1988—2018年新疆额敏县林地资源的时空变化及驱动分析

胡馨月，孙 倩，郭正宇

(新疆农业大学林学与风景园林学院，乌鲁木齐 830052)

【研究意义】林地资源是自然资源的重要组成部分，又是林业经济发展活动得以进行的基础，是控制林地资源消耗，增强林地生态防护效益，实现林业经济可持续发展的根本与保障[1]。林地资源变化监测是基础且长期的工作。人工监测林地资源的方法不仅要花费大量人力、物力，周期长、时效性差，且受人为因素影响较大[2-3]。现在林地资源监测过程中利用遥感、地理信息系统、全球定位系统及其它科学技术进行林地资源监测已经成为国内外发展趋势。卫星遥感数据具有覆盖广、多维度、周期性、实时性和动态性强等特点，借助遥感技术开展林地资源监测具有省时省力、强动态性和实效性的优势，从而实现林业的现代化和可持续发展[4-6]。【前人研究进展】杨朝俊等[7]利用遥感的应用技术对退耕还林的动态变化和监测进行对比分析。杨存建等[8]运用GIS进行提取、叠加和统计，探究四川省林地动态变化特征。唐家荣等[9]利用3S技术对重庆市永川区的影像数据进行解译分类，探讨了林地时空动态变化。林媚珍等[10-11]研究了广东、海南两省森林资源动态的现状特征，进行了可持续分析和驱动分析。王百勇[12]基于两期Landsat遥感卫星影像数据运用ArcGIS与ENVI软件平台对六种主要土地利用/覆被类型进行变化监测。徐新良等[13]利用3S技术，研究了1985、1995和2000年三个时期林地时空特征，分析了驱动因素对林地的变化影响。赵国帅[14]通过Landsat TM图像的解译，获得了1995、2000和2005年林地时空分布，通过时空演化模型的构建，研究福建省林地的空间变化。【本研究切入点】通过利用3S技术，使用高分辨率的遥感影像信息技术对研究区内林地资源的类型、分布、数量进行了遥感调查，观察其分布状况、数量等，对林地的监测与保护利用规划中的林地资源数据进行验证、处理[15-19]。卫星遥感数据经过处理可以合成影像图，目视解译或人机交互能提取大部分林地状况信息。通过对覆盖同一区域的多期遥感影像进行分析，运用特定算法或遥感解译可以获取林地资源的信息，确定林地与非林地之间、林地内部之间的变化状况，探究林地空间、面积的变化，实现林地资源的动态变化监测[20-22]，极大地改进了传统的调查方法[23]。【拟解决的关键问题】本文主要以多时相遥感数字图像为数据源，参考多幅专题图和社会经济统计数据，并利用3S技术，以额敏县为研究区域，研究1988—2018年研究区域林地资源的动态变化、转移情况和重心偏移。本研究对林地资源动态监测为当地林业发展的战略性决策提供良好的科学依据，对良好的探究林地结构和空间布局有着重要意义。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

本研究选取新疆塔城额敏县作为样本区。额敏县位于83°24′～85°10′E，46°09′～47°03′N，新疆维吾尔自治区的西北部。总面积为9532 km2，年平均气温为5.5 ℃，县境年均降水量为150 mm，但分布不均匀。2015年底，全县总人口为162 652人，其中城镇人口为59 616人。大部分土壤为棕钙土。额敏县属大陆性温带气候。额敏县三面环山，全县山地多于平原，农业用地和平原草地沿山地垂直分布，由于河水的作用，穿过洪积，形成深谷、浅丘、台地等复杂多样的地貌。

1.2 研究方法

本研究选取1988年、1998年和2007年的Landsat4-5TM影像、2018年的Landsat8 OLI影像以及额敏县的行政边界作为基础数据，通过图像镶嵌、辐射校正、几何校正和图像裁剪等预处理，在ENVI 5.1软件的支持下，根据颜色、形状、大小、和纹理等不同特征，采用最大似然法对遥感图像进行信息解译。主要土地利用/覆被类型分为耕地、林地、裸土、水体、盐碱地、建设用地和其他(流沙、戈壁等)7类。涉及的研究方法如下所示。

