退耕前后20年延安市土地利用變化及驅(qū)動因素分析

王曉飛，孫智輝，劉志超，曹雪梅

（延安市氣象局，陜西 延安 716000）

土地利用與覆蓋變化（LUCC）是全球氣候、環(huán)境變化研究的重要內(nèi)容之一［1，2］，成為當前學術(shù)界研究的熱點。改革開放以來中國經(jīng)濟快速發(fā)展，工業(yè)化、城市化進程加快，使得LUCC 發(fā)生了顯著變化，特別是在黃土高原，1999 年以后實施了包括天然林保護工程（Natural forest protection program，NFPP）和退耕還林/還草工程（Grain for green program，GGP）等，將對植被變化、水資源安全以及可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

延安市地處黃土高原，為中國半干旱半濕潤過渡帶，對氣候變化［3］和人為干擾［4］較為敏感。1999年開始實施了天然林保護工程、退耕還林工程和“三北”防護林工程，至2020 年底延安市實施退耕還林面積71.83 萬hm2，占全市國土總面積的19.4%，占全國計劃內(nèi)退耕還林面積的2.5%，占全省計劃內(nèi)退耕還林面積的27.0%。工程涉及28.6 萬農(nóng)戶、124.8 萬農(nóng)村人口。延安市完成營造林142.27 萬hm2，林業(yè)用地面積增至289.24 萬hm2，占國土面積的78.2%，有林地面積增至171.47 萬hm2，森林覆蓋率達53.07%，成為陜西省“一葉肺”［5］。針對延安市土地利用、植被覆蓋度變化、生態(tài)效益及其對濕度、地表溫度、徑流的影響，以及植被對氣候的響應等，國內(nèi)學者在退耕還林工程實施早期多利用退耕后遙感數(shù)據(jù)或低分辨率數(shù)據(jù)進行研究［6-19］。延安市在1999 年全面開展退耕還林工程［20，21］，退耕以后林草的生長還需要很長的過程。因此，本研究將2000 年作為分界線，利用延安市1980、1990、2000 年遙感影像數(shù)據(jù)反映退耕前土地利用變化，利用2005、2010、2015、2020 年遙感數(shù)據(jù)反映退耕后土地利用變化，采用1981—2020 年延安市降水、溫度等氣候數(shù)據(jù)及城鎮(zhèn)化、人均GDP 等社會發(fā)展經(jīng)濟數(shù)據(jù)，全面分析延安市土地利用變化及其影響因素，以期為該市生態(tài)建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

延安市轄1 市2 區(qū)10縣，國土面積3.7 萬km2，人口226 萬人。延安市年降水量520 mm，年平均氣溫9.7 ℃，年日照時數(shù)2 400 h，年蒸發(fā)量1 450～1 700 mm，是降水量的3 倍左右。根據(jù)延安市地形、氣候特點，可分為南部塬區(qū)和北部丘陵溝壑區(qū)，北部為半干旱區(qū)，南部為半濕潤區(qū)。延安市北部土壤侵蝕嚴重，主要實施了退耕還林和“三北”防護林工程，因此，本研究將延安市作為一個整體進行分析，同時對延安市北部單獨進行土地利用分析。延安市北部包括吳起、志丹、安塞、子長、延川、延長和寶塔7 縣（區(qū)、市），總面積20 837 km2，總?cè)丝?34.96 萬人。

1.2 數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)平臺（http：//www.resdc.cn），人口數(shù)據(jù)來源于全國第七次人口普查公告［22］，經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《2020 年延安市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》［23］。氣象數(shù)據(jù)由延安市各縣（區(qū)、市）氣象站提供。

