晉西黃土丘陵區土地利用變化及生態效應分析

郭彥君 郭文炯

摘 要：晉西黃土丘陵區是黃河流域水土流失嚴重區和重點治理區，也是國家重點生態功能區，揭示其土地利用變化及生態環境變化趨勢，對黃河流域生態保護和高質量發展特別是水土保持、植被恢復策略的調整優化具有重要的參考價值。利用1980年、2000年、2010年、2018年土地利用/覆被數據，對晉西黃土丘陵區各類土地增減轉移、動態變化程度進行分析，并采用土地覆被狀況指數、生態環境質量指數及土地轉型的生態貢獻率等指標，分析了土地利用類型變化的生態環境效應。結果表明：1980年以來土地利用變化較為顯著，耕地面積減少497 km2，林草地小幅增長，建設用地成倍擴張;土地利用類型轉移較為頻繁，山地丘陵是土地轉型熱點區域，耕地向草地轉化為主流;近40 a來綜合土地利用動態度為0.15%，2000—2010年土地利用類型變化相對劇烈;土地覆被狀況指數和生態環境質量指數均有所提高，整體向好發展，各類用地轉為高覆蓋度草地和林地是促進生態環境改善的主要因素。

關鍵詞：土地利用/覆被變化;土地利用轉型;生態環境效應;黃土丘陵區;晉西

Abstract：The loess hilly region of western Shanxi Province， one of the national key ecological function zones， is a serious soil erosion area which has already been listed as the key control area. The research on land use change and ecological environment change trends in this area can provide important reference for the ecological protection and high-quality development of the Yellow River basin， especially for the adjustment and optimization of soil and water conservation and vegetation restoration strategies. Based on the land use/cover data of 1980， 2000， 2010， and 2018， this paper analyzed the area change， transfer and dynamic degree of various types of lands in study area. It also made further research on eco-environmental effects under the changes of land use type through the indicators such as land cover condition index， eco-environmental quality index and ecological contribution rate of land transformation. The result shows that since 1980， significant change has occurred in the land use in which the cultivated land area has decreased by 497 km2， the woodland and grassland have increased slightly， and the construction land has expanded exponentially. Frequent transfer happens in land use types， among which mountainous and hilly areas are hot spots and the conversion of cultivated land to grassland is the mainstream. For the past 40 years， the dynamic degree of comprehensive land use is 0.15%， which is relatively drastic from 2000 to 2010. Both land cover condition index and eco-environmental quality index have been improved， which reflects the good trend of overall development. Land conversion to high-coverage grassland or woodland is the main factor to promote the improvement of the ecological environment.

Key words： LUCC; land use transformation; eco-environmental effects; loess hilly region; western of Shanxi Province

土地利用/覆被變化（LUCC）是生態環境變化的重要因素之一，已成為全球環境變化領域研究的前沿課題[1]。黃土高原因其景觀特殊性、生態脆弱性、變化顯著性而成為土地利用/覆被變化研究的熱點地區。晉西黃土丘陵區位于呂梁山地以西、黃河以東，涉及三川河、昕水河等11條黃河一級支流[2]，包括忻州、呂梁、臨汾3個市中的18個縣，沿黃河干流呈帶狀分布，南北長約400 km，南北氣候和植被差異明顯，紫金山以北為中溫帶灌叢草原區、以南屬暖溫帶落葉林及次生灌叢區[3]。該區屬黃河流域水土流失嚴重區和重點治理區，也是山西省唯一的國家級限制開發的重點生態功能區，揭示其土地利用變化及生態環境變化趨勢，對黃河流域生態保護和高質量發展特別是水土保持、植被恢復策略的調整優化具有重要的參考價值。筆者利用晉西黃土丘陵區1980年、2000年、2010年、2018年的土地利用/覆被數據，研究近40 a來該區域土地的數量結構、類型轉變及其動態變化程度，并采用土地覆被狀況指數、生態環境質量指數及土地轉型的生態貢獻率等指標，分析土地利用類型變化的生態環境效應，以期為黃河流域生態保護和高質量發展研究提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本研究采用的土地利用/覆被數據，源于中國科學院資源環境科學數據中心出版的中國多時期土地利用覆被變化遙感監測數據集（其空間分辨率為30 m）[4]。該數據集基于Landsat MSS、TM/ETM和Landsat8衛星遙感影像，經人機交互目視解譯生成，并通過野外調查進行檢驗和修正，精度可靠。數據集整合后的分類系統包括6個一級土地利用類型和16個二級土地利用類型，見表1。借鑒李曉文等[5]的研究成果，結合研究區實際情況，對二級土地利用類型的生態環境質量指數進行賦值，見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用轉移矩陣

