李常春, 楊家軍

1. 廣安市園林局，四川 廣安 638500；

2. 廣安市廣安區(qū)自然資源和規(guī)劃局，四川 廣安 6385501

林地是森林資源的重要組成部分，它不僅是林業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，而且是控制森林資源消耗，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)展的根本與保障[1]。同時(shí)，林地資源作為森林資源生存發(fā)展的載體，承擔(dān)著生態(tài)建設(shè)的主體[2]，履行著建設(shè)、保護(hù)和恢復(fù)森林、濕地、荒漠生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性的重要職能[3]。它關(guān)系到區(qū)域生態(tài)格局和環(huán)境變化，尤其是嘉陵江中上游地區(qū)，水土流失、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害近年頻頻發(fā)生，很大程度與土地利用結(jié)構(gòu)、林地資源空間布置有著密切的關(guān)系。而地形因子是景觀空間分布格局的重要影響因子，特別是在人為活動(dòng)占優(yōu)勢的景觀中，地形條件成為大尺度景觀空間分布格局的決定因素[4]。目前，在景觀和植被格局分析中，地形因素的作用已經(jīng)引起關(guān)注[5]。大量專家和學(xué)者從不同角度研究林地資源景觀與地形因子之間的關(guān)系，取得了很好的效果。Knight等利用不同時(shí)期遙感數(shù)據(jù)、地貌數(shù)據(jù)及地形高程模型作為空間數(shù)據(jù)層進(jìn)行了空間疊加操作，分析了不同地貌類型、不同流域的林地資源動(dòng)態(tài)變化[6]。M.N.Quiddity運(yùn)用遙感和GIS技術(shù)監(jiān)測河岸林地資源變化情況[7]；謝雪等從景觀生態(tài)學(xué)和邏輯回歸學(xué)深刻分析了京津冀地區(qū)1985～2000期間林地變化的時(shí)空格局及其影響因素，分析結(jié)果表明,林地景觀破碎化正在下降和林地形狀變得越來越規(guī)則[8]；章皖秋等利用GIS空間分析功能，研究了天目山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)各植被類型空間分布規(guī)律，定量描述了自然保護(hù)區(qū)內(nèi)各植被類型的高程、坡向、坡度分布，并給出了科學(xué)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[9]；孔繁華等以大興安嶺圖強(qiáng)林區(qū)為研究背景，探討了火后地形對林地景觀格局變化的影響情況，進(jìn)而為森林資源的可持續(xù)經(jīng)營與管理提供了科學(xué)依據(jù)[10]。曾宏達(dá)研究了武夷山林區(qū)，認(rèn)為地形深刻影響著樹木的天然分布，森林資源空間分布與地形緊密相關(guān)[11]。在林地類型識別、劃分方面，經(jīng)過國內(nèi)外大量學(xué)者的共同努力已取得很大的進(jìn)步，而且已有很多研究學(xué)者開始利用高空間分辨率遙感影像開展林地資源類型變化監(jiān)測和劃分[12]。Noumea Y.O.等[13]利用1986年的Landsat TM數(shù)據(jù)和2001年的Landsat ETM+數(shù)據(jù)，對非洲東部的土地覆蓋類型進(jìn)行了分類，分類精度高達(dá)88.4%。Huang C.等[14]運(yùn)用長時(shí)間序列的Landsat 數(shù)據(jù)，采用基于 VCT（Vegetation Change Tracker）的監(jiān)測方法對森林?jǐn)_動(dòng)進(jìn)行了自動(dòng)化監(jiān)測。陳蕓芝等[15]以1997—2000年間的SPOT5和TM影像為主要數(shù)據(jù)源(融合后），以1997年小班圖層輔助數(shù)據(jù)，采用分層監(jiān)督分類法分析了福建省漳浦縣的林地和非林地間的轉(zhuǎn)化信息。綜合來看，對林地資源類型的分類在方法上已經(jīng)成熟，在標(biāo)準(zhǔn)劃分上也有參考依據(jù)。

