李 丹,戰(zhàn)大慶,孟慶武,儲曉雷,李 剛

(黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

習(xí)近平總書記指出：“我們既要綠水青山，也要金山銀山，寧要綠水青山，不要金山銀山，綠水青山就是金山銀山[1]?！秉h的十九大報(bào)告也對建設(shè)生態(tài)文明和美麗中國做出全面的部署，明確地提出加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度，完成生態(tài)保護(hù)紅線，開展國土綠化行動，強(qiáng)化濕地保護(hù)和恢復(fù)，完善天然林保護(hù)制度，擴(kuò)大退耕還林還草，健全森林休養(yǎng)生息制度[2-3]。林地是國家的重要資源和戰(zhàn)略資源[4-6]，是增強(qiáng)森林生態(tài)防護(hù)效益、實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的根本保障，它具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會三大效益功能[7]。林地作為森林資源的重要組成部分和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本, 在區(qū)域土地生態(tài)格局、生物多樣性保護(hù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及氣候調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮著重要作用, 是實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的根本和保障[8]。隨著人類活動的增加，土地利用與覆蓋變化加速，林地退化不斷加劇[9-11]。本文以黑龍江省1980—2015土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合利用地理信息系統(tǒng)手段和數(shù)學(xué)模型，分析黑龍江省1980—2015期間的林地時(shí)空變化特征，為黑龍江省的林地保護(hù)及政策制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于中國東北部，東部和北部以烏蘇里江、黑龍江為界河與俄羅斯為鄰，西接內(nèi)蒙古自治區(qū)，南連吉林省，地理位置位于北緯43°25′～53°33′，東經(jīng)121°11′～135°05′，跨10個(gè)緯度，14個(gè)經(jīng)度，南北長約1 120 km，東西寬約930 km，總面積47.3萬km2(含加格達(dá)奇區(qū)和松嶺區(qū))，是中國位置最北、最東，緯度最高，經(jīng)度最東的省份。黑龍江省西部屬松嫩平原，東北部為三江平原，平原占全省總面積的37.0%，北部、東南部為山地，平均海拔50～200 m。氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。黑龍江省礦產(chǎn)種類豐富，截止2016年底，共發(fā)現(xiàn)各類礦產(chǎn)資源135種，有806種不同類型的礦藏，礦山總數(shù)2 555個(gè)[12]。黑龍江省轄哈爾濱市、齊齊哈爾市、牡丹江市、佳木斯市、大慶市、黑河市、綏化市、伊春市、鶴崗市、雞西市、雙鴨山市和七臺河市12個(gè)地級市，以及1個(gè)大興安嶺地區(qū)。

黑龍江省是中國最大的林業(yè)省份之一，天然林資源主要分布在大小興安嶺和長白山脈及完達(dá)山。林地面積20.07萬km2，活立木總蓄積15億m3，森林覆蓋率達(dá)43.6%，森林面積、森林總蓄積和木材產(chǎn)量均居全國前列，是國家最重要的國有林區(qū)和最大的木材生產(chǎn)基地。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文以研究區(qū)1980年、1990年、2000年、2010年、2015年5期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取土地利用信息。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)的1 km柵格數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集基于美國陸地衛(wèi)星Landsat TM遙感影像，利用中國資源一號衛(wèi)星(CBERS-1)、環(huán)境1號衛(wèi)星(HJ-1)的CDD多光譜數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充，采用土地資源信息全數(shù)字人機(jī)交互遙感快速提取方法，建立全國土地利用變化數(shù)據(jù)集，并且通過大量野外調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)精度驗(yàn)證，土地利用分類綜合精度達(dá)91.2%。

1.3 研究方法

本文通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來定量地描述林地的具體轉(zhuǎn)移方向[13-14]，并使用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣得出黑龍江省1980—2015林地變化表。土地轉(zhuǎn)移矩陣公式為

(1)

式中：S為土地面積；n為土地利用類型數(shù)目；i，j分別為研究初期(t)與研究末期(t+Δt)的土地利用類型。

引入林地動態(tài)度能真實(shí)地反映區(qū)域林地變化的活躍程度和林地變化的主要區(qū)域[15]，在各時(shí)期中將動態(tài)度等級分為3個(gè)級別，三級最高，一級最低。公式為

(2)

式中：Ua,Ub分別表示研究初期和末期林地的數(shù)量；T為研究時(shí)段；K為T時(shí)段內(nèi)林地動態(tài)變化度。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江省林地時(shí)空變化

