張 譯, 鄭新奇

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 信息工程學(xué)院, 北京 100083)

林地是國(guó)家的重要資源和戰(zhàn)略資源，是增強(qiáng)森林生態(tài)防護(hù)效益、實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展的根本保障，它具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)三大效益功能[1]。因此林地的變化關(guān)系到一個(gè)區(qū)域的生態(tài)安全，乃至影響全球的環(huán)境變化，實(shí)時(shí)掌握區(qū)域林地時(shí)空動(dòng)態(tài)特征具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

河北省地處華北平原，內(nèi)環(huán)京津。位于東經(jīng)113°04′—119°53′，北緯36°01′—42°37′。在京津冀協(xié)同發(fā)展中有著重要作用與地位，是“全國(guó)現(xiàn)代商貿(mào)物流重要基地、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)試驗(yàn)區(qū)、新型城鎮(zhèn)化與城鄉(xiāng)統(tǒng)籌示范區(qū)、京津冀生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)”[3]。近20年來(lái)，河北省經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布，2015年河北省GDP已由2000年的5 044億元增加到29 806億元，高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背后是對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的巨大壓力與影響。森林具有調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、涵養(yǎng)水源等多種生態(tài)功能。因此，對(duì)河北省林地變化的研究有助于更清晰地掌握森林在河北省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的生態(tài)服務(wù)功能，以及更準(zhǔn)確地評(píng)估河北省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)森林生態(tài)環(huán)境的影響程度[4]。

大量學(xué)者從不同角度對(duì)林地變化的影響因素進(jìn)行了研究。戰(zhàn)金艷等[5]基于柵格面積成分?jǐn)?shù)據(jù)，構(gòu)建了林地面積變化原因的計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，并采用Tobit回歸方法估算了自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)江西省林地面積變化的影響。研究發(fā)現(xiàn)積極轉(zhuǎn)移農(nóng)村剩余勞動(dòng)力，減少人口對(duì)周邊林地的壓力，是緩解江西省毀林墾荒壓力的重要手段之一。牡丹等[6]借助內(nèi)蒙古鄂爾多斯市1985—2007年的森林資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的輔助下進(jìn)行了社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子分析，研究結(jié)果顯示：年末總?cè)丝?、城市化率、?cái)政收入、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)6項(xiàng)因素與林地變化顯著相關(guān)，其中財(cái)政收入與城市化率為主導(dǎo)因素。Xie等[7]以景觀生態(tài)學(xué)及邏輯回歸模型為基礎(chǔ)對(duì)京津冀地區(qū)1985—2000年林地變化的時(shí)空格局及影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示：土壤有機(jī)質(zhì)含量、坡度(<5°)、到最近村莊的距離以及人均生產(chǎn)總值是重要的解釋變量。

在GIS中經(jīng)常需要對(duì)大量的空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)分析,由于目前GIS專業(yè)軟件在該方面功能的欠缺,往往都是借助于專業(yè)的統(tǒng)計(jì)分析軟件如SPSS，SAS等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而R語(yǔ)言中的程序包所能實(shí)現(xiàn)的功能及涵蓋的領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析軟件，且R即可直接分析屬性數(shù)據(jù)，也可以與GIS軟件相結(jié)合分析空間數(shù)據(jù)[8]。本研究在GIS空間分析的基礎(chǔ)下，引入R語(yǔ)言，利用R語(yǔ)言強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能對(duì)河北省林地空間變化特征的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1　數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1土地利用數(shù)據(jù)本文基于省級(jí)尺度進(jìn)行研究，根據(jù)2000—2015年5年一期的LUCC(土地利用/土地覆蓋變化)數(shù)據(jù)提取2000年、2005年、2010年、2015年4期河北省土地利用數(shù)據(jù)，并在ArcGIS軟件中對(duì)2000—2015年河北省林地變化進(jìn)行空間分析。LUCC數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

1.1.2河北省社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)在對(duì)林地進(jìn)行空間分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)前人的研究基礎(chǔ)[9-11]，選取河北省2000—2015年可能影響林地變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子作為解釋變量，見表1?；赗語(yǔ)言的強(qiáng)大統(tǒng)計(jì)分析功能，利用2000—2015年連續(xù)15期的河北省社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)河北省的林地變化進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析，篩選出影響河北省林地變化的主要經(jīng)濟(jì)因素。河北省2000—2015年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于河北省經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒。

表1　社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子變量選取

1.2　研究方法

1.2.1土地利用轉(zhuǎn)移矩陣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)源于系統(tǒng)分析中對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[6]。其公式為：

(1)

