榆林市土地利用/覆被時空格局變化及 退耕還林工程對其的效應

楊亮彥，黎雅楠，范鴻建

（1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710021； 2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075； 3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710021）

土地利用/覆被變化是人類活動對地球表面最直接的改造，貫穿于人類生存與發(fā)展的整個歷程，是人類與大自然共同影響的產(chǎn)物[1]。近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人類生存方式的改變，全球土地利用/覆被發(fā)生巨大變化，直接影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的全球性變 化[2-3]。土地利用/覆被動態(tài)變化逐漸成為國內外學者的研究熱點，在全球可持續(xù)發(fā)展研究領域占有重要的地位[4-6]。目前，已有國內外學者從多角度對土地利用/覆被類型變化特征及驅動機制進行了研究[7-8]。但當前研究多集中在城市擴張的區(qū)域[9-10]，對西北干旱、半干旱地區(qū)的土地利用類型變化研究鮮有報道。因此需要進一步加強西北地區(qū)土地利用/覆被動態(tài)變化及驅動力研究，探明退耕還林工程對研究區(qū)土地利用/覆被時空格局變化的效應，為實現(xiàn)西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)[8]。

榆林市位于陜西省北部，其北部屬于毛烏素沙地風沙草灘區(qū)，占榆林市面積的42%；南部屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，占總面積的58%[11-12]。該地區(qū)地勢呈西北高、東南低，氣候特點為夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥，年均降水量在400 mm左右，且季節(jié)性差異明顯[11]，是我國風蝕沙化和水土流失最嚴重的地區(qū)之一，具有典型的西北半干旱區(qū)氣候特點。近年來，隨著我國對毛烏素沙地生態(tài)環(huán)境的保護和風沙治理，榆林市實施了退耕還林等生態(tài)工程，使榆林市土地利用/覆被發(fā)生了較大的變化，生態(tài)環(huán)境得到有效的恢復，但生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性依然較差[13-14]。本文以榆林市為研究區(qū)，基于1980s—2020年的土地利用/覆被遙感數(shù)據(jù)，運用土地利用轉移矩陣、覆被狀況指數(shù)，從整體上研究榆林市土地利用/覆被類型的時空變化特征，探究其驅動因素，為研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護、區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn）提供的中國土地利用/土地覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，空間分辨率為1 km[15]。土地利用/覆被類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型，以及25個二級類型。本文選取1980s、2000年和2020年3期數(shù)據(jù)進行土地利用/覆被類型變化研究，對土地利用/覆被類型遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進行鑲嵌和掩膜提取，獲取榆林市1980s、2000年和2020年的土地利用/覆被類型空間分布數(shù)據(jù)，并完成投影變換，統(tǒng)一投影為WGS84，存儲類型為TIF格式。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用/覆被類型變化不僅是面積的增加和減少，各類型之間也存在著相互轉換關系[16]。本研究基于土地利用/土地覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用ENVI密度分割、混淆矩陣等功能獲取土地利用轉移矩陣，從而直觀地展示區(qū)域土地利用/覆被類型變化的結構特征，以及各用地類型變化的方向，并進行土地利用/覆被類型轉移的定量描述。轉移矩陣的計算方法見公式（1）：

式中，Sij為不同土地利用/覆被類型面積，n為土地利用/覆被的類型數(shù)，i、j分別為研究初期與研究末期的土地利用/覆被類型序號。

1.2.2 覆被狀況指數(shù)

覆被狀況指數(shù)是指定量描述區(qū)域土地覆被變化狀況，常用于區(qū)域土地利用/覆被類型變化的研究[17]。其定義為林地、灌叢、草地、水體、濕地等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[18]。其計算方法見公式（2）：

式中，Z表示土地覆被狀況指數(shù)，Si表示林地、草地、灌叢、水體、濕地等較好的土地覆被類型面積，S表示研究區(qū)總面積。將土地覆被狀況劃分為5個等級：指數(shù)81～100為1級；61～80為2級；41～60為3級；21～40為4級；1～20為5級。土地覆被狀況指數(shù)越接近100，反映土地覆被狀況越好[3]。

