易海杰，張曉萍,，何 亮，鄒亞東，呂 渡，許小明，賀 潔，王祎宸，田起隆

黃土高原不同地貌類型區(qū)植被恢復(fù)潛力及其土地利用變化

易海杰1,2,3，張曉萍1,2,3,4※，何 亮4，鄒亞東4，呂 渡1,2,3，許小明4，賀 潔4，王祎宸4，田起隆1,2,3

（1. 中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100）

黃土高原1999年開始的退耕還林（草）工程，對植被覆蓋與土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了深刻影響，評估黃土高原未來植被恢復(fù)潛力、植樹造林適宜區(qū)以及土地利用變化，對黃土高原生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。該研究基于北洛河流域2020年下墊面狀況，借鑒“相似生境法”，對不同地貌類型區(qū)的未來恢復(fù)潛力、植樹造林適宜區(qū)與土地利用變化進行了分析。結(jié)果表明：1）丘陵溝壑區(qū)目前平均植被蓋度為61.9%，未來20～30 a仍有9.2%左右的上升空間，植被可恢復(fù)土地面積約占丘陵區(qū)的36.4%。土石山林區(qū)尚有11.5%的土地面積具有恢復(fù)余地，高塬溝壑區(qū)與階地平原區(qū)植被蓋度恢復(fù)余地很小。2）未來土地利用變化面積主要集中在丘陵溝壑區(qū)，與2020年相比，其耕地將減少47.4%，而林地與草地會增加0.7%與15.8%。土石山林區(qū)耕地將減少23.0%，林地與草地分別會增加0.2%與36.0%。3）基于“適地適樹”原則下的情景模擬，高塬溝壑區(qū)與階地平原區(qū)分別有279.16、233.73 km2面積可植樹造林，而丘陵溝壑區(qū)大片可退耕土地適宜于自然恢復(fù)。結(jié)果表明，丘陵溝壑區(qū)仍是未來生態(tài)恢復(fù)重點關(guān)注區(qū)域，是黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的熱點區(qū)域。

土地利用；植被；恢復(fù)潛力；植樹造林適宜性；相似生境；黃土高原

0 引 言

土地利用是聯(lián)系人類社會經(jīng)濟活動與自然環(huán)境演變的重要紐帶，能夠直觀反映人類活動對地表系統(tǒng)的改造過程[1]。植被作為土地景觀重要的構(gòu)成要素，是土地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因素之一，是土地利用變化環(huán)境效應(yīng)研究的重要內(nèi)容[2]。開展植被與土地利用變化的研究已成為當(dāng)前土地變化科學(xué)與水土保持研究的熱點[3]?？陀^把握植被與土地利用變化趨勢，是生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的必然要求，對區(qū)域生態(tài)恢復(fù)和規(guī)劃建設(shè)具有重要意義。

黃土高原是世界上水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一。自1999開始，國家實施了大規(guī)模的退耕還林（草）政策[4]，黃土高原植被覆蓋與土地利用結(jié)構(gòu)因此發(fā)生了顯著變化[5-6]。評估黃土高原退化土地上植被的恢復(fù)潛力與未來土地利用變化趨勢，是提高生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)效率的理論基礎(chǔ)。目前區(qū)域植被變化預(yù)測方法主要包括草地生態(tài)系統(tǒng)模型（Century Model，CENTURY）、SIB（Simple Biosphere model）、BIOME（Biome model）與LPJ等模型[7-9]。然而受植被預(yù)測模型建模理論的限制，大多數(shù)植被預(yù)測模型多適用于自然植被演替及其特定區(qū)域氣候的適應(yīng)變化模擬應(yīng)用中[7]，不能很好地模擬受人工植被影響強烈的生態(tài)系統(tǒng)[7,9]，且對植被恢復(fù)的蓋度預(yù)測能力不足[10]。自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外學(xué)者從不同視角，結(jié)合不同研究目的相繼構(gòu)建了一系列土地利用變化情景預(yù)測模型，主要包括馬爾科夫[11]、CLUE-S[12]、元細胞自動機（Cellular Automata，CA）及改進模型[13]、系統(tǒng)動力學(xué)（System dynamics，SD）[14]與FLUS（Future land Use Simulation model）[15]等模型。各模型在土地利用變化模擬應(yīng)用方面存在明顯的優(yōu)勢[1]，但土地利用變化涉及因素較多，單一的模型不能夠描述土地利用變化的復(fù)雜特征，特別是在地形破碎、受人類影響大的黃土高原地區(qū)。因此，科學(xué)合理地預(yù)測黃土高原植被恢復(fù)潛力、適地適樹植樹造林以及土地利用變化，尤為重要?！跋嗨粕场狈芫C合不同影響因素來表征黃土高原復(fù)雜的地貌特征，通過研究不同生境中植被的生長狀態(tài)，高效率地評估未來植被恢復(fù)的潛力[10]，而基于適地適樹原則的植被恢復(fù)適宜性評價，綜合考慮了黃土高原獨特的地貌與氣候特點，能夠有效識別未來適宜植樹造林的區(qū)域[16]，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合國家退耕還林/草政策等影響因素，科學(xué)分析土地利用變化進行科學(xué)合理地分析，對指導(dǎo)未來黃土高原植被建設(shè)具有重要意義。

