晋西黄土丘陵区土地利用变化及生态效应分析

2021-03-15郭彦君郭文炯

人民黄河 2021年2期

郭彦君郭文炯

摘要：晋西黄土丘陵区是黄河流域水土流失严重区和重点治理区，也是国家重点生态功能区，揭示其土地利用变化及生态环境变化趋势，对黄河流域生态保护和高质量发展特别是水土保持、植被恢复策略的调整优化具有重要的参考价值。利用1980年、2000年、2010年、2018年土地利用/覆被数据，对晋西黄土丘陵区各类土地增减转移、动态变化程度进行分析，并采用土地覆被状况指数、生态环境质量指数及土地转型的生态贡献率等指标，分析了土地利用类型变化的生态环境效应。结果表明：1980年以来土地利用变化较为显著，耕地面积减少497 km2，林草地小幅增长，建设用地成倍扩张;土地利用类型转移较为频繁，山地丘陵是土地转型热点区域，耕地向草地转化为主流;近40 a来综合土地利用动态度为0.15%，2000—2010年土地利用类型变化相对剧烈;土地覆被状况指数和生态环境质量指数均有所提高，整体向好发展，各类用地转为高覆盖度草地和林地是促进生态环境改善的主要因素。

关键词：土地利用/覆被变化;土地利用转型;生态环境效应;黄土丘陵区;晋西

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）是生态环境变化的重要因素之一，已成为全球环境变化领域研究的前沿课题[1]。黄土高原因其景观特殊性、生态脆弱性、变化显著性而成为土地利用/覆被变化研究的热点地区。晋西黄土丘陵区位于吕梁山地以西、黄河以东，涉及三川河、昕水河等11条黄河一级支流[2]，包括忻州、吕梁、临汾3个市中的18个县，沿黄河干流呈带状分布，南北长约400 km，南北气候和植被差异明显，紫金山以北为中温带灌丛草原区、以南属暖温带落叶林及次生灌丛区[3]。该区属黄河流域水土流失严重区和重点治理区，也是山西省唯一的国家级限制开发的重点生态功能区，揭示其土地利用变化及生态环境变化趋势，对黄河流域生态保护和高质量发展特别是水土保持、植被恢复策略的调整优化具有重要的参考价值。笔者利用晋西黄土丘陵区1980年、2000年、2010年、2018年的土地利用/覆被数据，研究近40 a来该区域土地的数量结构、类型转变及其动态变化程度，并采用土地覆被状况指数、生态环境质量指数及土地转型的生态贡献率等指标，分析土地利用类型变化的生态环境效应，以期为黄河流域生态保护和高质量发展研究提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本研究采用的土地利用/覆被数据，源于中国科学院资源环境科学数据中心出版的中国多时期土地利用覆被变化遥感监测数据集（其空间分辨率为30 m）[4]。该数据集基于Landsat MSS、TM/ETM和Landsat8卫星遥感影像，经人机交互目视解译生成，并通过野外调查进行检验和修正，精度可靠。数据集整合后的分类系统包括6个一级土地利用类型和16个二级土地利用类型，见表1。借鉴李晓文等[5]的研究成果，结合研究区实际情况，对二级土地利用类型的生态环境质量指数进行赋值，见表1。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用转移矩阵

在GIS的支持下，对不同时期土地利用类型图进行空间叠置运算，可求出各时段各土地利用类型的面积转移矩阵，进而揭示引起土地利用变化的过程[6]。该转移矩阵可反映各类用地的数量结构和转化态势，并刻画研究期初各类土地的流向、流量和研究期末各类土地的来源、构成。

1.2.2 土地利用动态度

综合土地利用动态度是指研究区在一定时段内所有土地利用类型的变化剧烈程度，是判断用地转型热点區的指标，也适用于局部与全区或区域间土地利用变化的对比[7]，其计算公式为;

1.2.3 土地利用变化的生态效应分析

土地覆被状况指数定义为林地、灌丛、高覆盖度草地、水体（包括沼泽）这4种生态系统服务功能较好的土地覆被类型面积之和占研究区总面积的百分比，用于衡量研究区土地覆被状况及其所反映的生态系统综合功能，以20%为间隔由高到低分为5级，数值越大、越接近1表明宏观生态状况越好、生态系统服务功能越强[9]，其计算公式为;

2 土地利用变化特征分析

晋西黄土丘陵区总面积29 166.34 km2。据2018年统计，耕地、林地、草地是主要土地利用类型，三者合计约占区域总面积的97%。旱地是研究区主要耕地类型，面积为9 663.74 km2，约占土地总面积的1/3;林地以灌木林为主，有林地、疏林地次之，这三类林地面积合计7 248.86 km2;草地面积为11 455.71 km2，低覆盖度草地占全区面积的28.16%;水域、建设用地、未利用地所占比例均较小。

