謝 敏，龔直文

（1.國(guó)家林業(yè)和草原局 西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710048；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

在全球環(huán)境變化的研究背景下，森林資源動(dòng)態(tài)變化反映了氣候和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)森林的影響。森林資源類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換不僅包含了人類(lèi)和自然等諸多領(lǐng)域的綜合問(wèn)題，同時(shí)也是目前森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的研究熱點(diǎn)[1-3]。森林資源動(dòng)態(tài)不僅與生態(tài)系統(tǒng)固碳息息相關(guān)，而且關(guān)系著林區(qū)人民的生活質(zhì)量。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者積極地加入該領(lǐng)域的研究工作中來(lái)，及時(shí)分析研究并探討國(guó)際上研究的前沿動(dòng)態(tài)，開(kāi)展了一系列比對(duì)工作，對(duì)縣級(jí)區(qū)域、森林資源空間結(jié)構(gòu)、類(lèi)型數(shù)量、變化程度及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制等方面進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)分析與研究[4-6]，以此來(lái)加深對(duì)于森林資源利用與可持續(xù)發(fā)展之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)[7-10]。

目前，在遙感影像分析與應(yīng)用領(lǐng)域，利用具有宏觀、實(shí)時(shí)等優(yōu)勢(shì)的高分辨率遙感影像進(jìn)行森林資源監(jiān)測(cè)正是研究熱點(diǎn)。隨著縣城的主要?jiǎng)趧?dòng)力及特色產(chǎn)業(yè)陸續(xù)向城市遷移，鎮(zhèn)巴縣等地區(qū)逐步呈現(xiàn)出典型的城郊化離心分散發(fā)展態(tài)勢(shì)，區(qū)域內(nèi)的建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，其它非林地也發(fā)生了較大的變化，建設(shè)用地等與林地之間矛盾也日益突出[5,11-14]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同的研究目的，采用不同途徑構(gòu)建了許多森林資源變化模型，例如線性規(guī)劃模型[16-18]、多目標(biāo)規(guī)劃模型[19-21]、灰色模型[22-24]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[25-26]、Markov 模型以及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型等[27-29]，用以了解森林資源動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因素及其變化過(guò)程，并預(yù)測(cè)其未來(lái)發(fā)展變化趨勢(shì)及環(huán)境影響[5,30-34]。但上述模型并不能準(zhǔn)確挖掘出森林資源變化的深層次信息，這就阻礙了使用定量的數(shù)據(jù)來(lái)深入研究區(qū)域內(nèi)森林資源動(dòng)態(tài)變化的原因。

鎮(zhèn)巴縣地處陜南大巴山腹地，全縣人口28.9萬(wàn)人，其中建檔立卡貧困戶54 159 人，貧困發(fā)生率24.7%。貧困面大、貧困程度深是鎮(zhèn)巴縣基本縣情[35]。目前，該地區(qū)伴隨著建設(shè)用地的擴(kuò)張，森林資源也發(fā)生巨大變化，經(jīng)濟(jì)建設(shè)用地和生態(tài)建設(shè)用地矛盾突出。為此，本研究采用一種能深入挖掘森林資源變化的有效方法，探討了鎮(zhèn)巴縣森林資源系統(tǒng)性轉(zhuǎn)移和隨機(jī)性轉(zhuǎn)移，挖掘林地變化的主要驅(qū)動(dòng)力，以期為該地區(qū)制定區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略和優(yōu)化森林資源結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鎮(zhèn)巴縣，陜西省漢中市轄縣，位于陜西省南端，漢中市東南隅，大巴山西部，米倉(cāng)山東段，屬北亞熱帶，東南季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)，大陸性較強(qiáng)，氣溫年差較大。平均氣溫13.8 ℃，無(wú)霜期236 d，年均降水量1 250 ～1 350 mm。本研究區(qū)包括了涇洋鎮(zhèn)、漁度鎮(zhèn)和鹽場(chǎng)鎮(zhèn)三個(gè)轄區(qū)，最高點(diǎn)海拔2 534 m，最低點(diǎn)海拔416 m，垂直高差2 118 m。地形以中山地貌為主，海拔800 m 以下低山面積占8.4%，平均高度為1 231.4 m。地勢(shì)西北高，東南低，南坡緩，北坡陡（圖1）。