北洛河流域地處黃土高原腹地，從東南向西北植被帶跨越森林植被、森林草原與典型草原帶等黃土高原主要植被類型區(qū)[17]，地貌類型包括了黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)、階地平原區(qū)以及土石山區(qū)等黃土高原的主要典型地貌類型[18]，水土流失面積1.73萬km2，占流域總面積的64.2%[19]，其上游吳起、志丹等縣域為代表的典型黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤侵蝕模數(shù)曾高達1.5萬t/km2，被劃為黃河下游多砂粗沙的主要策源地[6,19]。該流域是全國水土流失重點防治區(qū)和治理區(qū)之一[20]，上游吳起縣因在全國率先實施退耕活動，具有“全國退耕還林第一縣”的美譽。流域內(nèi)廣泛而深入的生態(tài)修復(fù)，使土地利用發(fā)生了深刻變化[21]，是開展土地利用以及植被恢復(fù)響應(yīng)研究的典型區(qū)域。因此，本文選取北洛河流域為研究區(qū)，借鑒“相似生境”法，分析北洛河流域植被未來恢復(fù)潛力，模擬未來土地利用變化，以期為黃土高原生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

北洛河位于黃土高原中部，河流長680 km，途經(jīng)陜西省榆林、延安、銅川、渭南、甘肅慶陽等地17個市縣區(qū)，于大荔縣東南匯入渭河，面積26 905 km2?？傮w屬暖溫帶大陸性氣候，年氣溫7.9～10.6 ℃，年平均降水量512.4 mm，主要集中在5—9月且多以暴雨出現(xiàn)。上游黃土丘陵溝壑區(qū)，面積約占流域面積的26.6%，屬典型草原植被帶，植被覆蓋差，土層深厚，地形破碎，主要土壤類型為黃綿土，抗蝕力差，是北洛河流域的主要產(chǎn)沙區(qū)，也是黃河中游粗泥沙集中來源地[19]。中游包括土石山林區(qū)和高塬溝壑區(qū)，屬森林草原植被帶。土石山林區(qū)占流域面積的39.8%，植被蓋度高，水土流失輕微；高塬溝壑區(qū)占流域面積的19.9%，塬面平整，溝谷重力侵蝕活躍。下游階地平原區(qū)占流域面積的13.7%，屬森林植被帶，地面平緩開闊，溝道發(fā)育少且淺，溝壑密度小，侵蝕輕微，是陜西省關(guān)中-渭北高原重要的農(nóng)業(yè)和果業(yè)發(fā)展基地[22]。流域地形地貌和植被分區(qū)如圖1所示。自20世紀(jì)90年代末以來，由于退耕還林（草）工程的實施，流域植被覆蓋情勢顯著改善[23]，水土流失嚴(yán)重狀況基本得到遏制。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1.1 自然要素數(shù)據(jù)

流域內(nèi)及周邊16個氣象站2001—2020年日氣象要素，包括：降水量、氣溫、日照時數(shù)、風(fēng)速和相對濕度等數(shù)據(jù)，來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://www.cdc.nmic.cn）。利用Penman-Monteith公式[24]估算各站點日潛在蒸散發(fā)量，累計到年。分別采用Kriging和Spline插值法獲得流域年面降雨量與年面潛在蒸散發(fā)量，從而得到干旱指數(shù)（圖2a），作為植被生長的水分限制條件

式中Dr為干旱指數(shù)；ET0為年潛在蒸散發(fā)量（mm）；P為年降水量（mm）。按氣象年干旱指數(shù)界定值與等間隔原則[25]，將干旱指數(shù)分為[1.23～1.5]、(1.5～1.75]、(1.75～2.0]、(2.0～2.25]、(2.25～2.5]，共5個級別。

