黃土高原土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務時空變化特征研究

寧 佳，邵全琴

（中國科學院地理科學與資源研究所 中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京100101）

根據(jù)IPCC 評估報告，氣候系統(tǒng)變暖是毋庸置疑的，全球氣候正在發(fā)生巨大的變化[1]。IPCC 報告同時指出，土地利用變化是人類活動影響氣候系統(tǒng)的重要途徑之一，并且專門列出“農(nóng)業(yè)、林業(yè)和其他土地利用”作為減緩全球氣候變化的重要途徑[1]。在全球變化背景下，由于人類不合理的經(jīng)營活動，以及飛速發(fā)展的城市化進程所產(chǎn)生的土地利用變化，生態(tài)系統(tǒng)服務受到了極大的影響[2]。土地利用變化在一定程度上直接反映了人類活動的影響，可以改變生態(tài)系統(tǒng)類型、格局以及生態(tài)過程，直接影響了生態(tài)系統(tǒng)服務，是生態(tài)系統(tǒng)服務變化的重要驅(qū)動力之一[3-5]。林業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他土地利用變化對生態(tài)影響研究的重要性日益凸顯，因此掌握我國乃至全球土地利用變化科學規(guī)律，科學評估土地利用變化（LUCC）對全球生態(tài)系統(tǒng)的影響顯得尤為緊迫。土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務變化之間的響應關系研究是當前全球變化研究的熱點問題[6-7]。水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風固沙服務作為生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能的重要部分[8]，在全球變化下研究土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)這些調(diào)節(jié)功能的影響具有重要意義。

黃土高原的土地利用類型多種多樣，歷史上土地利用變化包括退耕還林、退耕還草、開墾等多種類型，由于在自然要素（如植被、土壤、地形、地貌以及水文、氣候等）及土地利用方面的過渡性質(zhì)，黃土高原生態(tài)系統(tǒng)對氣候和土地利用變化非常敏感。作為氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，黃土高原對于全球變化的響應迅速而明顯，易于形成表征各種變化和作用機制的強信號，有助于黃土高原土地利用變化生態(tài)效應的研究，也可更好地揭示全球變化下人類活動與土地利用變化、生態(tài)系統(tǒng)服務變化相互影響的過程和規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)分區(qū)

黃土高原地處半濕潤氣候向半干旱、干旱氣候過渡帶，區(qū)域內(nèi)部呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異。為更好地比較黃土高原內(nèi)部不同區(qū)域的差異性，本文按照以下原則進行生態(tài)氣候分區(qū)：（1）自然條件和自然資源的相對一致性原則；（2）保持縣（市、區(qū)、旗）行政區(qū)界完整性原則；（3）綜合性和主導性原則。按照上述原則，將黃土高原分為4 個一級區(qū)：半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)、干旱區(qū)和高原區(qū)（圖1）。每個一級區(qū)下再分為二級區(qū)：半濕潤區(qū)包括南部半濕潤氣候森林區(qū)和中部半濕潤氣候森林草原區(qū)，面積約占整個黃土高原面積的40.3%；半干旱區(qū)僅包括北部半干旱氣候草原森林區(qū)，面積約占26.4%；干旱區(qū)包括河套平原干旱氣候荒漠草原綠洲區(qū)、西北部干旱氣候荒漠草原區(qū)和鄂爾多斯高原干旱氣候荒漠草原區(qū)，面積約占27.7%；高原區(qū)僅包括黃河上游山地垂直氣候高原森林草原區(qū)，面積約占5.6%。

1.2 土地利用數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)主要來自由中科院地理所劉紀遠研究員牽頭，自1990 年起不斷更新和修正的全國土地利用數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集基于遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，通過大量的人機交互解譯得到，并通過大量的野外驗證和精度評價進行修正。土地利用數(shù)據(jù)一級類精度達94%以上，滿足本文需求[9-11]?？紤]到數(shù)據(jù)的可獲得性和準確性，本文主要使用了2000、2010、2015 年三期1 km 柵格百分比土地利用數(shù)據(jù)和2000—2010、2010—2015 年兩期土地利用動態(tài)變化數(shù)據(jù)。為更好地對比不同時期的土地利用變化規(guī)律，本文主要采用了變化面積、變化比例和年均變化速率等指標進行對比分析。

