左雪漫,閆國東,陳 瑾,巫志龍,胡喜生

(福建農(nóng)林大學 交通與土木工程學院,福州 350002)

林地作為森林資源的重要組成部分,不僅是林業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ),還是增強森林生態(tài)防護效益、實現(xiàn)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的根本保障[1]。植被的形成及變化與所處的地理環(huán)境和人類活動密切相關(guān),而地形在植被生長環(huán)境要素中占主要作用。因此,研究地形因子與植被之間的關(guān)系是分析植被生長規(guī)律的重要途徑之一[2]。關(guān)于不同區(qū)域覆蓋變化與地形因子的關(guān)系,國內(nèi)外學者進行了大量的研究,Myneni[3]利用歸一化植被指數(shù)研究了北半球的植被覆蓋變化,結(jié)果顯示該區(qū)域較高海拔的植被活動在過去20年中呈現(xiàn)出增長趨勢；趙佩等[4]研究了柯西河流域內(nèi)不同地形因子森林覆蓋度的分布及變化特征；王毅等[5]選取中國南方典型喀斯特地貌區(qū)貴州省普定縣為研究區(qū),得出不同等級植被覆蓋度分別主要受哪種地形因子的影響；熊俊楠等[6]研究汶川震后植被覆蓋度變化與高程、坡度、坡向等的定量關(guān)系,以期為汶川地震災區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及修復等工作提供依據(jù)。我國林地的分布空間差異大[7],同時，林地覆蓋程度和地形因子間的關(guān)系,受地域影響很大,不同地域特征可能呈現(xiàn)出完全不同的結(jié)果[5]。目前,關(guān)于福建省植被覆蓋變化的研究中,王一帆等[8]結(jié)合氣象與非氣象因子分析它們對福建省植被狀況的影響；侯秀英等[9]則是對福建省66個縣域17年間森林喪失時空動態(tài)進行探索。福建省是森林變化活躍的省份之一[10-11],林地的變化影響著整個南方地區(qū)甚至全國的生態(tài)質(zhì)量,但卻鮮有關(guān)于福建省林地變化與海拔梯度這一地形因素中重要因子關(guān)系的相關(guān)研究?；诖?本研究以福建省為研究對象,采用空間分辨率為30m×30m的林地(郁閉度大于0.3的有林地、郁閉度大于0.4的灌木林、郁閉度在0.1～0.3的疏林地以及其他林地)數(shù)據(jù),對福建省林地覆蓋的變化及其海拔梯度效應進行分析,探討該區(qū)域的林地時空變化特征,揭示其隨著海拔高度的變化而產(chǎn)生的演變,為福建省林地保護及生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)選取

福建地處我國東南部(23°31′～28°18′N,115°～120°43′E),東臨臺灣省,北臨浙江省,西臨江西省,南臨廣東??；以山地丘陵為主,點綴著河谷和盆地。自然條件優(yōu)越,種質(zhì)資源極其豐富,全省分布高等植物4 703種,約占全國的14.3%[12],是南方重點集體林區(qū)。山林眾多,是它的一大特色和優(yōu)勢。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

考慮到研究尺度較大,本研究采用資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn/)提供的2000,2010,2020年的空間分辨率為30m×30m的土地利用覆蓋數(shù)據(jù),該產(chǎn)品中有林地、灌木林、疏林地和其他林地的總精度分別為83.95%,93.15%,90.41%,75.79%,可滿足本研究的分類要求。這里需要特別說明的是,本研究中對林地的定義與森林資源清查對林地的定義有所不同,森林資源清查對林地的定義偏重于林地現(xiàn)狀是否有喬灌木覆蓋并且對鐵路、公路紅線外種植的林木未做界定[13]；本研究對林地的定義,指的是沿海樹木、竹子和灌木生長的土地,以及紅樹林生長的土地,不包括居民區(qū)綠化用地,鐵路、公路征地范圍內(nèi)的樹木、河流和溝渠的護堤林(表1)。同時,本研究從中科院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(www.cnic.cas.cn/)下載30m分辨率的福建省海拔高度數(shù)據(jù)。