從地理空間數(shù)據(jù)云共享到30 m分辨率的DEM(http://www.gscloud.cn)，提取坡度、坡向、坡形特征，將坡度分為[0～3°]、(3°～8°]、(8°～15°]、(15°～25°]、(25°～35°]、(35°～45°]、>45°，共7個等級[26]（圖2b），將坡向分為北坡(0～22.5，337.5～360]、東北坡(22.5～67.5]、東坡(67.5～112.5]、東南坡(112.5～157.5]、南坡(157.5～202.5]、西南坡(202.5～47.5]、西坡(247.5～292.5]、西北坡(292.5～337.5]，共8個坡向（圖 2c），按曲率計算原則將坡形分成凹形坡與凸形坡（圖 2d）。

1∶50萬土壤屬性來自黃土高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://loess.data.ac.cn/），由空間分布圖（圖2e）可知，研究區(qū)主要包括黃綿土、灰褐土、水稻土、新積土、黑壚土、紅土、粗骨土、沼澤土、風(fēng)沙土、褐土、黏土、潮土等12種土壤類型。黃綿土是該區(qū)主要土壤類型，約占研究區(qū)面積的64%。

2.1.2 植被蓋度數(shù)據(jù)

當(dāng)前植被蓋度高低，影響著未來生態(tài)恢復(fù)潛勢。2001 —2020年研究區(qū)綠色植被蓋度數(shù)據(jù)來源于MODIS植被覆蓋產(chǎn)品（MCD43A4，MOD09A1），空間分辨率500 m。該數(shù)據(jù)集按像元三分法將每個像元分出光合植被覆蓋（即綠色植被蓋度）和非光合植被覆蓋、裸地3種組分[23]。經(jīng)過與2019年地面實測數(shù)據(jù)同期對比進行驗證，其綠色蓋度估算精度2達0.83[23]，滿足研究精度要求?？紤]黃土高原氣候特征，選取綠色植被蓋度年最大值，獲得研究區(qū)2001—2020年植被蓋度數(shù)據(jù)。

2.1.3 土地利用數(shù)據(jù)

當(dāng)前的土地利用態(tài)勢，影響著未來植被恢復(fù)程度。從GEE平臺獲取2020年Landsat遙感影像，空間分辨率30 m。進行輻射校正和大氣校正處理，采用人機交互式目視解譯法及邏輯推理法進行解譯，參照國家土地利用分類系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，將土地利用分為耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地與水域5種類型。為驗證解譯精度，研究區(qū)隨機布設(shè)了981個點位，參照區(qū)域地形圖和土地利用現(xiàn)狀圖及通過Google Earth軟件中的高分影像進行核校，總正確率為92.85%，Kappa 系數(shù) 0.90，分類結(jié)果可靠[21]。

a. 干旱指數(shù)a. Drought Indexb. 坡度b. Slopec. 坡向c. Aspectd. 坡形d. Hillslope shapee. 土壤類型e. Soil type

2.2 研究方法

2.2.1 植被恢復(fù)潛力

“相似生境”，意即自然生境越相似，植被恢復(fù)最終形成的景觀越雷同，其植被覆蓋狀況越接近[27-28]。如果當(dāng)下某類生境區(qū)（土壤、干旱指數(shù)以及地形條件相同）的植被覆蓋度存在最大值，則有理由認為，該最大值即為這一地區(qū)植被恢復(fù)能達到的最大蓋度[28]。如果此類生境內(nèi)的植被覆蓋率與該最大值存在差異，則意味著此類生境內(nèi)未來植被覆蓋存在增長潛力。用上述干旱指數(shù)、地形、土壤、植被等要素及等級劃分標(biāo)準(zhǔn)進行圖層疊加，采用等權(quán)重法，共形成7 338個“相似生境”區(qū)，每個相似生境區(qū)約4 km2左右。對每個相似生境區(qū)20年的植被蓋度序列進行分析，為避免統(tǒng)計偏差，將90%分位數(shù)上的植被覆蓋度值作為該生境區(qū)的植被能夠恢復(fù)到的最大蓋度（VC）。根據(jù)2020年現(xiàn)狀植被蓋度（，%）和植被可恢復(fù)的最大蓋度，可估算區(qū)域植被恢復(fù)潛力指數(shù)（I，0～1）[28]。I越接近于1表明未來植被恢復(fù)空間越大；反之，則表明區(qū)域植被恢復(fù)已接近植被恢復(fù)上限。

