黃土高原土地利用變化特征及其環(huán)境效應(yīng)

趙宏飛，何洪鳴，3，白春昱，張闖娟

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)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(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)，是自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等要素綜合作用的復(fù)雜過(guò)程，成為人口—資源—環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基本問題[1]。LUCC時(shí)空特征、驅(qū)動(dòng)力及其環(huán)境效應(yīng)是LUCC研究的三個(gè)方面，是認(rèn)識(shí)人類驅(qū)動(dòng)—土地利用變化和環(huán)境之間相互作用機(jī)制的必要前提，能夠反映出自然格局、過(guò)程和人類社會(huì)之間最直接的相互作用關(guān)系，對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1-4]。

黃土高原位于半干旱、半濕潤(rùn)氣候帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，LUCC易受環(huán)境變化的影響。由于黃土高原生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和重要性，該地區(qū)成為研究生態(tài)過(guò)程的熱點(diǎn)區(qū)域[5]。過(guò)去30多年來(lái)，受自然和人為環(huán)境的影響，黃土高原土地利用/植被覆蓋發(fā)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(shù)，從區(qū)域[5，7-8]、流域[9-11]尺度研究LUCC時(shí)空特征，發(fā)現(xiàn)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(fù)為主，且變化存在時(shí)空差異特征[12-14]。變化原因和驅(qū)動(dòng)機(jī)制是研究LUCC的的核心問題，驅(qū)動(dòng)因素主要包括自然因素和人類活動(dòng)因素。近年來(lái)，學(xué)者利用主成分分析、灰色系統(tǒng)分析、回歸分析等方法，研究不同尺度LUCC驅(qū)動(dòng)機(jī)制[10，13，15-18]。人類活動(dòng)對(duì)近幾十年來(lái)黃土高原LUCC影響強(qiáng)烈，尤其是1999年開始施行的大規(guī)模的退耕還林政策，使大量坡耕地轉(zhuǎn)換為林地或草地，植被覆蓋度提高[14，19]。但關(guān)于主要驅(qū)動(dòng)因子的認(rèn)識(shí)仍存在爭(zhēng)議，例如部分學(xué)者認(rèn)為近年來(lái)黃土高原呈現(xiàn)暖濕化的氣候特征，氣候變化成為L(zhǎng)UCC的主要驅(qū)動(dòng)因素[14，19]。LUCC通過(guò)與環(huán)境因子的相互作用，對(duì)不同空間尺度的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。一方面通過(guò)影響大氣、土壤、植物和水文等要素對(duì)自然地理環(huán)境產(chǎn)生影響，另一方面影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、景觀結(jié)構(gòu)和生態(tài)服務(wù)功能[20]。黃土高原LUCC在治理水土流失[21-22]、提高土壤質(zhì)量[23]、維持碳穩(wěn)定[24]等方面的影響尤為突出，同時(shí)出現(xiàn)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(tài)系統(tǒng)退化[28]等環(huán)境問題，對(duì)區(qū)域生態(tài)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生威脅。如何維持黃土高原水分平衡、生態(tài)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展成為目前政府和研究人員最為關(guān)注的問題[28-29]?，F(xiàn)有的研究多從單一方面研究，或側(cè)重對(duì)單一環(huán)境要素影響的研究，綜合研究仍然偏少，這對(duì)認(rèn)識(shí)LUCC過(guò)程、土地利用與環(huán)境要素相互作用關(guān)系以及如何維持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生限制。

本文以黃土高原1980年以來(lái)實(shí)施的一系列生態(tài)恢復(fù)工程和氣候變化為背景，通過(guò)分析LUCC時(shí)空特征、驅(qū)動(dòng)力及產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)，并探討如何維持區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展政策提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于35°～41°N、102°～114°E之間，總面積64萬(wàn)km2，是世界上最大的黃土地貌單元。該地區(qū)人口眾多，生態(tài)環(huán)境脆弱。人口增多加速區(qū)域開發(fā)，對(duì)地表植被嚴(yán)重破壞，進(jìn)行陡坡開墾，造成強(qiáng)烈的水土流失。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，為遏制水土流失，該區(qū)域?qū)嵤┮幌盗兴帘３执胧?，尤其?999年開始施行的退耕還林政策。人為治理使大面積坡耕地轉(zhuǎn)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(diǎn)治理區(qū)，主要流域?yàn)榛矢Υ?、無(wú)定河、延河、北洛河、涇河、渭河和汾河流域[12]。土地利用變化對(duì)諸如水文、土壤侵蝕及碳循環(huán)等生態(tài)水文過(guò)程產(chǎn)生明顯的影響。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

