摘要：人类活动和气候变化正在使干旱和半干旱地区环境脆弱的黄土高原退化。土地退化威胁着人类和生态的生存。为防止土地进一步退化，确保该地区的生态发展和耕地质量，中国在 20 世纪 90 年代末启动了 "退耕还林 "行动。这项工作极大地促进了黄土高原植被的发展。然而，土地退化是复杂的，因此我们还必须研究自然和社会变量，以防止进一步退化。因此，本研究提出了一个综合指标体系来量化黄土高原的土地退化情况，并利用机器学习来预测高风险地点。该项目改善了土地退化状况，退化风险的空间分布在该地区北部较高，东部和南部较低。GDP和人口密度是土地退化的主要驱动因素。工业化和城市化提高了土地退化的风险，目前土地退化面积占总面积的 1-2%。黄土高原是中国可持续发展的关键地区，本研究强调黄土高原的可持续土地管理。综合评估指标体系和随机森林建模机器学习有助于掌握现状和未来的预防措施。
研究结果
1. 归一化差异植被指数的时间序列变化及空间分布
根据 NDVI 图样的变化可以看出，在实施全球森林增长计划后，大多数地区的植被生长都呈现出持续增长的态势（图 1），其中山西省的绿化趋势尤为明显。然而，随着城市化进程的扩大和人口密度的增加，黄土高原东南部至西北部的植被覆盖率略有下降。从 1990 年到 2000 年，即全球植被覆盖计划实施之初，黄土高原的整体植被覆盖率有所提高。NDVI 值较高的地区主要位于黄土高原北部、黄土高原东部的山西吕梁山、六盘山和秦岭。然而，大部分地区的 NDVI 值仍然较低。在陕北高原南部，NDVI 值偏低的地区多为沙地和灌溉农业区，如内蒙古南部的毛乌素沙地和沙漠，以及宁夏中部和陇中高原西部的高海拔地区。
图 1 1990-2000 年（a）、1990-2015 年（b）、2015-2020 年（c）黄土高原 NDVI 年变化趋势
结合 ESAI 的结果（图 2），在黄土高原西部，尽管 1990 -2000年植物覆盖率有所提高，但土地退化敏感性仍然很高，仍然存在土地退化的风险。不过，黄土高原东部和南部的植物覆盖率有所下降，但对土地退化的敏感性却处于中等水平。黄土高原沙地和灌溉农业区的植物覆盖率有所增加。然而，与其他地区对土地退化的敏感性相比，黄土高原的这一部分仍然存在严重的土地退化问题。因此，仅凭 NDVI 的变化不足以预测该地区的土地退化风险。需要对该地区的生态环境变化进行详细分析，以提高黄土高原土地退化的防治效果。
2. 黄土高原土地退化的时空变化情况
1990 年至 2020 年黄土高原的 ESAI 结果表明，大部分地区的土地退化程度很高（图 2）。在研究期间，黄土高原的土地退化脆弱性总体上呈下降趋势。然而，在追求经济强度方面的高质量发展目标时，由于人类活动和气候变化的影响，黄土高原的部分地区仍面临土地退化的风险。虽然粮食生产能力不会受到重大影响，但长期来看有可能出现恶化趋势。对于面临严重退化风险的土地，研究发现，从 1990 年到 2015 年，黄土高原约有五分之一的土地面临严重退化的高风险。在对土地退化的不同敏感度方面，1990 年有 27.97% 的土地对退化具有高度敏感性，包括 C1、C2 和 C3 类。2000 年，全球绿色增长方案开始第一轮实施后，严重退化土地减少了约 7.95%。2015 年全球绿色增长方案完成后，严重退化的土地仅占 17.24%，其中 C2 类退化最为严重，比例下降了约 30%。随着城市化进程的加快，2020 年约有 36.26% 的土地面临严重退化的风险，增加了 0.52%。
图 2. 1990-2020 年间黄土高原土地退化敏感性的年际变化。土地退化敏感性比例的变化（A）；土地退化敏感性的时空变化（B）
图 3. 1990 年、2000 年、2015 年和 2020 年黄土高原年 ESAI 的空间分布
3. 各质量指标变量的空间模式变化
ESAI的空间分布结果表明，基于土壤、植被、气候和社会经济因素，黄土高原大部分地区易受土地退化的影响。从西北到东南，黄土高原的土地退化敏感性逐渐降低。黄土高原西北部（包括内蒙古南部、陕西省北部和宁夏东部）对土地退化最为敏感。最敏感的地区位于沙区和农业灌溉区，以及黄土高原的部分沟壑区和坡地。由于降水量少、土壤贫瘠、植被稀疏，这些地区的 CQI、SQI 和 VQI 都增加了土地退化的敏感性。中度敏感区和轻度敏感区大多位于土石山区和河谷平原，如山西省和陕西省南部。植被覆盖度和降水量从东南向西北的分布格局同样在减弱。黄土高原地区在完成一期造林工程后，易受影响的土地分布有所减少，土地退化状况有所改善。
