退耕前后20年延安市土地利用变化及驱动因素分析

王晓飞，孙智辉，刘志超，曹雪梅

（延安市气象局，陕西 延安 716000）

土地利用与覆盖变化（LUCC）是全球气候、环境变化研究的重要内容之一［1，2］，成为当前学术界研究的热点。改革开放以来中国经济快速发展，工业化、城市化进程加快，使得LUCC 发生了显著变化，特别是在黄土高原，1999 年以后实施了包括天然林保护工程（Natural forest protection program，NFPP）和退耕还林/还草工程（Grain for green program，GGP）等，将对植被变化、水资源安全以及可持续发展产生深远影响。

延安市地处黄土高原，为中国半干旱半湿润过渡带，对气候变化［3］和人为干扰［4］较为敏感。1999年开始实施了天然林保护工程、退耕还林工程和“三北”防护林工程，至2020 年底延安市实施退耕还林面积71.83 万hm2，占全市国土总面积的19.4%，占全国计划内退耕还林面积的2.5%，占全省计划内退耕还林面积的27.0%。工程涉及28.6 万农户、124.8 万农村人口。延安市完成营造林142.27 万hm2，林业用地面积增至289.24 万hm2，占国土面积的78.2%，有林地面积增至171.47 万hm2，森林覆盖率达53.07%，成为陕西省“一叶肺”［5］。针对延安市土地利用、植被覆盖度变化、生态效益及其对湿度、地表温度、径流的影响，以及植被对气候的响应等，国内学者在退耕还林工程实施早期多利用退耕后遥感数据或低分辨率数据进行研究［6-19］。延安市在1999 年全面开展退耕还林工程［20，21］，退耕以后林草的生长还需要很长的过程。因此，本研究将2000 年作为分界线，利用延安市1980、1990、2000 年遥感影像数据反映退耕前土地利用变化，利用2005、2010、2015、2020 年遥感数据反映退耕后土地利用变化，采用1981—2020 年延安市降水、温度等气候数据及城镇化、人均GDP 等社会发展经济数据，全面分析延安市土地利用变化及其影响因素，以期为该市生态建设提供参考。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

延安市辖1 市2 区10县，国土面积3.7 万km2，人口226 万人。延安市年降水量520 mm，年平均气温9.7 ℃，年日照时数2 400 h，年蒸发量1 450～1 700 mm，是降水量的3 倍左右。根据延安市地形、气候特点，可分为南部塬区和北部丘陵沟壑区，北部为半干旱区，南部为半湿润区。延安市北部土壤侵蚀严重，主要实施了退耕还林和“三北”防护林工程，因此，本研究将延安市作为一个整体进行分析，同时对延安市北部单独进行土地利用分析。延安市北部包括吴起、志丹、安塞、子长、延川、延长和宝塔7 县（区、市），总面积20 837 km2，总人口134.96 万人。

1.2 数据

遥感数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心数据平台（http：//www.resdc.cn），人口数据来源于全国第七次人口普查公告［22］，经济数据来源于《2020 年延安市国民经济和社会发展统计公报》［23］。气象数据由延安市各县（区、市）气象站提供。

2 方法

2.1 分类方法

全国土地利用类型遥感监测空间分布数据（http：//www.resdc.cn/Datalist1.aspx？FieldTyepID=1，3）是基于美国陆地卫星Landsat TM 影像，通过人工目视解译生成。土地利用类型包括耕地、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。数据经过严格质量控制，其中土地利用的一级类型综合评价精度达94.3%，二级类型分类精度达91.2%以上［24］。李艳忠等［25］对黄河中游地区进行精度验证，其中9 种类别各选取了50 个样本点，验证整体精度达92.9%，满足分析要求。延安市位于黄河中游，因此本研究没有进行精度验证，对分类结果重新合并处理，共获取了包括耕地、林地、草地、未利用地、建设用地和水域6 类数据。林地和草地按二级分类结果进行分析，林地包括有林地、灌木林、疏林地、其他林地，草地包括高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地。

2.2 土地利用转移矩阵

国土空间转移矩阵用来刻画区域空间类型之间相互转换的数量关系，反映在人类活动作用下国土空间开发和保护的方向及结构，揭示国土空间格局的变化特征［26］。计算公式如下。

