崔綠園 李 晶 鄧曉娟 王 媛 楚晶晶
(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083;2.中國國土勘測規(guī)劃院 自然資源部土地利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100035)
林地在區(qū)域和全球的生態(tài)系統(tǒng)過程中扮演重要的角色[1],合理開發(fā)和利用林地資源,關(guān)系到國家生態(tài)文明建設(shè)和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。十九大報(bào)告指出,堅(jiān)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(tài)資源,是綠水青山的重要組成部分。自20世紀(jì)90年代始,我國開展造林綠化、退耕還林工程,增加了生態(tài)用地的面積[4-5],但同時經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致大面積的毀林開墾和林地征占,消耗了很多的優(yōu)質(zhì)林地,林地的保護(hù)和修復(fù)工作面臨著巨大挑戰(zhàn)。
基于遙感數(shù)據(jù)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(diǎn)。國內(nèi)外的研究大多數(shù)都聚焦在區(qū)域尺度的土地利用/覆蓋變化[6-7]、林地?cái)?shù)量變化以及森林干擾遙感監(jiān)測[8]等方面,傳統(tǒng)林地變化對比分析研究時間跨度大但數(shù)據(jù)量較少[9],針對長時序變化分析的研究較少,而且多數(shù)研究僅關(guān)注了某個特定區(qū)域的短時間內(nèi)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(nèi)在原因以便因地制宜的制定相關(guān)政策尤為重要[12]。
本研究利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù),通過土地利用變化動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣模型、核密度估計(jì)及主成分分析等方法,分別進(jìn)行林地變化數(shù)量特征、轉(zhuǎn)移特征、分布特征等長時序時空特征分析,并從社會經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行林地變化驅(qū)動力分析,從像元尺度揭示3 個典型省(自治區(qū))林地變化軌跡特征、驅(qū)動力和異同點(diǎn)等,本研究成果旨在深入分析林地的變化特征和驅(qū)動力,以期為生態(tài)用地保護(hù)修復(fù)和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展政策制定提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。
根據(jù)2009—2013年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù),以省級區(qū)劃為單位選取東北林區(qū)、南方林區(qū)、西南林區(qū)中林地面積占轄區(qū)比例最高的3 個省(自治區(qū)),即黑龍江省、廣西壯族自治區(qū)和云南省,進(jìn)行長時序的林地變化特征和驅(qū)動力分析,并比較林地變化的異同點(diǎn)。
所用數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、矢量圖形和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)3 類。其中,遙感數(shù)據(jù)使用資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(www.resdc.cn/)提供的中國土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品,該產(chǎn)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(shù)據(jù)產(chǎn)品。基于可獲取的遙感數(shù)據(jù),本研究中,使用1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年共7 期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。矢量圖形數(shù)據(jù)使用資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(www.resdc.cn/)提供的2015年中國縣級行政邊界數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自于黑龍江、廣西、云南統(tǒng)計(jì)年鑒。
參考土地利用現(xiàn)狀分類和土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測分類體系劃分林地土地利用類型,在此基礎(chǔ)上分析3 省(自治區(qū))的林地變化過程和變化驅(qū)動力。本研究的技術(shù)路線見圖1。
一定時期內(nèi)林地的變化速度和變化幅度用林地利用動態(tài)度表示[17],計(jì)算公式如下:
(1)
式中:K為研究區(qū)域監(jiān)測時段林地的年變化率;Si、Sj為監(jiān)測開始和結(jié)束時林地的面積,萬hm2;T為研究時長,年。
