福建省林地覆盖变化及其海拔梯度效应的分析

左雪漫,闫国东,陈 瑾,巫志龙,胡喜生

(福建农林大学 交通与土木工程学院,福州 350002)

林地作为森林资源的重要组成部分,不仅是林业发展的基础,还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[1]。植被的形成及变化与所处的地理环境和人类活动密切相关,而地形在植被生长环境要素中占主要作用。因此,研究地形因子与植被之间的关系是分析植被生长规律的重要途径之一[2]。关于不同区域覆盖变化与地形因子的关系,国内外学者进行了大量的研究,Myneni[3]利用归一化植被指数研究了北半球的植被覆盖变化,结果显示该区域较高海拔的植被活动在过去20年中呈现出增长趋势；赵佩等[4]研究了柯西河流域内不同地形因子森林覆盖度的分布及变化特征；王毅等[5]选取中国南方典型喀斯特地貌区贵州省普定县为研究区,得出不同等级植被覆盖度分别主要受哪种地形因子的影响；熊俊楠等[6]研究汶川震后植被覆盖度变化与高程、坡度、坡向等的定量关系,以期为汶川地震灾区生态环境监测及修复等工作提供依据。我国林地的分布空间差异大[7],同时，林地覆盖程度和地形因子间的关系,受地域影响很大,不同地域特征可能呈现出完全不同的结果[5]。目前,关于福建省植被覆盖变化的研究中,王一帆等[8]结合气象与非气象因子分析它们对福建省植被状况的影响；侯秀英等[9]则是对福建省66个县域17年间森林丧失时空动态进行探索。福建省是森林变化活跃的省份之一[10-11],林地的变化影响着整个南方地区甚至全国的生态质量,但却鲜有关于福建省林地变化与海拔梯度这一地形因素中重要因子关系的相关研究。基于此,本研究以福建省为研究对象,采用空间分辨率为30m×30m的林地(郁闭度大于0.3的有林地、郁闭度大于0.4的灌木林、郁闭度在0.1～0.3的疏林地以及其他林地)数据,对福建省林地覆盖的变化及其海拔梯度效应进行分析,探讨该区域的林地时空变化特征,揭示其随着海拔高度的变化而产生的演变,为福建省林地保护及生态可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况与数据获取

1.1 研究区选取

福建地处我国东南部(23°31′～28°18′N,115°～120°43′E),东临台湾省,北临浙江省,西临江西省,南临广东省；以山地丘陵为主,点缀着河谷和盆地。自然条件优越,种质资源极其丰富,全省分布高等植物4 703种,约占全国的14.3%[12],是南方重点集体林区。山林众多,是它的一大特色和优势。

1.2 数据获取

考虑到研究尺度较大,本研究采用资源环境科学与数据中心(www.resdc.cn/)提供的2000,2010,2020年的空间分辨率为30m×30m的土地利用覆盖数据,该产品中有林地、灌木林、疏林地和其他林地的总精度分别为83.95%,93.15%,90.41%,75.79%,可满足本研究的分类要求。这里需要特别说明的是,本研究中对林地的定义与森林资源清查对林地的定义有所不同,森林资源清查对林地的定义偏重于林地现状是否有乔灌木覆盖并且对铁路、公路红线外种植的林木未做界定[13]；本研究对林地的定义,指的是沿海树木、竹子和灌木生长的土地,以及红树林生长的土地,不包括居民区绿化用地,铁路、公路征地范围内的树木、河流和沟渠的护堤林(表1)。同时,本研究从中科院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(www.cnic.cas.cn/)下载30m分辨率的福建省海拔高度数据。

表1 林地分类标准

2 研究方法

2.1 土地利用类型划分

国内外研究对环境用地含义有不同定义[14-17],但一致认为林地是重要的生态用地类型,研究林地对生态用地保护具有重要意义。将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地以及海洋；其中,按郁闭度和用途进行细分,林地进一步划分为有林地、灌木地、疏林地和其他林地4个二级类型。

2.2 林地利用变化动态度

一定时期内林地的变化速度和变化幅度用林地利用动态度表示[18],计算公式如下:

(1)