2.2.2 植樹造林適宜區(qū)分析

植樹造林是重要的生態(tài)建設(shè)手段，適地適樹造林是重建生態(tài)功能的關(guān)鍵。研究區(qū)位于黃土高原東南部半濕潤氣候向西北部干旱氣候過渡區(qū)，其適地適樹造林主要取決于該區(qū)域尺度上的多年平均降水量和地形特征的綜合影響[29]。年平均降水量相對較高的區(qū)域，地形因素的影響會較小；反之，植被生長則將受到局地地貌對水、熱、光等生態(tài)要素重新分配的嚴(yán)重影響，形成隱域景觀。不同坡向上土壤水分儲量存在明顯差異，按照濕潤程度由高到低，依次為：東北向>北向>西北向>東向>西向>東南向>南向>西南向[30]，而凹形坡對水分聚集作用要較凸形坡強[31]，而由于峁頂風(fēng)力大，土壤蒸發(fā)強烈，以及峁坡承接外來徑流補給入滲等因素影響，出現(xiàn)坡度越陡，坡中部和坡腳部土壤水分越優(yōu)越的趨勢[31]。25°～45°作為可以植樹造林的坡度面[32]。植被帶是宏觀氣候（降水、氣溫、干燥度等）的綜合反應(yīng)，根據(jù)植被地帶劃分[17]，北洛河流域從東南的森林植被帶橫跨到西北的典型草原植被帶。受氣候特征影響，森林植被帶的造林受地形條件影響較小，而在典型草原植被帶將僅能在東北向和北向、凹型坡等易于聚集水分的微地貌條件下適宜造林。森林草原帶具有典型過渡特征，即越靠近森林帶，其微地貌上對造林影響越弱，越靠近典型草原植被帶，其微地貌對造林影響的控制越強烈。為表示這種過渡性，將該帶按等間距原則，劃分成16個子帶，首先考慮坡向，其次坡型，最后坡度這樣的先后次序來考慮微地貌組合下水分對植樹造林的影響力，比較均勻地表現(xiàn)出過渡帶上微地貌對水分和植樹的影響差異。

植被帶圖和土壤圖由矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為30 m 柵格數(shù)據(jù)，土地利用圖由30 m分辨率遙感影像解譯而來，將植被帶、坡度、坡向、坡形、土壤類型與土地利用等圖層疊加，逐柵格按條件遴選適宜造林微地貌。受到土地利用和土壤條件的現(xiàn)勢性影響，為有效計算區(qū)域的未來植樹造林狀況，將現(xiàn)有林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地與水域等土地利用和覆被類型，以及粗骨土和石質(zhì)土等土壤類型剔除，不作為未來植樹造林區(qū)域。具體流程如圖3所示。

圖3 北洛河流域植樹造林適宜區(qū)制圖流程

2.2.3 土地利用變化

根據(jù)植被恢復(fù)潛力與植樹造林適宜性分析結(jié)果，在國家實施黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展遠期規(guī)劃內(nèi)，退耕還林政策持續(xù)背景下，對未來20～30 a內(nèi)的土地利用變化做出分析。原則如下：

1）當(dāng)前土地利用用地限制。即當(dāng)前土地利用用地類型下，假設(shè)現(xiàn)有林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地與水域等用地類型未來變化不大。由于北洛河流域地廣人稀，1970—2020年北洛河的城鄉(xiāng)建設(shè)用地與水域占比始終為3%左右，對未來的土地利用變化影響較小，而在國家鞏固現(xiàn)有退耕還林成果并加強實施退耕還林的背景下，現(xiàn)有林地未來發(fā)生大規(guī)模變化概率較低，因此，在20～30 a內(nèi)假設(shè)現(xiàn)有林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地與水域等用地類型未來變化不大。

2）確定植被恢復(fù)潛力較大區(qū)域。對I<0.1的地區(qū)，認為植被恢復(fù)已接近植被蓋度最大值，其恢復(fù)潛力微弱，而I>0.1的地區(qū)，認為仍具有一定程度的植被恢復(fù)潛力[10]，是未來實施退耕還林（草）重點關(guān)注區(qū)，也是未來土地利用類型變化概率較大區(qū)域。

3）確定植樹造林適宜區(qū)。根據(jù)適地適樹造林原則，以及微域地貌的影響分析，確定植樹造林適宜區(qū)，不適宜造林的植被恢復(fù)潛力區(qū)，視為草地用地類型。

4）土壤類型的限制。認為粗骨土、石質(zhì)土等土壤類型，不適宜開展植樹造林。

5）政策的影響。即大于25°耕地應(yīng)退盡退的政策[33]。

3 結(jié)果與分析

3.1 未來植被恢復(fù)潛力預(yù)測

MODIS 2020年影像表明，北洛河流域2020年的植被蓋度空間分布差異明顯（圖4a）。不同地貌區(qū)植被覆蓋度統(tǒng)計顯示，土石山林植被蓋度最高，為88.8%，其次為高塬溝壑區(qū)，為84.1%，階地平原區(qū)和丘陵溝壑區(qū)分別為68.9%、61.9%。全流域植被覆蓋度為78.7%。

