基于RS的川西天然林区近29年植被覆盖动态变化

赖家明， 杨武年

(1.成都理工大学地球科学学院，成都 610059；2.四川农业大学林学院，成都 611130)

0 引言

森林对全球环境变化有重要影响，尤其是在碳循环中起着至关重要的作用[1-3]。我国森林资源主体天然林在水源涵养[4-5]、水土保持[6-7]、调节气候[8-9]、改善人类生存环境、保护动植物多样性[10]和保持生态平衡等方面发挥着积极作用。在天然林资源保护工程(以下简称“天保工程”)实施前，我国天然林资源曾受到持续破坏[11]。准确掌握和监测天保工程实施近20 a来天然林资源的动态特征，及时评估天保工程实施成效，具有重要的现实意义，并为更好地推进天保工程提供有价值的数据[12]。

西南林区是我国第二大天然林分布区[13]，地处青藏高原东南缘，是长江上游地区极为重要的水土保持区域，是我国天保工程的核心区域，同时该区域也是生物多样性富集区和生态极脆弱地区[14]。及时准确获取该区域天然林监测结果，研究天保工程实施前后近29 a间川西天然林资源消长及动态变化特征，可为川西亚高山林区森林资源的可持续经营以及国家天保工程相关政策的制订和完善提供基础数据和理论参考。采用遥感技术开展研究可节约资源，提质增效。通过多期影像数据对比，既能确定资源变化位置、变化类型及变化数量与规模，又可避免深入天然林区开展调查工作对脆弱生态环境的干扰或破坏。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

研究区为四川省甘孜州道孚县南部的甲斯孔林场和木茹林场，简称川西天然林区，地理位置介于N30°38′～31°7′，E100°37′～101°9′之间，总面积为111 552.49 hm2。图1为研究区位置及遥感影像示意图。研究区气候类型为北亚热带大陆性高原季风气候，常年温度较低，雨热同季且干湿季明显；因受海拔的影响，气候具有明显的垂直变化特征。该区域是典型的亚高山林区，森林垂直分布差异明显，海拔由低至高植被类型分别为河谷灌木、针阔叶混交林、暗针叶林和高山灌丛。建群树种主要为白桦、高山松、川滇高山栎、川西云杉、鳞皮冷杉、紫花杜鹃和香柏等。

图1 研究区位置及遥感影像示意图

1.2 数据源

研究采用遥感数据为1989 年2月3日Landsat TM，2000 年1月17日Landsat7 ETM+和2017 年1月7日Landsat8 OLI影像数据，下载自中国科学院遥感与数字地球研究所对地观测数据共享计划网站

(http: //ids.ceode.ac.cn/)。其他辅助数据主要有研究区1∶100 000地形图、数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据、2016年研究区森林资源规划设计调查成果数据和森林资源分布图等。

2 研究方法

2.1 遥感影像预处理

利用ENVI5.1软件对研究区TM，ETM+和OLI影像进行辐射定标、大气校正、正射校正、几何精纠正、影像裁剪与融合等处理，以减弱影像几何畸变和地物反射等误差。

2.2 遥感影像分类及精度评价

依据影像可解译性和研究区各植被类型的生物学特性，参考刘纪远[15]提出的分类体系，结合国家森林资源调查规程的地类划分标准以及研究区土地利用和森林资源分布现状，将研究区土地覆盖类型分为乔木林地、灌木林地、草地、水域、耕地、采伐迹地和未利用地共7类。采用最大似然法进行监督分类。研究区3个时期遥感影像分类结果见图2。

(a) 1989年 (b) 2000年 (c) 2017年

采用随机抽样的方法进行精度评价，影像总体分类精度均在90%以上，分类精度检验结果如表1。

表1 分类精度检验结果

2.3 植被覆盖度计算

植被覆盖度是指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比[16]，是衡量地表植被覆盖的一个重要指标，能有效反映地表植被分布特征和描述生态环境变化[17-18]，被广泛用于生态环境评价和植被动态监测等领域[19-22]。直接利用植被指数可以准确有效地估算植被覆盖度[23-25]。归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)不仅可检测植被覆盖度、植被生长状态和消除部分辐射误差，还能消除植物冠层的背景和高大山体的阴影所带来的影响，如土壤、枯叶、粗超度、潮湿地面和雪等，因此选取NDVI来进行森林植被变化特征的分析，其计算公式为

NDVI=(DNNIR-DNR)/(DNNIR+DNR)

(1)