式中:k为研究区域监测时段林地的年变化率；Sa,Sb为监测开始和结束时林地的面积(km2)；T为研究时段。应用林地利用变化动态度分析林地利用类型的动态变化,可以真实地反映该区域林地利用类型的变化程度和发展趋势[19]。

2.3 林地转移矩阵

应用研究区3个时期(2000,2010,2020年)的土地利用遥感数据,构建土地利用转移矩阵[20],用来度量林地的转入和转出,其数学表达式如下:

(2)

式中:Aij为研究初期与研究末期的土地利用状态；n为土地利用类型个数。

2.4 标准差椭圆

标准差椭圆(SED)被广泛应用于自然、社会、经济和其他领域的空间发展模式。通过重心、长半轴、短半轴、转角等揭示福建林地覆盖的空间分布特征[21]。其中,重心表示区域要素空间分布的相对位置,长短轴之比用来描述要素空间分布形态,方位角表示空间分布的主趋势方向[22]。平均中心坐标、x轴标准差、y轴标准差计算公式分别为：

(3)

(4)

(5)

(6)

2.5 林地变化检测

在ArcGIS中,根据式(7),完成2000和2010年以及2010和2020年的林地数据的叠加分析。

T=T2-T1

(7)

式中:T是栅格计算结果,T1表示2000年(2010年)的重分类后的林地数据,T2表示2010年(2020年)的重分类后的林地数据,运算结果有3种情况,分别为:T=0(稳定区),即用地未发生变化；T=1(获取区),即原来不是林地后面变成林地,T=-1(丧失区),即原来是林地,后变成其他地类[4]。

2.6 林地的高程分布指数

根据研究区的地形地貌的实际情况以及海拔的高低,利用自然间断法将它的海拔高度划分为5类:≤500m,500～1 000m,1 000～1 500m,1 500～2 000 m,>2 000m。其次,通过林地分布指数反映不同海拔梯度上的林地的分布特征。计算公式如下:

(8)

式中:P代表林地分布指数；e代表海拔梯度；Sie代表不同海拔梯度下的林地面积,Si表示林地面积,Se表示整个区域特定海拔梯度下的总面积,S表示整个区域的面积。

分布指数是一种标准化的无量纲指数。由该公式可得到高程的分布指数,如果P大于1,表示特定海拔高度上的林地属于优势分布,P值越大,优势度越高,该等级地形适宜林地发育和分布的程度较高[23]。

3 结果与分析

3.1 林地的总体特征分析

福建省林地分布很广,所占比例很大,主要分布在闽西北山区,东南沿海地区较少。由表2可知:福建省3个阶段林地利用动态度均<0,动态度绝对值有减少趋势,3个阶段的林地减少量都在700km2以内。研究区2000,2010,2020年的林地总面积分别为76 279.97km2,75 807.95km2,75 595.74km2。2000—2010年的林地总面积减少了472km2,主要是源于有林地的转出；2010—2020年的林地总面积减少了212km2,其中有林地、灌木地、疏林地、其他林地都有转出。2010—2020年与2000—2010年相比,林地总面积虽然还是在减少,但减少的程度变小了,生态环境更加趋于稳定。在林地的二级划分中,由图1可知:2000—2020年,有林地总体呈现下降趋势,共减少了2 888.53km2,变化率为5.34%；灌木林总体呈增加的趋势,增加了621.81km2,变化率为9.42%；疏林地从2000年的13 275.35km2下降到2020年的13 266.37km2,面积几乎不变；其他林地的面积有大幅度的提高,增加了1 891.47km2。由此可见,20年来,有林地的减少是福建省林地总面积减少的主要原因。

表2 福建省林地变化动态度和变化量

图1 福建省各类林地面积变化及林地总面积变化

3.2 林地转移特征分析

利用转移矩阵可以揭示林地发生数量变化的转移轨迹,本研究基于转移矩阵模型对2000,2010和2020年3期土地利用数据进行叠加分析(图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表示建设用地,9表示未利用土地；单位:km2。

