黄河流域林地景观格局变化

吴明阳，吴福荣，陈 慧，韩 斌，罗 松，刘 冰

(1.菏泽市财政局，山东 菏泽 274000；2.菏泽市林业局，山东 菏泽 274000)

1 引言

林地是我国重要的战略资源，在增强固碳能力、防治水土流失、保持生多样性等方面起到重要作用，是实现高质量发展的重要保证[1，2]。林地变化关乎到区域的生态安全，进而影响区域高质量发展战略，因此对林地空间动态变化进行分析具有重要的意义[3]。针对林地动态变化，众多学者展开大量研究。李秀芬等解译1980～2007年4期遥感影像，分析了晋西北地区防护林近30年间的动态变化[4]。何彦然等基于不同尺度样方对三峡库区林地面积进行动态分析，确定最优分析尺度[5]。郭少壮等以1980～2015年土地利用数据为基础，探究了秦岭地区林地和草地的动态变化及驱动因素[6]。杨伯钢等基于1999～2005年3期遥感影像，对北京市林地覆盖率进行了研究[7]。江腾宇等对湖北省2010～2012年林地数据进行分析，探究了林地变化规律及驱动力因素[8]。张清雨等运用Arcgis空间分析功能，研究商洛地区近30年间林地时空变化特征[9]。李廷等采用监督分类法解译2005～2017年林地数据，对林芝县林地动态变化进行分析[10]。现有研究多以小范围和短时间序列为主[11～15], 研究对象主要集中在县、市域和丘陵山地区[16～18]，而对重要的生态区域的黄河流域大尺度、长序列的研究较为缺乏。基于以上分析，以1980年、2000年和2020年黄河流域林地数据为基础，采用空间分析、重心迁移和景观格局指数等分析方法，对黄河流域1980～2020年40年间林地时空变化特征进行分析，以期为黄河流域高质量发展提供数据支持。

2 研究地域与数据来源

2.1 研究区域

黄河流域(95°53′～119°05′E, 32°10′～41°50′N)位于我国北部，面积约81万km2, 自西向东跨越9省(自治区)33市。流域内地势西高东低横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和淮海平原4个地貌单元，形成自西而东、由高及低三级阶梯。

2.2 数据来源与处理

研究区域所使用的1980年、2000年、和2020年3期栅格数据分辨率为1 km×1 km，均来源于中国科学院资源环境科学数据中心。在ENVI中计算混淆矩阵，3期数据精度均在90%以上。根据研究需要在Arcgis中将地类重分类为林地、草地、耕地、水域、建设用地和未利用地6大类，其中林地分为有林地、灌木林、疏林地和其他林地4小类。

3 研究方法

3.1 土地利用时空变化分析

借助Arcgis空间分析功能对1980年和2020年黄河流域土地利用数据进行分析，以此得到研究区域各地类的时空变化特征。土地变化转移矩阵是研究各地类之间时空变化的主要方法[19]，土地利用转移矩阵如下：

(1)

式(1)中：A为面积；n为土地利用类型种类数；i、j为变化前后土地利用类型。

3.2 重心模型分析

重心转移分析可以诠释土地利用类型时空演变过程，重心坐标一般以经纬度表示[20]。其计算公式如下：

(2)

(3)

式(2)、(3)中:Xt、Yt分别表示第t年某景观类型分布重心的经纬度坐标；Xi、Yi分别表示某景观类型第i个斑块重心的经纬度坐标；Cti表示第t某景观类型第i个斑块的面积。

3.3 景观格局指数

结合黄河流域景观格局状况，选取斑块数、板块密度、分离指数、蔓延指数、景观形状指数和香农多样性指数7个指标分析黄河流域林地景观要素的数量、形状和空间分布特征。

4 结果与分析

4.1 林地数量变化分析

从表1可以得出：黄河流域林地类型以有林地和灌木林地为主，两者占比均在80%以上。研究期间黄河流域林地总面积呈先减少后增加的趋势，有林地面积持续减少，灌木林地面积先减少后增加，疏林地和其他林地面积持续增加。1980～2000年间林地总面积减少76 km2，有林地面积减少294 km2，灌木林地面积减少66 km2，疏林地面积增加25 km2，其他林地面积增加259 km2；2000～2020年间林地总面积增加3661 km2，有林地面积减少489 km2，灌木林地面积增加985 km2，疏林地面积增加1697 km2，其他林地面积增加1468 km2。