1.3 水源涵養(yǎng)估算

水源涵養(yǎng)主要采用降水貯存量法進行估算，該方法已廣泛用于水源涵養(yǎng)服務的計算。具體計算公式如下：

圖1 研究區(qū)分區(qū)Figure 1 Map and the ecological climatic zones of the study area

式中：Q 為與裸地相比較，森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量，m3；A 為生態(tài)系統(tǒng)面積，hm2，數(shù)據(jù)主要來自于前述的土地利用數(shù)據(jù)集中的生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)；J為計算區(qū)產(chǎn)流降雨量，mm；R 為與裸地相比較，森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)減少徑流的效益系數(shù)；J0為計算區(qū)降雨總量，mm；R0為產(chǎn)流降雨條件下裸地降雨徑流率；Rg為產(chǎn)流降雨條件下生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率；K 為計算區(qū)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例[12-13]。以上因子數(shù)據(jù)主要來自于2000—2015 年中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，采用一定的數(shù)據(jù)預處理所得。

1.4 土壤保持估算

土壤保持主要使用通用土壤流失方程RUSLE（Revised Universal Soil Loss Equation）進行計算。該方法已經(jīng)被廣泛應用于土壤侵蝕估算和水土流失風險評價以及土地資源調(diào)查和水土保持規(guī)劃等領域。土壤保持量采用潛在土壤侵蝕量與現(xiàn)實土壤侵蝕量之差進行計算，潛在土壤侵蝕量為沒有植被覆蓋和任何水保措施時的土壤侵蝕量，現(xiàn)實土壤侵蝕量為考慮地表植被覆蓋和水土保持措施時的土壤侵蝕量。具體公式如下：

式中：A 為單位面積土壤保持量；R 為降雨侵蝕力因子，數(shù)據(jù)主要來自于2000—2015 年中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，采用澳大利亞ANUSPLIN 樣條函數(shù)方法插值成1 km分辨率的空間數(shù)據(jù)；K為土壤可蝕性因子，數(shù)據(jù)主要來自于中國1∶100萬土壤數(shù)據(jù)集；L為坡長因子、S 為坡度因子，數(shù)據(jù)主要來自于90 m 分辨率的DEM 數(shù)據(jù)，經(jīng)過提取和重采樣成1 km 分辨率的空間數(shù)據(jù)；C 為植被覆蓋因子，主要來自于MODIS 的NDVI數(shù)據(jù)集；P為水土保持措施因子[14-15]。

1.5 防風固沙估算

防風固沙主要采用修正土壤風蝕方程RWEQ（Revised Wind Erosion Equation）進行估算。該方程已廣泛應用于田塊或區(qū)域尺度的多種自然地理環(huán)境的風蝕估算。防風固沙量采用極度退化狀態(tài)下土壤風蝕量與實際地表覆蓋條件下土壤風蝕量之差進行計算。具體公式如下：

式中：Mw表示土壤風蝕模數(shù)；x表示地塊長度，m；Qx表示x處的沙通量，kg·m-1；Qmax為風力的最大輸沙能力，kg·m-1；s為關鍵地塊長度，m；WF為氣候侵蝕因子，kg·m-1；EF 為土壤侵蝕因子；SCF 為土壤結(jié)皮因子；K′為地表糙度因子；COG 為植被覆蓋因子[16-17]。估算所用的NDVI 數(shù)據(jù)為2000—2015 年的MOD13A3 數(shù)據(jù)，來源于美國國家航空航天局（NASA）的EOS/MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為1 km×1 km，時間分辨率為1個月，日降水量數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；土壤類型數(shù)據(jù)來源于中科院南京土壤研究所，DEM、生態(tài)系統(tǒng)分類數(shù)據(jù)來源于中科院地理所，空間分辨率為1 km。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用時空變化

2015 年，黃土高原土地利用分布空間格局見圖2。草地面積最大，約占41.67%，其次為耕地和林地，分別占31.56%和15.17%，水域、建設用地和未利用地分布相對較少。其中，耕地和林地主要分布在半濕潤區(qū)，分別約占整個耕地和林地面積的52.0%和68.2%，其次分布在半干旱區(qū)。草地在半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)均有分布，且分布比例相差不大，占比從27.7%（半濕潤區(qū)）到35.3%（干旱區(qū)）。建設用地主要分布在半濕潤區(qū)，未利用地大部分分布在干旱區(qū)和半干旱氣候區(qū)。