采用K-means算法[18]進(jìn)行聚類分析,將數(shù)據(jù)分為K組,則隨機(jī)選取K個對象作為初始的聚類中心,然后計(jì)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(qū))各縣級行政單位的林地面積占相應(yīng)轄區(qū)面積比為聚類樣本進(jìn)行聚類分析,其中,黑龍江、廣西、云南的樣本數(shù)依次為86、120、126;然后,將得到的聚類結(jié)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(qū))林地變化過程再以像元為單位進(jìn)行林地變化軌跡聚類分析,在所有研究的35年時段內(nèi),林地和非林地的轉(zhuǎn)化方式較為復(fù)雜,主要有以下3種:1)保持原地類不變化;2)某1年變?yōu)槠渌仡惡蟛辉僮兓?)有2次以上不同地類相互轉(zhuǎn)化,本研究將該種轉(zhuǎn)化方式稱為波動轉(zhuǎn)化。因此林地和非林地的轉(zhuǎn)化類型進(jìn)一步分成8種類型,分別為:持續(xù)林地、持續(xù)非林地、林地轉(zhuǎn)化為非林地、非林地轉(zhuǎn)化為林地、林地波動轉(zhuǎn)化為林地、林地波動轉(zhuǎn)化為非林地、非林地波動轉(zhuǎn)化為林地、非林地波動轉(zhuǎn)化為非林地。
圖1 本研究技術(shù)路線圖
表1 林地類型劃分
應(yīng)用研究初期(1980年)和末期(2015年)的土地利用遙感數(shù)據(jù),構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[19],用來度量林地的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
(2)
式中:Aij為研究初期與研究末期的土地利用狀態(tài);n為土地利用類型個數(shù)。
核密度估計(jì)[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(jì)常被用于進(jìn)行空間柵格探測研究,利用空間平滑對點(diǎn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行密度分析,計(jì)算公式如下:
(3)
式中:f(x)為地點(diǎn)x處的核密度估計(jì);n為樣本數(shù);hn為帶寬,即搜索半徑;k為核函數(shù);(x-xi)為地點(diǎn)x到樣本點(diǎn)xi的距離。為使3省(自治區(qū))的核密度估計(jì)有可比性,經(jīng)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(diǎn)分類法將林地空間核密度值分為:低值區(qū)、較低值區(qū)、中值區(qū)、較高值區(qū)、高值區(qū)。
“奶娘踩罡”在整個舞蹈過程中,且歌且舞,舞曲曲譜中反復(fù)出現(xiàn)13|16|653|5……和35|15|51|3……這樣的旋律,與畬歌常用襯音“哈嚕?!睒O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(xiàn)并且重復(fù)的旋律與節(jié)奏,可以加入到音樂專業(yè)必修課視唱練耳、鋼琴基礎(chǔ)與即興伴奏的教學(xué)中。
林地變化與自然環(huán)境、人類活動息息相關(guān),但由于自然因素在整體大環(huán)境中控制著林地變化,而社會經(jīng)濟(jì)因素是在較短的時間內(nèi)影響林地變化的主要外部驅(qū)動力,因此本研究側(cè)重研究3 省(自治區(qū))林地變化的社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力。結(jié)合3 省(自治區(qū))實(shí)際情況和現(xiàn)有資料,選取城鎮(zhèn)化率(X1)、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(X2)、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(X3)、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(X4)、人均生產(chǎn)總值(X5)、固定資產(chǎn)投資額(X6)、鐵路網(wǎng)密度(X7)、公路網(wǎng)密度(X8)、普通高等學(xué)校數(shù)(X9)共9個社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo),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(jìn)行主成分分析,基于主成分分析結(jié)果計(jì)算各年林地變化的驅(qū)動因子綜合得分,再構(gòu)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(qū)動因素。驅(qū)動因子綜合得分計(jì)算公式如下:
(4)
式中:F為驅(qū)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(yīng)主成分的方差貢獻(xiàn)率。
1980—2015年,林地面積占轄區(qū)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(nèi)部主要構(gòu)成看3 省(自治區(qū))林地構(gòu)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(tài)度和變化量見表2,由表2可知:黑龍江監(jiān)測期內(nèi)7個階段林地利用動態(tài)度均<0,動態(tài)度絕對值有減小趨勢,自2000年起林地減少量在10 萬hm2以內(nèi);廣西在1990—1995年、2000—2005年和2005—2010年動態(tài)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(tài)度>0,前一階段變化貢獻(xiàn)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(xiàn)來自于其他林地(4.25%)。3省(自治區(qū))發(fā)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(qū))林地變化動態(tài)度和變化量
通過對3省(自治區(qū))各區(qū)縣的林地面積占各轄區(qū)比進(jìn)行K-means聚類分析(表3),黑龍江、廣西和云南均有超過30%的區(qū)縣林地面積呈上升趨勢,而呈下降趨勢的區(qū)縣個數(shù)占比分別為12.79%、23.33% 和24.60%,3 省(自治區(qū))約有30%~50%的區(qū)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(qū))的林地整體面積仍呈下降趨勢。