2 結果與分析

2.1 土地利用/覆被類型時空分布

2.1.1 土地利用/覆被類型變化總體特征

由表1可知，2020年榆林市最主要的土地利用/覆被類型是草地和耕地，其面積分別為18874 km2和15575 km2，廣泛分布在榆林市的東部和南部，形成耕地和草地的混合地貌，約占該區(qū)總面積的80.88%。未利用地和林地次之，面積分別為4120 km2和 2430 km2，其中未利用地多集中在榆林市西北部，該區(qū)域位于毛烏素沙地南緣風沙灘區(qū)，占總面積的9.68%。林地在研究區(qū)內呈點狀零散分布，破碎度較大。建設用地和水域面積較小，多分布在研究區(qū)中部，其中建設用地呈點狀分布，水域呈線狀分布。

表1 榆林市1980s—2020年土地利用/覆被類型面積統(tǒng)計表

1980s—2000年，榆林市土地利用/覆被類型空間格局整體上保持相對穩(wěn)定，但單個土地利用/覆被類型發(fā)生變化。2000—2020年土地利用/覆被類型變化明顯。40年間研究區(qū)內土地利用/覆被類型面積絕對變化量為：未利用地＞草地＞建設用 地＞耕地＞林地＞水域；草地、建設用地和林地面積分別增加了1249 km2、990 km2和570 km2；未利用地、耕地和水域面積分別減少了1741 km2、976 km2和 92 km2。其中耕地面積出現(xiàn)了先增加后減少的現(xiàn)象，建設用地面積在1980s—2000年緩慢增加，在2000—2020年顯著增加，其他土地利用/覆被類型呈緩慢變化趨勢。需要特別提出的是1980s—2020年，榆林市水域面積持續(xù)減少，其主要原因是全球氣候干旱化，在全球氣候變暖的背景下，該區(qū)域蒸發(fā)量不斷上升，而降雨量無明顯變化趨勢[19]，從而引起水域面積減少。而對于半干旱區(qū)，水體對整個生態(tài)系統(tǒng)服務功能的改善具有非常重要的影響，因此既要改善全球氣候干旱化對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響，也要保護當?shù)厮Y源免遭污染與破壞[14]。

2.1.2 土地利用/覆被轉移矩陣

通過1980s、2000年和2020年榆林市土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)，獲取1980s—2000年及2000—2020年榆林市土地利用類型轉移矩陣（表2，表3）。1980s—2000年，榆林市土地利用/覆被類型轉換不明顯，轉移率僅為4.14%；轉移面積最大的是未利用地，其中1183 km2轉移為草地，轉為耕地和林地的面積分別為68 km2和58 km2，其他轉移面積較小。水域有12 km2轉為耕地，5 km2轉為未利用地，4 km2轉為草地。

表2 榆林市1980s—2000年土地利用轉移矩陣

表3 榆林市2000—2020年土地利用轉移矩陣

與1980s—2000年相比，2000—2020年榆林市土地利用/覆被類型轉移明顯，其中主要轉移方向為耕地和草地、草地和未利用地的互轉。榆林市的土地利用/覆被類型變化主要發(fā)生在2000—2020年，耕地減少的去向主要為草地和建設用地；林地和草地的增加量主要來自未利用地、耕地和林草地的互轉。2000—2020年榆林市建設用地的快速增加，建設用地從130 km2增加到1099 km2，其主要增加量來自耕地、草地和未利用地的轉入。水域面積持續(xù)減少，從561 km2下降到481 km2，其轉出的主要方向為草地和耕地，其中水域轉草地的比例較大，說明水域面積的減少受人類活動和自然因素共同影響，且自然因素占主導地位。

2.2 土地覆被狀況

利用土地覆被狀況指數(shù)評價榆林市及各區(qū)、縣的植被覆蓋狀況，結果如表4所示。榆林市1980s、2000年、2020年覆被狀況指數(shù)均值分別為47.00、49.55和51.06，均屬于3級水平，覆被狀況指數(shù)不斷提升，其中1980s年覆被狀況較好的地區(qū)是府谷縣；等級為4的區(qū)域有榆陽區(qū)、橫山縣、米脂縣、佳縣和吳堡縣。2020年有4個區(qū)縣覆被狀況指數(shù)達到等級2，包括府谷縣、神木縣、吳堡縣和清澗縣，無覆被狀況指數(shù)等級為4的區(qū)域。總體來看，1980s—2020年間，榆林市覆被狀況指數(shù)保持持續(xù)上升趨勢，說明榆林市40年間植被覆蓋面積逐漸增加，肯定了榆林市政府及人民對生態(tài)環(huán)境保護方面的貢獻。

