黄土丘陵沟壑区土地利用变化对退耕还林工程的响应及驱动力分析外文翻译资料

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黄土丘陵沟壑区土地利用变化对退耕还林工程的响应及驱动力分析

摘 要

退耕还林计划(GGP)的实施加剧了黄土丘陵沟壑区的土地利用/覆盖变化(LUCC)。明确黄土丘陵沟壑区的土地利用/覆盖变化对退耕还林计划的响应和驱动力，是更有效地实施退耕还林计划以缓解该地区土壤侵蚀的基本前提。

本研究分析了2000-2010年和2010-2018年两个研究期间内，耕地向林地和草地转换的时空特征。利用2000年、2010年和2018年的土地利用遥感(RS)和土地利用监测数据，利用转移矩阵和动态度模型探索耕地、林地和草地之间的变化。其次，利用逻辑回归模型进一步探索了林地和草地增加的驱动力。选取14个驱动因素：GGP、高程、坡度、人口密度、单位土地面积GDP、到城市的距离、到居住区的距离等。结果表明：（1）在两个研究期间，耕地区主要向林地和草地转移。2000年至2010年，耕地转为林地和草地占21.48%，耕地向外迁移面积占68.01%。2010-2018年则依次分别占13.26%和74.3%；（2）从逻辑回归模型的结果可知，高程、GGP、年平均温度、坡度III(6-15°)，以及单位土地面积上的GDP，是2000年至2010年的主要驱动力。此外，较突出的驱动力是GGP、海拔、农村人口密度、斜坡III(6-15°)，以及2010年至2018年的土壤pH值。本研究结果有助于我们更好地了解耕地向林地和草地的转化，为促进研究区土地资源的可持续发展提供科学依据。

关键词 退耕还林计划（GGP）；退耕还林还草；驱动力；逻辑回归模型；黄土丘陵沟壑区

介绍

由于人口增长和经济发展的飙升，对土地资源需求不断增加，以及对原始森林和草原的过度消耗，导致了土地覆盖变化的过的转变和生态环境^[1–3]的不可逆转的退化。环境恶化不仅导致区域土地生产力下降，而且给社会经济和人民生计带来风险。为了解决这些环境问题，确保人类的粮食和生命安全，中国政府开展了一系列的生态恢复项目^[5]。其中，规模最大、参与水平最高的退耕还林项目于1999年在四川、陕西、甘肃进行了试点。它于2002年在全国范围内正式启动，在2014年^[6,7]重新启动了该项目的新一轮试点。实施该项目的目的是通过将陡坡上的耕地转化为森林或草地，来减缓水土侵蚀，提高植被覆盖率。

截至2018年，近133333公顷的耕地逐步转为林地和草地，总投资达到5000亿元^[9]。后来的研究表明，经过20年的建设，退耕还林计划在缓解土壤侵蚀和沙尘暴^[8,10,11]，扭转生态恶化趋势，促进人与自然和谐发展方面取得了显著成果^[12-14]。该生态恢复项目将导致大规模的、变革性的土地利用变化，并在区域和国家^[15]层面上产生深远的环境和社会经济影响。此外，土地利用/覆盖变化(LUCC)是全球环境变化和可持续性的一个焦点问题，因为它与自然和人类活动密切相关，影响着城市、社会和人民日常生活的可持续发展^[16-19]。然而，在区域范围内，GGP对LUCC的影响仍然是基本未知，因为最近的研究对退耕还林计划的新一轮实施不够关注。因此，探索退耕还林计划对土地利用变化过程的影响对于理解和评估区域和国家范围内大规模生态恢复工作的有效性至关重要。

学者们对退耕还林计划对土地利用/覆盖变化的影响进行了大量的研究。部分学者选择了特定的研究领域，并建立了土地利用变化的计算模型来进行相关的研究。具体来说，探讨了^[20–24]实施退耕还林计划后不同地区土地利用、覆盖和景观特征的现状、合理性、发展的变化。此外，一些学者根据退耕还林计划实施的背景，分析了该区域土地利用的空间分布和变化轨迹，评估了项目实施前后对景观结构、植被覆盖、固碳能力、土壤侵蚀等生态效益的影响，发现启动退耕还林计划不仅可以影响土地利用/覆盖变化，还可以增加植被覆盖率，增加碳汇储量，显著提高水土保持效果^[14,25-28]。此外，本项目的实施提高了生态系统管理的效率，满足了生态环境保护的需要，促进了更有效的土地资源规划和管理，缓解了人地矛盾^[24]。总之，以往的研究采用自然科学、地理信息系统(GIS)和遥感技术为工具，研究耕地向林地和草地的转化，可以更客观、真实、直观地反映土地利用的变化动态、规模和强度。上述研究也肯定了退耕还林计划的效益，并为土地政策的制定、土地资源的可持续利用以及退耕还林计划的后续实施提供了科学合理的建议。然而，大多数研究只关注退耕还林计划的第一轮项目及其对土地利用变化的影响（2002-2014年），而没有深入研究第二轮项目（2014年至今）对土地利用变化^[20–24]的影响。因此，第二轮项目中研究的土地利用变化成果无法用来评估整个项目的实施效果，也无法为新一轮退耕还林计划的改进提供理论基础和应用价值。此外，大多数研究将耕地的生态转化视为分析的宏观背景，仅从数量和空间分布的角度分析土地利用变化，对区域土地利用变化及其驱动因素缺乏关注。明确区域土地利用变化规律及其影响因素，对于合理利用土地资源和生态环境的可持续发展尤为重要。