2.1 土地利用变化及转型情况

2.1.1 各类土地面积变化情况

土地利用/覆被动态变化首先表现为各地类面积及其所占比例的变化。由表2可知：1980—2018年，耕地面积显著缩减，旱地面积减少约497 km2;中覆盖度草地减少约636 km2，高覆盖度草地增加约772 km2;有林地和灌木林面积缩小，疏林地和其他林地覆盖度提高，总体上林地面积净增约38 km2;河流、滩地面积萎缩约10%;城镇用地、农村居民点、其他建设用地面积均持续上升，分别约增加了91、178、139 km2。整个研究时段内，虽然耕地、林地、草地都有不同程度的增减变化，但依然是三大主要用地类型且面积比例稳定;建设用地成倍扩张，占全区比例增长1.4个百分点，是城镇化的体现。分时段来看，1980—2000年，林地面积小幅缩减，但整体变化并不显著;2000—2010年，耕地面积约减少4.82%，林地和建设用地面积约分别增加82、253 km2，各类草地变化幅度较大;2010—2018年，草地面积约减少129 km2，总体上各地类动态变化趋于稳定。

2.1.2 土地利用类型转变

研究区1980—2018年土地利用类型面积转移矩阵见表3。近40 a来各地类动态变化较为明显，总体上耕地、林地、草地之间的相互转移及三者转为建设用地是土地类型转变的主要方式，其中耕地向草地转移约482 km2，占各类土地转型总面积的28.51%，为转移主流。耕地主要转变为草地、建设用地、林地，转移总面积约888 km2，占全部耕地的8.74%，是转移面积最大的类型;林地向其他地类的转移面积较少，而耕地、草地等向其转移的面积达242 km2，使林地总面积有所增加;草地是变化最活跃的土地利用类型，转入、转出面积分别约为614、545 km2;建设用地的新增面积达419 km2，占现状总量的81.62%，耕地、草地为其主要来源;水域和未利用地虽然转移面积不大，但转移比例较高。

桑基图（见图1）可直观展现研究区主要地类面积转移的流向和流量：1980—2000年，土地转型规模较小，林地向草地转移较突出（其面积约59 km2），主要是林地、灌木林向高覆盖度草地转移。2000—2010年，各土地类型的转移频度和幅度明显提高，以耕地流出为主，约452 km2转变为草地、145 km2转变为林地，原因是受退耕还林政策驱动等;建设用地由耕地、草地大量转入，面积显著扩大;林地、草地流入量大于流出量，总面积增大。2010—2018年，土地转型趋势变缓，转移面积仅占土地总面积的1.34%，其中草地流出约171 km2，多转变为耕地、林地、建设用地。此外，各时期一级地类内部的二级土地利用类型间也存在着更替转移。

2.2 土地利用动态度分析

利用式（1）和式（2）计算的综合土地利用动态度及单一土地利用动态度见表4。1980—2018年研究区综合土地利用动态度为0.15%，较1980—2015年黄土高原地区综合土地利用动态度0.18%[12]、1980—2016年汾河流域综合土地利用动态度0.21%[13]小，表明研究区土地利用动态变化幅度小于黄土高原整体及汾河流域快速城镇化地区。分时段来看，1980—2000年土地类型转移面积较小，综合动态度为0.03%;2000—2010年土地转型规模显著扩大，各地类转型频繁，综合动态度提升到0.44%;2010—2018年土地转型面积减少，综合动态度回落至0.17%。

单一土地利用动态度可揭示各土地利用类型在一定时期内的变化率。1980—2018年，耕地、水域的动态度分别为-0.13%、-0.22%，表明其面积总体呈减少趋势，其中水域面积的减速较快;林地、草地面积相对于研究期初有所增长，动态度分别为0.01%、0.02%，但年变化率较小;建设用地面积持续增加且增速最快，年均扩张10.74 km2，动态度达到10.25%。从不同时段对比来看，各土地利用类型在2000—2010年增减变化最为剧烈，动态度明显大于其他时段的，其中建设用地和未利用地变化更为突出，动态度分别达到21.42%和16.39%，相对于2000年面积大幅扩展;2010年以后各类用地动态度降低，变化趋于平缓。

2.3 土地利用时空格局特征

图2展现了研究区2018年土地利用类型的空间分布情况，主要表现为：耕地与草地分布广泛，其中旱地为研究区“基底”地类，低覆盖度草地广布，中覆盖度草地集中于临县东南、偏关县与河曲县一带，高覆盖度草地多见于兴县、岢岚县及南部的蒲县、吉县等;林地集中于山区丘陵，分布区域多属吕梁山及其支脉，有林地集中于岢岚县、兴县、中阳县、乡宁县等，灌木林多见于岢岚县、中阳县及临汾市西南山区，疏林地在兴县有大面积分布，五寨县有小范围其他林地;建设用地因多沿河流、交通干线分布而呈条带状，受地形限制，各县建成区面积狭小且整体未形成城镇密集带。

