1980—2015黑龙江省林地时空变化特征

李 丹,战大庆,孟庆武,储晓雷,李 刚

(黑龙江工程学院 测绘工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

习近平总书记指出：“我们既要绿水青山，也要金山银山，宁要绿水青山，不要金山银山，绿水青山就是金山银山[1]。”党的十九大报告也对建设生态文明和美丽中国做出全面的部署，明确地提出加大生态系统保护力度，完成生态保护红线，开展国土绿化行动，强化湿地保护和恢复，完善天然林保护制度，扩大退耕还林还草，健全森林休养生息制度[2-3]。林地是国家的重要资源和战略资源[4-6]，是增强森林生态防护效益、实现国民经济可持续发展的根本保障，它具有生态、经济和社会三大效益功能[7]。林地作为森林资源的重要组成部分和林业可持续发展的根本, 在区域土地生态格局、生物多样性保护、基础设施建设以及气候调节等方面发挥着重要作用, 是实现国民经济可持续发展的根本和保障[8]。随着人类活动的增加，土地利用与覆盖变化加速，林地退化不断加剧[9-11]。本文以黑龙江省1980—2015土地利用数据为基础，综合利用地理信息系统手段和数学模型，分析黑龙江省1980—2015期间的林地时空变化特征，为黑龙江省的林地保护及政策制定提供科学依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

黑龙江省位于中国东北部，东部和北部以乌苏里江、黑龙江为界河与俄罗斯为邻，西接内蒙古自治区，南连吉林省，地理位置位于北纬43°25′～53°33′，东经121°11′～135°05′，跨10个纬度，14个经度，南北长约1 120 km，东西宽约930 km，总面积47.3万km2(含加格达奇区和松岭区)，是中国位置最北、最东，纬度最高，经度最东的省份。黑龙江省西部属松嫩平原，东北部为三江平原，平原占全省总面积的37.0%，北部、东南部为山地，平均海拔50～200 m。气候为温带大陆性季风气候。黑龙江省矿产种类丰富，截止2016年底，共发现各类矿产资源135种，有806种不同类型的矿藏，矿山总数2 555个[12]。黑龙江省辖哈尔滨市、齐齐哈尔市、牡丹江市、佳木斯市、大庆市、黑河市、绥化市、伊春市、鹤岗市、鸡西市、双鸭山市和七台河市12个地级市，以及1个大兴安岭地区。

黑龙江省是中国最大的林业省份之一，天然林资源主要分布在大小兴安岭和长白山脉及完达山。林地面积20.07万km2，活立木总蓄积15亿m3，森林覆盖率达43.6%，森林面积、森林总蓄积和木材产量均居全国前列，是国家最重要的国有林区和最大的木材生产基地。

1.2 数据来源与处理

本文以研究区1980年、1990年、2000年、2010年、2015年5期土地利用数据为基础，提取土地利用信息。土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)的1 km栅格数据集，该数据集基于美国陆地卫星Landsat TM遥感影像，利用中国资源一号卫星(CBERS-1)、环境1号卫星(HJ-1)的CDD多光谱数据作为补充，采用土地资源信息全数字人机交互遥感快速提取方法，建立全国土地利用变化数据集，并且通过大量野外调查数据进行随机精度验证，土地利用分类综合精度达91.2%。

1.3 研究方法

本文通过土地利用转移矩阵来定量地描述林地的具体转移方向[13-14]，并使用土地利用转移矩阵得出黑龙江省1980—2015林地变化表。土地转移矩阵公式为

(1)

式中：S为土地面积；n为土地利用类型数目；i，j分别为研究初期(t)与研究末期(t+Δt)的土地利用类型。

引入林地动态度能真实地反映区域林地变化的活跃程度和林地变化的主要区域[15]，在各时期中将动态度等级分为3个级别，三级最高，一级最低。公式为

(2)