表3 3 省(自治區(qū))各區(qū)縣的林地面積占各轄區(qū)比聚類分析
利用轉(zhuǎn)移矩陣可以揭示林地發(fā)生數(shù)量變化的轉(zhuǎn)移軌跡,結(jié)果見表4。結(jié)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(zhuǎn)出,林地轉(zhuǎn)為耕地、草地面積依次占轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)出,林地轉(zhuǎn)為耕地、草地面積依次占轉(zhuǎn)出面積的 60.81% 和30.62%;林地主要來源是耕地和草地,占轉(zhuǎn)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(zhuǎn)出,林地轉(zhuǎn)為耕地、草地面積依次占轉(zhuǎn)出面積的41.99%、54.82%;林地主要來源是草地和耕地,占轉(zhuǎn)入面積比分別為53.89%和44.11%。3省(自治區(qū))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(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出關(guān)系密切。
圖2為3省(自治區(qū))林地變化軌跡的聚類分析結(jié)果,該結(jié)果為像元尺度上的林地?cái)?shù)量變化軌跡,并根據(jù)像元變化的方式進(jìn)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(xù)林地且在區(qū)域中呈斜對角線分布,林地與非林地之間的轉(zhuǎn)換多發(fā)生在持續(xù)林地和持續(xù)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(fā)生大面積的林地、非林地轉(zhuǎn)化,林地轉(zhuǎn)化成非林地的面積占2.92%,在2 種地類之間波動轉(zhuǎn)化區(qū)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(xù)非林地,13.66%的面積由林地轉(zhuǎn)為非林地,13.59%由非林地轉(zhuǎn)化為林地,發(fā)生波動變化區(qū)域不足1%。云南持續(xù)林地占比最多,為41.29%,27.24%為持續(xù)非林地,林地和非林地相互轉(zhuǎn)化區(qū)域較多,其中14.60%由林地波動轉(zhuǎn)化為非林地,14.51%由非林地波動轉(zhuǎn)化為林地。綜上,云南地類轉(zhuǎn)化以波動變化為主,變化期間受擾動地類不穩(wěn)定,而黑龍江、廣西的地類轉(zhuǎn)化則較為直接,地類變化后未發(fā)生2次變動。
表4 1980—2015年3 省(自治區(qū))林地變化轉(zhuǎn)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(qū))林地-非林地轉(zhuǎn)化類型
圖3為從整體空間上展示35 年研究區(qū)間內(nèi),重點(diǎn)區(qū)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(guī)模改變,沿西北—東南成林地斑塊條狀分布,高值區(qū)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(qū)出現(xiàn)斷裂成為中值區(qū),并一直持續(xù)到2015年,中值區(qū)大幅度擴(kuò)張出現(xiàn)在1990年、1995年和2005年,2000年林地縮小出現(xiàn)較低值區(qū);2)廣西林地空間分布無大規(guī)模變化,分布特點(diǎn)為四周高、中間低,以較高值區(qū)連片分布為主,高值區(qū)較為分散,較低值區(qū)分布少,較高值區(qū)自1990年開始面積縮小,較低值區(qū)1980—2015年呈擴(kuò)張—縮小—擴(kuò)張變化,2000年出現(xiàn)了小范圍的中值區(qū)并逐漸擴(kuò)大;3)云南林地空間分布無大范圍改變,分布特點(diǎn)為西北、西南、東南方向高,東北方向低,高值區(qū)未成大面積連片分布,較低值、低值區(qū)分布少,總體的林地分布較為廣泛,1980—2015年,高值區(qū)逐漸縮小,2000年時出現(xiàn)斷裂成為較高值區(qū),較高值區(qū)逐漸縮小自1995年起逐漸被中值區(qū)取代,1995年后低值區(qū)出現(xiàn)并擴(kuò)張;4)3個省(自治區(qū))的林地在空間分布上都未有大規(guī)模改變,主要表現(xiàn)為較高值區(qū)的縮小和較低值區(qū)的擴(kuò)張。
基于上述林地時空變化特征分析結(jié)果,進(jìn)一步分析影響林地變化特征的驅(qū)動力。由表5可知:黑龍江林地二級類型與城鎮(zhèn)化率相關(guān)性強(qiáng),其中有林地受城鎮(zhèn)擴(kuò)張的影響大,與城鎮(zhèn)化率、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、鐵路網(wǎng)密度顯著相關(guān),其他二級類型與除城鎮(zhèn)化率之外的社會經(jīng)濟(jì)因子相關(guān)性不顯著。廣西疏林地和其他林地與社會經(jīng)濟(jì)因子的相關(guān)性顯著,以第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、人均生產(chǎn)總值為主的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是廣西林地變化的社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因子。云南林地與第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、人均生產(chǎn)總值極顯著相關(guān),經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是云南的主要社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因子。
