基于RS的川西天然林區近29年植被覆蓋動態變化

賴家明， 楊武年

(1.成都理工大學地球科學學院，成都 610059；2.四川農業大學林學院，成都 611130)

0 引言

森林對全球環境變化有重要影響，尤其是在碳循環中起著至關重要的作用[1-3]。我國森林資源主體天然林在水源涵養[4-5]、水土保持[6-7]、調節氣候[8-9]、改善人類生存環境、保護動植物多樣性[10]和保持生態平衡等方面發揮著積極作用。在天然林資源保護工程(以下簡稱“天保工程”)實施前，我國天然林資源曾受到持續破壞[11]。準確掌握和監測天保工程實施近20 a來天然林資源的動態特征，及時評估天保工程實施成效，具有重要的現實意義，并為更好地推進天保工程提供有價值的數據[12]。

西南林區是我國第二大天然林分布區[13]，地處青藏高原東南緣，是長江上游地區極為重要的水土保持區域，是我國天保工程的核心區域，同時該區域也是生物多樣性富集區和生態極脆弱地區[14]。及時準確獲取該區域天然林監測結果，研究天保工程實施前后近29 a間川西天然林資源消長及動態變化特征，可為川西亞高山林區森林資源的可持續經營以及國家天保工程相關政策的制訂和完善提供基礎數據和理論參考。采用遙感技術開展研究可節約資源，提質增效。通過多期影像數據對比，既能確定資源變化位置、變化類型及變化數量與規模，又可避免深入天然林區開展調查工作對脆弱生態環境的干擾或破壞。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

研究區為四川省甘孜州道孚縣南部的甲斯孔林場和木茹林場，簡稱川西天然林區，地理位置介于N30°38′～31°7′，E100°37′～101°9′之間，總面積為111 552.49 hm2。圖1為研究區位置及遙感影像示意圖。研究區氣候類型為北亞熱帶大陸性高原季風氣候，常年溫度較低，雨熱同季且干濕季明顯；因受海拔的影響，氣候具有明顯的垂直變化特征。該區域是典型的亞高山林區，森林垂直分布差異明顯，海拔由低至高植被類型分別為河谷灌木、針闊葉混交林、暗針葉林和高山灌叢。建群樹種主要為白樺、高山松、川滇高山櫟、川西云杉、鱗皮冷杉、紫花杜鵑和香柏等。

圖1 研究區位置及遙感影像示意圖

1.2 數據源

研究采用遙感數據為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影像數據，下載自中國科學院遙感與數字地球研究所對地觀測數據共享計劃網站

(http: //ids.ceode.ac.cn/)。其他輔助數據主要有研究區1∶100 000地形圖、數字高程模型(digital elevation model,DEM)數據、2016年研究區森林資源規劃設計調查成果數據和森林資源分布圖等。

2 研究方法

2.1 遙感影像預處理

利用ENVI5.1軟件對研究區TM，ETM+和OLI影像進行輻射定標、大氣校正、正射校正、幾何精糾正、影像裁剪與融合等處理，以減弱影像幾何畸變和地物反射等誤差。

2.2 遙感影像分類及精度評價

依據影像可解譯性和研究區各植被類型的生物學特性，參考劉紀遠[15]提出的分類體系，結合國家森林資源調查規程的地類劃分標準以及研究區土地利用和森林資源分布現狀，將研究區土地覆蓋類型分為喬木林地、灌木林地、草地、水域、耕地、采伐跡地和未利用地共7類。采用最大似然法進行監督分類。研究區3個時期遙感影像分類結果見圖2。

(a) 1989年 (b) 2000年 (c) 2017年

采用隨機抽樣的方法進行精度評價，影像總體分類精度均在90%以上，分類精度檢驗結果如表1。

表1 分類精度檢驗結果

2.3 植被覆蓋度計算

植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比[16]，是衡量地表植被覆蓋的一個重要指標，能有效反映地表植被分布特征和描述生態環境變化[17-18]，被廣泛用于生態環境評價和植被動態監測等領域[19-22]。直接利用植被指數可以準確有效地估算植被覆蓋度[23-25]。歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)不僅可檢測植被覆蓋度、植被生長狀態和消除部分輻射誤差，還能消除植物冠層的背景和高大山體的陰影所帶來的影響，如土壤、枯葉、粗超度、潮濕地面和雪等，因此選取NDVI來進行森林植被變化特征的分析，其計算公式為

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

(1)

式中DNNIR和DNR分別為近紅外和紅光波段的灰度值[26]。然后采用像元二分模型計算植被覆蓋度F[27]，即

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

(2)

