黃土高原土地利用變化特征及其環境效應

趙宏飛，何洪鳴，3，白春昱，張闖娟

（1.西北農林科技大學水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100；2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100；3.中科院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100）

1 引言

LUCC是人與自然相互作用的直接體現，是自然、社會、經濟等要素綜合作用的復雜過程，成為人口—資源—環境可持續發展的基本問題[1]。LUCC時空特征、驅動力及其環境效應是LUCC研究的三個方面，是認識人類驅動—土地利用變化和環境之間相互作用機制的必要前提，能夠反映出自然格局、過程和人類社會之間最直接的相互作用關系，對促進區域生態、社會經濟可持續發展具有重要的意義[1-4]。

黃土高原位于半干旱、半濕潤氣候帶，生態環境脆弱，LUCC易受環境變化的影響。由于黃土高原生態系統的脆弱性和重要性，該地區成為研究生態過程的熱點區域[5]。過去30多年來，受自然和人為環境的影響，黃土高原土地利用/植被覆蓋發生了明顯的變化[5-6]。研究人員基于遙感影像和GIS空間分析技術，從區域[5，7-8]、流域[9-11]尺度研究LUCC時空特征，發現最主要的特征為坡耕地面積減小，林地和草地面積增加，植被以恢復為主，且變化存在時空差異特征[12-14]。變化原因和驅動機制是研究LUCC的的核心問題，驅動因素主要包括自然因素和人類活動因素。近年來，學者利用主成分分析、灰色系統分析、回歸分析等方法，研究不同尺度LUCC驅動機制[10，13，15-18]。人類活動對近幾十年來黃土高原LUCC影響強烈，尤其是1999年開始施行的大規模的退耕還林政策，使大量坡耕地轉換為林地或草地，植被覆蓋度提高[14，19]。但關于主要驅動因子的認識仍存在爭議，例如部分學者認為近年來黃土高原呈現暖濕化的氣候特征，氣候變化成為LUCC的主要驅動因素[14，19]。LUCC通過與環境因子的相互作用，對不同空間尺度的生態系統產生重要影響。一方面通過影響大氣、土壤、植物和水文等要素對自然地理環境產生影響，另一方面影響生態系統物質循環、能量流動、景觀結構和生態服務功能[20]。黃土高原LUCC在治理水土流失[21-22]、提高土壤質量[23]、維持碳穩定[24]等方面的影響尤為突出，同時出現河流徑流銳減[25]、水資源短缺[26]、土壤水分干燥化[27]、人工林生態系統退化[28]等環境問題，對區域生態和社會可持續發展產生威脅。如何維持黃土高原水分平衡、生態和社會可持續發展成為目前政府和研究人員最為關注的問題[28-29]。現有的研究多從單一方面研究，或側重對單一環境要素影響的研究，綜合研究仍然偏少，這對認識LUCC過程、土地利用與環境要素相互作用關系以及如何維持區域可持續發展產生限制。

本文以黃土高原1980年以來實施的一系列生態恢復工程和氣候變化為背景，通過分析LUCC時空特征、驅動力及產生的環境效應，并探討如何維持區域生態、經濟和社會可持續發展，以期為區域生態環境與社會經濟的可持續發展政策提供科學依據。

2 數據與方法

2.1 研究區概況

黃土高原位于35°～41°N、102°～114°E之間，總面積64萬km2，是世界上最大的黃土地貌單元。該地區人口眾多，生態環境脆弱。人口增多加速區域開發，對地表植被嚴重破壞，進行陡坡開墾，造成強烈的水土流失。自20世紀80年代以來，為遏制水土流失，該區域實施一系列水土保持措施，尤其是1999年開始施行的退耕還林政策。人為治理使大面積坡耕地轉換為林地或草地、植被覆蓋明顯提升，其中黃土高原中部為重點治理區，主要流域為皇甫川、無定河、延河、北洛河、涇河、渭河和汾河流域[12]。土地利用變化對諸如水文、土壤侵蝕及碳循環等生態水文過程產生明顯的影響。