表1 林地分類標準

2 研究方法

2.1 土地利用類型劃分

國內(nèi)外研究對環(huán)境用地含義有不同定義[14-17],但一致認為林地是重要的生態(tài)用地類型,研究林地對生態(tài)用地保護具有重要意義。將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地以及海洋；其中,按郁閉度和用途進行細分,林地進一步劃分為有林地、灌木地、疏林地和其他林地4個二級類型。

2.2 林地利用變化動態(tài)度

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[18],計算公式如下:

(1)

式中:k為研究區(qū)域監(jiān)測時段林地的年變化率；Sa,Sb為監(jiān)測開始和結(jié)束時林地的面積(km2)；T為研究時段。應用林地利用變化動態(tài)度分析林地利用類型的動態(tài)變化,可以真實地反映該區(qū)域林地利用類型的變化程度和發(fā)展趨勢[19]。

2.3 林地轉(zhuǎn)移矩陣

應用研究區(qū)3個時期(2000,2010,2020年)的土地利用遙感數(shù)據(jù),構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[20],用來度量林地的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出,其數(shù)學表達式如下:

(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)。

2.4 標準差橢圓

標準差橢圓(SED)被廣泛應用于自然、社會、經(jīng)濟和其他領(lǐng)域的空間發(fā)展模式。通過重心、長半軸、短半軸、轉(zhuǎn)角等揭示福建林地覆蓋的空間分布特征[21]。其中,重心表示區(qū)域要素空間分布的相對位置,長短軸之比用來描述要素空間分布形態(tài),方位角表示空間分布的主趨勢方向[22]。平均中心坐標、x軸標準差、y軸標準差計算公式分別為：

(3)

(4)

(5)

(6)

2.5 林地變化檢測

在ArcGIS中,根據(jù)式(7),完成2000和2010年以及2010和2020年的林地數(shù)據(jù)的疊加分析。

T=T2-T1

(7)

式中:T是柵格計算結(jié)果,T1表示2000年(2010年)的重分類后的林地數(shù)據(jù),T2表示2010年(2020年)的重分類后的林地數(shù)據(jù),運算結(jié)果有3種情況,分別為:T=0(穩(wěn)定區(qū)),即用地未發(fā)生變化；T=1(獲取區(qū)),即原來不是林地后面變成林地,T=-1(喪失區(qū)),即原來是林地,后變成其他地類[4]。

2.6 林地的高程分布指數(shù)

根據(jù)研究區(qū)的地形地貌的實際情況以及海拔的高低,利用自然間斷法將它的海拔高度劃分為5類:≤500m,500～1 000m,1 000～1 500m,1 500～2 000 m,>2 000m。其次,通過林地分布指數(shù)反映不同海拔梯度上的林地的分布特征。計算公式如下:

(8)

式中:P代表林地分布指數(shù)；e代表海拔梯度；Sie代表不同海拔梯度下的林地面積,Si表示林地面積,Se表示整個區(qū)域特定海拔梯度下的總面積,S表示整個區(qū)域的面積。

分布指數(shù)是一種標準化的無量綱指數(shù)。由該公式可得到高程的分布指數(shù),如果P大于1,表示特定海拔高度上的林地屬于優(yōu)勢分布,P值越大,優(yōu)勢度越高,該等級地形適宜林地發(fā)育和分布的程度較高[23]。