图4. 1990 年、2000 年、2015 年和 2020 年的质量指标图：(a)、(b)、(c) 和 (d) 植被质量指数 (VQI)；(e)、(f)、(g) 和 (h) 管理质量指数 (MQI)；(i)、(j)、(k) 和 (l) 气候质量指数 (CQI)；(m)、(n)、(o) 和 (p) 土壤质量指数 (SQI)。
4.预测潜在的土地退化区域
对ESAI的区域和时间分布以及随机森林模型结果的分析结果表明，社会经济因素对土地退化的敏感性具有主要影响。这是因为与其他因素相比，社会经济因素的影响更大。为了全面了解造成土地退化的根本原因，必须分析土地退化过程中环境和社会经济因素之间错综复杂的相互作用。本研究为了解与土地退化直接相关的负面影响提供了重要见解。这些发现可以提高决策者对土地退化有害影响的认识，促进采取可持续的土地管理策略来减轻土地退化的影响。需要开展更多研究，以促进收集高分辨率时间序列土地覆被数据。这些数据可为测量土地退化和及时发现特定类型的土地退化提供全面的见解。此外，有必要开展进一步调查，以阐明土地退化的具体机制以及不同指标对土地退化易感性的影响。
图 5. 随机森林精度验证：预测的 NDVI（a）；预测残差（b）
图 6. 黄土高原未来 NDVI 下降可能性预测结果（A）和土地退化驱动因素的重要性（B）注：（"+++++"表示>90%；"++++"表示>80%；"+++"表示>70%；"++"表示60%；"+"表示>50%）
结论与讨论
从时间趋势来看，1990 年的土地退化更为严重，三分之二以上的土地退化敏感度被归类为中度到重度。1999 年，植树造林行动开始后，黄土高原的植被覆盖率急剧上升。2000 年，敏感土地面积比例下降到 20.92%。经过改善后，大部分中度土地退化敏感度转移到低度敏感度的 F1 和 F2 脆弱级别。降低到 34.98%，更敏感的 F3 级脆弱类土地面积比例也有所下降。在 2015 年全球脆性土地行动计划初始阶段完成后，中度敏感地形的比例仍然最高。然而，在中等敏感度级别，F1 级的面积比例攀升至 8.30%，F2 级的面积比例增至 37.05%，F3 级的面积比例降至 34.31%。在整个研究期间，生态修复的优势逐渐明显，土地退化的敏感度逐渐降低，非敏感区域的比例逐渐增加。严重退化土地的改善在 2015 年尤为明显，非常敏感的土地退化比例下降到 17.24%。 到 2020 年，约有 36.26% 的土地面临严重土地退化的风险，增加了 0.52%。
ESAI的空间分布结果表明，基于土壤、植被、气候和社会经济因素，黄土高原大部分地区易受土地退化影响。黄土高原自西北向东南，土地退化敏感性逐渐降低。黄土高原西北部（包括内蒙古南部、陕西省北部和宁夏东部）对土地退化最为敏感。最敏感的地区位于沙区和农业灌溉区，以及黄土高原的部分沟壑区和坡地。由于降水量少、土壤贫瘠、植被稀疏，这些地区的 CQI、SQI 和 VQI 都增加了土地退化的敏感性。中度敏感区和轻度敏感区大多位于土石山区和河谷平原，如山西省和陕西省南部。植被覆盖度和降水量从东南向西北的分布格局同样在减弱。黄土高原地区在完成一期造林工程后，易受影响的土地分布有所减少，土地退化状况有所改善。对 ESAI 的区域和时间分布以及随机森林模型结果的分析结果表明，社会经济因素对 ESAI 起着主导作用。
原文信息：
Yu, Z., Deng, X.*, Fu, P., Grebby, S., & Mangi, E. (2024). Assessment of land degradation risks in the Loess Plateau. Land Degradation & Development, 1–16. https://doi.org/10.1002/ldr.5069
（于子钺 供稿）
