交城縣邊緣地帶出現(xiàn)了小面積的有林地退化為疏林地，我們猜想可能是在該情景中，有林地鄰域權重達到峰值，出現(xiàn)林地轉換的可能性更大。這也需要引起我們的重視，未來該地區(qū)也許會出現(xiàn)林地退化的可能性。

C 區(qū)覆蓋了晉城市南部、臨汾市東北部以及長治市西北部，結合山西省地形圖可知，該區(qū)域主要位于太原盆地和臨汾盆地。受暖濕氣候影響，C 區(qū)是山西省境內林木主要集中區(qū)，且以有林地為主。在不同情景下，C 區(qū)各類林地之間的轉換均呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。值得注意的是位于祁縣境內的疏林地變化，與城鎮(zhèn)發(fā)展情景相比，生態(tài)保護情景中有林地在該區(qū)域有較大擴展?jié)摿?，大面積的疏林地轉變?yōu)橛辛值?，表明良好的生態(tài)保護措施能夠推動區(qū)域內林木擴展。上述區(qū)域在未來林地擴展?jié)摿Ω蟆?/p>

D 區(qū)大部分位于晉城市東南部，少部分位于運城市東南部。該地區(qū)也是陽城莽河獼猴國家級自然保護區(qū)和太寬河國家級自然保護區(qū)重點區(qū)域，因此總體生態(tài)環(huán)境基礎較好。有林地主要分布在陵川縣境內，且不在同情景中林地之間的內部轉換較為穩(wěn)定，我們猜想這可能與地方已有的生態(tài)環(huán)境基礎有關。而平順縣境內更適合草地生長，在不同情景中該地區(qū)草地面積一直較為穩(wěn)定，而林地擴展卻更為緩慢。長治縣和壺關縣境內出現(xiàn)了大面積的有林地增長，在其他發(fā)展情景中，這兩個縣主要以疏林地為主，在生態(tài)保護情景下，調整了林地的參數(shù)指標后，出現(xiàn)了大面積的有林地增長，即該縣域疏林地和有林地的轉換更為明顯，上述區(qū)域有林地擴展的可能性比較大。

4 討論

4.1 關于植樹造林與森林修復

森林修復仍然是當前緩解氣候變化的最有效戰(zhàn)略之一，與傳統(tǒng)的“生態(tài)修復”不同，基于生態(tài)安全格局的植樹造林活動更強調治理和修復的“主動適應”［34］。干旱地區(qū)受自然條件限制，植樹造林活動的有效性有待商榷［35-37］。因此，如何提升造林的科學性和“主動適應”性成為當下山西省生態(tài)保護的重要議題。從結果來看，山西省森林生態(tài)系統(tǒng)似乎并不十分穩(wěn)定，在理想的狀態(tài)（生態(tài)保護情景）下，局部地區(qū)森林邊緣已經(jīng)出現(xiàn)了森林退化的趨勢，如果不調整林地領域權重值，這種情況也許會更嚴重。耕地仍然是山西省主要的土地類型，這對構造穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫，需考慮耕地紅線這一基本底線。在理想狀態(tài)下山西省未來植樹造林的發(fā)展空間僅有5.38%，而現(xiàn)實往往比理想狀態(tài)更糟糕。在當前的氣候和政策背景下，山西省植樹造林的潛力有待商榷，至少在當下不適合大規(guī)模種植，目前尚能解決的是在有限的造林空間內進一步實現(xiàn)林地優(yōu)化。

從結果分析，A 區(qū)應劃為林地擴展一般區(qū)域。林地邊界形狀較為復雜，破碎化程度高，受人類活動的頻繁干擾，可能存在建設用地擴張的脅迫。在新一輪的植樹造林活動中需綜合兩個片區(qū)的人口、經(jīng)濟等社會因素確定各區(qū)域林地擴張的彈性邊界，并加強對灌木林和草地的種植。B區(qū)現(xiàn)有灌木林面積較大，雖然存在疏林地向有林地轉換的潛力，但是從因地制宜的角度分析，灌木林可能更適宜該地區(qū)的氣候條件。C區(qū)和D區(qū)應劃分為林地擴展極重要區(qū)。林業(yè)資源稟賦較好，碳儲量發(fā)展空間較大。在溫帶和亞熱帶森林中，樹種的多樣性對碳儲量的增加產(chǎn)生積極影響［38］。因此對C區(qū)和D區(qū)的林地擴展應注重樹種多樣性的提升。

4.2 研究不足

最后需要指出，本研究今后至少需要在以下兩個方面繼續(xù)推進：（1）模型方面，PLUS 模型雖然可以模擬多種情景下土地利用變化情況，但是基于馬爾科夫鏈模擬多種發(fā)展情景一定程度上具有主觀性，對研究區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的實際情況欠考慮。雖然土地利用變化特征也有較為明顯的馬爾科夫特征，但模型事實上并未考慮社會經(jīng)濟發(fā)展以及不同生產(chǎn)部門對土地的需求。而且若是不同時段內發(fā)展土地變化速度有較大差異，預測的結果也有很大的差異。在諸多研究中，有關學者采用系統(tǒng)動力學模型來推測不同發(fā)展情景下土地利用場景［39］，更具備嚴謹性，這也為本研究的進一步延申提供了參考。（2）數(shù)據(jù)方面，關于識別框架的指標選取，影響森林擴張的因素有很多，例如氣候條件、土壤肥力等［40-41］，但目前尚未有可用的高精度空間數(shù)據(jù)進行分析。

5 結論

本研究討論了在所有造林的規(guī)劃階段遇到的兩個關鍵性問題：“一是何處是造林適宜區(qū)？二是如何集中？”本研究構建了針對山西省林地優(yōu)先發(fā)展區(qū)識別框架對上述問題進行分析，借助PLUS 模型和馬爾科夫鏈系統(tǒng)模擬了2030 年山西省不同情景下的土地利用變化情況，并界定未來林地潛在優(yōu)先區(qū)。研究得出以下結論：（1）在當前氣候和政策條件下，山西省2030 年林地增長空間非常有限，僅為5.38%。主要宜林地區(qū)域集中在東南部，以有林地擴張為主；其次為中部地區(qū)，以灌木林擴張為主，且林地邊緣面臨有林地退化的風險；最后為北部，基于林地破碎化嚴重的現(xiàn)狀，未來修復的導向更偏向于草地擴張。（2）林地內部轉換頻率較高，各類林地按照擴展?jié)摿Ω叩蛣澐?，依次為：有林地＆gt;灌木林＆gt;疏林地＆gt;其他林地。（3）從當前山西省的發(fā)展趨勢來看，土地利用的方式是非可持續(xù)的，我們對山西省大規(guī)模植樹造林的方式保持謹慎態(tài)度。且在耕地保護紅線的限制下，認為生態(tài)保護情景的發(fā)展模式在山西省實施起來可能會存在困難。