嘉陵江在武勝縣境內(nèi)全長達(dá)86 km，經(jīng)西北向東南流經(jīng)整個(gè)縣域范圍，兩岸人口密集，地形坡度較大，人類活動(dòng)對嘉陵江流域影響較高，而森林植被的合理空間布局及變化可有效保護(hù)兩岸的水土流失，凈化水質(zhì)。本文在相關(guān)學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，利用RS和GIS技術(shù)，在DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提取坡度、海拔、坡位和坡向并進(jìn)行重分類，對疊加遙感解譯和矢量化的林地資源數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空分析，并建立林地資源時(shí)空轉(zhuǎn)移圖像和分布指數(shù)，以期為嘉陵江中上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)位于東經(jīng) 105°56′39″～106°26′56″，北緯30°10′46″～30°32′36″。地勢由西北向東南逐漸降低，耕地相對集中，地表較為平緩，除少數(shù)孤臺高地外，其余多屬低丘地形，地表相對高差在20～50 m之間，海拔在192～448 m之間（見圖1）。縣境東西長 48.5 km，南北寬 40.5 km，面積 95 584.76 hm2。植被分布以常綠闊葉林（樟科、棕櫚科、?？坪椭窳郑?、落葉闊葉林（殼斗科、薔薇科、楊柳科等植物）和常綠針葉林（馬尾松、柏木林）為主。

圖1 研究區(qū)影像及位置示意圖Fig.1 Images and location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

地形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院應(yīng)用數(shù)據(jù)環(huán)境中心（分辨率30 m）；林地資源類型解譯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Landsat TM影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云；成像時(shí)間為森林植被生長相對茂密的夏季（分別為1998年6月7日、2018年7月3日），波長范圍1.56～1.66 um，空間分辨率30 m。其他數(shù)據(jù)參考四川省2018年森林資源二類調(diào)查和林地變更數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 林地資源類型劃分

結(jié)合國家林業(yè)局2014年頒發(fā)的《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定（2014）》[16]和相關(guān)學(xué)者在實(shí)際研究中對林地資源的認(rèn)識分類[17]，建立訓(xùn)練樣本，把研究區(qū)林地資源劃分為七大類（見圖2）：分別為有林地（包含喬木林地、竹林地）、疏林地、灌木林地、苗圃地、未成林造林地、無林地、宜林地。

圖2 1998 年林地資源面積在地形因子上的分布Fig.2 Distribution of forest land resources area on topographic factors in 1998

1.3.2 地形因子分級劃分

地形因子分級時(shí)應(yīng)既能體現(xiàn)研究區(qū)地形特征，又能反映自然規(guī)律[18]。根據(jù)嘉陵江中上游河谷地形地貌特征，參照相關(guān)學(xué)者對地形因子的等級劃分[19-23]，運(yùn)用坡度（平坡、緩坡、斜坡和陡坡）、海拔（低海拔平原≤200 m、200 m<低海拔丘陵≤400 m、400 m<低海拔低山<1 300 m）、坡向（九類）和坡位（山谷、平地、下坡、中坡、上坡和山脊）4個(gè)地形因子來反映研究區(qū)崎嶇不平但起伏平緩的實(shí)際。

1.4 研究方法

1.4.1 最大似然分類法

在ArcGIS10.6平臺上先對1998、2018兩期Landsat TM影像進(jìn)行主成分分析（PCA），根據(jù)自動(dòng)分類結(jié)果和武勝縣二類森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)建立訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練樣本建立后用散點(diǎn)圖和直方圖進(jìn)行精度初檢驗(yàn)，盡量避免不同顏色波段重合，若有部分重合刪掉重新勾繪樣本區(qū)，直到訓(xùn)練樣本中不同地類基本分離。樣本建立后，保存樣本區(qū)創(chuàng)建特征文件（后綴.gsg文件），并進(jìn)行交互式監(jiān)督分類，初步判定分類效果，若分類效果較好，執(zhí)行最大似然分類，并創(chuàng)建精度評估點(diǎn)，計(jì)算混淆矩陣，得出分類結(jié)果圖和總體分類精度。