2 方法

2.1 分類方法

全國土地利用類型遙感監(jiān)測空間分布數(shù)據(jù)（http：//www.resdc.cn/Datalist1.aspx？FieldTyepID=1，3）是基于美國陸地衛(wèi)星Landsat TM 影像，通過人工目視解譯生成。土地利用類型包括耕地、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。數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制，其中土地利用的一級類型綜合評價精度達94.3%，二級類型分類精度達91.2%以上［24］。李艷忠等［25］對黃河中游地區(qū)進行精度驗證，其中9 種類別各選取了50 個樣本點，驗證整體精度達92.9%，滿足分析要求。延安市位于黃河中游，因此本研究沒有進行精度驗證，對分類結(jié)果重新合并處理，共獲取了包括耕地、林地、草地、未利用地、建設(shè)用地和水域6 類數(shù)據(jù)。林地和草地按二級分類結(jié)果進行分析，林地包括有林地、灌木林、疏林地、其他林地，草地包括高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地。

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

國土空間轉(zhuǎn)移矩陣用來刻畫區(qū)域空間類型之間相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系，反映在人類活動作用下國土空間開發(fā)和保護的方向及結(jié)構(gòu)，揭示國土空間格局的變化特征［26］。計算公式如下。

式中，aij為研究初期i類國土空間轉(zhuǎn)為末期j類國土空間的總面積；n為國土空間利用類型數(shù)量。本研究運用ArcGIS 10.5 軟件的空間分析模塊，對2020 年和2000 年土地利用數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和疊加分析，得到退耕后20 年延安市土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣，通過矩陣分析各時段內(nèi)各地類之間的數(shù)量轉(zhuǎn)換關(guān)系和土地利用動態(tài)變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 延安市土地利用現(xiàn)狀

由圖1 可以看出，延安市區(qū)域內(nèi)的土地類型以草地為主，占總面積的46.7%，其次是耕地面積和林地，分別占總面積的25.2%、26.8%。水域、建設(shè)用地、未利用土地面積占比為1.3%。林草面積占比達73.5%。延安市北部草地、耕地、林地面積占比分別為51.8%、30.6%、16.7%。表明1980—2020 年耕地面積減少，林地、草地面積增加主要是在國家實行退耕還林政策后發(fā)生了明顯變化。

2.2 延安市土地利用變化

2.2.1 耕地變化 由表1、表2 可知，延安市1980—2020 年耕地面積減少了2 094.61 km2，在退耕還林前，1980—2000 年耕地面積緩慢增加，增加了327.24 km2，在2000 年達到峰值。退耕還林后至2020 年耕地面積減少了2 421.84 km2。隨著退耕還林工程的實施，耕地面積減少主要集中在2000—2010年，減少了2 279.11 km2，占總退耕面積的94.1%。延安市北部1980—2020 年耕地面積減少了2 040.51 km2，在退耕還林前，1980—2000 年耕地面積增加了46.00 km2，退耕還林后至2020 年耕地面積減少了2 086.51 km2。延安市北部退耕面積占全市退耕面積的86.15%。

2.2.2 林地變化 延安市林地面積1980 年以來呈增加趨勢，至2020 年增加了923.44 km2，增加時段主要發(fā)生在2000—2020年，增加了875.41 km2，占林地總增加面積的94.8%（表1）。延安市北部林地面積1980—2020 年增加了858.11 km2，退耕還林 后至2020 年林地面積增加了825.89 km2，占北部林地總增加面積的96.2%（表2）。表明林地增加面積主要集中在北部，占延安市林地總增加面積的92.9%。

延安市林地二級分類有林地、灌木林、疏林地、其他林地，其面積變化如下，有林地面積保持基本穩(wěn)定，其他3 類林地面積分別增加了233.16、95.21、608.10 km2，以其他林地面積變化最為明顯，占林地增加面積的65.9%，其次是灌木林，其增加面積占林地增加面積的25.2%。

灌木林和其他林地增加面積占林地增加面積的91.1%，因此只分析灌木林和其他林地面積的變化時段。灌木林面積增加主要集中在2000—2010年，而其他林地面積增加集中在1995—2020年，灌木林面積變化與退耕還林工程有關(guān)，而其他林地與農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有關(guān)。