(1)动态度分析。该指标可通过土地利用/覆盖特征定量研究土地类型的动态变化，也可用于预测林地资源的变化趋势[24-26]。单一土地利用动态度代表研究区域内特定类型土地利用在特定时期内的数量变化，其表达式为：

(1)

式中：K是研究期间给定土地利用类型的变化率；Ua、Ub代表各地类研究初期和末期的面积；T为研究时长。综合土地利用动态度指数代表了研究期间不同类型土地利用之间的转移。其意义在于反映土地利用的区域变化强度，已确定不同空间尺度上的土地利用热点地区。表达式为：

(2)

式中：LC为研究区土地利用年变化率，ΔLUi为监测开始时的i类土地类型区域的面积；ΔLUi-j是从i类土地利用类型到非i类 (j类，j=1，...，n)土地利用类型监测开始期间面积的绝对值；T为监测时长。

(2)重心迁移模型。重心迁移主要表达的是土地利用在平面空间位置的变化，利用方向分布的标准差椭圆和平面重心模型计算土地利用在平面坐标下不同时期的方向分布和重心位置，从而分析地理二维空间内各时期重心位移和重心迁移速率，揭示土地利用的空间变化过程[27-31]。土地利用平面重心计算模型为：

(3)

式中：Xk代表k类土地利用类型重心X坐标值，Yk代表k类土地利用类型重心Y坐标值，Aki为k类土地利用类型中图斑i的面积，Xki为k类土地利用类型中图斑i对应范围内X坐标的平均值，Yki为k类土地利用类型中图斑i对应范围内Y坐标的平均值，Ak为k类土地利用类型的总面积。

土地利用重心迁移速率更直接揭示土地利用类型空间变化速度。重心迁移速率计算模型如下。

(4)

式中：Pk代表k类土地利用平面重心迁移速率；xk，yk为t时间k类土地利用重心X，Y坐标值。

(3)转移矩阵。土地利用转移矩阵不仅包括研究区域内给定时间段内不同类型区域的数据，还包括研究开始时不同类型土地之间以及研究结束时不同类型土地之间相互转换的信息，反映给定区域内给定时期开始和结束时不同土地类型之间相互转化的动态过程[32-33]。土地利用转移矩阵的一般形式为：

(5)

式中：S代表面积；n为转移前后的土地利用类型数量；i、j(i，j=1，2，…，n)代表转移前后的土地利用类型；Sij表示转换前从地类i转换为地类j的面积。矩阵中的每一行元素表示转换后从地类i转换为各地类的面积，每一列元素表示转换前从地类j到各地类的转换面积。

2 结果与分析

2.1 林地的时空分布和动态变化

采用最大似然监督分类法分别对遥感数据进行信息解译，其信息解译总精度分别是 82.5274%、84.6643%、84.6532%、87.1640%，均满足研究精度要求。分类后影像如图1所示。

1988—2018年，研究区域内林地的分布情况存在显著差异。利用单一土地利用动态度和综合土地利用动态度，分析不同研究时期额敏县林地和其他各类地物的变化率(表1)。

1988—1998年，额敏县不同土地利用/覆被类型的面积发生了显著变化，呈现出三增四减的趋势：林地面积、裸土和盐碱地面积增加，其动态度均为正。其他(流沙、戈壁等)土地类型面积减少，动态度为负。其中盐碱地的动态度最大，为8.34%。林地的动态度最小，仅为0.82%，但在11年内，政府实施植树造林政策，增加了林地面积。

图1 1988—2018年土地利用/覆被信息解译图Fig.1 Interpretation map of land use/cover information from 1988 to 2018

表1 1988—1998年、1998—2007年、2007—2018年新疆额敏县土地利用/覆被变化

1998—2007年，各类地物面积呈现出三增四减的趋势：林地、水体、其他(流沙、戈壁等)面积增加，动态度为正；耕地、裸土、盐碱地和建筑用地面积减少，动态度为负值。林地面积从4301.55 km2增加到5031.59 km2，动态度为1.70%。林地面积不断增加，这主要是由于近10年来加大生态建设，对林地进行了种植，林地面积有所增加。