“相似生境”法確定未來植被恢復(fù)潛力結(jié)果表明（圖 4b），丘陵溝壑區(qū)未來平均植被最大恢復(fù)蓋度為71.1%，據(jù)此估算丘陵溝壑區(qū)植被蓋度仍有9.2%的改善幅度，而土石山林區(qū)、高塬溝壑區(qū)與階地平原區(qū)植被最大恢復(fù)蓋度分別為89.8%、84.1%與68.9%，表明這3種地貌類型當(dāng)前的植被覆蓋度已接近最大蓋度值，未來植被蓋度可以恢復(fù)余地很小。

a. 當(dāng)前植被蓋度a. Current vegetation coverb. 最大恢復(fù)蓋度b. Maximum recoverable vegetation coverc. 植被恢復(fù)潛力指數(shù)c. Vegetation restoration potentiality index

采用植被恢復(fù)潛力指數(shù)（式（2）），獲得了未來植被可以恢復(fù)的空間分布情況，結(jié)果如圖4c所示，植被恢復(fù)潛力指數(shù)從西北至東南遞減。具有植被恢復(fù)潛力的區(qū)域主要集中在水土流失嚴(yán)重的丘陵溝壑區(qū)，對該區(qū)進行核算，平均植被恢復(fù)潛力指數(shù)為0.13，約有36.4%的面積具有植被恢復(fù)潛力，其中絕大多數(shù)（99.8%）潛力指數(shù)在0～0.5之間，表明丘陵溝壑區(qū)未來植被仍有較大的改善余地。土石山林區(qū)平均植被恢復(fù)潛力指數(shù)為0.01，約有11.5%的面積具有恢復(fù)潛力，其潛力指數(shù)在0.1～0.5間，主要分布在與丘陵溝壑區(qū)的交界處。而高塬溝壑區(qū)，雖然其植被恢復(fù)潛力較高，但目前由于植被恢復(fù)良好，約有6.3%的面積恢復(fù)潛力指數(shù)介于0.1～0.5之間，表明該區(qū)域植被未來改善余地不大。而階地平原區(qū)絕大部分面積的植被覆蓋已經(jīng)接近或達到最大恢復(fù)潛力，約有4.2%的區(qū)域的潛力指數(shù)介于0.1～0.5。

3.2 未來植樹造林適宜區(qū)分析

假設(shè)未來氣候變化不大，北洛河可植樹造林空間的分布圖如圖5所示。整體上看，流域中未來可植樹造林面積約661.39km2，占全區(qū)面積的2.5%。

受氣候帶降水量與地形因素影響，適合未來植樹造林適宜區(qū)面積從南到北變得越來越零散和稀疏。植樹造林分布面積最大的區(qū)域位于氣候濕潤的高塬溝壑區(qū)與階地平原區(qū)，兩區(qū)域未來可植樹造林適宜面積分別可達279.16與233.73km2。而土石山林區(qū)，現(xiàn)有植被覆蓋率較高，未來適宜植樹造林面積較少，其面積為102.73 km2。而丘陵溝壑區(qū)植樹造林適宜區(qū)主要分布在一些聚水性較好的地方，所占面積很小，僅45.78 km2，表明丘陵溝壑區(qū)大部分區(qū)域的土地未來不適宜于植樹造林。

圖5 考慮土地利用現(xiàn)狀的未來可植樹造林地區(qū)分布

3.3 未來土地利用變化

流域2020年土地類型以耕地、林地和草地為主，其面積分別為5 916.46、15 809.67和4 296.62 km2，分別占研究區(qū)面積的16%、22%和58.8%。城鄉(xiāng)建設(shè)用地與水域面積較小，為823.44和58.81 km2，分別占研究區(qū)面積的3%和0.2%（表1，圖6a）。

根據(jù)土地利用變化分析思路，假設(shè)城鄉(xiāng)建設(shè)用地與水域面積不變，結(jié)合在考慮國家退耕還林政策的規(guī)定基礎(chǔ)上，與植被恢復(fù)潛力區(qū)進行疊加。未來土地利用變化總面積達846.12 km2，其中74.3%的面積位于丘陵溝壑區(qū)。從區(qū)間來看，黃土丘陵溝壑區(qū)土地利用變化最明顯（圖6c），與2020年相比，其耕地減少了47.4%，而林地與草地分別增加了0.7%與15.8%，這是由于地形破碎，陡坡耕地較多，水土流失劇烈，各項治理措施實施力度較大，植被恢復(fù)潛力高，造成未來土地利用變化較大；土石山林區(qū)因分布有子午嶺與黃龍山林區(qū)，現(xiàn)有植被蓋度較高，植被恢復(fù)潛力較小，未來改善力度相對丘陵溝壑區(qū)較弱，耕地較2020年減少了23.0%，而林地與草地分別增加了0.2%與36.0%；高塬溝壑區(qū)未來土地利用變化較小，耕地較2020年減少了5.2%，而林地與草地分別增加了0.6%與21.2%；而階地平原區(qū)，生態(tài)恢復(fù)力度弱于其他地貌區(qū)，未來土地利用相對于2020年變化不大，耕地僅減少了1.1%，而林地則增加了6.6%。