2020 年延安市北部有林地、灌木林、疏林地、其他林地面積占其國土面積比重分別為0.1%、9.0%、3.6%和3.1%，以灌木林面積最大，有林地面積最小。

2.2.3 草地變化 延安市1980—2020 年草地面積增加了13 125.66 km2，但在退耕還林前草地面積減少了236.36 km2，退耕還林后草地面積增加了1 362.02 km2（表1）。草地面積變化主要是由于高、中覆蓋草地面積增加明顯，高覆蓋草地面積由2000年的1 905.46 km2增加到2020 年的2 244.09 km2；中覆蓋草地面積由2000年的10 302.38 km2增加到2020年的11 488.79 km2，分別增加了338.63、1 186.41 km2。同樣，退耕還林后草地面積增加也主要反映在延安市北部，面積增加了1 099.32 km2，占全市退耕還林后草地增加面積的80.7%（表2）。

表2 退耕前后20 年延安市北部土地利用變化情況 （單位：km2）

2020 年延安市北部高覆蓋、中覆蓋、低覆蓋草地面積分別為410.67、6782.36、3 536.71 km2，分別占延安市北部國土面積的19.8%、32.7%、17.1%，草地以中低覆蓋為主。草地面積變化主要是高、中覆蓋草地面積增加明顯，分別增加了194.37、919.83 km2。低覆蓋草地面積2020 年比1980 年略有減少，減少了19.97 km2。高覆蓋草地面積增加主要發(fā)生在2000—2010年，而中覆蓋草地面積變化集中在2005—2010 年。

2.2.4 建設(shè)用地、未利用地、水域 延安市建設(shè)用地面積呈持續(xù)增加趨勢，由1980 年的116.16 km2增加到2020 年的280.88 km2，增幅達142%。變化明顯時段主要發(fā)生在2005—2010 年和2015—2020年，分別增加了49.28 km2和74.79 km2（表1）。

未利用地面積在2010 年前穩(wěn)定少變，在2010 年以后有所增加，特別是2015—2020年，面積增加了26.73 km2（表1）。

水域面積在1980—2010 年有少量減少，2010 年后開始增加，2015—2020 年增加了14.34 km2，水域面積正在緩慢增長（表1）。

2.2.5 空間轉(zhuǎn)移特征 基于GIS 空間分析方法和土地利用分類數(shù)據(jù)，獲取研究區(qū)2000—2020 年土地利用變化格局［26，27］。由表3 可知，2000—2020 年研究區(qū)域耕地面積總體上呈減少趨勢，耕地轉(zhuǎn)出面積為2 772.84 km2，主要轉(zhuǎn)出類型為草地、林地、建設(shè)用地，轉(zhuǎn)出面積分別為1 953.13、702.50、106.10 km2，另轉(zhuǎn)出水域面積6.48 km2和未利用地面積4.63 km2。林地面積增加，主要由耕地和草地轉(zhuǎn)入，面積分別為702.50、342.43 km2。草地面積增加明顯，主要由耕地、林地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別為1 953.13、87.31 km2。建設(shè)用地面積也有所增加，主要由耕地、草地和林地轉(zhuǎn)入。

表3 2000—2020 年延安市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

如圖2 所示，土地轉(zhuǎn)化為林草地主要發(fā)生在延安市北部，草地分布比較廣泛，林地較為集中。轉(zhuǎn)化為林地的區(qū)域發(fā)生在吳起縣東北、志丹縣中部和東北、安塞區(qū)北部、子長市西部和清澗河兩岸，延川縣中部和延長縣中部，寶塔區(qū)東部等地，特別是在子長市、安塞區(qū)、志丹縣、吳起縣等地北部邊界，處于400 mm 降水線波動影響范圍內(nèi)［28，29］，形成了林帶。而在吳起縣西北年降水量少于400 mm，耕地轉(zhuǎn)為林地面積很少。建設(shè)用地面積增加多集中在延安市城區(qū)、縣城區(qū)和北部重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)，南部塬區(qū)農(nóng)村建設(shè)用地面積也有增加。

圖2 2000—2020 年延安市土地利用轉(zhuǎn)置情況

3 驅(qū)動因素分析

3.1 氣候

3.1.1 降水 如圖3 所示，1981 年以來，延安市年降水量呈波動增加的趨勢，氣候傾向率為16.138 mm/10 年。延安市1981—2020 年平均降水量為515.5 mm，20 世紀80、90 年代，21 世紀00、10 年代的年降水量分別為525.7、443.3、520.4、572.6 mm，退耕以來的20 年降水量偏多，特別是21 世紀10 年代降水量明顯偏多。