式中：Ua,Ub分别表示研究初期和末期林地的数量；T为研究时段；K为T时段内林地动态变化度。

2 结果与分析

2.1 黑龙江省林地时空变化

2.1.1 林地数量结构变化

利用ArcGIS分别计算出黑龙江省1980—2015 4个时期的土地利用转移矩阵，提取出各时期林地转入转出面积，得到研究区林地数量结构变化见表1。由表1可知，1980—1990林地变化的总面积为4 561.38 km2，其中，林地转出的总面积为3 213.33 km2。林地转化为耕地的面积为2 576.47 km2，变化比率为56.48%；林地转化为草地的面积为371.67 km2，变化比率为8.15%；林地转化为建设用地的面积为75.55 km2，变化比率为1.66%；同时期林地转化为水域的面积为43.06 km2，变化比率为0.94%，是林地转出中的最低值；林地转化为未利用地的面积为146.58 km2，变化比率为3.21%。林地转入的面积为1 348.05 km2，对比林地转入转出的总面积，在这一时期林地的总面积呈现出下降的趋势。

对1990—2000的林地变化数据进行分析可知，1990—2000林地变化的总面积为13 950.88 km2，其中，林地转出总面积为11 330.74 km2，较上一个时期增涨明显，林地主要的转化方向是耕地，与1980—1990相同，面积达到9 134.62 km2，所占比率也上升至65.48%，其次是草地和未利用地，面积分别为1 712.48 km2和402.86 km2，草地的比率由上一时期的8.15%增涨至12.28%，而未利用地的比率则有所下降，从3.21%下降至2.89%。在该时期其他地类向林地转化的面积较上一时期也有所上升，面积为2 620.14 km2，主要来源是耕地和草地，面积为1 035.55 km2和1 330.92 km2，均在1 000 km2以上；其他3种地类的转化面积较小，总和为253.67 km2，不足300 km2，相比于耕地和草地差距较大。1990—2000林地的面积仍然呈现出下降趋势。

对2000—2010的林地变化数据进行分析可知，2000—2010林地变化总面积是3 888.94 km2，林地转出面积较上一时期有所回落，面积是2 285.25 km2，仅为1990—2000转出面积的1/5，比率也有所下降，由81.22%降至58.76%。林地主要的转化方向与1990—2000相同，耕地与草地占转出面积的90%，两种地类总面积是2 052.43 km2，其余3种地类面积较小。在本时期，林地转入的总面积从1990—2000的2 620.14 km2下降到1 603.69 km2，各类用地转入林地的面积均在1 000 km2以下，耕地和草地转化为林地的面积相对较大。2000—2010较1990—2000总体面积下降明显，林地的转入与转出比率较前两个时期更加平均，但林地的总面积依然呈现下降趋势。

对2010—2015的林地变化数据进行分析可知，该时期林地变化的总面积是4个时期中最低的，仅为1 152.86 km2，其中，林地转出的总面积为994.42 km2，占林地变化总面积的86%。林地转化为耕地的面积为902.78 km2，相较于其他4种用地类型，该时期林地转耕地的面积最大；与其他3个时期相比，林地的转出类型较为集中。林地转入的面积158.44 km2，与林地转出相同，林地最大的来源是耕地，转化面积101.62 km2，其他地类面积较小。2010—2015林地转入与转出的比率在4个时期相差最悬殊，林地转入与转出的比率分别为85.26%与13.74%。虽然比率相差悬殊，但由于变化的总面积小，所以在4个时期中是相对平稳的时期。林地面积在进一步缩小。

表1 1980—2015黑龙江省林地数量结构变化

2.1.2 林地空间分布变化

为进一步明确黑龙江省1980—2015林地变化的空间位置，将各时期土地利用图进行intersect空间叠加分析，得到各时期土地利用变化图，提取林地变化空间分布见图1，由图1可知：1980—1990林地变化主要发生在黑龙江省的东、中部地区，以东部地区的林地向耕地转化最为明显；1990—2000林地变化较上一时期有所改变，主要集中在黑龙江省的西北部地区，其中，黑河市林地变化最为明显，境内多为林地向耕地的转化和少量的林地向草地转化，其他地区林地向各种地类转化面积分布比较均匀；2000—2010林地变化空间分布格局呈现分散状态，林地变化在各地区均有发生，没有明显的集中区域；2010—2015林地变化空间分布较为集中，在黑龙江省东北部地区有较小的1个林地向耕地的转化区域。

