嘉陵江中上游林地資源與地形因子時空變化研究
——以四川省武勝縣為例

李常春, 楊家軍

1. 廣安市園林局，四川 廣安 638500；

2. 廣安市廣安區(qū)自然資源和規(guī)劃局，四川 廣安 6385501

林地是森林資源的重要組成部分，它不僅是林業(yè)發(fā)展的基礎，而且是控制森林資源消耗，增強森林生態(tài)防護效益，實現(xiàn)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的根本與保障[1]。同時，林地資源作為森林資源生存發(fā)展的載體，承擔著生態(tài)建設的主體[2]，履行著建設、保護和恢復森林、濕地、荒漠生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性的重要職能[3]。它關系到區(qū)域生態(tài)格局和環(huán)境變化，尤其是嘉陵江中上游地區(qū)，水土流失、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害近年頻頻發(fā)生，很大程度與土地利用結構、林地資源空間布置有著密切的關系。而地形因子是景觀空間分布格局的重要影響因子，特別是在人為活動占優(yōu)勢的景觀中，地形條件成為大尺度景觀空間分布格局的決定因素[4]。目前，在景觀和植被格局分析中，地形因素的作用已經(jīng)引起關注[5]。大量專家和學者從不同角度研究林地資源景觀與地形因子之間的關系，取得了很好的效果。Knight等利用不同時期遙感數(shù)據(jù)、地貌數(shù)據(jù)及地形高程模型作為空間數(shù)據(jù)層進行了空間疊加操作，分析了不同地貌類型、不同流域的林地資源動態(tài)變化[6]。M.N.Quiddity運用遙感和GIS技術監(jiān)測河岸林地資源變化情況[7]；謝雪等從景觀生態(tài)學和邏輯回歸學深刻分析了京津冀地區(qū)1985～2000期間林地變化的時空格局及其影響因素，分析結果表明,林地景觀破碎化正在下降和林地形狀變得越來越規(guī)則[8]；章皖秋等利用GIS空間分析功能，研究了天目山自然保護區(qū)內(nèi)各植被類型空間分布規(guī)律，定量描述了自然保護區(qū)內(nèi)各植被類型的高程、坡向、坡度分布，并給出了科學的統(tǒng)計結果[9]；孔繁華等以大興安嶺圖強林區(qū)為研究背景，探討了火后地形對林地景觀格局變化的影響情況，進而為森林資源的可持續(xù)經(jīng)營與管理提供了科學依據(jù)[10]。曾宏達研究了武夷山林區(qū)，認為地形深刻影響著樹木的天然分布，森林資源空間分布與地形緊密相關[11]。在林地類型識別、劃分方面，經(jīng)過國內(nèi)外大量學者的共同努力已取得很大的進步，而且已有很多研究學者開始利用高空間分辨率遙感影像開展林地資源類型變化監(jiān)測和劃分[12]。Noumea Y.O.等[13]利用1986年的Landsat TM數(shù)據(jù)和2001年的Landsat ETM+數(shù)據(jù)，對非洲東部的土地覆蓋類型進行了分類，分類精度高達88.4%。Huang C.等[14]運用長時間序列的Landsat 數(shù)據(jù)，采用基于 VCT（Vegetation Change Tracker）的監(jiān)測方法對森林擾動進行了自動化監(jiān)測。陳蕓芝等[15]以1997—2000年間的SPOT5和TM影像為主要數(shù)據(jù)源(融合后），以1997年小班圖層輔助數(shù)據(jù)，采用分層監(jiān)督分類法分析了福建省漳浦縣的林地和非林地間的轉化信息。綜合來看，對林地資源類型的分類在方法上已經(jīng)成熟，在標準劃分上也有參考依據(jù)。

嘉陵江在武勝縣境內(nèi)全長達86 km，經(jīng)西北向東南流經(jīng)整個縣域范圍，兩岸人口密集，地形坡度較大，人類活動對嘉陵江流域影響較高，而森林植被的合理空間布局及變化可有效保護兩岸的水土流失，凈化水質(zhì)。本文在相關學者研究成果的基礎上，利用RS和GIS技術，在DEM數(shù)據(jù)的基礎上提取坡度、海拔、坡位和坡向并進行重分類，對疊加遙感解譯和矢量化的林地資源數(shù)據(jù)進行時空分析，并建立林地資源時空轉移圖像和分布指數(shù)，以期為嘉陵江中上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護、林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于東經(jīng) 105°56′39″～106°26′56″，北緯30°10′46″～30°32′36″。地勢由西北向東南逐漸降低，耕地相對集中，地表較為平緩，除少數(shù)孤臺高地外，其余多屬低丘地形，地表相對高差在20～50 m之間，海拔在192～448 m之間（見圖1）。縣境東西長 48.5 km，南北寬 40.5 km，面積 95 584.76 hm2。植被分布以常綠闊葉林（樟科、棕櫚科、桑科和竹林）、落葉闊葉林（殼斗科、薔薇科、楊柳科等植物）和常綠針葉林（馬尾松、柏木林）為主。