2.2 數據來源及研究方法

本文主要使用以下數據：（1）土地利用數據，數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心，分辨率為1 km，時間為1980年、1990年、2000年、2010年和2015年，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用土地6類；（2）NDVI（歸一化植被指數，Normalized Difference Vegetation Index）數據，來源于MODIS NDVI數據產品（https://glam1.gsfc.nasa.gov），時間范圍為2000—2015年；（3）氣象數據，來源于文獻[13，16，30]，包括黃土高原1980—2015年年均降雨量和氣溫；（4）黃土高原退耕還林數據，來源于文獻［12］，包括1980年以來退耕還林類型及面積；（5）水文站水沙數據來源于黃河水利委員會，時間范圍1980—2015年；（6）其他數據，包括土壤侵蝕、典型樣地土壤水分、土壤有機碳等，來源于已發表文獻，具體標記于文中。

本文利用ArcGIS柵格計算器，計算黃土高原土地利用空間變化特征；利用ArcGIS疊加分析功能計算空間轉移矩陣；其他趨勢分析基于Origin 2017軟件。

3 黃土高原LUCC的時空分布格局

耕地、草地、水體和未利用土地面積減少，林地和建設用地面積增加為30余年來黃土高原土地利用總體變化特征。耕地、草地、水體和未利用土地面積分別從1980年的205 764 km2、264 402 km2、9 023 km2和43 476 km2減少至2015年的202 133 km2、261 064 km2、8 507 km2和41 846 km2；林地和建設用地面積分別從1980年的92 340 km2和11 238 km2增加至2015年的94 814 km2和17 879 km2。耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用土地占總面積的比例由1980年的32.9%、14.7%、42.2%、1.4%、1.8%和6.9%變為2015年的32.3%、15.1%、41.7%、1.4%、2.9%和6.7%。30余年來，黃土高原土地利用結構未發生明顯改變。

黃土高原中部是水土流失重點治理區，也是LUCC最顯著的區域（圖1）。按照流域統計，延河、涇河和渭河流域為1980—2015年耕地減少最明顯的區域，耕地面積分別從3 257 km2、26 070 km2和23 113 km2減少至3 062 km2、25 187 km2和22 351 km2，減少的面積分別為194 km2、883 km2和762 km2，減少幅度分別為5.9%、3.4%和3.3%；無定河和延河流域為1980—2015年林地增加最明顯的區域，面積分別從1 588 km2和840 km2增加至2 107 km2和1 063 km2，增加的面積分別為519 km2和223 km2，增加幅度分別為32.7%和26.6%；所有流域建設用地均有明顯的增加，增加幅度均超過50%；其他利用類型變化不明顯。

以2000年為分界點，黃土高原土地利用類型具有分階段變化特征。分析2000年之前和之后兩個時期變化特征，1980—2000年主要變化特征為耕地面積增加（增加1 928 km2），草地面積減少（減少1 770 km2）；2000—2015年主要變化為耕地和草地面積均減少（分別減少5 558 km2和1 568 km2），林地面積增加（增加2 593 km2）。

根據土地利用轉移矩陣，分析黃土高原土地利用類型動態變化（表1）。1980—2015年，黃土高原土地利用類型發生動態變化的面積為7.7萬km2，占區域總面積的11.5%。按照土地利用類型統計，耕地、草地和未利用土地變化最為強烈，分別有12 573 km2、14 436 km2和6 380 km2轉換為其他土地利用類型，變化率分別為6.1%、5.5%和14.7%。根據流域統計，皇甫川、無定河和延河流域土地利用類型動態變化最為顯著，變化面積占總面積的比例分別為33.19%、20.89%和12.34%。

圖1 黃土高原土地利用變化Fig.1 Land use change on the Loess Platea

表1 黃土高原1980—2015年土地利用轉移矩陣Tab.1 Matrix of dynamic change of land use from 1980 to 2015 on the Loess Plateau (km2)

黃土高原植被覆蓋明顯提高。NDVI在2000年之前未發生明顯變化，2000年之后呈快速增加趨勢[13]。分析2000年之后的變化特征，NDVI年均值由2000年的0.18增加至2015年的0.27，變化速率為0.005/a，其中黃土高原中部為變化為明顯，與2000年相比較，2015年皇甫川、無定河、延河、北洛河、涇河、渭河和汾河流域的NDVI年均值增加幅度分別為54%、37%、83%、34%、40%、27%和34%。NDVI在年內變化最明顯的時間為5—6月，5月份黃土高原NDVI增加幅度超過70%。