本文主要使用以下數(shù)據(jù)：（1）土地利用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，分辨率為1 km，時(shí)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(shè)用地和未利用土地6類；（2）NDVI（歸一化植被指數(shù)，Normalized Difference Vegetation Index）數(shù)據(jù)，來(lái)源于MODIS NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品（https://glam1.gsfc.nasa.gov），時(shí)間范圍為2000—2015年；（3）氣象數(shù)據(jù)，來(lái)源于文獻(xiàn)[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?jǐn)?shù)據(jù)，來(lái)源于文獻(xiàn)［12］，包括1980年以來(lái)退耕還林類型及面積；（5）水文站水沙數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河水利委員會(huì)，時(shí)間范圍1980—2015年；（6）其他數(shù)據(jù)，包括土壤侵蝕、典型樣地土壤水分、土壤有機(jī)碳等，來(lái)源于已發(fā)表文獻(xiàn)，具體標(biāo)記于文中。

本文利用ArcGIS柵格計(jì)算器，計(jì)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(jì)算空間轉(zhuǎn)移矩陣；其他趨勢(shì)分析基于Origin 2017軟件。

3 黃土高原LUCC的時(shí)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(shè)用地面積增加為30余年來(lái)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(shè)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(shè)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?yōu)?015年的32.3%、15.1%、41.7%、1.4%、2.9%和6.7%。30余年來(lái)，黃土高原土地利用結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯改變。

黃土高原中部是水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，也是LUCC最顯著的區(qū)域（圖1）。按照流域統(tǒng)計(jì)，延河、涇河和渭河流域?yàn)?980—2015年耕地減少最明顯的區(qū)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(wú)定河和延河流域?yàn)?980—2015年林地增加最明顯的區(qū)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(shè)用地均有明顯的增加，增加幅度均超過(guò)50%；其他利用類型變化不明顯。

以2000年為分界點(diǎn)，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(gè)時(shí)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(jù)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分析黃土高原土地利用類型動(dòng)態(tài)變化（表1）。1980—2015年，黃土高原土地利用類型發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的面積為7.7萬(wàn)km2，占區(qū)域總面積的11.5%。按照土地利用類型統(tǒng)計(jì)，耕地、草地和未利用土地變化最為強(qiáng)烈，分別有12 573 km2、14 436 km2和6 380 km2轉(zhuǎn)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(jù)流域統(tǒng)計(jì)，皇甫川、無(wú)定河和延河流域土地利用類型動(dòng)態(tài)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(zhuǎn)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(fā)生明顯變化，2000年之后呈快速增加趨勢(shì)[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(wú)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(nèi)變化最明顯的時(shí)間為5—6月，5月份黃土高原NDVI增加幅度超過(guò)70%。

4 黃土高原LUCC的驅(qū)動(dòng)分析

4.1 自然環(huán)境因素

黃土高原LUCC主要受制于氣候變化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等人類活動(dòng)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(lái)，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(qū)域?yàn)楦珊?、半干旱地區(qū)（年均降雨量低于500 mm的區(qū)域）。氣溫升高對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生兩方面影響，一方面增加植物生長(zhǎng)物候期，對(duì)于北溫帶植物生長(zhǎng)具有重要作用，另一方面氣溫升高增加地表蒸發(fā)和植物蒸騰，加劇土壤干燥化，抑制植物生長(zhǎng)[6]。黃土高原，尤其是干旱和半干旱區(qū)植被生長(zhǎng)受制于降水，降水量增加有助于植被恢復(fù)。根據(jù)氣候變化分析，近幾十年來(lái)黃土高原西北部干旱半干旱區(qū)暖濕化程度大于東南部半濕潤(rùn)區(qū)，黃土高原氣候變化對(duì)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(dòng)因素