式中DNNIR和DNR分别为近红外和红光波段的灰度值[26]。然后采用像元二分模型计算植被覆盖度F[27]，即

F=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil) ，

(2)

式中：NDVIsoil为无植被覆盖的裸地像元的植被指数；NDVIveg为完全被植被覆盖像元的植被指数。理论上，NDVIsoil接近于0，但因各种环境影响，NDVIsoil通常在0.1～0.2范围之间。NDVIveg值受植被类型和生长状态影响而改变。本文NDVIsoil和NDVIveg分别取自NDVI图像中最小值和最大值来估算植被覆盖度Fc[28-29]，即

Fc=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin) ，

(3)

式中NDVImax和NDVImin分别为研究区内NDVI的最大值和最小值。为比较分析不同时间和空间分布上的植被覆盖情况，将研究区植被覆盖度分为5个等级：低植被覆盖区[0%～20%)、中低植被覆盖区[20%～40%)、中等植被覆盖区[40%～60%)、中高植被覆盖区[60%～80%)和高植被覆盖区[80%～100%][30]。研究区植被覆盖度分布如图3所示。

(a) 1989年 (b) 2000年 (c) 2017年

3 结果与分析

3.1 植被覆盖动态分析

1989年、2000年和2017年3个时期研究区不同植被覆盖度等级分级面积占研究区总面积的比例如表2所示。

表2 研究区不同时期植被覆盖度分级面积比例统计

由表2可知，1989—2000年间，中等植被覆盖区面积大幅下降了3.29%，中低植被覆盖区面积增加了4.07%，低植被覆盖区面积增加了1.57%，呈现出研究区高植被覆盖区面积减少，低植被覆盖区面积增加，总体植被覆盖度降低的特征；2000—2017年间，高植被覆盖区面积增长2.61%，中高植被覆盖区的面积增长6.40%，中低植被覆盖区面积减少2.45%，低植被覆盖区面积减少1.48%，呈现出高植被覆盖区面积增加，低植被覆盖区面积减少，总体植被覆盖度升高的特征。

天保工程实施前近10 a与实施后近20 a间，研究区植被覆盖变化出现了截然相反的动态特征。其根本原因是在2000年前，大规模采伐天然林导致了研究区高植被覆盖区域面积迅速减少，低植被覆盖区域面积增加；2000年天保工程实施后，天然林禁伐，人为干扰和破坏减少，天然林资源得到保护，采伐迹地得到及时更新，研究区的植被覆盖逐渐回升。

3.2 土地覆盖类型动态分析

1989年、2000年和2017年3个时期不同土地覆盖类型分类统计结果如表3所示。由表3可见，1989年、2000年和2017年3个时期该区土地覆盖类型均以灌木林地为主，面积分别为37 870.50 hm2，38 254.67 hm2和37 807.96 hm2，各期覆盖面积占研究区总面积的比例依次为：33.95%,34.29%和33.89%；近29 a间研究区灌木林地面积变化幅度较小。

表3 研究区1989 年、2000 年和2017 年各地类面积统计

1989—2000年间，研究区乔木林地面积减少了3 253.02 hm2，面积比例由30.39%下降至27.48%，降幅为2.91%；2000—2017年间，天保工程实施近20 a间，乔木林地面积增加了4 729.68 hm2，面积比例由27.48%增至31.72%，增幅达4.24%。乔木林面积变化体现出天保工程实施前慢降，工程实施后缓升的特征。这是由于天保工程实施前，乔木林被长期过度采伐，面积逐渐减少；而在实施天保工程以后，天然林资源得到保护，但因研究区地处高寒气候区，区内植物年生长期短，同时年生长量小，所以研究区乔木林地面积仅有较慢增速。

近29 a间，耕地面积的变化较为明显，1989—2000年间由1 703.49 hm2增至2 426.66 hm2，2000—2017年间又减至1 639.86 hm2。在天保工程实施前后表现出增加和降低的不同变化特征。在1989—2000年间，研究区内伐木工人数量增多，对农产品的需求量增大，又因交通不便，林场自给自足，为弥补需求增量，耕地面积不断扩大；实施天保工程后，大部分森工系统从业人员转业转产，林场对农产品需求不断下降，加上退耕还林工程的实施导致了耕地面积持续减少。

在其他土地覆盖类型中，因地处高海拔位置，受人为干扰较小，草地与未利用地面积没有明显变化。采伐迹地面积比例在1989—2000年间从0.93%增至2.08%；天保工程实施后逐年减少，至2017年全部消失。这是因为天保工程前，天然林采伐严重且更新造林不及时，导致采伐迹地面积增加；而在天保工程实施后禁伐天然林，并及时进行迹地更新造林，使采伐迹地逐渐消失。