3 結(jié)果與分析

3.1 林地的總體特征分析

福建省林地分布很廣,所占比例很大,主要分布在閩西北山區(qū),東南沿海地區(qū)較少。由表2可知:福建省3個階段林地利用動態(tài)度均<0,動態(tài)度絕對值有減少趨勢,3個階段的林地減少量都在700km2以內(nèi)。研究區(qū)2000,2010,2020年的林地總面積分別為76 279.97km2,75 807.95km2,75 595.74km2。2000—2010年的林地總面積減少了472km2,主要是源于有林地的轉(zhuǎn)出；2010—2020年的林地總面積減少了212km2,其中有林地、灌木地、疏林地、其他林地都有轉(zhuǎn)出。2010—2020年與2000—2010年相比,林地總面積雖然還是在減少,但減少的程度變小了,生態(tài)環(huán)境更加趨于穩(wěn)定。在林地的二級劃分中,由圖1可知:2000—2020年,有林地總體呈現(xiàn)下降趨勢,共減少了2 888.53km2,變化率為5.34%；灌木林總體呈增加的趨勢,增加了621.81km2,變化率為9.42%；疏林地從2000年的13 275.35km2下降到2020年的13 266.37km2,面積幾乎不變；其他林地的面積有大幅度的提高,增加了1 891.47km2。由此可見,20年來,有林地的減少是福建省林地總面積減少的主要原因。

表2 福建省林地變化動態(tài)度和變化量

圖1 福建省各類林地面積變化及林地總面積變化

3.2 林地轉(zhuǎn)移特征分析

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,本研究基于轉(zhuǎn)移矩陣模型對2000,2010和2020年3期土地利用數(shù)據(jù)進行疊加分析(圖2)。

注:1表示耕地,2表示有林地,3表示灌木林地,4表示疏林地,5表示其他林地,6表示草地,7表示水域,8表示建設(shè)用地,9表示未利用土地；單位:km2。

結(jié)果顯示:2000—2010年,林地轉(zhuǎn)換為其他地類的面積分別為:草地338.73km2、耕地50.13km2、建設(shè)用地648.56km2、水域79.17km2、未利用土地17.85km2,其中林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地最多,占林地所有轉(zhuǎn)出面積的57.2%；林地轉(zhuǎn)為草地的面積次之,占林地所有轉(zhuǎn)出面積的29.9%；由其他地類轉(zhuǎn)為林地的面積分別為:草地577.51km2、耕地48.47km2、建設(shè)用地1.88km2、水域32.76km2、未利用土地1.87km2,其中,草地轉(zhuǎn)入林地最多,占林地所有轉(zhuǎn)入面積的88%,其他地類面積較小。2010—2020年,由林地轉(zhuǎn)換為其他地類的面積分別為:草地31.93km2、耕地37.26km2、建設(shè)用地240.47km2、水域19.31km2、未利用土地4.35km2,其中林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地最多,占林地所有轉(zhuǎn)出面積的72%；由其他地類轉(zhuǎn)為林地的面積分別為:草地26.09km2、耕地40.84km2、建設(shè)用地38.25km2、水域12.34km2、未利用土地0.4km2,其中,耕地轉(zhuǎn)入林地最多,占林地所有轉(zhuǎn)入面積的34.6%,建設(shè)用地轉(zhuǎn)入林地的次之,所占比例為32.4%。林地與建設(shè)用地之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系較密切,2010—2020年林地的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出較2000—2010更加平均。在林地的二級分類中,2000—2010年,發(fā)生了比較大的有林地轉(zhuǎn)出為其他林地；2010—2020年,有林地、疏林地、其他林地、灌木地都發(fā)生一定量的轉(zhuǎn)出。

3.3 林地的空間格局分析

各時期林地標準差橢圓參數(shù)變化顯示(表3):2000—2020年福建省林地標準差橢圓在2個時段內(nèi)分別呈現(xiàn)向西南、西北方向的移動路徑,移動距離大致都在6km左右。2000—2020年長短軸之比由0.609km增加到0.615km,說明福建省林地呈現(xiàn)出擴張的趨勢。從橢圓面積比來看,2000—2020年,橢圓面積逐漸增大,2020年的橢圓面積比2000年增大了426km2,反應出研究區(qū)林地規(guī)模整體上呈現(xiàn)出擴張的態(tài)勢。從轉(zhuǎn)角來看,轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)逐漸縮小的趨勢,但是變化幅度較小,說明福建省林地擴張的方向比較穩(wěn)定。2000—2010年林地重心位置未發(fā)生較大的偏移,大致都是在三明市的尤溪縣。