4 黃土高原LUCC的驅動分析

4.1 自然環境因素

黃土高原LUCC主要受制于氣候變化與社會經濟發展等人類活動的影響[6，13，29]。降水和氣溫成為影響LUCC最主要的氣候要素，30余年來，黃土高原氣候整體變化特征為暖濕化（圖2），年均氣溫由1999年之前的8.9℃升高至1999年之后的9.9℃，年均降雨量由1980—1999年平均433 mm增加至2000—2015年的443 mm，氣溫和降雨變化最明顯的區域為干旱、半干旱地區（年均降雨量低于500 mm的區域）。氣溫升高對植被生長產生兩方面影響，一方面增加植物生長物候期，對于北溫帶植物生長具有重要作用，另一方面氣溫升高增加地表蒸發和植物蒸騰，加劇土壤干燥化，抑制植物生長[6]。黃土高原，尤其是干旱和半干旱區植被生長受制于降水，降水量增加有助于植被恢復。根據氣候變化分析，近幾十年來黃土高原西北部干旱半干旱區暖濕化程度大于東南部半濕潤區，黃土高原氣候變化對LUCC的影響程度西北部大于東南部[13，15-16]。

圖2 黃土高原年均降水量、年均氣溫和NDVI變化Fig.2 Average precipitation, rainfall and max NDVI changes on the Loess Plateau

4.2 人類活動因素

退耕還林政策、社會經濟發展等人類活動對LUCC具有重要的影響作用。為治理水土流失，自20世紀80年代起，在黃土高原先后實施小流域綜合治理、“三北”防護林建設、退耕還林工程等措施，對生態建設產生明顯的作用。1999年之前治理力度較弱，累計治理面積14.5萬km2，人為治理并未對LUCC產生顯著作用。1999年之后，將大面積坡耕地轉變為林地或草地， 2000—2012年黃土高原人工林面積7.5萬km2，人工草地面積2.6萬km2，封禁治理面積1.0萬km2，其中黃土高原中部無定河和延河流域為重點治理區域[12]。根據前文，無定河和延河流域是土地利用變化和植被恢復最顯著的區域，表明人類活動對LUCC產生重要的作用。另一方面，黃土高原社會經濟快速發展，建設用地面積快速增加，導致部分區域植被發生退化[5，17]。

LUCC與氣候變化和人類活動之間具有復雜的相互作用關系。目前，研究人員對LUCC主要驅動力的研究存在爭論，部分研究認為主要由氣候變化導致[13，15]，但另一部分研究認為主要由退耕還林工程實施等人類活動引起[3，7]。根據比較分析，退耕還林主要區域（無定河和延河流域）土地利用變化比例及植被覆蓋率提高幅度明顯高于其他區域，表明人類活動對LUCC起到重要作用。同時黃土高原超過60%的區域植被發生顯著恢復，其面積遠大于施行生態恢復工程區域的面積，因此可看出，氣候變化對LUCC產生明顯的作用。土地利用/植被覆蓋與區域社會經濟和氣候之間具有互動效應，如LUCC改善區域經濟結構，增加區域經濟收入，同時隨著區域經濟、社會發展水平提高，人類對土地利用方式產生深遠的影響，經濟社會發展后明顯減少土地復墾率、增加林地或草地[15]；下墊面變化對氣候產生影響，植被覆蓋提高后增加實際蒸散發，導致氣溫升高、降雨量增加，對植被恢復產生反作用[31]。黃土高原區域內自然和社會環境多樣，氣候變化和人類活動對LUCC影響具有區域性差異，例如氣候變化對西北干旱區植被恢復作用程度明顯高于半濕潤地區，人類活動對中部侵蝕強烈區影響大于其他區域[15-16]。

5 黃土高原LUCC環境效應

5.1 生態水文

黃土高原下墊面變化對流域生態水文過程、水分平衡及水分轉換產生影響。植被恢復后，增加降雨攔截、植被蒸騰和土壤入滲，減小地表徑流，引起局部地區水熱循環變化。根據小區試驗，植被對地表徑流的攔截效率隨恢復年限的增加而增加，攔截效率與植被類型和植被覆蓋度等因素有關，如徑流系數（Rc）與植被覆蓋狀況有密切的聯系，與NDVI呈指數關系為（Rc= -9.12NDVI2+ 6.65NDVI- 1.06，R2= 0.30）[3，32]。植被變化導致黃河中游徑流量下降，年均徑流量（黃河干流花園口水文站）由1980—1999年的327億m3下降至2000—2015年的260億m3，同時水文過程發生變化，洪峰流量由1980—1999年的500 ～ 1000 m3/s下降至1999年之后的小于300 m3/s，植被變化對黃河徑流減小的貢獻超過70%[33]。