在GIS的支持下，對不同時期土地利用類型圖進行空間疊置運算，可求出各時段各土地利用類型的面積轉移矩陣，進而揭示引起土地利用變化的過程[6]。該轉移矩陣可反映各類用地的數量結構和轉化態勢，并刻畫研究期初各類土地的流向、流量和研究期末各類土地的來源、構成。

1.2.2 土地利用動態度

綜合土地利用動態度是指研究區在一定時段內所有土地利用類型的變化劇烈程度，是判斷用地轉型熱點區的指標，也適用于局部與全區或區域間土地利用變化的對比[7]，其計算公式為;

1.2.3 土地利用變化的生態效應分析

土地覆被狀況指數定義為林地、灌叢、高覆蓋度草地、水體（包括沼澤）這4種生態系統服務功能較好的土地覆被類型面積之和占研究區總面積的百分比，用于衡量研究區土地覆被狀況及其所反映的生態系統綜合功能，以20%為間隔由高到低分為5級，數值越大、越接近1表明宏觀生態狀況越好、生態系統服務功能越強[9]，其計算公式為;

2 土地利用變化特征分析

晉西黃土丘陵區總面積29 166.34 km2。據2018年統計，耕地、林地、草地是主要土地利用類型，三者合計約占區域總面積的97%。旱地是研究區主要耕地類型，面積為9 663.74 km2，約占土地總面積的1/3;林地以灌木林為主，有林地、疏林地次之，這三類林地面積合計7 248.86 km2;草地面積為11 455.71 km2，低覆蓋度草地占全區面積的28.16%;水域、建設用地、未利用地所占比例均較小。

2.1 土地利用變化及轉型情況

2.1.1 各類土地面積變化情況

土地利用/覆被動態變化首先表現為各地類面積及其所占比例的變化。由表2可知：1980—2018年，耕地面積顯著縮減，旱地面積減少約497 km2;中覆蓋度草地減少約636 km2，高覆蓋度草地增加約772 km2;有林地和灌木林面積縮小，疏林地和其他林地覆蓋度提高，總體上林地面積凈增約38 km2;河流、灘地面積萎縮約10%;城鎮用地、農村居民點、其他建設用地面積均持續上升，分別約增加了91、178、139 km2。整個研究時段內，雖然耕地、林地、草地都有不同程度的增減變化，但依然是三大主要用地類型且面積比例穩定;建設用地成倍擴張，占全區比例增長1.4個百分點，是城鎮化的體現。分時段來看，1980—2000年，林地面積小幅縮減，但整體變化并不顯著;2000—2010年，耕地面積約減少4.82%，林地和建設用地面積約分別增加82、253 km2，各類草地變化幅度較大;2010—2018年，草地面積約減少129 km2，總體上各地類動態變化趨于穩定。

2.1.2 土地利用類型轉變

研究區1980—2018年土地利用類型面積轉移矩陣見表3。近40 a來各地類動態變化較為明顯，總體上耕地、林地、草地之間的相互轉移及三者轉為建設用地是土地類型轉變的主要方式，其中耕地向草地轉移約482 km2，占各類土地轉型總面積的28.51%，為轉移主流。耕地主要轉變為草地、建設用地、林地，轉移總面積約888 km2，占全部耕地的8.74%，是轉移面積最大的類型;林地向其他地類的轉移面積較少，而耕地、草地等向其轉移的面積達242 km2，使林地總面積有所增加;草地是變化最活躍的土地利用類型，轉入、轉出面積分別約為614、545 km2;建設用地的新增面積達419 km2，占現狀總量的81.62%，耕地、草地為其主要來源;水域和未利用地雖然轉移面積不大，但轉移比例較高。

