根据IPCC评估报告，气候系统变暖是毋庸置疑的，全球气候正在发生巨大的变化^[1]。IPCC报告同时指出，土地利用变化是人类活动影响气候系统的重要途径之一，并且专门列出“农业、林业和其他土地利用”作为减缓全球气候变化的重要途径^[1]。在全球变化背景下，由于人类不合理的经营活动，以及飞速发展的城市化进程所产生的土地利用变化，生态系统服务受到了极大的影响^[2]。土地利用变化在一定程度上直接反映了人类活动的影响，可以改变生态系统类型、格局以及生态过程，直接影响了生态系统服务，是生态系统服务变化的重要驱动力之一^[3-5]。林业、农业和其他土地利用变化对生态影响研究的重要性日益凸显，因此掌握我国乃至全球土地利用变化科学规律，科学评估土地利用变化(LUCC)对全球生态系统的影响显得尤为紧迫。土地利用变化与生态系统服务变化之间的响应关系研究是当前全球变化研究的热点问题^[6-7]。水源涵养、土壤保持、防风固沙服务作为生态系统调节功能的重要部分^[8]，在全球变化下研究土地利用变化对生态系统这些调节功能的影响具有重要意义。

黄土高原的土地利用类型多种多样，历史上土地利用变化包括退耕还林、退耕还草、开垦等多种类型，由于在自然要素(如植被、土壤、地形、地貌以及水文、气候等)及土地利用方面的过渡性质，黄土高原生态系统对气候和土地利用变化非常敏感。作为气候变化的敏感区和生态环境脆弱区，黄土高原对于全球变化的响应迅速而明显，易于形成表征各种变化和作用机制的强信号，有助于黄土高原土地利用变化生态效应的研究，也可更好地揭示全球变化下人类活动与土地利用变化、生态系统服务变化相互影响的过程和规律。

1 数据与方法 1.1 研究区分区

黄土高原地处半湿润气候向半干旱、干旱气候过渡带，区域内部呈现出明显的区域差异。为更好地比较黄土高原内部不同区域的差异性，本文按照以下原则进行生态气候分区：(1)自然条件和自然资源的相对一致性原则；(2)保持县(市、区、旗)行政区界完整性原则；(3)综合性和主导性原则。按照上述原则，将黄土高原分为4个一级区：半湿润区、半干旱区、干旱区和高原区(图 1)。每个一级区下再分为二级区：半湿润区包括南部半湿润气候森林区和中部半湿润气候森林草原区，面积约占整个黄土高原面积的40.3%；半干旱区仅包括北部半干旱气候草原森林区，面积约占26.4%；干旱区包括河套平原干旱气候荒漠草原绿洲区、西北部干旱气候荒漠草原区和鄂尔多斯高原干旱气候荒漠草原区，面积约占27.7%；高原区仅包括黄河上游山地垂直气候高原森林草原区，面积约占5.6%。

1.2 土地利用数据

土地利用数据主要来自由中科院地理所刘纪远研究员牵头，自1990年起不断更新和修正的全国土地利用数据集。该数据集基于遥感卫星影像数据，通过大量的人机交互解译得到，并通过大量的野外验证和精度评价进行修正。土地利用数据一级类精度达94%以上，满足本文需求^[9-11]。考虑到数据的可获得性和准确性，本文主要使用了2000、2010、2015年三期1 km栅格百分比土地利用数据和2000—2010、2010—2015年两期土地利用动态变化数据。为更好地对比不同时期的土地利用变化规律，本文主要采用了变化面积、变化比例和年均变化速率等指标进行对比分析。

1.3 水源涵养估算

水源涵养主要采用降水贮存量法进行估算，该方法已广泛用于水源涵养服务的计算。具体计算公式如下：

式中：Q为与裸地相比较，森林、草地等生态系统涵养水分的增加量，m³；A为生态系统面积，hm²，数据主要来自于前述的土地利用数据集中的生态系统数据；J为计算区产流降雨量，mm；R为与裸地相比较，森林、草地等生态系统减少径流的效益系数；J₀为计算区降雨总量，mm；R₀为产流降雨条件下裸地降雨径流率；R_g为产流降雨条件下生态系统降雨径流率；K为计算区产流降雨量占降雨总量的比例^[12-13]。以上因子数据主要来自于2000—2015年中国地面气候资料日值数据集，采用一定的数据预处理所得。