退耕還林政策、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等人類活動(dòng)對(duì)LUCC具有重要的影響作用。為治理水土流失，自20世紀(jì)80年代起，在黃土高原先后實(shí)施小流域綜合治理、“三北”防護(hù)林建設(shè)、退耕還林工程等措施，對(duì)生態(tài)建設(shè)產(chǎn)生明顯的作用。1999年之前治理力度較弱，累計(jì)治理面積14.5萬(wàn)km2，人為治理并未對(duì)LUCC產(chǎn)生顯著作用。1999年之后，將大面積坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值鼗虿莸兀?2000—2012年黃土高原人工林面積7.5萬(wàn)km2，人工草地面積2.6萬(wàn)km2，封禁治理面積1.0萬(wàn)km2，其中黃土高原中部無(wú)定河和延河流域?yàn)橹攸c(diǎn)治理區(qū)域[12]。根據(jù)前文，無(wú)定河和延河流域是土地利用變化和植被恢復(fù)最顯著的區(qū)域，表明人類活動(dòng)對(duì)LUCC產(chǎn)生重要的作用。另一方面，黃土高原社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，建設(shè)用地面積快速增加，導(dǎo)致部分區(qū)域植被發(fā)生退化[5，17]。

LUCC與氣候變化和人類活動(dòng)之間具有復(fù)雜的相互作用關(guān)系。目前，研究人員對(duì)LUCC主要驅(qū)動(dòng)力的研究存在爭(zhēng)論，部分研究認(rèn)為主要由氣候變化導(dǎo)致[13，15]，但另一部分研究認(rèn)為主要由退耕還林工程實(shí)施等人類活動(dòng)引起[3，7]。根據(jù)比較分析，退耕還林主要區(qū)域（無(wú)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(qū)域，表明人類活動(dòng)對(duì)LUCC起到重要作用。同時(shí)黃土高原超過(guò)60%的區(qū)域植被發(fā)生顯著恢復(fù)，其面積遠(yuǎn)大于施行生態(tài)恢復(fù)工程區(qū)域的面積，因此可看出，氣候變化對(duì)LUCC產(chǎn)生明顯的作用。土地利用/植被覆蓋與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)和氣候之間具有互動(dòng)效應(yīng)，如LUCC改善區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，增加區(qū)域經(jīng)濟(jì)收入，同時(shí)隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展水平提高，人類對(duì)土地利用方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展后明顯減少土地復(fù)墾率、增加林地或草地[15]；下墊面變化對(duì)氣候產(chǎn)生影響，植被覆蓋提高后增加實(shí)際蒸散發(fā)，導(dǎo)致氣溫升高、降雨量增加，對(duì)植被恢復(fù)產(chǎn)生反作用[31]。黃土高原區(qū)域內(nèi)自然和社會(huì)環(huán)境多樣，氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)LUCC影響具有區(qū)域性差異，例如氣候變化對(duì)西北干旱區(qū)植被恢復(fù)作用程度明顯高于半濕潤(rùn)地區(qū)，人類活動(dòng)對(duì)中部侵蝕強(qiáng)烈區(qū)影響大于其他區(qū)域[15-16]。

5 黃土高原LUCC環(huán)境效應(yīng)

5.1 生態(tài)水文

黃土高原下墊面變化對(duì)流域生態(tài)水文過(guò)程、水分平衡及水分轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響。植被恢復(fù)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(qū)水熱循環(huán)變化。根據(jù)小區(qū)試驗(yàn)，植被對(duì)地表徑流的攔截效率隨恢復(fù)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(guān)，如徑流系數(shù)（Rc）與植被覆蓋狀況有密切的聯(lián)系，與NDVI呈指數(shù)關(guān)系為（Rc= -9.12NDVI2+ 6.65NDVI- 1.06，R2= 0.30）[3，32]。植被變化導(dǎo)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(shí)水文過(guò)程發(fā)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(duì)黃河徑流減小的貢獻(xiàn)超過(guò)70%[33]。

