黃河流域林地景觀格局變化

吳明陽，吳福榮，陳 慧，韓 斌，羅 松，劉 冰

(1.菏澤市財政局，山東 菏澤 274000；2.菏澤市林業(yè)局，山東 菏澤 274000)

1 引言

林地是我國重要的戰(zhàn)略資源，在增強固碳能力、防治水土流失、保持生多樣性等方面起到重要作用，是實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要保證[1，2]。林地變化關(guān)乎到區(qū)域的生態(tài)安全，進而影響區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略，因此對林地空間動態(tài)變化進行分析具有重要的意義[3]。針對林地動態(tài)變化，眾多學(xué)者展開大量研究。李秀芬等解譯1980～2007年4期遙感影像，分析了晉西北地區(qū)防護林近30年間的動態(tài)變化[4]。何彥然等基于不同尺度樣方對三峽庫區(qū)林地面積進行動態(tài)分析，確定最優(yōu)分析尺度[5]。郭少壯等以1980～2015年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探究了秦嶺地區(qū)林地和草地的動態(tài)變化及驅(qū)動因素[6]。楊伯鋼等基于1999～2005年3期遙感影像，對北京市林地覆蓋率進行了研究[7]。江騰宇等對湖北省2010～2012年林地數(shù)據(jù)進行分析，探究了林地變化規(guī)律及驅(qū)動力因素[8]。張清雨等運用Arcgis空間分析功能，研究商洛地區(qū)近30年間林地時空變化特征[9]。李廷等采用監(jiān)督分類法解譯2005～2017年林地數(shù)據(jù)，對林芝縣林地動態(tài)變化進行分析[10]?，F(xiàn)有研究多以小范圍和短時間序列為主[11～15], 研究對象主要集中在縣、市域和丘陵山地區(qū)[16～18]，而對重要的生態(tài)區(qū)域的黃河流域大尺度、長序列的研究較為缺乏。基于以上分析，以1980年、2000年和2020年黃河流域林地數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用空間分析、重心遷移和景觀格局指數(shù)等分析方法，對黃河流域1980～2020年40年間林地時空變化特征進行分析，以期為黃河流域高質(zhì)量發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

2 研究地域與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)域

黃河流域(95°53′～119°05′E, 32°10′～41°50′N)位于我國北部，面積約81萬km2, 自西向東跨越9省(自治區(qū))33市。流域內(nèi)地勢西高東低橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和淮海平原4個地貌單元，形成自西而東、由高及低三級階梯。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)域所使用的1980年、2000年、和2020年3期柵格數(shù)據(jù)分辨率為1 km×1 km，均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。在ENVI中計算混淆矩陣，3期數(shù)據(jù)精度均在90%以上。根據(jù)研究需要在Arcgis中將地類重分類為林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地和未利用地6大類，其中林地分為有林地、灌木林、疏林地和其他林地4小類。

3 研究方法

3.1 土地利用時空變化分析

借助Arcgis空間分析功能對1980年和2020年黃河流域土地利用數(shù)據(jù)進行分析，以此得到研究區(qū)域各地類的時空變化特征。土地變化轉(zhuǎn)移矩陣是研究各地類之間時空變化的主要方法[19]，土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如下：

(1)

式(1)中：A為面積；n為土地利用類型種類數(shù)；i、j為變化前后土地利用類型。

3.2 重心模型分析

重心轉(zhuǎn)移分析可以詮釋土地利用類型時空演變過程，重心坐標一般以經(jīng)緯度表示[20]。其計算公式如下：

(2)

(3)

式(2)、(3)中:Xt、Yt分別表示第t年某景觀類型分布重心的經(jīng)緯度坐標；Xi、Yi分別表示某景觀類型第i個斑塊重心的經(jīng)緯度坐標；Cti表示第t某景觀類型第i個斑塊的面積。

3.3 景觀格局指數(shù)

結(jié)合黃河流域景觀格局狀況，選取斑塊數(shù)、板塊密度、分離指數(shù)、蔓延指數(shù)、景觀形狀指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)7個指標分析黃河流域林地景觀要素的數(shù)量、形狀和空間分布特征。

4 結(jié)果與分析

4.1 林地數(shù)量變化分析

從表1可以得出：黃河流域林地類型以有林地和灌木林地為主，兩者占比均在80%以上。研究期間黃河流域林地總面積呈先減少后增加的趨勢，有林地面積持續(xù)減少，灌木林地面積先減少后增加，疏林地和其他林地面積持續(xù)增加。1980～2000年間林地總面積減少76 km2，有林地面積減少294 km2，灌木林地面積減少66 km2，疏林地面積增加25 km2，其他林地面積增加259 km2；2000～2020年間林地總面積增加3661 km2，有林地面積減少489 km2，灌木林地面積增加985 km2，疏林地面積增加1697 km2，其他林地面積增加1468 km2。

