重點區域林地時空變化特征及驅動力分析

2021-03-20 03:08:18崔綠園鄧曉娟楚晶晶

中國農業大學學報 2021年3期

崔綠園李晶鄧曉娟王媛楚晶晶

(1.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中國國土勘測規劃院自然資源部土地利用重點實驗室，北京 100035)

林地在區域和全球的生態系統過程中扮演重要的角色[1]，合理開發和利用林地資源，關系到國家生態文明建設和社會經濟的可持續發展[2]。十九大報告指出，堅持人與自然和諧共生[3]，必須樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念。林地是重要的生態資源，是綠水青山的重要組成部分。自20世紀90年代始，我國開展造林綠化、退耕還林工程，增加了生態用地的面積[4-5]，但同時經濟快速發展導致大面積的毀林開墾和林地征占，消耗了很多的優質林地，林地的保護和修復工作面臨著巨大挑戰。

基于遙感數據分析林地的時空變化特征已成為目前土地利用研究的重點。國內外的研究大多數都聚焦在區域尺度的土地利用/覆蓋變化[6-7]、林地數量變化以及森林干擾遙感監測[8]等方面，傳統林地變化對比分析研究時間跨度大但數據量較少[9]，針對長時序變化分析的研究較少，而且多數研究僅關注了某個特定區域的短時間內的林地變化[10-11]，且林地變化的分析未聚焦到像元尺度，林地變化軌跡特征分析較少。同時，我國林地的分布空間差異大，不同地理位置的空間特征差異使得挖掘變化的內在原因以便因地制宜的制定相關政策尤為重要[12]。

本研究利用遙感監測數據和社會經濟等數據，通過土地利用變化動態度、轉移矩陣模型、核密度估計及主成分分析等方法，分別進行林地變化數量特征、轉移特征、分布特征等長時序時空特征分析，并從社會經濟方面進行林地變化驅動力分析，從像元尺度揭示3 個典型省(自治區)林地變化軌跡特征、驅動力和異同點等，本研究成果旨在深入分析林地的變化特征和驅動力，以期為生態用地保護修復和林業可持續發展政策制定提供理論參考和數據支撐。

1 研究區概況與數據獲取

1.1 研究區選取

根據2009—2013年森林資源二類調查數據，以省級區劃為單位選取東北林區、南方林區、西南林區中林地面積占轄區比例最高的3 個省(自治區)，即黑龍江省、廣西壯族自治區和云南省，進行長時序的林地變化特征和驅動力分析，并比較林地變化的異同點。

1.2 數據獲取

所用數據包括遙感數據、矢量圖形和社會經濟數據3 類。其中，遙感數據使用資源環境數據云平臺(www.resdc.cn/)提供的中國土地利用遙感監測數據產品，該產品的土地利用分類精度可滿足本研究的分類要求，該平臺每隔5 年或10 年提供一期數據產品。基于可獲取的遙感數據，本研究中，使用1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年共7 期數據進行分析。矢量圖形數據使用資源環境數據云平臺(www.resdc.cn/)提供的2015年中國縣級行政邊界數據。社會經濟數據來自于黑龍江、廣西、云南統計年鑒。

2 研究方法

參考土地利用現狀分類和土地利用/土地覆蓋遙感監測分類體系劃分林地土地利用類型，在此基礎上分析3 省(自治區)的林地變化過程和變化驅動力。本研究的技術路線見圖1。

2.1 林地土地利用類型劃分

2.2 林地利用變化動態度

一定時期內林地的變化速度和變化幅度用林地利用動態度表示[17]，計算公式如下：

(1)

式中：K為研究區域監測時段林地的年變化率；Si、Sj為監測開始和結束時林地的面積，萬hm2；T為研究時長，年。

2.3 聚類分析

采用K-means算法[18]進行聚類分析，將數據分為K組，則隨機選取K個對象作為初始的聚類中心，然后計算每個對象與各個聚類中心之間的距離，把每個對象分配給距離它最近的聚類中心。首先以3 省(自治區)各縣級行政單位的林地面積占相應轄區面積比為聚類樣本進行聚類分析，其中，黑龍江、廣西、云南的樣本數依次為86、120、126；然后，將得到的聚類結果按照變化趨勢分成基本不變、有下降趨勢和有上升趨勢3類。3省(自治區)林地變化過程再以像元為單位進行林地變化軌跡聚類分析，在所有研究的35年時段內，林地和非林地的轉化方式較為復雜，主要有以下3種：1)保持原地類不變化；2)某1年變為其他地類后不再變化；3)有2次以上不同地類相互轉化，本研究將該種轉化方式稱為波動轉化。因此林地和非林地的轉化類型進一步分成8種類型，分別為：持續林地、持續非林地、林地轉化為非林地、非林地轉化為林地、林地波動轉化為林地、林地波動轉化為非林地、非林地波動轉化為林地、非林地波動轉化為非林地。