5.2 土壤侵蝕

黃土高原LUCC通過(guò)削減降雨動(dòng)能、減緩坡面徑流、改變地表水文過(guò)程，對(duì)控制強(qiáng)烈土壤侵蝕產(chǎn)生重要的作用。根據(jù)徑流小區(qū)試驗(yàn)，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(guān)系。耕地土壤侵蝕強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他土地利用類型，坡耕地土壤侵蝕強(qiáng)度是相同條件下林地或草地的數(shù)十倍，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾土值睾?，土壤侵蝕強(qiáng)度下降超過(guò)90%[25，32，34]。1999—2011年，黃土高原退耕還林面積累計(jì)752萬(wàn)hm2，主要區(qū)域?yàn)辄S土高原中部水土流失劇烈區(qū)，強(qiáng)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(lái)土壤侵蝕變化。土壤侵蝕強(qiáng)度呈顯著下降趨勢(shì)，平均侵蝕模數(shù)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(qiáng)度接近農(nóng)業(yè)文明時(shí)期（公元700年之前）水平，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[21-22，28]。近30余年來(lái)，黃土高原超過(guò)20%的低植被覆蓋轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒采w區(qū)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(qiáng)度減弱的主要原因[13]。根據(jù)前文，黃土高原近30余年來(lái)耕地減少面積僅為3 630 km2，2015年仍有20萬(wàn)km2耕地，其為土壤侵蝕強(qiáng)烈的區(qū)域，平均土壤侵蝕強(qiáng)度仍高于允許侵蝕強(qiáng)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(fù)Fig.3 Soil moisture prof i le and vegetation restoration

5.3 土壤水分

土壤是生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，LUCC引起土壤水分在土壤系統(tǒng)中再分配。植被恢復(fù)后，植物根系對(duì)土壤水分的吸收增強(qiáng)，植物蒸騰量增大，土壤水分含量低于田間穩(wěn)定持水量，出現(xiàn)土壤干層（圖3（a））。土壤水分與土地利用類型、植被恢復(fù)年限、植被類型等因素有關(guān)。根據(jù)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，黃土高原耕地退耕后土壤平均含水量均出現(xiàn)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(fù)30年后，土壤水分出現(xiàn)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(jù)對(duì)扶風(fēng)油松林水分研究，退耕后1.5 m以下土壤水分發(fā)生明顯變化，20年林地在2 m處形成干層，干層深度超過(guò)5 m。在區(qū)域尺度，黃土高原大部分區(qū)域土壤水分均出現(xiàn)下降，土壤水資源的不足影響區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。降雨為黃土高原土壤水分主要補(bǔ)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(bǔ)給。研究發(fā)現(xiàn)，目前黃土高原植被恢復(fù)已接近該地區(qū)水資源植被承載力的閾值，出現(xiàn)水資源不足、植被配置不合理、生態(tài)服務(wù)功能降低等黃土高原生態(tài)建設(shè)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(xiàn)，仍是目前需要深入研究的問題[29]。

5.4 碳循環(huán)

植被和土壤陸地生態(tài)系統(tǒng)兩大碳庫(kù)，植被恢復(fù)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(guān)，植被類型和退耕年限為影響黃土高原碳儲(chǔ)存的主要因素。生態(tài)系統(tǒng)NPP（凈初級(jí)生產(chǎn)力，Net Primary Productivity）與土地利用類型有明顯的關(guān)系，林地的NPP明顯高于耕地和草地[36]。NPP隨植被恢復(fù)呈增加趨勢(shì)（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(qū)域尺度，生態(tài)系統(tǒng)NPP與水資源相關(guān)，黃土高原生產(chǎn)潛力已接近水資源承載力閾值[26]。

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大、停留時(shí)間最長(zhǎng)的碳庫(kù)，LUCC影響土壤碳循環(huán)周期及儲(chǔ)量。植被恢復(fù)后土壤碳匯能力顯著增強(qiáng)（圖4（b）），退耕后土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均隨退耕年限的延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)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(jī)碳儲(chǔ)量是退耕前的3.1倍；撂荒地和草地有機(jī)碳儲(chǔ)量隨退耕年限呈持續(xù)增加的趨勢(shì)，35年后有機(jī)碳儲(chǔ)量分別是退耕前的2.9倍和2.0倍[24]。退耕超過(guò)一定年限，碳匯達(dá)到穩(wěn)定，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚?，根?jù)子午嶺植被演替研究，植被在破壞后，自然演替時(shí)間為150年，土地利用變化將在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)影響土壤碳的空間分布格局[23]。