2.1.1 林地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)變化

利用ArcGIS分別計(jì)算出黑龍江省1980—2015 4個(gè)時(shí)期的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，提取出各時(shí)期林地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積，得到研究區(qū)林地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)變化見表1。由表1可知，1980—1990林地變化的總面積為4 561.38 km2，其中，林地轉(zhuǎn)出的總面積為3 213.33 km2。林地轉(zhuǎn)化為耕地的面積為2 576.47 km2，變化比率為56.48%；林地轉(zhuǎn)化為草地的面積為371.67 km2，變化比率為8.15%；林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積為75.55 km2，變化比率為1.66%；同時(shí)期林地轉(zhuǎn)化為水域的面積為43.06 km2，變化比率為0.94%，是林地轉(zhuǎn)出中的最低值；林地轉(zhuǎn)化為未利用地的面積為146.58 km2，變化比率為3.21%。林地轉(zhuǎn)入的面積為1 348.05 km2，對比林地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的總面積，在這一時(shí)期林地的總面積呈現(xiàn)出下降的趨勢。

對1990—2000的林地變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，1990—2000林地變化的總面積為13 950.88 km2，其中，林地轉(zhuǎn)出總面積為11 330.74 km2，較上一個(gè)時(shí)期增漲明顯，林地主要的轉(zhuǎn)化方向是耕地，與1980—1990相同，面積達(dá)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，面積分別為1 712.48 km2和402.86 km2，草地的比率由上一時(shí)期的8.15%增漲至12.28%，而未利用地的比率則有所下降，從3.21%下降至2.89%。在該時(shí)期其他地類向林地轉(zhuǎn)化的面積較上一時(shí)期也有所上升，面積為2 620.14 km2，主要來源是耕地和草地，面積為1 035.55 km2和1 330.92 km2，均在1 000 km2以上；其他3種地類的轉(zhuǎn)化面積較小，總和為253.67 km2，不足300 km2，相比于耕地和草地差距較大。1990—2000林地的面積仍然呈現(xiàn)出下降趨勢。

對2000—2010的林地變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，2000—2010林地變化總面積是3 888.94 km2，林地轉(zhuǎn)出面積較上一時(shí)期有所回落，面積是2 285.25 km2，僅為1990—2000轉(zhuǎn)出面積的1/5，比率也有所下降，由81.22%降至58.76%。林地主要的轉(zhuǎn)化方向與1990—2000相同，耕地與草地占轉(zhuǎn)出面積的90%，兩種地類總面積是2 052.43 km2，其余3種地類面積較小。在本時(shí)期，林地轉(zhuǎn)入的總面積從1990—2000的2 620.14 km2下降到1 603.69 km2，各類用地轉(zhuǎn)入林地的面積均在1 000 km2以下，耕地和草地轉(zhuǎn)化為林地的面積相對較大。2000—2010較1990—2000總體面積下降明顯，林地的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出比率較前兩個(gè)時(shí)期更加平均，但林地的總面積依然呈現(xiàn)下降趨勢。

對2010—2015的林地變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，該時(shí)期林地變化的總面積是4個(gè)時(shí)期中最低的，僅為1 152.86 km2，其中，林地轉(zhuǎn)出的總面積為994.42 km2，占林地變化總面積的86%。林地轉(zhuǎn)化為耕地的面積為902.78 km2，相較于其他4種用地類型，該時(shí)期林地轉(zhuǎn)耕地的面積最大；與其他3個(gè)時(shí)期相比，林地的轉(zhuǎn)出類型較為集中。林地轉(zhuǎn)入的面積158.44 km2，與林地轉(zhuǎn)出相同，林地最大的來源是耕地，轉(zhuǎn)化面積101.62 km2，其他地類面積較小。2010—2015林地轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出的比率在4個(gè)時(shí)期相差最懸殊，林地轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出的比率分別為85.26%與13.74%。雖然比率相差懸殊，但由于變化的總面積小，所以在4個(gè)時(shí)期中是相對平穩(wěn)的時(shí)期。林地面積在進(jìn)一步縮小。

表1 1980—2015黑龍江省林地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)變化

2.1.2 林地空間分布變化

為進(jìn)一步明確黑龍江省1980—2015林地變化的空間位置，將各時(shí)期土地利用圖進(jìn)行intersect空間疊加分析，得到各時(shí)期土地利用變化圖，提取林地變化空間分布見圖1，由圖1可知：1980—1990林地變化主要發(fā)生在黑龍江省的東、中部地區(qū)，以東部地區(qū)的林地向耕地轉(zhuǎn)化最為明顯；1990—2000林地變化較上一時(shí)期有所改變，主要集中在黑龍江省的西北部地區(qū)，其中，黑河市林地變化最為明顯，境內(nèi)多為林地向耕地的轉(zhuǎn)化和少量的林地向草地轉(zhuǎn)化，其他地區(qū)林地向各種地類轉(zhuǎn)化面積分布比較均勻；2000—2010林地變化空間分布格局呈現(xiàn)分散狀態(tài)，林地變化在各地區(qū)均有發(fā)生，沒有明顯的集中區(qū)域；2010—2015林地變化空間分布較為集中，在黑龍江省東北部地區(qū)有較小的1個(gè)林地向耕地的轉(zhuǎn)化區(qū)域。