據(jù)2000—2010年和2010—2015年黃土高原各土地利用類型面積變化空間分布（圖3）可知，前10年中黃土高原土地利用變化動態(tài)較大，后5 年整體變化放緩。2000—2010 年，黃土高原土地利用變化方式主要以退耕為主，主要分布在半干旱區(qū)，其次分布在半濕潤區(qū)，干旱區(qū)也有少許分布。這主要是由于前10年國家退耕還林和退耕還草等生態(tài)工程的實施。具體而言，退耕還林主要集中在陜西省境內(nèi)，其次是山西省北部；退耕還草主要集中在山西、陜西和內(nèi)蒙古3 省交界處，甘肅省東北部分布也較多。退耕還林主要分布在半干旱區(qū)，遠大于在其他3 個區(qū)中的面積，退耕還草較為均勻地分布在半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)。在半干旱區(qū)，退耕還林和退耕還草面積相差不大，約為1000 km2。在半濕潤區(qū)和干旱區(qū)，退耕還草的面積是退耕還林面積的3～4倍。而在高原區(qū)，基本沒有退耕還林，但有少量的退耕還草發(fā)生。其他土地利用變化類型為建設用地擴張和草地轉(zhuǎn)為耕地，以及草地林地互相轉(zhuǎn)換、林地轉(zhuǎn)為耕地等。2010—2015年，退耕還林和還草的空間范圍和強度均有所降低，退耕重點分布在半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)，集中分布在甘肅東北部，其他省份分布范圍較小。后5 年土地利用變化類型主要是以建設用地增加為主，在半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)均有分布，建設用地主要由林地、草地、耕地、未利用地等轉(zhuǎn)換而來。

圖2 2015年黃土高原土地利用空間分布圖Figure 2 Spatial distribution map of land use in the Loess Plateau in 2015

據(jù)2000—2010年和2010—2015年黃土高原各土地利用類型面積變化（表1）可知，近15 年來，黃土高原耕地面積呈現(xiàn)一直下降的狀態(tài)，且下降比例有所降低，減少速率減半。前10 年黃土高原林地面積增加較多，后5 年林地速度放緩，增加較少。草地面積呈現(xiàn)一直減少的狀態(tài)，且減少比例逐漸增加，減少速率也有一定的增加。建設用地面積穩(wěn)步增長，增加面積相差不大，但增加速率加倍。

圖3 2000—2010年（a）和2010—2015年（b）黃土高原土地利用變化空間分布Figure 3 Spatial distribution of land use change in the Loess Plateau in 2000—2010（a）and 2010—2015（b）

表1 2000—2010年和2010—2015年黃土高原土地利用變化對比統(tǒng)計表Table 1 Comparison of land use change in the Loess Plateau between 2000—2010 and 2010—2015

2.2 水源涵養(yǎng)時空變化

2011—2015 年，黃土高原單位面積水源涵養(yǎng)量由半濕潤區(qū)向干旱區(qū)遞減，其中，水源涵養(yǎng)服務最高的為半濕潤區(qū)和高原區(qū)，其次為半干旱區(qū)，最低的為干旱區(qū)（圖4）。黃土高原森林、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)平均水源涵養(yǎng)量為1.750 1×1010m3·a-1，單位面積水源涵養(yǎng)量為314.96 m3·hm-2·a-1。其中，森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)總量高于草地，高于濕地，而單位面積水源涵養(yǎng)量森林生態(tài)系統(tǒng)最高，其次為濕地，最低為草地（圖5）。

與2000—2010 年相比，全區(qū)2011—2015 年的年均水源涵養(yǎng)量上升了8.87%，半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)的單位面積水源涵養(yǎng)量均有一定的增加，增加比例分別為11.7%和19.8%，而干旱區(qū)和高原區(qū)的單位面積水源涵養(yǎng)量有所下降，但下降比例不高，分別為1.2%和3.6%。2000—2010 年和2011—2015 年兩個時段，森林與草地生態(tài)系統(tǒng)年均水源涵養(yǎng)量、單位面積水源涵養(yǎng)量后一時段高于前一時段，而濕地生態(tài)系統(tǒng)則表現(xiàn)為后一時段低于前一時段。