圖1 研究區(qū)影像及位置示意圖Fig.1 Images and location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

地形基礎數(shù)據(jù)來源于中國科學院應用數(shù)據(jù)環(huán)境中心（分辨率30 m）；林地資源類型解譯基礎數(shù)據(jù)Landsat TM影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云；成像時間為森林植被生長相對茂密的夏季（分別為1998年6月7日、2018年7月3日），波長范圍1.56～1.66 um，空間分辨率30 m。其他數(shù)據(jù)參考四川省2018年森林資源二類調(diào)查和林地變更數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 林地資源類型劃分

結合國家林業(yè)局2014年頒發(fā)的《國家森林資源連續(xù)清查技術規(guī)定（2014）》[16]和相關學者在實際研究中對林地資源的認識分類[17]，建立訓練樣本，把研究區(qū)林地資源劃分為七大類（見圖2）：分別為有林地（包含喬木林地、竹林地）、疏林地、灌木林地、苗圃地、未成林造林地、無林地、宜林地。

圖2 1998 年林地資源面積在地形因子上的分布Fig.2 Distribution of forest land resources area on topographic factors in 1998

1.3.2 地形因子分級劃分

地形因子分級時應既能體現(xiàn)研究區(qū)地形特征，又能反映自然規(guī)律[18]。根據(jù)嘉陵江中上游河谷地形地貌特征，參照相關學者對地形因子的等級劃分[19-23]，運用坡度（平坡、緩坡、斜坡和陡坡）、海拔（低海拔平原≤200 m、200 m<低海拔丘陵≤400 m、400 m<低海拔低山<1 300 m）、坡向（九類）和坡位（山谷、平地、下坡、中坡、上坡和山脊）4個地形因子來反映研究區(qū)崎嶇不平但起伏平緩的實際。

1.4 研究方法

1.4.1 最大似然分類法

在ArcGIS10.6平臺上先對1998、2018兩期Landsat TM影像進行主成分分析（PCA），根據(jù)自動分類結果和武勝縣二類森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)建立訓練樣本，訓練樣本建立后用散點圖和直方圖進行精度初檢驗，盡量避免不同顏色波段重合，若有部分重合刪掉重新勾繪樣本區(qū)，直到訓練樣本中不同地類基本分離。樣本建立后，保存樣本區(qū)創(chuàng)建特征文件（后綴.gsg文件），并進行交互式監(jiān)督分類，初步判定分類效果，若分類效果較好，執(zhí)行最大似然分類，并創(chuàng)建精度評估點，計算混淆矩陣，得出分類結果圖和總體分類精度。

1.4.2 土地利用變化動態(tài)度

把定量描述土地利用變化速度的指標[24-25]引入林地資源動態(tài)變化上，采用林地資源面積動態(tài)在單位時間內(nèi)變化情況研究林地資源變化動態(tài)度，其公式如下：

式中H為林地資源動態(tài)度；T2-T1為研究初期和末期的間隔值[26]；M2-M1為研究時段內(nèi)凈差值。

1.4.3 空間轉移速率

指相同地形空間上林地資源在某一時間段內(nèi)的變化快慢，其公式可表示為：

式中L表示空間轉移速率，Z2、Z1分別表示同一地形因子上林地資源末期、初期值，T1、T2表示同一地形因子上林地資源計算起始時間。

1.4.4 林地資源分布指數(shù)

為更好描述不同地形條件上林地資源的空間分布狀況，消除不同地形因子面積分布差異造成的影響，研究引入分布指數(shù)來說明林地資源在不同地形條件的分布情況[27-28]，其公式為：