为了进一步探讨退耕还林计划影响下土地利用变化的驱动机制，学者们首先对土地利用的时空变化进行了描述，并基于退耕还林计划的背景，通过构建实用的计量经济学模型，探讨不同土地利用类型的驱动因素。主要包括中国土地利用变化的空间模式和驱动力，退耕还林计划在不同尺度下的驱动力，退耕还林计划的模式演变和内部驱动机制，耕地生态恢复前后的特征和影响因素，以及GGP政策驱动力对土地利用变化的影响^[24、29-32]。本结果表明，退耕还林的政策推动了土地利用的变化，这不仅取决于项目的实施状况，还受到当地经济发展水平、人口和社会因素以及自然条件^[4]的影响。由于固定的土地基础和各种生产活动对土地资源的不同需求，上述驱动因素造成的土地利用变化的方向和规模也可能是不同的^[33]。综上所述，学者们分析了退耕还林计划引起的土地利用变化的驱动因素，为平衡城市化进程和生态恢复过程提供了依据，构建了典型区域可持续土地利用结构和优化模型^[24,29-32]。然而，区域土地利用变化受到社会、经济、自然、地理因素和退耕还林计划^[4]的综合影响，学者们并没有根据他们先前的研究的基础上进一步探讨导致土地利用变化时空差异的其他因素和机制^[34]。与此同时，这些研究未能有效衡量政策对区域土地利用变化的贡献，无法有效估计影响该地区土地利用变化的是自然因素还是政策因素。

本研究主要旨在分析2000-2010年和2010-2018年两个研究时期，黄土丘陵沟壑区土地利用变化对退耕还林计划影响的响应，以及退耕还林还草的驱动力。为了实现这一目标，我们首先评估了两轮退耕还林计划实施后的土地利用变化。其次，利用逻辑回归模型探讨了退耕还林计划对退耕还林还草的驱动力，并对两轮GGP的结果进行了比较和分析。本文所选择的指标体系和驱动因素可以更全面地反映项目实施过程中土地利用格局的变化，更有效地体现出退耕还林计划对土地利用变化的贡献。此外，本研究还可以为黄土丘陵沟壑区合理运行退耕还林计划提供区域决策支持，促进区域土地利用发展。

材料和方法

.研究区域

黄土丘陵沟壑区位于黄土高原中部，是黄土高原^[35]中最典型的地貌类型和空间单元^[35]。黄土丘陵沟壑占地1400万公顷，主要地貌由脊状和波束状丘陵组成。它包括内蒙古南部、山西西部、陕西北部、宁夏南部和甘肃中部（图1）。

黄土丘陵沟壑区地形破碎，沟壑纵横。人类在该地区无节制地开垦土地，并进行了严重的森林砍伐，导致了植被破坏、土壤侵蚀和水土流失。黄土丘陵沟壑区属于暖温带半干旱大陆性季风气候区，降水集中、气候温暖干燥，水资源稀缺。研究区年平均降雨量为513.8mm，90%以上的降雨量集中在5月至9月。全年地表径流分布集中，汛期（6月-9月）的径流占年径流的70%以上，甚至集中在几次暴雨中。由于人口的快速增长和土地承载能力的下降，黄土丘陵沟壑区被指定为退耕还林计划的关键地区。

图1.黄土丘陵沟壑地区的地理位置。(a)中国边界；(b)黄土丘陵沟区；(c)黄土高原不同地区.

数据源和预处理

使用的陆地卫星TM、ETM 和OLS遥感图像数据集均来自中国科学院资源与环境科学数据中心(RESDS)(http://www.resdc.cn/，于2021年1月29日访问)。通过人工视觉解释和实地验证，对土地进行的综合、高精度评价显示，土地利用类型^[36–38]一级分类的准确率达到93%以上。根据中国土地资源分类体系“国家遥感调查与资源与环境动态研究”建立的项目^[39]，该地区确定了6个一级土地利用类型，即耕地、林地、草地、水域、建设用地和未使用地（表1）。这些土地使用类型的对应数字代号详见附录A。本研究基于ArcGIS平台，对土地利用三阶段（2000年、2010年和2018年）数据进行空间分析，分别将2000-2010年和2010-2018年两个研究阶段。2010年与2000年相比，耕地向林地和草地的转换设为1，林地和草地的不变量设为0，其他数据类型设为无数据。与2010年相比，2018年耕地向森林和草地的转换设置为1，林地和草地的不变量设置为0，其他数据类型设置为无数据。两个研究期间的土地利用变化数字见附录B。

根据类似研究结果和黄土丘陵沟区的实际特征、数据表示和可达性，本文选择了退耕还林计划的投资、自然、社会经济和地理位置四类驱动因素（表2）。各具体指标的数据来源和预处理方法如下：

表1 黄土丘陵沟壑区土地利用类型划分

表2在逻辑回归建模中使用的自变量列表。