1.4 土壤保持估算

土壤保持主要使用通用土壤流失方程RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation)进行计算。该方法已经被广泛应用于土壤侵蚀估算和水土流失风险评价以及土地资源调查和水土保持规划等领域。土壤保持量采用潜在土壤侵蚀量与现实土壤侵蚀量之差进行计算，潜在土壤侵蚀量为没有植被覆盖和任何水保措施时的土壤侵蚀量，现实土壤侵蚀量为考虑地表植被覆盖和水土保持措施时的土壤侵蚀量。具体公式如下：

式中：A 为单位面积土壤保持量；R 为降雨侵蚀力因子，数据主要来自于2000—2015年中国地面气候资料日值数据集，采用澳大利亚ANUSPLIN样条函数方法插值成1 km分辨率的空间数据；K为土壤可蚀性因子，数据主要来自于中国1:100万土壤数据集；L为坡长因子、S为坡度因子，数据主要来自于90 m分辨率的DEM数据，经过提取和重采样成1 km分辨率的空间数据；C为植被覆盖因子，主要来自于MODIS的NDVI数据集；P为水土保持措施因子^[14-15]。

1.5 防风固沙估算

防风固沙主要采用修正土壤风蚀方程RWEQ (Revised Wind Erosion Equation)进行估算。该方程已广泛应用于田块或区域尺度的多种自然地理环境的风蚀估算。防风固沙量采用极度退化状态下土壤风蚀量与实际地表覆盖条件下土壤风蚀量之差进行计算。具体公式如下：

式中：M_w表示土壤风蚀模数；x表示地块长度，m；Q_x表示x处的沙通量，kg·m^-1；Q_max为风力的最大输沙能力，kg·m^-1；s为关键地块长度，m；WF为气候侵蚀因子，kg· m^-1；EF为土壤侵蚀因子；SCF为土壤结皮因子；K′为地表糙度因子；COG为植被覆盖因子^[16-17]。估算所用的NDVI数据为2000—2015年的MOD13A3数据，来源于美国国家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS数据产品，空间分辨率为1 km×1 km，时间分辨率为1个月，日降水量数据来源于中国气象数据网；土壤类型数据来源于中科院南京土壤研究所，DEM、生态系统分类数据来源于中科院地理所，空间分辨率为1 km。

2 结果与分析 2.1 土地利用时空变化

2015年，黄土高原土地利用分布空间格局见图 2。草地面积最大，约占41.67%，其次为耕地和林地，分别占31.56%和15.17%，水域、建设用地和未利用地分布相对较少。其中，耕地和林地主要分布在半湿润区，分别约占整个耕地和林地面积的52.0%和68.2%，其次分布在半干旱区。草地在半湿润区、半干旱区和干旱区均有分布，且分布比例相差不大，占比从27.7%(半湿润区)到35.3%(干旱区)。建设用地主要分布在半湿润区，未利用地大部分分布在干旱区和半干旱气候区。

据2000—2010年和2010—2015年黄土高原各土地利用类型面积变化空间分布(图 3)可知，前10年中黄土高原土地利用变化动态较大，后5年整体变化放缓。2000—2010年，黄土高原土地利用变化方式主要以退耕为主，主要分布在半干旱区，其次分布在半湿润区，干旱区也有少许分布。这主要是由于前10年国家退耕还林和退耕还草等生态工程的实施。具体而言，退耕还林主要集中在陕西省境内，其次是山西省北部；退耕还草主要集中在山西、陕西和内蒙古3省交界处，甘肃省东北部分布也较多。退耕还林主要分布在半干旱区，远大于在其他3个区中的面积，退耕还草较为均匀地分布在半湿润区、半干旱区和干旱区。在半干旱区，退耕还林和退耕还草面积相差不大，约为1000 km²。在半湿润区和干旱区，退耕还草的面积是退耕还林面积的3~4倍。而在高原区，基本没有退耕还林，但有少量的退耕还草发生。其他土地利用变化类型为建设用地扩张和草地转为耕地，以及草地林地互相转换、林地转为耕地等。2010—2015年，退耕还林和还草的空间范围和强度均有所降低，退耕重点分布在半干旱区和半湿润区，集中分布在甘肃东北部，其他省份分布范围较小。后5年土地利用变化类型主要是以建设用地增加为主，在半湿润区、半干旱区和干旱区均有分布，建设用地主要由林地、草地、耕地、未利用地等转换而来。