圖1 黑龍江省1980—2015林地空間變化

2.2 林地利用動態(tài)度

為了進(jìn)一步確定林地在各時(shí)期動態(tài)變化的活躍程度，引入林地動態(tài)度模型，計(jì)算各時(shí)期林地動態(tài)度指數(shù)，并利用ArcGIS自然斷點(diǎn)法將其分為三級，三級最高，一級最低，從三級到一級耕地變化活躍程度逐漸降低。

如圖2所示，1980—1990黑龍江省林地變化較為活躍的地區(qū)主要分布在東、中部，東部的佳木斯市與中部的牡丹江市、哈爾濱市動態(tài)度都表現(xiàn)為三級；雙鴨山市、七臺河市、雞西市的動態(tài)度等級都是二級，東部地區(qū)不存在一級的林地動態(tài)度，林地變化以轉(zhuǎn)出為主。在黑龍省的西部地區(qū)，黑河市動態(tài)度表現(xiàn)為三級，齊齊哈爾市、綏化市等均表現(xiàn)為一級，林地變化不明顯。

1990—2000黑龍江省林地利用動態(tài)度級別較高的區(qū)域向西轉(zhuǎn)移(見圖2)，其中，黑河市動態(tài)度與上一時(shí)期相同，且該時(shí)期僅有黑河市動態(tài)度為三級。佳木斯市由三級下降為一級，降幅明顯；哈爾濱市、牡丹江市由上一時(shí)期的三級動態(tài)度下降至一級；此外，雙鴨山市、雞西市、七臺河市動態(tài)度等級都有所下降。在該時(shí)期黑河市林地的變化表現(xiàn)尤為突出，與其相比，其他各市林地變化動態(tài)度等級較低，與黑河市差距明顯，林地變化的分布較為集中。

2000—2010黑龍江省林地利用動態(tài)度較高的地區(qū)重新回到東、西部(見圖2)，黑河市動態(tài)度依然保持在三級，大興安嶺地區(qū)和佳木斯市由一級上升到三級，牡丹江市和哈爾濱市由上一時(shí)期的二級上升至三級；伊春市和齊齊哈爾市分別保持二級和一級不變，其他城市如綏化市、大慶市和雙鴨山市等動態(tài)度等級都呈現(xiàn)出上升態(tài)勢，由一級上升至二級。該時(shí)期相比于上一時(shí)期林地轉(zhuǎn)換分布較分散，各動態(tài)度等級相對均勻。

圖2 黑龍江省1980—2015林地動態(tài)度變化

如圖2所示，2010—2015僅有佳木斯市動態(tài)度等級是一級，此外，大興安嶺地區(qū)和黑河市動態(tài)度是二級，較上一時(shí)期有所下降，其他地區(qū)均為一級。與1990—2000相同，林地變化分布集中，主要在東北部和西北部兩個(gè)地區(qū)。

從上述分析可以看出，4個(gè)時(shí)期的耕地利用動態(tài)度等級較高的地區(qū)從中部逐漸向東西兩部擴(kuò)展，其中，黑河市動態(tài)度在前3個(gè)時(shí)期始終穩(wěn)定維持在三級，第4個(gè)時(shí)期略有下降，降低為二級，林地利用動態(tài)度活躍地區(qū)主要集中在黑龍江省的大興安嶺與小興安嶺地區(qū)。

3 結(jié) 論

本文采用GIS空間分析與林地利用動態(tài)度的方法，確定1980—2015 35 a間黑龍江省林地的時(shí)空變化情況，得到如下結(jié)論：

1)黑龍江省1980—2015 35 a間，林地在轉(zhuǎn)出的同時(shí)也發(fā)生著轉(zhuǎn)入，但轉(zhuǎn)入林地的面積遠(yuǎn)小于林地轉(zhuǎn)出的面積，林地面積總體呈現(xiàn)下降趨勢，減少的林地主要去向是耕地、草地和未利用地。各個(gè)時(shí)期的林地?cái)?shù)量變化存在明顯的差異性。1990—2000林地的變化數(shù)量最多，是1980—1990林地變化數(shù)量的3倍、2000—2010林地變化數(shù)量的5倍、2010—2015林地變化數(shù)量的10倍。

2)各時(shí)期的林地變化空間差異明顯。1980—2015這4個(gè)時(shí)期中，林地利用動態(tài)度呈現(xiàn)出明顯的差異性，位于西北部的黑河市一直保持較高的動態(tài)度等級，林地變化非?；钴S，也是林地轉(zhuǎn)出最多的市。1980—1990與2000—2010兩個(gè)時(shí)期的林地變化在黑龍江省的分布較為均勻，動態(tài)度等級較高的地區(qū)主要分布在黑龍江省的中部和西北部；1990—2000與2010—2015兩個(gè)時(shí)期的林地變化在黑龍江省的分布則比較集中，1990—2000動態(tài)度等級高的地區(qū)在黑龍江省的西北部，2000—2015動態(tài)度等級高的地區(qū)在黑龍江省的東北部。