上式中：Pie為第i種林地資源在地形位e上的分布指數(shù)；Sie第i種林地資源在地形位e上的面積；Si為研究區(qū)第i種林地資源類型的面積；Se為研究區(qū)內(nèi)第e種地形位的總面積；S為研究區(qū)的總面積。分布指數(shù)越小表面某種林地類分布與標準分布的偏離越小，其對地形差異的適宜性越大；分布指數(shù)越大，則表明某種林地類對地形具有較強的選擇性[29-31]。當分布指數(shù)Pie=1時，表示某林地類型在某種地形上的比重與研究區(qū)內(nèi)該林地資源的比重相等；當Pie>1時，表示某林地類型在該地形上的比重大于該地類總面積在研究區(qū)的比重，故將Pie>1的區(qū)間設定為該林地資源利用類型的優(yōu)勢位[32-33]。

2 結果與分析

2.1 林地資源面積分析

研究區(qū)1998和2018年林地資源總面積分別為11 549.3、17 917.95 hm2，增加量 6 368.65 hm2，相對變化率134.43%，增長速率318.43 hm2·a-1（見表1）。林地資源類型以有林地增加為主，呈現(xiàn)以442.13 hm2·a-1的速率增加，面積凈增加量8 842.53 hm2，相對變化率高達115.52%，資源動態(tài)度是除苗圃地外唯一一個動態(tài)正增長的；疏林地20年間面積減少了556.83 hm2，減少速效 27.84 hm2·a-1；灌木林地面積凈增加705.54 hm2，增加速率35.28 hm2/a；苗圃地增長基數(shù)較小，年均增長速效緩慢，但波動較高，相對變化率達到了296.58%，同時動態(tài)度是所有林地資源類型中最大的；未成林地面積凈值減少了728.7 hm2，減少速率-36.4 hm2·a-1；無林地減少速率達到-108.06 hm2·a-1，相對變化率-84.77%；宜林地面積凈增加256.12 hm2，相對變化率和動態(tài)度均為0。

2.2 林地資源結構分析

對研究區(qū)23種常見的喬木林、20種經(jīng)濟林樹種進行面積、蓄積分析，結果如表2所示林地資源結構以巨桉和柏木為主，面積分別為1 364.07、1 014.25 hm2；楊樹和香椿次之，面積為634.45、573.05 hm2，其他樹種面積分布差異較大，黃花槐僅0.11 hm2。經(jīng)濟林樹種以橙為主，面積達到1 450.47 hm2，超過喬木林中面積最大的巨桉，核桃、梨面積均超過300 hm2，其他經(jīng)濟林面積變化范圍在1.47～249.29 hm2。同時，森林蓄積量中以喬木林的巨桉124 980 m3最大，其次分別為楊樹（Populism filamentous）、馬尾松（Pinus massoniana）、柏木和香椿（Toona sinensis）；經(jīng)濟林中最大蓄積量為杜仲（Eucommia ulmoides），達到 8 890 m3，其次為核桃 4 797 m3。林地資源結構表明研究區(qū)以水源涵養(yǎng)林、水土保持林為主，經(jīng)濟林為輔的格局形式。

2.3 林地資源與地形因子疊加分析

圖2反映1998年研究區(qū)林地資源在緩坡上面積最大且有林地面積最多：①坡度上，緩坡對林地資源關系最明顯，面積為6 040.05 hm2。有林地面積為4 003.25 hm2，占緩坡林地資源面積的66.28%，無林地和未成林地面積分別為1 333.44、410.07 hm2，占緩坡林地資源面積的22.07%、6.78%。②海拔上以有林地為主，無林地為輔。低海拔丘陵>低海拔低山>低海拔平原，面積分別為5 024.06 hm2、3 863.14 hm2、2 662.1 hm2。③坡向上，森林資源表現(xiàn)出無坡向少，南坡分布多，其他7個坡向均勻分布的特點，這主要是與研究區(qū)地形、坡向有極大的關系，研究區(qū)無坡向面積僅占到研究區(qū)總面積的0.41%，故該地形上自然資源總量較?。欢掀铝值刭Y源分布較多，主要是該坡向上光熱資源充足，能滿足大部分森林植物的光合作用吸收，特別是對喜熱、喜光植物分布有極大的優(yōu)勢。④坡位上，森林資源在下坡位面積最大，為8 529.04 hm2，山谷面積最小，為78.08 hm2，這與人類活動強度有密切關系，山谷地形崎嶇不平，路窄坡陡，不適合人類長期性的生產(chǎn)經(jīng)營性活動。

表1 1998—2018 年武勝縣各林地資源類型變化Tab.1 Changes of forest land resource types of Wusheng County from 1998 to 2018