桑基圖（見圖1）可直觀展現研究區主要地類面積轉移的流向和流量：1980—2000年，土地轉型規模較小，林地向草地轉移較突出（其面積約59 km2），主要是林地、灌木林向高覆蓋度草地轉移。2000—2010年，各土地類型的轉移頻度和幅度明顯提高，以耕地流出為主，約452 km2轉變為草地、145 km2轉變為林地，原因是受退耕還林政策驅動等;建設用地由耕地、草地大量轉入，面積顯著擴大;林地、草地流入量大于流出量，總面積增大。2010—2018年，土地轉型趨勢變緩，轉移面積僅占土地總面積的1.34%，其中草地流出約171 km2，多轉變為耕地、林地、建設用地。此外，各時期一級地類內部的二級土地利用類型間也存在著更替轉移。

2.2 土地利用動態度分析

利用式（1）和式（2）計算的綜合土地利用動態度及單一土地利用動態度見表4。1980—2018年研究區綜合土地利用動態度為0.15%，較1980—2015年黃土高原地區綜合土地利用動態度0.18%[12]、1980—2016年汾河流域綜合土地利用動態度0.21%[13]小，表明研究區土地利用動態變化幅度小于黃土高原整體及汾河流域快速城鎮化地區。分時段來看，1980—2000年土地類型轉移面積較小，綜合動態度為0.03%;2000—2010年土地轉型規模顯著擴大，各地類轉型頻繁，綜合動態度提升到0.44%;2010—2018年土地轉型面積減少，綜合動態度回落至0.17%。

單一土地利用動態度可揭示各土地利用類型在一定時期內的變化率。1980—2018年，耕地、水域的動態度分別為-0.13%、-0.22%，表明其面積總體呈減少趨勢，其中水域面積的減速較快;林地、草地面積相對于研究期初有所增長，動態度分別為0.01%、0.02%，但年變化率較小;建設用地面積持續增加且增速最快，年均擴張10.74 km2，動態度達到10.25%。從不同時段對比來看，各土地利用類型在2000—2010年增減變化最為劇烈，動態度明顯大于其他時段的，其中建設用地和未利用地變化更為突出，動態度分別達到21.42%和16.39%，相對于2000年面積大幅擴展;2010年以后各類用地動態度降低，變化趨于平緩。

2.3 土地利用時空格局特征

圖2展現了研究區2018年土地利用類型的空間分布情況，主要表現為：耕地與草地分布廣泛，其中旱地為研究區“基底”地類，低覆蓋度草地廣布，中覆蓋度草地集中于臨縣東南、偏關縣與河曲縣一帶，高覆蓋度草地多見于興縣、岢嵐縣及南部的蒲縣、吉縣等;林地集中于山區丘陵，分布區域多屬呂梁山及其支脈，有林地集中于岢嵐縣、興縣、中陽縣、鄉寧縣等，灌木林多見于岢嵐縣、中陽縣及臨汾市西南山區，疏林地在興縣有大面積分布，五寨縣有小范圍其他林地;建設用地因多沿河流、交通干線分布而呈條帶狀，受地形限制，各縣建成區面積狹小且整體未形成城鎮密集帶。

繪制的研究區各時段（1980—2000年、2000—2010年、2010—2018年、1980—2018年）各土地類型轉移格局圖（本文圖略）表明，近40 a來研究區各縣都有一定程度的土地利用類型轉移，土地轉型熱點地區主要包括岢嵐縣與五寨縣交界處、臨縣紫金山附近、柳林縣、晉西南山區，新增林地主要分布于五寨縣、興縣、臨縣、中陽縣、鄉寧縣。各時段對比，2000—2010年土地類型轉移最為顯著，其中晉西北和臨縣紫金山草地面積增加多由旱地轉入，新增灌木林集中于柳林縣、中陽縣、石樓縣，建設用地多以占用耕地形式實現擴張;2010—2018年，五寨縣草地向耕地轉變明顯，鄉寧縣、興縣、臨縣的新增林地主要源于草地轉型;相對來說，2000年以前土地類型轉移不顯著。

3 土地利用變化的生態環境效應

3.1 土地覆被狀況及生態環境質量評價

土地覆被類型在一定程度上反映研究區宏觀生態狀況。由1980年以來土地覆被狀況指數的變化（見表5）可知，研究區林草、水域面積有限，土地覆被狀況指數始終處于30%左右，屬五級分類的第四級（20%～40%），但該指數由1980年的28.64%提升至2018年的31.36%，說明生態環境有所改善、生態系統服務功能有所增強，與20世紀80年代末、2000年、2008年黃土高原地區整體的土地覆被狀況指數分別為24.05%、23.65%、24.32%[9]相比，表明研究區土地覆被狀況和改善程度均好于黃土高原平均水平。分階段來看，土地覆被狀況指數前20 a因林地、灌叢面積縮減而下降0.07%，后續10 a因高覆蓋度草地面積增加而由28.57%升至31.35%，近年來相對穩定。