圖1 研究區(qū)概況 Fig.1 Map of the research area

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究選用2009年TM 衛(wèi)星影像和2016年國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)（GF-1）和資源三號(hào)（ZY-3）衛(wèi)星數(shù)據(jù)（表1），結(jié)合鎮(zhèn)巴縣地區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）、統(tǒng)計(jì)年鑒和行政區(qū)劃圖等其他數(shù)據(jù)資料。本文主要進(jìn)行的是鎮(zhèn)巴縣森林資源動(dòng)態(tài)分析的研究，故首先將表1中用到的研究區(qū)遙感影像進(jìn)行圖像拼接，并利用鎮(zhèn)巴縣行政區(qū)劃圖進(jìn)行裁剪；以DEM 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用正射校正模型，對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正配準(zhǔn)、圖像增強(qiáng)等；對(duì)高分影像使用圖像分割，采用基于面向?qū)ο蠓诸?lèi)規(guī)則（圖2），最終結(jié)合目視解譯對(duì)影像中的森林資源類(lèi)型進(jìn)行劃分。分類(lèi)結(jié)果經(jīng)抽查和反復(fù)校驗(yàn)，除了青水鎮(zhèn)和大池鎮(zhèn)之外，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)分類(lèi)準(zhǔn)確度均達(dá)到80%。

表1 GF-1和ZY-3衛(wèi)星遙感影像具體參數(shù)信息Table1 Parameters of GF-1 and ZY-3 images

圖2 面向?qū)ο蠓诸?lèi)規(guī)則集 Fig.2 Classification rules set based on objected-based methods

1.3 研究方法

森林資源轉(zhuǎn)移矩陣一般采用表2的格式，t表示時(shí)間，Cij表示由林地類(lèi)型i轉(zhuǎn)變?yōu)榱值仡?lèi)型j的面積，Cjj（即當(dāng)i=j時(shí)）表示林地類(lèi)型i保持不變的面積。

表2 兩個(gè)時(shí)期森林資源變化的轉(zhuǎn)移矩陣Table2 Transferring matrix of forestland changes during two periods

1.3.1 基于轉(zhuǎn)移矩陣的森林資源變化分析

森林資源動(dòng)態(tài)變化分析主要采用Pontius[36]和Braimoh[37]的轉(zhuǎn)移矩陣分析方法，計(jì)算公式如下。

式（1）主要表示了時(shí)期1 的第i種林地類(lèi)型所占比例，其中Cij（i≠j）表示從第i種林地類(lèi)型到j(luò)林地類(lèi)型的轉(zhuǎn)換比例，Cjj則表示了j類(lèi)的不變量。式（2）表示了時(shí)期2 中的第j種林地類(lèi)型所占比例。式（3）中減少量（Lossi）主要計(jì)算了Ci+和不變量之差，代表了第i種林地類(lèi)型的總損失量；式（4）中增加量（Gainj）代表了C+j與不變量之差，代表了第j種林地類(lèi)型的總增加量。

式（5）中凈變化量（Nj）代表了增加量和減少量之差，是分析林地動(dòng)態(tài)變化最為常用的指標(biāo)之一。然而這種凈變化不能反映某林地類(lèi)型增加和減少相互抵消的情況(Nj=0)，這種變化信息往往定義為林地類(lèi)型交換變化量（Sj）（式6）。每種林地類(lèi)型的總變化值（TCj）則體現(xiàn)了每種林地類(lèi)型的總變化量（式7）。