表3 2000—2010年福建省林地空間分布的標準差橢圓參數(shù)

3.4 變化林地的空間分布特征分析

由圖3可知:無論是2000—2010年還是2010—2020年,穩(wěn)定區(qū)都占據(jù)一定的優(yōu)勢。2000—2010年,穩(wěn)定區(qū)面積為:119 995.07km2、林地獲取面積為:662.78km2、林地喪失面積為:1 134.78km2；林地喪失的面積大于林地獲取的面積,研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境將會受到影響,今后需要加強環(huán)境的保護；2000—2010年(圖3(a)),龍巖市的林地喪失是最嚴重的,面積為258.248km2;寧德市的林地獲取是最多的,面積為257.95km2。

2010—2020年(圖3(b)),穩(wěn)定區(qū)面積為:122 165.08km2、林地獲取面積為:102.61km2、林地喪失面積為:316.50km2；林地喪失的面積仍然大于林地獲取的面積；其中,林地喪失最嚴重的是南平市,面積為67.64km2；林地獲取最多的是龍巖市,面積為23.61km2。

圖3 2000—2020年福建省林地變化面積

與2000—2010年相比,2010—2020年林地喪失雖然仍然大于獲取的面積,但是兩者之間的差距更小了,喪失與獲取變得更加的平均,并且相比2000—2010年,2010—2020年整個研究區(qū)林地喪失有大幅度的減少,林地得到了一定程度的改善。

3.5 林地的海拔梯度效應分析

3.5.1林地的海拔梯度差異

由圖4可知,福建省林地主要分布在海拔≤500m的區(qū)域；當海拔梯度<500m時,它的分區(qū)面積為68 212km2,是最大的分區(qū)面積,所以使得該區(qū)間的林地面積也最大,2000,2010,2020年林地面積分別為36 738,36 315,36 143km2,占所有林地面積的比例都在48%左右；海拔梯度位于500～1 000m時,分區(qū)面積位居第二,該區(qū)間2000,2010,2020年的林地面積分別34 556,34 471,34 435km2,占所有林地面積的比例都在46%左右。在高海拔區(qū)域,林地面積是最少的,3年的林地面積都是0.4km2左右,僅僅只占所有林地面積的0.001%。由海拔分區(qū)的林地面積可知:海拔高度位于中位段海拔時,林地面積最大,所占的比例也最大。

圖4 2000—2020年林地在不同海拔梯度上的面積

由圖5可知,林地在海拔梯度上的優(yōu)勢位分布:2000,2010,2020年3個時期的林地分布指數(shù)曲線形態(tài)基本相似,其分布指數(shù)基本保持穩(wěn)定。優(yōu)勢分布區(qū)間沒有變化,均為500～1 000m和1 500～2 000m海拔梯度等級；在海拔≤500m和>2 000m的地方,林地分布指數(shù)均小于1；在500～1 000m,1 000～1 500m,1 500～2 000m這3個等級,林地分布指數(shù)均大于1,說明該區(qū)間適宜林地發(fā)育和分布的程度較高。