绘制的研究区各时段（1980—2000年、2000—2010年、2010—2018年、1980—2018年）各土地类型转移格局图（本文图略）表明，近40 a来研究区各县都有一定程度的土地利用类型转移，土地转型热点地区主要包括岢岚县与五寨县交界处、临县紫金山附近、柳林县、晋西南山区，新增林地主要分布于五寨县、兴县、临县、中阳县、乡宁县。各时段对比，2000—2010年土地類型转移最为显著，其中晋西北和临县紫金山草地面积增加多由旱地转入，新增灌木林集中于柳林县、中阳县、石楼县，建设用地多以占用耕地形式实现扩张;2010—2018年，五寨县草地向耕地转变明显，乡宁县、兴县、临县的新增林地主要源于草地转型;相对来说，2000年以前土地类型转移不显著。

3 土地利用变化的生态环境效应

3.1 土地覆被状况及生态环境质量评价

土地覆被类型在一定程度上反映研究区宏观生态状况。由1980年以来土地覆被状况指数的变化（见表5）可知，研究区林草、水域面积有限，土地覆被状况指数始终处于30%左右，属五级分类的第四级（20%～40%），但该指数由1980年的28.64%提升至2018年的31.36%，说明生态环境有所改善、生态系统服务功能有所增强，与20世纪80年代末、2000年、2008年黄土高原地区整体的土地覆被状况指数分别为24.05%、23.65%、24.32%[9]相比，表明研究区土地覆被状况和改善程度均好于黄土高原平均水平。分阶段来看，土地覆被状况指数前20 a因林地、灌丛面积缩减而下降0.07%，后续10 a因高覆盖度草地面积增加而由28.57%升至31.35%，近年来相对稳定。

1980—2018年研究区生态环境质量指数由0.375 6增至0.383 3（见表5），表明生态环境质量整体上趋于好转但提升幅度较小，高覆盖度草地及疏林地面积的扩大有积极作用。分时段来看，前20 a研究区生态环境质量退化，到2000年生态环境质量指数降至0.374 5，有林地减少是主因;2010年生态环境质量指数上升到0.383 5，与生态环境质量指数赋值较高的灌木林、高覆盖度草地等的面积增加有关;近年来生态环境质量指数略微下降但基本稳定，总体变化态势与土地覆被状况指数相似。

3.2 土地利用转型的生态贡献率分析

区域生态环境质量往往同时存在好转与恶化两种变化趋势，这两种趋势相互抵消，使得研究区生态状况总体上趋于稳定[14]。生态环境质量指数赋值小的土地类型向高值类型转变则生态环境改善，反之则生态环境退化。1980—2018年研究区导致生态环境改善和退化的主要土地利用转型指标见表6、表7。

由表6可知，研究区近40 a来生态环境改善的主导因素是中覆盖度草地转为高覆盖度草地，其转型面积最大，对区域生态质量提升的贡献率最大，占比高达45.02%;其次是旱地转为高覆盖度草地，生态贡献率占比为22.05%;此外，旱地转为灌木林、低覆盖度草地转为有林地也发挥了一定积极作用。总体上看，各地类向高覆盖度草地和林地转变是促进区域生态环境改善的主要驱动因素。

导致生态环境退化的原因（地类转型）有很多（见表7），从贡献率来看，灌木林转变为低覆盖度草地是首要原因;从面积来看，旱地向低覆盖度草地转型数量最多;从贡献率占比来看，主要归纳为有林地转型、灌木林转为旱地和低覆盖度草地、旱地转为低覆盖度草地和建设用地。整体上看，有林地退化和其他高覆盖度地类转为低覆盖度草地和旱地是导致生态环境质量下降的主要驱动因素。

尽管研究区生态环境同时存在改善和退化两种驱动因素，但其生态环境质量总体上保持稳定，使生态环境改善的土地转型面积大于使生态环境退化的土地转型面积，属向好发展。

4 结论

（1）晋西黄土丘陵区主要土地利用类型为耕地、林地、草地，三者合计约占总面积的97%。近40 a来土地利用变化较为显著，整体上耕地面积减幅较大（减少约497 km2），林地、草地面积总量上升，水域面积萎缩，建设用地成倍扩张。土地类型转变较为频繁，主要表现为耕地、林地、草地间的相互转变及三者转为建设用地，其中耕地向草地转变是主流。

（2）1980—2018年研究区综合土地利用动态度为0.15%，低于黄土高原和汾河流域的。各土地类型中，建设用地的面积显著增长，其单一土地利用动态度达到10.25%。土地类型动态变化的阶段性突出，2000—2010年是变化相对剧烈的时期，全区综合动态度达到0.44%，各地类单一动态度也较高。

（3）研究区土地利用空间格局总体稳定，耕地、草地分布广泛，林地集中于山区丘陵，建设用地面积分布区域狭小。各县级行政区都有一定程度的土地利用类型转变，转变规模较大的热点区有岢岚县与五寨县交界处、临县紫金山、柳林县、晋西南山区等。

（4）近40 a来研究区土地覆被状况指数及生态环境质量指数总体上升，2000年以来林地、草地等具有较好生态服务功能的土地类型面积增加，对提高区域生态环境质量贡献较大，其中各地类向高覆盖度草地和林地转变是促进生态环境改善的主要因素，而有林地退化和其他高覆盖度地类转为低覆盖度草地和旱地是导致生态环境退化的主要原因，研究区生态环境总体向好发展。

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