图1 黑龙江省1980—2015林地空间变化

2.2 林地利用动态度

为了进一步确定林地在各时期动态变化的活跃程度，引入林地动态度模型，计算各时期林地动态度指数，并利用ArcGIS自然断点法将其分为三级，三级最高，一级最低，从三级到一级耕地变化活跃程度逐渐降低。

如图2所示，1980—1990黑龙江省林地变化较为活跃的地区主要分布在东、中部，东部的佳木斯市与中部的牡丹江市、哈尔滨市动态度都表现为三级；双鸭山市、七台河市、鸡西市的动态度等级都是二级，东部地区不存在一级的林地动态度，林地变化以转出为主。在黑龙省的西部地区，黑河市动态度表现为三级，齐齐哈尔市、绥化市等均表现为一级，林地变化不明显。

1990—2000黑龙江省林地利用动态度级别较高的区域向西转移(见图2)，其中，黑河市动态度与上一时期相同，且该时期仅有黑河市动态度为三级。佳木斯市由三级下降为一级，降幅明显；哈尔滨市、牡丹江市由上一时期的三级动态度下降至一级；此外，双鸭山市、鸡西市、七台河市动态度等级都有所下降。在该时期黑河市林地的变化表现尤为突出，与其相比，其他各市林地变化动态度等级较低，与黑河市差距明显，林地变化的分布较为集中。

2000—2010黑龙江省林地利用动态度较高的地区重新回到东、西部(见图2)，黑河市动态度依然保持在三级，大兴安岭地区和佳木斯市由一级上升到三级，牡丹江市和哈尔滨市由上一时期的二级上升至三级；伊春市和齐齐哈尔市分别保持二级和一级不变，其他城市如绥化市、大庆市和双鸭山市等动态度等级都呈现出上升态势，由一级上升至二级。该时期相比于上一时期林地转换分布较分散，各动态度等级相对均匀。

图2 黑龙江省1980—2015林地动态度变化

如图2所示，2010—2015仅有佳木斯市动态度等级是一级，此外，大兴安岭地区和黑河市动态度是二级，较上一时期有所下降，其他地区均为一级。与1990—2000相同，林地变化分布集中，主要在东北部和西北部两个地区。

从上述分析可以看出，4个时期的耕地利用动态度等级较高的地区从中部逐渐向东西两部扩展，其中，黑河市动态度在前3个时期始终稳定维持在三级，第4个时期略有下降，降低为二级，林地利用动态度活跃地区主要集中在黑龙江省的大兴安岭与小兴安岭地区。

3 结 论

本文采用GIS空间分析与林地利用动态度的方法，确定1980—2015 35 a间黑龙江省林地的时空变化情况，得到如下结论：

1)黑龙江省1980—2015 35 a间，林地在转出的同时也发生着转入，但转入林地的面积远小于林地转出的面积，林地面积总体呈现下降趋势，减少的林地主要去向是耕地、草地和未利用地。各个时期的林地数量变化存在明显的差异性。1990—2000林地的变化数量最多，是1980—1990林地变化数量的3倍、2000—2010林地变化数量的5倍、2010—2015林地变化数量的10倍。

2)各时期的林地变化空间差异明显。1980—2015这4个时期中，林地利用动态度呈现出明显的差异性，位于西北部的黑河市一直保持较高的动态度等级，林地变化非常活跃，也是林地转出最多的市。1980—1990与2000—2010两个时期的林地变化在黑龙江省的分布较为均匀，动态度等级较高的地区主要分布在黑龙江省的中部和西北部；1990—2000与2010—2015两个时期的林地变化在黑龙江省的分布则比较集中，1990—2000动态度等级高的地区在黑龙江省的西北部，2000—2015动态度等级高的地区在黑龙江省的东北部。