式中，aij为研究初期i类国土空间转为末期j类国土空间的总面积；n为国土空间利用类型数量。本研究运用ArcGIS 10.5 软件的空间分析模块，对2020 年和2000 年土地利用数据进行统计和叠加分析，得到退耕后20 年延安市土地利用类型面积转移矩阵，通过矩阵分析各时段内各地类之间的数量转换关系和土地利用动态变化情况。

2 结果与分析

2.1 延安市土地利用现状

由图1 可以看出，延安市区域内的土地类型以草地为主，占总面积的46.7%，其次是耕地面积和林地，分别占总面积的25.2%、26.8%。水域、建设用地、未利用土地面积占比为1.3%。林草面积占比达73.5%。延安市北部草地、耕地、林地面积占比分别为51.8%、30.6%、16.7%。表明1980—2020 年耕地面积减少，林地、草地面积增加主要是在国家实行退耕还林政策后发生了明显变化。

2.2 延安市土地利用变化

2.2.1 耕地变化 由表1、表2 可知，延安市1980—2020 年耕地面积减少了2 094.61 km2，在退耕还林前，1980—2000 年耕地面积缓慢增加，增加了327.24 km2，在2000 年达到峰值。退耕还林后至2020 年耕地面积减少了2 421.84 km2。随着退耕还林工程的实施，耕地面积减少主要集中在2000—2010年，减少了2 279.11 km2，占总退耕面积的94.1%。延安市北部1980—2020 年耕地面积减少了2 040.51 km2，在退耕还林前，1980—2000 年耕地面积增加了46.00 km2，退耕还林后至2020 年耕地面积减少了2 086.51 km2。延安市北部退耕面积占全市退耕面积的86.15%。

2.2.2 林地变化 延安市林地面积1980 年以来呈增加趋势，至2020 年增加了923.44 km2，增加时段主要发生在2000—2020年，增加了875.41 km2，占林地总增加面积的94.8%（表1）。延安市北部林地面积1980—2020 年增加了858.11 km2，退耕还林 后至2020 年林地面积增加了825.89 km2，占北部林地总增加面积的96.2%（表2）。表明林地增加面积主要集中在北部，占延安市林地总增加面积的92.9%。

延安市林地二级分类有林地、灌木林、疏林地、其他林地，其面积变化如下，有林地面积保持基本稳定，其他3 类林地面积分别增加了233.16、95.21、608.10 km2，以其他林地面积变化最为明显，占林地增加面积的65.9%，其次是灌木林，其增加面积占林地增加面积的25.2%。

灌木林和其他林地增加面积占林地增加面积的91.1%，因此只分析灌木林和其他林地面积的变化时段。灌木林面积增加主要集中在2000—2010年，而其他林地面积增加集中在1995—2020年，灌木林面积变化与退耕还林工程有关，而其他林地与农业结构调整有关。

2020 年延安市北部有林地、灌木林、疏林地、其他林地面积占其国土面积比重分别为0.1%、9.0%、3.6%和3.1%，以灌木林面积最大，有林地面积最小。

2.2.3 草地变化 延安市1980—2020 年草地面积增加了13 125.66 km2，但在退耕还林前草地面积减少了236.36 km2，退耕还林后草地面积增加了1 362.02 km2（表1）。草地面积变化主要是由于高、中覆盖草地面积增加明显，高覆盖草地面积由2000年的1 905.46 km2增加到2020 年的2 244.09 km2；中覆盖草地面积由2000年的10 302.38 km2增加到2020年的11 488.79 km2，分别增加了338.63、1 186.41 km2。同样，退耕还林后草地面积增加也主要反映在延安市北部，面积增加了1 099.32 km2，占全市退耕还林后草地增加面积的80.7%（表2）。

表2 退耕前后20 年延安市北部土地利用变化情况 （单位：km2）

2020 年延安市北部高覆盖、中覆盖、低覆盖草地面积分别为410.67、6782.36、3 536.71 km2，分别占延安市北部国土面积的19.8%、32.7%、17.1%，草地以中低覆盖为主。草地面积变化主要是高、中覆盖草地面积增加明显，分别增加了194.37、919.83 km2。低覆盖草地面积2020 年比1980 年略有减少，减少了19.97 km2。高覆盖草地面积增加主要发生在2000—2010年，而中覆盖草地面积变化集中在2005—2010 年。

2.2.4 建设用地、未利用地、水域 延安市建设用地面积呈持续增加趋势，由1980 年的116.16 km2增加到2020 年的280.88 km2，增幅达142%。变化明显时段主要发生在2005—2010 年和2015—2020年，分别增加了49.28 km2和74.79 km2（表1）。