1.3.2 森林資源動(dòng)態(tài)變化的持續(xù)性

監(jiān)測(cè)森林資源變化最大量的傳統(tǒng)方法是將每種林地類(lèi)型占所有變化量的百分比排序取最大值，而這種方法很難區(qū)分變化的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和隨機(jī)轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)轉(zhuǎn)移具有連貫性和漸進(jìn)性，是一種經(jīng)常的、普遍的變化過(guò)程，比如人口自然增長(zhǎng)、商品化增加、邊緣地帶發(fā)展等。隨機(jī)轉(zhuǎn)移通常是由于突發(fā)性的驅(qū)動(dòng)因素相互作用引起的，比如自發(fā)性移民、經(jīng)濟(jì)環(huán)境變化等。

首先，計(jì)算各林地類(lèi)型的期望新增頻數(shù)（用Gij表示），即在隨機(jī)增加過(guò)程中，新增林地類(lèi)型j來(lái)自林地類(lèi)型i的期望頻數(shù)。第二步是計(jì)算隨機(jī)增加過(guò)程中實(shí)際轉(zhuǎn)換量和期望新增頻數(shù)的差值，即Cij-Gij。通過(guò)二者的對(duì)比來(lái)發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)信息，如果差值等于或接近于零，表明該轉(zhuǎn)移為隨機(jī)轉(zhuǎn)移；若差值偏離零值較遠(yuǎn)，則表明該轉(zhuǎn)移為系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。

然后，計(jì)算各林地類(lèi)型的期望流失頻數(shù)（用Lij表示），即在隨機(jī)減少過(guò)程中，林地類(lèi)型i流失到林地類(lèi)型j的期望頻數(shù)。最后，計(jì)算隨機(jī)減少過(guò)程中實(shí)際轉(zhuǎn)換量和期望流失頻數(shù)的差值，即Cij-Lij。與第二步相似，若差值等于或接近于零，表明該轉(zhuǎn)移為隨機(jī)轉(zhuǎn)移；若差值偏離零值較遠(yuǎn)則表明該轉(zhuǎn)移為系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林資源格局與結(jié)構(gòu)分析

本研究結(jié)合遙感影像的監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果，輔以野外樣地調(diào)查、實(shí)地驗(yàn)證，完成了鎮(zhèn)巴縣近7年來(lái)森林資源分類(lèi)和變化特征的定量分析（圖3）。分類(lèi)后通過(guò)Kappa 系數(shù)來(lái)衡量結(jié)果是否準(zhǔn)確，結(jié)果顯示兩期分類(lèi)精度分別為89%和91%，都符合分類(lèi)精度要求。最后，結(jié)合陜西省鎮(zhèn)巴縣實(shí)際情況共同確定出鎮(zhèn)巴縣森林資源類(lèi)別體系，分為有林地、灌木林地、宜林地、疏林地、未成林造林地和非林地。根據(jù)結(jié)果分別繪制鎮(zhèn)巴縣2009、2016年2 期森林資源分布圖（圖3）。

圖3 2009(a)和2016(b)鎮(zhèn)巴縣森林資源空間分布及面積Fig.3 Total area and spatial distribution of the forestland types in 2009(a) and 2016(b)

鎮(zhèn)巴縣森林資源變化情況如圖3所示。2009年，有林地作為鎮(zhèn)巴縣面積最大的森林資源主體，占64.03%，非林地占16.72%，灌木林地占15.58%，宜林地占2.76%，未成林造林地占0.78%，疏林地占0.12%。到2016年，有林地比例占65.58%，相比2009年有所增加，主要由灌木林地（0.82%）、宜林地（0.47%）和未成林造林地（0.12%）轉(zhuǎn)換而來(lái)；未成林造林地增加幅度次之（0.54%）；灌木林地和宜林地出現(xiàn)了下降。

2009—2016年，總變化量最大的為有林地，其變化高達(dá)3.25%，其原因主要表現(xiàn)在灌木林地、非林地和宜林地的轉(zhuǎn)換（表3）；非林地（2.99%）、未成林造林地（1.88%）、灌木林地（1.49%）、宜林地（0.86%）和疏林地（0.01%）的變化幅度緊隨其后。