式中：Dij為研究時(shí)間段內(nèi)土地利用類型i轉(zhuǎn)化為j的比例；Si為初始狀態(tài)下研究區(qū)域中土地利用類型i的面積；dSi-j為研究時(shí)間內(nèi)土地利用類型i向土地利用類型j的轉(zhuǎn)化面積；n為研究區(qū)內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)化的土地利用類型數(shù)量。

1.2.2單一土地利用動(dòng)態(tài)度模型基于GIS技術(shù)，制作河北省不同時(shí)期的土地利用空間格局分布圖，并計(jì)算出土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)林地的變化，采用單一土地利用動(dòng)態(tài)度分析河北省林地的動(dòng)態(tài)變化特征。

土地利用動(dòng)態(tài)度分析是指某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化，主要用于土地利用變化模式的研究。單一土地利用變化度其公式為：

(2)

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的動(dòng)態(tài)度；Ua，Ub分別為研究初始時(shí)期與研究結(jié)束時(shí)期某種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)T的時(shí)間段設(shè)置為年時(shí)，K的值就是該研究區(qū)某種土地利用類型的年變化率。應(yīng)用土地利用動(dòng)態(tài)度分析土地利用類型的動(dòng)態(tài)變化，可以真實(shí)地反映區(qū)域土地利用/土地覆蓋中土地利用類型的變化程度。

1.2.3Adaptive-Lasso變量選擇模型R是一個(gè)有著強(qiáng)大統(tǒng)計(jì)分析及作圖功能的軟件系統(tǒng)[12]。R語(yǔ)言有眾多滿足不同需求的程序包，借助R包可以進(jìn)行各類數(shù)據(jù)分析，如線性回歸和方差分析、高級(jí)數(shù)值分析和時(shí)間序列分析等。本研究借助R語(yǔ)言中的msgps程序包實(shí)現(xiàn)Adaptive-Lasso變量選擇模型。

Adaptive-Lasso是一種壓縮估計(jì)，它通過(guò)構(gòu)造一個(gè)懲罰函數(shù)，根據(jù)不同的系數(shù)加上不同權(quán)重的懲罰，在壓縮一些變量系數(shù)的同時(shí)，設(shè)定一些變量的系數(shù)為零，得到一個(gè)較為精煉的模型，適用于處理復(fù)共線性數(shù)據(jù)的有偏估計(jì)[13]。具體定義見公式(3)：

(3)

本研究借助于R語(yǔ)言中的msgps程序包實(shí)現(xiàn)Adaptive-Lasso變量選擇模型。

2　結(jié)果與分析

2.1　林地變化總體特征分析

林地變化體現(xiàn)在面積與空間分布的變化?；贏rcGIS平臺(tái)，制作河北省不同時(shí)期的土地利用空間分布圖(圖1)，河北省林地的空間分布具有很強(qiáng)的規(guī)律性與差異性，整體呈現(xiàn)倒“J”字形分布，主要分布于河北省東北部與西南部省級(jí)邊界地區(qū)。分別對(duì)林地面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)，林地面積于2000—2010年呈增加狀態(tài)，而2010—2015年突現(xiàn)減少，且林地增加面積大于減少面積。由于河北省的特殊區(qū)位因素，本研究分別對(duì)居住用地及除居住用地之外的工業(yè)、商業(yè)、學(xué)校及醫(yī)院等建設(shè)用地與林地變化之間的關(guān)系進(jìn)行研究，對(duì)建設(shè)用地中的居住用地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)提取并將建設(shè)用地中除居住用地之外的其他用地統(tǒng)一歸為其他建設(shè)用地。

圖1　河北省土地利用空間分布

年份面積/km2占比/%面積變化率2000年3680419．76—2005年3682419．77　0．00072010年3683019．76-0．00042015年3681619．75　0．0003

2.2　林地空間變化模式分析

2.2.1河北省土地利用轉(zhuǎn)移矩陣本研究借助ArcGIS 10.2，通過(guò)矩陣運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)公式(1)得到2000—2015年河北省土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，見表3。分析結(jié)果表明：2000—2015年，草地、耕地與其他建設(shè)用地對(duì)林地的轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率最大，林地的主要轉(zhuǎn)出類型為草地、耕地與水域。

2000—2015年河北省土地利用轉(zhuǎn)移矩陣清晰地反映了各類土地利用要素間的轉(zhuǎn)化情況，其中，林地的主要轉(zhuǎn)出類型為草地與耕地，分別為48.5，58.4 km2，主要轉(zhuǎn)入類型為草地、耕地與建設(shè)用地，分別為25.26，26.58，49.32 km2，其中轉(zhuǎn)入建設(shè)用地的面積最大。2000—2015年河北省林地轉(zhuǎn)入大于轉(zhuǎn)出，面積增加。