未利用地面积在2010 年前稳定少变，在2010 年以后有所增加，特别是2015—2020年，面积增加了26.73 km2（表1）。

水域面积在1980—2010 年有少量减少，2010 年后开始增加，2015—2020 年增加了14.34 km2，水域面积正在缓慢增长（表1）。

2.2.5 空间转移特征 基于GIS 空间分析方法和土地利用分类数据，获取研究区2000—2020 年土地利用变化格局［26，27］。由表3 可知，2000—2020 年研究区域耕地面积总体上呈减少趋势，耕地转出面积为2 772.84 km2，主要转出类型为草地、林地、建设用地，转出面积分别为1 953.13、702.50、106.10 km2，另转出水域面积6.48 km2和未利用地面积4.63 km2。林地面积增加，主要由耕地和草地转入，面积分别为702.50、342.43 km2。草地面积增加明显，主要由耕地、林地转入，转入面积分别为1 953.13、87.31 km2。建设用地面积也有所增加，主要由耕地、草地和林地转入。

表3 2000—2020 年延安市土地利用转移矩阵 （单位：km2）

如图2 所示，土地转化为林草地主要发生在延安市北部，草地分布比较广泛，林地较为集中。转化为林地的区域发生在吴起县东北、志丹县中部和东北、安塞区北部、子长市西部和清涧河两岸，延川县中部和延长县中部，宝塔区东部等地，特别是在子长市、安塞区、志丹县、吴起县等地北部边界，处于400 mm 降水线波动影响范围内［28，29］，形成了林带。而在吴起县西北年降水量少于400 mm，耕地转为林地面积很少。建设用地面积增加多集中在延安市城区、县城区和北部重点乡镇，南部塬区农村建设用地面积也有增加。

图2 2000—2020 年延安市土地利用转置情况

3 驱动因素分析

3.1 气候

3.1.1 降水 如图3 所示，1981 年以来，延安市年降水量呈波动增加的趋势，气候倾向率为16.138 mm/10 年。延安市1981—2020 年平均降水量为515.5 mm，20 世纪80、90 年代，21 世纪00、10 年代的年降水量分别为525.7、443.3、520.4、572.6 mm，退耕以来的20 年降水量偏多，特别是21 世纪10 年代降水量明显偏多。

图3 1981—2020 年延安市降水量变化趋势

退耕还林前后20 年延安市平均降水量比较（2001—2020 年平均降水量减去1981—2000 年平均降水量）如图4 所示，退耕后降水量偏多62.6 mm，增加值在延安市南部区域较少，高于平均值的区域主要分布在延安市中北部。子长市、延川县降水量差值达80 mm 以上，宝塔区、志丹县降水量差值超过70 mm，安塞区、延长县降水量差值分别为69.7 mm和65.2 mm，均在平均值以上，吴起县较少，尽管降水量差值为50 mm，其对林草生长也十分有利。

图4 延安市退耕后与退耕前降水量差值分布

聂桐等［30］通过对延安市植被覆盖度时空变化及驱动力研究，发现降水量、温度是植被覆盖及其动态变化的重要影响因素，当降水量为547～554 mm，气温为10.49～10.64 ℃时，植被覆盖好，适合植被生长。如图5 所示，延安市降水量空间分布上有很大差异，南部降水量多，而西北和东部黄河沿岸降水量少。统计发现退耕以来，延安市北部20 年平均降水量为523.3 mm，安塞区、宝塔区降水量达550 mm；特别是21 世纪10 年代，延安市北部降水量达555.7 mm，除吴起县降水量仅为500 mm外，其他县区降水量均达550 mm 以上，特别是宝塔区降水量超过600 mm，充沛的降水量为植被生长提供了良好的水分条件。

图5 2001—2020 年延安市平均降水量分布

3.1.2 温度 由图6 可以看出，1981 年以来，年平均温度在1981—1993 年快速上升，1994—2020 年温度变化平缓。从年代际变化来看，20 世纪80、90 年代，21 世纪00、10 年代的年平均温度分别为9.1、9.7、10.1、10.0 ℃。退耕以来延安市处于相对暖期。