圖1 本研究技術路線圖

表1 林地類型劃分

2.4 林地轉移特征

應用研究初期(1980年)和末期(2015年)的土地利用遙感數據，構建土地利用轉移矩陣[19]，用來度量林地的轉入和轉出，其數學表達式如下：

(2)

式中：Aij為研究初期與研究末期的土地利用狀態；n為土地利用類型個數。

2.5 核密度估計

核密度估計[20]被采用研究林地在空間上的分布以及在不同空間位置的概率分布。核密度估計常被用于進行空間柵格探測研究，利用空間平滑對點狀數據進行密度分析，計算公式如下：

(3)

式中：f(x)為地點x處的核密度估計；n為樣本數；hn為帶寬，即搜索半徑；k為核函數；(x-xi)為地點x到樣本點xi的距離。為使3省(自治區)的核密度估計有可比性，經多次嘗試，使用30 km搜索半徑為最佳，本研究中使用自然斷點分類法將林地空間核密度值分為：低值區、較低值區、中值區、較高值區、高值區。

“奶娘踩罡”在整個舞蹈過程中，且歌且舞，舞曲曲譜中反復出現13|16|653|5……和35|15|51|3……這樣的旋律，與畬歌常用襯音“哈嚕嚕”極為相似，因而富有畬歌韻味。[4]這些畬族民歌（歌言）與舞蹈配樂伴奏都大量出現并且重復的旋律與節奏，可以加入到音樂專業必修課視唱練耳、鋼琴基礎與即興伴奏的教學中。

2.6 主成分分析

林地變化與自然環境、人類活動息息相關，但由于自然因素在整體大環境中控制著林地變化，而社會經濟因素是在較短的時間內影響林地變化的主要外部驅動力，因此本研究側重研究3 省(自治區)林地變化的社會經濟驅動力。結合3 省(自治區)實際情況和現有資料，選取城鎮化率(X1)、第一產業產值(X2)、第二產業產值(X3)、第三產業產值(X4)、人均生產總值(X5)、固定資產投資額(X6)、鐵路網密度(X7)、公路網密度(X8)、普通高等學校數(X9)共9個社會經濟指標，與有林地面積(Y1)、灌木林地面積(Y2)、疏林地面積(Y3)、其他林地面積(Y4)4個因變量，在SPSS軟件中進行主成分分析，基于主成分分析結果計算各年林地變化的驅動因子綜合得分，再構建多元逐步回歸模型[21]，找出影響黑龍江、廣西和云南林地變化的主要社會驅動因素。驅動因子綜合得分計算公式如下：

(4)

式中：F為驅動因子綜合得分；F1、F2分別為主成分分析中2 個主成分的得分；F1con、F2con分別為對應主成分的方差貢獻率。

3 結果與分析

3.1 林地變化數量分析

1980—2015年，林地面積占轄區比例大小排序始終為廣西>云南>黑龍江，林地面積減少量從大到小分別為黑龍江(116.15 萬hm2)、云南(10.37 萬hm2)、廣西(3.14 萬hm2)。從林地內部主要構成看3 省(自治區)林地構成差別也很大：黑龍江林地多為有林地和灌木林地，兩者面積比約為9∶1；廣西林地多為有林地、灌木林地和疏林地，面積比約為6∶2∶2；云南林地多為有林地、灌木林地和疏林地，三者面積比約為4∶4∶2。林地利用動態度和變化量見表2，由表2可知：黑龍江監測期內7個階段林地利用動態度均<0，動態度絕對值有減小趨勢，自2000年起林地減少量在10 萬hm2以內；廣西在1990—1995年、2000—2005年和2005—2010年動態度均>0，其均值為0.23%，林地有小幅增加，主要來源于疏林地(0.32%)和其他林地(3.73%)，2010—2015年林地減少6.80 萬hm2，減少量最大；云南僅1990—1995年、2005—2010年林地利用動態度>0，前一階段變化貢獻來源于灌木林地(0.03%)、疏林地(0.05%)和其他林地(0.02%)，后一階段變化貢獻來自于其他林地(4.25%)。3省(自治區)發生較大幅度波動變化的類型均為其他林地和有林地，2者包括人工林、用材林、各類園地，受到頻繁人類活動的干擾，因此變化最為突出。