3.3 土地利用类型面积转移

3.3.1 1989—2000年土地利用类型面积转移

对1989年和2000年土地利用类型栅格数据进行空间分析，得到1989—2000年间各地类面积转移情况如表4所示。

表4 研究区1989—2000年各地类面积转移

由表4可见，乔木林地面积转入2 916.89 hm2，转出6 169.91 hm2，净减少3 253.02 hm2。转入主要来自灌木林自然生长、演替; 大部分转出为灌木林地。灌木林是森林演替过程中的重要组成部分，受人为干扰程度较深，在各个地类间转移比较复杂,或因自然生长、演替而转出为乔木林；或因采伐和垦荒退化为草地、裸地或转出为采伐迹地或耕地。10 a间，研究区灌木林地面积净增384.17 hm2，转入来源主要为乔木林地采伐退化和草地自然演替或人工造林转为灌木林地。耕地面积转移主要在灌木林地、乔木林地和草地之间发生。采伐迹地主要转入来源为乔木林采伐; 转出为其他地类均有，其中主要转为乔木林地。

3.3.2 2000—2017年土地利用类型面积转移

叠加2000年和2017年的土地利用类型栅格数据，计算2000—2017年间各地类面积转移统计情况如表5所示。由表5可见，2000—2017年间研究区乔木林地净增加4 729.68 hm2，转入和转出均主要为灌木林地。转入6 552.05 hm2，其中灌木林地达5 411.36 hm2；转出1 822.37 hm2，其中灌木林地1 322.40 hm2。灌木林地面积净减少446.71 hm2，转入7 504.00 hm2，转出7 950.71 hm2，转移量较大。转入来源则主要为采伐迹地、草地和乔木林地; 转出主要为乔木林地和草地。

表5 研究区2000—2017年地类面积转移

3.4 森林覆盖率动态变化

森林覆盖率是指某一地区森林面积占土地总面积的百分比。森林面积是指郁闭度在0.2以上的乔木林地面积、竹林地面积、国家特别规定的灌木林地面积及经济林地面积的总和。对研究区3期遥感影像进行解译分类之后再合并处理，统计郁闭度在0.2以上的森林面积，分别计算3个时期森林覆盖率如表6所示。

表6 研究区1989年、2000年和2017年森林覆盖率统计

由表6可见，近29 a间，研究区森林覆盖率出现先降低后回升的变化规律，前期(1989—2000 年)由64.34%降至61.77%；后期(2000—2017年)回升至65.61%。森林覆盖率降低主因是天然林的大规模采伐；森林覆盖率回升则是多种因素综合作用的结果。实施天保工程禁伐天然林，同时对采伐迹地进行更新造林，疏林自然生长使郁闭度增大，最终致使森林覆盖率得以缓升。

4 结论与讨论

从植被覆盖度与土地覆盖类型变化的角度研究了四川省甘孜州道孚县甲斯孔林场和木茹林场天保工程实施成效，发现区域内总体上植被分布呈现增长态势，表明该工程对川西天然林植被数量增长有积极作用。主要结论如下：

1)天保工程的实施对于遏制采伐，促进森林生长，增加乔木林地面积有积极作用。天保工程实施前(1989—2000年)，乔木林地面积减少2.91%，采伐迹地增加1.15%；天保工程实施后(2000—2017年)，乔木林地面积增加4.24%，采伐迹地消失。

2)天保工程的实施有利于森林植被的恢复。1989—2000年间研究区植被覆盖度显著下降，中等及以上植被覆盖度面积减少6 291.56 hm2,比例由91.06%降为85.42%；工程实施后，2000—2017年间研究区植被覆盖度明显回升，中等及以上植被覆盖度面积比例上升到89.35%。

3)天保工程的实施有效地保护了森林资源。从森林覆盖率变化看，3个时期(1989年、2000年、2017年)的森林覆盖率分别为64.34%,61.77%和65.61%，天保工程实施前及实施初期(1989—2000年)下降，天保工程实施后(2000—2017年)有所上升。

天保工程的实施对当地森林的影响是系统而全面的[31]，本研究只从森林资源面积变化角度研究了其实施成效，具有一定局限性，同时没有考虑研究区近29 a间气候变化对植被生长的潜在影响。故在以后的研究中，有必要从气候变化、森林质量、景观格局和生态效益等方面探讨天保工程的综合效益。