表2 研究區(qū)主要喬木林、經(jīng)濟林樹種面積、蓄積統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of area and volume of main timber forest and economic forest in the study area

圖3顯示2018年林地資源在地形因子上呈以下變化特征：①緩坡上林地資源面積分布廣，為8 226.64 hm2，其次為平坡，面積為7 596.88 hm2，陡坡面積僅為26.15 hm2；與1998年相比，林地資源類型仍以有林地為主，無林地和未成林地資源面積大幅減少，疏林地和宜林地出現(xiàn)了不同程度的增加。②低海拔丘陵區(qū)域林地資源面積分布最廣，達到7 357.44 hm2，其次為低海拔低山區(qū)域，面積為5 566.26 hm2，低海拔平原區(qū)分布最少，面積為3 573.53 hm2；林地資源面積呈現(xiàn)出有林地>灌木林地>無林地>宜林地>未成林地>苗圃地>疏林地的分布特征。這與研究區(qū)植被覆蓋類型有極大的關系，低海拔丘陵區(qū)分布著成片的竹子，使得研究區(qū)丘陵地區(qū)有林地面積較大，而平原地區(qū)地勢平坦用來發(fā)展林業(yè)的土地資源相對較少。③9個坡向除無坡向林地資源分布面積特別小以外，其他8個坡向波動范圍在1 890 hm2～2 478 hm2，整體波動較小。說明研究區(qū)各坡向水熱相差較小，由于無坡向地區(qū)人口相對集中，人類活動干預較大，可發(fā)展林業(yè)用地的面積較少。④坡位林地資源面積呈現(xiàn)出下坡>中坡>平地>上坡>山谷>山脊的特征，下坡位林地資源面積為11 519.14 hm2，山脊面積僅為81.15 hm2，兩者相差140倍，一方面與研究區(qū)的特殊地形有極大的關系，山脊只占到研究區(qū)總面積的0.34%；另一方面下坡位屬于坡位三等分的下坡位，該地形上土壤和光照條件較好。

圖3 2018 年林地資源面積在地形因子上的分布圖Fig.3 Distribution of forest land resources area on topographic factors in 2018

2.4 林地資源在地形因子上轉移速率

林地資源隨地形因子空間轉移速率可直觀反映出地形因子對其影響程度。圖4反映，有林地平均轉移速率和累計轉移速率較快，平均值為110.53 hm2·a-1，累計轉移速率442.13 hm2·a-1，最大地形因子轉移速率為下坡位 247.63 hm2·a-1，其次是平坡 215.27 hm2·a-1和緩坡211.17 hm2·a-1。無林地為負向轉移速率最大林地資源類型為，累計負向轉移速率108.06 hm2·a-1，年平均負向轉移27.01 hm2·a-1，轉移面積最大值出現(xiàn)在下坡位-81.66 hm2·a-1。其他林地資源灌木林、宜林地均以 8.82 hm2·a-1、3.20 hm2·a-1的平均速度增長。未成林和疏林地同時負向轉移速率較快。表明研究區(qū)20年期間林地資源正向、負向轉移速率加快，有林地、灌木林和宜林地不斷增加，無林地、疏林地和未成林地不斷減少。海拔梯度上以有林地的低海拔丘陵增加速率最大，其值為201.37 hm2·a-1，其次為低海拔低山的150.29 hm2·a-1，低海拔平原也有不同程度的增加，相對丘陵和低山地形增加量小和增加速率要慢，主要受到平原地帶土地利用結構的限制，基本農(nóng)田和城市用地較多，發(fā)展林業(yè)用地空間有限。西北坡、東北坡增加速率較慢，東南、西南增加速率較快，原因是東南、西南坡屬于陽坡，光照充足，植物光合作用吸收較好，而西北、東北坡屬于陰坡坡向，光照資源不足，屬于部分耐陰灌木植物生長區(qū)域。

2.5 林地資源在地形因子上的分布指數(shù)