2007—2018年，各类地物面积呈现三增四减的趋势：耕地、盐碱地和建筑用地面积增加，动态度为正；林地、裸土、水体和其他(流沙、戈壁等)面积减少，动态度为负，其中建筑用地动态度最大，为18.11%。林地面积略有减少，是因为树木的转换和利用；盐碱地面积略有增加，动态度为5.87%，其他动态度仍较小，变化微弱，这足以说明戈壁、沙漠、沙地和粘土的人为利用率很低，且利用不持久。

2.2 林地资源的分流变化

利用桑基能量分流图，能有效地定量表征31年之间，额敏县林地和各类地物之间的相互转换和面积分流。由图2可知，林地、耕地、裸土三者之间的相互分流量较小，但转换却一直较为频繁。由表2可知，裸土向建筑用地的转换非常显著，但分流率从10.31%迅速下降到5.63%，水体的分流变化趋于稳定。盐碱地的分流动态变化先减少后增加，建筑用地的分流动态从12.21%、16.53%，显著增加到29.95%。耕地随时间的变化，其分流变化显著，在3个研究时间段内，其分流所占百分比从7.52%、11.52%上升到13.87%。林地动态分流从2.36%上升到4.15%，然后下降到3.12%。

图2 1988—2018年土地利用/覆被转移桑基Fig.2 Land use/cover transfer Sangji from 1988 to 2018

表2 1988—2018年额敏县土地利用/覆被空间变化动态

2.3 林地的时空动态变化和重心转移

2.3.1 林地空间形态变化 由图3和表3可知，林地的平面空间重心变化幅度较小，1988—1998年林地重心偏移13.10 km，重心偏移轨迹相对较大，非均衡程度增强，林地重心南偏西51°47′12″，表明林地空间分布的高密度区指向西南方向，重心迁移速度1.19 km/年。1998—2007年林地重心偏移4.72 km，林地重心由北向西偏移83°54′30″,重心迁移速度45.54 km/年，迁移速率相对较快，重心持续向西北方向移动，林地的方向性指向明显。2007—2018年林地重心偏移3.5 km，林地重心由东向南偏移24°58′12″，重心有回缩趋势，重心迁移速度0.29 km/年，迁移速率明显下降。表明林地的向心力的程度和方向明确性趋势不明显，林地方向分布和偏移差异总体特征呈现递减趋势，偏移现象得到了控制和改善。

如图4所示，1988—2018年，从林地标准差椭圆的长短轴、形状指数及面积变化3个方面进一步分析林地空间形态演化。从林地标准差椭圆长短轴变化来看，长轴总体呈下降趋势，表示林地在南北方向呈收缩趋势，短半轴经历了先减小—再增大—再减小的变化过程,表明在1988—1998年和2007—2018年林地在东西方向呈收缩趋势，但31年里林地在东西方向总体呈逐步扩张趋势。从林地标准差椭圆形状指数变化来看，可以发现林地形状指数先减小，在1998年达到最小值后开始增加。1998年林地标准差椭圆空间分布形状更加扁平。林地主要沿着长轴方向分布，1998—2018年林地趋向于短轴分布，空间分布趋于圆，其空间分布特征不明显。从林地标准差椭圆面积变化来看，在 2018年呈现出剧烈下降，主要受到城市发展和发展速度的影响。总体来看，其31年间林地重心分布相对较稳定，空间差异性波动较小。

图3 1988—2018年林地方向分布和重心转移Fig.3 Forestland direction distribution and center of gravity shift from 1988 to 2018

表3 1988—2018年林地重心转移距离和角度统计

图4 1988—2018年标准差椭圆长短轴、形状指数及面积变化Fig.4 The long and short axis, shape index and area change of standard deviation ellipse from 1988 to 2018

2.3.2 林地动态转移变化 运用ENVI5.1和ArcGIS10.6进行4期影像的转移和叠加分析，获得1988—1998年、1998—2007年和2007—2018年各时期的林地与其他各类地物之间的转移图(图5)。为了在图像的每个阶段进行不同类型土地的转移运算，要在图像的每个阶段进行差值运算，以获得不同类型土地面积转移矩阵。结合表4进一步分析1988—2018年额敏县林地向各类地物的转移变换。