据2000—2010年和2010—2015年黄土高原各土地利用类型面积变化(表 1)可知，近15年来，黄土高原耕地面积呈现一直下降的状态，且下降比例有所降低，减少速率减半。前10年黄土高原林地面积增加较多，后5年林地速度放缓，增加较少。草地面积呈现一直减少的状态，且减少比例逐渐增加，减少速率也有一定的增加。建设用地面积稳步增长，增加面积相差不大，但增加速率加倍。

2.2 水源涵养时空变化

2011—2015年，黄土高原单位面积水源涵养量由半湿润区向干旱区递减，其中，水源涵养服务最高的为半湿润区和高原区，其次为半干旱区，最低的为干旱区(图 4)。黄土高原森林、草地、湿地生态系统平均水源涵养量为1.750 1×10¹⁰ m³·a^-1，单位面积水源涵养量为314.96 m³·hm^-2·a^-1。其中，森林生态系统的水源涵养总量高于草地，高于湿地，而单位面积水源涵养量森林生态系统最高，其次为湿地，最低为草地(图 5)。

与2000—2010年相比，全区2011—2015年的年均水源涵养量上升了8.87%，半湿润区和半干旱区的单位面积水源涵养量均有一定的增加，增加比例分别为11.7%和19.8%，而干旱区和高原区的单位面积水源涵养量有所下降，但下降比例不高，分别为1.2%和3.6%。2000—2010年和2011—2015年两个时段，森林与草地生态系统年均水源涵养量、单位面积水源涵养量后一时段高于前一时段，而湿地生态系统则表现为后一时段低于前一时段。

2.3 土壤保持时空变化

2011—2015年，黄土高原区平均土壤水蚀模数为14.14 t·hm^-2·a^-1，土壤水蚀量为8.50×10⁸ t·a^-1，生态系统土壤保持量为2.886×10⁹ t·a^-1，单位面积土壤保持量为46.25 t·hm^-2·a^-1。具体而言，平均土壤水蚀模数最高的是半干旱区，其次为半湿润区，最低的是干旱区和高原区；土壤保持量最高的是半湿润区，其次为半干旱区，最低的是高原区和干旱区；单位面积土壤保持量最高的是半湿润区，其次为半干旱区和高原区，最低的是干旱区(图 6)。其中，水蚀量和水蚀模数最高的均是草地，其次是农田，最低的是森林。年均土壤保持量最高的是草地，其次为森林和农田，而单位面积土壤保持量最高的是森林(图 7)。

与2000—2010年相比，2011—2015年年均土壤水蚀模数下降了13.8%，年均单位面积土壤保持量上升了33.54%，年均土壤保持量上升了33.49%。具体而言，4个区水蚀模数均有所下降，下降比例最大的是高原区和半湿润区，分别为29.2%和26.8%，其次为半干旱区，水蚀模数下降了11.0%，下降比例最低的为高原区，仅为4.2%。除高原区外，其他3个区的水土保持量均有所增加，其中半干旱区增加比例最高，约为82.4%，其次为半湿润区和干旱区，分别增加了约45%，高原区水土保持量下降了约19.1%。2000— 2010年和2011—2015年两个时段，农田、森林、草地3类生态系统后一时段的年均土壤水蚀模数、土壤水蚀量较前一时段有所减少，年均土壤保持量与单位面积土壤保持量较前一时段均有所增加。

2.4 防风固沙时空变化

2011—2015年，黄土高原区平均土壤风蚀模数为2.93 t·hm^-2·a^-1，土壤风蚀量为1.83×10⁸ t·a^-1，生态系统防风固沙量为7.15×10⁸ t·a^-1，单位面积防风固沙量为11.46 t·hm^-2·a^-1。具体而言，风蚀模数最高的为干旱区，其次为高原区，半干旱区和半湿润区相对较低；单位面积防风固沙量最高的为高原区，其次为干旱区；防风固沙量最高的为干旱区，其次为半干旱区和半湿润区，最低的为高原区(图 8)。其中，黄土高原风蚀模数最高的是荒漠，其次是草地、农田和森林，风蚀量和防风固沙量最高的是草地，其次是荒漠和农田。单位面积防风固沙量最高的是荒漠，其值远大于其他生态系统类型，其次是草地、农田和森林(图 9)。