林地資源分布指數(shù)在一定程度上能夠直觀反映林地資源在地形上的分布狀況，可從定量化的角度揭示林地資源與地形因子的空間分布關系。在坡度上，林地資源分布指數(shù)呈先緩慢增加—急速上升（達到最大值）—快速下降的趨勢，在平坡上都位于臨界值以下，在緩坡上分布指數(shù)超過臨界值，斜坡上達到最大值，到陡坡上分布指數(shù)驟然下降，尤其是疏林地，從斜坡上的最大優(yōu)勢位下降到臨界值以下（見圖5）。從林地資源類型來看，除疏林地外，其他六類林地資源分布指數(shù)趨勢基本相同，且除在平坡分布指數(shù)<1，屬于劣勢分布位外，緩坡、斜坡和陡坡分布指數(shù)均>1，這三個坡向是六類林地資源分布的優(yōu)勢位。在坡向上，無坡向上林地資源分布指數(shù)較低，其他八類坡向上分布指數(shù)均在臨界值附近波動，大幅波動的林地資源屬于疏林地，經(jīng)歷了上升-下降-上升-下降的趨勢。坡向林地資源分布指數(shù)表明無坡向是研究區(qū)林地資源分布的劣勢位，而其他八個坡向上除疏林地外，均是林地資源分布的優(yōu)勢位。在坡位上，分布指數(shù)總體趨勢基本一致，疏林地分布指數(shù)兩極分化明顯，在山谷達到最大值2.98，是其絕對優(yōu)勢分布位，到平地坡位迅速下降到臨界值以下，下坡位緩慢回升到0.87，然后到上坡位快速上升到2.48，山脊下降為0。下坡位和上坡位是研究區(qū)林地資源分布的優(yōu)勢位。出現(xiàn)這種分布原因主要與研究區(qū)丘陵地形有關，山谷受到交通通達性、地形的復雜性的影響，林地資源在遭受自然災害受損以后，未能及時通過更新改造、補植撫育等手段改變林地資源類型。在海拔上，除疏林地分布指數(shù)呈波動較大外，其余六類林地資源在海拔上呈直線上升，在低海拔平原上分布指數(shù)最小，到低海拔丘陵分布指數(shù)上升到臨界值1附近，低海拔低山上超過分布指數(shù)臨界值，屬于林地資源分布的優(yōu)勢位。

圖4 研究區(qū)林地資源在地形因子上的轉移方向及速率Fig.4 Forest land resources transfer direction and rate on topographic factors in the study area from 1998 to 2018

3 討論

3.1 林地資源時空動態(tài)與分布特征

嘉陵江中上游林地資源面積以318.43 hm2·a-1的速度顯著增加，林地資源類型中有林地平均增加速率最快，正向增加明顯的有林地、宜林地和苗圃地與疏林地、未成林地和無林地速率大小不一；林地資源結構呈現(xiàn)出以水土保持林、水源涵養(yǎng)林的柏木和巨桉為主，經(jīng)濟林中的橙為輔的特征；林地資源主要集中在緩坡坡度、低海拔丘陵和下坡坡位上，無坡向分布區(qū)域極少；林地資源轉移速率在下坡坡位、低海拔丘陵和西南、東南坡向正、負轉移速率最快和最大；各林地類型分布指數(shù)在不同地形上差異較大，總體以斜坡、下坡位為絕對優(yōu)勢位，平坡、無坡向為相對劣勢位。

3.2 地形因子與林地資源分布相關性

圖5 研究區(qū)林地資源分布指數(shù)圖Fig.5 Distribution index map of forest land resources in the study area

通過對地形因子與林地資源分布指數(shù)進行Person偏相關分析（見表3），顯示坡度因子與林地資源總體呈典型的負相關關系，坡度越大對林地資源生理發(fā)育、土壤的保水性、光合作用的吸收都將產(chǎn)生負面作用，已有研究表明，坡度>45°時所屬區(qū)域內(nèi)會限制植物的生長[34]，這一結論與2.4中在坡度地形因子上，林地資源分布指數(shù)總體呈先緩慢增加—急速上升（達到最大值）—快速下降的趨勢高度一致。海拔因子與林地資源指數(shù)呈顯著的正相關關系，特別是有林地、灌木林地都達到了0.01水平下的顯著相關性，充分表明在低海拔丘陵地區(qū)，海拔高度是影響林地資源分布的關鍵性因素之一；坡向因子與林地資源關系不一致，在疏林地上呈負相關關系，其他林地資源上相關關系不明顯；坡位因子與疏林地呈典型的負相關關系，但與有林地、灌木林地、苗圃地正相關關系較明顯。建議在嘉陵江兩岸坡度較大區(qū)域合理布置水源涵養(yǎng)林毛竹、慈竹、景觀林等。

表3 地形因子與林地資源分布指數(shù)相關性分析Tab.3 Correlation analysis of topographic factors and forest land resources distribution index