表1 北洛河流域土地利用現(xiàn)狀及其未來面積變化對比

圖6 北洛河2020年土地利用現(xiàn)狀、未來趨勢與變化區(qū)域分布

4 討 論

4.1 土地利用與植被蓋度的關(guān)系

土地利用反映了人類活動對地表系統(tǒng)的改造過程，植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的重要指標(biāo)。兩者均是區(qū)域氣候、生態(tài)與水文過程模擬所需的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。土地利用是植被變化的重要驅(qū)動力，而植被蓋度的變化是土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化的直接影響結(jié)果，密切相關(guān)，但不能替代。如Senay等[34]研究表明 Oklahoma 土地利用結(jié)構(gòu)和功能的改變導(dǎo)致植被覆蓋類型及其組合規(guī)律的變化；而李正國等[35]研究發(fā)現(xiàn)一定自然生態(tài)背景下土地利用方式?jīng)Q定了黃土高原植被覆蓋變化特征。 1999年國家開始實施退耕還林政策，在黃土高原范圍內(nèi)廣泛實施了植樹造林與陡坡耕地或裸地改為林草地等措施，而這些通過改變土地利用類型以提高植被蓋度措施的實施，使得土地利用類型與植被蓋度具有顯著的相關(guān)性[36-37]。因此，在實施了近20年的退耕還林/草的北洛河流域，退耕還林政策穩(wěn)定的情況下，在具有植被恢復(fù)潛力區(qū)域內(nèi)，分析以提升植被蓋度為目的的土地利用變化是合理且必要的，這不僅能從多角度分析區(qū)域生態(tài)演變特征，也為該區(qū)生態(tài)-水文過程模擬等研究提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考。

4.2 北洛河未來植被恢復(fù)措施

水分條件是黃土高原植被恢復(fù)的主要限制因子[31]，植被恢復(fù)措施應(yīng)“分區(qū)分類、因水制宜”。相關(guān)研究顯示，黃土高原主要有封禁、種草與造林三大植被恢復(fù)措施，其所占比例分別為12.5%、14.0%與73.6%[28]，但在不同降水量帶下，造林均為主要的植被恢復(fù)手段[28]。研究顯示，自1950年以來北洛河流域各項水土流失治理措施治理范圍和強度不斷增強，但是在黃土丘陵溝壑區(qū)與高塬溝壑區(qū)等水土保持重點區(qū)域，造林面積占水土保持綜合治理面積的比例高達60%以上[38]，然而在水分不足地區(qū)造林，會使土壤干層加劇[39]，并進一步制約植被恢復(fù)。因此，北洛河流域未來植被恢復(fù)應(yīng)在保證土壤水分可持續(xù)利用，不加劇土壤干層化的條件下，依據(jù)氣候-地形-土壤條件的差別，遵循自然規(guī)律，宜林則林，宜草則草，合理選擇植被恢復(fù)措施，因地制宜地構(gòu)建植被恢復(fù)模式與空間配置格局，提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

北洛河流域上游的丘陵溝壑區(qū)地處森林草原和典型草原過渡帶，受緯度的增加加上大陸性氣候?qū)е陆邓蜏囟葪l件惡化影響，其土地覆蓋具有典型草原植被帶的特征[40]，該區(qū)域植被修復(fù)除了人工退耕還林外，還包括以灌草地為主的自然植被恢復(fù)[41]，但植被恢復(fù)潛力區(qū)內(nèi)目前的土地利用中大于25°的陡坡耕地仍較多，屬于超地帶性開墾，結(jié)果顯示未來土地利用變化草地較2020年增加了15.8%，未來草地面積占區(qū)域面積的60%以上（表 1）。因此，受到該區(qū)降雨與水分承載力限制，丘陵溝壑區(qū)大部分區(qū)域并不適宜植樹造林（圖5），未來植被恢復(fù)應(yīng)以自然恢復(fù)草地與低耗水的灌木林種為主。