式中：NDVIsoil為無植被覆蓋的裸地像元的植被指數；NDVIveg為完全被植被覆蓋像元的植被指數。理論上，NDVIsoil接近于0，但因各種環境影響，NDVIsoil通常在0.1～0.2范圍之間。NDVIveg值受植被類型和生長狀態影響而改變。本文NDVIsoil和NDVIveg分別取自NDVI圖像中最小值和最大值來估算植被覆蓋度Fc[28-29]，即

Fc=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin) ，

(3)

式中NDVImax和NDVImin分別為研究區內NDVI的最大值和最小值。為比較分析不同時間和空間分布上的植被覆蓋情況，將研究區植被覆蓋度分為5個等級：低植被覆蓋區[0%～20%)、中低植被覆蓋區[20%～40%)、中等植被覆蓋區[40%～60%)、中高植被覆蓋區[60%～80%)和高植被覆蓋區[80%～100%][30]。研究區植被覆蓋度分布如圖3所示。

(a) 1989年 (b) 2000年 (c) 2017年

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋動態分析

1989年、2000年和2017年3個時期研究區不同植被覆蓋度等級分級面積占研究區總面積的比例如表2所示。

表2 研究區不同時期植被覆蓋度分級面積比例統計

由表2可知，1989—2000年間，中等植被覆蓋區面積大幅下降了3.29%，中低植被覆蓋區面積增加了4.07%，低植被覆蓋區面積增加了1.57%，呈現出研究區高植被覆蓋區面積減少，低植被覆蓋區面積增加，總體植被覆蓋度降低的特征；2000—2017年間，高植被覆蓋區面積增長2.61%，中高植被覆蓋區的面積增長6.40%，中低植被覆蓋區面積減少2.45%，低植被覆蓋區面積減少1.48%，呈現出高植被覆蓋區面積增加，低植被覆蓋區面積減少，總體植被覆蓋度升高的特征。

天保工程實施前近10 a與實施后近20 a間，研究區植被覆蓋變化出現了截然相反的動態特征。其根本原因是在2000年前，大規模采伐天然林導致了研究區高植被覆蓋區域面積迅速減少，低植被覆蓋區域面積增加；2000年天保工程實施后，天然林禁伐，人為干擾和破壞減少，天然林資源得到保護，采伐跡地得到及時更新，研究區的植被覆蓋逐漸回升。

3.2 土地覆蓋類型動態分析

1989年、2000年和2017年3個時期不同土地覆蓋類型分類統計結果如表3所示。由表3可見，1989年、2000年和2017年3個時期該區土地覆蓋類型均以灌木林地為主，面積分別為37 870.50 hm2，38 254.67 hm2和37 807.96 hm2，各期覆蓋面積占研究區總面積的比例依次為：33.95%,34.29%和33.89%；近29 a間研究區灌木林地面積變化幅度較小。

表3 研究區1989 年、2000 年和2017 年各地類面積統計

1989—2000年間，研究區喬木林地面積減少了3 253.02 hm2，面積比例由30.39%下降至27.48%，降幅為2.91%；2000—2017年間，天保工程實施近20 a間，喬木林地面積增加了4 729.68 hm2，面積比例由27.48%增至31.72%，增幅達4.24%。喬木林面積變化體現出天保工程實施前慢降，工程實施后緩升的特征。這是由于天保工程實施前，喬木林被長期過度采伐，面積逐漸減少；而在實施天保工程以后，天然林資源得到保護，但因研究區地處高寒氣候區，區內植物年生長期短，同時年生長量小，所以研究區喬木林地面積僅有較慢增速。

近29 a間，耕地面積的變化較為明顯，1989—2000年間由1 703.49 hm2增至2 426.66 hm2，2000—2017年間又減至1 639.86 hm2。在天保工程實施前后表現出增加和降低的不同變化特征。在1989—2000年間，研究區內伐木工人數量增多，對農產品的需求量增大，又因交通不便，林場自給自足，為彌補需求增量，耕地面積不斷擴大；實施天保工程后，大部分森工系統從業人員轉業轉產，林場對農產品需求不斷下降，加上退耕還林工程的實施導致了耕地面積持續減少。

在其他土地覆蓋類型中，因地處高海拔位置，受人為干擾較小，草地與未利用地面積沒有明顯變化。采伐跡地面積比例在1989—2000年間從0.93%增至2.08%；天保工程實施后逐年減少，至2017年全部消失。這是因為天保工程前，天然林采伐嚴重且更新造林不及時，導致采伐跡地面積增加；而在天保工程實施后禁伐天然林，并及時進行跡地更新造林，使采伐跡地逐漸消失。