表1 1980～2020年黄河流域林地类型及面积

4.2 林地矩阵转移分析

从表2中可以看出，40年间各类林地在空间位置上均发生不同程度的改变，有林地、灌木林地、疏林地和其他林地保持原状率分别为62.66%、46.10%、36.91%和20.67%。有林地主要与耕地、草地、灌木林地和疏林地相互转换，有林地转出面积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；有林地转入面积13674 km2，耕地、草地、灌木林地和疏林地转入占比分别为20.95%、45.76%、19.26%和7.91%。灌木林地主要与耕地、草地和有林地相互转换，灌木林地转出面积25961 km2，其中15.02%流向耕地、65.94%流向草地、10.14%流向有林地；灌木林地转入面积26880 km2，耕地、草地、有林地转入占比分别为17.44%、64.39%和9.65%。疏林地主要与耕地、草地和有林地相互转换，疏林地转出面积10504 km2，分别有27.33%流向耕地、46.16%流向草地、10.29%流向有林地；疏林地转入面积12226 km2，耕地、草地和有林地转入量占比分别为26.25%、40.44%和20.91%。其他林地主要是与耕地和草地相互转化，其他林地转出量为1301 km2，耕地和草地分别占46.66%和24.98%；其他林地转入面积为3028，耕地和草地转入量占比分别为43.98%和40.46%。

表2 1980～2020年黄河流域土地利用转移矩阵 km2

4.3 林地重心分析

表3中可以看出，40年间有林地重心向东北方向偏移，偏移距离为13.11 km，有林地重心偏移主要发生在2000～2020年偏移距离为13.50 km。灌木林地重心偏移距离较小为3.97 km方向为西北，重心偏移主要发生在1980～2020年偏移方向为西距离为3.97 km。疏林地重心偏移距离为14.63 km方向为东南，重心偏移主要发生在2000～2020年偏移方向为东南距离为15.09 km。其他林地重心偏移距离为44.75 km方向为西北，重心偏移主要发生在2000～2020年偏移方向为西北距离为44.75 km。

表3 1980～2020年黄河流域林地各类型重心偏移

4.4 林地景观格局指数分析

从表4中可以看出，40年间黄河流域林地斑块数、斑块密度、景观形状指数和香农多样性指数均呈上升趋势，分别增长10.29%、6.69%、4.51%和43.12；蔓延度指数呈下降趋势，下降比例为9.51%，表现出林地在总体上破碎度加大、斑块聚集趋向分散。从表5可以看出各类型林地景观格局在变化趋势上与林地总体保持一致，均出现不同程度的破碎化；值得注意的是疏林地和其他林地的分离指数较大，研究期间出现大幅下降。

表4 黄河流域林地景观格局指数

表5 1980～2020年黄河流域各类林地景观类型指数

5 结论与讨论

本文以黄河流域1980、2000和2020年土地利用数据为基础，对黄河流域40年间林地变化的时空特征进行分析，主要研究结论如下。

(1)从林地结构分析表明，黄河流域林地主要类型为有林地和灌木林地。1980～2020年林地总面积增加3585.00 km2，有林地减少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年间，有林地、灌木林地、疏林地和其他林地保持原状率分别为62.66%、46.10%、36.91%和20.67%，各类林地主要与草地相互转化，有林地、疏林地和其他林地与草地的相互转换在40%以上，灌木林地与草地相互转换在60%以上。

(3)40年间，有林地重心向东北方向偏移，偏移距离为13.11km，灌木林地重心偏移距离较小为3.97 km方向为西北，疏林地重心偏移距离为14.63 km方向为东南，其他林地重心偏移距离为44.75 km方向为西北。

(4)40年间黄河流域林地斑块数、斑块密度、景观形状指数和香农多样性指数均呈上升趋势，分别增长10.29%、6.69%、4.51%和43.12；蔓延度指数呈下降趋势，下降比例为9.51%，各类型林地景观格局在变化趋势上与林地总体保持一致。