与2000—2010年相比，2011—2015年年均土壤风蚀模数下降了49.27%，年均单位面积防风固沙量下降了37.63%。具体而言，4个区的风蚀模数和防风固沙量均有所下降。其中，高原区和干旱区风蚀模数下降高达50%以上，防风固沙量下降最大的是干旱区，下降比例高达33%以上，另外3个区下降比例均在17%左右。2000—2010年和2011—2015年两个时段，农田、森林、草地、荒漠4类生态系统后一时段的年均土壤风蚀模数、土壤风蚀量、单位面积防风固沙量与防风固沙量较前一时段均有所减少。

3 讨论 3.1 黄土高原土地利用变化驱动因素分析

土地利用变化主要是受气候变化和人为活动两大因素影响。自20世纪90年代以来，受全球变化和人为活动影响，我国土地利用类型发生了巨大的变化，不合理的土地开发活动在一定程度上加剧了生态环境的恶化^[18]。为了改善生态环境恶化趋势，我国自2001年实施了退耕还林、退耕还草等一系列生态保护工程。与国际上其他国家土地利用变化对国家政策响应较为缓慢不同^[19]，我国土地利用变化对国家政策的响应较为迅速，尤其是黄土高原地区。2000年以来黄土高原地区耕地转为草地和林地，主要是受已实施的生态保护工程，包括退耕还林工程、退耕还草工程、天然林保护工程、三北防护林工程等的影响。其中，生态退耕的耕地主要分布在坡度大于25°的丘陵地区的坡耕地和旱地。与此同时，21世纪以来，国家实施了西北大开发战略。在此战略的影响下，黄土高原也开始了大规模的快速的城镇化进程，直接影响了建设用地的扩张，导致了建设用地对耕地、林草用地和未利用地等其他土地利用类型的侵占。尽管2013年国家主体功能区战略的提出对我国东部地区城镇化进程有一定的放缓影响，但对黄土高原等西部地区影响较小，黄土高原建设用地仍在以较高速度进行扩张^[20]。受全球气候变化的影响，近15年间，黄土高原地区的气温有一定程度的升高，降水有所增加^[21]，这有利于植被的恢复，但整体上对该区土地利用类型变化影响相对较小^[22]。综上，黄土高原地区土地利用变化主要还是受人为因素影响较大。

由于本文采用的土地利用数据主要基于Landsat遥感影像数据，采用人工目视解译的方法研发，而此方法在识别林地和草地时会有一定的时间滞后，因此可能导致后5年的退耕被低估。一般而言，退耕还林和还草由于林地和草地的生长趋势，尤其是林地，退耕还林栽种的一般是小树苗，与农田在遥感影像上纹理、色泽等差异不大，因此有可能不能及时在遥感影像上反映出来。而建设用地的扩张，一般是侵占农田、林地和草地，这3类土地利用类型与建设用地在遥感影像上差异较大，能够较好地识别。因此，2010— 2015年黄土高原的退耕还林和还草的面积有可能被低估。尽管如此，整个黄土高原近15年的土地利用变化规律仍与已有的研究结果较为一致^[22-24]。

3.2 黄土高原不同分区生态系统服务综合分析

生态系统水源涵养服务受气候、土壤、植被、地形地貌等因素影响，是一个极其复杂的综合调控过程。森林生态系统受林冠层截留能力、枯落物叶层截持能力和林地土壤持水能力三方面的影响^[25]，而草地生态系统主要受植被截持能力和土壤层持水能力两方面的影响。因此，在同等情况下，森林生态系统的水源涵养能力要高于草地生态系统。退耕还林还草生态工程的实施，能够提高植被覆盖度，对水源涵养服务功能的恢复与提升发挥了积极作用，这在黄土高原地区体现尤为明显^[26]，同时，草地生态系统的提升要大于森林生态系统的提升。虽然退耕还林还草可以适当增加植被覆盖度，有效降低风速和水分蒸发量，但黄土区不合理的植被覆盖可能会对土壤水分平衡造成破坏，对水源涵养能力提升产生破坏^[25]，今后选择何种退耕还林还草方式仍是一个值得关注的研究。

森林生态系统通过林冠层、枯落物层和根系土壤层对降水截持和吸收，减少降水对土壤的冲刷，进而实现土壤保持功能。草地生态系统缺少林冠层对降雨的截留作用，农田生态系统植被覆盖度相对更低^{[14, 27]}，因此，单位面积上土壤保持量最高的是森林，其次是草地，再次是农田。但由于黄土高原地区草地面积最大，因此，黄土高原地区土壤保持总量最高的是草地，其次为森林和农田。黄土高原地区近年来气温有升高趋势，植被长势变好^[28]，在一定程度上减少了区域的土壤侵蚀量。同时，由于黄土高原地区水保措施不断优化，因此在整个区域上，后5年的土壤保持量高于前10年。