圖3 1981—2020 年延安市降水量變化趨勢

退耕還林前后20 年延安市平均降水量比較（2001—2020 年平均降水量減去1981—2000 年平均降水量）如圖4 所示，退耕后降水量偏多62.6 mm，增加值在延安市南部區(qū)域較少，高于平均值的區(qū)域主要分布在延安市中北部。子長市、延川縣降水量差值達80 mm 以上，寶塔區(qū)、志丹縣降水量差值超過70 mm，安塞區(qū)、延長縣降水量差值分別為69.7 mm和65.2 mm，均在平均值以上，吳起縣較少，盡管降水量差值為50 mm，其對林草生長也十分有利。

圖4 延安市退耕后與退耕前降水量差值分布

聶桐等［30］通過對延安市植被覆蓋度時空變化及驅(qū)動力研究，發(fā)現(xiàn)降水量、溫度是植被覆蓋及其動態(tài)變化的重要影響因素，當降水量為547～554 mm，氣溫為10.49～10.64 ℃時，植被覆蓋好，適合植被生長。如圖5 所示，延安市降水量空間分布上有很大差異，南部降水量多，而西北和東部黃河沿岸降水量少。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)退耕以來，延安市北部20 年平均降水量為523.3 mm，安塞區(qū)、寶塔區(qū)降水量達550 mm；特別是21 世紀10 年代，延安市北部降水量達555.7 mm，除吳起縣降水量僅為500 mm外，其他縣區(qū)降水量均達550 mm 以上，特別是寶塔區(qū)降水量超過600 mm，充沛的降水量為植被生長提供了良好的水分條件。

圖5 2001—2020 年延安市平均降水量分布

3.1.2 溫度 由圖6 可以看出，1981 年以來，年平均溫度在1981—1993 年快速上升，1994—2020 年溫度變化平緩。從年代際變化來看，20 世紀80、90 年代，21 世紀00、10 年代的年平均溫度分別為9.1、9.7、10.1、10.0 ℃。退耕以來延安市處于相對暖期。

圖6 1981—2020 年延安市平均溫度變化趨勢

由圖7 可以看出，在空間分布上，延安市溫度呈西北低、東部黃河沿岸和南部溫度高的特點，吳起縣、志丹縣溫度低于9.0 ℃，對植被生長有一定的影響。

圖7 2001—2020 年延安市平均溫度分布

3.2 延安市人口

根據(jù)第七次全國人口普查公報，延安市總?cè)丝趶?982 年的153.3 萬人增加到2020 年的228.3 萬人，總體呈增加趨勢，但增長率和人口增加數(shù)量呈降低趨勢。城市人口增加非?？欤瑥?8.9 萬人增加到140.1 萬人，而農(nóng)村人口在1982—2000 年始終維持在較高水平，明顯多于城鎮(zhèn)人口，1982—2010 年農(nóng)村人口均多于城鎮(zhèn)人口。2000—2010 年人口數(shù)量變化較大，鄉(xiāng)村人口大幅減少，城鎮(zhèn)人口快速增加；2010—2020 年城鄉(xiāng)人口結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)，到2020 年城鎮(zhèn)人口遠多于鄉(xiāng)村人口。

表4 延安市人口變化

3.3 延安市經(jīng)濟

延安市國民生產(chǎn)總值在1980 年為4.33 億元，到2020 年發(fā)展為1 601.5 億元，實現(xiàn)了飛躍式發(fā)展。但從年變化來看，在2004 年以后進入高速發(fā)展期，2006 年國民生產(chǎn)總值突破500 億元，2011 年突破千億元大關(guān)，2018 年超過1 500 億元。城鄉(xiāng)居民人均可支配收入在2005—2015 年有了明顯增加，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入由7 471 元增加到33 127元，鄉(xiāng)村人均可支配收入由2 195 元增加到9 198元，并在2016 年突破萬元。

