晉西黃土丘陵區(qū)土地利用變化及生態(tài)效應(yīng)分析

郭彥君 郭文炯

摘 要：晉西黃土丘陵區(qū)是黃河流域水土流失嚴(yán)重區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)，也是國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，揭示其土地利用變化及生態(tài)環(huán)境變化趨勢，對(duì)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展特別是水土保持、植被恢復(fù)策略的調(diào)整優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值。利用1980年、2000年、2010年、2018年土地利用/覆被數(shù)據(jù)，對(duì)晉西黃土丘陵區(qū)各類土地增減轉(zhuǎn)移、動(dòng)態(tài)變化程度進(jìn)行分析，并采用土地覆被狀況指數(shù)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)及土地轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻(xiàn)率等指標(biāo)，分析了土地利用類型變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。結(jié)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(shè)用地成倍擴(kuò)張;土地利用類型轉(zhuǎn)移較為頻繁，山地丘陵是土地轉(zhuǎn)型熱點(diǎn)區(qū)域，耕地向草地轉(zhuǎn)化為主流;近40 a來綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為0.15%，2000—2010年土地利用類型變化相對(duì)劇烈;土地覆被狀況指數(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)均有所提高，整體向好發(fā)展，各類用地轉(zhuǎn)為高覆蓋度草地和林地是促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善的主要因素。

關(guān)鍵詞：土地利用/覆被變化;土地利用轉(zhuǎn)型;生態(tài)環(huán)境效應(yīng);黃土丘陵區(qū);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(tài)環(huán)境變化的重要因素之一，已成為全球環(huán)境變化領(lǐng)域研究的前沿課題[1]。黃土高原因其景觀特殊性、生態(tài)脆弱性、變化顯著性而成為土地利用/覆被變化研究的熱點(diǎn)地區(qū)。晉西黃土丘陵區(qū)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(jí)支流[2]，包括忻州、呂梁、臨汾3個(gè)市中的18個(gè)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(qū)、以南屬暖溫帶落葉林及次生灌叢區(qū)[3]。該區(qū)屬黃河流域水土流失嚴(yán)重區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)，也是山西省唯一的國家級(jí)限制開發(fā)的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，揭示其土地利用變化及生態(tài)環(huán)境變化趨勢，對(duì)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展特別是水土保持、植被恢復(fù)策略的調(diào)整優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值。筆者利用晉西黃土丘陵區(qū)1980年、2000年、2010年、2018年的土地利用/覆被數(shù)據(jù)，研究近40 a來該區(qū)域土地的數(shù)量結(jié)構(gòu)、類型轉(zhuǎn)變及其動(dòng)態(tài)變化程度，并采用土地覆被狀況指數(shù)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)及土地轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻(xiàn)率等指標(biāo)，分析土地利用類型變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，以期為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的土地利用/覆被數(shù)據(jù)，源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心出版的中國多時(shí)期土地利用覆被變化遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集（其空間分辨率為30 m）[4]。該數(shù)據(jù)集基于Landsat MSS、TM/ETM和Landsat8衛(wèi)星遙感影像，經(jīng)人機(jī)交互目視解譯生成，并通過野外調(diào)查進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，精度可靠。數(shù)據(jù)集整合后的分類系統(tǒng)包括6個(gè)一級(jí)土地利用類型和16個(gè)二級(jí)土地利用類型，見表1。借鑒李曉文等[5]的研究成果，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，對(duì)二級(jí)土地利用類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行賦值，見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

在GIS的支持下，對(duì)不同時(shí)期土地利用類型圖進(jìn)行空間疊置運(yùn)算，可求出各時(shí)段各土地利用類型的面積轉(zhuǎn)移矩陣，進(jìn)而揭示引起土地利用變化的過程[6]。該轉(zhuǎn)移矩陣可反映各類用地的數(shù)量結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)化態(tài)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(gòu)成。

1.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度是指研究區(qū)在一定時(shí)段內(nèi)所有土地利用類型的變化劇烈程度，是判斷用地轉(zhuǎn)型熱點(diǎn)區(qū)的指標(biāo)，也適用于局部與全區(qū)或區(qū)域間土地利用變化的對(duì)比[7]，其計(jì)算公式為;

1.2.3 土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)分析

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

2 土地利用變化特征分析

晉西黃土丘陵區(qū)總面積29 166.34 km2。據(jù)2018年統(tǒng)計(jì)，耕地、林地、草地是主要土地利用類型，三者合計(jì)約占區(qū)域總面積的97%。旱地是研究區(qū)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(jì)7 248.86 km2;草地面積為11 455.71 km2，低覆蓋度草地占全區(qū)面積的28.16%;水域、建設(shè)用地、未利用地所占比例均較小。