1.4.2 土地利用變化動(dòng)態(tài)度

把定量描述土地利用變化速度的指標(biāo)[24-25]引入林地資源動(dòng)態(tài)變化上，采用林地資源面積動(dòng)態(tài)在單位時(shí)間內(nèi)變化情況研究林地資源變化動(dòng)態(tài)度，其公式如下：

式中H為林地資源動(dòng)態(tài)度；T2-T1為研究初期和末期的間隔值[26]；M2-M1為研究時(shí)段內(nèi)凈差值。

1.4.3 空間轉(zhuǎn)移速率

指相同地形空間上林地資源在某一時(shí)間段內(nèi)的變化快慢，其公式可表示為：

式中L表示空間轉(zhuǎn)移速率，Z2、Z1分別表示同一地形因子上林地資源末期、初期值，T1、T2表示同一地形因子上林地資源計(jì)算起始時(shí)間。

1.4.4 林地資源分布指數(shù)

為更好描述不同地形條件上林地資源的空間分布狀況，消除不同地形因子面積分布差異造成的影響，研究引入分布指數(shù)來說明林地資源在不同地形條件的分布情況[27-28]，其公式為：

上式中：Pie為第i種林地資源在地形位e上的分布指數(shù)；Sie第i種林地資源在地形位e上的面積；Si為研究區(qū)第i種林地資源類型的面積；Se為研究區(qū)內(nèi)第e種地形位的總面積；S為研究區(qū)的總面積。分布指數(shù)越小表面某種林地類分布與標(biāo)準(zhǔn)分布的偏離越小，其對地形差異的適宜性越大；分布指數(shù)越大，則表明某種林地類對地形具有較強(qiáng)的選擇性[29-31]。當(dāng)分布指數(shù)Pie=1時(shí)，表示某林地類型在某種地形上的比重與研究區(qū)內(nèi)該林地資源的比重相等；當(dāng)Pie>1時(shí)，表示某林地類型在該地形上的比重大于該地類總面積在研究區(qū)的比重，故將Pie>1的區(qū)間設(shè)定為該林地資源利用類型的優(yōu)勢位[32-33]。

2 結(jié)果與分析

2.1 林地資源面積分析

研究區(qū)1998和2018年林地資源總面積分別為11 549.3、17 917.95 hm2，增加量 6 368.65 hm2，相對變化率134.43%，增長速率318.43 hm2·a-1（見表1）。林地資源類型以有林地增加為主，呈現(xiàn)以442.13 hm2·a-1的速率增加，面積凈增加量8 842.53 hm2，相對變化率高達(dá)115.52%，資源動(dòng)態(tài)度是除苗圃地外唯一一個(gè)動(dòng)態(tài)正增長的；疏林地20年間面積減少了556.83 hm2，減少速效 27.84 hm2·a-1；灌木林地面積凈增加705.54 hm2，增加速率35.28 hm2/a；苗圃地增長基數(shù)較小，年均增長速效緩慢，但波動(dòng)較高，相對變化率達(dá)到了296.58%，同時(shí)動(dòng)態(tài)度是所有林地資源類型中最大的；未成林地面積凈值減少了728.7 hm2，減少速率-36.4 hm2·a-1；無林地減少速率達(dá)到-108.06 hm2·a-1，相對變化率-84.77%；宜林地面積凈增加256.12 hm2，相對變化率和動(dòng)態(tài)度均為0。