2.3 土壤保持時空變化

2011—2015 年，黃土高原區(qū)平均土壤水蝕模數(shù)為14.14 t·hm-2·a-1，土壤水蝕量為8.50×108t·a-1，生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量為2.886×109t·a-1，單位面積土壤保持量為46.25 t·hm-2·a-1。具體而言，平均土壤水蝕模數(shù)最高的是半干旱區(qū)，其次為半濕潤區(qū)，最低的是干旱區(qū)和高原區(qū)；土壤保持量最高的是半濕潤區(qū)，其次為半干旱區(qū)，最低的是高原區(qū)和干旱區(qū)；單位面積土壤保持量最高的是半濕潤區(qū)，其次為半干旱區(qū)和高原區(qū)，最低的是干旱區(qū)（圖6）。其中，水蝕量和水蝕模數(shù)最高的均是草地，其次是農(nóng)田，最低的是森林。年均土壤保持量最高的是草地，其次為森林和農(nóng)田，而單位面積土壤保持量最高的是森林（圖7）。

與2000—2010 年相比，2011—2015 年年均土壤水蝕模數(shù)下降了13.8%，年均單位面積土壤保持量上升了33.54%，年均土壤保持量上升了33.49%。具體而言，4 個區(qū)水蝕模數(shù)均有所下降，下降比例最大的是高原區(qū)和半濕潤區(qū)，分別為29.2%和26.8%，其次為半干旱區(qū)，水蝕模數(shù)下降了11.0%，下降比例最低的為高原區(qū)，僅為4.2%。除高原區(qū)外，其他3 個區(qū)的水土保持量均有所增加，其中半干旱區(qū)增加比例最高，約為82.4%，其次為半濕潤區(qū)和干旱區(qū)，分別增加了約45%，高原區(qū)水土保持量下降了約19.1%。2000—2010年和2011—2015年兩個時段，農(nóng)田、森林、草地3類生態(tài)系統(tǒng)后一時段的年均土壤水蝕模數(shù)、土壤水蝕量較前一時段有所減少，年均土壤保持量與單位面積土壤保持量較前一時段均有所增加。

2.4 防風固沙時空變化

2011—2015 年，黃土高原區(qū)平均土壤風蝕模數(shù)為2.93 t·hm-2·a-1，土壤風蝕量為1.83×108t·a-1，生態(tài)系統(tǒng)防風固沙量為7.15×108t·a-1，單位面積防風固沙量為11.46 t·hm-2·a-1。具體而言，風蝕模數(shù)最高的為干旱區(qū)，其次為高原區(qū)，半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)相對較低；單位面積防風固沙量最高的為高原區(qū)，其次為干旱區(qū)；防風固沙量最高的為干旱區(qū)，其次為半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)，最低的為高原區(qū)（圖8）。其中，黃土高原風蝕模數(shù)最高的是荒漠，其次是草地、農(nóng)田和森林，風蝕量和防風固沙量最高的是草地，其次是荒漠和農(nóng)田。單位面積防風固沙量最高的是荒漠，其值遠大于其他生態(tài)系統(tǒng)類型，其次是草地、農(nóng)田和森林（圖9）。

與2000—2010 年相比，2011—2015 年年均土壤風蝕模數(shù)下降了49.27%，年均單位面積防風固沙量下降了37.63%。具體而言，4個區(qū)的風蝕模數(shù)和防風固沙量均有所下降。其中，高原區(qū)和干旱區(qū)風蝕模數(shù)下降高達50%以上，防風固沙量下降最大的是干旱區(qū)，下降比例高達33%以上，另外3 個區(qū)下降比例均在17%左右。2000—2010年和2011—2015年兩個時段，農(nóng)田、森林、草地、荒漠4 類生態(tài)系統(tǒng)后一時段的年均土壤風蝕模數(shù)、土壤風蝕量、單位面積防風固沙量與防風固沙量較前一時段均有所減少。