表1 1980～2020年黃河流域林地類型及面積

4.2 林地矩陣轉(zhuǎn)移分析

從表2中可以看出，40年間各類林地在空間位置上均發(fā)生不同程度的改變，有林地、灌木林地、疏林地和其他林地保持原狀率分別為62.66%、46.10%、36.91%和20.67%。有林地主要與耕地、草地、灌木林地和疏林地相互轉(zhuǎn)換，有林地轉(zhuǎn)出面積14457 km2，其中18.85%流向耕地、40.01%流向草地、17.95%流向灌木林地、17.69%流向疏林地；有林地轉(zhuǎn)入面積13674 km2，耕地、草地、灌木林地和疏林地轉(zhuǎn)入占比分別為20.95%、45.76%、19.26%和7.91%。灌木林地主要與耕地、草地和有林地相互轉(zhuǎn)換，灌木林地轉(zhuǎn)出面積25961 km2，其中15.02%流向耕地、65.94%流向草地、10.14%流向有林地；灌木林地轉(zhuǎn)入面積26880 km2，耕地、草地、有林地轉(zhuǎn)入占比分別為17.44%、64.39%和9.65%。疏林地主要與耕地、草地和有林地相互轉(zhuǎn)換，疏林地轉(zhuǎn)出面積10504 km2，分別有27.33%流向耕地、46.16%流向草地、10.29%流向有林地；疏林地轉(zhuǎn)入面積12226 km2，耕地、草地和有林地轉(zhuǎn)入量占比分別為26.25%、40.44%和20.91%。其他林地主要是與耕地和草地相互轉(zhuǎn)化，其他林地轉(zhuǎn)出量為1301 km2，耕地和草地分別占46.66%和24.98%；其他林地轉(zhuǎn)入面積為3028，耕地和草地轉(zhuǎn)入量占比分別為43.98%和40.46%。

表2 1980～2020年黃河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

4.3 林地重心分析

表3中可以看出，40年間有林地重心向東北方向偏移，偏移距離為13.11 km，有林地重心偏移主要發(fā)生在2000～2020年偏移距離為13.50 km。灌木林地重心偏移距離較小為3.97 km方向為西北，重心偏移主要發(fā)生在1980～2020年偏移方向為西距離為3.97 km。疏林地重心偏移距離為14.63 km方向為東南，重心偏移主要發(fā)生在2000～2020年偏移方向為東南距離為15.09 km。其他林地重心偏移距離為44.75 km方向為西北，重心偏移主要發(fā)生在2000～2020年偏移方向為西北距離為44.75 km。

表3 1980～2020年黃河流域林地各類型重心偏移

4.4 林地景觀格局指數(shù)分析

從表4中可以看出，40年間黃河流域林地斑塊數(shù)、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)均呈上升趨勢，分別增長10.29%、6.69%、4.51%和43.12；蔓延度指數(shù)呈下降趨勢，下降比例為9.51%，表現(xiàn)出林地在總體上破碎度加大、斑塊聚集趨向分散。從表5可以看出各類型林地景觀格局在變化趨勢上與林地總體保持一致，均出現(xiàn)不同程度的破碎化；值得注意的是疏林地和其他林地的分離指數(shù)較大，研究期間出現(xiàn)大幅下降。

表4 黃河流域林地景觀格局指數(shù)

表5 1980～2020年黃河流域各類林地景觀類型指數(shù)

5 結(jié)論與討論

本文以黃河流域1980、2000和2020年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對黃河流域40年間林地變化的時空特征進行分析，主要研究結(jié)論如下。

(1)從林地結(jié)構(gòu)分析表明，黃河流域林地主要類型為有林地和灌木林地。1980～2020年林地總面積增加3585.00 km2，有林地減少783.00 km2，灌木林地增加919.00 km2，疏林地增加1722.00 km2，灌木林地增加1727.00 km2。

(2)40年間，有林地、灌木林地、疏林地和其他林地保持原狀率分別為62.66%、46.10%、36.91%和20.67%，各類林地主要與草地相互轉(zhuǎn)化，有林地、疏林地和其他林地與草地的相互轉(zhuǎn)換在40%以上，灌木林地與草地相互轉(zhuǎn)換在60%以上。

(3)40年間，有林地重心向東北方向偏移，偏移距離為13.11km，灌木林地重心偏移距離較小為3.97 km方向為西北，疏林地重心偏移距離為14.63 km方向為東南，其他林地重心偏移距離為44.75 km方向為西北。

(4)40年間黃河流域林地斑塊數(shù)、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)均呈上升趨勢，分別增長10.29%、6.69%、4.51%和43.12；蔓延度指數(shù)呈下降趨勢，下降比例為9.51%，各類型林地景觀格局在變化趨勢上與林地總體保持一致。