2.2 林地資源結(jié)構(gòu)分析

對研究區(qū)23種常見的喬木林、20種經(jīng)濟(jì)林樹種進(jìn)行面積、蓄積分析，結(jié)果如表2所示林地資源結(jié)構(gòu)以巨桉和柏木為主，面積分別為1 364.07、1 014.25 hm2；楊樹和香椿次之，面積為634.45、573.05 hm2，其他樹種面積分布差異較大，黃花槐僅0.11 hm2。經(jīng)濟(jì)林樹種以橙為主，面積達(dá)到1 450.47 hm2，超過喬木林中面積最大的巨桉，核桃、梨面積均超過300 hm2，其他經(jīng)濟(jì)林面積變化范圍在1.47～249.29 hm2。同時(shí)，森林蓄積量中以喬木林的巨桉124 980 m3最大，其次分別為楊樹（Populism filamentous）、馬尾松（Pinus massoniana）、柏木和香椿（Toona sinensis）；經(jīng)濟(jì)林中最大蓄積量為杜仲（Eucommia ulmoides），達(dá)到 8 890 m3，其次為核桃 4 797 m3。林地資源結(jié)構(gòu)表明研究區(qū)以水源涵養(yǎng)林、水土保持林為主，經(jīng)濟(jì)林為輔的格局形式。

2.3 林地資源與地形因子疊加分析

圖2反映1998年研究區(qū)林地資源在緩坡上面積最大且有林地面積最多：①坡度上，緩坡對林地資源關(guān)系最明顯，面積為6 040.05 hm2。有林地面積為4 003.25 hm2，占緩坡林地資源面積的66.28%，無林地和未成林地面積分別為1 333.44、410.07 hm2，占緩坡林地資源面積的22.07%、6.78%。②海拔上以有林地為主，無林地為輔。低海拔丘陵>低海拔低山>低海拔平原，面積分別為5 024.06 hm2、3 863.14 hm2、2 662.1 hm2。③坡向上，森林資源表現(xiàn)出無坡向少，南坡分布多，其他7個(gè)坡向均勻分布的特點(diǎn)，這主要是與研究區(qū)地形、坡向有極大的關(guān)系，研究區(qū)無坡向面積僅占到研究區(qū)總面積的0.41%，故該地形上自然資源總量較?。欢掀铝值刭Y源分布較多，主要是該坡向上光熱資源充足，能滿足大部分森林植物的光合作用吸收，特別是對喜熱、喜光植物分布有極大的優(yōu)勢。④坡位上，森林資源在下坡位面積最大，為8 529.04 hm2，山谷面積最小，為78.08 hm2，這與人類活動(dòng)強(qiáng)度有密切關(guān)系，山谷地形崎嶇不平，路窄坡陡，不適合人類長期性的生產(chǎn)經(jīng)營性活動(dòng)。

表1 1998—2018 年武勝縣各林地資源類型變化Tab.1 Changes of forest land resource types of Wusheng County from 1998 to 2018

表2 研究區(qū)主要喬木林、經(jīng)濟(jì)林樹種面積、蓄積統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of area and volume of main timber forest and economic forest in the study area

圖3顯示2018年林地資源在地形因子上呈以下變化特征：①緩坡上林地資源面積分布廣，為8 226.64 hm2，其次為平坡，面積為7 596.88 hm2，陡坡面積僅為26.15 hm2；與1998年相比，林地資源類型仍以有林地為主，無林地和未成林地資源面積大幅減少，疏林地和宜林地出現(xiàn)了不同程度的增加。②低海拔丘陵區(qū)域林地資源面積分布最廣，達(dá)到7 357.44 hm2，其次為低海拔低山區(qū)域，面積為5 566.26 hm2，低海拔平原區(qū)分布最少，面積為3 573.53 hm2；林地資源面積呈現(xiàn)出有林地>灌木林地>無林地>宜林地>未成林地>苗圃地>疏林地的分布特征。這與研究區(qū)植被覆蓋類型有極大的關(guān)系，低海拔丘陵區(qū)分布著成片的竹子，使得研究區(qū)丘陵地區(qū)有林地面積較大，而平原地區(qū)地勢平坦用來發(fā)展林業(yè)的土地資源相對較少。③9個(gè)坡向除無坡向林地資源分布面積特別小以外，其他8個(gè)坡向波動(dòng)范圍在1 890 hm2～2 478 hm2，整體波動(dòng)較小。說明研究區(qū)各坡向水熱相差較小，由于無坡向地區(qū)人口相對集中，人類活動(dòng)干預(yù)較大，可發(fā)展林業(yè)用地的面積較少。④坡位林地資源面積呈現(xiàn)出下坡>中坡>平地>上坡>山谷>山脊的特征，下坡位林地資源面積為11 519.14 hm2，山脊面積僅為81.15 hm2，兩者相差140倍，一方面與研究區(qū)的特殊地形有極大的關(guān)系，山脊只占到研究區(qū)總面積的0.34%；另一方面下坡位屬于坡位三等分的下坡位，該地形上土壤和光照條件較好。