6 結(jié)論與討論

受氣候變化和人類活動(dòng)影響，黃土高原土地利用/植被覆蓋發(fā)生明顯變化，對(duì)生態(tài)、環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。本文研究1980年以來(lái)黃土高原LUCC時(shí)空特征、驅(qū)動(dòng)力及產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)，主要得出以下結(jié)論：（1）30余年來(lái)，土地利用類型呈現(xiàn)區(qū)域性的變化特征，黃土高原中部無(wú)定河和延河流域?yàn)樽兓蠲黠@的區(qū)域，但整體上，土地利用結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變；（2）LUCC受氣候變化和人類活動(dòng)共同影響，氣候變化和人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率存在區(qū)域性差異，其中黃土高原中部主要由人類活動(dòng)導(dǎo)致；（3）黃土高原LUCC對(duì)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(chǎn)生長(zhǎng)期的影響，在發(fā)揮生態(tài)效益的同時(shí)對(duì)區(qū)域生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)生消極的影響；（4）由于黃土高原自然、社會(huì)條件區(qū)域差異性及土地利用類型與環(huán)境因子相互作用的復(fù)雜性，單一環(huán)境要素分析難以揭示LUCC同環(huán)境因子之間的作用及反饋機(jī)制，未來(lái)研究需加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等交叉學(xué)科的應(yīng)用。

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

黃土高原氣候變化和大規(guī)模的植被建設(shè)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，如何維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展成為目前面臨的重要課題。20世紀(jì)80年代后施行小流域綜合治理工程、退耕還林工程等生態(tài)工程，對(duì)控制土壤侵蝕、維持全球碳平衡、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等方面起到重要作用，同時(shí)產(chǎn)生一系列環(huán)境問題，如植被退化、生態(tài)穩(wěn)定性下降和水資源不平衡等[28]。黃土高原實(shí)施退耕還林工程后有6 847 km2坡耕地轉(zhuǎn)換為林地或草地，植被恢復(fù)后形成土壤干層，制約生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。該地區(qū)退耕還林樹種主要為外來(lái)樹種（油松、刺槐等），人工植被穩(wěn)定性低，如北部出現(xiàn)大量“小老頭樹”。水資源短缺是黃土高原生態(tài)脆弱的主要原因，LUCC加劇水分供需矛盾，促進(jìn)水資源合理配置和提高水資源利用效率對(duì)區(qū)域生態(tài)恢復(fù)和社會(huì)發(fā)展具有重要意義。根據(jù)前文，目前黃土高原植被生產(chǎn)力已接近水資源承載力閾值，在自然狀態(tài)下逐漸趨于穩(wěn)定，未來(lái)植被恢復(fù)需在遵循地帶性規(guī)律和因地制宜原則下，提高林草措施質(zhì)量，提高人工植被穩(wěn)定性。

退耕還林等生態(tài)工程對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面產(chǎn)生明顯的作用。退耕還林后，黃土高原第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)明顯，1995—2010年年均增長(zhǎng)率為17.6%，生態(tài)環(huán)境建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益逐漸體現(xiàn)[12]。但黃土高原仍存在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可持續(xù)問題，如該地區(qū)人口眾多，生態(tài)環(huán)境脆弱，區(qū)域發(fā)展不平衡。目前該地區(qū)有9 800萬(wàn)人口，坡耕地轉(zhuǎn)換為林地或草地后，本地區(qū)所生產(chǎn)糧食難以滿足當(dāng)?shù)匦枨?，將產(chǎn)生糧食安全問題[28]。同時(shí)退耕還林政策順利推行的主要原因是依靠政府財(cái)政補(bǔ)貼，根據(jù)國(guó)家最新的政策，生態(tài)林在原補(bǔ)助8年的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)補(bǔ)助8年，單方面投入的方式對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生壓力。未來(lái)需進(jìn)一步提高林草的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，增加區(qū)域第三產(chǎn)業(yè)的比重，同時(shí)推進(jìn)農(nóng)村人口轉(zhuǎn)移和促進(jìn)區(qū)域社會(huì)發(fā)展。