3.3 土地利用類型面積轉移

3.3.1 1989—2000年土地利用類型面積轉移

對1989年和2000年土地利用類型柵格數據進行空間分析，得到1989—2000年間各地類面積轉移情況如表4所示。

表4 研究區1989—2000年各地類面積轉移

由表4可見，喬木林地面積轉入2 916.89 hm2，轉出6 169.91 hm2，凈減少3 253.02 hm2。轉入主要來自灌木林自然生長、演替; 大部分轉出為灌木林地。灌木林是森林演替過程中的重要組成部分，受人為干擾程度較深，在各個地類間轉移比較復雜,或因自然生長、演替而轉出為喬木林；或因采伐和墾荒退化為草地、裸地或轉出為采伐跡地或耕地。10 a間，研究區灌木林地面積凈增384.17 hm2，轉入來源主要為喬木林地采伐退化和草地自然演替或人工造林轉為灌木林地。耕地面積轉移主要在灌木林地、喬木林地和草地之間發生。采伐跡地主要轉入來源為喬木林采伐; 轉出為其他地類均有，其中主要轉為喬木林地。

3.3.2 2000—2017年土地利用類型面積轉移

疊加2000年和2017年的土地利用類型柵格數據，計算2000—2017年間各地類面積轉移統計情況如表5所示。由表5可見，2000—2017年間研究區喬木林地凈增加4 729.68 hm2，轉入和轉出均主要為灌木林地。轉入6 552.05 hm2，其中灌木林地達5 411.36 hm2；轉出1 822.37 hm2，其中灌木林地1 322.40 hm2。灌木林地面積凈減少446.71 hm2，轉入7 504.00 hm2，轉出7 950.71 hm2，轉移量較大。轉入來源則主要為采伐跡地、草地和喬木林地; 轉出主要為喬木林地和草地。

表5 研究區2000—2017年地類面積轉移

3.4 森林覆蓋率動態變化

森林覆蓋率是指某一地區森林面積占土地總面積的百分比。森林面積是指郁閉度在0.2以上的喬木林地面積、竹林地面積、國家特別規定的灌木林地面積及經濟林地面積的總和。對研究區3期遙感影像進行解譯分類之后再合并處理，統計郁閉度在0.2以上的森林面積，分別計算3個時期森林覆蓋率如表6所示。

表6 研究區1989年、2000年和2017年森林覆蓋率統計

由表6可見，近29 a間，研究區森林覆蓋率出現先降低后回升的變化規律，前期(1989—2000 年)由64.34%降至61.77%；后期(2000—2017年)回升至65.61%。森林覆蓋率降低主因是天然林的大規模采伐；森林覆蓋率回升則是多種因素綜合作用的結果。實施天保工程禁伐天然林，同時對采伐跡地進行更新造林，疏林自然生長使郁閉度增大，最終致使森林覆蓋率得以緩升。

4 結論與討論

從植被覆蓋度與土地覆蓋類型變化的角度研究了四川省甘孜州道孚縣甲斯孔林場和木茹林場天保工程實施成效，發現區域內總體上植被分布呈現增長態勢，表明該工程對川西天然林植被數量增長有積極作用。主要結論如下：

1)天保工程的實施對于遏制采伐，促進森林生長，增加喬木林地面積有積極作用。天保工程實施前(1989—2000年)，喬木林地面積減少2.91%，采伐跡地增加1.15%；天保工程實施后(2000—2017年)，喬木林地面積增加4.24%，采伐跡地消失。

2)天保工程的實施有利于森林植被的恢復。1989—2000年間研究區植被覆蓋度顯著下降，中等及以上植被覆蓋度面積減少6 291.56 hm2,比例由91.06%降為85.42%；工程實施后，2000—2017年間研究區植被覆蓋度明顯回升，中等及以上植被覆蓋度面積比例上升到89.35%。

3)天保工程的實施有效地保護了森林資源。從森林覆蓋率變化看，3個時期(1989年、2000年、2017年)的森林覆蓋率分別為64.34%,61.77%和65.61%，天保工程實施前及實施初期(1989—2000年)下降，天保工程實施后(2000—2017年)有所上升。

天保工程的實施對當地森林的影響是系統而全面的[31]，本研究只從森林資源面積變化角度研究了其實施成效，具有一定局限性，同時沒有考慮研究區近29 a間氣候變化對植被生長的潛在影響。故在以后的研究中，有必要從氣候變化、森林質量、景觀格局和生態效益等方面探討天保工程的綜合效益。