林地是鎮(zhèn)巴縣較為重要的4 種森林資源類(lèi)型，它們?cè)谵D(zhuǎn)移過(guò)程中的不變量能夠反映重要的森林資源變化信息。圖4(a)顯示，從2009年到2016年，林地總體的不變量為80.43%，增加量為1.86%，減少量為1.14%，凈增量為0.74%，這表示了林地明顯的增加趨勢(shì)；圖4(b)展示了非林地不變量為14.86%。鎮(zhèn)巴縣森林資源動(dòng)態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，整體略微增長(zhǎng)。

表3 2009—2016年森林資源類(lèi)型的面積比例、增加量、減少量、凈變化量、交換變化量和總變化量Table3 Area percentage,gains (Gain),losses (Loss),net change (Nj),swap change (Sj) and total change (TCj) of each forestland types during the period %

圖4 (a)林地，(b)非林地新增量、減少量和不變量的空間表示Fig.4 Spatial distribution of the gains,losses,and persistence (a) Forestland,(b) non-forestland (cultivated field)

2.2 森林資源變化系統(tǒng)性和隨機(jī)性

2009—2016年，在隨機(jī)轉(zhuǎn)移增加過(guò)程中，有林地和非林地的實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望頻數(shù)之間的差值和相對(duì)差值分別為-0.09%和-0.50%，表明在有林地變?yōu)榉橇值氐倪^(guò)程中，這種轉(zhuǎn)移為系統(tǒng)性轉(zhuǎn)移。當(dāng)非林地增加時(shí)，新的非林地會(huì)系統(tǒng)性地防止從有林地中獲得土地。灌木林地和有林地的實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望頻數(shù)之間的差值和相對(duì)差值分別為0.11%和0.06%，表明在灌木林地變?yōu)橛辛值氐倪^(guò)程中，這種轉(zhuǎn)移也為系統(tǒng)性轉(zhuǎn)移，新的有林地會(huì)系統(tǒng)地從灌木林地中獲得土地。由于非林地占鎮(zhèn)巴縣的面積比例較小，因此在隨機(jī)過(guò)程中，灌木林地和非林地的實(shí)際轉(zhuǎn)化量和期望頻數(shù)的差值僅為0.08%，但相對(duì)差值達(dá)到了2.67%，這說(shuō)明非林地表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的增加趨勢(shì)。疏林地和有林地的實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望頻數(shù)之間的差值和相對(duì)差值為負(fù)值（-0.06%，-0.86%），說(shuō)明當(dāng)疏林地增加時(shí)，會(huì)系統(tǒng)性地防止從有林地中獲得面積。同樣的，有林地增加時(shí)會(huì)系統(tǒng)性地防止從非林地里獲得土地面積。

在隨機(jī)減少過(guò)程中，有林地和非林地以及灌木林地和非林地的實(shí)際轉(zhuǎn)換量和期望頻數(shù)之間的差值分別為0.04%和0.09%。因此，有林地發(fā)生系統(tǒng)性的流失，變?yōu)榉橇值?，而灌木林地則會(huì)發(fā)生系統(tǒng)性的流失轉(zhuǎn)變?yōu)榉橇值?，灌木林地和非林地之間的相對(duì)差值達(dá)到了4.50%，說(shuō)明灌木林地轉(zhuǎn)移為非林地具有很強(qiáng)的趨勢(shì)。灌木林地和有林地的實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望頻數(shù)之間的差值和相對(duì)差值分別為-0.11%和-0.06%，較大且為負(fù)值說(shuō)明灌木林地會(huì)系統(tǒng)性的防止流失為有林地。對(duì)于表4中的其他轉(zhuǎn)換實(shí)際轉(zhuǎn)換量與期望頻數(shù)的差值都接近于零，因此，此類(lèi)轉(zhuǎn)移更傾向于隨機(jī)轉(zhuǎn)移（表4）。