北洛河中游的土石山林區(qū)與高塬溝壑區(qū)地處森林帶，擁有豐富的森林資源，植被恢復(fù)以林灌為主[42]，而自2000年啟動的天然林資源保護工程[43]，旨在通過限制采伐活動保護區(qū)內(nèi)天然林，同時封禁治理措施的實施使子午嶺和黃龍林區(qū)的森林植被結(jié)構(gòu)和功能逐漸恢復(fù)。本區(qū)植被覆蓋本就良好，再加這兩項措施的實施，導(dǎo)致僅有12%的植被恢復(fù)空間（圖4c）。值得注意的是，在土石山林區(qū)，具有恢復(fù)空間的區(qū)域主要集中在靠近丘陵溝壑區(qū)的西北區(qū)域，該區(qū)域目前仍有140km2左右的需退耕的陡坡耕地，這可能是因為該區(qū)域內(nèi)毀林開荒活動比較嚴(yán)重造成的[44]。鑒于此部分區(qū)域靠近上游，氣候相對干燥，建議未來遵循植被演替規(guī)律和耗水規(guī)律的前提下，實施以灌草地為主自然植被恢復(fù)，并對荒山荒坡進行封禁管理。高塬溝壑區(qū)未來具有恢復(fù)空間的區(qū)間主要集中在區(qū)域內(nèi)的退耕地上，且塬面與塬邊是農(nóng)業(yè)與林果生態(tài)經(jīng)濟帶，植被恢復(fù)不僅要注意封溝禁牧，防止陡坡耕墾與過度放牧，還應(yīng)兼顧農(nóng)業(yè)發(fā)展，注意調(diào)整好農(nóng)、林、牧用地比例。

階地平原區(qū)處于森林植被帶，氣候較為濕潤，降雨充足，地貌平坦，水土流失輕微，生態(tài)治理力度小，2020年耕地占全區(qū)面積的75%以上，土地利用結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，未來植被蓋度已接近最大恢復(fù)潛力，改善余地有限，但應(yīng)注意區(qū)域人口密度大、城市化進程及工業(yè)生產(chǎn)活動等造成的植被退化。

4.3 不確定性分析

植被恢復(fù)潛力、植樹造林適宜性與土地利用變化，是環(huán)境、社會、經(jīng)濟等本底因素與驅(qū)動因子共同作用的結(jié)果[3,31]，這些因子間在不同的空間和時間尺度上形成錯綜復(fù)雜的相互關(guān)系，構(gòu)成了一個極其復(fù)雜聯(lián)動的巨系統(tǒng)，使結(jié)果具有一定不確定性[1]。盡管本文考慮了氣候與地理要素影響、國家退耕還林（草）政策、高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、參考文獻資料和專家經(jīng)驗，但由于生態(tài)系統(tǒng)影響因子之間關(guān)系的多維度特征、黃土高原情況的復(fù)雜性、數(shù)據(jù)的可獲取性，其結(jié)果仍存在局限性。在探討植樹造林的適宜性分析時，僅考慮了生物措施部分，對工程措施如梯田、淤地壩等的規(guī)劃和修建考慮較少，對結(jié)果會有一定影響。本文對土地利用變化分析，是基于植被恢復(fù)潛力，并假設(shè)未來城鄉(xiāng)建設(shè)用地與水域變化不大的前提，這兩類土地利用類型在北洛河流域所占比例雖然較?。ū?），但也會帶來一些誤差。

本研究立足黃土高原復(fù)雜狀況，基于植被與土地利用現(xiàn)狀，結(jié)合植樹造林適宜性判斷，為黃土高原土地利用變化模擬提供了新思路。而土地利用變化，受社會、經(jīng)濟發(fā)展水平主導(dǎo)，宜綜合自然和社會等多學(xué)科的知識和方法，理清各因素間的相互聯(lián)系，將更多的潛在影響因素納入到植被潛力與土地利用分析中，需在以后的研究中開展探索研究。

5 結(jié) 論

本研究基于北洛河流域2020年現(xiàn)狀，考慮區(qū)域氣候、地理與國家政策等因素，評估了各未來植被恢復(fù)的最大潛力、植樹造林適宜性與土地利用變化。研究結(jié)果有助于明確未來重點治理區(qū)域，并選擇適宜的植被恢復(fù)措施，對黃土高原植被生態(tài)建設(shè)具有重要的理論意義。主要結(jié)論如下：

1）北洛河地區(qū)未來植被恢復(fù)潛力的空間差異性顯著?；謴?fù)潛力較高的區(qū)域主要集中在上游的丘陵溝壑區(qū)，其平均植被最大恢復(fù)蓋度為71.1%，目前距離此值仍有9.2%的改善幅度，可恢復(fù)面積約占36.4%。土石山林區(qū)約11.5%的面積具有一定改善幅度，而高塬溝壑與階地平原區(qū)未來恢復(fù)余地不大。

2）受降雨、地形與植被賦存現(xiàn)狀等限制，丘陵溝壑區(qū)與土石山林區(qū)未來適宜植樹造林面積較小，分別為45.78與102.73 km2，而高塬溝壑區(qū)與階地平原區(qū)因氣候條件，預(yù)估未來可植樹造林面積為279.16與233.73km2。