表2 3 省(自治區)林地變化動態度和變化量

通過對3省(自治區)各區縣的林地面積占各轄區比進行K-means聚類分析(表3)，黑龍江、廣西和云南均有超過30%的區縣林地面積呈上升趨勢，而呈下降趨勢的區縣個數占比分別為12.79%、23.33% 和24.60%，3 省(自治區)約有30%～50%的區縣林地面積基本無變化。但由于林地面積的減少程度高于增加的幅度，因此3 省(自治區)的林地整體面積仍呈下降趨勢。

表3 3 省(自治區)各區縣的林地面積占各轄區比聚類分析

3.2 林地轉移特征分析

利用轉移矩陣可以揭示林地發生數量變化的轉移軌跡，結果見表4。結果表明：1)黑龍江林地凈減少116.15 萬hm2，占1980年林地面積的5.34%，其中多為有林地和灌木林地的轉出，林地轉為耕地、草地面積依次占轉出面積的82.72%和13.72%；林地主要來源是草地、耕地和水域，占轉入面積比分別為57.45%、28.04%和13.43%。2)廣西林地凈減少3.14 萬hm2，占1980年林地面積的0.20%，其中多為有林地和疏林地的轉出，林地轉為耕地、草地面積依次占轉出面積的 60.81% 和30.62%；林地主要來源是耕地和草地，占轉入面積比分別為 61.64% 和31.19%。3)云南林地凈減少10.37 萬hm2，占1980年林地面積的0.47%，其中多為有林地和灌木林地的轉出，林地轉為耕地、草地面積依次占轉出面積的41.99%、54.82%；林地主要來源是草地和耕地，占轉入面積比分別為53.89%和44.11%。3省(自治區)的林地二級類型中有林地的變化最為明顯且均呈減少特征，且耕地和草地與林地之間的轉入轉出關系密切。

3.3 林地變化時序軌跡特征分析

圖2為3省(自治區)林地變化軌跡的聚類分析結果，該結果為像元尺度上的林地數量變化軌跡，并根據像元變化的方式進行分類別展示。1980—2015年，黑龍江省域范圍44.16%的面積為非林地，集中在黑龍江東部和西部，38.12%為持續林地且在區域中呈斜對角線分布，林地與非林地之間的轉換多發生在持續林地和持續非林地的交界處，且以波動變化成為原地類為主，黑龍江并未發生大面積的林地、非林地轉化，林地轉化成非林地的面積占2.92%，在2 種地類之間波動轉化區域不足1%。廣西有51.72%的面積保持為林地，未形成大面積連片分布，20.42%為持續非林地，13.66%的面積由林地轉為非林地，13.59%由非林地轉化為林地，發生波動變化區域不足1%。云南持續林地占比最多，為41.29%，27.24%為持續非林地，林地和非林地相互轉化區域較多，其中14.60%由林地波動轉化為非林地，14.51%由非林地波動轉化為林地。綜上，云南地類轉化以波動變化為主，變化期間受擾動地類不穩定，而黑龍江、廣西的地類轉化則較為直接，地類變化后未發生2次變動。

表4 1980—2015年3 省(自治區)林地變化轉移矩陣Table 4 Transfer matrix of forest land change in three provinces (autonomous region) from 1980 to 2015 萬hm2