表4 森林資源在隨機(jī)增加和隨機(jī)減少過(guò)程中實(shí)際轉(zhuǎn)換量和期望頻數(shù)之間的差值和相對(duì)差值Table4 Difference and relative difference between the actual conversion amount and the expected frequency in the process of random increase and random reduction of forest resources

由表4可看出，2009—2016年間最優(yōu)勢(shì)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移為：灌木林地轉(zhuǎn)為有林地，灌木林地轉(zhuǎn)為非林地。最優(yōu)勢(shì)的隨機(jī)轉(zhuǎn)移為：有林地轉(zhuǎn)為灌木林地和有林地轉(zhuǎn)為疏林地。

2.3 林地變化驅(qū)動(dòng)力分析

鎮(zhèn)巴縣林地面積占83%，林地變更的因素在一定程度上可以反映該地區(qū)森林資源的主要驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)鎮(zhèn)巴縣林地變更調(diào)查結(jié)果，影響林地發(fā)生變化的主要因素為：造林更新，占林地變化面積的23.14%；規(guī)劃調(diào)整占44.83%；建設(shè)項(xiàng)目占0.86%；毀林開(kāi)墾占0.02%；災(zāi)害因素占1.16%；自然因素占1.14%；調(diào)查因素占28.85%（圖5）。

圖5 森林變化驅(qū)動(dòng)因素類(lèi)型Fig.5 Types of driving factors of the forest changes

3 結(jié)論與討論

1）本研究使用了森林資源變化轉(zhuǎn)移矩陣的方法，計(jì)算得到鎮(zhèn)巴縣6 種森林資源類(lèi)型的變化量及類(lèi)型之間相互轉(zhuǎn)移的面積百分比。由此可知，有林地始終作為鎮(zhèn)巴縣面積最大的森林資源類(lèi)型，在2009—2016年間發(fā)生的最優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)移類(lèi)型是從非林地轉(zhuǎn)移為有林地。

2）本研究通過(guò)分析計(jì)算得到的轉(zhuǎn)移矩陣，收集到了更多鎮(zhèn)巴縣森林資源變化情況：2009—2016年，增加最多的類(lèi)型是有林地，其次為未成林造林地；減少量最多的是宜林地，其次是非林地。生態(tài)保護(hù)工程加快了鎮(zhèn)巴縣有林地的增加。

3）監(jiān)測(cè)森林資源動(dòng)態(tài)的傳統(tǒng)方法很難區(qū)分變化的系統(tǒng)性和隨機(jī)性，故本研究使用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來(lái)進(jìn)行區(qū)分，并得到鎮(zhèn)巴縣在2009—2016年間最優(yōu)勢(shì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移為：灌木林地轉(zhuǎn)為有林地，灌木林地轉(zhuǎn)為非林地。最優(yōu)勢(shì)的隨機(jī)轉(zhuǎn)移為：有林地轉(zhuǎn)為灌木林地，有林地轉(zhuǎn)為疏林地。而從鎮(zhèn)巴縣的森林資源主體——有林地分析發(fā)現(xiàn)，影響鎮(zhèn)巴縣森林資源發(fā)生變化的主要驅(qū)動(dòng)力由高到低分別是規(guī)劃調(diào)整、調(diào)查因素和造林更新。

除此之外，森林資源類(lèi)型變化量只能反映在分類(lèi)系統(tǒng)下各利用類(lèi)型在數(shù)量上的變化情況，而不能反映其在內(nèi)部的質(zhì)量情況，因此還需要從空間結(jié)構(gòu)上做更深入的研究。使用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法可以快速區(qū)分出森林資源變化中的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移和隨機(jī)轉(zhuǎn)移，從而幫助研究人員有效快捷地得到變化驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)深入探究其變化機(jī)理，為政府制定出優(yōu)化森林資源格局的政策提供了幫助。