5.2 土壤侵蝕

黃土高原LUCC通過削減降雨動能、減緩坡面徑流、改變地表水文過程，對控制強烈土壤侵蝕產生重要的作用。根據徑流小區試驗，土壤侵蝕與土地利用類型、覆蓋度和組成等因素有密切的關系。耕地土壤侵蝕強度遠大于其他土地利用類型，坡耕地土壤侵蝕強度是相同條件下林地或草地的數十倍，耕地轉變為草地和林地后，土壤侵蝕強度下降超過90%[25，32，34]。1999—2011年，黃土高原退耕還林面積累計752萬hm2，主要區域為黃土高原中部水土流失劇烈區，強烈侵蝕將得到有效遏制[35]。

利用RUSLE模型，研究黃土高原1980年以來土壤侵蝕變化。土壤侵蝕強度呈顯著下降趨勢，平均侵蝕模數從1999年之前的5 555 t·km-2·a-1下降至1999年之后的4 616 t·km-2·a-1，年均下降速率為67 t·km-2·a-1，目前侵蝕強度接近農業文明時期（公元700年之前）水平，達到相對穩定狀態[21-22，28]。近30余年來，黃土高原超過20%的低植被覆蓋轉變為高覆蓋區域，植被覆蓋率提高和土地利用變化是黃土高原土壤侵蝕強度減弱的主要原因[13]。根據前文，黃土高原近30余年來耕地減少面積僅為3 630 km2，2015年仍有20萬km2耕地，其為土壤侵蝕強烈的區域，平均土壤侵蝕強度仍高于允許侵蝕強度（1 000 t·km-2·a-1）。因此，施行新一輪退耕還林政策仍具有水土保持意義。

圖3 土壤水分與植被恢復Fig.3 Soil moisture prof i le and vegetation restoration

5.3 土壤水分

土壤是生態系統重要組成部分，LUCC引起土壤水分在土壤系統中再分配。植被恢復后，植物根系對土壤水分的吸收增強，植物蒸騰量增大，土壤水分含量低于田間穩定持水量，出現土壤干層（圖3（a））。土壤水分與土地利用類型、植被恢復年限、植被類型等因素有關。根據大量監測數據分析，黃土高原耕地退耕后土壤平均含水量均出現下降，土壤含水量耕地＞草地＞灌木＞喬木林地[29]。土壤水分隨退耕年限的增加而降低（圖3（b）），10年、20年和32年退耕地土壤水分分別下降10%、17%和8%，植被恢復30年后，土壤水分出現回升。不同樹種類型下土壤水分存在差異，例如油松和刺槐林地土壤水分明顯低于檸條，油松和刺槐為黃土高原主要退耕還林樹種[27]。

根據對扶風油松林水分研究，退耕后1.5 m以下土壤水分發生明顯變化，20年林地在2 m處形成干層，干層深度超過5 m。在區域尺度，黃土高原大部分區域土壤水分均出現下降，土壤水資源的不足影響區域生態可持續發展。降雨為黃土高原土壤水分主要補給，其僅影響表層40 cm深度土壤水分，深層土壤水分難以得到補給。研究發現，目前黃土高原植被恢復已接近該地區水資源植被承載力的閾值，出現水資源不足、植被配置不合理、生態服務功能降低等黃土高原生態建設面臨的問題[26]。如何維持不同土地利用類型耗水和有效降水的平衡，找到合理的土地利用空間配置防止土壤干層的出現，仍是目前需要深入研究的問題[29]。

5.4 碳循環

植被和土壤陸地生態系統兩大碳庫，植被恢復后不僅增加生物固碳，而且增加土壤固碳。碳匯能力和退耕年限、植被類型、土壤水分等因素有關，植被類型和退耕年限為影響黃土高原碳儲存的主要因素。生態系統NPP（凈初級生產力，Net Primary Productivity）與土地利用類型有明顯的關系，林地的NPP明顯高于耕地和草地[36]。NPP隨植被恢復呈增加趨勢（圖4（a）），黃土高原NPP從2000年的280 gC·m-2·a-1增加至2015年的370 gC·m-2·a-1，年均增加4.3 gC·m-2·a-1[37]。在區域尺度，生態系統NPP與水資源相關，黃土高原生產潛力已接近水資源承載力閾值[26]。

