榆林市土地利用/覆被时空格局变化及 退耕还林工程对其的效应

杨亮彦，黎雅楠，范鸿建

（1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710021； 2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075； 3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710021）

土地利用/覆被变化是人类活动对地球表面最直接的改造，贯穿于人类生存与发展的整个历程，是人类与大自然共同影响的产物[1]。近年来，随着经济的发展和人类生存方式的改变，全球土地利用/覆被发生巨大变化，直接影响着陆地生态系统的全球性变 化[2-3]。土地利用/覆被动态变化逐渐成为国内外学者的研究热点，在全球可持续发展研究领域占有重要的地位[4-6]。目前，已有国内外学者从多角度对土地利用/覆被类型变化特征及驱动机制进行了研究[7-8]。但当前研究多集中在城市扩张的区域[9-10]，对西北干旱、半干旱地区的土地利用类型变化研究鲜有报道。因此需要进一步加强西北地区土地利用/覆被动态变化及驱动力研究，探明退耕还林工程对研究区土地利用/覆被时空格局变化的效应，为实现西北地区生态环境、经济系统的可持续发展提供科学依据[8]。

榆林市位于陕西省北部，其北部属于毛乌素沙地风沙草滩区，占榆林市面积的42%；南部属于黄土丘陵沟壑区，占总面积的58%[11-12]。该地区地势呈西北高、东南低，气候特点为夏季炎热多雨、冬季寒冷干燥，年均降水量在400 mm左右，且季节性差异明显[11]，是我国风蚀沙化和水土流失最严重的地区之一，具有典型的西北半干旱区气候特点。近年来，随着我国对毛乌素沙地生态环境的保护和风沙治理，榆林市实施了退耕还林等生态工程，使榆林市土地利用/覆被发生了较大的变化，生态环境得到有效的恢复，但生态环境的稳定性依然较差[13-14]。本文以榆林市为研究区，基于1980s—2020年的土地利用/覆被遥感数据，运用土地利用转移矩阵、覆被状况指数，从整体上研究榆林市土地利用/覆被类型的时空变化特征，探究其驱动因素，为研究区的生态环境保护、区域生态经济的可持续发展提供理论支持。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本研究数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn）提供的中国土地利用/土地覆被遥感监测数据库，空间分辨率为1 km[15]。土地利用/覆被类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型，以及25个二级类型。本文选取1980s、2000年和2020年3期数据进行土地利用/覆被类型变化研究，对土地利用/覆被类型遥感监测数据进行镶嵌和掩膜提取，获取榆林市1980s、2000年和2020年的土地利用/覆被类型空间分布数据，并完成投影变换，统一投影为WGS84，存储类型为TIF格式。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用转移矩阵

土地利用/覆被类型变化不仅是面积的增加和减少，各类型之间也存在着相互转换关系[16]。本研究基于土地利用/土地覆被遥感监测数据，利用ENVI密度分割、混淆矩阵等功能获取土地利用转移矩阵，从而直观地展示区域土地利用/覆被类型变化的结构特征，以及各用地类型变化的方向，并进行土地利用/覆被类型转移的定量描述。转移矩阵的计算方法见公式（1）：

式中，Sij为不同土地利用/覆被类型面积，n为土地利用/覆被的类型数，i、j分别为研究初期与研究末期的土地利用/覆被类型序号。

1.2.2 覆被状况指数

覆被状况指数是指定量描述区域土地覆被变化状况，常用于区域土地利用/覆被类型变化的研究[17]。其定义为林地、灌丛、草地、水体、湿地等较好的土地覆被类型面积之和占研究区总面积的百分比[18]。其计算方法见公式（2）：

式中，Z表示土地覆被状况指数，Si表示林地、草地、灌丛、水体、湿地等较好的土地覆被类型面积，S表示研究区总面积。将土地覆被状况划分为5个等级：指数81～100为1级；61～80为2级；41～60为3级；21～40为4级；1～20为5级。土地覆被状况指数越接近100，反映土地覆被状况越好[3]。

2 结果与分析

2.1 土地利用/覆被类型时空分布

2.1.1 土地利用/覆被类型变化总体特征

由表1可知，2020年榆林市最主要的土地利用/覆被类型是草地和耕地，其面积分别为18874 km2和15575 km2，广泛分布在榆林市的东部和南部，形成耕地和草地的混合地貌，约占该区总面积的80.88%。未利用地和林地次之，面积分别为4120 km2和 2430 km2，其中未利用地多集中在榆林市西北部，该区域位于毛乌素沙地南缘风沙滩区，占总面积的9.68%。林地在研究区内呈点状零散分布，破碎度较大。建设用地和水域面积较小，多分布在研究区中部，其中建设用地呈点状分布，水域呈线状分布。