表4 榆林市1980s、2000年、2020年各縣土地覆被狀況指數(shù)

續(xù)表

2.3 影響因素分析

2.3.1 自然因素

自然因素的變化必然導致研究區(qū)土地利用/覆被類型格局的改變，氣溫和降水直接影響植被的生長和分布。在全球氣溫升高的背景下，榆林市1980s—2000年年均氣溫逐漸升高，降雨量緩慢下降，2000年后氣溫整體變化強度減弱，降雨量起伏較大，但無明顯增減趨勢[19-20]。氣溫的上升增加了榆林市的蒸發(fā)量，且降雨量無明顯變化，因此該區(qū)水域面積持續(xù)減少。

2.3.2 社會因素

土地利用/覆被類型變化是多種驅動力綜合作用的結果，除氣候條件對土地利用/覆被類型的影響外，人類活動生產(chǎn)、國家政策等是榆林市土地利用/覆被類型發(fā)生變化的又一驅動力[3]。1980s—2000年榆林市土地利用/覆被類型轉移率較低。國家實施防沙治沙工程、退耕還林和耕地保護政策，榆林市政府對政策的響應，加快了土地利用/覆被類型的變化。榆林市在2000—2020年間，耕地有所下降，草地、林地面積明顯增加，與退耕還林政策相關。未利用土地面積減少明顯，其主要轉移方向為耕地和草地，與防沙治沙工程有一定關系。榆林市在此期間建設用地面積增長數(shù)十倍，與城市城鎮(zhèn)化的過程相符?？梢?000—2020年，生態(tài)政策的實施和人類活動等社會因素對榆林市土地利用/覆被類型變化有著不可忽視的作用。

3 討論

榆林市地處陜西省北部，是黃土高原與內蒙古鄂爾多斯荒漠草原的過渡地帶，生態(tài)區(qū)位重要，生態(tài)環(huán)境脆弱，是退耕還林工程實施的重點區(qū)域[21]，且榆林市煤炭資源豐富，工業(yè)基礎比較好，地理位置優(yōu)越，是陜西省溝通內蒙古、寧夏、甘肅、山西等省份的主要交通樞紐區(qū)域。重要的地理位置和豐富的資源使榆林市土地利用/覆被變化受社會影響較大。1983年，中共中央印發(fā)了《當前農(nóng)村經(jīng)濟政策的若干問題》，全國農(nóng)村開始普遍推行包產(chǎn)到戶。到1983年底，98%左右的基本核算單位都實行了包產(chǎn)到戶，家庭承包經(jīng)營的土地面積占耕地總面積的97%左右，實現(xiàn)了土地所有權與使用權的分離[22]。該模式在保證農(nóng)地集體所有權的基礎上保證了農(nóng)戶的獨立經(jīng)營權，極大地鼓勵了當?shù)剞r(nóng)民開墾耕地，最終引起榆林市耕地面積在1980s—2000年有所增加，未利用地顯著下降的現(xiàn)象。1998年國家實施“退耕還林”政策，四川、陜西、甘肅三省率先實行試點。2002年國務院發(fā)出《關于進一步完善退耕還林政策措施的若干意見》。截至2020年，榆林市完成退耕還林計劃任務6227.80 km2（其中退耕還林2663.00 km2，荒山造林3480.13 km2，封育84.67 km2）。工程建設取得了生態(tài)改善、農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)村發(fā)展的顯著綜合效益，得到了廣大干部群眾的一致?lián)碜o和支持[21]。2000—2020年，榆林市耕地面積呈下降趨勢，并有效增加了林地面積。同時由于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、礦區(qū)開發(fā)等進程的加快以及產(chǎn)業(yè)結構的升級，建設用地的需求不斷增加，40年間，建設用地面積呈增加趨勢，且2000年后的增速明顯高于2000年前。1980s—2020年，水域面積不斷下降，主要轉移方向為草地和耕地，其中轉移為草地占主要部分，且研究區(qū)降水量呈緩慢下降趨勢，表明了水域變化主要受自然因素變化 影響。