3.5.2變化林地的海拔梯度差異

由圖6可知:福建省的林地喪失和獲取發(fā)生在低海拔和中等海拔處,隨著海拔的增加,發(fā)生的喪失和獲取越小,在海拔最高的地方,甚至不發(fā)生喪失或獲取。2000—2010年(圖6(a)),海拔≤500m時林地喪失面積為761.364km2,林地獲取面積為338.445km2；2010—2020年(圖6(b)),海拔≤500m時林地喪失面積為267.716km2,林地獲取面積為92.217km2；在海拔>2000m的區(qū)域,林地喪失或獲取幾乎都沒有發(fā)生。在海拔<1 000m的區(qū)域,地勢相對平坦林地受人類活動的干擾大,林地喪失面積大于林地獲取面積,該區(qū)域生態(tài)環(huán)境有待加強；隨著海拔高度的增加,人類活動受到限制,在海拔1 000～1 500m的區(qū)域,2000—2010年林地喪失小于林地獲取,2010—2020年林地喪失與獲取達到相對平衡的狀態(tài)；在海拔>1 500m的區(qū)域,林地喪失和獲取都幾乎都不發(fā)生。在今后的生態(tài)工作中,我們在關(guān)注低海拔林地恢復的同時,更不能忽視高海拔的林地撫育[4]。

圖5 2000—2020年林地在海拔梯度上的分布指數(shù)

圖6 2000—2020年福建省林地變化與不同海拔梯度關(guān)系

4 討論

根據(jù)森林資源清查結(jié)果,福建省的森林覆蓋是持續(xù)增加的,第九次森林資源清查顯示森林覆蓋率高達66.6%。雖然本研究結(jié)果顯示林地的面積逐漸減少,但后期(2010—2020)與前期(2000—2010)相比,林地喪失的面積不斷在減少,也說明研究區(qū)的森林保護效果逐見成效。造成兩者之間的差異主要是由于對林地的定義不同所造成的。本研究中對林地的定義比森林資源清查較詳細,類型劃分更為多樣,且此種分類更加傾向于保護森林[24],這對林地變化監(jiān)測與管理更有幫助。

本研究對2000,2010,2020年的福建省林地變化進行了研究,但缺乏了對整個研究時期更加細致的期間劃分；本研究也只是對研究區(qū)林地變化的原因進行簡單的統(tǒng)計分析,并沒有深入分析社會經(jīng)濟發(fā)展等人為影響因子對林地變化的影響,這些有待今后進一步研究。

5 結(jié)論

1)2000,2010,2020年的林地總面積分別是76 279.98,75 807.97,75 595.75km2,3年林地面積占福建省的總面積的比例都超過了60%；2000—2010年林地面積減少了472km2,主要是由于有林地的減少；2010—2020年林地面積減少了212km2,有林地、灌木地、疏林地、其他林地都有減少,但主要還是有林地的減少。

2)2000—2010年,福建省林地的轉(zhuǎn)換主要集中在林地、建設(shè)用地和草地的轉(zhuǎn)換。林地轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地面積最大,轉(zhuǎn)出了648.56km2,占所有轉(zhuǎn)出面積的比例是57.2%；草地轉(zhuǎn)入林地的面積最大,轉(zhuǎn)入了577.51km2,占所有轉(zhuǎn)入面積的比例高達88%。

3)2000—2020年福建省林地規(guī)模整體上呈現(xiàn)出擴張的態(tài)勢；重心未發(fā)生較大偏移。2000—2010年和2010—2020年福建省林地的空間變化中,穩(wěn)定區(qū)都占據(jù)了一定的優(yōu)勢,面積都在120 000km2左右。2000—2010年,林地喪失面積為1 134.78km2,林地獲取面積為662.78km2；2010—2020年,林地喪失面積為316.50km2,林地獲取面積為102.61km2。

4)海拔≤500m時,此時的林地面積占全省林地面積的比例是最大的,隨著海拔高度的增加,林地的面積也隨之減少；林地分布的優(yōu)勢區(qū)間是在500～2 000m,該區(qū)間適宜林地發(fā)育和分布的程度較高。在≤500m的地方,林地喪失和獲取面積達到最大,2000—2010年分別為761.364km2和338.445km2,2010—2020年分別為267.716km2和92.217m2；隨著海拔增加,林地喪失/獲取面積在減少,當海拔達到最高時,林地喪失與獲取幾乎不發(fā)生。