表1 榆林市1980s—2020年土地利用/覆被类型面积统计表

1980s—2000年，榆林市土地利用/覆被类型空间格局整体上保持相对稳定，但单个土地利用/覆被类型发生变化。2000—2020年土地利用/覆被类型变化明显。40年间研究区内土地利用/覆被类型面积绝对变化量为：未利用地＞草地＞建设用 地＞耕地＞林地＞水域；草地、建设用地和林地面积分别增加了1249 km2、990 km2和570 km2；未利用地、耕地和水域面积分别减少了1741 km2、976 km2和 92 km2。其中耕地面积出现了先增加后减少的现象，建设用地面积在1980s—2000年缓慢增加，在2000—2020年显著增加，其他土地利用/覆被类型呈缓慢变化趋势。需要特别提出的是1980s—2020年，榆林市水域面积持续减少，其主要原因是全球气候干旱化，在全球气候变暖的背景下，该区域蒸发量不断上升，而降雨量无明显变化趋势[19]，从而引起水域面积减少。而对于半干旱区，水体对整个生态系统服务功能的改善具有非常重要的影响，因此既要改善全球气候干旱化对研究区生态系统的影响，也要保护当地水资源免遭污染与破坏[14]。

2.1.2 土地利用/覆被转移矩阵

通过1980s、2000年和2020年榆林市土地利用/覆被类型数据，获取1980s—2000年及2000—2020年榆林市土地利用类型转移矩阵（表2，表3）。1980s—2000年，榆林市土地利用/覆被类型转换不明显，转移率仅为4.14%；转移面积最大的是未利用地，其中1183 km2转移为草地，转为耕地和林地的面积分别为68 km2和58 km2，其他转移面积较小。水域有12 km2转为耕地，5 km2转为未利用地，4 km2转为草地。

表2 榆林市1980s—2000年土地利用转移矩阵

表3 榆林市2000—2020年土地利用转移矩阵

与1980s—2000年相比，2000—2020年榆林市土地利用/覆被类型转移明显，其中主要转移方向为耕地和草地、草地和未利用地的互转。榆林市的土地利用/覆被类型变化主要发生在2000—2020年，耕地减少的去向主要为草地和建设用地；林地和草地的增加量主要来自未利用地、耕地和林草地的互转。2000—2020年榆林市建设用地的快速增加，建设用地从130 km2增加到1099 km2，其主要增加量来自耕地、草地和未利用地的转入。水域面积持续减少，从561 km2下降到481 km2，其转出的主要方向为草地和耕地，其中水域转草地的比例较大，说明水域面积的减少受人类活动和自然因素共同影响，且自然因素占主导地位。

2.2 土地覆被状况

利用土地覆被状况指数评价榆林市及各区、县的植被覆盖状况，结果如表4所示。榆林市1980s、2000年、2020年覆被状况指数均值分别为47.00、49.55和51.06，均属于3级水平，覆被状况指数不断提升，其中1980s年覆被状况较好的地区是府谷县；等级为4的区域有榆阳区、横山县、米脂县、佳县和吴堡县。2020年有4个区县覆被状况指数达到等级2，包括府谷县、神木县、吴堡县和清涧县，无覆被状况指数等级为4的区域。总体来看，1980s—2020年间，榆林市覆被状况指数保持持续上升趋势，说明榆林市40年间植被覆盖面积逐渐增加，肯定了榆林市政府及人民对生态环境保护方面的贡献。

表4 榆林市1980s、2000年、2020年各县土地覆被状况指数

续表

2.3 影响因素分析

2.3.1 自然因素

自然因素的变化必然导致研究区土地利用/覆被类型格局的改变，气温和降水直接影响植被的生长和分布。在全球气温升高的背景下，榆林市1980s—2000年年均气温逐渐升高，降雨量缓慢下降，2000年后气温整体变化强度减弱，降雨量起伏较大，但无明显增减趋势[19-20]。气温的上升增加了榆林市的蒸发量，且降雨量无明显变化，因此该区水域面积持续减少。

2.3.2 社会因素

土地利用/覆被类型变化是多种驱动力综合作用的结果，除气候条件对土地利用/覆被类型的影响外，人类活动生产、国家政策等是榆林市土地利用/覆被类型发生变化的又一驱动力[3]。1980s—2000年榆林市土地利用/覆被类型转移率较低。国家实施防沙治沙工程、退耕还林和耕地保护政策，榆林市政府对政策的响应，加快了土地利用/覆被类型的变化。榆林市在2000—2020年间，耕地有所下降，草地、林地面积明显增加，与退耕还林政策相关。未利用土地面积减少明显，其主要转移方向为耕地和草地，与防沙治沙工程有一定关系。榆林市在此期间建设用地面积增长数十倍，与城市城镇化的过程相符。可见2000—2020年，生态政策的实施和人类活动等社会因素对榆林市土地利用/覆被类型变化有着不可忽视的作用。