經(jīng)過主成分變換,黑龍江、廣西和云南前2 個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率分別達(dá)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(qū))的第一、二主成分載荷具有一個共同特點(diǎn):第一主成分在經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平(X2、X4、X5、X6)和交通發(fā)展水平(X8)上具有較高載荷,第二主成分中城鎮(zhèn)化率(X1)具有較高載荷,因此經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、交通發(fā)展水平和城鎮(zhèn)化發(fā)展水平是影響林地變化的主要驅(qū)動因素。3 個省(自治區(qū))的驅(qū)動力綜合得分變化圖如圖4,3 個省(自治區(qū))的驅(qū)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(qū)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(qū)動力作用在波動上升;廣西的驅(qū)動力和云南的驅(qū)動力均呈現(xiàn)上升趨勢,廣西驅(qū)動力得分上升的幅度更大,說明社會經(jīng)濟(jì)因子對林地變化的驅(qū)動力呈增加態(tài)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(guān)性和主成分分析結(jié)果,將因變量3 個省(自治區(qū))各林地二級類型面積Yi(i=1,2,3,4)和自變量各類驅(qū)動因子Xi(i=1,2,…,9),進(jìn)行多元逐步回歸分析(表6)。在進(jìn)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(chǎn)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(jīng)濟(jì)因素對3 個省(自治區(qū))林地的影響呈增加態(tài)勢,黑龍江林地變化主要驅(qū)動力是城鎮(zhèn)化發(fā)展水平,廣西林地變化主要驅(qū)動力是經(jīng)濟(jì)和交通發(fā)展水平,云南林地變化主要驅(qū)動力是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展侵蝕林業(yè)用地不可避免,城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快使得林地的保護(hù)力度有所下降而且建設(shè)用地也必然會侵占林業(yè)用地。自1978年后,我國林業(yè)政策從“木材生產(chǎn)為中心”的政策理念朝著“林業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益并重”的政策理念演變,林業(yè)重點(diǎn)工程開始大面積實(shí)施,在1990—2000年這段時間內(nèi)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(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)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(yè)工作中,重點(diǎn)應(yīng)為:抓好新造林,增加森林面積,管好現(xiàn)有林,提高森林質(zhì)量,注重經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會效益的統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)林業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。
本研究主要結(jié)論如下:
1)1980—2015年,林地面積占轄區(qū)比例大小排序始終為廣西>云南>黑龍江且林地構(gòu)成差異大,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)。3個省(自治區(qū))發(fā)生較大幅度波動變化的地類均為其他林地和有林地;
表5 林地二級類型與各類驅(qū)動因子的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of forest land second classification and driving factors
圖4 3省(自治區(qū))驅(qū)動力綜合得分變化圖
表6 林地二級類型和各類驅(qū)動因子的多元逐步回歸模型
2)1980—2015年,3 個省(自治區(qū))的林地轉(zhuǎn)化集中在林地和耕地、草地之間的相互轉(zhuǎn)化,而在林地的二級類型中,有林地的變化是最為明顯的。云南的地類轉(zhuǎn)化以波動變化為主,變化期間受擾動地類不穩(wěn)定,而黑龍江、廣西的地類轉(zhuǎn)化則較為直接;
3)3個省(自治區(qū))林地空間分布的集聚程度35 年來都未發(fā)生較大波動,黑龍江的林地分布呈減少趨勢,非林地面積的增加使得林地的連片分布出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象;廣西的林地面積較大,林地空間分布變化較?。辉颇狭值乜臻g分布變化為空間集聚程度降低,但未發(fā)生大面積的林地退化;
4)1980—2015年,社會經(jīng)濟(jì)因素對3個省(自治區(qū))林地的影響呈增加態(tài)勢,黑龍江主要驅(qū)動力是城鎮(zhèn)化發(fā)展水平,廣西主要驅(qū)動力是經(jīng)濟(jì)和交通發(fā)展水平,云南主要驅(qū)動力是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2021年3期