结果显示:2000—2010年,林地转换为其他地类的面积分别为:草地338.73km2、耕地50.13km2、建设用地648.56km2、水域79.17km2、未利用土地17.85km2,其中林地转为建设用地最多,占林地所有转出面积的57.2%；林地转为草地的面积次之,占林地所有转出面积的29.9%；由其他地类转为林地的面积分别为:草地577.51km2、耕地48.47km2、建设用地1.88km2、水域32.76km2、未利用土地1.87km2,其中,草地转入林地最多,占林地所有转入面积的88%,其他地类面积较小。2010—2020年,由林地转换为其他地类的面积分别为:草地31.93km2、耕地37.26km2、建设用地240.47km2、水域19.31km2、未利用土地4.35km2,其中林地转为建设用地最多,占林地所有转出面积的72%；由其他地类转为林地的面积分别为:草地26.09km2、耕地40.84km2、建设用地38.25km2、水域12.34km2、未利用土地0.4km2,其中,耕地转入林地最多,占林地所有转入面积的34.6%,建设用地转入林地的次之,所占比例为32.4%。林地与建设用地之间的转换关系较密切,2010—2020年林地的转入与转出较2000—2010更加平均。在林地的二级分类中,2000—2010年,发生了比较大的有林地转出为其他林地；2010—2020年,有林地、疏林地、其他林地、灌木地都发生一定量的转出。

3.3 林地的空间格局分析

各时期林地标准差椭圆参数变化显示(表3):2000—2020年福建省林地标准差椭圆在2个时段内分别呈现向西南、西北方向的移动路径,移动距离大致都在6km左右。2000—2020年长短轴之比由0.609km增加到0.615km,说明福建省林地呈现出扩张的趋势。从椭圆面积比来看,2000—2020年,椭圆面积逐渐增大,2020年的椭圆面积比2000年增大了426km2,反应出研究区林地规模整体上呈现出扩张的态势。从转角来看,转角呈现逐渐缩小的趋势,但是变化幅度较小,说明福建省林地扩张的方向比较稳定。2000—2010年林地重心位置未发生较大的偏移,大致都是在三明市的尤溪县。

表3 2000—2010年福建省林地空间分布的标准差椭圆参数

3.4 变化林地的空间分布特征分析

由图3可知:无论是2000—2010年还是2010—2020年,稳定区都占据一定的优势。2000—2010年,稳定区面积为:119 995.07km2、林地获取面积为:662.78km2、林地丧失面积为:1 134.78km2；林地丧失的面积大于林地获取的面积,研究区的生态环境将会受到影响,今后需要加强环境的保护；2000—2010年(图3(a)),龙岩市的林地丧失是最严重的,面积为258.248km2;宁德市的林地获取是最多的,面积为257.95km2。

2010—2020年(图3(b)),稳定区面积为:122 165.08km2、林地获取面积为:102.61km2、林地丧失面积为:316.50km2；林地丧失的面积仍然大于林地获取的面积；其中,林地丧失最严重的是南平市,面积为67.64km2；林地获取最多的是龙岩市,面积为23.61km2。

图3 2000—2020年福建省林地变化面积

与2000—2010年相比,2010—2020年林地丧失虽然仍然大于获取的面积,但是两者之间的差距更小了,丧失与获取变得更加的平均,并且相比2000—2010年,2010—2020年整个研究区林地丧失有大幅度的减少,林地得到了一定程度的改善。

3.5 林地的海拔梯度效应分析

3.5.1林地的海拔梯度差异

由图4可知,福建省林地主要分布在海拔≤500m的区域；当海拔梯度<500m时,它的分区面积为68 212km2,是最大的分区面积,所以使得该区间的林地面积也最大,2000,2010,2020年林地面积分别为36 738,36 315,36 143km2,占所有林地面积的比例都在48%左右；海拔梯度位于500～1 000m时,分区面积位居第二,该区间2000,2010,2020年的林地面积分别34 556,34 471,34 435km2,占所有林地面积的比例都在46%左右。在高海拔区域,林地面积是最少的,3年的林地面积都是0.4km2左右,仅仅只占所有林地面积的0.001%。由海拔分区的林地面积可知:海拔高度位于中位段海拔时,林地面积最大,所占的比例也最大。

