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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
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
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)
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。