圖4 2000—2010年（a）和2011—2015年（b）黃土高原水源涵養(yǎng)量及兩時段水源涵養(yǎng)量變化量（c）Figure 4 Water conservation amount of the Loess Plateau in 2000—2010（a）and 2011—2015（b）and change of water conservation amount in two periods（c）

圖5 2000—2010年和2011—2015年黃土高原各生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量（a）及單位面積水源涵養(yǎng)量（b）Figure 5 Total of water conservation amount（a）and per unit area of water conservation amount（b）of each ecosystem in the Loess Plateau in 2000—2010 and 2011—2015

3 討論

3.1 黃土高原土地利用變化驅(qū)動因素分析

圖6 黃土高原區(qū)土壤水蝕模數(shù)2000—2010年（a）和2011—2015年（b）、單位面積土壤保持量2000—2010年（c）和2011—2015年（d）空間分布以及兩時段黃土高原區(qū)土壤水蝕模數(shù)（e）與土壤保持量（f）變化量Figure 6 The spatial distribution of water erosion modulus in 2000—2010（a）and 2011—2015（b）and per unit area of soil conservation amount in 2000—2010（c）and 2011—2015（d），and the change of water erosion modulus（e）and soil conservation amount（f）between two periods in the Loess Plateau

圖7 2000—2010年和2011—2015年黃土高原土壤水蝕量（a）、土壤水蝕模數(shù)（b）、土壤保持量（c）及單位面積土壤保持量（d）Figure 7 Water erosion amount（a），water erosion modulus（b），soil conservation amount（c）and per unit area of soil conservation amount（d）in 2000—2010 and 2011—2015 in the Loess Plateau

土地利用變化主要是受氣候變化和人為活動兩大因素影響。自20 世紀90 年代以來，受全球變化和人為活動影響，我國土地利用類型發(fā)生了巨大的變化，不合理的土地開發(fā)活動在一定程度上加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化[18]。為了改善生態(tài)環(huán)境惡化趨勢，我國自2001 年實施了退耕還林、退耕還草等一系列生態(tài)保護工程。與國際上其他國家土地利用變化對國家政策響應較為緩慢不同[19]，我國土地利用變化對國家政策的響應較為迅速，尤其是黃土高原地區(qū)。2000 年以來黃土高原地區(qū)耕地轉(zhuǎn)為草地和林地，主要是受已實施的生態(tài)保護工程，包括退耕還林工程、退耕還草工程、天然林保護工程、三北防護林工程等的影響。其中，生態(tài)退耕的耕地主要分布在坡度大于25°的丘陵地區(qū)的坡耕地和旱地。與此同時，21 世紀以來，國家實施了西北大開發(fā)戰(zhàn)略。在此戰(zhàn)略的影響下，黃土高原也開始了大規(guī)模的快速的城鎮(zhèn)化進程，直接影響了建設用地的擴張，導致了建設用地對耕地、林草用地和未利用地等其他土地利用類型的侵占。盡管2013 年國家主體功能區(qū)戰(zhàn)略的提出對我國東部地區(qū)城鎮(zhèn)化進程有一定的放緩影響，但對黃土高原等西部地區(qū)影響較小，黃土高原建設用地仍在以較高速度進行擴張[20]。受全球氣候變化的影響，近15 年間，黃土高原地區(qū)的氣溫有一定程度的升高，降水有所增加[21]，這有利于植被的恢復，但整體上對該區(qū)土地利用類型變化影響相對較小[22]。綜上，黃土高原地區(qū)土地利用變化主要還是受人為因素影響較大。

由于本文采用的土地利用數(shù)據(jù)主要基于Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，采用人工目視解譯的方法研發(fā)，而此方法在識別林地和草地時會有一定的時間滯后，因此可能導致后5 年的退耕被低估。一般而言，退耕還林和還草由于林地和草地的生長趨勢，尤其是林地，退耕還林栽種的一般是小樹苗，與農(nóng)田在遙感影像上紋理、色澤等差異不大，因此有可能不能及時在遙感影像上反映出來。而建設用地的擴張，一般是侵占農(nóng)田、林地和草地，這3 類土地利用類型與建設用地在遙感影像上差異較大，能夠較好地識別。因此，2010—2015 年黃土高原的退耕還林和還草的面積有可能被低估。盡管如此，整個黃土高原近15 年的土地利用變化規(guī)律仍與已有的研究結(jié)果較為一致[22-24]。