图6 1981—2020 年延安市平均温度变化趋势

由图7 可以看出，在空间分布上，延安市温度呈西北低、东部黄河沿岸和南部温度高的特点，吴起县、志丹县温度低于9.0 ℃，对植被生长有一定的影响。

图7 2001—2020 年延安市平均温度分布

3.2 延安市人口

根据第七次全国人口普查公报，延安市总人口从1982 年的153.3 万人增加到2020 年的228.3 万人，总体呈增加趋势，但增长率和人口增加数量呈降低趋势。城市人口增加非常快，从18.9 万人增加到140.1 万人，而农村人口在1982—2000 年始终维持在较高水平，明显多于城镇人口，1982—2010 年农村人口均多于城镇人口。2000—2010 年人口数量变化较大，乡村人口大幅减少，城镇人口快速增加；2010—2020 年城乡人口结构实现了逆转，到2020 年城镇人口远多于乡村人口。

表4 延安市人口变化

3.3 延安市经济

延安市国民生产总值在1980 年为4.33 亿元，到2020 年发展为1 601.5 亿元，实现了飞跃式发展。但从年变化来看，在2004 年以后进入高速发展期，2006 年国民生产总值突破500 亿元，2011 年突破千亿元大关，2018 年超过1 500 亿元。城乡居民人均可支配收入在2005—2015 年有了明显增加，城镇居民人均可支配收入由7 471 元增加到33 127元，乡村人均可支配收入由2 195 元增加到9 198元，并在2016 年突破万元。

3.4 延安市政策因素

制定地权制度、经营机制、社会经济政策等是区域政策和土地政策法规影响土地利用结构的直接方式，也是影响土地利用方式的重要因素。20 世纪80年代实行包产到户，提高了劳动生产率，随后实施农业产业结构调整，发展林果、草畜、设施农业等高效产业，大力发展二三产业，城市化水平以及社会经济发展水平得到较快提高。同时，积极开展退耕还林工程和治沟造地土地整治重大工程，从而增加农民收入，进而推动区域内的社会经济发展。

4 小结

1）延安市土地类型以草地为主，占总面积的46.7%，其次是耕地和林地，分别占总面积的25.2%、26.8%。水域、建设用地、未利用土地占比1.3%。1980—2000 年延安市耕地面积增加了327.24 km2，退耕还林后减少了2 421.84 km2。耕地变化主要集中在延安市北部，占全市退耕面积的86.15%。

2）林地面积增加了923.43 km2，增加时段主要在2000 年以后，增加了875.4 km2，占比达94.8%。林地增加面积主要集中在延安市北部，占林地总增加面积的92.9%。林地二级分类面积变化以其他林地最为明显，占林地增加面积的65.9%，其次是灌木林，增加面积占比为25.2%。转化为林地的区域在吴起县东北部、志丹县中部和东北部、安塞区北部、子长市西部和清涧河两岸，延川县中部和延长县中部，宝塔区东部等地。受气候影响，在延安市北部边界400 mm 降水带，出现耕地转化为林地的地带，生态得到明显改善。

3）1980—2020 年草地面积增加了1 125.66 km2，1980—2000 年草地面积减少了236.36 km2，退耕还林后草地面积增加了1 362.02 km2。草地面积变化主要是因为高、中覆盖草地面积增加明显，分别增加了338.63、1 186.41 km2，但还是以中低覆盖草地为主。

4）建设用地呈持续增加趋势，由1980 年的116.16 km2增加到2020 年的280.88 km2，增加幅度达142%。明显变化时段主要发生在2005—2010 年和2015—2020年，分别增加了49.28 km2和74.79 km2。建设用地增加多集中在延安市城区、县城区和北部少量重点乡镇，南部塬区农村建设用地面积也有增加。延安市北部人口多集中到县城和延安市城区，乡镇和农村居住人口大幅减少。

5）20 世纪90 年代，受干旱气候和人口增加双重影响，延安市出现毁草种地现象。实行退耕还林政策后至2010年，耕地面积大幅减少，政策对土地转换起到决定性作用。随着苹果、设施农业发展，农民收入增加，减少了对土地的依赖，经济水平和城镇率提高，农民走向城市生活，确保了退耕成果。但在2015年，农村人口的减少造成了未利用土地的大幅增加，耕地没有得到充分利用。气候对土地利用变化也有明显影响，2000 年以来，延安市处在降水多、温度高的暖湿时段，特别是北部降水量，增加了70～80 mm，是林地、高中覆盖草地面积增加的主要原因。

延安市北部中低覆盖草地面积较大，生态比较脆弱，加之气候还在持续变暖，气候不确定性增加，严重制约着延安市的生态恢复。因此，为实现延安市生态的可持续发展和乡村振兴，还需要持续关注，开展科学研究，提供对策建议。