3.4 延安市政策因素

制定地權(quán)制度、經(jīng)營機制、社會經(jīng)濟政策等是區(qū)域政策和土地政策法規(guī)影響土地利用結(jié)構(gòu)的直接方式，也是影響土地利用方式的重要因素。20 世紀80年代實行包產(chǎn)到戶，提高了勞動生產(chǎn)率，隨后實施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展林果、草畜、設(shè)施農(nóng)業(yè)等高效產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展二三產(chǎn)業(yè)，城市化水平以及社會經(jīng)濟發(fā)展水平得到較快提高。同時，積極開展退耕還林工程和治溝造地土地整治重大工程，從而增加農(nóng)民收入，進而推動區(qū)域內(nèi)的社會經(jīng)濟發(fā)展。

4 小結(jié)

1）延安市土地類型以草地為主，占總面積的46.7%，其次是耕地和林地，分別占總面積的25.2%、26.8%。水域、建設(shè)用地、未利用土地占比1.3%。1980—2000 年延安市耕地面積增加了327.24 km2，退耕還林后減少了2 421.84 km2。耕地變化主要集中在延安市北部，占全市退耕面積的86.15%。

2）林地面積增加了923.43 km2，增加時段主要在2000 年以后，增加了875.4 km2，占比達94.8%。林地增加面積主要集中在延安市北部，占林地總增加面積的92.9%。林地二級分類面積變化以其他林地最為明顯，占林地增加面積的65.9%，其次是灌木林，增加面積占比為25.2%。轉(zhuǎn)化為林地的區(qū)域在吳起縣東北部、志丹縣中部和東北部、安塞區(qū)北部、子長市西部和清澗河兩岸，延川縣中部和延長縣中部，寶塔區(qū)東部等地。受氣候影響，在延安市北部邊界400 mm 降水帶，出現(xiàn)耕地轉(zhuǎn)化為林地的地帶，生態(tài)得到明顯改善。

3）1980—2020 年草地面積增加了1 125.66 km2，1980—2000 年草地面積減少了236.36 km2，退耕還林后草地面積增加了1 362.02 km2。草地面積變化主要是因為高、中覆蓋草地面積增加明顯，分別增加了338.63、1 186.41 km2，但還是以中低覆蓋草地為主。

4）建設(shè)用地呈持續(xù)增加趨勢，由1980 年的116.16 km2增加到2020 年的280.88 km2，增加幅度達142%。明顯變化時段主要發(fā)生在2005—2010 年和2015—2020年，分別增加了49.28 km2和74.79 km2。建設(shè)用地增加多集中在延安市城區(qū)、縣城區(qū)和北部少量重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)，南部塬區(qū)農(nóng)村建設(shè)用地面積也有增加。延安市北部人口多集中到縣城和延安市城區(qū)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村居住人口大幅減少。

5）20 世紀90 年代，受干旱氣候和人口增加雙重影響，延安市出現(xiàn)毀草種地現(xiàn)象。實行退耕還林政策后至2010年，耕地面積大幅減少，政策對土地轉(zhuǎn)換起到?jīng)Q定性作用。隨著蘋果、設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展，農(nóng)民收入增加，減少了對土地的依賴，經(jīng)濟水平和城鎮(zhèn)率提高，農(nóng)民走向城市生活，確保了退耕成果。但在2015年，農(nóng)村人口的減少造成了未利用土地的大幅增加，耕地沒有得到充分利用。氣候?qū)ν恋乩米兓灿忻黠@影響，2000 年以來，延安市處在降水多、溫度高的暖濕時段，特別是北部降水量，增加了70～80 mm，是林地、高中覆蓋草地面積增加的主要原因。

延安市北部中低覆蓋草地面積較大，生態(tài)比較脆弱，加之氣候還在持續(xù)變暖，氣候不確定性增加，嚴重制約著延安市的生態(tài)恢復。因此，為實現(xiàn)延安市生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興，還需要持續(xù)關(guān)注，開展科學研究，提供對策建議。