3.2 黃土高原不同分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務綜合分析

生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務受氣候、土壤、植被、地形地貌等因素影響，是一個極其復雜的綜合調(diào)控過程。森林生態(tài)系統(tǒng)受林冠層截留能力、枯落物葉層截持能力和林地土壤持水能力三方面的影響[25]，而草地生態(tài)系統(tǒng)主要受植被截持能力和土壤層持水能力兩方面的影響。因此，在同等情況下，森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力要高于草地生態(tài)系統(tǒng)。退耕還林還草生態(tài)工程的實施，能夠提高植被覆蓋度，對水源涵養(yǎng)服務功能的恢復與提升發(fā)揮了積極作用，這在黃土高原地區(qū)體現(xiàn)尤為明顯[26]，同時，草地生態(tài)系統(tǒng)的提升要大于森林生態(tài)系統(tǒng)的提升。雖然退耕還林還草可以適當增加植被覆蓋度，有效降低風速和水分蒸發(fā)量，但黃土區(qū)不合理的植被覆蓋可能會對土壤水分平衡造成破壞，對水源涵養(yǎng)能力提升產(chǎn)生破壞[25]，今后選擇何種退耕還林還草方式仍是一個值得關注的研究。

圖8 黃土高原土壤風蝕模數(shù)2000—2010年（a）和2011—2015年（b）、單位面積防風固沙量2000—2010年（c）和2011—2015年（d）空間分布；2000—2010年和2011—2015年黃土高原區(qū)土壤風蝕模數(shù)（e）、防風固沙量（f）變化量Figure 8 The spatial distribution of wind erosion modulus（a）in 2000—2010 and 2011—2015（b）and per unit area of sand fixation amount in 2000—2010（c）and 2011—2015（d）；the change of wind erosion modulus（e）and sand fixation amount（f）in 2000—2010 and 2011—2015 in the Loess Plateau

圖9 2000—2010年和2011—2015年黃土高原土壤風蝕量（a）、風蝕模數(shù)（b）、防風固沙總量（c）及單位面積防風固沙量（d）Figure 9 Wind erosion amount（a），wind erosion modulus（b），total amount of sand fixation（c）and per unit area of sand fixation amount（d）of the Loess Plateau in 2000—2010 and 2011—2015

森林生態(tài)系統(tǒng)通過林冠層、枯落物層和根系土壤層對降水截持和吸收，減少降水對土壤的沖刷，進而實現(xiàn)土壤保持功能。草地生態(tài)系統(tǒng)缺少林冠層對降雨的截留作用，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋度相對更低[14，27]，因此，單位面積上土壤保持量最高的是森林，其次是草地，再次是農(nóng)田。但由于黃土高原地區(qū)草地面積最大，因此，黃土高原地區(qū)土壤保持總量最高的是草地，其次為森林和農(nóng)田。黃土高原地區(qū)近年來氣溫有升高趨勢，植被長勢變好[28]，在一定程度上減少了區(qū)域的土壤侵蝕量。同時，由于黃土高原地區(qū)水保措施不斷優(yōu)化，因此在整個區(qū)域上，后5 年的土壤保持量高于前10年。

防風固沙服務量可以衡量生態(tài)系統(tǒng)削弱風力、降低風蝕量的防風固沙能力，其受到風速、植被覆蓋等氣候因素和人為因素雙重影響。已有研究表明，風蝕力對土壤風蝕影響較大，在年際尺度上遠大于土壤濕度、雪被蓋度等因子的影響[29]。植被覆蓋度對土壤風蝕有一定的抑制作用，但由于受水熱時空格局影響，不同時段的植被對土壤風蝕的抑制作用不同[30-31]。近幾十年，中國風速呈現(xiàn)下降趨勢[32]，風蝕力下降，同時，由于黃土高原植被恢復相對較好，對風蝕的抑制作用增強。因此，黃土高原地區(qū)的土壤風蝕模數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，防風固沙量也呈現(xiàn)下降趨勢。