1980—2018年研究區生態環境質量指數由0.375 6增至0.383 3（見表5），表明生態環境質量整體上趨于好轉但提升幅度較小，高覆蓋度草地及疏林地面積的擴大有積極作用。分時段來看，前20 a研究區生態環境質量退化，到2000年生態環境質量指數降至0.374 5，有林地減少是主因;2010年生態環境質量指數上升到0.383 5，與生態環境質量指數賦值較高的灌木林、高覆蓋度草地等的面積增加有關;近年來生態環境質量指數略微下降但基本穩定，總體變化態勢與土地覆被狀況指數相似。

3.2 土地利用轉型的生態貢獻率分析

區域生態環境質量往往同時存在好轉與惡化兩種變化趨勢，這兩種趨勢相互抵消，使得研究區生態狀況總體上趨于穩定[14]。生態環境質量指數賦值小的土地類型向高值類型轉變則生態環境改善，反之則生態環境退化。1980—2018年研究區導致生態環境改善和退化的主要土地利用轉型指標見表6、表7。

由表6可知，研究區近40 a來生態環境改善的主導因素是中覆蓋度草地轉為高覆蓋度草地，其轉型面積最大，對區域生態質量提升的貢獻率最大，占比高達45.02%;其次是旱地轉為高覆蓋度草地，生態貢獻率占比為22.05%;此外，旱地轉為灌木林、低覆蓋度草地轉為有林地也發揮了一定積極作用。總體上看，各地類向高覆蓋度草地和林地轉變是促進區域生態環境改善的主要驅動因素。

導致生態環境退化的原因（地類轉型）有很多（見表7），從貢獻率來看，灌木林轉變為低覆蓋度草地是首要原因;從面積來看，旱地向低覆蓋度草地轉型數量最多;從貢獻率占比來看，主要歸納為有林地轉型、灌木林轉為旱地和低覆蓋度草地、旱地轉為低覆蓋度草地和建設用地。整體上看，有林地退化和其他高覆蓋度地類轉為低覆蓋度草地和旱地是導致生態環境質量下降的主要驅動因素。

盡管研究區生態環境同時存在改善和退化兩種驅動因素，但其生態環境質量總體上保持穩定，使生態環境改善的土地轉型面積大于使生態環境退化的土地轉型面積，屬向好發展。

4 結 論

（1）晉西黃土丘陵區主要土地利用類型為耕地、林地、草地，三者合計約占總面積的97%。近40 a來土地利用變化較為顯著，整體上耕地面積減幅較大（減少約497 km2），林地、草地面積總量上升，水域面積萎縮，建設用地成倍擴張。土地類型轉變較為頻繁，主要表現為耕地、林地、草地間的相互轉變及三者轉為建設用地，其中耕地向草地轉變是主流。

（2）1980—2018年研究區綜合土地利用動態度為0.15%，低于黃土高原和汾河流域的。各土地類型中，建設用地的面積顯著增長，其單一土地利用動態度達到10.25%。土地類型動態變化的階段性突出，2000—2010年是變化相對劇烈的時期，全區綜合動態度達到0.44%，各地類單一動態度也較高。

（3）研究區土地利用空間格局總體穩定，耕地、草地分布廣泛，林地集中于山區丘陵，建設用地面積分布區域狹小。各縣級行政區都有一定程度的土地利用類型轉變，轉變規模較大的熱點區有岢嵐縣與五寨縣交界處、臨縣紫金山、柳林縣、晉西南山區等。

（4）近40 a來研究區土地覆被狀況指數及生態環境質量指數總體上升，2000年以來林地、草地等具有較好生態服務功能的土地類型面積增加，對提高區域生態環境質量貢獻較大，其中各地類向高覆蓋度草地和林地轉變是促進生態環境改善的主要因素，而有林地退化和其他高覆蓋度地類轉為低覆蓋度草地和旱地是導致生態環境退化的主要原因，研究區生態環境總體向好發展。

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【責任編輯 張智民】