圖3 2018 年林地資源面積在地形因子上的分布圖Fig.3 Distribution of forest land resources area on topographic factors in 2018

2.4 林地資源在地形因子上轉(zhuǎn)移速率

林地資源隨地形因子空間轉(zhuǎn)移速率可直觀反映出地形因子對其影響程度。圖4反映，有林地平均轉(zhuǎn)移速率和累計(jì)轉(zhuǎn)移速率較快，平均值為110.53 hm2·a-1，累計(jì)轉(zhuǎn)移速率442.13 hm2·a-1，最大地形因子轉(zhuǎn)移速率為下坡位 247.63 hm2·a-1，其次是平坡 215.27 hm2·a-1和緩坡211.17 hm2·a-1。無林地為負(fù)向轉(zhuǎn)移速率最大林地資源類型為，累計(jì)負(fù)向轉(zhuǎn)移速率108.06 hm2·a-1，年平均負(fù)向轉(zhuǎn)移27.01 hm2·a-1，轉(zhuǎn)移面積最大值出現(xiàn)在下坡位-81.66 hm2·a-1。其他林地資源灌木林、宜林地均以 8.82 hm2·a-1、3.20 hm2·a-1的平均速度增長。未成林和疏林地同時(shí)負(fù)向轉(zhuǎn)移速率較快。表明研究區(qū)20年期間林地資源正向、負(fù)向轉(zhuǎn)移速率加快，有林地、灌木林和宜林地不斷增加，無林地、疏林地和未成林地不斷減少。海拔梯度上以有林地的低海拔丘陵增加速率最大，其值為201.37 hm2·a-1，其次為低海拔低山的150.29 hm2·a-1，低海拔平原也有不同程度的增加，相對丘陵和低山地形增加量小和增加速率要慢，主要受到平原地帶土地利用結(jié)構(gòu)的限制，基本農(nóng)田和城市用地較多，發(fā)展林業(yè)用地空間有限。西北坡、東北坡增加速率較慢，東南、西南增加速率較快，原因是東南、西南坡屬于陽坡，光照充足，植物光合作用吸收較好，而西北、東北坡屬于陰坡坡向，光照資源不足，屬于部分耐陰灌木植物生長區(qū)域。

2.5 林地資源在地形因子上的分布指數(shù)

林地資源分布指數(shù)在一定程度上能夠直觀反映林地資源在地形上的分布狀況，可從定量化的角度揭示林地資源與地形因子的空間分布關(guān)系。在坡度上，林地資源分布指數(shù)呈先緩慢增加—急速上升（達(dá)到最大值）—快速下降的趨勢，在平坡上都位于臨界值以下，在緩坡上分布指數(shù)超過臨界值，斜坡上達(dá)到最大值，到陡坡上分布指數(shù)驟然下降，尤其是疏林地，從斜坡上的最大優(yōu)勢位下降到臨界值以下（見圖5）。從林地資源類型來看，除疏林地外，其他六類林地資源分布指數(shù)趨勢基本相同，且除在平坡分布指數(shù)<1，屬于劣勢分布位外，緩坡、斜坡和陡坡分布指數(shù)均>1，這三個(gè)坡向是六類林地資源分布的優(yōu)勢位。在坡向上，無坡向上林地資源分布指數(shù)較低，其他八類坡向上分布指數(shù)均在臨界值附近波動(dòng)，大幅波動(dòng)的林地資源屬于疏林地，經(jīng)歷了上升-下降-上升-下降的趨勢。坡向林地資源分布指數(shù)表明無坡向是研究區(qū)林地資源分布的劣勢位，而其他八個(gè)坡向上除疏林地外，均是林地資源分布的優(yōu)勢位。在坡位上，分布指數(shù)總體趨勢基本一致，疏林地分布指數(shù)兩極分化明顯，在山谷達(dá)到最大值2.98，是其絕對優(yōu)勢分布位，到平地坡位迅速下降到臨界值以下，下坡位緩慢回升到0.87，然后到上坡位快速上升到2.48，山脊下降為0。下坡位和上坡位是研究區(qū)林地資源分布的優(yōu)勢位。出現(xiàn)這種分布原因主要與研究區(qū)丘陵地形有關(guān)，山谷受到交通通達(dá)性、地形的復(fù)雜性的影響，林地資源在遭受自然災(zāi)害受損以后，未能及時(shí)通過更新改造、補(bǔ)植撫育等手段改變林地資源類型。在海拔上，除疏林地分布指數(shù)呈波動(dòng)較大外，其余六類林地資源在海拔上呈直線上升，在低海拔平原上分布指數(shù)最小，到低海拔丘陵分布指數(shù)上升到臨界值1附近，低海拔低山上超過分布指數(shù)臨界值，屬于林地資源分布的優(yōu)勢位。