2.2.2河北省土地利用動(dòng)態(tài)度根據(jù)林地變化動(dòng)態(tài)度模型(公式2)，計(jì)算2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2000—2015年4個(gè)時(shí)間段內(nèi)河北省各類土地利用變化動(dòng)態(tài)度。由表4可知，2000—2005年林地的動(dòng)態(tài)度變化最大，且林地面積明顯增加，2005—2010年，林地面積同樣呈上升趨勢(shì)，但動(dòng)態(tài)度變化較小，林地面積增加幅度不大；2010—2015年，林地實(shí)現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，且動(dòng)態(tài)度較大。

表3　河北省2000-2015年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣　km2

河北省林地空間變化反映了河北省2000—2015年林地的空間轉(zhuǎn)出情況，以1 km×1 km的網(wǎng)格作為分析單元，計(jì)算2000—2015年每一網(wǎng)格單元的林地變化動(dòng)態(tài)度[14]，計(jì)算結(jié)果見圖2，其中，林地的主要流向是耕地、草地與水域，且向耕地的轉(zhuǎn)化率最大，多分布于京津兩市周圍。草地變化分布較為集中，主要分布于阜平縣北部草原地區(qū)及青龍滿族自治縣。

圖2河北省林地空間變化

研究區(qū)林地、草地、耕地及建設(shè)用地之間轉(zhuǎn)換頻繁。林地向耕地的轉(zhuǎn)出面積大于耕地向林地的轉(zhuǎn)入面積，且建設(shè)用地的主要來(lái)源為林地，這在很大程度上與河北省獨(dú)特的地理位置與京津冀首都圈中獨(dú)特的定位有關(guān)，近年來(lái)，京津地區(qū)外來(lái)人口的增長(zhǎng)與京津地區(qū)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移從不同方面刺激了河北省各項(xiàng)用地之間的轉(zhuǎn)化。林地向草地的轉(zhuǎn)入大于林地向草地的轉(zhuǎn)出，這可能由于人為砍伐和破壞導(dǎo)致部分林地退化為草地。

2.3　林地變化驅(qū)動(dòng)力分析

影響林地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子有很多，本研究在前人對(duì)影響林地變化的經(jīng)濟(jì)因子論證的基礎(chǔ)上，選取12個(gè)可能影響河北省林地變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，分別為地區(qū)生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、人均生產(chǎn)總值、年末總?cè)丝?、?cái)政收入、財(cái)政支出、城鎮(zhèn)居民可支配收入、農(nóng)村居民可支配收入、城鎮(zhèn)人口、農(nóng)村人口。在R語(yǔ)言中，加載msgps程序包，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用Adaptive-Lasso變量提取模型，以林地面積為因變量，提取出以上12個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中影響河北省林地變化的因子。利用公式(3)實(shí)現(xiàn)Adaptive-Lasso變量選擇模型，得到變量選擇結(jié)果見表5。

由表5可知，影響河北省林地面積變化主要有7個(gè)因素，分別為第一產(chǎn)業(yè)、年末總?cè)丝凇⒇?cái)政收入、財(cái)政支出、農(nóng)村居民可支配收入、城鎮(zhèn)人口與農(nóng)村人口。其中年末總?cè)丝?、農(nóng)村居民可支配收入和城鎮(zhèn)人口與林地面積變化呈正相關(guān)性，且農(nóng)村居民可支配收入居主要影響地位。第一產(chǎn)業(yè)、財(cái)政收入、財(cái)政支出與農(nóng)村人口數(shù)與林地面積變化呈負(fù)相關(guān)性，其中財(cái)政收入的負(fù)向影響最為顯著。這個(gè)結(jié)論說(shuō)明，促進(jìn)第一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、增加農(nóng)村居民的可支配收入，同時(shí)，合理調(diào)整財(cái)政收入與支出狀況并加速城鎮(zhèn)化進(jìn)程能夠有效地促進(jìn)河北省林地資源的增加。

表5　變量系數(shù)

3　結(jié) 論

2000—2015年，河北省土地利用變化較為劇烈，總體表現(xiàn)特征為耕地、草地以及未利用土地面積的下降；同時(shí)，林地、居住用地與其他建設(shè)用地面積不斷增加。林地的變化特征主要表現(xiàn)為林地面積總體呈增加趨勢(shì)，各類用地類型均不同程度地向林地轉(zhuǎn)化，且林地的轉(zhuǎn)入面積比轉(zhuǎn)出面積量大，其中草地、耕地、建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化貢獻(xiàn)率較大。與此同時(shí)，林地的轉(zhuǎn)出主要表現(xiàn)在向草地、耕地與水域的轉(zhuǎn)化，其中，林地向草地與耕地的轉(zhuǎn)化最為明顯。