2.1 土地利用變化及轉(zhuǎn)型情況

2.1.1 各類土地面積變化情況

土地利用/覆被動(dòng)態(tài)變化首先表現(xiàn)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(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地面積均持續(xù)上升，分別約增加了91、178、139 km2。整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，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(wěn)定;建設(shè)用地成倍擴(kuò)張，占全區(qū)比例增長1.4個(gè)百分點(diǎn)，是城鎮(zhèn)化的體現(xiàn)。分時(shí)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(shè)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(dòng)態(tài)變化趨于穩(wěn)定。

2.1.2 土地利用類型轉(zhuǎn)變

研究區(qū)1980—2018年土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣見表3。近40 a來各地類動(dòng)態(tài)變化較為明顯，總體上耕地、林地、草地之間的相互轉(zhuǎn)移及三者轉(zhuǎn)為建設(shè)用地是土地類型轉(zhuǎn)變的主要方式，其中耕地向草地轉(zhuǎn)移約482 km2，占各類土地轉(zhuǎn)型總面積的28.51%，為轉(zhuǎn)移主流。耕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、建設(shè)用地、林地，轉(zhuǎn)移總面積約888 km2，占全部耕地的8.74%，是轉(zhuǎn)移面積最大的類型;林地向其他地類的轉(zhuǎn)移面積較少，而耕地、草地等向其轉(zhuǎn)移的面積達(dá)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(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出面積分別約為614、545 km2;建設(shè)用地的新增面積達(dá)419 km2，占現(xiàn)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(zhuǎn)移面積不大，但轉(zhuǎn)移比例較高。

?；鶊D（見圖1）可直觀展現(xiàn)研究區(qū)主要地類面積轉(zhuǎn)移的流向和流量：1980—2000年，土地轉(zhuǎn)型規(guī)模較小，林地向草地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移。2000—2010年，各土地類型的轉(zhuǎn)移頻度和幅度明顯提高，以耕地流出為主，約452 km2轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍?45 km2轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，原因是受退耕還林政策驅(qū)動(dòng)等;建設(shè)用地由耕地、草地大量轉(zhuǎn)入，面積顯著擴(kuò)大;林地、草地流入量大于流出量，總面積增大。2010—2018年，土地轉(zhuǎn)型趨勢變緩，轉(zhuǎn)移面積僅占土地總面積的1.34%，其中草地流出約171 km2，多轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、林地、建設(shè)用地。此外，各時(shí)期一級(jí)地類內(nèi)部的二級(jí)土地利用類型間也存在著更替轉(zhuǎn)移。

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度分析

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

單一土地利用動(dòng)態(tài)度可揭示各土地利用類型在一定時(shí)期內(nèi)的變化率。1980—2018年，耕地、水域的動(dòng)態(tài)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(duì)于研究期初有所增長，動(dòng)態(tài)度分別為0.01%、0.02%，但年變化率較小;建設(shè)用地面積持續(xù)增加且增速最快，年均擴(kuò)張10.74 km2，動(dòng)態(tài)度達(dá)到10.25%。從不同時(shí)段對(duì)比來看，各土地利用類型在2000—2010年增減變化最為劇烈，動(dòng)態(tài)度明顯大于其他時(shí)段的，其中建設(shè)用地和未利用地變化更為突出，動(dòng)態(tài)度分別達(dá)到21.42%和16.39%，相對(duì)于2000年面積大幅擴(kuò)展;2010年以后各類用地動(dòng)態(tài)度降低，變化趨于平緩。

2.3 土地利用時(shí)空格局特征

圖2展現(xiàn)了研究區(qū)2018年土地利用類型的空間分布情況，主要表現(xiàn)為：耕地與草地分布廣泛，其中旱地為研究區(qū)“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(guān)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(qū)丘陵，分布區(qū)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(xiāng)寧縣等，灌木林多見于岢嵐縣、中陽縣及臨汾市西南山區(qū)，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(shè)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(qū)面積狹小且整體未形成城鎮(zhèn)密集帶。

繪制的研究區(qū)各時(shí)段（1980—2000年、2000—2010年、2010—2018年、1980—2018年）各土地類型轉(zhuǎn)移格局圖（本文圖略）表明，近40 a來研究區(qū)各縣都有一定程度的土地利用類型轉(zhuǎn)移，土地轉(zhuǎn)型熱點(diǎn)地區(qū)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(qū)，新增林地主要分布于五寨縣、興縣、臨縣、中陽縣、鄉(xiāng)寧縣。各時(shí)段對(duì)比，2000—2010年土地類型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入，新增灌木林集中于柳林縣、中陽縣、石樓縣，建設(shè)用地多以占用耕地形式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張;2010—2018年，五寨縣草地向耕地轉(zhuǎn)變明顯，鄉(xiāng)寧縣、興縣、臨縣的新增林地主要源于草地轉(zhuǎn)型;相對(duì)來說，2000年以前土地類型轉(zhuǎn)移不顯著。