土壤碳庫是陸地生態系統最大、停留時間最長的碳庫，LUCC影響土壤碳循環周期及儲量。植被恢復后土壤碳匯能力顯著增強（圖4（b）），退耕后土壤有機碳儲量均隨退耕年限的延長呈增加趨勢。根據對黃土高原丘陵溝壑區紙坊溝小流域人工林土壤碳變化研究，退耕35年后，土壤有機碳儲量是退耕前的3.1倍；撂荒地和草地有機碳儲量隨退耕年限呈持續增加的趨勢，35年后有機碳儲量分別是退耕前的2.9倍和2.0倍[24]。退耕超過一定年限，碳匯達到穩定，逐漸轉變為碳源，根據子午嶺植被演替研究，植被在破壞后，自然演替時間為150年，土地利用變化將在相當長的一段時間內影響土壤碳的空間分布格局[23]。

6 結論與討論

受氣候變化和人類活動影響，黃土高原土地利用/植被覆蓋發生明顯變化，對生態、環境系統產生重要影響。本文研究1980年以來黃土高原LUCC時空特征、驅動力及產生的環境效應，主要得出以下結論：（1）30余年來，土地利用類型呈現區域性的變化特征，黃土高原中部無定河和延河流域為變化最明顯的區域，但整體上，土地利用結構未發生改變；（2）LUCC受氣候變化和人類活動共同影響，氣候變化和人類活動的貢獻率存在區域性差異，其中黃土高原中部主要由人類活動導致；（3）黃土高原LUCC對減少地表徑流、控制土壤侵蝕、減少土壤水分及增加碳固存將產生長期的影響，在發揮生態效益的同時對區域生態恢復產生消極的影響；（4）由于黃土高原自然、社會條件區域差異性及土地利用類型與環境因子相互作用的復雜性，單一環境要素分析難以揭示LUCC同環境因子之間的作用及反饋機制，未來研究需加強對系統動力學等交叉學科的應用。

圖4 土地變化后碳儲存變化Fig.4 Change of carbon storage after land use change

黃土高原氣候變化和大規模的植被建設對區域生態環境產生重要影響，如何維持區域生態系統可持續發展成為目前面臨的重要課題。20世紀80年代后施行小流域綜合治理工程、退耕還林工程等生態工程，對控制土壤侵蝕、維持全球碳平衡、促進經濟社會發展等方面起到重要作用，同時產生一系列環境問題，如植被退化、生態穩定性下降和水資源不平衡等[28]。黃土高原實施退耕還林工程后有6 847 km2坡耕地轉換為林地或草地，植被恢復后形成土壤干層，制約生態可持續發展。該地區退耕還林樹種主要為外來樹種（油松、刺槐等），人工植被穩定性低，如北部出現大量“小老頭樹”。水資源短缺是黃土高原生態脆弱的主要原因，LUCC加劇水分供需矛盾，促進水資源合理配置和提高水資源利用效率對區域生態恢復和社會發展具有重要意義。根據前文，目前黃土高原植被生產力已接近水資源承載力閾值，在自然狀態下逐漸趨于穩定，未來植被恢復需在遵循地帶性規律和因地制宜原則下，提高林草措施質量，提高人工植被穩定性。

退耕還林等生態工程對經濟社會發展方面產生明顯的作用。退耕還林后，黃土高原第三產業產值增長明顯，1995—2010年年均增長率為17.6%，生態環境建設經濟效益逐漸體現[12]。但黃土高原仍存在經濟社會發展不可持續問題，如該地區人口眾多，生態環境脆弱，區域發展不平衡。目前該地區有9 800萬人口，坡耕地轉換為林地或草地后，本地區所生產糧食難以滿足當地需求，將產生糧食安全問題[28]。同時退耕還林政策順利推行的主要原因是依靠政府財政補貼，根據國家最新的政策，生態林在原補助8年的基礎上延長補助8年，單方面投入的方式對區域可持續發展產生壓力。未來需進一步提高林草的經濟效益和社會效益，增加區域第三產業的比重，同時推進農村人口轉移和促進區域社會發展。