圖2 1980—2015年3省(自治區)林地-非林地轉化類型

3.4 林地空間分布特征分析

圖3為從整體空間上展示35 年研究區間內，重點區域林地的核密度變化特征。由圖3可見：1)1980—2015年，黑龍江林地分布無大規模改變，沿西北—東南成林地斑塊條狀分布，高值區1980—1990年小幅度增加，1995年后小幅度減少，1995—2000年連片分布較高值區出現斷裂成為中值區，并一直持續到2015年，中值區大幅度擴張出現在1990年、1995年和2005年，2000年林地縮小出現較低值區；2)廣西林地空間分布無大規模變化，分布特點為四周高、中間低，以較高值區連片分布為主，高值區較為分散，較低值區分布少，較高值區自1990年開始面積縮小，較低值區1980—2015年呈擴張—縮小—擴張變化，2000年出現了小范圍的中值區并逐漸擴大；3)云南林地空間分布無大范圍改變，分布特點為西北、西南、東南方向高，東北方向低，高值區未成大面積連片分布，較低值、低值區分布少，總體的林地分布較為廣泛，1980—2015年，高值區逐漸縮小，2000年時出現斷裂成為較高值區，較高值區逐漸縮小自1995年起逐漸被中值區取代，1995年后低值區出現并擴張；4)3個省(自治區)的林地在空間分布上都未有大規模改變，主要表現為較高值區的縮小和較低值區的擴張。

3.5 林地變化驅動力分析

基于上述林地時空變化特征分析結果，進一步分析影響林地變化特征的驅動力。由表5可知：黑龍江林地二級類型與城鎮化率相關性強，其中有林地受城鎮擴張的影響大，與城鎮化率、經濟發展水平、鐵路網密度顯著相關，其他二級類型與除城鎮化率之外的社會經濟因子相關性不顯著。廣西疏林地和其他林地與社會經濟因子的相關性顯著，以第二產業產值、第三產業產值、人均生產總值為主的經濟發展水平是廣西林地變化的社會經濟驅動因子。云南林地與第二產業產值、人均生產總值極顯著相關，經濟發展水平是云南的主要社會經濟驅動因子。

經過主成分變換，黑龍江、廣西和云南前2 個主成分的累計貢獻率分別達到95.852%、98.274%、94.229%，第一、二主成分包含絕大部分的信息。3 個省(自治區)的第一、二主成分載荷具有一個共同特點：第一主成分在經濟發展水平(X2、X4、X5、X6)和交通發展水平(X8)上具有較高載荷，第二主成分中城鎮化率(X1)具有較高載荷，因此經濟發展水平、交通發展水平和城鎮化發展水平是影響林地變化的主要驅動因素。3 個省(自治區)的驅動力綜合得分變化圖如圖4，3 個省(自治區)的驅動力綜合得分總體都呈波動增加趨勢，并在2015年均趨于0.6～1.0。黑龍江1980—2005年間驅動力綜合得分有小幅度的下降，之后呈逐漸上升趨勢，說明對于黑龍江，林地變化的驅動力作用在波動上升；廣西的驅動力和云南的驅動力均呈現上升趨勢，廣西驅動力得分上升的幅度更大，說明社會經濟因子對林地變化的驅動力呈增加態勢。

圖3 1980—2015年黑龍江、廣西和云南林地核密度分析

基于相關性和主成分分析結果，將因變量3 個省(自治區)各林地二級類型面積Yi(i=1,2,3,4)和自變量各類驅動因子Xi(i=1，2，…，9)，進行多元逐步回歸分析(表6)。在進行多元逐步回歸分析中，由于有些自變量對因變量沒有足夠的影響力或者該變量對其他因變量產生明顯的共線性，因此有些林地二級類型(廣西有林地和云南灌木林地)未生成多元逐步回歸模型。

綜上，1980—2015年，社會經濟因素對3 個省(自治區)林地的影響呈增加態勢，黑龍江林地變化主要驅動力是城鎮化發展水平，廣西林地變化主要驅動力是經濟和交通發展水平，云南林地變化主要驅動力是經濟發展水平。社會經濟的快速發展侵蝕林業用地不可避免，城鎮化進程加快使得林地的保護力度有所下降而且建設用地也必然會侵占林業用地。自1978年后，我國林業政策從“木材生產為中心”的政策理念朝著“林業經濟效益與生態效益并重”的政策理念演變，林業重點工程開始大面積實施，在1990—2000年這段時間內林地的面積是有一定的增加的，但35 年來自然條件的改變和經濟發展建設以及人口的快速增長也逐步消耗著林地資源。因此，在接下來的林業工作中，重點應為：抓好新造林，增加森林面積，管好現有林，提高森林質量，注重經濟效益、生態效益、社會效益的統一，實現林業的長遠發展。