由表4和图5可知，1988—1998年，林地面积变化最为显著，林地面积为4301.55 km2，其次为裸土(2935.74 km2)。林地主要由耕地面积和水体面积转化而来，分别为411.15和151.40 km2。随着裸土面积的增加，部分由耕地转化，为1007.14 km2，小部分由林地转化，为310.6 km2。城镇化建设占用林地、耕地和裸地面积，造成大量裸土、耕地和一小部分林地转化为盐碱地。

1998—2007年，林地是变化最大的土地类型，林地面积高达5031.59 km2，主要由耕地面积和裸土面积转化而来，分别为422.24和763.11 km2。林地面积的增加和裸土面积的减少表明，裸土土地的利用得到显著改善。其他面积显著增加，其中一部分从裸土转移，为271.27 km2，一小部分从林地转移，为101.94 km2。裸土和林地以及少部分耕地转变成盐碱地，较前10年相比，盐碱地面积减少，1988—2007年间有4.79 km2盐碱地的有效治理为林地。二十年之间林地资源平稳增加。

2007—2018年，林地面积为4364.04 km2，主要由裸土面积和其他(流沙、戈壁等)面积转化而来，分别为196.09和154.83 km2。耕地面积显著增加，一部分由林地转化，为672.84 km2，一小部分由裸土转化，为345.93 km2。额敏县大力发展农业生产，生产基地建设任务，县城农业科技体系建设，病虫害防治和预警体系等项目。裸土面积的减少表明裸土的利用得到了显著改善。其他(流沙、戈壁等)面积显著增加，其中一部分从裸土转化，为9.31 km2，一小部分面积从林地转化，为3.59 km2。建设用地面积从2007年的77.34 km2增加到2018年的252.4 km2，增加175.06 km2。建设用地占用了大部分林业用地用于扩张建设。

2.4 驱动因素分析

2.4.1 降水与气温对林地时空变化的驱动分析 由图6可知，1988—2018年，额敏县每年平均气温增加约0.02 ℃，呈现明显的增长趋势，年总降水量在31年内每年平均降低约2.26 mm，呈平稳变化趋势。该地区相对湿度呈现下降趋势，虽然相对湿度是空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的比值，降水量与蒸散发量无关，但是降水量的下降，直接导致土地干旱程度不断加剧，林地面积在逐渐减少，而由此导致干旱的裸露土壤和盐碱地面积增加，与此同时，水体的面积呈现下降趋势。

图5 1988—2018年林地向各类地物的转换Fig.5 Conversion of woodland to various features from 1988 to 2018

表4 1988—2018年额敏县土地利用/覆被转移矩阵

2.4.2 人口数量与生产总值对林地时空变化的驱动分析 由图7可知，额敏县总人口从1988年的15.57万人增加到2018年的20.54万人，31年间共计增加4.97万人，每年人口增长率为0.94%；土地为人类提供了生活所需的物质资源，人类的活动也会直接影响林地资源的空间分布。2015年全县生产总值同比增长9.8%，工业、建筑业建设导致人为活动的投资和贸易消费不断的扩张，人均GDP达到37 172元，与2014年增长10.7%。工业经济同比增长8.2%，而由此也导致建筑用地的面积显著增加，占用的林地面积，导致林地资源减少，全县建筑业企业施工面积增长10.8%。

图6 1988—2018年额敏县年平均气温和年总降水量变化趋势Fig.6 Trends of annual mean temperature and annual total precipitation in Emin county from 1988 to 2018

图7 1988—2018年额敏县人口数量和生产总值变化趋势Fig.7 Trends of population and GDP in Emin county from 1988 to 2018

随着城市化进程的加剧，非农人口逐渐增加，地区生产总值从1988年的9638.5万元增长到2018年的734 600万元，2018年的生产总值是1988年的76.22倍。社会经济发展影响林地时空变化，促使林地与建筑用地、耕地之间的相互转换频繁，额敏县建设用地扩张的趋势显著。