3）未來土地利用變化總面積達846.12 km2，其中74.3%的面積位于丘陵溝壑區(qū)。與2020年相比，丘陵溝壑區(qū)耕地面積將減少47.4%，而林地與草地面積將分別增加0.7%與15.8%。土石山林區(qū)耕地將減少23.0%，林地與草地將分別增加0.2%與36.0%。高塬溝壑區(qū)耕地較2020年將減少5.2%，林地與草地分別增加0.6%與21.2%。

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Vegetation restoration potential and land use change in different geomorphological areas of the Loess Plateau

Yi Haijie1,2,3, Zhang Xiaoping1,2,3,4※, He Liang4, Zou Yadong4, Lyu Du1,2,3, Xu Xiaoming4, He Jie4, Wang Yichen4, Tian Qilong1,2,3

(1.,,712100,;2.,,712100,;3.,100049,;4.,,,712100,)

“Grain for Green” program has been implemented in the Loess Plateau of China since 1999, in order to control excessive soil erosion and sediment production. There is a profound impact on the vegetation cover and land use structure in recent years. It is a high demand to analyze the potential of vegetation restoration, plantation suitability areas, and land use change for regional ecosystem restoration planning and ecological protection. Taking the Beiluo River Basin as an example, this work aims to clarify the potential of vegetation restoration, vegetation suitability area, and land use change in various geomorphological areas using the dataset of climate, geography, vegetation cover, and land use. The “similar habitat” was also introduced for the statistical and geographical spatial analysis. Results showed that: 1) The spatial distribution of vegetation cover varied significantly in the study area in 2020. The vegetation cover of the earth-rock mountain area was the highest at 88.8%, followed by the gully area at 84.1%, and the terrace plain area and hilly-gully area at 68.9% and 61.9%, respectively. A spatial distribution pattern of vegetation restoration potential was obtained with the “high in the northwest and low in the southeast”, particularly in the hilly-gully area in the upper reaches. The maximum recoverable vegetation cover of the hilly-gully area was 71.1%, where still 9.2% potential for the vegetation cover and the vegetation of 36.4% of the area continued to improve in the next 20-30 years. By contrast, the area with the vegetation to be improved accounted for about 11.5% of the earth-rock mountain area. The maximum recovery potential was achieved in the vegetation cover in the gully and terrace plain areas after 20 years of restoration. Therefore, there was no room to improve in the future. 2) The current land use types were dominated by cropland, forestland and grassland. The land use predictions showed that the land use change was mainly concentrated in the hilly-gully area in the next 20-30 years. The cropland decreased by 47.4% in the hilly-gully area, compared with 2020. The forestland and grassland increased by 0.7% and 15.8%, respectively. Since the cropland decreased by 23.0%, the forestland and grassland increased by 0.2% and 36.0%, respectively, in the earth-rock mountain area. Conversely, there was only a slight change in the future land use in the gully and terrace plain area. 3) The scenarios simulation was conducted to determine the plantation’s suitability using the principle of “Matching Tree Species with Site”. The suitable planting area in the gully and terrace plain area was 279.16and 233.73 km2, respectively. A large area of returned cropland in the hilly-gully area was suitable for the natural restoration. There was relatively sporadic suitability for the planting area in the hilly-gully and earth-rock mountain areas. It implied that the hilly-gully area was the key area for future ecological restoration, which was the hotspot for ecological protection and high-quality development in the Yellow River Basin. Considering the limited rainfall and water carrying capacity, the ecological measures of “adaptation to local conditions” were proposed to avoid soil drying for future vegetation restoration in the Loess Plateau.

land use; vegetation; restoration potential; forest planting suitability; similar habitat method; Loess Plateau

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.028

S157.2；X171.4

A

1002-6819(2022)-18-0255-09

易海杰，張曉萍，何亮，等. 黃土高原不同地貌類型區(qū)植被恢復(fù)潛力及其土地利用變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(18)：255-263.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.028 http://www.tcsae.org

Yi Haijie, Zhang Xiaoping, He Liang, et al. Vegetation restoration potential and land use change in different geomorphological areas of the Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 255-263. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.028 http://www.tcsae.org

2022-05-26

2022-07-17

國家自然科學(xué)基金項目（41877083, 41440012）

易海杰，博士生，主要研究方向為土地利用與水文生態(tài)效應(yīng)。Email：haijieyi@nwafu.edu.cn

張曉萍，博士，博士生導(dǎo)師，研究員，主要研究方向為黃土高原土地利用變化和土地覆蓋演變。Email：zhangxp@ms.iswc.ac.cn