3 土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

3.1 土地覆被狀況及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

土地覆被類型在一定程度上反映研究區(qū)宏觀生態(tài)狀況。由1980年以來土地覆被狀況指數(shù)的變化（見表5）可知，研究區(qū)林草、水域面積有限，土地覆被狀況指數(shù)始終處于30%左右，屬五級(jí)分類的第四級(jí)（20%～40%），但該指數(shù)由1980年的28.64%提升至2018年的31.36%，說明生態(tài)環(huán)境有所改善、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有所增強(qiáng)，與20世紀(jì)80年代末、2000年、2008年黃土高原地區(qū)整體的土地覆被狀況指數(shù)分別為24.05%、23.65%、24.32%[9]相比，表明研究區(qū)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(shù)前20 a因林地、灌叢面積縮減而下降0.07%，后續(xù)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(duì)穩(wěn)定。

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

3.2 土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)貢獻(xiàn)率分析

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量往往同時(shí)存在好轉(zhuǎn)與惡化兩種變化趨勢，這兩種趨勢相互抵消，使得研究區(qū)生態(tài)狀況總體上趨于穩(wěn)定[14]。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)賦值小的土地類型向高值類型轉(zhuǎn)變則生態(tài)環(huán)境改善，反之則生態(tài)環(huán)境退化。1980—2018年研究區(qū)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境改善和退化的主要土地利用轉(zhuǎn)型指標(biāo)見表6、表7。

由表6可知，研究區(qū)近40 a來生態(tài)環(huán)境改善的主導(dǎo)因素是中覆蓋度草地轉(zhuǎn)為高覆蓋度草地，其轉(zhuǎn)型面積最大，對(duì)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量提升的貢獻(xiàn)率最大，占比高達(dá)45.02%;其次是旱地轉(zhuǎn)為高覆蓋度草地，生態(tài)貢獻(xiàn)率占比為22.05%;此外，旱地轉(zhuǎn)為灌木林、低覆蓋度草地轉(zhuǎn)為有林地也發(fā)揮了一定積極作用?？傮w上看，各地類向高覆蓋度草地和林地轉(zhuǎn)變是促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善的主要驅(qū)動(dòng)因素。

導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境退化的原因（地類轉(zhuǎn)型）有很多（見表7），從貢獻(xiàn)率來看，灌木林轉(zhuǎn)變?yōu)榈透采w度草地是首要原因;從面積來看，旱地向低覆蓋度草地轉(zhuǎn)型數(shù)量最多;從貢獻(xiàn)率占比來看，主要?dú)w納為有林地轉(zhuǎn)型、灌木林轉(zhuǎn)為旱地和低覆蓋度草地、旱地轉(zhuǎn)為低覆蓋度草地和建設(shè)用地。整體上看，有林地退化和其他高覆蓋度地類轉(zhuǎn)為低覆蓋度草地和旱地是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的主要驅(qū)動(dòng)因素。

盡管研究區(qū)生態(tài)環(huán)境同時(shí)存在改善和退化兩種驅(qū)動(dòng)因素，但其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體上保持穩(wěn)定，使生態(tài)環(huán)境改善的土地轉(zhuǎn)型面積大于使生態(tài)環(huán)境退化的土地轉(zhuǎn)型面積，屬向好發(fā)展。

4 結(jié) 論

（1）晉西黃土丘陵區(qū)主要土地利用類型為耕地、林地、草地，三者合計(jì)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(shè)用地成倍擴(kuò)張。土地類型轉(zhuǎn)變較為頻繁，主要表現(xiàn)為耕地、林地、草地間的相互轉(zhuǎn)變及三者轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，其中耕地向草地轉(zhuǎn)變是主流。

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

（3）研究區(qū)土地利用空間格局總體穩(wěn)定，耕地、草地分布廣泛，林地集中于山區(qū)丘陵，建設(shè)用地面積分布區(qū)域狹小。各縣級(jí)行政區(qū)都有一定程度的土地利用類型轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變規(guī)模較大的熱點(diǎn)區(qū)有岢嵐縣與五寨縣交界處、臨縣紫金山、柳林縣、晉西南山區(qū)等。

（4）近40 a來研究區(qū)土地覆被狀況指數(shù)及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)總體上升，2000年以來林地、草地等具有較好生態(tài)服務(wù)功能的土地類型面積增加，對(duì)提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量貢獻(xiàn)較大，其中各地類向高覆蓋度草地和林地轉(zhuǎn)變是促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善的主要因素，而有林地退化和其他高覆蓋度地類轉(zhuǎn)為低覆蓋度草地和旱地是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境退化的主要原因，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境總體向好發(fā)展。

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