圖4 研究區(qū)林地資源在地形因子上的轉(zhuǎn)移方向及速率Fig.4 Forest land resources transfer direction and rate on topographic factors in the study area from 1998 to 2018

3 討論

3.1 林地資源時(shí)空動(dòng)態(tài)與分布特征

嘉陵江中上游林地資源面積以318.43 hm2·a-1的速度顯著增加，林地資源類型中有林地平均增加速率最快，正向增加明顯的有林地、宜林地和苗圃地與疏林地、未成林地和無林地速率大小不一；林地資源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出以水土保持林、水源涵養(yǎng)林的柏木和巨桉為主，經(jīng)濟(jì)林中的橙為輔的特征；林地資源主要集中在緩坡坡度、低海拔丘陵和下坡坡位上，無坡向分布區(qū)域極少；林地資源轉(zhuǎn)移速率在下坡坡位、低海拔丘陵和西南、東南坡向正、負(fù)轉(zhuǎn)移速率最快和最大；各林地類型分布指數(shù)在不同地形上差異較大，總體以斜坡、下坡位為絕對優(yōu)勢位，平坡、無坡向?yàn)橄鄬α觿菸弧?/p>

3.2 地形因子與林地資源分布相關(guān)性

圖5 研究區(qū)林地資源分布指數(shù)圖Fig.5 Distribution index map of forest land resources in the study area

通過對地形因子與林地資源分布指數(shù)進(jìn)行Person偏相關(guān)分析（見表3），顯示坡度因子與林地資源總體呈典型的負(fù)相關(guān)關(guān)系，坡度越大對林地資源生理發(fā)育、土壤的保水性、光合作用的吸收都將產(chǎn)生負(fù)面作用，已有研究表明，坡度>45°時(shí)所屬區(qū)域內(nèi)會(huì)限制植物的生長[34]，這一結(jié)論與2.4中在坡度地形因子上，林地資源分布指數(shù)總體呈先緩慢增加—急速上升（達(dá)到最大值）—快速下降的趨勢高度一致。海拔因子與林地資源指數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，特別是有林地、灌木林地都達(dá)到了0.01水平下的顯著相關(guān)性，充分表明在低海拔丘陵地區(qū)，海拔高度是影響林地資源分布的關(guān)鍵性因素之一；坡向因子與林地資源關(guān)系不一致，在疏林地上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其他林地資源上相關(guān)關(guān)系不明顯；坡位因子與疏林地呈典型的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但與有林地、灌木林地、苗圃地正相關(guān)關(guān)系較明顯。建議在嘉陵江兩岸坡度較大區(qū)域合理布置水源涵養(yǎng)林毛竹、慈竹、景觀林等。

表3 地形因子與林地資源分布指數(shù)相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of topographic factors and forest land resources distribution index