防风固沙服务量可以衡量生态系统削弱风力、降低风蚀量的防风固沙能力，其受到风速、植被覆盖等气候因素和人为因素双重影响。已有研究表明，风蚀力对土壤风蚀影响较大，在年际尺度上远大于土壤湿度、雪被盖度等因子的影响^[29]。植被覆盖度对土壤风蚀有一定的抑制作用，但由于受水热时空格局影响，不同时段的植被对土壤风蚀的抑制作用不同^[30-31]。近几十年，中国风速呈现下降趋势^[32]，风蚀力下降，同时，由于黄土高原植被恢复相对较好，对风蚀的抑制作用增强。因此，黄土高原地区的土壤风蚀模数呈现下降趋势，防风固沙量也呈现下降趋势。

不同分区的生态系统服务受到分区面积和单位面积生态系统服务量的综合影响。其中，2000—2010年和2011—2015年的两个时段不同分区、不同生态系统类型的生态系统服务空间格局与2000—2015年整体分布特征相吻合，能够在整体上反映黄土高原生态系统服务的空间布局，有利于今后在黄土高原统筹部署生态工程。上述不同分区的不同生态系统服务的对比仅限于生态系统实物量的定性对比，今后考虑到不同生态系统服务的对比，可进一步计算生态系统服务的价值量，进一步进行定量对比。此外，黄土高原地区的食物供给功能也十分重要，今后研究中可将食物供给功能加入综合分析，有利于黄土高原生态系统的健康发展。

3.3 全球变化和土地利用变化对生态系统服务的影响分析

生态系统服务受到全球变化和土地利用变化的双重影响，与土地利用变化的驱动因素不同，全球气候变化对生态系统服务影响较为明显，生态系统服务对气温和降水等气候因子的变化响应较为迅速和明显。由于土地利用类型的变化在年际间反应较为缓慢，一般5、10年才会有较为明显的反应，因此对生态系统服务年际间的变化影响较小。而气温、降水等气候因子年际变化较大，作为服务功能的计算因子，通常能够直接影响水源涵养、土壤保持和防风固沙等生态系统服务的年际变化^[33]。但考虑到气温、降水等气候因子每年变化的不确定性，分析全球气候变化对生态系统服务影响时通常在10年或者更长的时间尺度上进行。但由于数据可获得性等原因，目前已有研究通常在时间尺度上受限，而且多是从定性角度进行讨论。由3.1可知，土地利用变化受到全球变化和生态工程等人类活动的影响，而全球变化和土地利用变化又同时影响了生态系统服务，生态系统服务又会对全球变化产生反馈作用，因此如何定量进行分析是今后研究的重点。

而生态系统服务的年际变化主要受气温和降水等气候因子影响，即受全球气候变化影响较大，而在10年或者更长的时间尺度上，生态系统服务受土地利用变化和全球气候变化的双重影响较大。而全球变化和土地利用变化对生态系统服务影响的贡献率则需要进一步定量深入研究。

4 结论

2000—2015年，黄土高原耕地和草地持续减少，而建设用地和林地持续增加。前10年土地利用变化以退耕还林还草为主，后5年土地利用变化主要以城市化为主。除城市化速度加快外，其他变化整体放缓。

黄土高原地区水源涵养量最高的是森林，其次为草地和湿地，土壤保持总量最高的是草地，其次为森林和农田，防风固沙总量最高的是草地，其次为农田。2011—2015年，黄土高原森林与草地水源涵养量高于前10年，而湿地水源涵养量有所降低，农田、森林、草地后一时段的土壤水蚀模数有所减少，土壤保持量均有所增加，农田、森林、草地、荒漠土壤风蚀模数和防风固沙量均有所减少。

近15年，黄土高原土地利用变化主要受国家生态保护工程、西部大开发和主体功能区战略等政策的影响。生态系统服务的年际变化主要受气温和降水等气候因子的影响，而在10年或者更长的时间尺度上，生态系统服务变化受土地利用变化和全球气候变化的双重影响。

致谢: 中国科学院地理科学与资源研究所刘纪远研究员对本文整体思路和研究方法提供了指导，曹巍副研究员、课题组毕业生吴丹和巩国丽对本文采用的生态系统服务计算方法提供了帮助，课题组工程师刘大鹏和黄海波在生态系统服务数据处理过程中提供了帮助，在此一并表示感谢。