根據(jù)Adaptive-Lasso變量選擇模型，得到影響林地面積變化主要解釋變量分別為第一產(chǎn)業(yè)、年末總?cè)丝?、?cái)政收入、財(cái)政支出、農(nóng)村居民可支配收入、城鎮(zhèn)人口與農(nóng)村人口數(shù)，其中，年末總?cè)丝跀?shù)、城鎮(zhèn)人口數(shù)與農(nóng)村居民可支配收入與林地面積變化呈正相關(guān)，且農(nóng)村居民可支配收入為正向主導(dǎo)因素，這說(shuō)明年末總?cè)丝跀?shù)、城鎮(zhèn)人口數(shù)的增加與農(nóng)民生活水平的提高，一定程度上刺激林地面積的增加，且財(cái)政收入的正向影響力更大。第一產(chǎn)業(yè)、財(cái)政收入、財(cái)政支出與農(nóng)村人口數(shù)與林地面積變化呈負(fù)相關(guān)性，且財(cái)政收入為負(fù)向主導(dǎo)因素，即財(cái)政狀況的變化、農(nóng)村人口的增加及第一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在一定程度上會(huì)遏制林地面積的增加。

引起上述變化的主要原因可能是國(guó)家退耕還林政策的執(zhí)行，且由于河北省為京津冀經(jīng)濟(jì)圈中的一個(gè)重要組成部分，有明確的定位，同時(shí)，作為面積與經(jīng)濟(jì)總量最大的省份，能夠有效地緩解北京市土地資源供求矛盾與拓展產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間，且作為京津人才和科技輻射地，在一定程度上刺激了河北省居住與其他建設(shè)用地面積的增加。

本研究在ArcGIS空間分析的基礎(chǔ)上，引入R語(yǔ)言，對(duì)河北省林地的空間變化特征及引起林地變化的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了深刻的分析，具有較強(qiáng)的針對(duì)性與創(chuàng)新性。本研究的不足之處沒(méi)有完全體現(xiàn)出R語(yǔ)言的空間分析功能，且影響林地變化的驅(qū)動(dòng)因子的選取較為單一，只選擇了社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素而未考慮降雨、溫度及坡度等自然因素的影響，在之后的研究中，將融入各項(xiàng)自然因素的影響，對(duì)林地的變化進(jìn)行更加全面完善的分析。

參考文獻(xiàn):

[1]蔣敏元.以生態(tài)建設(shè)為主體的新林業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略構(gòu)想[J].林業(yè)科學(xué),2005,41(2):74-81.

[2]徐新良,劉紀(jì)遠(yuǎn),莊大方,等.中國(guó)林地資源時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及驅(qū)動(dòng)力分析[J].北京林業(yè)大學(xué)報(bào),2004,26(1):41-46.

[3]冀豐淵. 京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要[C]∥.對(duì)接京津:解題京津冀一體化與推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展(對(duì)接京津與環(huán)首都沿渤海第13次論壇),2016.

[4]范小杉,高吉喜.GIS支持下1985—2000年北京林地?cái)?shù)量、質(zhì)量演變與驅(qū)動(dòng)分析[J].水土保持研究,2008,15(1):148-150.

[5]戰(zhàn)金艷,史娜娜,閆海明,等.江西省林地面積變化原因探析[J].自然資源學(xué)報(bào),2011(2):335-343.

[6]牡丹,潮洛濛.鄂爾多斯市林地變化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因素研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2010(S2):98-101.

[7]Xie X, Xie H, Fan Y. Spatiotemporal patterns and drivers of forest change from 1985—2000 in the Beijing-Tianjin-Hebei Region of China[J]. Journal of Resources and Ecology,2016,7(4):301-308.

[8]王艷華,蔣勇軍.R數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析語(yǔ)言及其在GIS中的應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué),2010,35(2):175-177.

[9]江騰宇,林成軍,邢元軍,等.湖北省林地變更及驅(qū)動(dòng)力分析[J].湖北林業(yè)科技,2017,46(2):51-55.

[10]何承剛,馮彥,楊燕平.西雙版納林地景觀演變過(guò)程及其驅(qū)動(dòng)力分析[J].云南地理環(huán)境研究,2008,20(5):12-17.

[11]彭博.基于GIS和RS的長(zhǎng)沙市林地變化研究[D].長(zhǎng)沙:中南林業(yè)科技大學(xué),2011.

[12]湯銀才.R語(yǔ)言與統(tǒng)計(jì)分析[M].北京:高等教育出版社,2008.

[13]吳喜之.復(fù)雜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法:基于R的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)人民大學(xué)出版社,2015.

[14]徐新良,劉紀(jì)遠(yuǎn),莊大方,等.中國(guó)林地資源時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及驅(qū)動(dòng)力分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(1):41-46.