3 讨论

榆林市地处陕西省北部，是黄土高原与内蒙古鄂尔多斯荒漠草原的过渡地带，生态区位重要，生态环境脆弱，是退耕还林工程实施的重点区域[21]，且榆林市煤炭资源丰富，工业基础比较好，地理位置优越，是陕西省沟通内蒙古、宁夏、甘肃、山西等省份的主要交通枢纽区域。重要的地理位置和丰富的资源使榆林市土地利用/覆被变化受社会影响较大。1983年，中共中央印发了《当前农村经济政策的若干问题》，全国农村开始普遍推行包产到户。到1983年底，98%左右的基本核算单位都实行了包产到户，家庭承包经营的土地面积占耕地总面积的97%左右，实现了土地所有权与使用权的分离[22]。该模式在保证农地集体所有权的基础上保证了农户的独立经营权，极大地鼓励了当地农民开垦耕地，最终引起榆林市耕地面积在1980s—2000年有所增加，未利用地显著下降的现象。1998年国家实施“退耕还林”政策，四川、陕西、甘肃三省率先实行试点。2002年国务院发出《关于进一步完善退耕还林政策措施的若干意见》。截至2020年，榆林市完成退耕还林计划任务6227.80 km2（其中退耕还林2663.00 km2，荒山造林3480.13 km2，封育84.67 km2）。工程建设取得了生态改善、农民增收、农业增效和农村发展的显著综合效益，得到了广大干部群众的一致拥护和支持[21]。2000—2020年，榆林市耕地面积呈下降趋势，并有效增加了林地面积。同时由于工业化、城镇化、矿区开发等进程的加快以及产业结构的升级，建设用地的需求不断增加，40年间，建设用地面积呈增加趋势，且2000年后的增速明显高于2000年前。1980s—2020年，水域面积不断下降，主要转移方向为草地和耕地，其中转移为草地占主要部分，且研究区降水量呈缓慢下降趋势，表明了水域变化主要受自然因素变化 影响。

榆林市土地利用/覆被转移具有理性动机和政策导向，1980s—2000年在土地政策的驱动下，未利用地会向具有经济价值的耕地转移；2000年后，在退耕还林工程的推动下，建设用地和生态用地需求旺盛，耕地选择向林地、草地等生态用地转移。整体来看，1980s—2000年榆林市土地利用转移过程以“未利用地→耕地”的经济发展模式为主。在2000—2020年，土地利用转移过程沿着“未利用地→耕地→建设用地”的经济流和“耕地→林地、草地”的生态流发展。这一结果与丁振民的结论较为一致[23]。

4 结论

本文选取榆林市为研究对象，利用1980s、2000年和2020年中国土地利用/土地覆被遥感监测数据，通过土地利用转移矩阵和土地覆被状况指数，探究了榆林市土地利用/覆被类型变化规律及退耕还林工程对其的效应，得出以下主要结论。

（1）榆林市主要的土地利用/覆被类型是草地、耕地和未利用地。1980s—2020年，研究区内土地利用/覆被类型面积绝对变化量为：未利用地＞草地＞建设用地＞耕地＞林地＞水域；草地、建设用地和林地面积分别增加了1249 km2、990 km2和 570 km2，未利用地、耕地和水域面积分别减少了1741 km2、976 km2和92 km2。

（2）1980s—2000年，榆林市土地利用/覆被类型转换不明显，转移率仅为4.14%，转移面积最大的是未利用土地。2000—2020年榆林市土地利用/覆被类型转移明显，其中主要转移方向为耕地和草地、草地和未利用土地的互转。建设用地从130 km2增至1099 km2，其主要增加量来自耕地、草地和未利用土地的转入。水域面积持续减少，其转出的主要方向为草地和耕地。

（3）榆林市1980s、2000年、2020年土地覆被状况指数均值分别为47.00、49.55和51.06，均属于3级水平，其中1980s年土地覆被状况较好的地区是府谷县；2020年有4个区县土地覆被状况指数达到等级2，无覆被状况指数等级为4的区域。1980s—2020年，榆林市土地覆被状况指数保持持续上升趋势，说明了榆林市40年间植被覆盖面积逐渐增加，肯定了榆林市政府及人民对生态环境保护方面作出的贡献。

（4）榆林市土地利用/覆被类型变化受自然因素和社会因素综合影响。其中耕地面积出现了先增加后减少、未利用地减少及林草地面积增加的现象，与国家生态政策密切相关；建设用地面积在1980s—2000年缓慢增加，2000年后显著增加，与城镇化发展的过程相符；水域面积的持续减少主要受自然因素的影响。

本文以中国土地利用/土地覆盖遥感监测数据为数据源，利用土地利用转移矩阵、土地覆被状况指数等方法研究了1980s—2020年榆林市土地利用/覆被变化时空特征，并探究和分析了退耕还林工程对其的效应。以市级行政单位为研究区，结合自然因素、国家政策、经济发展等因素，从时间尺度和空间尺度进行了整体和宏观的把握和 分析。

土地利用/覆被变化是一个十分复杂的过程，涉及影响因素众多，受遥感数据时空分辨率和各县市土地政策、统计数据完整度的限制，本研究尚存在研究不够全面的之处。在今后的研究中，应增加影响因子，以构建完整的影响因素体系，并且从不同的尺度多维地反映土地利用/覆被变化的规律。