3 讨 论

31年间，额敏县的土地利用/覆被综合动态度为1.69%、1.25%、0.96%，呈现逐年下降的趋势。随着时间的推移，土地利用/覆被类型的变化逐渐由剧烈向平衡转变，土地资源利用逐渐由盲目向合理转变。额敏县的耕地面积先减少后略有增加，使得耕地的用地现状得到改善。建立合理的耕作制度、合理的化肥施用措施，都能使得耕地的使用逐步趋于合理化[34]。林业是生态建设的重要组成部分，额敏的政府部门多年来一直致力于对林地资源的保护[35]，这也促使研究区林地面积有所增加，并呈现出先剧烈增加后趋于稳定的动态变化趋势。裸土和其他的面积变化微弱，盐碱地面积持续增加，这也表明，人类开发利用裸土和其他的土地资源是困难的。水体的面积先减少后增加再减少，这在很大程度上取决于自然状况，人为的因素较少，应加强水源涵养植物，合理利用水资源。盐碱地的变化率呈现出先升高再降低后升高的趋势，尽管对盐碱地的进程有所遏制，但盐碱地面积持续上升的趋势并未逆转。

从林地空间形态变化来看，可以发现31年林地空间分布趋于圆，其空间分布特征变化较小。通过林地空间分布分析，表明林地的空间格局向着均匀化方向发展。总体来看，其31年间林地重心分布相对较稳定，空间差异性波动较小。通过林地动态转移变化，林地与耕地、裸土转化较为频繁，建筑用地的增加大多为林地和裸土转化而来，额敏县应促进土地利用/覆被产业结构调整，促进林业产业结构调整，解决额敏县后备土地资源短缺问题，提高土地利用率。31年之间，研究区林地时空分布格局的变化，是社会因素和自然因素综合作用的结果。对林地产生驱动的主要因素包括气温、降水、人口数量和生产总值。由于气温呈增长趋势、降水量呈平稳变化趋势，可导致裸土面积增加，水体面积减少，林地资源减少。随着社会经济发展快速，人口和生产总值的持续增加，大力发展城市化进程，使得林地面积减小，需要在城市建设的同时，加强对林地资源维护的措施，减少由于城市发展带来人为因素的影响。

土地利用/覆被作为陆地生态系统变化的重要表现[36]，不仅能够有效掌握林地资源的空间分布特征，还能定量的掌握林地的动态变化。林地作为森林资源的重要组成部分，在实际调查工作中，需要依托信息化的技术和手段来提高林业监测和调查的速度[37]。遥感、全球定位系统和地理信息系统技术的综合应用，对林地资源的动态监测具有重要的研究和应用价值，也能够为生态环境保护与治理提供更有价值的参考。

4 结 论

本研究利用LANDSAT卫星的TM、ETM以及OLI数据，实现了1988—2018年的林地资源的信息解译，定量分析了31年间林地的动态变化，剖析了林地向各类地物之间的相互转化，探讨了林地重心的变化和偏移情况，阐述了林地资源的时空动态规律，得到如下结论。

(1)1988—2018年，额敏县林地与其他各类地物面积发生了显著变化，建筑用地比例持续增加，耕地和建筑用地动态度也呈现出显著的增加趋势；林地变化幅度较小，动态度呈现出先稳步增加后缓慢降低的变化趋势。与1988年相比，2018年林地面积有所增加。额敏县林地单一变化速度相对较慢。从林地资源的分流来看，额敏县林地的动态分流波动较小，但林地、耕地、裸土三者之间的相互分流和变换相对较频繁。

(2)从林地的时空动态变化和重心转移来看，前20年林地重心空间迁移方向趋于一致，后11年林地重心迁移有回缩趋势，迁移速度迅速增加然后骤然下降。林地重心迁移趋势和方向分布波动性相对较稳定。1988—2018年林地面积的增加，主要是由裸土和其他(流沙、戈壁等)地物转化而来，其中2007—2018年，裸土转化为林地的面积高达196.09 km2。其中林地向建筑用地的转换非常显著，而耕地面积的增加则主要是由林地转化而来。由于气温的急剧变化和降水量的持续下降，导致林地面积减少，人口的急速增长，促使林地向建筑用地数量的转换得到显著增加，林地向建设用地和城市边缘地带的转变非常明显，应保护现有林业用地，才能有效改良林地资源状况，优化林地资源配置。