不同分區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務受到分區(qū)面積和單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務量的綜合影響。其中，2000—2010年和2011—2015 年的兩個時段不同分區(qū)、不同生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局與2000—2015 年整體分布特征相吻合，能夠在整體上反映黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務的空間布局，有利于今后在黃土高原統(tǒng)籌部署生態(tài)工程。上述不同分區(qū)的不同生態(tài)系統(tǒng)服務的對比僅限于生態(tài)系統(tǒng)實物量的定性對比，今后考慮到不同生態(tài)系統(tǒng)服務的對比，可進一步計算生態(tài)系統(tǒng)服務的價值量，進一步進行定量對比。此外，黃土高原地區(qū)的食物供給功能也十分重要，今后研究中可將食物供給功能加入綜合分析，有利于黃土高原生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

3.3 全球變化和土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響分析

生態(tài)系統(tǒng)服務受到全球變化和土地利用變化的雙重影響，與土地利用變化的驅(qū)動因素不同，全球氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)服務影響較為明顯，生態(tài)系統(tǒng)服務對氣溫和降水等氣候因子的變化響應較為迅速和明顯。由于土地利用類型的變化在年際間反應較為緩慢，一般5、10 年才會有較為明顯的反應，因此對生態(tài)系統(tǒng)服務年際間的變化影響較小。而氣溫、降水等氣候因子年際變化較大，作為服務功能的計算因子，通常能夠直接影響水源涵養(yǎng)、土壤保持和防風固沙等生態(tài)系統(tǒng)服務的年際變化[33]。但考慮到氣溫、降水等氣候因子每年變化的不確定性，分析全球氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)服務影響時通常在10 年或者更長的時間尺度上進行。但由于數(shù)據(jù)可獲得性等原因，目前已有研究通常在時間尺度上受限，而且多是從定性角度進行討論。由3.1 可知，土地利用變化受到全球變化和生態(tài)工程等人類活動的影響，而全球變化和土地利用變化又同時影響了生態(tài)系統(tǒng)服務，生態(tài)系統(tǒng)服務又會對全球變化產(chǎn)生反饋作用，因此如何定量進行分析是今后研究的重點。

而生態(tài)系統(tǒng)服務的年際變化主要受氣溫和降水等氣候因子影響，即受全球氣候變化影響較大，而在10 年或者更長的時間尺度上，生態(tài)系統(tǒng)服務受土地利用變化和全球氣候變化的雙重影響較大。而全球變化和土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務影響的貢獻率則需要進一步定量深入研究。

4 結(jié)論

2000—2015 年，黃土高原耕地和草地持續(xù)減少，而建設用地和林地持續(xù)增加。前10 年土地利用變化以退耕還林還草為主，后5 年土地利用變化主要以城市化為主。除城市化速度加快外，其他變化整體放緩。

黃土高原地區(qū)水源涵養(yǎng)量最高的是森林，其次為草地和濕地，土壤保持總量最高的是草地，其次為森林和農(nóng)田，防風固沙總量最高的是草地，其次為農(nóng)田。2011—2015 年，黃土高原森林與草地水源涵養(yǎng)量高于前10 年，而濕地水源涵養(yǎng)量有所降低，農(nóng)田、森林、草地后一時段的土壤水蝕模數(shù)有所減少，土壤保持量均有所增加，農(nóng)田、森林、草地、荒漠土壤風蝕模數(shù)和防風固沙量均有所減少。

近15 年，黃土高原土地利用變化主要受國家生態(tài)保護工程、西部大開發(fā)和主體功能區(qū)戰(zhàn)略等政策的影響。生態(tài)系統(tǒng)服務的年際變化主要受氣溫和降水等氣候因子的影響，而在10 年或者更長的時間尺度上，生態(tài)系統(tǒng)服務變化受土地利用變化和全球氣候變化的雙重影響。

致謝：中國科學院地理科學與資源研究所劉紀遠研究員對本文整體思路和研究方法提供了指導，曹巍副研究員、課題組畢業(yè)生吳丹和鞏國麗對本文采用的生態(tài)系統(tǒng)服務計算方法提供了幫助，課題組工程師劉大鵬和黃海波在生態(tài)系統(tǒng)服務數(shù)據(jù)處理過程中提供了幫助，在此一并表示感謝。