榆林市土地利用/覆被轉移具有理性動機和政策導向，1980s—2000年在土地政策的驅動下，未利用地會向具有經(jīng)濟價值的耕地轉移；2000年后，在退耕還林工程的推動下，建設用地和生態(tài)用地需求旺盛，耕地選擇向林地、草地等生態(tài)用地轉移。整體來看，1980s—2000年榆林市土地利用轉移過程以“未利用地→耕地”的經(jīng)濟發(fā)展模式為主。在2000—2020年，土地利用轉移過程沿著“未利用地→耕地→建設用地”的經(jīng)濟流和“耕地→林地、草地”的生態(tài)流發(fā)展。這一結果與丁振民的結論較為一致[23]。

4 結論

本文選取榆林市為研究對象，利用1980s、2000年和2020年中國土地利用/土地覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過土地利用轉移矩陣和土地覆被狀況指數(shù)，探究了榆林市土地利用/覆被類型變化規(guī)律及退耕還林工程對其的效應，得出以下主要結論。

（1）榆林市主要的土地利用/覆被類型是草地、耕地和未利用地。1980s—2020年，研究區(qū)內土地利用/覆被類型面積絕對變化量為：未利用地＞草地＞建設用地＞耕地＞林地＞水域；草地、建設用地和林地面積分別增加了1249 km2、990 km2和 570 km2，未利用地、耕地和水域面積分別減少了1741 km2、976 km2和92 km2。

（2）1980s—2000年，榆林市土地利用/覆被類型轉換不明顯，轉移率僅為4.14%，轉移面積最大的是未利用土地。2000—2020年榆林市土地利用/覆被類型轉移明顯，其中主要轉移方向為耕地和草地、草地和未利用土地的互轉。建設用地從130 km2增至1099 km2，其主要增加量來自耕地、草地和未利用土地的轉入。水域面積持續(xù)減少，其轉出的主要方向為草地和耕地。

（3）榆林市1980s、2000年、2020年土地覆被狀況指數(shù)均值分別為47.00、49.55和51.06，均屬于3級水平，其中1980s年土地覆被狀況較好的地區(qū)是府谷縣；2020年有4個區(qū)縣土地覆被狀況指數(shù)達到等級2，無覆被狀況指數(shù)等級為4的區(qū)域。1980s—2020年，榆林市土地覆被狀況指數(shù)保持持續(xù)上升趨勢，說明了榆林市40年間植被覆蓋面積逐漸增加，肯定了榆林市政府及人民對生態(tài)環(huán)境保護方面作出的貢獻。

（4）榆林市土地利用/覆被類型變化受自然因素和社會因素綜合影響。其中耕地面積出現(xiàn)了先增加后減少、未利用地減少及林草地面積增加的現(xiàn)象，與國家生態(tài)政策密切相關；建設用地面積在1980s—2000年緩慢增加，2000年后顯著增加，與城鎮(zhèn)化發(fā)展的過程相符；水域面積的持續(xù)減少主要受自然因素的影響。

本文以中國土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用土地利用轉移矩陣、土地覆被狀況指數(shù)等方法研究了1980s—2020年榆林市土地利用/覆被變化時空特征，并探究和分析了退耕還林工程對其的效應。以市級行政單位為研究區(qū)，結合自然因素、國家政策、經(jīng)濟發(fā)展等因素，從時間尺度和空間尺度進行了整體和宏觀的把握和 分析。

土地利用/覆被變化是一個十分復雜的過程，涉及影響因素眾多，受遙感數(shù)據(jù)時空分辨率和各縣市土地政策、統(tǒng)計數(shù)據(jù)完整度的限制，本研究尚存在研究不夠全面的之處。在今后的研究中，應增加影響因子，以構建完整的影響因素體系，并且從不同的尺度多維地反映土地利用/覆被變化的規(guī)律。