图4 2000—2020年林地在不同海拔梯度上的面积

由图5可知,林地在海拔梯度上的优势位分布:2000,2010,2020年3个时期的林地分布指数曲线形态基本相似,其分布指数基本保持稳定。优势分布区间没有变化,均为500～1 000m和1 500～2 000m海拔梯度等级；在海拔≤500m和>2 000m的地方,林地分布指数均小于1；在500～1 000m,1 000～1 500m,1 500～2 000m这3个等级,林地分布指数均大于1,说明该区间适宜林地发育和分布的程度较高。

3.5.2变化林地的海拔梯度差异

由图6可知:福建省的林地丧失和获取发生在低海拔和中等海拔处,随着海拔的增加,发生的丧失和获取越小,在海拔最高的地方,甚至不发生丧失或获取。2000—2010年(图6(a)),海拔≤500m时林地丧失面积为761.364km2,林地获取面积为338.445km2；2010—2020年(图6(b)),海拔≤500m时林地丧失面积为267.716km2,林地获取面积为92.217km2；在海拔>2000m的区域,林地丧失或获取几乎都没有发生。在海拔<1 000m的区域,地势相对平坦林地受人类活动的干扰大,林地丧失面积大于林地获取面积,该区域生态环境有待加强；随着海拔高度的增加,人类活动受到限制,在海拔1 000～1 500m的区域,2000—2010年林地丧失小于林地获取,2010—2020年林地丧失与获取达到相对平衡的状态；在海拔>1 500m的区域,林地丧失和获取都几乎都不发生。在今后的生态工作中,我们在关注低海拔林地恢复的同时,更不能忽视高海拔的林地抚育[4]。

图5 2000—2020年林地在海拔梯度上的分布指数

图6 2000—2020年福建省林地变化与不同海拔梯度关系

4 讨论

根据森林资源清查结果,福建省的森林覆盖是持续增加的,第九次森林资源清查显示森林覆盖率高达66.6%。虽然本研究结果显示林地的面积逐渐减少,但后期(2010—2020)与前期(2000—2010)相比,林地丧失的面积不断在减少,也说明研究区的森林保护效果逐见成效。造成两者之间的差异主要是由于对林地的定义不同所造成的。本研究中对林地的定义比森林资源清查较详细,类型划分更为多样,且此种分类更加倾向于保护森林[24],这对林地变化监测与管理更有帮助。

本研究对2000,2010,2020年的福建省林地变化进行了研究,但缺乏了对整个研究时期更加细致的期间划分；本研究也只是对研究区林地变化的原因进行简单的统计分析,并没有深入分析社会经济发展等人为影响因子对林地变化的影响,这些有待今后进一步研究。

5 结论

1)2000,2010,2020年的林地总面积分别是76 279.98,75 807.97,75 595.75km2,3年林地面积占福建省的总面积的比例都超过了60%；2000—2010年林地面积减少了472km2,主要是由于有林地的减少；2010—2020年林地面积减少了212km2,有林地、灌木地、疏林地、其他林地都有减少,但主要还是有林地的减少。

2)2000—2010年,福建省林地的转换主要集中在林地、建设用地和草地的转换。林地转出为建设用地面积最大,转出了648.56km2,占所有转出面积的比例是57.2%；草地转入林地的面积最大,转入了577.51km2,占所有转入面积的比例高达88%。

3)2000—2020年福建省林地规模整体上呈现出扩张的态势；重心未发生较大偏移。2000—2010年和2010—2020年福建省林地的空间变化中,稳定区都占据了一定的优势,面积都在120 000km2左右。2000—2010年,林地丧失面积为1 134.78km2,林地获取面积为662.78km2；2010—2020年,林地丧失面积为316.50km2,林地获取面积为102.61km2。

4)海拔≤500m时,此时的林地面积占全省林地面积的比例是最大的,随着海拔高度的增加,林地的面积也随之减少；林地分布的优势区间是在500～2 000m,该区间适宜林地发育和分布的程度较高。在≤500m的地方,林地丧失和获取面积达到最大,2000—2010年分别为761.364km2和338.445km2,2010—2020年分别为267.716km2和92.217m2；随着海拔增加,林地丧失/获取面积在减少,当海拔达到最高时,林地丧失与获取几乎不发生。